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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur opto-elektronischen Vermessung einer dreidimensionalen Form
auf opto-elektronischem Wege, vom Typ, wie er in der älteren Anmeldung
WO99/64816 beschrieben ist.
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Aus diesem Dokument ist eine Vorrichtung zum
Vermessen von Formen bekannt, die Beleuchtungsmittel, welche eine
polychromatische Lichtquelle und eine chromatische Linse umfassen,
gegebenenfalls verbunden mit einem optischen Vergrößerungssystem,
Mittel zur Aufnahme des durch ein beleuchtetes Objekt reflektierten
oder rückgestreuten Lichts
und spektrale Analysemittel für
das erfasste Licht, verbunden mit Mitteln zur Informationsverarbeitung
aufweisen. Die spektralen Analysemittel befinden sich auf der optischen
Achse der Mittel zur Lichtaufnahme, während die Beleuchtungsmittel winklig
versetzt angeordnet sind und das Objekt mittels eines halbtransparenten
Blattes beleuchten, welches auf der optischen Achse der Licht erfassenden bzw.
Lichtsensormittel angeordnet ist.
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Diese bekannte Vorrichtung funktioniert
auf zufriedenstellende Weise mit einer relativ hohen Messtiefe,
die gegenüber
der konkurrierender Vorrichtungen im Stand der Technik bemerkenswert überlegen
ist.
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WO 96141123 und WO98/49522 präsentieren
eine Vorrichtung zur Vermessung von Formen, in denen ein Spiegel
zwischen einer Lichtblende und einem optischen System nach versetzter
Manier in Bezug auf die optische Achse platziert ist, um das Licht in
Richtung der spektralen Analyse umzulenken.
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Die vorliegende Erfindung hat es
daher zum Ziel, diese Vorrichtung zu perfektionieren und in der Leistung
zu verbessern.
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Sie schlägt daher zu diesem Zweck eine
Vorrichtung zur opto-elektronischen Vermessung der dreidimensionalen
Form eines Objekts auf opto-elektronischem Weg mit einer Lichtquelle
mit einem kontinuierlichen Spektrum, einem hinter der Quelle auf der
optischen Achse angeordneten Beleuchtungsspalt, einem optischen
System zur Erzeugung einer Abbildung vom Objekt, einem optischen
System zur Wiederaufnahme des durch das Objekt reflektierten Lichts,
Mitteln zur Spektralanalyse dieses Lichts und Mitteln zur Verarbeitung
der mit den Mitteln zur Spektralanalyse verbundenen Information
vor, gekennzeichnet dadurch, dass die genannten optischen Systeme
zur Erzeugung von Bildern und zur Erfassung des Lichts zusammenwirken
und durch das selbe chromatische optische System gebildet sind,
und dadurch, dass das von dem Objekt reflektierte, aus dem optischen
System austretende Licht durch einen Spiegel abgefangen wird, der
auf der optischen Achse zwischen der Lichtblende und dem genannte
optische System angeordnet ist, um die emittierten Lichtstrahlen,
die durch den Beleuchtungsspalt auf der optischen Achse in Richtung
des Objekts hindurchtreten, z. B. im rechten Winkel zur optischen
Achse in Richtung einer Analysenblende abzulenken, die auf der Achse
der spektralen Analysemittel angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet einige
Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik:
- – die Feldtiefe
und die Messtiefe sind vergrößert;
- – die
Vorrichtung ist weniger empfindlich bezüglich parasitärer Wellenlängen und
die Messungen sind genauer.
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Der vorgenannte Spiegel, welcher
eine Blende zum Abfangen der zentralen Lichtstrahlen bildet, vermeidet
die Belichtung eines Punkts auf der Oberfläche des Objekts durch eine
Ansammlung von Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen und
erleichtert die Bestimmung der Position dieses Punkts auf der optischen
Achse durch Beleuchtung mit nur einer Wellenlänge.
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Das vorgenannte chromatische optische System
ist vorzugsweise afocal (brennpunktslos), und ein optisches Vergrößerungssystem,
vorzugsweise afocal, ist auf der optischen Achse zwischen dem chromatischen
optischen System und dem beleuchteten Objekt angebracht.
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Um einen telezentrischen Strahlengang
anzuordnen und die Schattenbereiche auf dem beleuchteten Objekt
zu verringern, sieht die Erfindung vor, eine Blende anzuordnen,
welche ein kreisförmiges
Loch zum Durchgang des durch das Objekt reflektierte Lichts auf
der optischen Achse hat, wobei diese Blende im Zentrum des chromatischen
optischen vorgenannten Systems platziert ist und zumindest zwei
laterale Öffnungen
zum Durchgang des Lichts für
die Beleuchtung des Objekts umfasst.
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Um das Verhältnis Empfangssignal zu Rauschen
zu verstärken
und somit die Messgenauigkeit zu steigern oder die Signalstärke zu verbessern, wenn
es schwach ist, sieht es die Erfindung ebenfalls vor, die Ausgänge eines
Matzritzenensembles von Detektoren des Typs CCD oder ähnliche
als Bestandteile des Mittels zur Spektralanalyse mit den Mitteln zur
analog/digital Wandlung durch einen Tiefpassfilter zu verbinden,
wobei das Rauschen durch hohe Frequenzen auf den Analogsignalen
des Ausgangs der Sensormittel eliminiert wird.
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Gemäß einer anderen alternativen
Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung gleichfalls optische Bildrotationsmittel,
die auf der optischen Achse in einer Zone angeordnet sind, die vom
Licht zur Befeuchtung des Objekts und das vom Objekt reflektierte
durchquert wird, wobei diese Mittel zur Bildrotation beispielsweise
ein DOVE Prisma sein können,
welches in dem vorgenannten, chromatischen, optischen System platziert
ist.
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Durch Drehung dieses Prismas um die
optische Achse wird die Drehung des Messprofils über das beleuchtete Objekt
um die optische Achse gedreht. Dies gestattet ein „Wischen" während der
Rotation über
die beleuchtete Oberfläche
des Objekts ohne relatives Versetzen der Messvorrichtung und des
beleuchteten Objekts, um eine dreidimensionale Form in einem Messvolumen
von zylindrischer Form zu vermessen, welches durch die Rotation
des Messprofils um die optische Achse definiert ist.
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Die Erfindung ist besser zu verstehen
und diese und andere Eigenschaften, Aspekte und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden deutlich durch Berücksichtigung der nachfolgenden
Beschreibung, welche beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Figuren
erläutert
ist, in denen:
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1 eine
schematische Gesamtansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist;
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2 eine
vereinfachte Teilansicht ist, welche die Funktionsweise der Vorrichtung
darlegt;
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3 eine
Vorderansicht einer Blende ist, einsetzbar zur Erzeugung eines telezentrischen
Analysenstrahlengangs;
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4 eine
Vorderansicht einer alternativen Ausführungsform dieser Blende ist;
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5 eine
schematische Anordnung eines optischen Bildrotationsmittels in der
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
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In 1 bezeichnet
das Bezugszeichen 10 ein Objekt, dessen dreidimensionale
Form vermessen werden soll, wobei dieses Objekt auf der optischen
Achse 12 einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
platziert ist, umfassend eine Lichtquelle 14 mit einem
Kontinuumspektrum, verbunden beispielsweise durch optische Fasern
mit dem Brennpunkt eines optischen Systems 15, welches somit
einen optischen Verdichter oder Kondenser bildet, der das Licht
fokussiert, welches von der Quelle 14 über einen auf der optischen
Achse 12 angeordneten Beleuchtungsspalt 16 ausgesendet
wird.
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Diesem Beleuchtungsspalt 16 ist
ein chromatisches optisches System 18 nachgeordnet, welches
hier ein afokales System ist, gebildet aus zwei identischen chromatischen
Linsen 20, wobei der Beleuchtungsspalt 16 sich
im Brennpunkt der ersten Linse 20 befindet.
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Diesem optischen chromatischem System
ist ein optisches Vergrößerungssystem 22 nachgeordnet,
vorzugsweise vom afokalen Typ.
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Das beleuchtete Objekt 10 findet
sich in etwa im Brennpunkt der letzten Linse 24 des optischen Vergrößerungssystems.
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Das chromatische optische System 18 bildet das
System zur Erfassung des reflektierten oder von der Oberfläche des
Objekts 10 rückgestreuten
Lichts, und ein reflektierender Spiegel 26 ist auf der
optischen Achse zwischen dem Beleuchtungsspalt 16 und der
ersten Linse 20 des chromatischen Systems 18 angeordnet,
um vorzugsweise im rechten Winkel zur optischen Achse 12 das
erfasste Licht in Richtung einer Analysenblende 28 umzulenken,
welche auf der optischen Achse der spektralen Analysemittel 30 angeordnet
ist, die den Mitteln zur Informationsverarbeitung 32 zugeordnet
sind.
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Die Mittel zur Spektralanalyse 30 sind
beispielsweise vom Typ, der in der vorgenannten älteren Schrift WO-99/64816
beschrieben ist.
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Die Vorrichtung, die in der vorliegenden
Erfindung beschrieben ist, bietet im Hinblick auf die in der genannten älteren Anmeldung
beschriebene Vorrichtung den Vorteil, dass sie keine halbtransparenten
Scheiben auf der optischen Achse zur Beleuchtung des Objekts oder
zur Erfassung des von dem beleuchteten Objekt reflektierten oder
rückgestreuten
Lichtstroms verwendet. Die Verwendung einer halbtransparenten Scheibe äußert sich
notwendigerweise durch den Verlust eines Großteils des reflektierten oder
durch das beleuchtete Objekt rückgestreuten
Lichtstroms. In der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
gemäß 1 ist der Gewinn an reflektiertem
oder durch das Objekt 10 rückgestreuten Lichtstrom in
einem Bereich zwischen schätzungsweise
2–4 im
Hinblick auf die Ausführungsform,
die in der oben zitierten älteren
Anmeldung beschrieben ist.
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Ein anderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird nun unter Bezug auf 2 beschrieben.
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In dieser Abbildung wurde zur Vereinfachung der
Zeichnung das optische chromatische System 18 durch die
Form einer einzigen Linse wiedergegeben und der Spiegel 26 wurde
durch die Form einer Blende schematisiert, die auf der optischen
Ach se 12 angeordnet ist und welche die zentralen polychromatischen
Lichtstrahlen aufnimmt, die aus dem Beleuchtungsspalt 16 austreten.
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Da das optische System 18 ein
chromatisches System ist, dessen Fokaldistanz kontinuierlich mit
der Wellenlänge
variiert, sind die unterschiedlichen Wellenlängen, welche aus dem Beleuchtungsschlitz 16 austreten,
in unterschiedlichen Punkten auf der optischen Achse 12 fokussiert.
Beispielsweise ist ein Lichtstrahl R1 der Wellenlänge λ 1 im Punkt
P1 fokussiert und ein Lichtstrahl R2 der Wellenlänge λ 2, die größer ist als λ 1, wird
auf der Achse 12 in einem Punkt P2 fokussiert, der in größerem Abstand
vom chromatischen System 18 als der Punkt P1 ist.
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Wenn die Wellenlängen der Strahlen R1 und R2
im Extremfall mit dem Band der Beleuchtungswellenlänge übereinstimmen,
dann ist der Abstand P1–P2
auf der optischen Achse 12 die Messtiefe.
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Da die zentralen Lichtstrahlen, welche
durch den Beleuchtungsspalt 16 treten, von der Blende 26 abgefangen
werden, kann man sagen, dass der Punkt P1 auf der Achse 12 allein
oder nahezu allein durch ein Licht der Wellenlänge λ 1 beleuchtet ist, wohingegen
Punkt P2 durch ein Licht der Wellenlänge λ 2 beleuchtet wird, und ein
Punkt Pi zwischen P1 und P2 durch ein Licht der Wellenlänge λ i in einem Bereich
zwischen λ 1
und λ 2
beleuchtet wird.
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Da das chromatische optische System 18 das
optische System zur Erfassung oder Detektion des von dem Objekt
reflektierten oder rückgestreuten Lichts
bildet, sind die Lichtstrahlen der Wellenlänge λ 1, reflektiert oder rückgestreut
durch den Punkt P1, fokussiert auf der optischen Achse 12 auf
der Höhe des
Beleuchtungsspalt 16. Die Lichtstrahlen der Wellenlänge λ 2, die durch
den Punkt P2 reflektiert oder rückgestreut
werden, sind gleichfalls durch den Beleuchtungsspalt 16 fokussiert,
und gleichfalls sind die Lichtstrahlen der Wellenlänge λ i, welche
durch den intermediären
Punkt Pi reflektiert werden, durch den Beleuchtungsspalt 16 fokussiert.
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Dies zeigt, dass ein scharfes Bild
von jedem Punkt auf der Achse zwischen den Punkten P1 und P2 durch
das chromatische System 18 auf das spektrale Analysemittel
ohne Regulierung der Vorrichtung abgebildet werden kann.
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Es zeigt ebenfalls, dass ein unerwünschter Lichtstrahl,
wenn er eine Wellenlänge
unterschiedlich zu λ 1
hat, von dem Punkt P1 reflektiert wird, dieser unerwünschte Lichtstrahl
jedoch nicht durch den Beleuchtungsspalt 16 fokussiert
werden wird und ein scharfes Bild des Punkts P1 bei der Wellenlänge oder
den Wellenlängen
des parasitären
Lichts somit nicht auf die spektralen Analysemittel abgebildet wird.
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Das optische chromatische System 18 gestattet
daher, ein spektrales Filtern des aufgenommenen Lichts sicherzustellen,
wobei die Schärfe
des durch die spektralen Analysemittel dargestellten Abbilds über die
gesamte Tiefe der Messung entlang der optischen Achse 12 sichergestellt
ist und die realisierten Messungen genauer sind. Die Analyseblende
ermöglicht
gleichzeitig ein spektrales Filtern und ein räumliches Filtern des wiederaufgenommenen Lichts.
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Um die Leistungen der Vorrichtung
zu verbessern, indem man einen telezentrischen Analysenweg einrichtet,
der Schattenbereiche auf dem beleuchteten Objekt 10 eliminiert
oder verringert, wird eine in 3 dargestellte
Blende 34 im Zentrum des optischen chromatischen Systems 18 angeordnet. Diese
Blende 34 umfasst einen zentralen Bereich 36 zum
Abfangen der Lichtstrahlen, gebildet durch ein kreisförmiges axiales
Loch 38, welches das erfasste Licht durchtreten lässt, d.
h. das von dem Objekt 10 reflektierte oder rückgestreute
Licht.
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Das Beleuchtungslicht, welches durch
den Spalt 16 tritt, passiert auf jeder Seite des zentralen Bands 36,
wie durch „40" angegeben.
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Alternativ, und wie schematisch in 4 gezeigt, können die
Durchtrittszonen 40 des Lichts zur Beleuchtung durch kreisförmige Öffnungen,
die in einer Scheibe 34 vorliegen, reduziert sein, das
die zentrale Öffnung
38 zum Durchtritt des erfassten Lichts aufweist.
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Mit der Blende 34 der 4 wird ein vertikaler telezentrischer
Beleuchtungsstrahlengang zur Verfügung gestellt.
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Wie bereits in der oben zitierten älteren Anmeldung
WO99/84816 angegeben, deren Inhalt hiermit durch Bezug zum Gegenstand
gemacht wird, kann ein Bild eines Profils einer beleuchteten Oberfläche eines
Objekts 10 durch die spektralen Analysemittel 30 abgebildet
werden, welche eine Matrizenkamera umfassen, die Sensoren des Typs
CCD oder analoge aufweist. Damit kann ein Wischen während der
Rotation um die Oberfläche
des beleuchteten Objekts 10 mit optischen Mitteln zur Bildrotation
umgesetzt werden, indem ein DOVE Prisma auf der optischen Achse 12 in
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einem Bereich, durch den das Beleuchtungslicht und das reflektierte
Licht tritt, angeordnet wird. Beispielsweise und wie gezeigt in 5, kann das DOVE Prisma 42 zwischen
zwei Linsen 20 des chromatischen Systems 18 angeordnet
sein. Die Rotation des DOVE Prismas 42 um die optische
Achse 12 hat zur Folge, dass das Messprofil auf der beleuchteten Oberfläche des
Objekts 10 sich um diese Achse dreht, wobei die Rotation
des Profils um ein zweifaches besser ist als die des Prismas. Es
kann daher ohne Versetzen der Vorrichtung gemäß der Erfindung oder ohne das
Versetzen des Objekts 10 eine dreidimensionale Form der
Oberfläche
des beleuchteten Objekts 10 durch einen beleuchteten Zylinder mit
der Achse 12, dessen Durchmesser gleich der Länge des
zu messenden Profils ist, erhalten werden.
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Um das Verhältnis von Signal zu Rauschen der
Ausgangssignale der CCD Sensoren der genannten Matrizenkamera zu
verbessern, wird ein Tiefpassfilter verwendet, um die Ausgänge der
Sensoren mit Analog-Digital-Wandlern zu verbinden, wobei die Mittel 30 der
Spektralanalyse mit Mitteln 32 der Informationsverarbeitung
verbunden werden. Typischerweise liegt die Cut Off-Frequenz des
Tiefpassfilters bei etwa 1 MHz.
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In einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung,
wie es in 1 gezeigt
ist, haben die Linsen 20 des chromatischen Systems 18 eine
fokale Länge von
60 mm, die Linse 24 des optischen Systems 22 zur
Vergrößerung hat
eine fokale Länge
von 150 mm, das Verhältnis
der transversalen Vergrößerung des Systems 22 liegt
bei 3 und die Messtiefe auf der optischen Achse 12 liegt
bei etwa 40 mm. Das durch die Analysenmittel erzeugte Bild ist schart,
ohne dass über
die gesamte Messtiefe eine Regulierung vorgenommen werden muss (im
Stand der Technik lag der Schärfenbereich
des Bildes bei etwa 4 mm von einer zentralen Position entsprechend
einer Einstellung). Außerdem
ist die spektrale Breite des Signals etwa zwei mal kleiner in der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
als im Stand der Technik und die Genauigkeit ist gleichmäßig über die
gesamte Messtiefe (0,01%), anstatt eine Abweichung von einer Glockenkurvenverteilung
mit progressiver Verschlechterung mit zunehmender Entfernung vom
Zentralpunkt aufzuweisen