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Die Erfindung bezieht sich auf ein Koordinatenmessgerät umfassend einen optischen Sensor zur Messung der Struktur eines Objektes durch Beleuchten mit einer Beleuchtungseinrichtung und/oder Antasten des Objekts mit einem eine Tasterverlängerung und ein Antastformelement umfassendes Antastelement. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Messen der Struktur eines Objekts mittels eines Koordinatenmessgerätes umfassend einen optischen Sensor, mit dem mittelbar über ein eine Tasterverlängerung und ein Antastformelement umfassendes Antastelement und/oder unmittelbar die Struktur des Objektes unter Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung gemessen wird.
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Um komplexe Funktionen auf kleinstem Raum zu ermöglichen, werden miniaturisierte Bauteile für Elektrotechnik, Medizintechnik und andere Anwendungen mit immer kleineren geometrischen Merkmalen produziert. Die messtechnische Erfassung solcher kleiner Strukturen von unter 0,1 mm Größe werden zur häufigen Aufgabenstellung. Diese Geometrien sind im Allgemeinen frei im Raum angeordnet. Für das Messen geometrischer Größen werden üblicherweise Koordinatenmessgeräte bestehend aus 2, 3 oder mehr meist kartesischen Koordinatenachsen eingesetzt. Die hierfür üblicherweise verwendeten Sensoren sind so genannte schaltende oder messende Tastsysteme, deren Antastformelemente minimale Durchmesser von ca. 0,5 mm erreichen. Das Messen von Mikromerkmalen ist hiermit nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich. Ebenfalls bekannte Bildverarbeitungssensorik gestattet nur das Messen von Kanten. Das Messen von Flächen, wie zum Beispiel Wandungen, ist hiermit nicht möglich („Multisensor-Koordinatenmesstechnik“, Verlag moderne Industrie, Ralf Christoph und Hans Joachim Neumann).
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Bei optischen Koordinatenmessgeräten ist der optische Strahlengang meist fest in der Z-Achse des Koordinatenmessgerätes integriert. Für solche optischen Strahlengänge sind aus der Literatur (
EP 1 071 921 B1 , „Multisensor-Koordinatenmesstechnik“, Verlag moderne Industrie, Ralf Christoph und Hans Joachim Neumann) Mikrotaster bekannt, bei denen die Auslenkung des Antastelementes durch den Bildverarbeitungssensor gemessen wird. Wie die beschriebenen Bildverarbeitungssensoren selbst sind diese Taster nach dem Stand der Technik achsparallel zur Z-Achse des Koordinatenmessgerätes ausgerichtet. Um die im Raum in verschiedenen Lagen angeordneten Geometriemerkmale von dreidimensionalen Objekten zu messen, sind Lösungen bekannt, bei denen das Messobjekt selbst auf einem Dreh-/Schwenktisch aufgenommen wird („Multisensor-Koordinatenmesstechnik“, Verlag moderne Industrie, Ralf Christoph und Hans Joachim Neumann). Hierdurch können zum Beispiel die Bohrungen achsparallel zum so genannten Fasertaster ausgerichtet und so gemessen werden. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass relativ große Koordinatenmessgeräte erforderlich sind, um den aufwendigen Dreh-/Schwenktisch aufzunehmen. Fernerhin ist bei großen Teilen ein erheblicher Kostenaufwand erforderlich, um das gesamte Teil zu bewegen.
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Bei einem Koordinatenmessgerät nach der
WO 99/63301 A1 sind ein Antastelement und ein optischer Sensor gemeinsam verstellbar. Zusätzlich ist das Antastelement zu dem optischen Sensor rotatorisch und gegebenenfalls translatorisch verstellbar.
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Aus der
EP 0 988 505 B1 ist ein Koordinatenmessgerät mit Antastelement mit biegeelastischer Tasterverlängerung und optischem Sensor bekannt. Dabei wird die Position des Antastformelementes - auch Tastelement genannt - bzw. einer dem Antastformelement zugeordneten Zielmarke mit dem optischen Sensor bestimmt.
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Um einen starren Taster auf ein zu messendes Objekt ausrichten zu können, erfolgt nach der
DE 43 27 250 A1 ein optisches Beobachten des Tastelementes mit einer Videokamera. Diese geht dreh- und schwenkbar von einer Halterung des Koordinatenmessgerätes aus, mit der das Antastelement über eine elektromagnetische Wechselhalterung verbunden ist. Dabei ist nach einer Ausführungsform das Antastelement ein Sterntaster, der über ein Dreh-/Schwenkgelenk mit der Halterung verbunden ist, von der starr die Videokamera ausgeht.
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Ein gattungsgemäßes Koordinatenmessgerät ist der
WO 02/025206 A1 zu entnehmen. Der in dem Gehäuse angeordnete Sensor bildet einen Tastkopf, in dem eine Beleuchtung integriert ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Koordinatenmessgerät sowie ein Verfahren zum Messen der Struktur eines Objektes mittels eines Koordinatenmessgeräts der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass problemlos Mikromerkmale von Objekten gemessen werden können, ohne dass ein konstruktiv aufwendiger Aufbau des Koordinatenmessgerätes notwendig ist.
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Zur Lösung des Problems sieht die Erfindung zum einen vor ein Koordinatenmessgerät umfassend einen optischen Sensor zur Messung der Struktur eines Objektes durch Beleuchten mit einer Beleuchtungseinrichtung und/oder Antasten des Objekts mit einem eine Tasterverlängerung und ein Antastformelement umfassendes Antastelement, wobei die Beleuchtungseinrichtung und das Antastelement geeignet sind, wahlweise mit dem optischen Sensor oder einem diesen aufnehmenden Gehäuse lösbar verbunden zu werden, wobei dass die jeweils so gebildete Einheit dreh- und/oder schwenkbar ist. Erfindungsgemäß wird folglich ein optischer Sensor wie Bildverarbeitungssensor gemeinsam mit einem Antastelement wie Fasertaster bzw. eine Beleuchtungseinrichtung auf insbesondere einem Dreh-/Schwenkgelenk montiert, so dass ein gemeinsames Ausrichten auf ein zu messendes Geometriemerkmal im Raum erfolgt, ohne dass ein Schwenken des zu messenden Objekts erforderlich ist.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Beleuchtungseinrichtung eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung oder eine Auflichtbeleuchtungseinrichtung ist.
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Wird eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung verwendet, so weist diese vorzugsweise eine L-förmige Halterung auf, die an dem Messkopf befestigbar ist. Hierzu wird insbesondere eine Magnetschnittstelle benutzt.
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Die Halterung kann einen mit dem Messkopf verbindbaren ersten Abschnitt, zumindest einen von diesem abragenden vorzugsweise stegförmigen zweiten Abschnitt sowie einen quer zu diesem verlaufenden eine oder mehrere Lichtquellen aufweisenden dritten Abschnitt aufweisen. Der erste und der dritte Abschnitt können parallel zueinander verlaufen.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Durchlichtbeleuchtungseinrichtung mittels einer Tasterwechselvorrichtung in verschiedenen Drehlagen zum Messkopf, also zum optischen Sensor wie einer Kamera positioniert, d. h. aufgenommen werden kann. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Halterung mit dem zu messenden Objekt nicht kollidiert.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gelenk wie Dreh-/Schwenkgelenk an einem der Koordinatenachsen, insbesondere der Z-Achse des Koordinatenmessgerätes befestigt ist.
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Dabei wird insbesondere ein lateral wirkender optischer Sensor, wie ein Bildverarbeitungssensor, benutzt. Lateral wirkend bedeutet dabei, dass in einer senkrecht zur optischen Z-Achse des optischen Sensors verlaufenden Ebene gemessen wird. Gleichzeitig kann der optische Sensor gegebenenfalls auch als Abstandssensor benutzt bzw. ein Abstands sensor kann zusätzlich eingesetzt werden.
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Es ist vorgesehen, dass das Antastelement bzw. die Beleuchtungseinrichtung mit dem optischen Sensor oder einem diesen aufnehmendem Gehäuse lösbar verbunden ist. Insbesondere ist das Antastelement bzw. die Beleuchtungseinrichtung über eine Magnetschnittstelle mit dem optischen Sensor bzw. dem Gehäuse mechanisch gekoppelt. Allgemein ausgesprochen ist das Antastelement bzw. die Beleuchtungseinrichtung mit einem den optischen Sensor aufweisenden Messkopf verbunden.
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Antastelement und Beleuchtungseinrichtung sind auswechselbar. Die Beleuchtungseinrichtung kann auf zentrisch zueinander verlaufenden Ringen angeordnete Lichtquellen, wie LEDs, aufweisen. Ferner können mehrere Lichtquellen zu einer optischen Einheit zusammengeschaltet werden, so dass die Beleuchtungseinrichtung mehrere optische Einheiten umfasst, die im gewünschten Umfang aktivierbar sind. So können zum Beispiel die Einheiten Quadranten der Auflichtbeleuchtungseinheit bilden.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass auf dem Gelenk, wie Dreh-/Schwenkgelenk, bzw. der Aufnahme für das Antastelement eine Lichtquelle angebracht ist, die zur Erzeugung eines Eigenleuchtens des Antastelements bzw. Antastformelementes wie Fasertasters genutzt wird.
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Die Erfindung zeichnet sich auch aus durch ein Verfahren zum Messen der Struktur eines Objekts mittels eines Koordinatenmessgerätes umfassend einen optischen Sensor, mit dem mittelbar über ein eine Tastverlängerung und ein Antastformelement umfassendes Antastelement und/oder unmittelbar die Struktur des Objektes unter Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung gemessen wird, wobei die Beleuchtungseinrichtung und das Antastelement wahlweise mit dem optischen Sensor oder einem diesen aufnehmenden Gehäuse verbunden werden, und wobei die so gebildete Einheit gedreht und/oder verschwenkt wird.
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Dabei wird als optischer Sensor insbesondere ein lateral wirkender optischer Sensor wie Bildverarbeitungssensor benutzt. Das Antastformelement ist des Weiteren mit dem optischen Sensor oder einem diesen aufnehmenden Gehäuse über eine Magnetschnittstelle mechanisch gekoppelt.
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Die Beleuchtungseinrichtung und das Antastelement sind austauschbar und insbesondere über die Magnetschnittstelle mit dem Gehäuse mechanisch gekoppelt ist. Bei Einsatz einer Beleuchtungseinrichtung misst der optische Sensor Strukturen des Objekts unmittelbar.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass Software des Koordinatenmessgerätes alle Schwenkpositionen gemeinsam verwaltet, wobei entsprechende Positionen im Raum auf ein gemeinsames Koordinatensystem zurückgerechnet werden. Auch können alle Schwenkstellungen auf ein gemeinsames Koordinatensystem kalibriert werden.
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Es ist vorgesehen, das Antastformelement oder eine diesem zugeordnete Zielmarke durch den optischen Sensor wie elektronische Kamera in seiner Position zu bestimmen, nachdem ersteres in mechanischem Kontakt mit einem Werkstück gebracht wurde. Dadurch, dass entweder das Antastformelement selbst oder die Zielmarke, die unmittelbar mit dem Antastelement verbunden ist, in der Position vermessen wird, haben Verformungen eines den Taster aufnehmenden Schaftes keinen Einfluss auf das Messsignal. Beim Messen muss weder das elastische Verhalten des Schaftes berücksichtigt werden, noch können plastische Verformungen, Hysteresen und Drifterscheinungen der mechanischen Kopplung zwischen Antastelement und dem Sensor die Messgenauigkeit beeinflussen. Auslenkungen in der Richtung senkrecht zur Sensor- wie Kameraachse lassen sich direkt durch Verschiebung des Bildes in einem Sensorfeld insbesondere einer elektronischen Kamera bestimmen. Die Auswertung des Bildes kann mit einer bereits in einem Koordinatenmessgerät installierten Bildverarbeitung erfolgen. Damit ist ein zweidimensional arbeitendes Tastsystem realisiert, das sehr einfach an eine optische Auswerteeinheit gekoppelt werden kann.
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Für eine Sensierung der Auslenkung in Richtung der optischen Sensor- wie Kameraachse sind erfindungsgemäß mehrere Möglichkeiten gegeben, so unter anderem:
- 1. Die Auslenkung des Tastelements in Richtung der Sensorachse (Kameraachse) wird durch ein Fokussystem gemessen, wie dies in der optischen Koordinatenmesstechnik bei der Fokussierung auf die Werkstückoberfläche bereits bekannt ist. Hierbei wird die Kontrastfunktion des Bildes in der elektronischen Kamera ausgewertet.
- 2. Die Auslenkung des Tastelements in Richtung der Sensor- bzw. Kameraachse wird dadurch gemessen, dass die Abbildungsgröße einer Zielmarke ausgewertet wird, so zum Beispiel bei einer kreis- oder ringförmigen Zielmarke die Veränderung des Durchmessers. Dieser Effekt ist bedingt durch die strahlenoptische Abbildung und lässt sich durch die Ausgestaltung der optischen Einheit gezielt optimieren. In der Koordinatenmesstechnik werden häufig so genannte telezentrische Objektive verwendet, die eine weitestgehend konstante Vergrößerung auch bei Abweichung von der Fokusebene realisieren sollen. Diese wird durch eine Verlegung der optischen Eintrittspupille in das „Unendliche“ erreicht. Für die oben beschriebene Auswertung wäre eine Optimierung mit umgekehrten Vorzeichen nützlich: Bereits eine kleine Abweichung aus der Fokusebene soll in einer deutlichen Änderung des Abbildungsmaßstabes resultieren. Dies ist zum Beispiel durch die Verlegung der optischen Eintrittspupille in die Höhe des objektseitigen Brennpunktes zu erreichen. Dabei sollte nach Möglichkeit eine hohe Schärfentiefe realisiert sein, die eine kontrastreiche Abbildung der Zielmarke über einen relativ weiten Entfernungsbereich erlaubt. Eine ideale optische Einheit im Sinne ihrer Abbildungseigenschaften wäre für die oben beschriebene Anwendung zum Beispiel eine Lochkamera. Durch die Verwendung einer ringförmigen Zielmarke lassen sich Größenänderungen, die aus Unschärfe resultieren, minimieren: Der mittlere Ringdurchmesser ändert sich in erster Näherung durch Unschärfe nicht, sondern nur die Ringbreite. Entsprechende Messverfahren gelten auch für das Antastformelement selbst.
- 3. Auch bei einer dritten Möglichkeit wird die Größenänderung der Zielmarke ausgewertet, jedoch die, welche sich aus der Kombination von strahlenoptischer Größenänderung und der scheinbaren Vergrößerung durch unscharfe Ränder ergibt. Gegenüber der Auswertung der Unschärfefunktion macht sich dieses Verfahren zunutze, dass die tatsächliche Größe der Zielmarke unveränderlich ist. Entsprechendes gilt für ein Messen unter Zugrundelegung der Größenänderung des Antastformelementes selbst.
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Nach einem Vorschlag der Erfindung wird zur Strukturbestimmung von Objekten die direkte Messung einer Tastelementposition genutzt. Grundsätzlich kommen für diese direkte Messung viele unterschiedliche physikalische Prinzipien in Frage. Auch kann ein photogrammetrisches Verfahren eingesetzt werden. Zwei Kamerasysteme mit zueinander geneigten Achsen könnten benutzt werden. Es können im Wesentlichen die aus der Industriephotogrammetrie bekannten Auswertetechniken eingesetzt werden.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiel.
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Es zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung eines Koordinatenmessgerätes,
- 2 eine Prinzipdarstellung einer Auflichtbeleuchtungseinrichtung und
- 3 eine Prinzipdarstellung einer Durchlichtbeleuchtungseinrichtung.
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In 1 ist rein prinzipiell ein Koordinatenmessgerät 10 dargestellt. Das Koordinatenmessgerät 10 ist im Ausführungsbeispiel in Portalbauweise ausgeführt und weist einen zum Beispiel aus Granit bestehenden Sockel oder Grundrahmen 12 mit auf diesem angeordneten Messtisch 14 auf, auf dem ein zu messendes Objekt 15 angeordnet ist. Entlang des Sockels 12 ist ein Portal 16 verschiebbar, das aus Säulen 18, 20 sowie quer zu diesen verlaufendem Querträger 22 besteht. Von diesem geht verstellbar ein Schlitten aus, von dem wiederum eine Pinole 24 ausgeht, die zum einen entlang Z-Richtung 26 verstellbar und über den nicht dargestellten Schlitten entlang X-Achse 28 des Koordinatenmessgerätes verstellbar ist. Das Portal 16 selbst ist entlang Y-Achse 30 des Koordinatenmessgerätes 10 verschiebbar.
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Im Ausführungsbeispiel geht von der Pinole
24, also von der Z-Achse
26 ein Dreh-/Schwenkgelenk
32 mit zwei Freiheitsgraden aus. Das Dreh-/Schwenkgelenk
32 ist mit einem Gehäuse
34 eines optischen Sensors
35 wie Bildverarbeitungssensor verbunden, der somit im Raum stufenlos dreh-/schwenkbar ist. Gehäuse
34 mit Sensor
35 kann als Messkopf bezeichnet werden. Über eine vorzugsweise magnetische Schnittstelle
36 ist ein Halterungs- und Justierkopf
38 verbunden, in dem sich ein Antastelement
40 vorzugsweise in Form eines Fasertasters befindet. Das Antastelement
40 weist eine Tasterverlängerung
42 mit am Ende angeordnetem Antastformelement
44 oder Taster auf. Zumindest im Bereich des Antastformelementes
44 kann die Tasterverlängerung
42 biegeelastisch ausgebildet sein, wie dies unter anderem durch die
EP 988 505 B1 beschrieben ist, auf deren Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird.
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Das Antastformelement 44 oder eine diesem unmittelbar zugeordnete von der Tasterverlängerung 42 ausgehende Markierung befindet sich in der Scharfebene des optischen Sensors 35 insbesondere in Form eines Bildverarbeitungssensors. Somit kann auf einfache Weise das Objekt 15 bzw. dessen Strukturen gemessen werden, wobei ausschließlich die Einheit Bildverarbeitungssensor-Antastelement verstellt werden müssen, die erwähntermaßen im Raum stufenlos dreh- und schwenkbar sind. Ein Verstellen des Objekts 15 zu dem Antastelement 40 ist somit nicht erforderlich.
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Des Weiteren kann mittels einer in dem Halterungs- und Justierkopf 38 integrierten Beleuchtungsquelle 46 ein Eigenleuchten des Antastformelementes 44 ermöglicht werden, um eine Fremdbeleuchtung nicht zwingend erforderlich zu machen. Folglich kann die Messung des Antastformelementes 44 durch den Bildverarbeitungssensor in beliebigen Raumlagen erfolgen.
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Dadurch, dass der Halterungs- und Justierkopf 38, also das Antastelement 40 über die Magnetschnittstelle 36 mit dem optischen Sensor 35 bzw. dessen Gehäuse 34 verbunden ist, kann ein einfaches Trennen erfolgen. Hierdurch besteht die Möglichkeit, den Halterungs- und Justierkopf 38 in einer Parkposition 48 abzulegen. Dabei wird die Magnetschnittstelle 36 getrennt. Sodann ist es möglich, über die Magnetschnittstelle 36 eine Dunkelfeldauflichtbeleuchtungseinrichtung 50 aufzunehmen, wobei deren Beleuchtungsquellen wie LEDs 52 derart ausgerichtet sind, dass diese auf die Scharfebene des Bildverarbeitungssensors ausgerichtet sind und somit unmittelbar ein Messen mit dem Bildverarbeitungssensor gestattet. Dabei können die Lichtquellen 52 auf konzentrisch zueinander verlaufenden Ringen angeordnet sein. Ferner besteht die Möglichkeit, mehrere Lichtquellen 52 zu Einheiten zu verschalten, so dass im gewünschten Umfang eine Beleuchtung des Objektes 15 in der Scharfebene des Bildverarbeitungssensors ermöglicht wird. Die Lichtquellen 52 können dabei zu Quadranten verschaltet sein.
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Alternativ besteht die Möglichkeit, über die Magnetschnittstelle 36 eine Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 60 mit dem optischen Sensor 35 bzw. dessen Gehäuse 34 zu verbinden. Somit besteht die Möglichkeit, ein Objekt mittels des optischen Sensors 35, bei dem es sich erwähntermaßen vorzugsweise um einen Bildverarbeitungssensor handelt, im Durchlichtverfahren oder Auflichtverfahren zu messen, wobei die hierzu erforderliche Beleuchtung zusammen mit dem optischen Sensor 35 verstellbar ist.
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Die Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 60 umfasst vorzugsweise eine L-förmige Halterung 62, die am Messkopf, d. h. dem Gehäuse 34 befestigt ist. Die Halterung 62 geht von einem Kupplungselement 61 aus, das mit der Magnetschnittstelle 36 bzw. ein Abschnitt dieser verbindbar ist.
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Die unterhalb des zu messenden Objektes 15 anzuordnende Beleuchtung, wie LED-Lichtquellen 63, sind in der L-förmigen Halterung 62 integriert. Zwischen der Lichtquelle 63 und dem Objekt kann ein Diffusor 64 vorgesehen sein. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die Durchlichteinrichtung 60 durch eine Tasterwechselvorrichtung in verschiedenen Drehlagen zum optischen Sensor 35, also dem Messkopf, aufgenommen werden kann. Hierdurch kann eine Kollision der L-förmigen Halterung 62 mit dem Messobjekt 15 vermieden werden.
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Erfindungsgemäß kann folglich der optische Sensor 35 gemeinsam mit dem die Tasterverlängerung 42 und das Antastformelement 444 umfassenden Antastelement 40 verstellbar sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den optischen Sensor 35 zusammen mit der Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 60 bzw. der Auflichtbeleuchtungseinrichtung 50 zu verstellen. Das Antastelement 40 bzw. die Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 62 bzw. die Auflichtbeleuchtungseinrichtung 50 sind dabei insbesondere über eine Magnetschnittstelle 36 mit dem Prüfkopf, der den Sensor 35 umfasst, verbunden, der seinerseits von einem Drehschwenkgelenk oder Dreh- bzw. Schwenkgelenk 32 ausgeht, das an einer Koordinatenachse befestigt sein sollte, im Ausführungsbeispiel an der Z-Achse 26. Antastelement 40 bzw. Durchlichtbeleuchtungseinrichtung 60 bzw. Auflichtbeleuchtungseinrichtung 50 können wahlweise in Parkpositionen 48 verfahren werden, um einer der Messeinheiten zu nutzen, mit der das Objekt 15 gemessen werden soll.
