DE4337707A1 - Anordnung zur Beleuchtung und Abbildung - Google Patents

Description

1. Beschreibung

Der Gegenstand der Erfindung ist die maßliche Erfassung industriell gefertigter Objekte mittels einer Anordnung aufeinander abgestimmter Komponenten zur Beleuchtung und Abbildung und zur Auswertung des Bildes. Beleuchtungs- und Abbildungsteil befinden sich beide auf derselben Seite des Objekts. Hinter dem Objekt wird in beliebigem Abstand eine retroreflektierende Oberfläche angeordnet, die einen wichtigen Teil der Beleuchtung darstellt. Bei dieser Anordnung werden die Umrisse des Objektes besonders kontrastreich und reproduzierbar, insbesondere aber gut vorhersehbar abgebildet, so daß eine maschinelle präzise Maßerfassung durch eine Vermessung des Bildes vorwiegend mit automatischen Bildauswertegeräten erleichtert wird.

2. Aufgabenstellung

Die Aufgabenstellung entspringt vorwiegend dem Bereich der Inspektion industriell gefertigter Werkstücke.

3. Stand der Technik

Zur Hervorhebung von Oberflächenfehlern an glänzenden Objekten (Unebenheiten, Kratzer usw.) und von Fehlern innerhalb transparenter Objekte (z. B. Blasen) werden Anordnungen verwendet, bei denen die Lichtstrahlen ausgehend von der Lampe über die Reflexion an der Oberfläche des zu prüfende Objektes bzw. durch das zu prüfende Objekt hindurch auf eine retro­ reflektierende Oberfläche gelangen, an der die auftreffenden Lichtstrahlen in sich zurückgeworfen werden und bei fehlerfreiem Objekt schließlich in das Objektiv einer Kamera gelangen. Bei fehlerfreiem Objekt entsteht auf der Projektionsfläche der Kamera ein gleichmäßig helles Bild.

Sobald sich Fehler auf der Objektoberfläche oder in dem Objekt befinden, gelangen die in ihrem Verlauf dadurch gestörten Lichtstrahlen nicht mehr in das Objektiv, so daß auf der Projektionsfläche eine sehr gut registrierbare dunkle Stelle entsteht (H. Marguerre: Kontrastierverfahren an Oberflächen zur Qualitätsprüfung, in Feinwerktechnik und Meßtechnik 93 (1985) 8, S. 419-422).

Der Stand der Technik bezüglich optischer Anordnungen zur Erzeugung eines für die automatische Vermessung eines Objektes möglichst gut geeigneten Bildes des Objektes, muß unter dem Aspekt der nachfolgenden Auswertung der Bilder gesehen werden. Deshalb sollen die dazu verwendeten Techniken erläutert werden.

Der funktionsbezogene Entwurf der Werkstücke geht von der mechanischen Funktion der Flächen (bzw. Volumina bei Festigkeitsüberlegungen) aus. Eine Bohrung dient z. B. zur Aufnahme einer Welle oder eines komplexeren Maschinenteiles. Plane Flächen können der Positionierung weiterer Teile oder als Gleitflächen dienen. Der Entwurf am Zeichenbrett oder CAD-System bestimmt die Lage der Flächen mit Hilfe der begrenzenden Kanten sowie durch Zusatzangaben wie Durchmesser, Mittelpunkt einer Bohrung usw. Dem entspricht ein bildgebender Sensor sehr gut, weil die Auswertung des Bildes darauf hinausläuft, sichtbare Kanten zu erkennen und deren Lage zu bestimmen. Es kommt jedoch darauf an, wie präzise die vom Sensor ermittelte Kante die reale Werkstückkante des Objektes repräsentiert.

Aus der Sicht der Bildverarbeitung ist eine Kante ein linienhaftes Element im Bild, das möglichst genau dort gefunden werden soll, wohin die Werkstückkante abgebildet wird. Damit sie dort gefunden werden kann, muß ein Kriterium bzw. ein Modell des Hell-Dunkel-Überganges der Kante vorliegen, dessen Auftreten im Bild mit einem Bildverarbeitungssystem erkannt und lokalisiert werden soll. Das Ergebnis der Lokalisation wird mit Hilfe geometrischer Regeln dazu verwendet, auf Maße am Objekt zu schließen.

Entsprechend beeinflußt die Genauigkeit der Lokalisation direkt die Genauigkeit der Erfassung geometrischer Größen am Objekt.

Weit verbreitet ist die Methode, einen Punkt im Bild dann als zu einer Kante gehörend anzusehen, wenn der Gradient der Grauwerte in seiner lokalen Umgebung ein Extremum aufweist, also an Stellen höchsten lokalen Kontrastes. Eine Menge von Kantenelementen (d. h. Bildpunkte, die wahrscheinlich eine Kante repräsentieren) kann nach geometrischen, oft heuristischen Regeln zu Kanten zusammengefaßt werden, woraus dann ein Maß berechnet werden kann.

Fehler durch die örtlich falsche Registrierung von Bildpunkten als Kantenpunkte infolge von Beleuchtungseffekten wirken sich je nach der Art des zu vermessenden Details unterschiedlich aus. An der Fase als Übergang zwischen zwei Funktionsflächen bzw. an einer Rundung entsteht ein Helligkeitsverlauf, der je nach Position der Lichtquelle sehr unterschiedlich sein kann, wodurch eine präzise automatische Auswertung des Bildes erschwert wird.

Gut definierte Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengänge mindern die durch oben genannte Unwägbarkeiten erzeugten Ungenauigkeiten und sind als Teil einer Einrichtung zur automatischen Vermessung von besonderer Bedeutung. Auch bei Profilprojektoren findet sich deshalb ein Strahlengang, welcher der klassischen Durchlichtbeleuchtung nach Köhler entspricht.

Allgemein werden zentral abbildende oder telezentrische Abbildungsoptiken benutzt. In Fällen, bei denen die Abbildung des Schattens eines Objektes (wie bei Profilprojektoren) nicht ausreicht, werden Auflichtanordnungen verwendet. Neben allen möglichen Anordnungen zur Hervorhebung von bestimmten Bildde­ tails werden hier die diffuse Beleuchtung durch ein Lichtzelt oder eine zur Abbildungsoptik axiale Auflichtbeleuchtung verwendet. Füllt das Bild des Objektes nicht das ganze Bildfeld aus, z. B. wenn Außenkanten oder Durchbrüche abgebil­ det werden, wird der Hintergrund hinter dem Objekt sichtbar. Dieser muß sehr sorgfältig gestaltet werden, weil dadurch die Genauigkeit der Kantenfindung und letztlich der Vermessung der Objekte beeinflußt wird.

4. Nachteile der beschriebenen Verfahren

Die Nachteile der bekannten Verfahren liegen im wesentlichen darin, daß der Helligkeitsverlauf der in der Abbildung erzeugten Strukturen individuellen Variationen unterworfen ist, die es erschweren, Kanten im Bild genügend genau zu lokalisieren.

Verfahren, die mit Durchlicht arbeiten, wie bei Profilprojektoren, lassen keine Abbildung von Objektdetails wie Taschen, Ausdrehungen oder Sacklöcher zu. Diese sind damit der automatischen Vermessung entzogen.

Bei Verfahren, die mit Auflicht arbeiten und bei denen an Außenkanten oder Durchbrüchen gemessen werden soll, ist die Gestaltung des Hintergrundes schwierig: Fasen oder Rundungen eines metallischen Objektes reflektieren die aus der Beleuchtung kommenden Lichtstrahlen in eine Richtung, die an der Abbildungsoptik vorbeigeht. Entsprechend erscheinen sie im Bild dunkel. Eine Außenkante ist deshalb vor einem dunklen Hintergrund schwer erkennbar. Eine Alternative dazu ist in einem hellen Hintergrund gegeben, der aber in dem Bild eine ähnliche Helligkeit erzeugen muß, wie beispielsweise eine hell in die Abbildungsoptik reflektierende metallische Oberfläche. Der helle Hintergrund muß also durch einen sogenannten Lichtkasten erzeugt werden. Die erforderliche Helligkeit ist jedoch insbesondere dann schwer zu erzielen, wenn hinter dem Objekt ein großer freier Abstand gefordert ist. Gerichtetes Licht zur Aufhellung des Hintergrundes mit Hilfe einer Lampe und einer Fresnellinse bedarf der Justierung, damit die Achsen der Beleuchtungs- und der Abbildungsoptik zusammenfallen. Wird die Abbildungsoptik aber durch die Mechanik einer Meßmaschine bewegt, muß die Beleuchtungseinheit der Bewegung folgen, was meistens unmöglich ist.

5. Erfindungsgemäßes Beheben der Nachteile

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Lösungen zu vermeiden und die Vorteile verschiedener bekannter Anordnungen zu kombinieren. Dazu wird eine Auflichtbeleuchtung verwendet, bei der die Lichtquelle über einen flächig ausgeprägten Retroreflektor, der sich hinter dem Objekt befindet, in die Pupille des Abbildungssystems abgebildet wird. Das mit Hilfe des Abbildungssystems erzeugte Bild wird dann durch eine geeignete Bildauswerteeinrichtung ausgewertet. Die für das erfindungsgemäße Vorgehen erforderlichen Eigenschaften des Retroreflektors sind folgende: Er ist als Fläche ausgebildet, die mit sehr kleinen einzeln retroreflektierenden Partikeln bedeckt ist. Jeder Lichtstrahl, der auf den Retroreflektor fällt, wird in sich zurückgeworfen. Der Retroreflektor erzeugt einen hellen Hintergrund ohne den Strahlengang durch zusätzliche Pupillen oder Luken einzuengen, weil jedes optische oder mechanische Detail der Gesamtanordnung in sich selber abgebildet wird.

6. Ausführungsbeispiele

Technische Ausführungen, die die Erfindung betreffen, werden in den folgenden Beispielen beschrieben

6.1 Erstes Ausführungsbeispiel

Dem ersten Ausführungsbeispiel liegt die Aufgabe zugrunde, die Außenkontur sowie Löcher und Ausbrüche an flachen Blechen maßlich zu erfassen. Die in dem Ausführungsbeispiel beschriebene Anordnung dient dazu, ein für die automatische Bildverarbeitung gut geeignetes Bild des Objektes in der Bildebene zu erzeugen.

Bild 1 zeigt schematisch die Anordnung von Lampe 1, halbdurchlässigem Spiegel 2, Objekt 3, flächenhaft ausgeprägtem Retroreflektor 4 (im weiteren Retroreflektor genannt), Objektiv 5, Blende 6 und Bildaufnehmer 7. Der Bildaufnehmer 7 kann durch einen bildgebenden Sensor (z. B. Fernsehkamera) oder auch durch eine Mattscheibe realisiert werden, die mittels Markierungen eine maßliche Erfassung der abgebildeten Strukturen ermöglicht. Vorgezogen wird aber eine Kamera, mit der eine elektronische Repräsentation des Bildes erreicht wird, die wiederum automatisch ausgewertet wird.

Bei dieser Anordnung erscheint die Oberfläche des Objekts 3 im Bild dunkel, der Hintergrund jedoch sehr hell. Der Effekt kommt folgendermaßen zustande:
Ein Lichtstrahl 8, der an der Lampe 1 austritt, trifft den halbdurchlässigen Spiegel 2. Ein Teil davon gelangt nach der Reflexion durch das Loch in dem Objekt auf den Retroreflektor 4. Dort wird er in sich zurückgeworfen. An der Oberfläche des halbdurchlässigen Spiegels 2 wird er in zwei Teile geteilt. Der reflektierte Teil trifft die Lampe 1 an der Stelle, von der der ursprüngliche Lichtstrahl ausging.

Betrachtet man statt eines einzelnen alle Strahlen, die ausgehend von der Lampe 1 über den Retroreflektor 4 zur Lampe 1 zurückgelangen, kann man schließen, daß die Lampe 1 in sich selber abgebildet wird. Entsprechend wird jedes Objekt von einem Retroreflektor in sich selber abgebildet. In der hier gegebenen Anordnung entsteht ein Bild der Lampe 1 jedoch nicht nur an dem Ort der Lampe selbst, sondern auch eines hinter dem halbdurchlässigen Spiegel 2 infolge der Strahlen, die von dem Retroreflektor 4 ausgehend durch den halbdurchlässigen Spiegel 2 hindurchtreten. Die Position der Lampe 1 wird nun so gewählt, daß dieses Bild der Lampe in der Pupille 6 des Objektives 5 entsteht.

Die Anordnung erzeugt ein Bild, das einem konventionell erzeugten Durchlichtbild entspricht (Lichtquelle hinter dem Objekt). Zusätzlich wird aber auch die Oberfläche beleuchtet, so daß auch diese Teile mit geringer Helligkeit sichtbar sind. Ein ganz wesentlicher Vorteil ergibt sich dadurch, daß sich Beleuchtung und Abbildungsoptik leicht mechanisch verbinden und über ein Objekt gemeinsam hinwegbewegen lassen. Dabei bleibt die Abbildung der Lampe 1 in die Pupille 6 erhalten, so daß stets ein gut justierter und gebündelter Beleuchtungsstrahlengang sowie eine sehr hohe Lichtausbeute vorhanden sind. Der Retroreflektor kann nahezu beliebig weit hinter dem Objekt angebracht werden und bedarf keiner Ausrichtung. Er muß nur wirksam sein.

Der halbdurchlässige Spiegel 2 kann auch durch ein anderes Element ersetzt werden, das eine teilweise spiegelnde plane Schicht aufweist, z. B. durch einen Strahlteilerwürfel.

6.2 Zweites Ausführungsbeispiel

Dem zweiten Ausführungsbeispiel liegt die Aufgabe zugrunde, den Durchmesser einer spiegelnden Röhre zu messen. Als solche erscheint in der Fertigung z. B. ein aufgeriebenes Durchgangsloch. Versucht man den Durchmesser anhand einer Abbildungsanordnung festzustellen, die üblicherweise mit Durchlicht arbeitet, ergeben sich kaum vorhersagbare Lichtwirkungen durch Spiegelungen des Lichtes an den Wänden der Bohrung. Eine hell und gleichmäßig erscheinende Abbildung der Innenfläche ist bei konventionellem Durchlicht schwer zu erreichen und sehr von der individuellen Konstellation abhängig.

Bei der erfindungsgemäßen Anwendung einer Anordnung, ähnlich der im Ausführungsbeispiel 1 genannten, ergeben sich derartige Schwierigkeiten nicht. Bild 2 zeigt einen Aufbau mit Lampe 1, halbdurchlässigem Spiegel 2, Röhre 8, Retroreflektor 4, Objektiv 5, Blende 6 und Bildaufnehmer 7.

Ein von der Lampe 1 ausgehender Lichtstrahl trifft die Innenwand der Bohrung 8 und gelangt dann (evtl. nach weiteren Reflexionen auf den Retroreflektor 4. Hier wird er in sich zurückgeworfen und nimmt den Weg zurück bis zur Oberfläche des halbdurchlässigen Spiegels 2 und weiter bis zur Pupille 6. Wie man leicht sieht, entsteht auch in diesem Fall ein Bild der Lampe 1 in der Pupille 6. Besteht also die Aufgabe, das Objekt und die innen spiegelnde Bohrung mit definiertem Strahlengang abzubilden, gelingt dieses ohne Störungen durch die Spiegelung an der Innenwand der Bohrung. Die Bohrung selbst als auch der durch die Bohrung hindurch sichtbare Hintergrund erscheinen hell. Die flache Oberfläche des Objektes erscheint relativ dunkel, weil nur wenig von dort reflektiertes Licht durch das Objektiv fällt. Das trifft auch für den Übergangsbereich zwischen der flachen Oberfläche und der Bohrung selbst zu. Dieser Bereich wird i.a. durch eine Fase oder eine Rundung gebildet. Sind diese spiegelnd, was zutreffen kann, wenn das erzeugende Werkzeug eine entsprechende Oberfläche erzeugt, werden von der Lampe stammende Lichtstrahlen in einen Bereich reflektiert, der außerhalb der Objektivöffnung liegt. Deshalb erscheinen diese Objektteile sehr dunkel. Mithin erzeugt die beschriebene Anordnung einen Helligkeitsübergang sehr hohen Kontrastes genau an der Stelle, wohin die Begrenzungslinie projiziert wird, die den zylindrischen Teil der Bohrung abschließt. Etwa in diese Ebene legt man auch die Schärfeebene des Objektives. Die in Zentralperspektive sichtbare zylindrische Fläche wird gleichmäßig hell abgebildet. Die Anordnung ist auch geeignet, die Oberfläche eines solchen innen spiegelnden Zylinders einer Sichtprüfung zu unterziehen.

6.3 Drittes Ausführungsbeispiel

In den Ausführungsbeispielen 1 und 2 wurden zur Beleuchtung allein die Wendel der Lampe ohne zusätzliche optische Komponenten wie Kollektor- und Kondensorlinsen benutzt. Durch die Eigenschaften eines flächenhaft ausgeprägten Retroreflektors, Objekte in sich selber abzubilden, ist die Größe des Bildes der Wendel, das in der Pupille des Objektives erzeugt werden soll, festgelegt. Es ist nämlich genauso groß, wie die Wendel selber. Die Pupille des Objektives wird nicht ausgenutzt, wenn das Wendelbild kleiner als die Pupille ist. Dieses kann zu verminderter Abbildungsleistung führen, ebenso wie ein Wendelbild, das nicht in die Mitte der Pupille fällt. Diese Nachteile könnten behoben werden, indem eine Lampe mit genügend großer Wendel eingesetzt würde. In der Praxis zeigt sich aber, daß solche Lampen, angepaßt an die erforderliche Helligkeit, nicht verfügbar sind. Abhilfe kann durch eine Zwischenabbildung der Lampe erfolgen, bei der das reelle Bild der Lampe an die Stelle der Lampe in den Ausführungsbeispielen 1 und 2 tritt. Das Wendelbild wird durch konstruktive Maßnahmen so groß erzeugt, daß dessen Abbildung in der Blende 6 diese auch noch bei leicht dezentrierter Position der Lampe 1 selber zuverlässig überdeckt. Die Anforderungen an die Zentrierung der Lampe 1 werden dadurch verringert. Bei geeigneter Dimensionierung kann eine Zentrierung der Lampe 1 nach einem Lampenwechsel ganz entfallen.

Bild 3 zeigt entsprechend schematisch eine ähnliche Anordnung wie Bild 1 mit Lampe 1, halbdurchlässigem Spiegel 2, Objekt 3, Retroreflektor 4, Objektiv 5, Blende 6, Bildaufnehmer 7, Kollektorlinse 9 und primärem reellem Wendelbild 10 sowie sekundärem reellem Wendelbild 11 in der Pupille.

Das primäre reelle Wendelbild 10 bildet eine sekundäre Lichtquelle, die behandelt werden kann, wie die Lampe in den Ausführungsbeispielen 1 und 2. An den Ort des primären reellen Wendelbildes 10 kann eine Aperturblende 12 angebracht werden, die in der Blende 6 abgebildet wird. Die Öffnung der Aperturblende 12 wirkt als Sekundärstrahler.

Eine Variante dieses Ausführungsbeispiels ergibt sich, wenn die Beleuchtung durch das Objektiv 5 hindurch erfolgt. Bild 3a zeigt diese Variante. Hier wird die Wendel der Lampe 1 zunächst über den teildurchlässigen Spiegel 2 in die Pupille 6 abgebildet. Es entsteht das Wendelbild 11. Dieses wird seinerseits über den Retroreflektor in sich selbst abgebildet. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in dem gegenüber der in Bild 3 gezeigten Ausführung größeren Arbeitsabstand, der sich nun durch die Gegenstandsweite des Objektivs 5 ergibt.

6.4 Viertes Ausführungsbeispiel

In weiterer Vervollkommnung der Ausführung nach Beispiel 3 kann die Beleuchtungseinrichtung nach dem KÖHLERschen Prinzip ausgebaut werden.

Bild 4 zeigt entsprechend schematisch eine ähnliche Anordnung wie Bild 3 mit Lampe 1, halbdurchlässigem Spiegel 2, Objekt 3, Retroreflektor 4, Objektiv 5, Blende 6, Bildaufnehmer 7, Kollektorlinse 9, Aperturblende 12, Feldlinse 13 und Feldblende 14.

Die Öffnung der Aperturblende 12 wirkt als sekundäre Lichtquelle, wenn die Lampe 1 über die Kollektorlinse 9 und die Feldlinse 13 dorthin abgebildet wird. Die Feldblende 14 wird über die Feldlinse 13 in der Objektebene, d. h. auf der Oberfläche des Objektes 3 abgebildet und begrenzt dort das ausgeleuchtete Feld. Die Öffnung der Aperturblende 12 ist effektiv größer gewählt als die Öffnung der Blende 6, damit die Blende 6 für den Beleuchtungsstrahlengang wirksame Blende ist. Aperturblende 12 und Feldlinse 13 können von der Lampe aus gesehen auch in ihrer Reihenfolge vertauscht werden.

Die als Ausführungsbeispiel 4 beschriebene Anordnung hat den Vorteil eines begrenzten beleuchteten Feldes auf dem Objekt, so daß zur Abbildung nicht benötigtes Licht vermieden wird. Die Ausleuchtung des Objektes ist sehr gleichmäßig.

6.5 Fünftes Ausführungsbeispiel

In Anlehnung an eine Ausführung nach Beispiel 4 können die Beleuchtungseinrichtung und die Abbildungseinrichtung auch nach dem telezentrischen Prinzip ausgebaut werden. Dadurch wird die Größe der Abbildung eines Objektes 3 konstant gehalten, auch wenn es aus der Schärfeebene heraus bewegt wird. Weiterhin ergibt sich eine Parallelperspektive, die geometrische Interpretationen des Bildinhaltes für eine Erfassung der Abmessungen des Objektes durch einen bildgebenden Sensor erleichtern. Objektseitig telezentrische Anordnungen haben weiterhin den Vorteil, daß von allen Objektpunkten aus die Strahlenbündel, die zur Abbildung beitragen, zueinander parallel und bezüglich ihres Hauptstrahles parallel zu der Achse der Abbildungsoptik verlaufen. Somit ergeben sich für alle Orte innerhalb des Sehfeldes auf der Gegenstandsebene die gleichen Abbildungseigenschaften. (Bei zentraler Projektion kann z. B. die Abbildung eines und desselben Objektdetails völlig unterschiedliche Glanzlichter aufweisen, je nachdem, ob es in die Mitte des Sehfeldes positioniert wird und mit einem Strahlenbündel abgebildet wird, das parallel zur optischen Achse verläuft, oder sich am Rande des Sehfeldes befindet und mit einem Strahlenbündel abgebildet wird, das schräg zur optischen Achse verläuft.) Folglich ergibt ein objektseitig telezentrischer Strahlengang nicht nur Vorteile bei der Inter­ pretation des Bildinhaltes durch Parallelperspektive, sondern eine über das ganze Bildfeld hinweg gleiche Wirkung der Beleuchtung, so daß das Bild eines Objektdetails unabhängig von seiner Position im Bildfeld ist.

Bild 5 zeigt entsprechend schematisch eine ähnliche Anordnung wie Bild 4 mit Lampe 1, halbdurchlässigem Spiegel 2, Objekt 3, Retroreflektor 4, Objektiv 5, Blende 6, Bildaufnehmer 7, Kollektorlinse 9, Aperturblende 12, Feldlinse 13 und Feldblende 14.

Gegenüber dem Ausführungsbeispiel 4 steht die Aperturblende 12 in der Brennebene der Feldlinse 13, so daß die Aperturblende 12 in das unendliche abgebildet wird. Und die Blende 6 steht in der Brennebene des Objektivs 5. Damit entsteht eine Abbil­ dung der Aperturblende 12 in der Ebene der Blende 6. Die Anordnung ist an sich aus der Hellfeld-Auflichtmikroskopie bekannt. Eine erfindungsgemäße Neuheit besteht aber in der gleichzeitigen Erzielung eines Auflicht- und eines Durchlichtbildes mit nur einer Beleuchtungseinrichtung auf der Seite der Abbildungsoptik. Die Qualität des Durchlichtbildes steht der eines mit einem Durchlichtilluminator erzielten nicht nach. Es werden keine zu justierenden Teile hinter dem Objekt benötigt. Der Abstand des Retroreflektors kann mehrere Meter betragen, was für die technische Anwendung große Vorteile bringt.

Eine weitere Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels ergibt sich, wenn die Beleuchtung durch einen Teil der Abbildungsoptik hindurch ausgeführt wird in einer Anordnung, die bei Auflichtmikroskopen üblich ist. Bild 5a zeigt eine entsprechende Anordnung. Die Aperturblende 12 wird über einen Strahlteiler 15 oder einen teildurchlässigen Spiegel in der Pupille 6 abgebildet. Dieses Bild der Aperturblende wird über das Objektiv 5, den Retroreflektor 4, nochmals über das Objektiv 5 wiederum in der Pupille 6 abgebildet.

Der Strahlteiler und die sich auf seiner seitlichen Achse befindenden Teile der Beleuchtungseinrichtung können auch zwischen der Blende 6 und dem Objektiv 5 angeordnet werden. Die Blende 6 kann sich auch innerhalb des Strahlteilers befinden.

Weitere Möglichkeiten, einen telezentrischen Strahlengang für die Abbildung zu erreichen, bestehen in einer zweistufigen Anordnung. Diese ist vorteilhaft, weil die Abbildungsqualität und gleichzeitig die Lichtstärke erhöht werden können. Dabei wird die Blende 6 durch eine Linse bzw. ein Objektiv ersetzt. Die Pupille dieses Objektives muß in der Ebene Liegen, in der sich parallele Strahlen, die in das Objektiv 5 eintreten, sammeln. Es sind auch Anordnungen anwendbar, bei denen die Pupille 6 als solche erhalten bleibt und zwischen dieser und der Bildebene ein zweites Objektiv angeordnet wird. Ein solcher zweistufiger telezentrischer Strahlengang ist vorteilhaft, wenn die Pupille 6 zugänglich sein soll, um an dieser Stelle in den Strahlengang einzugreifen.

6.6 Sechstes Ausführungsbeispiel

In Anlehnung an eine Ausführung nach Beispielen 3 bis 5 kann die Beleuchtungseinrichtung so modifiziert werden, daß die Inspektion von Bohrungen, Düsen u.ä. besonders erleichtert wird.

Ausgegangen wird von einer telezentrischen Anordnung nach Bild 5 mit Lampe 1, halbdurchlässigem Spiegel 2, Objekt 3, Retroreflektor 4, Objektiv 5, Blende 6, Bildaufnehmer 7, Kollektorlinse 9, Aperturblende 12, Feldlinse 13 und Feld­ blende 14.

Gegenüber dem Ausführungsbeispiel 5 ist die Aperturblende 12 erstens verschiebbar und zweitens so gewählt, das ihr Bild in der Pupille 6 kleiner ist als die Pupille. Damit ist nicht mehr die Blende 6 sondern das Bild der Aperturblende 12 an der Stelle der Blende 6 wirksam und bestimmt damit entscheidende Abbildungseigenschaften des Systems. Wird die Aperturblende 12 seitlich verschoben, trifft dieses auch für ihr Bild an der Stelle der Blende 6 zu. Die Abbildung wird exzentrisch, verliert aber nicht die Eigenschaft der Telezentrie.

Soll nun eine Bohrung (wie auch in Abb. 2 dargestellt) inspiziert werden, gelingt dieses nicht, wenn die Anordnung telezentrisch und achsenparallel zu der Bohrung ist. Die Innenfläche wird durch den telezentrischen Strahlengang zu einer Begrenzungslinie abgebildet. Die Wandfläche ist nicht sichtbar. Wohl wäre sie es aber, wenn die Achse der Bohrung und die Achse der abbildenden Lichtbündel einen Winkel miteinander bildeten. Dieses kann durch seitliche Verschiebung der wirksamen Pupille erreicht werden. D.h. dadurch, daß der Schwerpunkt des durch die Pupille 6 tretenden Lichtes seitlich von der optischen Achse zu liegen kommt. Dieses wird durch seitliche Verschiebung der Aperturblende 12 bewirkt. Die Wirkung ist vergleichbar mit schiefem Hineinsehen in die Bohrung. Bei telezentrischem Strahlengang kann nicht die gesamte Innenfläche zugleich inspiziert werden.

Liegt die Achse einer zu vermessenden Bohrung nicht parallel zu der optischen Achse, wird die axiale Symmetrie der Abbildung der Bohrung gestört, was die Genauigkeit bei der Vermessung verringern kann. Eine Ausrichtung der beiden Achsen zueinander ist mit erheblichem mechanischen Aufwand verbunden, wenn die gesamte Einheit aus Optik und Kamera oder wenn das Objekt selber bewegt werden muß. Bei Achsenabweichungen wie sie durch Fertigungstoleranzen, Positioniertoleranzen u. a. gegeben sind, kann die Parallelität der Bohrungsachse mit der Achse des abbildenden Strahlenganges durch seitliche Verschiebung der Aperturblende sehr viel einfacher erreicht werden. Dieses kann motorisch oder manuell leicht realisiert werden.

Durch axiale Verschiebung der Aperturblende 12 verschiebt sich auch deren Bild axial, so daß sie nicht mehr in der Ebene der Blende 6 abgebildet wird, die die Telezentrie bestimmt. Durch die axiale Verschiebung der Aperturblende 12 wird aus der telezentrischen Projektion eine zentrale. In der zentralen Projektion ist jedoch die gesamte Innenfläche der Bohrung sichtbar.

Der erfindungsgemäße Fortschritt in diesem Anwendungsbeispiel liegt also in der Steuerung der Abbildungseigenschaften durch Verschieben der wirksamen Pupille. Anstelle einer justierbaren aber sonst unbeweglichen Aperturblende 12 wird eine Anordnung gesetzt, die eine Verschiebung der Aperturblende während des Betriebes ermöglicht. Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten:

• - Es wird ein Blendenrevolver verwendet, mit dem sich Blenden axial und radial verschieden positioniert einschwenken lassen.
• - Die Aperturblende 12 wird durch ein Medium ersetzt, dessen Transmission für Licht sich lokal steuern läßt (z. B. Flüssigkristalldisplay).
• - Die Aperturblende 12 und alle vorgeschalteten Glieder werden durch einen Lichtleiter ersetzt, bei dem am Ort des Lichtaustritts gegeneinander abgegrenzte Teilbündel zu verschiedenen Lampen führen, die schaltbar sind.
• - Die Aperturblende 12 und alle vorgeschalteten Glieder werden durch einen Lichtleiter ersetzt, bei dem Teilbündel zu verschiedenen Lampen führen, die schaltbar sind und bei dem diese Teilbündel am Ort des Lichtaustritts so gemischt sind, daß sich bei Schalten der Lampen verschiedene von der Mitte versetzte Schwerpunkte des Lichtaustritts ergeben.

6.7 Siebtes Ausführungsbeispiel

In Anlehnung an alle vorher gezeigten Ausführungsbeispiele kann die Beleuchtungseinrichtung auch an Mikroskope angepaßt werden.

Insbesondere bei großer Apertur muß ein ebener Reflektor entweder sehr ausgedehnt sein oder sehr nahe hinter dem Objekt angebracht werden, damit auch alle Lichtstrahlen von der Objektivseite aus auf den Reflektor fallen. Wird der Reflektor sehr nahe am Objekt positioniert, sind die sehr kleinen Einzelreflektoren in ihrer Größe gegenüber dem Objekt nicht mehr vernachlässigbar. Es kommt zu störenden Effekten. Bild 7 zeigt die erfinderische Anwendung eines kalottenförmigen Retroreflektors, der auch die Randstrahlen eines abbildenden Strahlenbündels hoher Apertur in sich zurückwirft.

Eine Variante besteht darin, einen konventionellen Kondensor zwischen dem Objekt und dem Retroreflektor zu verwenden. Bild 7a zeigt diese Variante. Zwischen Objekt und Retroreflektor ist ein Kondensor 16 angeordnet.

In dem Falle muß der Retroreflektor so angebracht werden, das er nicht (auch nicht unscharf) in die Bildebene abgebildet wird. Dieses gelingt, wenn er sich in der Ebene der Aperturblende oder in deren Nähe befindet. Die Anforderungen an die Zentrierung des Kondensors sind bei der erfindungsgemäßen Anwendung mit Retroreflektor erheblich geringer als bei einer konventionellen Durchlichtbeleuchtung: Die in die Kondensor-Retroreflektor-Kombination fallenden Strahlen werden unabhängig von Versatz und Verdrehung gegenüber dem übrigen System in sich zurückgeworfen. Weiterhin ergeben sich auch hier, wie schon im Ausführungsbeispiel 2 dargestellt, wesentlich geringere Störeffekte durch Reflexe an den Wandflächen von Löchern oder seitlichen Begrenzungen des Objekts als bei konventioneller Durchlichtbeleuchtung.

Claims (13)

1. Optische Einrichtung zur Erzeugung eines Bildes auf der Oberfläche eines Bildaufnehmers (7) mit einer Einrichtung zur Beleuchtung des Objektes auf der gleichen Seite des Objektes wobei die Lichtquelle (1) zur Beleuchtung des Objekts mit Hilfe einer teilspiegelnden planen Oberfläche (2) und einer beliebig geformten retroreflektierenden Oberfläche (4) innerhalb des Beleuchtungsstrahlenganges in die Pupille (6) des Teils der Anordnung abgebildet wird, der das Objekt auf der Oberfläche des Bildaufnehmers (7) abbildet, gekennzeichnet durch die Verwendung als Einrichtung zur Messung geometrischer Größen des Objektes.

2. Optische Einrichtung nach dem Hauptanspruch dadurch gekenn­ zeichnet, daß statt der primären Lichtquelle (1) eine reelle Abb. 10 derselben in die Pupille (6) des Teils der Anordnung abgebildet wird, der das Objekt auf der Oberfläche des Bildaufnehmers (7) abbildet.

3. Optische Einrichtung nach dem Hauptanspruch und dem Anspruch 2 und mit telezentrischer Abbildung des Objektes dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) zunächst ins Unendliche und dann über die retroreflektierende Oberfläche (4) in die Pupille (6) des Teils der Anordnung abgebildet wird, der das Objekt auf der Oberfläche des Bildaufnehmers (7) abbildet.

4. Optische Einrichtung nach dem Hauptanspruch und den Unteransprüchen 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die reelle Abbildung der Lichtquelle (1), die über die retroreflektierende Oberfläche (4) in die Pupille (6) des Teils der Anordnung abgebildet wird, so groß gewählt ist, daß ihr Bild 11 in der Pupille (6) größer ist als die Pupille (6) selbst.

5. Optische Einrichtung nach dem Hauptanspruch dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor (4) kalottenförmig unter dem Objekt (3) angeordnet ist.

6. Optische Einrichtung nach dem Hauptanspruch und den vorangehenden Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die reelle Abbildung der Lichtquelle (1) in die Pupille (6) des abbildenden Teils der Anordnung so erfolgt, daß sich in der Pupille (6) des abbildenden Teils eine exzentrische Lichtverteilung ergibt.

7. Optische Einrichtung nach dem Hauptanspruch und den vorangehenden Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrische Lichtverteilung in der Pupille (6) durch eine bewegliche Aperturblende (12) erzeugt wird.

8. Optische Einrichtung nach dem Hauptanspruch und den vorangehenden Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrische Lichtverteilung in der Pupille (6) durch ein in seiner Transparenz lokal steuerbares Medium als Aperturblende (12) erzeugt wird.

9. Optische Einrichtung nach dem Hauptanspruch und den vorangehenden Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrische Lichtverteilung in der Pupille (6) durch Lichtleiter erzeugt wird, deren Austrittsfläche in der Ebene der Aperturblende (12) liegen und bei denen der Schwerpunkt des Lichtes an der Austrittsfläche variiert wird, indem einzelne Teile des Lichtleiters unterschiedlich mit Licht beaufschlagt werden.

10. Optische Einrichtung nach dem Hauptanspruch und den folgenden Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die reelle Abbildung der Lichtquelle, in die Pupille (6) des abbildenden Teils der Anordnung über einen Kondensor (16) zwischen Objekt (3) und Retroreflektor (4) erfolgt.

11. Optische Einrichtung nach dem Hauptanspruch und dem Unteranspruch (10), dadurch gekennzeichnet, daß sich der Retroreflektor (4) in der Nähe der Aperturblendenebene des Kondensors oder in derselben Ebene befindet.

12. Optische Einrichtung nach dem Hauptanspruch und dem Unteranspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrische Lichtverteilung in der Pupille (6) so gewählt wird, daß die Achse des zur Abbildung führenden Lichtbündels nach dem Objekt (3) ausgerichtet ist.

13. Optische Einrichtung nach dem Hauptanspruch und den Unteransprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Bildaufnehmer (7) mit Markierungen versehen ist, die zusammen mit dem Bild in Überlagerung sichtbar sind und mit deren Hilfe geometrische Größen unmittelbar erfaßt werden können.