WO2014023333A1 - Koordinatenmessgerät zur bestimmung von raumkoordinaten an einem messobjekt - Google Patents

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WO2014023333A1
WO2014023333A1 PCT/EP2012/065398 EP2012065398W WO2014023333A1 WO 2014023333 A1 WO2014023333 A1 WO 2014023333A1 EP 2012065398 W EP2012065398 W EP 2012065398W WO 2014023333 A1 WO2014023333 A1 WO 2014023333A1
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WO
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cover glass
coordinate measuring
measuring machine
lens
machine according
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/065398
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Engel
Johannes Winterot
Original Assignee
Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh filed Critical Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh
Priority to PCT/EP2012/065398 priority Critical patent/WO2014023333A1/de
Priority to US13/961,605 priority patent/US20140043464A1/en
Publication of WO2014023333A1 publication Critical patent/WO2014023333A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • G01B11/005—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines
    • G01B11/007—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines feeler heads therefor

Definitions

  • Coordinate measuring device for determining spatial coordinates on a measured object
  • the present invention relates to a coordinate measuring machine for determining spatial coordinates on a measurement object, with a workpiece holder for receiving the measurement object, with a measuring head, which is movable relative to the workpiece holder and carries an optical sensor, and with an evaluation and control unit, which is adapted to determine geometric properties on the measuring object as a function of a position of the measuring head relative to the workpiece holder and in dependence on sensor data of the optical sensor, wherein the optical sensor includes an objective and a camera which is adapted to form an image the objective to be received by the objective, wherein the lens has a lens body having a light entrance opening and a light exit opening with an interface for connecting the camera, and wherein the lens has a diaphragm and a number of lenses, which are arranged in the lens body and together define an optical axis.
  • EP 1 071 922 B1 discloses such a coordinate measuring machine.
  • the known coordinate measuring machine has a probe element, which is preferably arranged at the end of a flexurally elastic optical fiber.
  • the probe element serves to touch a measuring point on a measuring object.
  • an optical sensor which includes a camera and a lens
  • deflections of the probe element can be detected when touching the measurement object.
  • spatial coordinates for the touched measurement point can then be determined.
  • the known coordinate measuring machine should offer the possibility of measuring the surface topography of a test object without a feeler element, ie purely optically.
  • JP 201 1 -169661 discloses an optical measuring apparatus having a camera and a telecentric optical system having a front lens, a back lens and a telecentric stop.
  • the measuring device also has a laser-based autofocus system, which uses laser light to determine a position of the measurement object on the optical axis of the telecentric system.
  • the new coordinate measuring machine accordingly has a lens, in front of or on which a cover glass is arranged on the object side as the foremost element.
  • the cover glass is arranged at a defined distance along the optical axis to the foremost lens of the lens, wherein the distance is selected so that dirt particles which adhere to the cover glass are outside the depth of field of the lens and / or outside all object planes, image planes , Pupil planes and conjugate planes of the entire imaging beam path lie.
  • the coverslip may consist of "real" glass or of another transparent material (based on electromagnetic radiation in the optical wavelength range between 400-700 nm and / or in the adjacent infrared and / or UV range).
  • the cover glass may be made of plastic and / or be realized in the form of a thin film.
  • the cover glass forms the first transparent element through which light enters the objective body. It closes off the objective body and the lenses arranged in the objective body to the front, preferably dust-tight. The incident light reaches the lenses only after it has passed through the coverslip.
  • the cover glass forms an optical protection, which protects the sensitive lenses against contamination and in some embodiments also against scratches and similar damage.
  • the cover glass makes it possible in a cost-effective manner to use a coordinate measuring machine with an optical sensor directly in production-related areas of a production plant, where due to the manufacturing process dirt is created or at least can arise.
  • the cover glass must be cleaned regularly in such use. Such cleaning is, however, much easier and less risky with a pure protective glass than the cleaning of the sensitive lenses, of which the imaging properties and the imaging quality of the lens depend significantly. In contrast to the lenses, the imaging properties of the lens are only influenced to a very small extent by the cover glass, if at all. Exactly as a result, the cover glass differs significantly from the lenses following in the beam path. The positioning of the coverslip in or on the lens is much more robust to assembly tolerances than the lenses. Therefore, if necessary, an exchange is much easier and cheaper.
  • the new coordinate measuring machine permits use in production-related areas, for example in the metal and automotive industries. Regularly required cleaning of the coverslip is easier, less expensive and less risky of causing permanent damage from scratches than the comparable cleaning of a front lens. If necessary, a separate coverslip can be replaced more easily than a damaged or heavily soiled lens. The above object is therefore completely solved.
  • the present invention is thus based on the idea, in addition to the lenses that determine the imaging properties of the measuring lens significantly, yet another transparent element to be arranged on the lens body.
  • a measure is very unusual for a measuring objective whose optical properties are decisive for the quality and accuracy of a measurement, since each element in the beam path of the incident light principally influences the imaging properties.
  • the placement of a cover glass in front of the lenses of a measuring objective can therefore affect the measurement accuracy, which is an undesirable effect for a coordinate measuring machine.
  • the lenses of the lens are therefore corrected depending on the optical properties of the coverslip, i. the optical properties of the cover glass are taken into account in the lens design of the objective.
  • the cover glass has a flat front and a flat back, which are each arranged transversely to the optical axis.
  • the cover glass has two refractive surfaces transverse to the optical axis, namely the front and the back, which are each flat.
  • the flat front of the cover glass forms a flat front glass surface of the lens.
  • the flat glass surface allows a particularly easy cleaning.
  • the fact that the cover glass also has a flat back, the optical influence of the cover glass on the properties of the measuring lens is also very low.
  • the front and the back of the cover glass are plane-parallel to each other.
  • the cover glass is a thin transparent disk, which is preferably circular.
  • the design allows a particularly cost-effective implementation. It is particularly advantageous if the coverslip is arranged detachably on the objective body in such a way that it can be exchanged by an operator of the coordinate measuring apparatus, that is, for example, a measuring technician in the production environment, without much effort.
  • the cover glass can then be designed as a cost-effective replacement part, so that in doubt, instead of a costly cleaning, only a cost-effective replacement of the cover glass takes place.
  • the cover glass is exchangeable without tools or it is sufficient to use a commercially available hand tool, such as a screwdriver or the like.
  • the front and the back of the cover glass are inclined to each other.
  • the cover glass is a wedge plate which is thicker in cross section at one edge than at the other.
  • the production of the cover glass may be slightly more expensive than with two plane-parallel sides.
  • the embodiment has the advantage that in particular the back of the cover glass can be very easily arranged at an angle to the optical axis, which is not equal to 90 °.
  • Such an angle, ie an inclination of the back of the cover glass advantageously contributes to keep reflections in the lens body of the camera.
  • this design helps eliminate glitches at the back of the coverslip may arise, keep away from the entrance to the camera.
  • the back side of the cover glass is inclined relative to the optical axis such that the reflection of a light beam incident on the back side parallel to the optical axis can not escape through the light exit opening of the objective.
  • the cover glass is arranged obliquely to the optical axis.
  • the normal vector on the front and on the back of the cover glass with the optical axis encloses an angle which is not equal to zero. In some embodiments, the angle is between 0.5 ° and 5 °.
  • This design also helps to avoid unwanted reflections on the front and the back of the cover glass on the measurement object and / or in the camera. Accordingly, this embodiment contributes in a simple way to avoid negative influences of the illumination on the measurement accuracy.
  • the cover glass is disposed destructively detachable in the region of the light inlet opening.
  • the cover glass is arranged so that an operator can exchange the cover glass without tools or with a standard hand tool.
  • the design allows for a very quick change of the cover glass at a heavy contamination or damage to the cover glass by scratches or the like.
  • this embodiment contributes to maintaining a measurement operation with consistently high quality in production-related environments.
  • the cover glass can be exposed as a "wear part" even in very unfavorable environmental conditions.
  • the lens body has a lens body frame in which the cover glass is arranged.
  • the cover glass is attached to the lens body itself.
  • the cover glass is an integral part of the objective, ie the cover glass is arranged in the objective body. Nevertheless, the cover glass can be non-destructively detachable in preferred embodiments.
  • the lens body has a socket into which the coverslip is inserted transversely to the optical axis. In other cases, the socket is a screw socket and the cover glass has a counter-frame, which is bolted to the lens mount.
  • the lens body can have a bayonet closure, to which the cover glass is fastened, or the cover glass is clipped onto the lens body and / or held with magnets.
  • the design has the advantage that the coverslip is integrated into the "interference contour" of the objective
  • the operator of the coordinate measuring machine has a simpler way of avoiding collisions between the objective and the object to be measured in the measuring process, and this embodiment enables a particularly good sealing of the objective against dust and Humidity.
  • the coordinate measuring machine has a cover glass holder which holds the cover glass in front of the light entry opening.
  • the cover glass holder is preferably mechanically decoupled from the objective body and / or the lenses.
  • the cover glass is attached via a separate holder in front of the light inlet opening.
  • the holder may be in the form of a sleeve surrounding the lens as a whole. This configuration allows a very good seal.
  • the cover glass holder also serves as collision protection for the objective. Accordingly, the holder may have a sensor which, in the case of a mechanical load, responds above a defined threshold value and generates a stop signal.
  • the holder has elastic holding elements, for example in the form of rubber buffers or metal springs, which yield in the event of a collision and thus protect the objective. In this case, one makes use of the fact that the cover glass is much less sensitive to mounting tolerances than the lenses due to its lack of lens properties.
  • the evaluation and control unit includes a memory with calibration data representing optical properties of the lens, wherein the calibration data include the cover glass.
  • data that represent the optical properties of the cover glass and that are of importance for a defined measurement accuracy stored in the evaluation and control unit of the coordinate measuring machine.
  • Calibration data in the sense of this embodiment are any type of data that is of importance for the metrological evaluation of a light signal received by the objective.
  • the evaluation and control unit is designed to geometrical properties on the measurement object u.a. depending on the optical properties of the coverslip.
  • the data represents a spherical and / or a longitudinal chromatic aberration of the lens that is affected by the coverslip. The design contributes to a consistently high measurement accuracy, even if the coverslip is replaced, since in this case adapted calibration data can be stored very easily in the memory of the evaluation and control unit.
  • the coordinate measuring machine has an orientation element which defines a defined rotational position of the cover glass about the optical axis.
  • the orientation element allows a reproducible position of the cover glass with respect to the lens body.
  • the orientation element can be a groove, a pin, a protrusion, a bead or some other "discontinuity point", which is formed, for example, on the objective body mount, the holder and / or the cover glass and which ensures that the cover glass only in one In two or three rotational positions, the orientation element can ensure a kinematic mounting of the cover glass
  • the configuration is particularly advantageous if the cover glass is a wedge plate or another "asymmetry" with respect to the rotational position about the optical axis has.
  • the coverslip can be mounted in this configuration easier and faster in the correct position, which is just in an exchange by a Operator is beneficial.
  • the orientation element also helps to make the replacement of the cover glass by an operator fail-safe.
  • the orientation element may be configured to monitor the correct layer of coverslip, eg, by means of a circuit that is closed or opened via the orientation element.
  • the coverslip has an identification chip that identifies the individual coverslip.
  • the identification chip can be coupled to the orientation element in such a way that an identification of the cover glass is possible only in the case of a positionally correct fastening of the cover glass to the objective body. It is advantageous if the identification chip also contains individual calibration data which characterize the cover glass and which can be read by the evaluation and control unit of the coordinate measuring machine.
  • a seal is provided, the dust-tight and / or moisture-tight closes the lens body together with the cover glass.
  • the cover glass protects the interior of the lens body against the ingress of dust and / or liquids, which is a very advantageous implementation for use in production-related areas of industrial production.
  • the cover glass can be pressed against a sealing ring with a screw ring, a bayonet lock, magnetically and / or with a latching or snap closure.
  • the cover glass on a frame in which a flexible, transparent film is clamped in itself.
  • the cover glass is realized in the manner of a pellicle, ie as a very thin protective film, as used for example for the protection of exposure masks in the semiconductor industry.
  • the embodiment has the advantage that the "cover glass” can be realized extremely thin and hardly changes the optical imaging properties of the measuring objective.
  • the cover glass has a rigid glass body.
  • the transparent cover glass is a rigid transparent element.
  • the embodiment has the advantage that the lenses of the lens are also protected against mechanical influences, such as in a collision of the lens with the measurement object.
  • the cover glass may be provided with a so-called nanocoating with lotus effect.
  • a suitable nano-coating is offered for example by the company Carl Zeiss, Germany under the name Lotu tea for spectacle lenses. It has the advantage that liquids and dirt particles contained therein roll off. The cover glass is less dirty and easier to clean.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the objective from the coordinate measuring apparatus from FIG. 1, FIG.
  • FIG. 3 is a schematic representation of a cover glass, which is realized in the manner of a pellicle, 4 shows a sectional view of the lens groups of the objective of FIGS. 2 and 3 according to a preferred embodiment, wherein the lens groups are shown in five different working positions representing different magnifications at the same working distance, and
  • Fig. 5 is a schematic representation of another embodiment.
  • an embodiment of the new coordinate measuring machine is designated in its entirety by the reference numeral 10.
  • the coordinate measuring machine 10 has in this embodiment a workpiece holder in the form of a cross table 12. Above the cross table 12, a quill 14 is arranged.
  • the quill 14 carries a measuring head 16 which holds an optical sensor 18 and a separate tactile sensor 20 here.
  • the measuring head can be a pure holding plate to which various sensors can be attached.
  • the tactile sensor 20 With the tactile sensor 20, the coordinate measuring machine 10 can in a known manner touch a measuring point on a measuring object, which is arranged on the cross table 12 for this purpose.
  • the tactile sensor 20 is moved relative to the measurement object with the aid of the cross table 12 and the quill 14 in order to touch the measurement point.
  • spatial coordinates of the touched measuring point can then be determined in a known manner.
  • the coordinate measuring machine 10 is a preferred example of a multi-sensor coordinate measuring machine in which, in addition to the optical sensor 18, a tactile sensor 20 can be used for measuring a measuring object.
  • the new coordinate measuring machine may have only one or more optical sensors.
  • the present invention can be used not only in coordinate measuring machines having the machine structure shown in FIG.
  • the new coordinate measuring machine can be designed in bridge construction, gantry design, horizontal arm construction or any other mechanical design.
  • Reference numeral 22 designates an evaluation and control unit, which on the one hand controls the drives (not designated here) of the coordinate measuring apparatus 10 in order to move the measuring head 16 relative to a measured object.
  • the evaluation and control unit 22 reads in sensor data of the optical and / or tactile sensor 18, 20, and determines spatial coordinates for one or more measurement points on the measurement object as a function of this sensor data and in dependence on the respective position of the measuring head and cross table.
  • the basic operation of such a coordinate measuring machine is known to those skilled in the art and therefore not explained in detail.
  • Fig. 2 shows a preferred embodiment of the optical sensor 18, wherein the optical sensor 18 in this embodiment, strictly speaking, includes a plurality of optical sensors, which may optionally be present and used.
  • the new lens can also be combined with other optical sensors, such as a reflectometry-measuring sensor.
  • the sensor 18 includes an objective 24 having a lens body 26.
  • the lens body 26 is a tube having a light entrance aperture 28 and a light exit aperture 30 disposed at opposite ends of the tube.
  • the objective body 26 can also have a shape deviating from a tube.
  • an interface 32 which serves to connect a camera 34 with an image sensor 36.
  • the interface 32 is a standardized or commercially common interface for coupling cameras and lenses, such as a so-called F-mount or a so-called C-mount.
  • the interface 32 is a proprietary interface, which makes it possible in particular to connect the housing 37 of the camera 34 directly to the lens body 26 to form a structural unit permanently, such as to screw and / or glued.
  • other standardized or proprietary interfaces for connecting the camera 34 to the objective body 26 may be used.
  • a cover glass 38 is arranged on the objective body 26.
  • a lens system with a first lens group 40, a second lens group 42, a third lens group 44 and a fourth lens group 46 is arranged here.
  • a fifth lens group is arranged between the fourth lens group 46 and the light exit opening 30, which is shown here in dashed lines.
  • the lens groups 40-48 define an optical axis 50 and, in the illustrated embodiment, are each disposed centrically to the optical axis 50.
  • a diaphragm 52 is arranged between the second lens group 42 and the third lens group 44.
  • the aperture 52 is an iris diaphragm, i. a diaphragm whose inner diameter can be varied.
  • the second, third and fourth lens group 42, 44, 46 and the aperture 52 are each coupled here with its own slide 54, which can be moved along two guide rails 56. Further, the three lens groups and the optical aperture 52 are each coupled to an electric drive 58 in this embodiment. With the aid of the drives 58, the second, third and fourth lens group and the aperture 52 can be moved here parallel to the optical axis 50, as indicated by the arrows (for example arrow 60). In contrast, in the preferred embodiments, the first lens group 40 and the optional fifth lens group 48 are fixedly disposed in the lens body 26.
  • the cover glass 38 may be a circular glass sheet with a screw socket which is screwed into a corresponding threaded socket at the distal end of the lens body 26.
  • the cover glass is a wedge plate, which is inserted from the front into a receptacle of the lens body 26.
  • Reference numeral 39 denotes a sealing ring, here in the form of an O-ring, which closes the interior of the objective body 26 together with the cover glass 38 moisture-proof and dust-tight.
  • the cover glass 38 is pressed here with a screw ring 41 against the sealing ring and screwed into the receptacle.
  • Reference numeral 43 denotes a pin serving as an orientation member.
  • the cover Glass 38 accordingly has a hole into which the pin 43 engages to define a unique rotational position of the wedge plate 38 about the optical axis 50.
  • the cover glass 38 can be inserted from the side into a recess on the lens body 26.
  • the coverslip may be clipped, glued, glued to the lens body, or connected to the lens body via a bayonet catch or otherwise.
  • the coverslip may be attached to the objective body 26 with magnets.
  • the coverslip 38 is bonded to the lens body 26 so that a user of the coordinate measuring machine 10 can use the coverslip 38 without damaging the lens 24, i. can exchange non-destructively.
  • the attachment of the cover glass is designed so that the lens can remain on the measuring head when replacing the cover glass.
  • the cover glass 38 is a wedge-shaped glass plate whose thickness increases from one edge to the other edge.
  • the cover glass 38 has a wedge angle which is chosen so that a reflection on the front 53 or the back 55 of the cover glass 38 can not reach the image sensor 36 of the camera 34.
  • the cover glass 38 is arranged so that its front 53 is plane-parallel to the light inlet opening 28, while the back 55 is disposed slightly obliquely thereto.
  • the cover glass 38 may be arranged so that the front side 53 is slightly inclined to the light entry opening 28 (not shown here).
  • both the front and the back of the cover glass 38 may be arranged obliquely to the optical axis 50, wherein the respective skew angle between the normal vector on the front and the optical axis and the normal vector on the back and the optical axis for the front and the back is different.
  • the cover glass may be arranged in addition to the wedge angle still oblique to the optical axis.
  • a cover glass with plane-parallel front and rear sides can be arranged slightly obliquely to the image sensor 36 or obliquely to the optical axis 50.
  • the skew angle between the normal vector on the front side and the optical axis is designated by reference numeral 61 here.
  • the cover glass 38 ' can be realized with a thin film 57, which is clamped in a frame 59.
  • the frame 59 can then be attached to the light inlet opening 28 of the lens 24 nondestructive releasably.
  • the second, third and fourth lens groups 42, 44, 46 and the diaphragm 52 are displaceable along the optical axis 50 by means of the drives 58 (arrow 60).
  • the lens 24 can realize different magnifications and different working distances, which allows great flexibility.
  • a clearance 62 between the first lens group 40 and the second lens group 42 which remains even when the second lens group 42 has been positioned at a minimum distance from the first lens group 40.
  • a beam splitter 64 is disposed in the space 62 on the optical axis 50 to selectively connect or disconnect light from another interface 66 of the objective 24.
  • the second interface 66 is arranged approximately at the level of the beam splitter 64 on the lateral circumference of the objective body 26.
  • a further free space 68 in which a beam splitter 70 is likewise arranged, between the fourth lens group 46 and the light exit opening 30.
  • a beam splitter 70 is likewise arranged, between the fourth lens group 46 and the light exit opening 30.
  • the beam splitter 70 is disposed between the fifth lens group 48 and the light exit opening 30.
  • the beam splitter 70 between the fourth lens group 46 and the fifth lens group 48 may be arranged, which of course requires a corresponding clearance.
  • the lens 24 has a holder 74 in the region of the light inlet opening 28, on which different light sources 76, 78 are arranged.
  • the holder 74 carries a ring light having a plurality of light sources 78a, 78b disposed around the lens body 26 at different radial distances.
  • the light sources 78a, 78b are capable of producing differently colored light, such as white light, red light, green light, and blue light, and mixtures thereof.
  • the light sources 78a, 78b can be used to generate different illumination scenarios at different distances in front of the light entry opening 28.
  • reference numeral 80 schematically indicates a measuring object 80 which is positioned at a distance d from the light inlet opening 28 of the objective 24.
  • the distance d represents a working distance between the objective 24 and the measurement object 80, wherein this working distance is variably adjustable on the basis of the focusing of the objective 24.
  • the light sources 76 in the present embodiment are light sources which are integrated into the objective body 26.
  • the light sources 76 outside the lens system are integrated with the lens body 26, as shown in FIG.
  • light sources 76 can be integrated into the objective body 26 in such a way that the light generated by the light sources 76 emerges from the objective body 26 at least through some of the lenses and optionally the cover glass 38.
  • the light entry opening 28 is also a light exit opening at the same time.
  • the coordinate measuring machine 10 has in preferred embodiments, a further light source 82, which allows transmitted light illumination of the measuring object 80. Accordingly, the light source 82 is arranged below the measuring object 80 or below the workpiece holder of the coordinate measuring machine 10. In the preferred embodiments, the coordinate measuring machine 10 therefore has a workpiece holder 12 which is provided with a glass plate to allow the transmitted light illumination.
  • the optical sensor 18 has a light source 84, which is coupled to the interface 72 via a further beam splitter.
  • the light source 84 can couple light into the entire beam path of the objective 24 via the interface 72 and the beam splitter 70.
  • the coupled-in light is thrown onto the measuring object 80 via the lens system of the first to fourth (fifth) lens group.
  • the light source 84 may be a laser pointer with which individual measurement points on the measurement object 80 can be specifically illuminated.
  • the light source 84 may generate a patterned light pattern, such as a fringe pattern or grating pattern, which is projected onto the measurement object 80 via the lens system of the objective 24.
  • a grid projector is shown at reference numeral 86.
  • the grid projector generates a structured light pattern, which is coupled in this embodiment via two beam splitters and the interface 72 in the beam path of the lens 24.
  • the objective 24 can be combined in various ways with optical sensors which serve as an alternative or supplement to the camera 34 for optically measuring the measurement object 80.
  • a first confocal white light sensor 88a is coupled to the interface 66.
  • a further confocal white light sensor 88b can be coupled into the illumination path for the transmitted light illumination 82, for example via a beam splitter.
  • the reference numeral 90 denotes an autofocus sensor, with the aid of which the altitude of the measurement object 80 can be determined parallel to the optical axis 50 based on a determination of the focus position.
  • an optical measurement of the measurement object 80 with the aid of the camera 34 and a suitable image evaluation is possible, as is known to the person skilled in the art.
  • the lens 24 has in the preferred embodiments due to the movable lens groups 42, 44, 46 and the adjustable aperture 52 a wide range of applications.
  • the plurality of cams 92 in the preferred embodiments, form a 2D family of curves that can be used to set the magnification and focus of the lens 24 in numerous arbitrary combinations.
  • the optical properties of the cover glass 38 are taken into account in the control cams and in the correction of the lenses 40-48.
  • the longitudinal chromatic aberration that the objective 24 produces in connection with the confocal white light sensor 88a is considered in the control curves, more generally in calibration data for the measurement.
  • the evaluation and control unit 22 evaluates the data from the white light sensor 88a, taking into account the optical influence which the cover glass 38 primarily takes on the chromatic longitudinal error.
  • the objective 24 includes a set of multiple coverslips 38 that may be selectively attached to the lens body 26, wherein the plurality of coverslips 38 produce different chromatic and / or spherical longitudinal errors of the objective 24.
  • the white light sensor 88a can then be used advantageously a cover glass, which causes a relatively large longitudinal error, while for a measurement with one of the other sensors, such as the autofocus sensor 90 or the camera 34, a cover glass is used, the minimum longitudinal error causes.
  • a user may have a desired magnification 94 and a desired focus 96 in the evaluation and Enter control unit 22.
  • the evaluation and control unit 22 determines individual positions of the second, third and fourth lens groups along the optical axis 50 as well as an individual position and opening of the diaphragm 52 by means of the control cams 92 and in dependence on the desired magnification 94 and desired focusing Embodiments of the new method, the user can vary the working distance d to a test object by varying the focus, without the sensor 18 must be moved by means of the sleeve 14 relative to the measurement object.
  • a user can vary the magnification of the objective 24 at a constant or varying working distance d in order, for example, to re-measure details of a measurement object 80 previously measured "from a bird's-eye view".
  • a user may alter the numerical aperture of the objective 24 by opening or closing the aperture 52, thereby achieving consistent resolution at different working distances d. Further, a user may vary the magnification, focus, numerical aperture, individually or in combination, to optimally match the lens 24 to the characteristics of the various sensors 36, 88, 90.
  • each lens group has a plurality of lenses 100, 102, wherein in this exemplary embodiment at least one cemented element consisting of at least two lenses 100, 102 is used in each lens group.
  • the lenses 100, 102 can be produced with the aid of a piezoelectric actuator (not shown here). be pushed apart to produce a defined longitudinal chromatic aberration.
  • the objective 24 may have transverse chromatic aberrations to enable a simple and inexpensive construction. This has the consequence that light and images of different colors have a small offset transversely to the optical axis 50 and possibly a slightly different magnification.
  • the lateral chromatic aberration and / or magnification is corrected using mathematical correction calculations, which is possible in the preferred embodiments because the error image as such is continuous.
  • the evaluation and control unit uses calibration data, which also represent the optical properties of the cover glass 38.
  • Fig. 5 shows an embodiment with a separate cover glass holder 104, which is attached here via a support ring 106 on the holder 74.
  • the carrier ring 106 has elastic regions, which on the one hand are biased such that the cover glass 38 is inclined here with the oblique angle 61 relative to the optical axis 50.
  • the elastic support ring 106 allows a relative movement between cover glass holder 104 and the lens body 26. This can serve in the event of a collision to protect the lens body and especially the lenses arranged therein from damage.
  • the cover glass it is possible to arrange the cover glass over an elastic holder, but directly on the lens body.
  • the cover glass could be part of a protective sleeve which is arranged on the measuring head 16 and which encloses the objective 24 as a whole.
  • the optical properties of the cover glass are taken into account in the lens correction of the objective. This typically has the consequence that in particular spherical and chromatic errors of the lens with the cover glass are lower than without cover glass.
  • the coverslip has a nano-coating on the front side 53, which reduces soiling and facilitates cleaning due to the "lotus effect" Coating constructed in the way they are used for example in eyeglass lenses.

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Abstract

Ein Koordinatenmessgerät besitzt eine Werkstückaufnahme (12) zur Aufnahme eines Messobjekts und einen Messkopf (16), der relativ zu der Werkstückaufnahme (12) verfahrbar ist. Der Messkopf (16) trägt einen optischen Sensor (18). Eine Auswerte- und Steuereinheit (22) ist dazu ausgebildet, geometrische Eigenschaften an dem Messobjekt in Abhängigkeit von einer Position des Messkopfes (16) relativ zu der Werkstückaufnahme und in Abhängigkeit von Sensordaten des optischen Sensors (18) zu bestimmen. Der optische Sensor (18) beinhaltet ein Objektiv (24) und eine Kamera (34). Das Objektiv (24) besitzt einen Objektivkörper (26), der eine Lichteintrittsöffnung (28) und eine Lichtaustrittsöffnung (30) mit einer Schnittstelle (32) zum Anschluss der Kamera (34) bildet. Das Objektiv (24) besitzt eine Anzahl von Linsen (40-48), die in dem Objektivkörper (26) angeordnet sind. Im Bereich der Lichteintrittsöffnung (28) ist ein separates Deckglas (38) angeordnet, das als erstes transparentes Bauelement vor den Linsen (40-48) sitzt. Die Linsen (40-48) sindvorzugsweise in Abhängigkeit von optischen Eigenschaften des Deckglases (38) korrigiert.

Description

Koordinatenmessgerät zur Bestimmung von Raumkoordinaten an einem Messobjekt
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät zur Bestimmung von Raumkoordinaten an einem Messobjekt, mit einer Werkstückaufnahme zur Aufnahme des Messobjekts, mit einem Messkopf, der relativ zu der Werkstückaufnahme verfahrbar ist und einen optischen Sensor trägt, und mit einer Auswerte- und Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, geometrische Eigenschaften an dem Messobjekt in Abhängigkeit von einer Position des Messkopfes relativ zu der Werkstückaufnahme und in Abhängigkeit von Sensordaten des optischen Sensors zu bestimmen, wobei der optische Sensor ein Objektiv und eine Kamera beinhaltet, die dazu ausgebildet ist, ein Bild des Messobjekts durch das Objektiv aufzunehmen, wobei das Objektiv einen Objektivkörper aufweist, der eine Lichteintrittsöffnung und eine Lichtaustrittsöffnung mit einer Schnittstelle zum Anschluss der Kamera besitzt, und wobei das Objektiv eine Blende und eine Anzahl von Linsen aufweist, die in dem Objektivkörper angeordnet sind und die zusammen eine optische Achse definieren. [0002] EP 1 071 922 B1 offenbart ein solches Koordinatenmessgerät. Das bekannte Koordinatenmessgerät besitzt ein Tastelement, das vorzugsweise am Ende einer biegeelastischen Lichtleitfaser angeordnet ist. Das Tastelement dient dazu, einen Messpunkt an einem Messobjekt zu berühren. Mit Hilfe eines optischen Sensors, der eine Kamera und ein Objektiv beinhaltet, können Auslenkungen des Tastelements beim Antasten des Messobjekts detektiert werden. Anhand der Auslenkung des Tastelements und anhand der Position des optischen Sensors relativ zu dem Messobjekt können dann Raumkoordinaten für den angetasteten Messpunkt bestimmt werden. Alternativ soll das bekannte Koordinatenmessgerät die Möglichkeit bieten, die Oberflächentopographie eines Messobjekts ohne Tastelement, d.h. rein optisch, zu vermessen.
[0003] JP 201 1 -169661 offenbart ein optisches Messgerät mit einer Kamera und einem telezentrischen optischen System, das eine Frontlinse, eine rückseitige Linse und eine telezentrische Blende besitzt. Das Messgerät besitzt ferner ein laserbasiertes Autofokussystem, das mit Hilfe von Laserlicht eine Position des Messobjekts auf der optischen Achse des telezentrischen Systems bestimmt.
[0004] Die Verwendung von optischen Sensoren in Verbindung mit Koordinaten- messgeräten ermöglicht in vielen Fällen eine sehr schnelle Messung von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts. Ein Nachteil der bekannten Koordinatenmessgeräte mit optischen Sensoren ist jedoch die empfindliche Optik, die sauber gehalten werden muss, damit Verschmutzungen nicht die Qualität der Messung beeinträchtigen. Daher sind Koordinatenmessgeräte mit optischen Sensoren ungünstig für Anwendungen in fertigungsnahen Bereichen, bei denen Staub, Feuchtigkeit und/oder Schmutzpartikel entstehen. Für solche fertigungsnahe Messungen werden daher heute in aller Regel taktile Koordinatenmessgeräte eingesetzt oder es wird auf eine fertigungsnahe Messung gänzlich verzichtet..
[0005] Es besteht der Wunsch, ein optisches Koordinatenmessgerät bereitzustellen, das bei geringen Kosten einen Einsatz in einer industriellen Produktionsumgebung ermöglicht. Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Koordinatenmessgerät anzugeben. [0006] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Koordinatenmessgerat der eingangs genannten Art gelöst, wobei im Bereich der Lichteintrittsöffnung ein separates Deckglas angeordnet ist, das als erstes transparentes Bauelement vor den Linsen sitzt.
[0007] Das neue Koordinatenmessgerat besitzt dementsprechend ein Objektiv, vor dem oder an dem ein Deckglas objektseitig als vorderstes Element angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Deckglas mit einem definierten Abstand entlang der optischen Achse zu der vordersten Linse des Objektivs angeordnet, wobei der Abstand so gewählt ist, dass Schmutzpartikel, die auf dem Deckglas haften, außerhalb des Tiefenschärfebereichs der Linsen liegen und/oder außerhalb aller Objektebenen, Bildebenen, Pupillenebenen und dazu konjugierten Ebenen des gesamten Abbildungsstrahlenganges liegen. Das Deckglas kann aus„echtem" Glas bestehen oder aus einem anderen transparenten Material (bezogen auf elektromagnetische Strahlung im optischen Wellenlängenbereich zwischen 400 - 700 nm und/oder im angrenzenden Infrarot- und/oder UV-Bereich).
Insbesondere kann das Deckglas aus Kunststoff bestehen und/oder in Form einer dünnen Folie realisiert sein.
[0008] In jedem Fall bildet das Deckglas das erste transparente Element, durch das Licht in den Objektivkörper eintritt. Es schließt den Objektivkörper und die in dem Objektivkörper angeordneten Linsen nach vorne ab, und zwar vorzugsweise staubdicht. Das einfallende Licht erreicht die Linsen erst, nachdem es durch das Deckglas hindurchgetreten ist. Damit bildet das Deckglas einen Optikschutz, der die empfindlichen Linsen gegen Verschmutzung und in einigen Ausführungsbeispielen auch gegen Kratzer und ähnliche Beschädigungen schützt. Das Deckglas macht es auf kostengünstige Weise möglich, ein Koordinatenmessgerät mit einem optischen Sensor direkt in fertigungsnahen Bereichen einer Produktionsanlage einzusetzen, wo aufgrund der Fertigungsprozesse Schmutz entsteht oder zumindest entstehen kann.
[0009] Zwar wird das Deckglas bei einer solchen Verwendung regelmäßig gereinigt werden müssen. Eine solche Reinigung ist jedoch bei einem reinen Schutzglas sehr viel leichter und mit einem geringeren Risiko möglich, als die Reinigung der empfindlichen Linsen, von denen die Abbildungseigenschaften und die Abbildungsqualität des Objektivs maßgeblich abhängen. Im Unterschied zu den Linsen werden die Abbildungseigenschaften des Objektivs nämlich nur zu einem sehr geringen Anteil von dem Deckglas beein- flusst, wenn überhaupt. Genau dadurch unterscheidet sich das Deckglas maßgeblich von den im Strahlengang nachfolgenden Linsen. Die Positionierung des Deckglases in oder an dem Objektiv ist wesentlich robuster gegenüber Montagetoleranzen als bei den Linsen. Daher ist notfalls ein Austausch wesentlich einfacher und kostengünstiger.
[0010] Das neue Koordinatenmessgerät ermöglicht aufgrund des Deckglases eine Verwendung in fertigungsnahen Bereichen, beispielsweise der Metall- und Automobilindustrie. Die regelmäßig notwendige Reinigung des Deckglases ist einfacher, kostengünstiger und mit einem geringeren Risiko verbunden, bleibende Schäden durch Kratzer zu verursachen, als die vergleichbare Reinigung einer Frontlinse. Notfalls kann ein separates Deckglas leichter ausgetauscht werden als eine beschädigte oder stark verschmutzte Linse. Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
[0011] Die vorliegende Erfindung beruht also auf der Idee, zusätzlich zu den Linsen, die die Abbildungseigenschaften des Messobjektivs maßgeblich bestimmen, noch ein weiteres transparentes Element an dem Objektivkörper anzuordnen. Eine solche Maßnahme ist für ein Messobjektiv, dessen optische Eigenschaften für die Qualität und Genauigkeit einer Messung entscheidend sind, sehr ungewöhnlich, da jedes Element im Strahlengang des einfallenden Lichts prinzipiell Einfluss auf die Abbildungseigenschaften nimmt. Das Anordnen eines Deckglases vor den Linsen eines Messobjektivs kann daher die Messgenauigkeit beeinträchtigen, was für ein Koordinatenmessgerät ein unerwünschter Effekt ist. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Linsen des Objektivs daher in Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften des Deckglases korrigiert, d.h. die optischen Eigenschaften des Deckglases sind in dem Linsendesign des Objektivs berücksichtigt. Dies kann sich insbesondere dadurch zeigen, dass sphärische und/oder chromatische Fehler des Objektivs in Längs- und/oder Querrichtung ohne das Deckglas größer sind als mit Deckglas. Die Ausgestaltung ermöglicht eine sehr hohe Messgenauigkeit in Verbindung mit dem neuen Schutz des Objektivs.
[0012] In einer weiteren Ausgestaltung besitzt das Deckglas eine ebene Vorderseite und eine ebene Rückseite, die jeweils quer zu der optischen Achse angeordnet sind. [0013] In dieser Ausgestaltung besitzt das Deckglas zwei lichtbrechende Flächen quer zu der optischen Achse, nämlich die Vorderseite und die Rückseite, die jeweils eben sind. Die ebene Vorderseite des Deckglases bildet eine ebene vordere Glasfläche des Objektivs. Die ebene Glasfläche ermöglicht eine besonders einfache Reinigung. Dadurch dass das Deckglas zudem auch eine ebene Rückseite besitzt, ist der optische Einfluss des Deckglases auf die Eigenschaften des Messobjektivs zudem sehr gering.
[0014] In einer weiteren Ausgestaltung sind die Vorderseite und die Rückseite des Deckglases planparallel zueinander.
[0015] In dieser Ausgestaltung ist das Deckglas eine dünne transparente Scheibe, die vorzugsweise kreisförmig ist. Die Ausgestaltung ermöglicht eine besonders kostengünstige Realisierung. Sie ist besonders vorteilhaft, wenn das Deckglas derart lösbar an dem Objektivkörper angeordnet ist, dass es von einem Bediener des Koordinatenmessge- rätes, also beispielsweise einem Messtechniker in der Fertigungsumgebung, ohne größeren Aufwand ausgewechselt werden kann. Das Deckglas kann dann als kostengünstiges Austauschteil ausgebildet sein, so dass im Zweifel statt einer aufwendigen Reinigung lediglich ein kostengünstiger Austausch des Deckglases erfolgt. In bevorzugten Ausgestaltungen ist das Deckglas ohne Werkzeug austauschbar oder es genügt ein handelsübliches Handwerkzeug, wie etwa ein Schraubendreher oder dergleichen.
[0016] In einer alternativen Ausgestaltung verlaufen die Vorderseite und die Rückseite des Deckglases schräg zueinander.
[0017] In dieser Ausgestaltung ist das Deckglas eine Keilplatte, die im Querschnitt an einem Rand dicker ist als am anderen. In dieser Ausgestaltung kann die Herstellung des Deckglases etwas teurer sein als mit zwei planparallelen Seiten. Die Ausgestaltung besitzt jedoch den Vorteil, dass insbesondere die Rückseite des Deckglases sehr einfach in einem Winkel zur optischen Achse angeordnet werden kann, der ungleich 90° ist. Ein solcher Winkel, d.h. eine Schrägstellung der Rückseite des Deckglases, trägt vorteilhaft dazu bei, Reflexionen in dem Objektivkörper von der Kamera fernzuhalten. Mit anderen Worten hilft diese Ausgestaltung dabei, Störlichter, die an der Rückseite des Deckglases entstehen können, vom Eintritt in die Kamera fernzuhalten. Dementsprechend ist die Rückseite des Deckglases in den bevorzugten Ausführungsbeispielen so gegenüber der optischen Achse geneigt, dass die Reflexion eines parallel zur optischen Achse auf die Rückseite auftreffenden Lichtstrahls nicht durch die Lichtaustrittsöffnung des Objektivs austreten kann.
[0018] In einer weiteren Ausgestaltung ist das Deckglas schräg zur optischen Achse angeordnet.
[0019] In dieser Ausgestaltung schließt der Normalenvektor auf der Vorderseite und auf der Rückseite des Deckglases mit der optischen Achse einen Winkel ein, der ungleich Null ist. In einigen Ausführungsbeispielen liegt der Winkel zwischen 0,5° und 5°. Auch diese Ausgestaltung trägt dazu bei, unerwünschte Reflexionen an der Vorderseite und der Rückseite des Deckglases auf das Messobjekt und/oder in die Kamera zu vermeiden. Dementsprechend trägt diese Ausgestaltung auf einfache Weise dazu bei, negative Einflüsse der Beleuchtung auf die Messgenauigkeit zu vermeiden.
[0020] In einer weiteren Ausgestaltung ist das Deckglas zerstörungsfrei lösbar im Bereich der Lichteintrittsöffnung angeordnet. Vorzugsweise ist das Deckglas so angeordnet, dass ein Bediener das Deckglas werkzeuglos oder mit einem handelsüblichen Handwerkzeug austauschen kann.
[0021] Die Ausgestaltung ermöglicht einen sehr schnellen Wechsel des Deckglases bei einer starken Verschmutzung oder bei einer Beschädigung des Deckglases durch Kratzer oder dergleichen. Damit trägt diese Ausgestaltung dazu bei, einen Messbetrieb mit gleichbleibend hoher Qualität in fertigungsnahen Umgebungen aufrecht zu erhalten. Das Deckglas kann als„Verschleißteil" auch sehr ungünstigen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sein.
[0022] In einer weiteren Ausgestaltung besitzt der Objektivkörper eine Objektivkörperfassung, in der das Deckglas angeordnet ist. [0023] In dieser Ausgestaltung ist das Deckglas an dem Objektivkörper selbst befestigt. Vorzugsweise ist das Deckglas ein integraler Teil des Objektivs, d.h. das Deckglas ist in dem Objektivkörper angeordnet. Gleichwohl kann das Deckglas in bevorzugten Ausführungsbeispielen zerstörungsfrei lösbar sein. In einigen Ausführungsbeispielen besitzt der Objektivkörper eine Fassung, in die das Deckglas quer zur optischen Achse eingeschoben wird. In anderen Fällen ist die Fassung eine Schraubfassung und das Deckglas besitzt eine Gegenfassung, die mit der Objektivfassung verschraubt wird. Des weiteren kann der Objektivkörper einen Bajonettverschluss besitzen, an dem das Deckglas befestigt wird, oder das Deckglas wird an dem Objektivkörper eingeklippst und/oder mit Magneten gehalten. Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass das Deckglas in die „Störkontur" des Objektivs integriert wird. Der Bediener des Koordinatenmessgerätes hat es einfacher, Kollisionen zwischen Objektiv und Messobjekt im Messablauf zu vermeiden. Zudem ermöglicht dies Ausgestaltung eine besonders gute Abdichtung des Objektivs gegen Staub und Feuchtigkeit.
[0024] In einer weiteren Ausgestaltung besitzt das Koordinatenmessgerät einen Deckglashalter, der das Deckglas vor der Lichteintrittsöffnung hält. Vorzugsweise ist der Deckglashalter mechanisch von dem Objektivkörper und/oder den Linsen entkoppelt.
[0025] In dieser Ausgestaltung ist das Deckglas über einen separaten Halter vor der Lichteintrittsöffnung befestigt. Der Halter kann in Form einer Hülse ausgebildet sein, die das Objektiv als Ganzes umgibt. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr gute Abdichtung. Bei einer mechanischen Entkopplung dient der Deckglashalter zugleich auch als Kollisionsschutz für das Objektiv. Dementsprechend kann der Halter einen Sensor besitzen, der im Fall einer mechanischen Last oberhalb eines definierten Schwellenwertes anspricht und ein Stoppsignal erzeugt. In einem Ausführungsbeispiel besitzt der Halter elastische Halteelemente, beispielsweise in Form von Gummipuffern oder Metallfedern, die im Fall einer Kollision nachgeben und das Objektiv so schützen. Dabei macht man sich den Umstand zu Nutze, dass das Deckglas aufgrund seiner fehlenden Linseneigenschaften wesentlich unempfindlicher gegenüber Montagetoleranzen ist als die Linsen. [0026] In einer weiteren Ausgestaltung enthält die Auswerte- und Steuereinheit einen Speicher mit Kalibrierdaten, die optische Eigenschaften des Objektivs repräsentieren, wobei die Kalibrierdaten das Deckglas beinhalten.
[0027] In dieser Ausgestaltung sind Daten, die die optischen Eigenschaften des Deckglases repräsentieren und die für eine definierte Messgenauigkeit von Bedeutung sind, in der Auswerte- und Steuereinheit des Koordinatenmessgerätes hinterlegt. Kalibrierdaten im Sinne dieser Ausgestaltung sind jede Art von Daten, die für die messtechnische Auswertung eines durch das Objektiv aufgenommenen Lichtsignals von Bedeutung sind. Die Auswerte- und Steuereinheit ist dazu ausgebildet, geometrische Eigenschaften an dem Messobjekt u.a. in Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften des Deckglases zu bestimmen. In einigen besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen repräsentieren die Daten einen sphärischen und/oder einen chromatischen Längsfehler des Objektivs, der von dem Deckglas beeinflusst wird. Die Ausgestaltung trägt zu einer gleichbleibend hohen Messgenauigkeit bei, selbst wenn das Deckglas ausgewechselt wird, da in diesem Fall angepasste Kalibrierdaten sehr einfach in dem Speicher der Auswerte- und Steuereinheit hinterlegt werden können.
[0028] In einer weiteren Ausgestaltung besitzt das Koordinatenmessgerät ein Orientierungselement, welches eine definierte Drehposition des Deckglases um die optische Achse festlegt.
[0029] In dieser Ausgestaltung ermöglicht das Orientierungselement eine reproduzierbare Lage des Deckglases in Bezug auf den Objektivkörper. Das Orientierungselement kann eine Nut, ein Stift, ein Vorsprung, eine Sicke oder eine sonstige„Unstetigkeits- stelle" sein, die beispielsweise an der Objektivkörperfassung, dem Halter und/oder dem Deckglas ausgebildet ist und die dafür sorgt, dass das Deckglas nur in einer oder in maximal zwei oder drei definierten Drehpositionen positioniert werden kann. Bei zwei oder drei Drehpositionen kann das Orientierungselement eine kinematische Lagerung des Deckglases gewährleisten. Die Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn das Deckglas eine Keilplatte ist oder eine andere„Unsymmetrie" hinsichtlich der Drehposition um die optische Achse aufweist. Das Deckglas kann in dieser Ausgestaltung einfacher und schneller lagerichtig montiert werden, was gerade bei einem Austausch durch einen Bediener von Vorteil ist. Außerdem trägt diese Ausgestaltung zu einer gleichbleibend hohen Messgenauigkeit bei. Das Orientierungselement trägt ferner dazu bei, das Auswechseln des Deckglases durch einen Bediener fehlersicher zu gestalten. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Orientierungselement dazu ausgebildet sein, die korrekte Lage Deckglases zu überwachen, z.B. mit Hilfe eines Stromkreises, der über das Orientierungselement geschlossen oder geöffnet wird. In einigen Fällen besitzt das Deckglas einen Identifikationschip, der das individuelle Deckglas identifiziert. Der Identifikationschip kann mit dem Orientierungselement derart gekoppelt sein, dass eine Identifizierung des Deckglases nur bei einer lagerichtigen Befestigung des Deckglases an dem Objektivkörper möglich ist. Es ist von Vorteil, wenn der Identifikationschip außerdem individuelle Kalibrierdaten beinhaltet, die das Deckglas charakterisieren und die von der Auswerte- und Steuereinheit des Koordinatenmessgerätes auslesbar sind.
[0030] In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Dichtung vorgesehen, die den Objektivkörper zusammen mit dem Deckglas staub- und/oder feuchtigkeitsdicht verschließt.
[0031] In dieser Ausgestaltung schützt das Deckglas das Innere des Objektivkörpers gegen Eindringen von Staub und/oder Flüssigkeiten, was eine sehr vorteilhafte Realisierung für die Verwendung in fertigungsnahen Bereichen einer industrielle Fertigung ist. Vorteilhaft kann das Deckglas mit einem Schraubring, einem Bajonettverschluss, magnetisch und/oder mit einem Rast- bzw. Schnappverschluss gegen einen Dichtring gepresst werden.
[0032] In einer weiteren Ausgestaltung weist das Deckglas einen Rahmen auf, in den eine an sich flexible, transparente Folie eingespannt ist.
[0033] In dieser Ausgestaltung ist das Deckglas in der Art eines Pellicles realisiert, d.h. als sehr dünne Schutzfolie, wie sie beispielsweise zum Schutz von Belichtungsmasken in der Halbleiterindustrie verwendet wird. Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass das„Deckglas" äußerst dünn realisiert werden kann und die optischen Abbildungseigenschaften des Messobjektivs kaum verändert. [0034] In einer weiteren Ausgestaltung weist das Deckglas einen starren Glaskörper auf.
[0035] In dieser Ausgestaltung, die prinzipiell mit der zuvor erwähnten Folie kombiniert sein kann, ist das transparente Deckglas ein starres transparentes Element. Die Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass die Linsen des Objektivs auch gegen mechanische Einflüsse geschützt sind, etwa bei einer Kollision des Objektivs mit dem Messobjekt.
[0036] In einer weiteren Ausgestaltung kann das Deckglas mit einer sogenannten Nanobeschichtung mit Lotuseffekt versehen sein.
[0037] Eine geeignete Nanobeschichtung wird beispielsweise von der Firma Carl Zeiss, Deutschland unter der Bezeichnung Lotu Tee für Brillengläser angeboten. Sie besitzt den Vorteil, dass Flüssigkeiten und darin enthaltene Schmutzpartikel abperlen. Das Deckglas verschmutzt weniger und lässt sich zudem leichter reinigen.
[0038] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
[0039] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des neuen Koordinatenmessgerätes in einer Ansicht von schräg vorne,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Objektivs aus dem Koordinatenmess- gerät aus Fig. 1 ,
Fig. 3 eine schematische Darstellung für ein Deckglas, das nach Art eines Pellicle realisiert ist, Fig. 4 ein Schnittbild der Linsengruppen des Objektivs aus Fig. 2 und 3 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei die Linsengruppen in fünf verschiedenen Arbeitspositionen dargestellt sind, die unterschiedliche Vergrößerungen bei jeweils gleichem Arbeitsabstand repräsentieren, und
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels.
[0040] In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des neuen Koordinatenmessgerätes in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das Koordinatenmessgerät 10 besitzt in diesem Ausführungsbeispiel eine Werkstückaufnahme in Form eines Kreuztisches 12. Oberhalb von dem Kreuztisch 12 ist eine Pinole 14 angeordnet. Die Pinole 14 trägt einen Messkopf 16, der hier einen optischen Sensor 18 und einen separaten taktilen Sensor 20 hält. Prinzipiell kann der Messkopf eine reine Halteplatte sein, an der verschiedene Sensoren befestigt werden können. Mit dem taktilen Sensor 20 kann das Koordinatenmessgerät 10 in bekannter Weise einen Messpunkt an einem Messobjekt antasten, das zu diesem Zweck auf dem Kreuztisch 12 angeordnet wird. Der taktile Sensor 20 wird mit Hilfe des Kreuztisches 12 und der Pinole 14 relativ zu dem Messobjekt verfahren, um den Messpunkt anzutasten. Anhand der jeweiligen Positionen des Kreuztisches und der Pinole können dann Raumkoordinaten des angetasteten Messpunktes in bekannter Weise bestimmt werden.
[0041] Das Koordinatenmessgerät 10 ist ein bevorzugtes Beispiel eines Multi- sensorik-Koordinatenmessgerätes, bei dem zusätzlich zu dem optischen Sensor 18 ein taktiler Sensor 20 zur Vermessung eines Messobjekts genutzt werden kann. Alternativ kann das neue Koordinatenmessgerät in anderen Ausführungsbeispielen lediglich einen oder mehrere optische Sensoren besitzen.
[0042] Des Weiteren kann die vorliegende Erfindung nicht nur bei Koordinaten- messgeräten verwendet werden, die den in Fig. 1 dargestellten Maschinenaufbau besitzen. Prinzipiell kann das neue Koordinatenmessgerät in Brückenbauweise, Portalbauweise, Horizontalarmbauweise oder einer beliebigen anderen Maschinenbauweise ausgebildet sein. [0043] Mit der Bezugsziffer 22 ist eine Auswerte- und Steuereinheit bezeichnet, die einerseits die Antriebe (hier nicht bezeichnet) des Koordinatenmessgerates 10 steuert, um den Messkopf 16 relativ zu einem Messobjekt zu verfahren. Andererseits liest die Auswerte- und Steuereinheit 22 Sensordaten des optischen und/oder taktilen Sensors 18, 20 ein, und sie bestimmt in Abhängigkeit von diesen Sensordaten und in Abhängigkeit von der jeweiligen Position des Messkopfes und Kreuztisches Raumkoordinaten für einen oder mehrere Messpunkte an dem Messobjekt. Die grundsätzliche Arbeitsweise eines solchen Koordinatenmessgerätes ist den einschlägigen Fachleuten bekannt und daher im Detail nicht weiter erläutert.
[0044] Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des optischen Sensors 18, wobei der optische Sensor 18 in diesem Ausführungsbeispiel genau genommen mehrere optische Sensoren beinhaltet, die wahlweise vorhanden und verwendet sein können. Das neue Objektiv kann darüber hinaus mit weiteren optischen Sensoren kombiniert werden, etwa mit einem deflektometrisch messenden Sensor.
[0045] Der Sensor 18 beinhaltet ein Objektiv 24 mit einem Objektivkörper 26. In typischen Ausführungsbeispielen ist der Objektivkörper 26 ein Tubus mit einer Lichteintrittsöffnung 28 und einer Lichtaustrittsöffnung 30, die an gegenüberliegenden Enden des Tubus angeordnet sind. Prinzipiell kann der Objektivkörper 26 jedoch auch eine von einem Tubus abweichende Form haben.
[0046] An der Lichtaustrittsöffnung 30 ist eine Schnittstelle 32 ausgebildet, die zum Anschluss einer Kamera 34 mit einem Bildsensor 36 dient. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Schnittstelle 32 eine standardisierte bzw. kommerziell verbreitete Schnittstelle zur Kopplung von Kameras und Objektiven, etwa ein sogenannter F-Mount oder ein sogenannter C-Mount. In anderen Ausführungsbeispielen ist die Schnittstelle 32 eine proprietäre Schnittstelle, die es insbesondere möglich macht, das Gehäuse 37 der Kamera 34 direkt mit dem Objektivkörper 26 zu einer Baueinheit dauerhaft zu verbinden, etwa zu verschrauben und/oder zu verkleben. Prinzipiell können auch andere standardisierte oder proprietäre Schnittstellen zum Anschluss der Kamera 34 an den Objektivkörper 26 verwendet sein. [0047] Im Bereich der Lichteintrittsöffnung 28, die das distale Ende des Objektivs 24 definiert, ist ein Deckglas 38 am Objektivkörper 26 angeordnet. Zwischen dem Deckglas 38 und der Lichtaustrittsöffnung 30 des Objektivs 24 ist hier ein Linsensystem mit einer ersten Linsengruppe 40, einer zweiten Linsengruppe 42, einer dritten Linsengruppe 44 und einer vierten Linsengruppe 46 angeordnet. In einigen Ausführungsbeispielen ist zwischen der vierten Linsengruppe 46 und der Lichtaustrittsöffnung 30 noch eine fünfte Linsengruppe angeordnet, die hier in gestrichelten Linien dargestellt ist. Die Linsengruppen 40-48 definieren eine optische Achse 50, und sie sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils zentrisch zu der optischen Achse 50 angeordnet.
[0048] Zwischen der zweiten Linsengruppe 42 und der dritten Linsengruppe 44 ist eine Blende 52 angeordnet. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Blende 52 eine Irisblende, d.h. eine Blende, deren lichter Innendurchmesser variiert werden kann.
[0049] Die zweite, dritte und vierte Linsengruppe 42, 44, 46 sowie die Blende 52 sind hier jeweils mit einem eigenen Schlitten 54 gekoppelt, der entlang von zwei Führungsschienen 56 bewegt werden kann. Ferner sind die drei Linsengruppen und die optische Blende 52 in diesem Ausführungsbeispiel jeweils mit einem elektrischen Antrieb 58 gekoppelt. Mit Hilfe der Antriebe 58 können die zweite, dritte und vierte Linsengruppe sowie die Blende 52 hier parallel zur optischen Achse 50 verfahren werden, wie das anhand der Pfeile (z.B. Pfeil 60) angedeutet ist. Im Gegensatz dazu ist die erste Linsengruppe 40 und die optionale fünfte Linsengruppe 48 in den bevorzugten Ausführungsbeispielen ortsfest in dem Objektivkörper 26 angeordnet.
[0050] In einigen Ausführungsbeispielen kann das Deckglas 38 eine kreisförmige Glasscheibe mit einer Schraubfassung sein, die in eine entsprechende Gewindefassung am distalen Ende des Objektivkörpers 26 eingeschraubt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Deckglas eine Keilplatte, die von vorne in eine Aufnahme des Objektivskörpers 26 eingelegt wird. Bezugsziffer 39 bezeichnet einen Dichtring, hier in Form eines O-Rings, der das Innere des Objektivkörpers 26 zusammen mit dem Deckglas 38 feuchtigkeitsdicht und staubdicht verschließt. Das Deckglas 38 wird hier mit einem Schraubring 41 gegen den Dichtungsring gedrückt und in der Aufnahme verschraubt. Bezugszeichen 43 bezeichnet einen Stift, der als Orientierungselement dient. Das Deck- glas 38 besitzt dementsprechend ein Loch, in das der Stift 43 eingreift, um eine eindeutige Drehposition der Keilplatte 38 um die optische Achse 50 festzulegen.
[0051] In anderen Ausführungsbeispielen kann das Deckglas 38 von der Seite her in eine Ausnehmung am Objektivkörper 26 eingeschoben werden. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Deckglas am Objektivkörper geklippst, eingeklebt, über einen Bajonettverschluss oder anderweitig mit dem Objektivkörper verbunden sein. Beispielsweise kann das Deckglas mit Magneten an dem Objektivkörper 26 befestigt sein. In allen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Deckglas 38 so mit dem Objektivkörper 26 verbunden, dass ein Anwender des Koordinatenmessgerätes 10 das Deckglas 38 ohne eine Beschädigung des Objektivs 24 , d.h. zerstörungsfrei austauschen kann. Vorteilhafterweise ist die Befestigung des Deckglases so gestaltet, dass das Objektiv beim Austausch des Deckglases am Messkopf verbleiben kann.
[0052] In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 ist das Deckglas 38 eine keilförmige Glasplatte, deren Dicke von einem Rand zum anderen Rand zunimmt. Das Deckglas 38 besitzt in diesem Fall einen Keilwinkel, der so gewählt ist, dass ein Reflex an der Vorderseite 53 oder der Rückseite 55 des Deckglases 38 nicht auf den Bildsensor 36 der Kamera 34 gelangen kann. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist das Deckglas 38 so angeordnet, dass seine Vorderseite 53 planparallel zu der Lichteintrittsöffnung 28 liegt, während die Rückseite 55 leicht schräg dazu angeordnet ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Deckglas 38 so angeordnet sein, dass die Vorderseite 53 leicht schrägt zu der Lichteintrittsöffnung 28 liegt (hier nicht dargestellt). Zur Minimierung optischer Abbildungsfehler, die vom Deckglas 38 verursacht werden, können der Keilwinkel und die Positionierung des Deckglases relativ zur optischen Achse 50, d.h. die Verkippung, aufeinander abgestimmt sein. In diesen Fällen können sowohl die Vorderseite als auch die Rückseite des Deckglases 38 schräg zur optischen Achse 50 angeordnet sein, wobei der jeweilige Schrägwinkel zwischen dem Normalenvektor auf der Vorderseite und der optischen Achse bzw. dem Normalenvektor auf der Rückseite und der optischen Achse für die Vorderseite und die Rückseite unterschiedlich ist. Mit anderen Worten kann das Deckglas zusätzlich zu dem Keilwinkel noch schräg zur optischen Achse angeordnet sein. [0053] In weiteren Ausführungsbeispielen, von denen eins beispielhaft in Fig. 5 dargestellt ist, kann ein Deckglas mit planparallelen Vorder- und Rückseiten leicht schräg zum Bildsensor 36 bzw. schräg zur optischen Achse 50 angeordnet sein. Der Schrägwinkel zwischen dem Normalenvektor auf der Vorderseite und der optischen Achse ist hier mit Bezugsziffer 61 bezeichnet.
[0054] Gemäß Fig. 3 kann das Deckglas 38' mit einer dünnen Folie 57 realisiert sein, die in einen Rahmen 59 eingespannt ist. Der Rahmen 59 kann dann an der Lichteintrittsöffnung 28 des Objektivs 24 zerstörungsfrei lösbar befestigt sein.
[0055] Wie man in der Fig. 2 und Fig. 5 erkennen kann, sind die zweite, dritte und vierte Linsengruppe 42, 44, 46 und die Blende 52 mit Hilfe der Antriebe 58 entlang der optischen Achse 50 verschiebbar (Pfeil 60). Auf diese Weise kann das Objektiv 24 verschiedene Vergrößerungen und verschiedene Arbeitsabstände realisieren, was eine große Flexibilität ermöglicht.
[0056] In den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist zwischen der ersten Linsengruppe 40 und der zweiten Linsengruppe 42 ein Freiraum 62 vorhanden, der selbst dann bleibt, wenn die zweite Linsengruppe 42 auf einen minimalen Abstand zur ersten Linsengruppe 40 positioniert wurde. Ferner ist ein Strahlteiler 64 in dem Freiraum 62 auf der optischen Achse 50 angeordnet, um wahlweise Licht von einer weiteren Schnittstelle 66 des Objektivs 24 ein- oder auszukoppeln. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die zweite Schnittstelle 66 etwa auf Höhe des Strahlteilers 64 am seitlichen Umfang des Objektivkörpers 26 angeordnet.
[0057] In ähnlicher Weise ist in einigen Ausführungsbeispielen des Objektivs 24 ein weiterer Freiraum 68, in dem ebenfalls ein Strahlteiler 70 angeordnet ist, zwischen der vierten Linsengruppe 46 und der Lichtaustrittsöffnung 30. Auf Höhe des Strahlteilers 70 befindet sich eine weitere Schnittstelle 72, über die Licht ein- und/oder ausgekoppelt werden kann. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Strahlteiler 70 zwischen der fünften Linsengruppe 48 und der Lichtaustrittsöffnung 30 angeordnet. Alternativ oder ergänzend hierzu könnte der Strahlteiler 70 zwischen der vierten Linsengruppe 46 und der fünften Linsengruppe 48 angeordnet sein, was natürlich einen entsprechenden Freiraum voraussetzt.
[0058] In bevorzugten Ausführungsbeispielen besitzt das Objektiv 24 im Bereich der Lichteintrittsöffnung 28 einen Halter 74, an dem verschiedene Lichtquellen 76, 78 angeordnet sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel trägt der Halter 74 ein Ringlicht mit einer Vielzahl von Lichtquellen 78a, 78b, die rund um den Objektivkörper 26 mit verschiedenen radialen Abständen angeordnet sind. In einigen Ausführungsbeispielen sind die Lichtquellen 78a, 78b in der Lage, verschiedenfarbiges Licht zu erzeugen, etwa weißes Licht, rotes Licht, grünes Licht und blaues Licht sowie Mischungen davon. Die Lichtquellen 78a, 78b können dazu verwendet werden, unterschiedliche Beleuchtungsszenarien in unterschiedlichen Abständen vor der Lichteintrittsöffnung 28 zu erzeugen. Beispielhaft ist bei der Bezugsziffer 80 ein Messobjekt 80 schematisch angedeutet, das in einem Abstand d zu der Lichteintrittsöffnung 28 des Objektivs 24 positioniert ist. Der Abstand d repräsentiert einen Arbeitsabstand zwischen dem Objektiv 24 und dem Messobjekt 80, wobei dieser Arbeitsabstand anhand der Fokussierung des Objektivs 24 variabel einstellbar ist.
[0059] Die Lichtquellen 76 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel Lichtquellen, die in den Objektivkörper 26 integriert sind. In einigen Ausführungsbeispielen sind die Lichtquellen 76 außerhalb des Linsensystems in den Objektivkörper 26 integriert, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. In anderen Ausführungsbeispielen (alternativ oder ergänzend) können Lichtquellen 76 so in den Objektivkörper 26 integriert sein, dass das von den Lichtquellen 76 erzeugte Licht zumindest durch einige der Linsen und gegebenenfalls das Deckglas 38 hindurch aus dem Objektivkörper 26 austritt. In diesem Fall ist die Lichteintrittsöffnung 28 gleichzeitig auch eine Lichtaustrittsöffnung.
[0060] Mit den Lichtquellen 76, 78 ist es möglich, das Messobjekt 80 variabel zu beleuchten, um wahlweise eine Hellfeld- und/oder eine Dunkelfeldbeleuchtung zu erzeugen. In beiden Fällen handelt es sich um Auflicht, das aus Richtung des Objektivs 24 auf das Messobjekt 80 trifft. [0061] Darüber hinaus besitzt das Koordinatenmessgerät 10 in bevorzugten Ausführungsbeispielen eine weitere Lichtquelle 82, die eine Durchlichtbeleuchtung des Messobjekts 80 ermöglicht. Dementsprechend ist die Lichtquelle 82 unterhalb des Messobjekts 80 bzw. unterhalb der Werkstückaufnahme des Koordinatenmessgerätes 10 angeordnet. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen besitzt das Koordinatenmessgerät 10 daher eine Werkstückaufnahme 12, die mit einer Glasplatte versehen ist, um die Durchlichtbeleuchtung zu ermöglichen.
[0062] Schließlich besitzt der optische Sensor 18 in diesen Ausführungsbeispielen eine Lichtquelle 84, die hier über einen weiteren Strahlteiler mit der Schnittstelle 72 gekoppelt ist. Die Lichtquelle 84 kann über die Schnittstelle 72 und den Strahlteiler 70 Licht in den gesamten Strahlengang des Objektivs 24 einkoppeln. Das eingekoppelte Licht wird hier über das Linsensystem der ersten bis vierten (fünften) Linsengruppe auf das Messobjekt 80 geworfen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Lichtquelle 84 ein Laser- pointer sein, mit dem einzelne Messpunkte an dem Messobjekt 80 gezielt beleuchtet werden können. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Lichtquelle 84 ein strukturiertes Lichtmuster, etwa ein Streifenmuster oder Gittermuster, erzeugen, welches über das Linsensystem des Objektivs 24 auf das Messobjekt 80 projiziert wird.
[0063] In gleicher weise können verschiedene Beleuchtungen über die Schnittstelle 66 und prinzipiell auch über die Lichtaustrittsöffnung 30 in den Strahlengang des Objektivs 24 eingekoppelt werden. Beispielhaft ist ein Gitterprojektor bei der Bezugsziffer 86 dargestellt. Der Gitterprojektor erzeugt ein strukturiertes Lichtmuster, das in diesem Ausführungsbeispiel über zwei Strahlteiler und die Schnittstelle 72 in den Strahlengang des Objektivs 24 eingekoppelt wird.
[0064] Wie in Fig. 2 und 5 dargestellt ist, kann das Objektiv 24 auf verschiedene Weise mit optischen Sensoren kombiniert werden, die alternativ oder ergänzend zu der Kamera 34 zur optischen Vermessung des Messobjekts 80 dienen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein erster konfokaler Weißlichtsensor 88a an die Schnittstelle 66 angekoppelt. Alternativ oder ergänzend kann ein weiterer konfokaler Weißlichtsensor 88b beispielsweise über einen Strahlteiler in den Beleuchtungspfad für die Durchlichtbeleuchtung 82 eingekoppelt werden. [0065] Mit der Bezugsziffer 90 ist ein Autofokussensor bezeichnet, mit dessen Hilfe die Höhenlage des Messobjekts 80 parallel zur optischen Achse 50 anhand einer Bestimmung der Fokuslage ermittelt werden kann. Darüber hinaus ist eine optische Vermessung des Messobjekts 80 mit Hilfe der Kamera 34 und einer geeigneten Bildauswertung möglich, wie dies den einschlägigen Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt ist.
[0066] Das Objektiv 24 besitzt in den bevorzugten Ausführungsbeispielen aufgrund der verfahrbaren Linsengruppen 42, 44, 46 und der verstellbaren Blende 52 einen großen Einsatzbereich. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist eine Vielzahl von Steuerkurven 92 in einem Speicher (hier nicht gesondert dargestellt) der Auswerte- und Steuereinheit 22 oder einem anderen geeigneten Speicher hinterlegt. Die Vielzahl der Steuerkurven 92 bildet in den bevorzugten Ausführungsbeispielen eine 2D-Kurvenschar, mit deren Hilfe die Vergrößerung und die Fokussierung des Objektivs 24 in zahlreichen frei wählbaren Kombinationen eingestellt werden kann. Dabei sind die optischen Eigenschaften des Deckglases 38 in den Steuerkurven und in der Korrektur der Linsen 40-48 berücksichtigt. Insbesondere ist der chromatische Längsfehler, den das Objektiv 24 im Zusammenhang mit dem konfokalen Weißlichtsensor 88a erzeugt, in den Steuerkurven, allgemeiner in Kalibrierdaten für die Messung, berücksichtigt. Mit anderen Worten wertet die Auswerte- und Steuereinheit 22 die Daten vom Weißlichtsensor 88a unter Berücksichtigung des optischen Einflusses aus, den das Deckglas 38 vor allem auf den chromatischen Längsfehler nimmt.
[0067] In einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet das Objektiv 24 einen Satz mit mehreren Deckgläsern 38, die wahlweise an dem Objektivkörper 26 befestigt werden können, wobei die mehreren Deckgläser 38 verschiedene chromatische und/oder sphärische Längsfehler des Objektivs 24 erzeugen. Für eine Messung mit dem Weißlichtsensor 88a kann dann vorteilhaft ein Deckglas verwendet werden, das einen relativ großen Längsfehler hervorruft, während für eine Messung mit einem der anderen Sensoren, etwa dem Autofokussensor 90 oder der Kamera 34, ein Deckglas verwendet wird, das einen minimalen Längsfehler hervorruft.
[0068] In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein Anwender eine gewünschte Vergrößerung 94 und eine gewünschte Fokussierung 96 in die Auswerte- und Steuereinheit 22 eingeben. Die Auswerte- und Steuereinheit 22 bestimmt mit Hilfe der Steuerkurven 92 und in Abhängigkeit von der gewünschten Vergrößerung 94 und gewünschten Fokussierung 96 individuelle Positionen der zweiten, dritten und vierten Linsengruppe entlang der optischen Achse 50 sowie eine individuelle Position und Öffnung der Blende 52. In einigen Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens kann der Anwender durch Variieren der Fokussierung den Arbeitsabstand d zu einem Messobjekt variieren, ohne dass der Sensor 18 mit Hilfe der Pinole 14 relativ zu dem Messobjekt bewegt werden muss. Beispielsweise ist es so möglich, Strukturen an der Oberfläche eines Messobjekts 80 und Strukturen am Grund einer Bohrung (hier nicht dargestellt) des Messobjekts 80 zu vermessen, indem bei (nahezu) gleichbleibender Vergrößerung lediglich die Fokussierung des Objektivs 24 so variiert wird, dass im einen Fall die Struktur an der Oberfläche des Messobjekts 80 und im anderen Fall die Struktur am Grund der Bohrung in der Fokusebene des Objektivs 24 liegt.
[0069] In anderen Varianten kann ein Anwender bei gleichbleibendem oder wechselndem Arbeitsabstand d die Vergrößerung des Objektivs 24 variieren, um beispielsweise Details eines zuvor "aus der Vogelperspektive" vermessenen Messobjekts 80 erneut zu vermessen.
[0070] Des Weiteren kann ein Anwender in einigen Ausführungsbeispielen die numerische Apertur des Objektivs 24 durch Öffnen oder Schließen der Blende 52 verändern, um auf diese Weise eine gleichbleibende Auflösung bei unterschiedlichen Arbeitsentfernungen d zu erreichen. Ferner kann ein Anwender die Vergrößerung, Fokussierung, numerische Apertur einzeln oder in Kombination miteinander variieren, um das Objektiv 24 optimal an die Eigenschaften der verschiedenen Sensoren 36, 88, 90 anzupassen.
[0071] In Fig. 4 sind verschiedene Positionen der Linsengruppen 40, 42, 44, 46 und der Blende 52 für verschiedene Vergrößerungen beispielhaft dargestellt. Wie man anhand der Schnittbilder erkennen kann, besitzt jede Linsengruppe mehrere Linsen 100, 102, wobei in diesem Ausführungsbeispiel in jeder Linsengruppe zumindest ein Kittglied bestehend aus zumindest zwei Linsen 100, 102 verwendet ist. In einem Ausführungsbeispiel können die Linsen 100, 102 mit Hilfe eines Piezoaktors (hier nicht dargestellt) auseinandergeschoben werden, um einen definierten chromatischen Längsfehler zu erzeugen.
[0072] Das Objektiv 24 kann chromatische Querfehler aufweisen, um einen einfachen und kostengünstigen Aufbau zu ermöglichen. Dies hat zur Folge, dass Licht und Bilder unterschiedlicher Farben einen geringen Versatz quer zur optischen Achse 50 und eventuell einen leicht unterschiedlichen Abbildungsmaßstab aufweisen. In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird der chromatische Querfehler und/oder Abbildungsmaßstab anhand von mathematischen Korrekturrechnungen korrigiert, was in den bevorzugten Ausführungsbeispielen möglich ist, weil das Fehlerbild als solches stetig ist. Dazu verwendet die Auswerte- und Steuereinheit Kalibrierdaten, die auch die optischen Eigenschaften des Deckglases 38 repräsentieren.
[0073] Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem separaten Deckglashalter 104, der hier über einen Trägerring 106 an dem Halter 74 befestigt ist. Der Trägerring 106 besitzt elastische Bereiche, die einerseits so vorgespannt sind, dass das Deckglas 38 hier mit dem Schrägwinkel 61 relativ zur optischen Achse 50 geneigt ist. Andererseits ermöglicht der elastische Trägerring 106 eine Relativbewegung zwischen Deckglashalter 104 und dem Objektivkörper 26. Dies kann im Fall einer Kollision dazu dienen, den Objektivkörper und vor allem die darin angeordneten Linsen vor Schäden zu schützen.
[0074] In weiteren Ausführungsbeispielen ist es möglich, das Deckglas über einen elastischen Halter, jedoch direkt am Objektivkörper anzuordnen. Des weiteren könnte das Deckglas Teil einer Schutzhülse sein, die am Messkopf 16 angeordnet ist und die das Objektiv 24 als Ganzes umhäust. In allen bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die optischen Eigenschaften des Deckglases in der Linsenkorrektur des Objektivs berücksichtigt. Dies hat typischerweise zur Folge, dass insbesondere sphärische und chromatische Fehler des Objektivs mit dem Deckglas geringer sind als ohne Deckglas.
[0075] Des weiteren besitzt das Deckglas in den bevorzugten Ausführungsbeispielen eine Nanobeschichtung an der Vorderseite 53, die aufgrund des„Lotuseffekts" eine Verschmutzung vermindert und eine Reinigung erleichtert. Insbesondere ist die Beschichtung in der Art aufgebaut, wie sie beispielsweise bei Brillengläsern verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
Koordinatenmessgerät zur Bestimmung von Raumkoordinaten an einem Messobjekt, mit einer Werkstückaufnahme (12) zur Aufnahme des Messobjekts (80), mit einem Messkopf (16), der relativ zu der Werkstückaufnahme (12) verfahrbar ist und einen optischen Sensor (18) trägt, und mit einer Auswerte- und Steuereinheit (22), die dazu ausgebildet ist, geometrische Eigenschaften an dem Messobjekt (80) in Abhängigkeit von einer Position des Messkopfes (16) relativ zu der Werkstückaufnahme und in Abhängigkeit von Sensordaten des optischen Sensors (18) zu bestimmen, wobei der optische Sensor (18) ein Objektiv (24) und eine Kamera (34) beinhaltet, die dazu ausgebildet ist, ein Bild des Messobjekts (80) durch das Objektiv (24) aufzunehmen, wobei das Objektiv (24) einen Objektivkörper (26) aufweist, der eine Lichteintrittsöffnung (28) und eine Lichtaustrittsöffnung (30) mit einer Schnittstelle (32) zum Anschluss der Kamera (34) besitzt, wobei das Objektiv (24) ferner eine Blende (52) und eine Anzahl von Linsen (40-48) aufweist, die in dem Objektivkörper (26) angeordnet sind und die zusammen eine optische Achse (50) definieren, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Lichteintrittsöffnung (28) ein separates Deckglas (38) angeordnet ist, das als erstes transparentes Bauelement vor den Linsen (40-48) sitzt.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (40-48) in Abhängigkeit von optischen Eigenschaften des Deckglases (38) korrigiert sind.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckglas (38) eine ebene Vorderseite (53) und eine ebene Rückseite (55) besitzt, die jeweils quer zur optischen Achse (50) angeordnet sind.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseite und die Rückseite planparallel zueinander sind.
5. Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseite (53) und die Rückseite (55) schräg zueinander verlaufen.
6. Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckglas (38) schräg zur optischen Achse (50) angeordnet ist.
7. Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckglas (38) zerstörungsfrei lösbar im Bereich der Lichteintrittsöffnung (28) angeordnet ist.
8. Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Objektivkörper (26) eine Objektivkörperfassung besitzt, an der das Deckglas (38) angeordnet ist.
9. Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Deckglashalter (104), der das Deckglas (38) vor der Lichteintrittsöffnung (28) hält, wobei der Deckglashalter (104) vorzugsweise von dem Objektivkörper (26) und/oder den Linsen (40-48) mechanisch entkoppelt ist.
10. Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (22) einen Speicher mit Kalibrierdaten enthält, die optische Eigenschaften des Objektivs (24) repräsentieren, wobei die Kalibrierdaten das Deckglas (38) beinhalten.
1 1 . Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch ein Orientierungselement (43), welches eine definierte Drehposition des Deckglases (38) um die optische Achse (50) festlegt.
12. Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , gekennzeichnet durch eine Dichtung (39), die den Objektivkörper (26) zusammen mit dem Deckglas (38) staub- und/oder feuchtigkeitsdicht verschließt.
13. Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckglas (38') einen Rahmen (59) aufweist, in den eine an sich flexible, transparente Folie (57) eingespannt ist.
14. Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckglas (38) einen starren Glaskörper aufweist.
15. Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckglas (38) mit einer Nanobeschichtung mit Lotuseffekt versehen ist.
16. Objektiv für ein Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einem Objektivkörper (26), der eine Lichteintrittsöffnung (28) und eine Lichtaustrittsöffnung (30) mit einer Schnittstelle (32) zum Anschluss einer Kamera (34) besitzt, ferner mit einer Blende (52) und einer Anzahl von Linsen (40-48), die in dem Objektivkörper (26) angeordnet sind und die zusammen eine optische Achse (50) definieren, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Lichteintrittsöffnung (28) ein separates Deckglas (38) angeordnet ist, das als erstes transparentes Bauelement vor den Linsen (40-48) sitzt, wobei die Linsen (40-48) in Abhängigkeit von optischen Eigenschaften des Deckglases (38) korrigiert sind.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4911307A (en) * 1983-09-30 1990-03-27 Accupack Systems Photoelectric apparatus for sorting articles according to size
DE19816270A1 (de) * 1998-04-11 1999-10-21 Werth Messtechnik Gmbh Verfahren und Anordnung zur Erfassung der Geometrie von Gegenständen mittels eines Koordinatenmeßgeräts
DE10034252A1 (de) * 2000-07-14 2002-01-31 Siemens Ag Konfokales Abbildungssystem
US20050052753A1 (en) * 2003-09-05 2005-03-10 Pentax Corporation Condensing optical system, confocal optical system, and scanning confocal endoscope
JP2011169661A (ja) 2010-02-17 2011-09-01 Mitsutoyo Corp 画像測定機

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4911307A (en) * 1983-09-30 1990-03-27 Accupack Systems Photoelectric apparatus for sorting articles according to size
DE19816270A1 (de) * 1998-04-11 1999-10-21 Werth Messtechnik Gmbh Verfahren und Anordnung zur Erfassung der Geometrie von Gegenständen mittels eines Koordinatenmeßgeräts
EP1071922B1 (de) 1998-04-11 2004-12-08 Werth Messtechnik GmbH Verfahren und anordnung zur erfassung der geometrie von gegenständen mittels eines koordinatenmessgeräts
DE10034252A1 (de) * 2000-07-14 2002-01-31 Siemens Ag Konfokales Abbildungssystem
US20050052753A1 (en) * 2003-09-05 2005-03-10 Pentax Corporation Condensing optical system, confocal optical system, and scanning confocal endoscope
JP2011169661A (ja) 2010-02-17 2011-09-01 Mitsutoyo Corp 画像測定機

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