WO2014037274A2 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der geometrie eines objektes mit einer zoomoptik - Google Patents

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WO2014037274A2
WO2014037274A2 PCT/EP2013/067883 EP2013067883W WO2014037274A2 WO 2014037274 A2 WO2014037274 A2 WO 2014037274A2 EP 2013067883 W EP2013067883 W EP 2013067883W WO 2014037274 A2 WO2014037274 A2 WO 2014037274A2
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lens
optical
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light spot
diaphragm
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Ralf Christoph
Matthias ANDRÄS
Ingomar Schmidt
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Werth Messtechnik Gmbh
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Publication of WO2014037274A3 publication Critical patent/WO2014037274A3/de

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    • 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

  • the invention relates to a method and to a device for measuring the geometry of an object with a zoom lens, in which magnification and distance to the object can be set separately by moving lens groups.
  • optical sensors are used, among other things, for image processing.
  • an optical image is usually taken by an imaging system on a mostly matrix-shaped image sensor such as a CCD or CMOS camera chip.
  • a matrix-shaped image sensor such as a CCD or CMOS camera chip.
  • edges or structures or the like are determined and from this points or contours are determined, which are combined for dimensional measurements on an object.
  • the object of the present invention is, in terms of method, essentially to avoid or at least to reduce the aberration of a zoom optical system influencing the accuracy.
  • At least one object-side telecentric imaging takes place.
  • the invention relates to a method for measuring the geometry of an object by means of a coordinate measuring machine with an optical system, in particular for detecting and imaging at least one light spot, light spot, contrast transition and / or an edge whose position is determined by the geometry, wherein the optical system comprises a zoom lens whose lens groups are moved separately in each motor in position for an independently selectable magnification and a selectable distance to the object, wherein additionally at least one aperture is motorized in position so that depending on the position of the lens groups one at least object telecentric imaging is achieved.
  • the telecentric imaging has long been known in the art, but is used only for fixed magnification objectives or fixed-distance zoom optics. It is also unclear here whether the telecentricity can be ensured for the zoom optics for all image scales.
  • the background to the restrictions is that the aperture to be introduced into the beam path of the optics in order to achieve a telecentricity must be positioned as an aperture stop in the image-side focal plane. However, this plane shifts when the magnification or the distance to the object changes. In this regard, sliding shutters in zoom optics are not known in the prior art.
  • Image scale changes are introduced.
  • the present invention solves this problem by the introduction of a movable in the imaging direction or transversely to the imaging direction Telenzentrieblende. This can be formed for example by the socket of a lens of the zoom lens or is introduced as an additional aperture in the beam path.
  • the problem is solved that the image-side focal plane can vary greatly by changing the magnification and / or the distance to the object in their position in the imaging direction and can not be realized with a movable between two fixed predetermined lens aperture under certain circumstances.
  • vorzuhalten more apertures at other positions in the beam path and optionally introduce, for example by further closing the aperture and opening the aperture initially used to achieve an image-side focal plane, which now z. B. is no longer between a first and a second lens, but behind a second lens by the first and the second lens is regarded as a resultant lens, whereby the image-side focal plane now moves behind the second lens.
  • it is fiction, according to provided to move the aperture on a lens axially past by the means for moving these two components interlock.
  • the zoom optics should also be used for the metrological detection of a touch element brought into contact with the object or a target mark associated therewith, as described in EP 1071922 B1.
  • Other inventive ideas include the integration of known illumination devices for bright field illumination or projection of a grid, and the integration of an optical distance sensor, such as Foucault point sensor, or the formation of a chromatic distance sensor by introducing a hyperachrometer.
  • a hyper-achromate is a lens or lens group that is intentionally as distinct as possible Cutting widths for different wavelengths, so as colors, has.
  • lenses are also called chromatic lenses, for example in DE202007014435U1.
  • lenses are used in the form of liquid lenses.
  • the invention is characterized in particular by the fact that at least one aperture is formed by at least one lens of a lens group or its socket, wherein preferably the socket has a smaller diameter than the optically effective diameter of the lens group arranged on the object side.
  • the diameter of the socket can be ⁇ 10 mm, preferably ⁇ 5 mm, particularly preferably ⁇ 2 mm.
  • the diameter of the lens group arranged on the object side can be> 5 mm, preferably> 10 mm, particularly preferably> 15 mm, wherein the socket should have a smaller diameter than optically effective diameter of the lens group arranged on the object side.
  • one or more apertures are opened or partially closed or positioned transversely to the optical imaging direction in or out of the optical path of the optical system and / or one or more apertures are displaced in the optical imaging direction, preferably displaced together with one of the lens groups ,
  • At least one lens group is moved in the optical imaging direction through at least one aperture, wherein the aperture is preferably open to its maximum opening.
  • the light spot, light spot, contrast transition or the edge is generated by a scanning element, which is brought into contact with the object and whose position is determined directly or indirectly via at least one target with the optical system.
  • a scanning element which is brought into contact with the object and whose position is determined directly or indirectly via at least one target with the optical system.
  • a device for measuring the geometry of an object by means of a coordinate measuring machine with an optical system in particular for detecting and imaging at least one light spot, light spot, contrast transition and / or an edge whose position is determined by the geometry, the optical system having a zoom lens, which contains at least two axially separately motor-displaceable lens groups in the optical imaging direction, is characterized in particular by the fact that additionally at least one aperture is movable in the axial and / or radial direction to the optical imaging direction in such a way that an at least object-side telecentric imaging is achievable.
  • At least one lens of a lens group or its socket forms a diaphragm, wherein preferably the socket has a smaller diameter than the optically effective diameter of the object-side lens group.
  • the invention is also characterized in that at least one lens group can be moved in the optical imaging direction past at least one aperture, preferably through the opened aperture, the aperture preferably being open to its maximum aperture, preferably by the guidance of the lens group is designed so that it is movable through the aperture.
  • At least one optical filter such as lambda / 4-plate or polarizing filter, and / or at least one optical or mechanical grating and / or at least one additional lens in the radial direction to the optical imaging direction can be slidably introduced into the beam path.
  • the invention provides that in addition one or more optical splitter layers are introduced into the beam path to allow the reflection of a bright field illumination and / or brand and / or grid projection and / or an optical distance sensor.
  • the invention is also characterized in that in addition a probe element and / or at least one associated therewith target for the optical position detection of the light spot or light spot and / or an auxiliary lens is arranged or arranged in front of the optical system.
  • a further proposed solution according to the invention provides that at least one lens of at least one lens group is designed as a hyperachromate or a hyperachromate can be introduced into the beam path as an additional lens and / or conversion lens.
  • the invention also provides that at least one lens of at least one lens group is designed as a liquid lens.
  • 1 is a zoom lens with motorized lens packages for independent adjustment of magnification and working distance according to the prior art
  • 2 shows an arrangement according to the invention of a telecentric zoom lens with displaceable lens packages and diaphragms for the independent adjustment of magnification and working distance
  • FIG. 2 a shows the arrangement according to the invention according to FIG. 2 with a first telecentric beam path produced by setting a diaphragm
  • FIG. 2b shows the inventive arrangement of FIG. 2 with a telecentric
  • FIG. 3 shows an embodiment of the device according to the invention with at least one lens movable past a diaphragm
  • Fig. 4 shows a particular embodiment of the device according fiction, with integrated distance sensors and lighting devices and filters and
  • FIG. 5 shows a modification of the device according to FIG. 4.
  • the prior art for a zoom lens with independently adjustable magnification and working from stand is shown.
  • the object 1 is imaged via a fixed front lens L4 and the two movable in the imaging direction 2 lens groups L2 and L3 (displacement indicated by the arrows 3 and 4) and an optionally introduced imaging lens LI on a matrix camera 5, such as CCD camera.
  • a variable magnification can additionally be set for each working distance.
  • This can also be achieved in that at least one of the lenses LI and L2 is formed as a liquid lens and is thereby influenced in their optical properties by the shape of the lens and thus, for example, the focal length of the lens by influencing the outside, eg an external electromagnetic Field, is set.
  • at least one of the lenses L2, L3 or L4 is designed as hyperachromate.
  • the additional lens LI or the ancillary lens 16 shown in FIG. 4 can also be designed as a hyperachromate.
  • lens group that a lens group may comprise one or more lenses.
  • FIG. 2 shows a first possible realization of the inventive idea in which diaphragms B1, B2, B3 and / or B4 can be introduced into the beam path.
  • it is provided to introduce at least one of these diaphragms B1 to B4, so it is not necessary to use more than one diaphragm.
  • Each of the panels Bl to B4 can be moved independently of one another in their position in the imaging direction according to the arrow 6, and varied in their diameter according to the arrow 7. The variation of the diameter can be done for example by irises or the like. Alternatively, the change in diameter is omitted and fixed circular diaphragms are used.
  • the lens L3 assumes a first position for a first magnification.
  • Two exemplary beams of the corresponding beam path are shown in dashed lines for this purpose. These intersect in the image-side focal plane.
  • This plane is the aperture Bl arranged.
  • it is firstly moved along the direction of the arrow 6, that is to say along the optical axis 2 and then partially closed, ie reduced in diameter in the direction of the arrow 7 in order to achieve an object-side telecentric imaging.
  • the diaphragm Bl is already partially closed and is introduced in the direction of the arrow 7 in the beam path.
  • the diaphragm B2 is aligned in the direction of the arrow 6 on the now present position of the image-side focal plane and partially closed or introduced in the direction of the arrow 7 in the beam path and the diaphragm Bl again opened or moved out of the beam path in the direction of the arrow 7.
  • the image-side focal plane must be arranged in the object-side focal plane of the lens LI. This can be achieved by the lens LI is additionally arranged slidably in the direction of the arrow 6 and is moved accordingly. Then there is a so-called double-sided telecentric imaging, which is shown in FIG. 2a.
  • the two-sided telecentric imaging can also be achieved by not shifting the lens LI in the direction of the arrow 6 and the position of the image-side focal plane in the object-side focal plane of the lens LI by the movement of the lens L2 along the direction of the arrow 4, if necessary In combination with the movement of the lens L3 in the direction of the arrow 3, takes place.
  • one or more of the diaphragms Bl, B2, B3, B4 can be designed to be movable together with the lens groups L2 and / or L3.
  • the diaphragm B2 and / or the diaphragm B3 can be displaced together with the lens group L2 by inserting corresponding connecting elements (not shown) between the diaphragms B2 and / or B3 and the lens group L2.
  • corresponding connecting elements not shown
  • FIGS. 3a) and 3b) show the lens group L3 in two different positions along the imaging direction 2.
  • the lens group L3 is located above the diaphragm B4 and in FIG. 3b) below the diaphragm B4.
  • the diaphragm B4 can be varied in its diameter along the direction represented by the arrow 7, and the lens group L3 can be displaced in the imaging direction 2 by means of the drive and guide unit 9.
  • a diaphragm can also be arranged at those locations in the beam path which, with a different magnification and / or working, has been required as a position for one of the displaceable lens packages.
  • a compact construction and a flexible imaging can be achieved.
  • FIG. 4 shows an expanded inventive embodiment in which optional optical distance sensors 10a, 10b, a filter 18, a bright field incident illumination 12, an optical grating 14 or an ancillary lens 16 are introduced into the beam path.
  • the working according to the Foucault principle optical distance sensor 10a is preferably reflected at the position of a dichroic divider I Ia in the zoom optics. This has the advantage that the optical distance measurement with the aid of the zoom optics is adapted to the variable working distance.
  • the optical distance sensor 10b may be placed in place at the location and with the aid of a dichroic divider Ib Beam path of the zoom optics are introduced, with the aid of an additional lens or an additional lens package, a corresponding adjustment to the working distance and optionally the magnification, preferably with the aid of the movement of a lens group 19 in the direction of arrow 20, are made. Furthermore, it is provided according fiction, to introduce an optical filter 18 in the beam path. Likewise, within the lens package at the position and by an optical splitter 13 between the lenses L4a and L4b, the reflection of the bright field incident illumination 12 and optionally the grid illumination 14 can be performed by means of the optical splitter 15. As a further inventive idea, an ancillary lens 16 can additionally be introduced into the beam path by means of a releasable changeover interface 17 in order to change the magnification and / or working distance, for example.
  • a feeler element 21 is arranged on the changeover interface 17 and brought into contact with the object 1 for measurement. This is shown in FIG.
  • the probe element 21 or one with the probe element 21st connected target mark 22 form a light spot or light spot, which is detected by the zoom lens according to the invention and imaged on the camera 5.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Geometrie eines Objekts mittels eines Koordinatenmessgeräts mit einem optischen System, das eine Zoomoptik umfasst, deren Linsengruppen jeweils motorisch in Stellung für einen unabhängig voneinander wählbaren Abbildungsmaßstab und einen wählbaren Abstand zum Gegenstand separat bewegt werden. Zusätzlich wird zumindest eine Blende motorisch so in Stellung gebracht, dass abhängig von der Stellung der Linsengruppen zumindest eine objektseitig telezentrische Abbildung erzielt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Geometrie eines Objektes mit einer Zoomoptik
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur Messung der Geometrie eines Objektes mit einer Zoom-Optik, bei der Abbildungsmaßstab und Abstand zum Objekt durch Verschiebung von Linsengruppen separat eingestellt werden kann.
Eine entsprechende Zoom-Optik zum Einsatz in Koordinaten-Messgeräten wird in der EP 1071922 Bl beschrieben. Im Gegensatz zum sonstigen Stand der Technik handelt es sich hierbei um die einzige Schrift, bei der Abbildungsmaßstab und Arbeits ab stand völlig unabhängig voneinander verändert werden, indem mehrere interne Linsengruppen in Stellung gebracht werden.
Weitere dem Stand der Technik bekannte Zoom-Optiken realisieren eine Arbeitsabstandsänderung durch das Einbringen von zusätzlichen Linsen. Hierbei verändert sich zumeist auch der Abbildungsmaßstab zwangsläufig mit.
In der Koordinatenmesstechnik werden optische Sensoren unter anderem für die Bildverarbeitung eingesetzt. Hierbei erfolgt zumeist eine optische Abbildung durch ein Abbildungssystem auf einem zumeist matrixförmigen Bildsensor wie CCD- oder CMOS -Kamerachip. Am mit dem Matrixsensor aufgenommenen Bild werden Kanten oder Strukturen oder ähnliches ermittelt und daraus Punkte bzw. Konturen bestimmt, welche für dimensioneile Messungen an einem Objekt kombiniert werden. Um hierbei höchste Genauigkeiten zu erreichen, ist es notwendig, den Abbildungsmaßstab auch dann sehr genau zu kennen, wenn das Messobjekt nicht ideal im Fokus der Optik angeordnet ist. Dieser Fall tritt insbesondere bei niedrigen Abbildungsmaßstäben und den damit zumeist verbundenen großen Schärfentiefen auf. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die die Genauigkeit beeinflussenden Abbildungsfehler einer Zoom-Optik verfahrensmäßig im Wesentlichen zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, dass zumindest eine objektseitig telezentrische Abbildung erfolgt.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Messung der Geometrie eines Objekts mittels eines Koordinatenmessgeräts mit einem optischen System, insbesondere zur Erfassung und Abbildung wenigstens eines Lichtflecks, Lichtpunkts, Kontrastübergangs und/oder einer Kante, dessen Lage von der Geometrie bestimmt wird, wobei das optische System eine Zoomoptik umfasst, deren Linsengruppen jeweils motorisch in Stellung für einen unabhängig voneinander wählbaren Abbildungsmaßstab und einen wählbaren Abstand zum Gegenstand separat bewegt werden, wobei zusätzlich zumindest eine Blende motorisch so in Stellung gebracht wird, dass abhängig von der Stellung der Linsengruppen eine zumindest objektseitig telezentrische Abbildung erzielt wird.
Die telezentrische Abbildung ist dem Stand der Technik bereits lange bekannt, wird aber nur für Objektive mit festem Abbildungsmaßstab oder Zoom-Optiken mit festem Arbeitsabstand eingesetzt. Hierbei ist zudem unklar, ob die Telezentrie bei den Zoom- Optiken für sämtliche Abbildungsmaßstäbe gewährleistet werden kann. Hintergrund für die Einschränkungen ist, dass die zur Erzielung einer Telezentrie in den Strahlengang der Optik einzubringende Blende als Aperturblende in die bildseitige Brennebene positioniert werden muss. Diese Ebene verschiebt sich jedoch bei Änderung des Abbildungsmaßstabes bzw. des Abstandes zum Objekt. Diesbezüglich verschiebbare Blenden in Zoom-Optiken sind dem Stand der Technik nicht bekannt.
Insbesondere ist das Einbringen einer Telezentrieblende bei den verfügbaren telezentrischen Zoom-Optiken ungelöst, bei denen Zusatzlinsen zum Zwecke von Arbeitsabstandsänderungen bzw. Arbeitsabstandsänderungen und
Abbildungsmaßstabsänderungen eingebracht werden. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch das Einbringen einer in Abbildungsrichtung oder quer zur Abbildungsrichtung bewegbaren Telenzentrieblende. Diese kann beispielsweise durch die Fassung einer Linse des Zoom-Objektives gebildet werden oder wird als zusätzliche Blende in den Strahlengang eingebracht.
Durch die Erfindung wird das Problem gelöst, dass die bildseitige Brennebene durch Veränderung des Abbildungsmaßstabes und/oder des Abstandes zum Gegenstand in ihrer Position in Abbildungsrichtung stark variieren kann und mit einer zwischen zwei fest vorgegebenen Linsen bewegbaren Blende unter Umständen nicht realisiert werden kann. Zur Lösung ist erfindungsgemäß u. a. vorgesehen, weitere Blenden an anderen Positionen im Strahlengang vorzuhalten und gegebenenfalls einzubringen, beispielsweise durch weiteres Schließen der Blende und Öffnen der zunächst verwendeten Blende, um eine bildseitige Brennebene zu erreichen, welche nun z. B. nicht mehr zwischen einer ersten und einer zweiten Linse, sondern hinter einer zweiten Linse liegt, indem die erste und die zweite Linse als eine resultierende Linse angesehen wird, wodurch sich die bildseitige Brennebene nun hinter die zweite Linse verlagert. Alternativ ist hierzu erfindungs gemäß vorgesehen, die Blende an einer Linse axial vorbei zu bewegen, indem die Mittel zur Bewegung dieser beiden Komponenten ineinander greifen.
In Erweiterung der Erfindung soll die Zoom-Optik auch für die messtechnische Erfassung eines mit dem Gegenstand in Berührung gebrachten Tastelementes bzw. einer diesem zugeordneten Zielmarke verwendete werden, wie dies in der EP 1071922 Bl beschrieben ist. Insofern wird Bezug auf die Zeichnung der EP 1071922 Bl genommen und die in dieser gezeigte Anordnung im vorliegenden Fall erfindungs gemäß berücksichtigt. Weitere erfinderische Gedanken beinhalten die Integration von an sich bekannten Beleuchtungsvorrichtungen für die Hellfeldbeleuchtung oder Projektion eines Gitters, sowie die Integration eines optischen Abstandssensors, wie Foucault- Punktsensor, oder die Ausbildung als chromatischen Abstandssensors durch Einbringen eines Hyperachromaten. Als Hyperachromat soll eine Linse oder Linsengruppe bezeichnet werden, die bewusst möglichst deutlich ausgeprägt unterschiedliche Schnittweiten für unterschiedliche Wellenlängen, also z.B. Farben, besitzt. Diese Linsen werden auch chromatische Linsen, beispielsweise in der DE202007014435U1, genannt. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden Linsen in Form von Flüssigkeitslinsen eingesetzt. Hierdurch kann eine Optimierung der Optik bezüglich Abmessung, Flexibilität und Geschwindigkeit bei der Umschaltung des Abbildungsmaßstabes und/oder des Arbeitsabstandes erreicht werden.
Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass zumindest eine Blende durch zumindest eine Linse einer Linsengruppe bzw. deren Fassung gebildet wird, wobei vorzugsweise die Fassung einen kleineren Durchmesser als optisch wirksamer Durchmesser der objektseitig angeordneten Linsengruppe besitzt.
Der Durchmesser der Fassung kann < 10 mm, bevorzugterweise < 5 mm, besonders bevorzugt < 2 mm sein. Der Durchmesser der objektseitig angeordneten Linsengruppe kann > 5 mm, bevorzugterweise > 10 mm, besonders bevorzugt > 15 mm sein, wobei die Fassung einen kleineren Durchmesser als optisch wirksamer Durchmesser der objektseitig angeordneten Linsengruppe aufweisen sollte.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass eine oder mehrere Blenden geöffnet oder teilweise geschlossen werden oder quer zur optischen Abbildungsrichtung in oder aus dem Strahlengang des optischen Systems positioniert werden und/oder eine oder mehrere Blenden in optischer Abbildungsrichtung verschoben werden, vorzugsweise gemeinsam mit einer der Linsengruppen verschoben werden.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass zumindest eine Linsengruppe in optischer Abbildungsrichtung durch zumindest eine Blende hindurch bewegt wird, wobei die Blende vorzugsweise bis zu ihrer maximalen Öffnung geöffnet ist.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der Lichtfleck, Lichtpunkt, Kontrastübergang oder die Kante durch ein Tastelement erzeugt wird, das mit dem Gegenstand in Berührung gebracht wird und dessen Position unmittelbar oder mittelbar über wenigstens eine Zielmarke mit dem optischen System festgestellt wird. Hervorzuheben ist des Weiteren, dass während der Verstellung bzw. Positionierung zumindest einer Linse einer Linsengruppe, durch die der Arbeitsabstand der Zoom- Optik verändert wird, mehrere Bilder mit einer der Zoom-Optik zugeordneten Kamera aufgenommen werden und dass aus den Bildern mittels Autofokusverfahren ein Messpunkt oder mehrere Messpunkte zur Bestimmung von einem oder mehreren Geometriemerkmalen des Objektes ermittelt werden.
Eine Vorrichtung zur Messung der Geometrie eines Objektes mittels eines Koordinatenmessgeräts mit einem optischen System, insbesondere zur Erfassung und Abbildung wenigstens eines Lichtfleckes, Lichtpunkts, Kontrastübergangs und/oder einer Kante, dessen Lage von der Geometrie bestimmt wird, wobei das optische System eine Zoomoptik aufweist, die in optischer Abbildungsrichtung wenigstens zwei axial jeweils getrennt motorisch verschiebbare Linsengruppen enthält, zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass zusätzlich zumindest eine Blende motorisch in axialer und/oder radialer Richtung zu der optischen Abbildungsrichtung derart verschiebbar ist, dass eine zumindest objektseitig telezentrische Abbildung erzielbar ist.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass zumindest eine Linse einer Linsengruppe bzw. deren Fassung eine Blende bildet, wobei vorzugsweise die Fassung einen kleineren Durchmesser als optisch wirksamer Durchmesser der objektseitig angeordneten Linsengruppe besitzt.
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass zumindest eine Linsengruppe in optischer Abbildungsrichtung an zumindest einer Blende vorbei, vorzugsweise durch die geöffnete Blende hindurch, bewegt werden kann, wobei die Blende vorzugsweise bis zu ihrer maximalen Öffnung geöffnet ist, vorzugsweise indem die Führung der Linsengruppe so ausgeführt ist, dass diese durch die Blendenöffnung hindurch bewegbar ist.
Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zusätzlich zumindest ein optisches Filter, wie Lambda/4-Platte oder Polfilter, und/oder zumindest ein optisches oder mechanisches Gitter und/oder zumindest eine Zusatzlinse in radialer Richtung zur optischen Abbildungsrichtung verschiebbar in den Strahlengang eingebracht werden kann.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass zusätzlich ein oder mehrere optische Teilerschichten in den Strahlengang eingebracht sind, um die Einspiegelung einer Hellfeldbeleuchtung und/oder Marken- und/oder Gitterprojektion und/oder eines optischen Abstandsensors zu ermöglichen.
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass zusätzlich ein Tastelement und/oder wenigstens eine diesem zugeordnete Zielmarke zur optischen Positionserfassung des Lichtflecks oder Lichtpunkts und/oder eine Vorsatzlinse vor dem optischen System angeordnet oder anordbar ist.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Lösungsvorschlag sieht vor, dass zumindest eine Linse zumindest einer Linsengruppe als Hyperachromat ausgeführt ist oder ein Hyperachromat als Zusatzlinse und/oder Vorsatzlinse in den Strahlengang einbringbar ist.
Auch sieht die Erfindung vor, dass zumindest eine Linse zumindest einer Linsengruppe als Flüssigkeitslinse ausgeführt ist.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination - sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Zoom-Optik mit motorisch verstellbaren Linsenpaketen zur unabhängigen Einstellung von Abbildungsmaßstab und Arbeitsabstand nach dem Stand der Technik, Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung einer telezentrischen Zoom-Optik mit verschiebbaren Linsenpaketen und Blenden zur unabhängigen Einstellung von Abbildungsmaßstab und Arbeitsabstand,
Fig. 2a die erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 2 mit einem ersten telezentrischen Strahlengang erzeugt durch Einstellen einer Blende,
Fig. 2b die erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 2 mit einem telezentrischen
Strahlengang durch Einstellen einer Blende, die in Bezug auf die der Fig. 2a anders positioniert ist,
Fig. 3 eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zumindest einer an einer Blende vorbei bewegbaren Linse,
Fig. 4 eine besondere Ausgestaltung der erfindungs gemäßen Vorrichtung mit integrierten Abstandssensoren und Beleuchtungseinrichtungen sowie Filtern und
Fig. 5 eine Abwandlung der Vorrichtung gemäß Fig. 4.
Anhand der Figur 1 wird der Stand der Technik für eine Zoom-Optik mit unabhängig voneinander einstellbaren Abbildungsmaßstab und Arbeits ab stand dargestellt. Das Objekt 1 wird dabei über eine feste Frontlinse L4 und die beiden in Abbildungsrichtung 2 verschiebbaren Linsengruppen L2 und L3 (Verschiebung durch die Pfeile 3 und 4 angedeutet) sowie eine gegebenenfalls eingebrachte Abbildungslinse LI auf eine Matrixkamera 5, wie beispielsweise CCD-Kamera abgebildet. Durch die getrennte Verstellung der Linsengruppe L2 und L3 kann für jeden Arbeitsabstand zusätzlich ein variabler Abbildungsmaßstab eingestellt werden. Dies kann auch dadurch erreicht werden, dass zumindest eine der Linsen LI und L2 als Flüssigkeitslinse ausgebildet ist und hierdurch in ihren optischen Eigenschaften beeinflusst wird, indem die Form der Linse und damit beispielsweise die Brennweite der Linse durch eine Beeinflussung von außen, z.B. ein äußeres elektromagnetisches Feld, eingestellt wird. Erfindungsgemäß ist zumindest eine der Linsen L2, L3 oder L4 als Hyperachromat ausgeführt. Aber auch die zusätzliche Linse LI oder die in Figur 4 dargestellte Vorsatzlinse 16 kann als Hyperachromat ausgeführt sein.
Zu dem Begriff Linsengruppe ist anzumerken, dass eine Linsengruppe eine oder mehrere Linsen umfassen kann.
Figur 2 zeigt eine erste mögliche Realisierung der erfinderischen Idee, bei der Blenden Bl, B2, B3 und/oder B4 in den Strahlengang eingebracht werden können. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, zumindest eine dieser Blenden Bl bis B4 einzubringen, es sind also nicht zwangsläufig mehr als eine Blende einzusetzen. Jede der Blenden Bl bis B4 kann unabhängig voneinander in ihrer Position in Abbildungsrichtung entsprechend des Pfeils 6 verschoben werden, sowie in ihrem Durchmesser entsprechend des Pfeils 7 variiert werden. Die Variation des Durchmessers kann beispielsweise durch Irisblenden oder ähnliches erfolgen. Alternativ unterbleibt die Änderung des Durchmessers und es werden feste kreisförmige Blenden eingesetzt.
Erfindungsgemäß werden in Abhängigkeit von der Stellung der Linsengruppen L2 und L3, welche - wie in Figur 1 bereits erläutert - zur Einstellung von Abbildungsmaßstab und Arbeits ab stand unabhängig voneinander motorisch verschoben werden, eine oder mehreren Blendenpositionen zur Erzielung eines telezentrischen oder nahezu telezentrischen Strahlengangs berechnet und die entsprechende oder die entsprechenden Blenden Bl, B2, B3 und/oder B4 an diese Position oder diese Positionen bewegt und gegebenenfalls in ihrem Durchmesser eingestellt. Dies ist beispielhaft in den Figuren 2a und 2b dargestellt.
In der Figur 2a nimmt die Linse L3 eine erste Stellung für einen ersten Abbildungsmaßstab ein. Hierdurch ergibt sich eine bildseitige Brennebene nahe der Blende Bl. Zwei beispielhafte Strahlen des entsprechenden Strahlengangs sind hierzu gestrichelt eingezeichnet. Diese schneiden sich in der bildseitigen Brennebene. In genau dieser Ebene wird die Blende Bl angeordnet. Diese wird hierzu zunächst entlang der Richtung des Pfeils 6, also entlang der optischen Achse 2 bewegt und dann teilweise geschlossen, also in Richtung des Pfeiles 7 in ihrem Durchmesser verringert, um eine objektseitig telezentrische Abbildung zu erzielen. Alternativ ist die Blende Bl bereits teilweise geschlossen und wird in Richtung des Pfeiles 7 in den Strahlengang eingebracht. Soll mit einem anderen Arbeits ab stand oder leicht verändertem Abbildungsmaßstab gemessen werden, verschiebt sich die bildseitige Brennebene nur leicht entlang der optischen Achse 2 und eine leichte Verschiebung der Blende Bl in Richtung des Pfeiles 6 reicht aus, um die Blende Bl der jeweiligen Lage der Brennebene nachzuführen. Wird jedoch eine stärkere Änderung beispielsweise des Abbildungsmaßstabes durch Bewegung beispielsweise der Linse L3 in eine zweite Stellung durchgeführt, wie dies in Figur 2b dargestellt ist, verlagert sich die bildseitige Brennebene in den Bereich zwischen den Linsen LI und L2. In Figur 2b ist ein entsprechend veränderter Strahlengang gestrichelt eingezeichnet. Um nun wiederum erfindungsgemäß eine objektseitig telezentrische Abbildung zu erreichen, wird die Blende B2 in der Richtung des Pfeils 6 auf die nun vorliegende Lage der bildseitigen Brennebene ausgerichtet und teilweise geschlossen bzw. in der Richtung des Pfeils 7 in den Strahlengang eingebracht und die Blende Bl wieder geöffnet bzw. aus dem Strahlengang in der Richtung des Pfeils 7 herausbewegt. Um zusätzlich auch eine bildseitig telezentrische Abbildung zu erzielen, muss die bildseitige Brennebene in der objektseitigen Brennebene der Linse LI angeordnet sein. Dies kann erreicht werden, indem die Linse LI zusätzlich auch in der Richtung des Pfeils 6 verschiebbar angeordnet wird und entsprechend verschoben wird. Dann liegt eine sogenannte beidseitig telezentrische Abbildung vor, die in Figur 2a dargestellt ist. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die gestrichelt eingezeichneten Hauptstrahlen nach der letzten Linse LI in Richtung des flächigen optischen Sensors wie der Kamera 5 parallel zur optischen Achse 2 verlaufen. Alternativ kann die beidseitig telezentrische Abbildung auch erreicht werden, indem die Linse LI in der Richtung des Pfeils 6 nicht verschoben wird und die Lage der bildseitigen Brennebene in die objektseitige Brennebene der Linse LI durch die Bewegung der Linse L2 entlang der Richtung des Pfeils 4, ggf. in Kombination mit der Bewegung der Linse L3 in der Richtung des Pfeils 3, erfolgt. Nach einer zusätzlichen erfinderischen Idee wird die Linse LI zur Veränderung von Arbeitsabstand und/oder Abbildungsmaßstab quer zur Abbildungsrichtung 2, gekennzeichnet durch den Pfeil 8, in den Strahlengang eingebracht oder ausgeblendet.
Erfindungsgemäß können eine oder mehrere der Blenden Bl, B2, B3, B4 gemeinsam mit den Linsengruppen L2 und/oder L3 bewegbar ausgeführt sein. So kann beispielsweise die Blende B2 und/oder die Blende B3 gemeinsam mit der Linsengruppe L2 verschoben werden, indem entsprechende, nicht dargestellte Verbindungselemente zwischen den Blenden B2 und/oder B3 und der Linsengruppe L2 eingebracht werden. Gleiches gilt für die Blenden B3 und/oder B4 in Verbindung mit der bewegbaren Linsengruppe L3.
Eine alternative Ausgestaltung der erfinderischen Idee ist in Figur 3 dargestellt. Die Figuren 3a) und 3b) zeigen dabei die Linsengruppe L3 in zwei unterschiedlichen Stellungen entlang der Abbildungsrichtung 2. In der Figur 3a) befindet sich die Linsengruppe L3 oberhalb der Blende B4 und in der Figur 3b) unterhalb der Blende B4. Hierzu ist die Blende B4 entlang der durch den Pfeil 7 dargestellten Richtung in ihrem Durchmesser variierbar und die Linsengruppe L3 mittels der Antriebs- und Führungseinheit 9 in der Abbildungsrichtung 2 verschiebbar. Hierdurch lässt sich erfindungsgemäß eine Blende auch an solchen Stellen im Strahlengang anordnen, die bei verändertem Abbildungsmaßstab und/oder Arbeits ab stand als Position für eine der verschiebbaren Linsenpakete benötigt wurde. Hierdurch kann erfindungsgemäß ein kompakter Aufbau und eine flexible Abbildung erzielt werden.
Die Figur 4 zeigt eine erweiterte erfinderische Ausgestaltung, in der wahlweise optische Abstandssensoren 10a, 10b, ein Filter 18, eine Hellfeldauflichtbeleuchtung 12, ein optisches Gitter 14 oder eine Vorsatzlinse 16 in den Strahlengang eingebracht wird. Der nach dem Foucault-Prinzip arbeitende optische Abstandssensor 10a wird vorzugsweise an der Position eines dichroitischen Teilers I Ia in die Zoom-Optik eingespiegelt. Dies hat den Vorteil, dass die optische Abstandsmessung mit Hilfe der Zoom-Optik auf den veränderbaren Arbeitsabstand mit angepasst wird. Alternativ kann der optische Abstandssensor 10b an der Stelle und mit Hilfe eines dichroitischen Teilers I Ib in den Strahlengang der Zoom-Optik eingebracht werden, wobei mit Hilfe einer zusätzlichen Linse oder eines zusätzlichen Linsenpaketes eine entsprechende Anpassung auf den Arbeitsabstand und gegebenenfalls den Abbildungsmaßstab, vorzugsweise unter Zuhilfenahme der Bewegung einer Linsengruppe 19 in Richtung des Pfeils 20, vorgenommen werden. Des Weiteren ist erfindungs gemäß vorgesehen, ein optisches Filter 18 in den Strahlengang einzubringen. Ebenso kann innerhalb des Linsenpaketes an der Position und durch einen optischen Teiler 13 zwischen den Linsen L4a und L4b die Einspiegelung der Hellfeldauflichtbeleuchtung 12 und gegebenenfalls die Gitterbeleuchtung 14 mittels des optischen Teilers 15 vorgenommen werden. Als eine weitere erfinderische Idee kann eine Vorsatzlinse 16 mittels einer lösbaren Wechselschnittstelle 17 zusätzlich in den Strahlengang eingebracht werden, um beispielsweise Abbildungsmaßstab und/oder Arbeitsabstand zu verändern.
Des Weiteren ist folgende Verfahrensweise hervorzuheben. Durch die Bewegung zumindest einer Linse der dem Objekt 1 zugewandten Linsengruppe L4 wird erfindungsgemäß der Arbeits ab stand der Zoom-Optik geändert. Werden während des Verfahrens dieser Linse L4 zeitlich nacheinander mehrere Bilder mit der Kamera 5 aufgezeichnet, wird ein Bilderstapel erzeugt, der für eine Autofokusmessung verwendet wird, wie diese z. B. der WO-A-03/052347 zu entnehmen ist. Durch Helligkeits- oder Kontrastauswertung in zumindest einem Bereich des Bildes wird erfindungs gemäß zumindest ein Punkt für jeden Bereich, also dessen Koordinaten bestimmt. Hierzu muss der Arbeitsabstand der verstellten Linse in ihrer jeweiligen Position zur Bestimmung der z-Koordinaten bekannt bzw. bestimmt sein. Dies erfolgt durch Einmessen, wobei die Linse in mehrere Positionen gebracht wird und in diesen Stellungen bzw. Positionen der Abstand zu einem Objekt zuvor bekannten Abstandes so verändert wird, wobei die Veränderung mittels der Achsen des verwendeten Koordinatenmessgerätes gemessen wird, dass maximaler Kontrast bzw. Helligkeit vorliegt, also scharf gestellt ist.
Anstatt der in der Figur 4 an der Wechselschnittstelle 17 angebrachten Vorsatzlinse 16 kann auch vorgesehen sein, dass an der Wechselschnittstelle 17 ein Tastelement 21 angeordnet wird, das zur Messung mit dem Objekt 1 in Kontakt gebracht wird. Dies ist in der Figur 5 dargestellt. Das Tastelement 21 oder eine mit dem Tastelement 21 verbundene Zielmarke 22 bilden einen Lichtfleck oder Lichtpunkt, der durch die erfindungsgemäße Zoom-Optik erfasst und auf die Kamera 5 abgebildet wird.

Claims

Patentansprüche Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Geometrie eines Objektes mit einer Zoomoptik
1. Verfahren zur Messung der Geometrie eines Objekte mittels eines Koordinatenmessgeräts mit einem optischen System, insbesondere zur Erfassung und Abbildung wenigstens eines Lichtflecks, Lichtpunkts, Kontrastübergangs und/oder einer Kante, dessen Lage von der Geometrie bestimmt wird, wobei das optische System eine Zoomoptik umfasst, deren Linsengruppen jeweils motorisch in Stellung für einen unabhängig voneinander wählbaren Abbildungsmaßstab und einen wählbaren Abstand zum Gegenstand separat bewegt werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich zumindest eine Blende motorisch so in Stellung gebracht wird, dass abhängig von der Stellung der Linsengruppen zumindest eine objektseitig telezentrische Abbildung erzielt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine Blende durch zumindest eine Linse einer Linsengruppe bzw. deren Fassung gebildet wird, indem vorzugsweise die Fassung einen kleineren Durchmesser als optisch wirksame Durchmesser der objektseitig angeordneten Linsengruppe besitzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine oder mehrere Blenden geöffnet oder teilweise geschlossen werden oder quer zur optischen Abbildungsrichtung in oder aus dem Strahlengang des optischen Systems positioniert werden und/oder eine oder mehrere Blenden in optischer Abbildungsrichtung verschoben werden, vorzugsweise gemeinsam mit einer der Linsengruppen verschoben werden.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine Linsen gruppe in optischer Abbildungsrichtung durch zumindest eine Blende hindurch bewegt wird, wobei die Blende vorzugsweise bis zu ihrer maximalen Öffnung geöffnet ist.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Lichtfleck, Lichtpunkt, Kontrastübergang oder die Kante durch ein Tastelement erzeugt wird, das mit dem Gegenstand in Berührung gebracht wird und dessen Position unmittelbar oder mittelbar über wenigstens eine Zielmarke mit dem optischen System festgestellt wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet ,
dass während der Verstellung bzw. Positionierung zumindest einer Linse einer Linsengruppe, durch die der Arbeits ab stand der Zoom-Optik verändert wird, mehrere Bilder mit einer der Zoom-Optik zugeordneten Kamera aufgenommen werden und dass aus den Bildern mittels Autofokusverfahren ein Messpunkt oder mehrere Messpunkte zur Bestimmung von einem oder mehreren Geometriemerkmalen des Objektes ermittelt werden.
7. Vorrichtung zur Messung der Geometrie eines Objektes (1) mittels eines Koordinatenmessgeräts mit einem optischen System, insbesondere zur Erfassung und Abbildung wenigstens eines Lichtflecks, Lichtpunkts, Kontrastübergangs und/oder einer Kante, dessen Lage von der Geometrie bestimmt wird, wobei das optische System eine Zoomoptik aufweist, die in optischer Abbildungsrichtung (2) wenigstens zwei axial jeweils getrennt motorisch verschiebbare Linsengruppen (L2, L3) enthält,
dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich zumindest eine Blende (Bl, B2, B3, B4) motorisch in axialer und/oder radialer Richtung zu der optischen Abbildungsrichtung (2) derart verschiebbar ist, dass zumindest eine objektseitig telezentrische Abbildung erzielbar ist.
8. Vorrichtung nach zumindest Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine Linse einer Linsengruppe (L2, L3) bzw. deren Fassung eine Blende bildet, wobei vorzugsweise die Fassung einen kleineren Durchmesser als optisch wirksamer Durchmesser der objektseitig angeordneten Linsengruppe (L4) besitzt.
9. Vorrichtung nach zumindest Anspruch 7 oder Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine Linsengruppe (L3) in optischer Abbildungsrichtung (2) an zumindest einer Blende (B4) vorbei, vorzugsweise durch die geöffnete Blende hindurch, bewegbar ist, wobei die Blende vorzugsweise bis zu ihrer maximalen Öffnung geöffnet ist, vorzugsweise indem die Führung (9) der Linsengruppe so ausgeführt ist, dass diese durch die Blendenöffnung hindurch bewegbar ist.
10. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich zumindest ein optisches Filter, wie Lambda/4-Platte oder Polfilter, und/oder zumindest ein optisches oder mechanisches Gitter (14) und/oder zumindest eine Zusatzlinse (LI) in radialer Richtung zur optischen Abbildungsrichtung (2) verschiebbar in den Strahlengang einbringbar ist.
11. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich ein oder mehrere optische Teilerschichten (IIa, IIb, 13) in den Strahlengang eingebracht sind, um die Einspiegelung einer Hellfeldbeleuchtung (12) und/oder Marken- und/oder Gitterprojektion (14) und/oder eines optischen Abstandssensors (10a, 10b) zu ermöglichen.
12. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich ein Tastelement (21) und/oder wenigstens eine diesem zugeordnete Zielmarke (22) zur optischen Positionserfassung des Lichtflecks oder Lichtpunkts und/oder eine Vorsatzlinse (16) vor dem optischen System angeordnet oder anordbar ist.
13. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine Linse zumindest einer Linsen gruppe (L2, L3, L4) als Hyperachromat ausgeführt ist oder ein Hyperachromat als Zusatzlinse (LI) und/oder Vorsatzlinse (16) in den Strahlengang einbringbar ist.
14. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine Linse zumindest einer Linsengruppe (L2, L3) als Flüssigkeitslinse ausgeführt ist.
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