WO2024256498A1 - Optikvorrichtung zum projizieren eines musters auf eine oberfläche - Google Patents

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WO2024256498A1
WO2024256498A1 PCT/EP2024/066289 EP2024066289W WO2024256498A1 WO 2024256498 A1 WO2024256498 A1 WO 2024256498A1 EP 2024066289 W EP2024066289 W EP 2024066289W WO 2024256498 A1 WO2024256498 A1 WO 2024256498A1
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light
slide
optical device
pattern
projection optics
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PCT/EP2024/066289
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English (en)
French (fr)
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Soeren Schmidt
Simon Thiele
Marco Hanft
Alois Herkommer
Manuel DECKER
Valese ASLANI
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Carl Zeiss AG
Printoptix GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss AG
Printoptix GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B23/00—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
    • G02B23/24—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes
    • G02B23/2407—Optical details
    • G02B23/2461—Illumination
    • 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
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object

Definitions

  • the invention relates to an optical device for projecting a pattern onto a surface.
  • the flatness of the surface can be determined by projecting a pattern onto the surface using light. For example, light is shone onto the surface using an endoscope and the projected pattern is optically recorded.
  • a slide can be used to create the pattern and a projection lens projects the pattern onto the surface.
  • the invention is based on the object of demonstrating an optical device for projecting a pattern onto a surface, which is technically particularly simple and in which the relative spatial position between a slide of the optical device and a projection optics of the optical device remains reliably unchanged.
  • an optical device for projecting a pattern onto a surface comprising: a slide, wherein the slide refracts and/or diffracts and/or reflects and/or absorbs a portion of light radiated into the optical device to produce the pattern, and a projection optic, wherein the projection optic is designed to image the pattern onto the surface, characterized in that the slide and the projection optic are formed in one piece.
  • the optical device is technically very simple.
  • the alignment between the slide and the projection optics cannot change, as they are designed as one piece and thus spatially unchangeable to one another.
  • the optical device can therefore project the pattern reliably and precisely, unchanged.
  • the optical device can be used with incoherent light. This avoids speckle effects.
  • a multimodal light source with a large spectral bandwidth can be used to shine the light into the optical device.
  • the optical device can generate a locally varying intensity distribution and/or angular distribution. In this way, it can be prevented that false light, i.e. unwanted light, contributes to the projected pattern.
  • Parts of the light that are not intended to contribute to the projected pattern can be prevented from reaching the surface onto which the pattern is to be projected by refraction, diffraction, reflection and/or absorption.
  • the optical device can in particular have been manufactured in one piece by an additive manufacturing process.
  • the invention is also based on the object of demonstrating a light projection device which is technically particularly simple in construction.
  • the object is achieved by a light projection device comprising an optical device as described above and a light source for sending light into the optical device, wherein the optical device is arranged on the light source in such a way that the light emitted by the light source forms the pattern projected by the optical device due to refraction and/or diffraction and/or reflection and/or absorption in the slide, only a part of the light emitted by the light source.
  • the light projection device is technically particularly simple.
  • the alignment between the slide and the projection optics relative to each other is unchangeable in the light projection device. Since the light from the light source is refracted, diffracted, reflected and/or absorbed by the slide, the light source can radiate incoherent light into the optics device. In this way, speckle effects are prevented.
  • the invention is also based on the object of demonstrating a method for producing an optical device by means of which an optical device can be produced in a technically simple manner.
  • the object is achieved by a method for producing an optical device, in particular as described above, in an additive manufacturing process, wherein the method comprises the following steps: producing a slide, wherein the slide refracts and/or diffracts and/or reflects and/or absorbs a portion of light radiated into the optical device to produce a pattern on a surface, and - a projection optics, wherein the projection optics are designed to image the pattern onto a surface, wherein the slide and the projection optics are manufactured in one piece.
  • the slide and the projection optics can be manufactured using the same additive manufacturing method.
  • this type of manufacturing ensures the fixed or fixed alignment or positioning of the projection optics relative to the slide or vice versa. Shifting, assembly errors in alignment or similar cannot occur.
  • incoherent (temporally and/or spatially) light can be used in the optical device manufactured using this method. In this way, the speckle effect can be avoided.
  • the optical device manufactured can reliably prevent stray light, i.e. unwanted light, from contributing to the projected pattern or negatively influencing it (e.g. by illuminating dark areas of the pattern with the stray light).
  • the additive manufacturing process can in particular be a 3D printing process.
  • the invention is also based on the object of demonstrating a method for examining a surface by means of which the properties of the surface can be recorded in a technically simple and reliable manner, even in areas that are difficult to access.
  • This object is achieved by a method for examining a surface according to claim 17.
  • the object is achieved by a method for examining a surface, the method comprising the following steps: radiating light through an optical device as described above or from a light projection device as described above or through an optical device that was produced by means of a method as described above, to generate a pattern, in particular an at least partially regular pattern, on the surface; detecting the light reflected from the surface; and comparing the reflected light with a target pattern, in particular by means of a machine learning system, to determine properties, in particular unevenness, of the surface.
  • the process is technically simple and incoherent light can be used. This avoids the speckle effect.
  • the process can be carried out reliably and precisely, since the position of the projection optics relative to the slide cannot change and thus the position and/or shape of the projected pattern cannot change (due to a change in the relative position of the slide to the projection optics).
  • the process enables particularly compact geometries, since the one-piece design eliminates the need for guide or alignment structures.
  • the slide is designed such that the slide is essentially completely transparent to light directed onto the slide.
  • the advantage of this is that all of the light can be used to create the pattern. Thus, very little light is required and the pattern can be projected onto the surface with particularly high contrast. In this case, no light is absorbed by the slide. All of the light or parts of the light can contribute to creating the pattern. Deflected, refracted and/or diffracted and/or reflected light can leave the slide in such a way that it does not contribute to the creation of the pattern. All of the light radiates through the slide in a refracted and/or diffracted and/or reflected manner.
  • the slide and the projection optics are made of essentially the same, in particular dielectric, material.
  • the advantage of this is that the optical device is technically even simpler in construction.
  • the optical device can be manufactured particularly easily in technical terms.
  • the material can be the same in each case.
  • the material can preferably comprise or be acrylate-based photopolymer, for example polymethyl methacrylate (PMMA).
  • the slide is designed such that part of the light directed onto the slide is refracted and/or diffracted and/or reflected by the slide in such a way that the refracted and/or diffracted and/or reflected part of the light radiation does not fall on the projection optics.
  • One advantage of this is that unwanted light is not emitted by the optical device in the direction of the surface or the projected pattern. In this way, it can be reliably prevented that the refracted and/or diffracted and/or reflected part of the light falls on the surface, since it does not even reach the projection optics.
  • the contrast of the pattern can therefore be particularly high, or a high contrast of the pattern can be achieved even with little light.
  • the projection optics comprises two spaced-apart, in particular aspherical, lenses.
  • the advantage of this is that the focus of the projection optics can be adjusted particularly easily during production and the projection is particularly distortion-free and generally has fewer image errors.
  • the optical device can comprise more than two spaced-apart, in particular aspherical, lenses.
  • the slide and the projection optics are connected to one another by a plurality of first webs, in particular directly, wherein the webs are formed integrally with the slide and the projection optics.
  • first webs in particular directly, wherein the webs are formed integrally with the slide and the projection optics.
  • the slide is designed such that at least a first region of the slide refracts and/or diffracts and/or reflects and/or absorbs light of different wavelengths differently.
  • a first pattern e.g. a stripe pattern with horizontal stripes
  • a second pattern e.g. a stripe pattern with vertical stripes and/or a pattern with one or more circles
  • the slide is designed such that the projected pattern has at least one area with a shade of gray when white light is shone into the optical device.
  • the advantage of this is that not only white and black areas of the pattern can be generated by white light, but also areas of the pattern that have a shade of gray or different shades of gray can be projected.
  • the pattern can have more than two colors (where black and white are counted as colors), namely, for example, black, gray and white.
  • the optical device is arranged on the light source in such a way that the light emitted by the light source only partially passes through the optical device due to refraction and/or diffraction and/or reflection and/or absorption in the slide.
  • the advantage of this is that unwanted light does not leave the optical device. This ensures that this light does not contribute to the pattern or negatively influence the pattern. In addition, this ensures that the light projection device projects a pattern that has a high contrast even in low light.
  • the light source comprises a, in particular multimodal, glass fiber, a waveguide and/or an LED.
  • the light projection device is technically particularly simple and inexpensive.
  • the light projection device can be designed to be particularly compact.
  • the light source is formed in one piece with the optical device.
  • the light projection device can be manufactured in a technically simple manner.
  • slipping/displacement of the optical device relative to the light source and/or detachment of the optical device from the light source is reliably prevented. This ensures that the light from the light source is always radiated into the optical device at the same angle.
  • the light source is designed such that the light source emits light onto the optical device in a conical shape, in particular a circular conical shape, with an opening angle of a maximum of 30°, in particular a maximum of 15°, preferably a maximum of 5°. This allows a particularly detailed pattern to be projected. The surface can thus be examined in particular detail using the light projection device.
  • the optical device is additively manufactured directly on a light source for radiating light into the optical device.
  • the advantage of this is that the optical device cannot change its relative position to the light source. In particular, detachment of the optical device from the light source is also reliably prevented.
  • this manufacturing method ensures that the light source always radiates the light into the optical device at the same angle.
  • the manufacturing method is technically particularly simple.
  • the slide is produced in such a way that only a portion of the light radiated into the optical device reaches the projection optics.
  • the refraction, diffraction, reflection and/or absorption of the light radiated into the optical device by the slide can be carried out, for example, by the following measures: refractive deflection by the slide; deflection by total internal reflection within the slide; generation of a point array or intermediate image by means of a lens structure of the slide, wherein the point array is spaced from the slide; reflection based on a Fabry-Perot resonator structure; deflection by a grating of the slide; absorption by absorbing materials of the slide; and/or absorption by fluids, in particular liquids, introduced into the slide after the optical device has been manufactured.
  • a pattern can be understood in particular as an at least partially regular structure.
  • the pattern typically comprises simple geometric figures or structures (e.g. straight lines, circles, etc.).
  • the pattern can be a striped pattern and/or a pattern with ellipses and/or circles.
  • the pattern can in particular consist of lighter and darker areas (i.e. weakly or not at all illuminated with light). These areas can in particular alternate regularly within the pattern.
  • the pattern does not necessarily have to have repeating structures, but can, for example, only have a single geometric shape (e.g. a circle, an ellipse, a rectangle and/or a triangle).
  • the pattern can have repeating structures (e.g. have a striped pattern).
  • the pattern can also consist, for example, of a pixelated arrangement of gray values that, when put together, form an image.
  • the projection optics can in particular comprise one or more lenses.
  • the projection optics can focus the light or project the pattern onto the surface.
  • the location of the focus or the image can be the surface of the material whose properties are to be recorded or can be in front of or behind the surface of the material.
  • the shape of the projected pattern or the pattern is known or can be easily determined.
  • the projected pattern should correspond exactly to the target pattern - the properties of the surface can be determined. can be easily determined. Distortions, shifts or similar of the projected pattern or a part of it on the surface allow conclusions or determinations to be made about the shape and/or orientation of the surface.
  • the projected pattern or target pattern can be a circle.
  • this pattern in the form of a circle on the surface is distorted into an ellipse or an ellipse is visible on the surface, the surface is tilted relative to a parallel to the slide or lens or the surface has an angle other than zero to the parallel to the slide or lens.
  • the slide can in particular have three-dimensional slide structure elements through which the light is partially refracted and/or diffracted and/or reflected and/or absorbed and through which the light is partially transmitted essentially unchanged and essentially unchanged in its direction of propagation.
  • Fig. 1 is a schematic side view of an embodiment of the light projection device according to the invention.
  • Fig. 2 is a detailed view of a first embodiment of the slide of the light projection device from Fig. 1;
  • Fig. 3 is a detailed view of a second embodiment of the slide of the light projection device from Fig. 1;
  • Fig. 4 is a detailed view of a third embodiment of the slide of the light projection device from Fig. 1;
  • Fig. 5 is a detailed view of a fourth embodiment of the slide of the light projection device from Fig. 1;
  • Fig. 6 is a detailed view of a fifth embodiment of the slide of the light projection device from Fig. 1;
  • Fig. 7 is a detailed view of a sixth embodiment of the slide of the light projection device from Fig. 1;
  • Fig. 8 is a detailed view of a seventh embodiment of the slide of the light projection device from Fig. 1;
  • Fig. 9 is a detailed view of an eighth embodiment of the slide of the light projection device of Fig. 1;
  • Fig. 10 is a detailed view of a ninth embodiment of the slide of the light projection device from Fig. 1.
  • Fig. 1 shows a schematic side view of an embodiment of the light projection device 10 according to the invention.
  • the light projection device 10 is designed to project a pattern onto a surface 98 of a material 97.
  • the light projection device 10 comprises a light source and an optical device 20.
  • the light source can generate the light itself (eg LED) or direct the light from a light generating device and thus represent a light source.
  • the light source can comprise a glass fiber 90, in particular a multimodal one, a waveguide and/or an LED.
  • the light can be (temporally or spatially) incoherent light.
  • the light source, eg the glass fiber 90 can have a small diameter (eg less than 500 pm). A broad wavelength spectrum can be used. This prevents a speckle effect.
  • the light projection device 10 or the optical device 20 of the light projection device 10 can be arranged on or in a photonic integrated circuit (PIC) or can be a part thereof.
  • PIC photonic integrated circuit
  • the optical device 20 is formed in one piece with the light source.
  • the optical device 20 is thus immovable relative to the light source.
  • the optical device 20 comprises a slide 30 and a projection optics 60.
  • the light from the light source is radiated into the optical device 20.
  • the optical device 20 projects a pattern onto a surface 98 of a material 97.
  • the pattern or the pattern visible on the surface 98 can be optically detected.
  • the slide 30 generates a locally varying intensity or angle distribution. As a result, the slide 30 generates the pattern and the projection optics 60 focus the rays of the pattern or the pattern and/or project the pattern onto the surface.
  • the slide 30 can in particular be designed in the shape of a circular disk.
  • the optical device 20 is manufactured in one piece using an additive manufacturing process.
  • the slide 30 and the projection optics 60 are manufactured using the same additive manufacturing process. This means that the slide 30 and the projection optics 60 were formed in a common or a single manufacturing process. As a result, no alignment of the slide 30 relative to the projection optics 60 is necessary after manufacturing. Slipping or displacement relative to one another is also not possible. The distance between the slide 30 and the projection optics 60 cannot change either. The shape of the pattern cannot therefore change due to a change in the position of the projection optics 60 relative to the slide 30.
  • the projection optics 60 can comprise one or more lenses 62, 64.
  • the projection optics 60 has two, in particular aspherical, lenses 62, 64.
  • the projection optics 60 can extend over the entire width or the entire diameter of the slide 30 or have an even greater width or a larger diameter than the slide 30.
  • the slide 30 and the projection optics 60 or the lens 62, 64 or lenses 62, 64 of the projection optics 60 can be made of or consist of the same material, in particular a dielectric material. This simplifies the manufacturing process through an additive manufacturing process.
  • the slide 30 is connected to the projection optics 60 via a plurality of webs 70, 80.
  • the slide 30 can be connected directly or immediately to the projection optics 60 via a plurality of webs 70, 80. This means that the slide 30 is not arranged on a substrate or the like, with the substrate being connected to the projection optics 60, but rather that the slide 30 is connected directly or immediately (without detours or further intermediate elements) to the webs 70, 80 and the webs 70, 80 are connected directly (without detours or further intermediate elements) to the projection optics 60.
  • First webs 70 are arranged between the slide 30 and a first lens 62 of the projection optics 60.
  • Second webs 80 can be arranged between the first lens 62 and the second lens 64.
  • the webs 70, 80 were produced in the same additive manufacturing process in which the slide 30 and the projection optics 60 were produced.
  • the slide 30, the projection optics 60 and the webs 70, 80 are thus formed in one piece or were produced in one piece in an additive manufacturing process. This makes the optical device 20 particularly robust against mechanical influences.
  • the slide 30 has a plurality of slide structure elements 32-38.
  • the slide structure elements 32-38 are located on the side of the slide 30 facing the projection optics 60. This means that the slide 30 can be flat on the side associated with the light source and is not flat on the side associated with the projection optics 60, but has an uneven or non-flat structure due to the slide structure elements 32-38.
  • the slide structure elements 32-38 refract and/or diffract and/or reflect and/or absorb the light or a portion of the light and/or deflect the light or a portion of the light. It is possible that the slide 30 does not have any absorbing slide structure elements 32-38. This means that no part of the light is absorbed by the slide 30. The light will only be refracted and/or diffracted and/or reflected.
  • the additive manufacturing process may include a 3D printing process, e.g. multi jet fusion, fused layer modelling, free jet material deposition processes such as poly-jet modelling or multi-jet modelling, laser sintering, laser beam melting, electron beam melting, digital light processing, stereolithography and/or two-photon lithography.
  • a 3D printing process e.g. multi jet fusion, fused layer modelling, free jet material deposition processes such as poly-jet modelling or multi-jet modelling, laser sintering, laser beam melting, electron beam melting, digital light processing, stereolithography and/or two-photon lithography.
  • Fig. 2 shows a detailed view of a first embodiment of the slide 30 of the light projection device 10 from Fig. 1.
  • the slide structure elements 32-38 comprise a plurality of elements with a triangular cross-section, which have an angle to the output surface 95 of the light source and refractively deflect the light, and a plurality of elements with a rectangular cross-section, the surface of which facing away from the light source runs parallel to the output surface 95 of the light source and which let the light pass through essentially unhindered and unchanged in its direction of propagation.
  • the slide structure elements 32, 33, 35, 36 with a triangular cross-section can have a tetrahedral shape.
  • the slide structure element(s) 34 with a rectangular cross-section can have a cuboid shape and/or a cube shape.
  • the slide 30 or the side of the slide 30 facing the light source runs parallel to the output surface 95 of the light source.
  • Incoming light 50 enters the slide 30 from the left in Fig. 2.
  • part of the light is deflected by the slide 30 (shown by arrows pointing to the top right or bottom right in Fig. 2).
  • This deflected light is not projected onto the surface 98 (also called false light 55-59). It is possible that this deflected light does not reach the projection optics 60 or does not reach the surface 98 of the material 97 from the projection optics 60, at least not directly (i.e.
  • a first part of the light thus passes through the slide 30 essentially unchanged and unchanged in its direction. This first part of the light is focused by the projection optics 60 to form the pattern on the surface 98 or this first part of the light is emitted by the projection optics 60 to image the pattern onto the surface 98.
  • a second part of the light is refracted, diffracted, absorbed and/or reflected by the slide 30 in such a way that this second part either does not reach the projection optics 60 at all or this second part is not imaged and/or focused by the projection optics 60 to form the pattern. The second part of the light therefore does not reach the area of the surface 98 of the pattern onto which the pattern is projected.
  • the light projection device 10 can be introduced into an opening of a small diameter depression in order to examine, for example, the surface 98 of the end of the depression.
  • the pattern is beamed onto the surface 98 of the end of the depression using the light projection device 10.
  • the reflected light from the surface 98 is detected using an optical detection device.
  • the visible pattern or visible reflected light on the surface 98 can be compared with the emitted pattern. This can be done either by a person or by a computer or software (e.g. a machine learning system). In this way, the unevenness of the surface 98 can be recognized or determined.
  • a tilt of the surface 98 relative to a parallel to a lens 62, 64 or the slide 30 of the projection optics 60 can also be determined.
  • the projection optics 60 focus the light that reaches the projection optics 60 or projects the pattern onto the surface 98.
  • the focus can be on the surface 98 of the material 97. It is also conceivable that the focus is between the projection optics 60 and the surface 98 of the material 97, i.e. in front of the surface 98. It is also possible that the focus is behind the surface 98 of the material 97.
  • the projection optics 60 are not shown in Fig. 2 or in the following Figs. 3-10.
  • the projection optics 60 are located to the right of the slide 30 shown in Figs. 2-10.
  • the light source is located to the left of the slide 30 in Figs. 2-10 or can be located to the left of the slide 30 in Fig. 2-10. In Figs. 2-10, only a part or a section of the slide 30 can be shown. This means that there can be several areas through which the light is transmitted essentially unchanged and not just one area, as partially shown in Figs. 2-10.
  • This also means that the number of slide structure elements 32-38 is larger, in particular much larger, than shown in Figs. 2-10.
  • the number of slide structure elements 32-38 can be in the range of hundreds, thousands, tens of thousands, hundreds of thousands or millions.
  • the light that emerges from the slide 30 and contributes or is intended to contribute to the pattern is also called useful light 52, 53, 54.
  • the light that emerges from the slide (refracted, diffracted, reflected) and does not contribute or is not intended to contribute to the pattern is also called false light 55-59.
  • the slide structure elements 32-38 are produced by the additive manufacturing process (together with the projection optics 60).
  • the slide structure elements 32-38 of the slide 30 generate the pattern that is focused by the projection optics 60 and radiates onto the surface 98 of the material 97 or is imaged onto the surface 98 by the projection optics 60.
  • the pattern generated by the slide 30 can of course be changed by the projection optics 60 or the pattern can be created by the projection optics 60.
  • the pattern visible on the surface 98 of the material 97 can be optically recorded.
  • a target pattern e.g. the projected pattern on a flat surface that runs parallel to the output surface 95 of the light source
  • the optical recording can be carried out, for example, with an endoscopic camera.
  • the properties of the surface 98 can in particular be unevenness or elevations and/or depressions on the surface 98.
  • An angle of the surface 98 to the parallel of the output surface 95 of the light source can also be determined in this way.
  • the comparison can be carried out using a computer or software.
  • a machine learning system can also be used here.
  • the pattern may comprise a stripe pattern and/or one or more circles and/or one or more rectangles.
  • the pattern may in particular be static.
  • the slide 30 or the slide structure elements 32-38 can be manufactured additively directly or immediately on the light source or the output surface 95 of the light source, e.g. 3D printed.
  • the slide 30, the projection optics 60 and the light source are thus manufactured in one piece.
  • Each slide 30 has a projection optics 60 and vice versa. This means that each projection optics 60 is assigned exactly one slide 30 and that each slide 30 is assigned exactly one projection optics 60.
  • the slide 30 is thus formed in one piece with exactly one projection optics 60 and the projection optics 60 is formed in one piece with exactly one slide 30. It is possible for an optical device 20 to have exactly one slide 30 and exactly one projection optics 60.
  • slide 30 allows all the incident light to pass through. It only partially changes the direction of the light.
  • Fig. 3 shows a detailed view of a second embodiment of the slide 30 of the light projection device 10 from Fig. 1.
  • the second embodiment differs from the first embodiment of the slide 30 in that in the second embodiment, in contrast to the first embodiment of the slide 30, the slide structure element 32-38 that allows the light to pass through essentially undeflected is arranged on the side facing away from the output surface 95 of the light source (on the right in Fig. 3) at a distance from deflecting elements (elements that are triangular in cross section).
  • a slide structure element 32-38 that allows the light to pass through essentially unchanged is arranged in the middle of the slide 30.
  • the second embodiment of the slide 30 also allows the light that is radiated into the slide 30 from the light source to pass through completely or is transparent to the light. The direction of part of the light is merely changed.
  • Fig. 4 shows a detailed view of a third embodiment of the slide 30 of the light projection device 10 from Fig. 1.
  • the third embodiment differs from the first embodiment in that the slide structure elements 32-38 (triangular in cross section) which deflect the light in the third embodiment have a different angle to the output surface 95 of the light source than in the first embodiment, so that the light is deflected multiple times, whereby total reflection occurs.
  • the slide structure element 32-38 (rectangular in cross section) in Fig. 4, which is shown in the middle in Fig. 4, allows the light to pass unhindered through the slide 30. Thus, part of the light is totally reflected, while another part of the light is allowed to pass through the slide 30 essentially unchanged.
  • Fig. 5 shows a detailed view of a fourth embodiment of the slide 30 of the light projection device 10 from Fig. 1.
  • the slide structure elements 32-38 have at least a partial triangular shape in cross section.
  • the incident light 50 is initially partially totally reflected, then refracted and then directed to the side so that the light does not reach the projection optics 60.
  • totally reflected light can also exit the slide 30 in the direction of the projection optics 60 and be directed laterally past the entrance aperture of the projection optics 60.
  • the incident light 50 passes through the slide 30 essentially unhindered and unchanged in direction in areas of the slide 30 that do not have a triangular shape in cross section. This light is then useful light 52, 53, 54.
  • Fig. 6 shows a detailed view of a fifth embodiment of the slide 30 of the light projection device 10 from Fig. 1.
  • the slide structure elements 32-38 in the fifth embodiment have a lens-like structure.
  • the light is redistributed or deflected and/or diffracted in such a way that a type of point array or other intermediate image is generated on a plane that is spaced apart from the slide 30, at whose points the light is focused, and this point array is projected onto the Surface 98 of the material 97 is projected.
  • No part of the light is deflected, refracted, bent or similar in such a way that it does not contribute to the creation of the pattern.
  • the advantage of this is that all of the light is used to create the pattern. This allows the pattern to be particularly high-contrast.
  • the pattern that is radiated onto the surface 98 of the material 97 is first created by the projection optics 60.
  • Fig. 7 shows a detailed view of a sixth embodiment of the slide 30 of the light projection device 10 from Fig. 1.
  • the slide 30 comprises a Fabry-Perot resonator or the slide structure elements 32-38 form Fabry-Perot resonator structures.
  • the light is essentially completely reflected in one area (left and right of the center in Fig. 6). In the center, the light is allowed to pass through the slide 30 essentially unchanged.
  • Fig. 8 shows a detailed view of a seventh embodiment of the slide 30 of the light projection device 10 from Fig. 1.
  • the slide structure elements 32-38 form a grating through which the light is diffracted.
  • the grating formed can be seen at the top and bottom of the center. This diffractes the light (diffraction orders 0) in such a way that the light either does not reach the projection optics 60 at all or does not contribute to generating the pattern after passing through the projection optics 60.
  • the deflected light is shown in Fig. 7 by arrows running diagonally to the top right and bottom right. The arrow running horizontally to the right in the upper part of Fig. 7 shows the light that generates or projects the pattern.
  • Fig. 9 shows a detailed view of an eighth embodiment of the slide 30 of the light projection device 10 from Fig. 1.
  • the light-absorbing and/or strongly scattering slide structure elements 32-38 are also produced during the additive manufacturing process. Thus, part of the light or the light in intended areas of the slide 30 is absorbed and does not reach the projection optics 60. Another part of the light is allowed to pass through the slide 30 essentially unchanged.
  • Fig. 10 shows a detailed view of a ninth embodiment of the slide 30 of the light projection device 10 from Fig. 1.
  • the ninth embodiment there are areas of the slide 30 or the slide structure elements 32-38 which have a receiving space.
  • Material which partially or completely absorbs the light can be introduced into this receiving space or spaces during the additive production of the slide 30 (and thus also of the projection optics 60). It is also conceivable that the material which partially or completely absorbs the light is introduced into the receiving space or spaces after the additive production of the slide 30 and the projection optics 60.
  • the material can in particular be a fluid, preferably a liquid. This liquid can also be hardened and, for example, polymerize or dry.
  • the receiving spaces can be closable so that they are permanently closed or can be reopened after the material has been introduced.
  • the slide 30 or the optical device 20 produces a black and white pattern.
  • the slide 30 or the optical device 20 produces a pattern that includes one or more shades of gray in addition to black and white. To do this, the light is only partially absorbed and/or refracted and/or reflected and/or scattered.
  • the slide 30 can be designed in such a way that different areas of the slide 30 are permeable to different wavelengths of light or to different colored light or that the light is broken, diffracted, reflected and/or absorbed differently depending on the wavelength.
  • a different pattern can be projected with light of a first wavelength (e.g. blue light) than with light of a second wavelength (e.g. red light).
  • a first wavelength e.g. blue light
  • a second wavelength e.g. red light

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Abstract

Es wird eine Optikvorrichtung (20) zum Projizieren eines Musters auf eine Oberfläche (98) vorgeschlagen, wobei die Optikvorrichtung (20) folgendes umfasst: ein Dia (30), wobei das Dia (30) zum Erzeugen des Musters einen Teil von in die Optikvorrichtung (20) gestrahltem Licht bricht und/oder beugt und/oder reflektiert und/oder absorbiert, und eine Projektionsoptik (60), wobei die Projektionsoptik (60) zum Abbilden des Musters auf die Oberfläche (98) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dia (30) und die Projektionsoptik(60) einstückig ausgebildet sind.

Description

Optikvorrichtung zum Projizieren eines Musters auf eine Oberfläche
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Optikvorrichtung zum Projizieren eines Musters auf eine Oberfläche.
Stand der Technik
Bei schwer zugänglichen Kavitäten kann mittels eines durch Licht auf eine Oberfläche projizierten Musters die Ebenheit der Oberfläche erfasst werden. Hierzu wird z.B. durch ein Endoskop Licht auf die Oberfläche gestrahlt und das projizierte Muster optisch erfasst.
Ein Dia kann zum Erzeugen des Musters verwendet werden und eine Projektionsoptik bildet das Muster auf die Oberfläche ab.
Nachteilig an bisher bekannten derartigen Vorrichtungen bzw. Verfahren ist, dass die Projektionsoptik zu dem Dia ausgerichtet werden muss. Zudem kann die Ausrichtung bzw. das Alignment zwischen dem Dia und der Projektionsoptik sich über die Zeit ändern, wodurch sich das Muster ändert.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Optikvorrichtung zum Projizieren eines Musters auf eine Oberfläche aufzuzeigen, die technisch besonders einfach ist und bei der die relative räumliche Position zwischen einem Dia der Optikvorrichtung und einer Projektionsoptik der Optikvorrichtung zuverlässig unverändert bleibt.
Diese Aufgabe wird durch eine Optikvorrichtung zum Projizieren eines Musters auf eine Oberfläche gemäß Anspruch 1 gelöst. Insbesondere wird die Aufgabe durch eine Optikvorrichtung zum Projizieren eines Musters auf eine Oberfläche gelöst, wobei die Optikvorrichtung folgendes umfasst: ein Dia, wobei das Dia zum Erzeugen des Musters einen Teil von in die Optikvorrichtung gestrahltem Licht bricht und/oder beugt und/oder reflektiert und/oder absorbiert, und eine Projektionsoptik, wobei die Projektionsoptik zum Abbilden des Musters auf die Oberfläche ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dia und die Projektionsoptik einstückig ausgebildet sind.
Ein Vorteil hiervon ist, dass die Optikvorrichtung technisch sehr einfach aufgebaut ist. Zudem kann sich die Ausrichtung zwischen Dia und Projektionsoptik nicht ändern, da diese einstückig und somit räumlich unveränderbar zueinander ausgebildet sind. Somit kann die Optikvorrichtung das Muster sicher unverändert und präzise projizieren. Darüber hinaus kann die Optikvorrichtung mit inkohärentem Licht verwendet werden. Hierdurch werden Speckle-Effekte vermieden. Insbesondere kann eine multimodale Lichtquelle mit großer spektraler Bandbreite zum Strahlen des Lichts in die Optikvorrichtung verwendet werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Optikvorrichtung eine örtlich variierende Intensitätsverteilung und/oder Winkelverteilung erzeugen kann. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass Falschlicht, d.h. unerwünschtes Licht, zum projizierten Muster beiträgt. Teile des Lichts, die nicht zum projizierten Muster beitragen sollen, können durch Brechung, Beugung, Reflektion und/oder Absorption daran gehindert werden, auf die Oberfläche, auf die das Muster projiziert werden soll, zu gelangen. Die Optikvorrichtung kann insbesondere einstückig durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt worden sein.
Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zu Grunde, eine Lichtprojektionsvorrichtung aufzuzeigen, die technisch besonders einfach aufgebaut ist.
Insbesondere wird die Aufgabe durch eine Lichtprojektionsvorrichtung umfassend eine Optikvorrichtung wie oben beschrieben, und eine Lichtquelle zum Senden von Licht in die Optikvorrichtung gelöst, wobei die Optikvorrichtung derart auf der Lichtquelle angeordnet ist, dass das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht aufgrund von Brechung und/oder Beugung und/oder Reflektion und/oder Absorption im Dia nur ein Teil des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichts das von der Optikvorrichtung projizierte Muster bildet. Vorteilhaft hieran ist, dass die Lichtprojektionsvorrichtung technisch besonders einfach aufgebaut ist. Zudem ist bei der Lichtprojektionsvorrichtung die Ausrichtung zwischen dem Dia und der Projektionsoptik relativ zueinander unveränderbar. Da das Licht der Lichtquelle durch das Dia gebrochen, gebeugt, reflektiert und/oder absorbiert wird, kann die Lichtquelle inkohärentes Licht in die Optikvorrichtung strahlen. Auf diese Weise werden Speckle- Effekte verhindert.
Der Erfindung liegt zudem die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Optikvorrichtung aufzuzeigen, mittels dem eine Optikvorrichtung technisch einfach hergestellt werden kann.
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen einer Optikvorrichtung, insbesondere wie oben beschrieben, in einem additiven Herstellungsverfahren gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Herstellen eines Dias, wobei das Dia zum Erzeugen eines Musters auf einer Oberfläche einen Teil von in die Optikvorrichtung gestrahltem Licht bricht und/oder beugt und/oder reflektiert und/oder absorbiert, und - einer Projektionsoptik, wobei die Projektionsoptik zum Abbilden des Musters auf eine Oberfläche ausgebildet ist, wobei das Dia und die Projektionsoptik einstückig hergestellt werden.
Ein Vorteil hiervon ist, dass das Dia und die Projektionsoptik mit derselben additiven Herstellungsmethode hergestellt werden kann. Zudem ist durch diese Art der Herstellung die fixe bzw. feste Ausrichtung bzw. Positionierung der Projektionsoptik relativ zu dem Dia bzw. umgekehrt sichergestellt. Ein Verschieben, ein Montagefehler bei der Ausrichtung oder ähnliches kann nicht stattfinden. Zudem kann bei der durch dieses Verfahren hergestellten Optikvorrichtung inkohärentes (zeitlich und/oder räumlich) Licht verwendet werden. Auf diese Weise kann der Speckle-Effekt vermieden werden. Darüber hinaus kann durch die hergestellte Optikvorrichtung Falschlicht, d.h. unerwünschtes Licht, sicher davon abgehalten werden, zum projizierten Muster beizutragen oder dieses negativ zu beeinflussen (z.B. indem dunkle Bereiche des Musters von dem Falschlicht beleuchtet wird). Dies kann zum Beispiel dadurch geschehen, dass das Falschlicht innerhalb der Optik in Lichtfallen oder absorbierende Bereiche gelenkt wird. Das additive Herstellungsverfahren kann insbesondere ein 3D-Druck-Verfahren sein. Der Erfindung liegt darüber hinaus die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Untersuchen einer Oberfläche aufzuzeigen, mittels dem technisch einfach und zuverlässig die Eigenschaften der Oberfläche, auch in schwer zugänglichen Bereichen, erfasst werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Untersuchen einer Oberfläche gemäß Anspruch 17 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Untersuchen einer Oberfläche gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Strahlen von Licht durch eine Optikvorrichtung wie oben beschrieben oder aus einer Lichtprojektionsvorrichtung wie oben beschrieben oder durch eine Optikvorrichtung, die mittels eines Verfahrens wie oben beschrieben hergestellt wurde, zum Erzeugen eines, insbesondere zumindest teilweise regelmäßigen, Musters auf der Oberfläche; Erfassen des von der Oberfläche reflektierten Lichts; und Vergleichen des reflektierten Lichts mit einem Sollmuster, insbesondere mittels eines maschinellen Lernsystems, zum Feststellen von Eigenschaften, insbesondere Unebenheiten, der Oberfläche.
Vorteilhaft hieran ist, dass das Verfahren technisch einfach ist und inkohärentes Licht verwendet werden kann. Hierdurch kann der Speckle-Effekt vermieden werden. Zudem kann das Verfahren zuverlässig und präzise durchgeführt werden, da sich die Position der Projektionsoptik relativ zu dem Dia nicht ändern kann und sich somit die Position und/oder Form des projizierten Musters nicht (aufgrund einer Änderung der relativen Position des Dias zu der Projektionsoptik) ändern kann. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren besonders kompakte Geometrien, da durch die einstückige Ausführung Führungs- oder Ausrichtestrukturen entfallen.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikvorrichtung ist das Dia derart ausgebildet, dass das Dia für auf das Dia gerichtetes Licht im Wesentlichen vollständig durchlässig ist. Vorteilhaft hieran ist, dass das gesamte Licht zum Erzeugen des Musters verwendet werden kann. Somit wird besonders wenig Licht benötigt bzw. somit kann das Muster besonders kontrastreich auf die Oberfläche projiziert werden. Auch wird hierbei kein Licht durch das Dia absorbiert. Das gesamte Licht oder Teile des Lichts können zum Erzeugen des Musters beitragen. Abgelenktes, gebrochenes und/oder gebeugtes und/oder reflektiertes Licht kann derart das Dia verlassen, dass es nicht zum Erzeugen des Musters beiträgt. Das gesamte Licht strahlt hierbei gebrochen und/oder gebeugt und/oder reflektiert durch das Dia hindurch.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikvorrichtung sind das Dia und die Projektionsoptik aus dem im Wesentlichen gleichen, insbesondere dielektrischen, Material ausgebildet. Vorteilhaft hieran ist, dass die Optikvorrichtung technisch noch einfacher aufgebaut ist. Zudem kann die Optikvorrichtung technisch besonders einfach hergestellt werden. Das Material kann jeweils dasselbe sein. Das Material kann bevorzugt acrylatbasiertes Fotopolymer, beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA), umfassen oder sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikvorrichtung ist das Dia derart ausgebildet, dass ein Teil des auf das Dia gerichteten Lichts von dem Dia derart gebrochen und/oder gebeugt und/oder reflektiert wird, dass der gebrochene und/oder gebeugte und/oder reflektierte Teil der Lichtstrahlung nicht auf die Projektionsoptik fällt. Ein Vorteil hiervon ist, dass unerwünschtes Licht von der Optikvorrichtung nicht in Richtung der Oberfläche bzw. des projizierten Musters abgestrahlt wird. Auf diese Weise kann zuverlässig verhindert werden, dass der gebrochene und/oder gebeugte und/oder reflektierte Teil des Lichts auf die Oberfläche fällt, da dieser noch nicht einmal die Projektionsoptik erreicht. Somit kann der Kontrast des Musters besonders hoch sein bzw. kann auch mit wenig Licht ein hoher Kontrast des Musters erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikvorrichtung umfasst die Projektionsoptik zwei voneinander beabstandete, insbesondere asphärische, Linsen. Vorteilhaft hieran ist, dass der Fokus der Projektionsoptik bei der Herstellung besonders einfach eingestellt werden kann und die Projektion besonders verzeichnungsfrei erfolgt und generell weniger Bildfehler aufweist. Die Optikvorrichtung kann mehr als zwei voneinander beabstandete, insbesondere asphärische, Linsen umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikvorrichtung sind das Dia und die Projektionsoptik durch mehrere erste Stege, insbesondere direkt, miteinander verbunden, wobei die Stege einstückig mit dem Dia und der Projektionsoptik ausgebildet sind. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Position des Dias relativ zu der Projektionsoptik mechanisch besonders stabil ist. Somit ist die Optikvorrichtung gegenüber mechanischen Einwirkungen sehr robust. Die Stege können das Dia und die Projektionsoptik unmittelbar bzw. direkt miteinander verbinden, d.h. dass auf dem Verbindungspfad von dem Dia zu der Projektionsoptik keine weiteren Elemente vorhanden ist, außer den ersten Stegen.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikvorrichtung ist das Dia derart ausgebildet, dass zumindest ein erster Bereich des Dias Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich bricht und/oder beugt und/oder reflektiert und/oder absorbiert. Ein Vorteil hiervon ist, dass durch Licht verschiedener Wellenlängen mittels desselben Dias unterschiedliche Muster projiziert werden können. So ist denkbar, dass mittels gelben Lichts ein erstes Muster (z.B. ein Streifenmuster mit horizontalen Streifen) projizierbar ist und mit demselben Dia mittels roten Lichts ein zweites Muster (z.B. ein Streifenmuster mit senkrechten Streifen und/oder ein Muster mit einem oder mehreren Kreisen), das sich von dem ersten Muster unterscheidet, projizierbar ist. Hierdurch kann die Oberfläche noch genauer untersucht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Optikvorrichtung ist das Dia derart ausgebildet, dass das projizierte Muster beim Einstrahlen von weißem Licht in die Optikvorrichtung mindestens einen Bereich mit einem Grauton aufweist. Vorteilhaft hieran ist, dass durch weißes Licht nicht nur weiße und schwarze Bereiche des Musters erzeugt werden können, sondern auch Bereiche des Musters, die einen Grauton oder unterschiedliche Grautöne aufweisen, projiziert werden können. Somit kann auch bei weißem Licht das Muster mehr als zwei Farben (wobei Schwarz und Weiß als Farben gezählt werden) aufweisen, nämlich beispielsweise Schwarz, Grau und Weiß.
Gemäß einer Ausführungsform der Lichtprojektionsvorrichtung ist die Optikvorrichtung derart auf der Lichtquelle angeordnet, dass das von der Lichtquelle ausgesandte Licht aufgrund von Brechung und/oder Beugung und/oder Reflektion und/oder Absorption im Dia nur teilweise durch die Optikvorrichtung gelangt. Vorteilhaft hieran ist, dass unerwünschtes Licht die Optikvorrichtung nicht verlässt. Hierdurch wird sichergestellt, dass dieses Licht nicht zum Muster beiträgt bzw. das Muster negativ beeinflusst. Darüber hinaus wird hierdurch erreicht, dass die Lichtprojektionsvorrichtung ein Muster projiziert, das auch bei geringem Licht einen hohen Kontrast aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform der Lichtprojektionsvorrichtung umfasst die Lichtquelle eine, insbesondere multimodale, Glasfaser, einen Wellenleiter und/oder eine LED. Vorteilhaft hieran ist, dass die Lichtprojektionsvorrichtung technisch besonders einfach aufgebaut und kostengünstig ist. Zudem kann die Lichtprojektionsvorrichtung besonders kompakt ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Lichtprojektionsvorrichtung ist die Lichtquelle einstückig mit der Optikvorrichtung ausgebildet. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Lichtprojektionsvorrichtung technisch einfach hergestellt werden kann. Zudem wird ein Verrutschen/Verschieben der Optikvorrichtung gegenüber der Lichtquelle und/oder Ablösen der Optikvorrichtung von der Lichtquelle sicher verhindert. Somit ist sichergestellt, dass das Licht der Lichtquelle immer in demselben Winkel in die Optikvorrichtung eingestrahlt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Lichtprojektionsvorrichtung ist die Lichtquelle derart ausgebildet, dass die Lichtquelle Licht auf die Optikvorrichtung in einer Kegelform, insbesondere einer Kreiskegelform, mit einem Öffnungswinkel von maximal 30°, insbesondere maximal 15°, vorzugsweise maximal 5°, abstrahlt. Hierdurch kann ein besonders detailliertes Muster projiziert werden. Somit kann die Oberfläche mittels der Lichtprojektionsvorrichtung besonders detailliert untersucht werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Optikvorrichtung wird die Optikvorrichtung direkt auf einer Lichtquelle zum Strahlen von Licht in die Optikvorrichtung additiv hergestellt. Vorteilhaft hieran ist, dass die Optikvorrichtung gegenüber der Lichtquelle ihre relative Position nicht verändern kann. Insbesondere wird auch ein Ablösen der Optikvorrichtung von der Lichtquelle zuverlässig verhindert. Darüber hinaus ist durch dieses Herstellungsverfahren sichergestellt, dass die Lichtquelle das Licht immer in demselben Winkel in die Optikvorrichtung einstrahlt. Zudem ist das Herstellungsverfahren technisch besonders einfach.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer Optikvorrichtung wird das Dia derart hergestellt, dass nur ein Teil des in die Optikvorrichtung gestrahlten Lichts zur Projektionsoptik gelangt. Vorteilhaft hieran ist, dass zuverlässig unerwünschtes Licht nicht das projizierte Muster negativ beeinträchtigt. Dadurch, dass ein Teil des Lichts, nämlich der unerwünschte Teil, gar nicht auf die Projektionsoptik gelangt, wird das Muster sicher nicht durch diesen Teil des Lichts beeinflusst. Folglich ist ein besonders hoher Kontrast des Musters erreichbar. Die Brechung, Beugung, Reflektion und/oder Absorption des in die Optikvorrichtung eingestrahlten Lichts durch das Dia kann beispielhaft durch folgende Maßnahmen durchgeführt werden: refraktive Ablenkung durch das Dia; Ablenkung durch interne Totalreflektion innerhalb des Dias; Erzeugung eines Punktarrays oder Zwischenbildes mittels einer Linsenstruktur des Dias, wobei das Punktarray beabstandet zum Dia ist; Reflektion auf Grundlage einer Fabry-Perot-Resonator-Struktur; Ablenkung durch ein Gitter des Dias; Absorption durch absorbierende Materialien des Dias; und/oder Absorption durch nach dem Herstellen des Optikvorrichtung in das Dia eingebrachte Fluide, insbesondere Flüssigkeiten.
Unter einem Muster kann insbesondere eine zumindest teilweise regelmäßige Struktur verstanden werden. Das Muster umfasst typischerweise einfache geometrische Figuren bzw. Strukturen (z.B. gerade Linien, Kreise etc.). Beispielsweise kann das Muster ein Streifenmuster und/oder ein Muster mit Ellipsen und/oder Kreisen sein. Das Muster kann insbesondere aus helleren und dunkleren (d.h. schwach bis gar nicht mit dem Licht beleuchteten) Bereichen bestehen. Diese Bereiche können sich insbesondere regelmäßig abwechseln innerhalb des Musters. Das Muster muss nicht zwingend sich wiederholende Strukturen aufweisen, sondern kann beispielsweise nur eine einzige geometrische Form (z.B. einen Kreis, eine Ellipse, ein Rechteck und/oder ein Dreieck) aufweisen. Das Muster kann sich wiederholende Strukturen aufweisen (z.B. ein Streifenmuster aufweisen). Das Muster kann z.B. auch aus einer pixelierten Anordnung von Grauwerten bestehen, die zusammengesetzt ein Bild ergeben.
Die Projektionsoptik kann insbesondere eine Linse oder mehrere Linsen umfassen. Die Projektionsoptik kann das Licht fokussieren bzw. das Muster auf die Oberfläche abbilden. Der Ort des Fokus bzw. der Abbildung kann die Oberfläche des Materials, dessen Eigenschaften erfasst werden sollen, sein oder kann vor oder hinter der Oberfläche des Materials liegen.
Die Form des projizierten Musters bzw. des Musters ist bekannt bzw. kann einfach festgestellt werden. Durch Vergleich des sichtbaren Musters auf der Oberfläche und wie das Muster auf einer Solloberfläche aussehen sollte (Sollmuster) - z.B. sollte bei einer ebenen Fläche der Oberfläche, die parallel zum Dia bzw. zur einer der Linsen verläuft, das projizierte Muster genau dem Sollmuster entsprechen - können die Eigenschaften der Oberfläche einfach bestimmt werden. Verzerrungen, Verschiebungen oder ähnliches des projizierten Musters bzw. eines Teils hiervon auf der Oberfläche erlauben Rückschlüsse bzw. Feststellungen über die Form und/oder Ausrichtung der Oberfläche. So kann das das projizierte Muster bzw. Sollmuster z.B. ein Kreis sein. Wenn dieses Muster in Form eines Kreises auf der Oberfläche zu einer Ellipse verzerrt ist bzw. eine Ellipse auf der Oberfläche sichtbar ist, ist die Oberfläche gegenüber einer Parallele zum Dia bzw. zur Linse verkippt bzw. weist die Oberfläche einen Winkel ungleich Null zur Parallele zum Dia bzw. zur Linse auf.
Das Dia kann insbesondere dreidimensionale Diastrukturelemente aufweisen, durch die das Licht teilweise gebrochen und/oder gebeugt und/oder reflektiert und/oder absorbiert wird und durch die das Licht teilweise im Wesentlichen unverändert und in seiner Ausbreitungsrichtung im Wesentlichen ungeändert durchgelassen wird.
Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Lichtprojektionsvorrichtung;
Fig. 2 eine Detailansicht einer ersten Ausführungsform des Dias der Lichtprojektionsvorrichtung aus Fig. 1;
Fig. 3 eine Detailansicht einer zweiten Ausführungsform des Dias der Lichtprojektionsvorrichtung aus Fig. 1;
Fig. 4 eine Detailansicht einer dritten Ausführungsform des Dias der Lichtprojektionsvorrichtung aus Fig. 1; Fig. 5 eine Detailansicht einer vierten Ausführungsform des Dias der Lichtprojektionsvorrichtung aus Fig. 1;
Fig. 6 eine Detailansicht einer fünften Ausführungsform des Dias der Lichtprojektionsvorrichtung aus Fig. 1;
Fig. 7 eine Detailansicht einer sechsten Ausführungsform des Dias der Lichtprojektionsvorrichtung aus Fig. 1;
Fig. 8 eine Detailansicht einer siebten Ausführungsform des Dias der Lichtprojektionsvorrichtung aus Fig. 1;
Fig. 9 eine Detailansicht einer achten Ausführungsform des Dias der Lichtprojektionsvorrichtung aus Fig. 1; und
Fig. 10 eine Detailansicht einer neunten Ausführungsform des Dias der Lichtprojektionsvorrichtung aus Fig. 1.
Bei der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Lichtprojektionsvorrichtung 10.
Die Lichtprojektionsvorrichtung 10 ist zum Projizieren eines Musters auf eine Oberfläche 98 eines Materials 97 ausgebildet. Die Lichtprojektionsvorrichtung 10 umfasst eine Lichtquelle und eine Optikvorrichtung 20. Die Lichtquelle das Licht selbst erzeugen (z.B. LED) oder das Licht von einer Lichterzeugungsvorrichtung leiten und so eine Lichtquelle darstellen. Die Lichtquelle kann eine, insbesondere multimodale, Glasfaser 90, einen Wellenleiter und/oder eine LED umfassen. Das Licht kann (zeitlich oder räumlich) inkohärentes Licht sein. Die Lichtquelle, z.B. die Glasfaser 90, kann einen geringen Durchmesser (z.B. weniger als 500 pm) aufweisen. Es ist ein breites Wellenlängenspektrum nutzbar. Hierdurch wird ein Speckle-Effekt verhindert. Beispielsweise kann die Lichtprojektionsvorrichtung 10 bzw. die Optikvorrichtung 20 der Lichtprojektionsvorrichtung 10 auf bzw. in einem photonic integrated circuit (PIC) angeordnet sein bzw. ein Teil hiervon sein.
Denkbar ist, dass die Optikvorrichtung 20 mit der Lichtquelle einstückig ausgebildet ist. Somit ist die Optikvorrichtung 20 unverrückbar gegenüber der Lichtquelle.
Die Optikvorrichtung 20 umfasst ein Dia 30 und eine Projektionsoptik 60. Das Licht der Lichtquelle wird von der Lichtquelle in die Optikvorrichtung 20 eingestrahlt. Mittels des Lichts projiziert die Optikvorrichtung 20 ein Muster auf einer Oberfläche 98 eines Materials 97. Das Muster bzw. das auf der Oberfläche 98 sichtbare Muster kann optisch erfasst.
Das Dia 30 erzeugt eine örtlich variierende Intensitäts- bzw. Winkelverteilung. Hierdurch erzeugt das Dia 30 das Muster und die Projektionsoptik 60 fokussiert die Strahlen des Musters bzw. das Muster und/oder bildet das Muster auf die Oberfläche ab.
Das Dia 30 kann insbesondere kreisscheibenförmig ausgebildet sein.
Die Optikvorrichtung 20 wird bzw. ist einstückig mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt. Das Dia 30 und die Projektionsoptik 60 werden durch dasselbe additive Herstellungsverfahren hergestellt. Dies bedeutet, dass das Dia 30 und die Projektionsoptik 60 in einem gemeinsamen bzw. einem einzigen Herstellungsverfahren bzw. Herstellungsprozess ausgebildet wurden. Hierdurch ist kein Alignment bzw. Ausrichtung des Dias 30 relativ zu der Projektionsoptik 60 notwendig nach dem Herstellen. Auch ein Verrutschen bzw. Verschieben gegeneinander ist nicht möglich. Auch der Abstand zwischen dem Dia 30 und der Projektionsoptik 60 kann sich nicht ändern. Somit kann sich die Form des Musters aufgrund einer Veränderung der Position der Projektionsoptik 60 gegenüber dem Dia 30 nicht ändern. Die Projektionsoptik 60 kann eine oder mehrere Linsen 62, 64 umfassen. Beispielsweise weist die Projektionsoptik 60 zwei, insbesondere asphärische, Linsen 62, 64 auf. Die Projektionsoptik 60 kann sich über die gesamte Breite bzw. den gesamten Durchmesser des Dias 30 erstrecken oder eine noch größere Breite bzw. einen größeren Durchmesser als das Dia 30 aufweisen.
Das Dia 30 und die Projektionsoptik 60 bzw. die Linse 62, 64 oder Linsen 62, 64 der Projektionsoptik 60 können aus demselben bzw. dem gleichen Material, insbesondere einem dielektrischen Material, hergestellt werden bzw. bestehen. Dies vereinfacht das Herstellungsverfahren durch einen additiven Herstellungsprozess.
Das Dia 30 ist über mehrere Stege 70, 80 mit der Projektionsoptik 60 verbunden. Das Dia 30 kann über mehrere Stege 70, 80 direkt bzw. unmittelbar mit der Projektionsoptik 60 verbunden sein. Dies bedeutet, dass das Dia 30 nicht auf einem Substrat oder ähnlichem angeordnet ist, wobei das Substrat mit der Projektionsoptik 60 verbunden ist, sondern dass das Dia 30 direkt bzw. unmittelbar (ohne Umwege oder weitere Zwischenelemente) mit den Stegen 70, 80 verbunden ist und die Stege 70, 80 direkt (ohne Umwege oder weitere Zwischenelemente) mit der Projektionsoptik 60 verbunden sind.
Zwischen dem Dia 30 und einer ersten Linse 62 der Projektionsoptik 60 sind erste Stege 70 angeordnet. Zwischen der ersten Linse 62 und der zweiten Linse 64 können zweite Stege 80 angeordnet sein. Die Stege 70, 80 sind in demselben additiven Herstellungsverfahren erzeugt worden, in dem das Dia 30 und die Projektionsoptik 60 hergestellt wurden. Somit sind das Dia 30, die Projektionsoptik 60 und die Stege 70, 80 einstückig ausgebildet bzw. sind in einem additiven Herstellungsverfahren einstückig hergestellt worden. Hierdurch ist Optikvorrichtung 20 besonders robust gegenüber mechanischen Einflüssen.
Das Dia 30 weist mehrere Diastrukturelemente 32-38 auf. Die Diastrukturelemente 32-38 befinden sich auf der der Projektionsoptik 60 zugewandten Seite des Dias 30. Dies bedeutet, dass das Dia 30 auf der der Lichtquelle zugeordneten Seite flach sein kann und auf der der Projektionsoptik 60 zugeordneten Seite nicht flach ist, sondern eine unebene bzw. nichtflache Struktur aufgrund der Diastrukturelemente 32-38 aufweist. Die Diastrukturelemente 32-38 brechen und/oder beugen und/oder reflektieren und/oder absorbieren das Licht bzw. einen Teil des Lichts und/oder lenken das Licht bzw. einen Teil des Lichts ab. Es ist möglich, dass das Dia 30 keine absorbierenden Diastrukturelemente 32-38 aufweist. Dies bedeutet, dass kein Teil des Lichts von dem Dia 30 absorbiert wird. Das Licht wird hierbei nur gebrochen und/oder gebeugt und/oder reflektiert werden.
Das additive Herstellungsverfahren kann ein 3D-Druckverfahren, z.B. Multi Jet Fusion, Fused Layer Modelling, Freistrahl-Materialauftragsverfahren, wie Poly-Jet Modelling oder Multi-Jet Modelling, Lasersintern, Laser-Strahlschmelzen, Elektronen-Strahlschmelzen, Digital-Light-Processing, Stereolithografie und/oder Zwei-Photonen-Lithographie umfassen.
Fig. 2 zeigt eine Detailansicht einer ersten Ausführungsform des Dias 30 der Lichtprojektionsvorrichtung 10 aus Fig. 1. Die Diastrukturelemente 32-38 umfassen mehrere im Querschnitt dreieckige Elemente, die einen Winkel zur Ausgangsfläche 95 der Lichtquelle aufweisen und das Licht refraktiv ablenken, und mehrere im Querschnitt rechteckige Elemente, deren der Lichtquelle abgewandten Fläche parallel zu der Ausgangsfläche 95 der Lichtquelle verlaufen und die das Licht im Wesentlichen ungehindert und in seiner Ausbreitungsrichtung unverändert durchlassen. Die im Querschnitt dreieckigen Diastrukturelemente 32, 33, 35, 36 können eine Tetraederform aufweisen. Das bzw. die im Querschnitt rechteckigen Diastrukturelemente 34 kann bzw. können eine Quaderform und/oder eine Würfelform aufweisen. Das Dia 30 bzw. die der Lichtquelle zugewandte Seite des Dias 30 verläuft parallel zu der Ausgangsfläche 95 der Lichtquelle.
Von links in Fig. 2 tritt einstrahlendes Licht 50 in das Dia 30 ein. Hierdurch tritt Licht aus dem Dia 30 aus, das das Muster projiziert bzw. mittels der Projektionsoptik 60 projiziert wird (auch Nutzlicht 52, 53, 54 genannt), das durch einen horizontal nach rechts verlaufenden Pfeil im oberen Teil von Fig. 2 dargestellt ist. Zudem wird ein Teil des Lichts durch das Dia 30 abgelenkt (durch Pfeile nach rechts oben bzw. rechts unten in Fig. 2 dargestellt). Dieses abgelenkte Licht wird nicht auf die Oberfläche 98 projiziert (auch Falschlicht 55-59 genannt). Es ist möglich, dass dieses abgelenkte Licht nicht auf die Projektionsoptik 60 gelangt oder von der Projektionsoptik 60 aus, zumindest nicht direkt (d.h. zumindest nicht ohne erneute Reflektion und/oder erneute Brechung und/oder Beugung), nicht auf die Oberfläche 98 des Materials 97 gelangt. Ein erster Teil des Lichts gelangt somit im Wesentlichen unverändert und in seiner Richtung unverändert durch das Dia 30. Dieser erste Teil des Lichts wird von der Projektionsoptik 60 zum Bilden des Musters auf der Oberfläche 98 fokussiert bzw. dieser erste Teil des Lichts wird von der Projektionsoptik 60 zum Abbilden des Musters auf die Oberfläche 98 gestrahlt. Ein zweiter Teil des Lichts wird von dem Dia 30 derart gebrochen, gebeugt, absorbiert und/oder reflektiert, dass dieser zweite Teil entweder gar nicht zur Projektionsoptik 60 gelangt oder dieser zweite Teil wird von der Projektionsoptik 60 nicht zum Bilden des Musters abgebildet und/oder fokussiert. Der zweite Teil des Lichts gelangt somit nicht auf den Bereich der Oberfläche 98 des Musters, auf den das Muster projiziert wird.
Beispielsweise kann die Lichtprojektionsvorrichtung 10 in eine Öffnung einer Vertiefung mit kleinem Durchmesser eingeführt werden, um z.B. die Oberfläche 98 des Endes der Vertiefung zu untersuchen. Hierzu wird das Muster mittels der Lichtprojektionsvorrichtung 10 auf die Oberfläche 98 des Endes der Vertiefung gestrahlt. Mit einer optischen Erfassungsvorrichtung wird das reflektierte Licht der Oberfläche 98 erfasst. Das sichtbare Muster bzw. sichtbare reflektierte Licht auf der Oberfläche 98 kann mit dem abgestrahlten Muster verglichen werden. Dies kann entweder durch einen Menschen oder durch einen Computer bzw. eine Software (z.B. ein maschinelles Lernsystem) durchgeführt werden. Auf diese Weise können die Unebenheiten der Oberfläche 98 erkannt bzw. festgestellt werden. Auch kann eine Verkippung der Oberfläche 98 gegenüber einer Parallele zu einer Linse 62, 64 bzw. dem Dia 30 der Projektionsoptik 60 festgestellt werden.
Auf diese Weise kann technisch einfach ein Muster erzeugt werden. Die Projektionsoptik 60 fokussiert das Licht, das auf die Projektionsoptik 60 gelangt, bzw. bildet das Muster auf die Oberfläche 98 ab. Der Fokus kann auf der Oberfläche 98 des Materials 97 liegen. Denkbar ist auch, dass der Fokus zwischen der Projektionsoptik 60 und der Oberfläche 98 des Materials 97, d.h. vor der Oberfläche 98, liegt. Ebenfalls ist möglich, dass der Fokus hinter der Oberfläche 98 des Materials 97 liegt.
Die Projektionsoptik 60 ist in Fig. 2 und auch in den nachfolgenden Fig. 3-10 nicht gezeigt. Die Projektionsoptik 60 befindet sich bei den Fig. 2-10 rechts von dem gezeigten Dia 30. Die Lichtquelle befindet sich links von dem Dia 30 in den Fig. 2-10 bzw. kann sich links von dem Dia 30 in Fig. 2-10 befinden. In den Fig. 2-10 kann jeweils nur ein Teil bzw. ein Ausschnitt des Dias 30 dargestellt sein. Dies bedeutet, dass es mehrere Bereiche geben kann, durch die das Licht im Wesentlichen unverändert durchgelassen wird und nicht nur einen Bereich, wie in den Fig. 2-10 teilweise dargestellt. Dies bedeutet auch, dass die Anzahl der Diastrukturelemente 32-38 größer, insbesondere viel größer ist, als in den Fig. 2-10 jeweils dargestellt. Die Anzahl der Diastrukturelemente 32-38 kann im Bereich von Hunderten, Tausenden, Zehntausenden, Hunderttausenden oder Millionen liegen.
Das Licht, das aus dem Dia 30 austritt und zum Muster beiträgt bzw. beitragen soll wird auch Nutzlicht 52, 53, 54 genannt. Das Licht, das aus dem Dia austritt (gebrochen, gebeugt, reflektiert) und nicht zum Muster beiträgt bzw. beitragen soll wird auch als Falschlicht 55-59 bezeichnet.
Die Diastrukturelemente 32-38 werden durch das additive Herstellungsverfahren (gemeinsam mit der Projektionsoptik 60) hergestellt. Die Diastrukturelemente 32-38 des Dias 30 erzeugen das Muster, das durch die Projektionsoptik 60 fokussiert auf die Oberfläche 98 des Materials 97 strahlt bzw. durch die Projektionsoptik 60 auf die Oberfläche 98 abgebildet wird. Das vom Dia 30 erzeugte Muster kann durch die Projektionsoptik 60 natürlich geändert werden bzw. das Muster kann durch die Projektionsoptik 60 erst entstehen.
Das auf der Oberfläche 98 des Materials 97 sichtbare Muster kann optisch erfasst werden. Durch Vergleich mit einem Sollmuster (z.B. dem projizierten Muster auf einer ebenen Fläche, die parallel zu der Ausgangsfläche 95 der Lichtquelle verläuft) mit dem optisch erfassten sichtbaren Muster auf der Oberfläche 98 können die Eigenschaften der Oberfläche 98 des Materials 97 erfasst werden. Die optische Erfassung kann z.B. mit einer endoskopischen Kamera durchgeführt werden.
Die Eigenschaften der Oberfläche 98 können insbesondere Unebenheiten bzw. Erhöhungen und/oder Vertiefungen auf der Oberfläche 98 sein. Auch ein Winkel der Oberfläche 98 zur Parallele der Ausgangsfläche 95 der Lichtquelle kann hierdurch bestimmt werden. Der Vergleich kann mittels eines Computers bzw. einer Software durchgeführt werden. Hierbei kann auch ein maschinelles Lernsystem eingesetzt werden. Das Muster kann ein Streifenmuster und/oder einen oder mehrere Kreise und/oder einen oder mehrere Rechtecke umfassen. Das Muster kann insbesondere statisch sein.
Das Dia 30 bzw. die Diastrukturelemente 32-38 können additiv direkt bzw. unmittelbar auf der Lichtquelle bzw. der Ausgangsfläche 95 der Lichtquelle hergestellt, z.B. 3D-gedruckt, werden. Somit ist das Dia 30, die Projektionsoptik 60 und die Lichtquelle einstückig hergestellt.
Jedes Dia 30 weist eine Projektionsoptik 60 auf und umgekehrt. Dies bedeutet, dass jeder Projektionsoptik 60 genau ein Dia 30 zugeordnet ist und dass jedem Dia 30 genau eine Projektionsoptik 60 zugeordnet ist. Das Dia 30 ist somit mit genau einer Projektionsoptik 60 einstückig ausgebildet und die Projektionsoptik 60 ist mit genau einem Dia 30 einstückig ausgebildet ist. Es ist möglich, dass eine Optikvorrichtung 20 genau ein Dia 30 und genau eine Projektionsoptik 60 aufweist.
Die erste Ausführungsform des Dias 30 lässt das gesamte eingestrahlte Licht durch. Es verändert nur die Richtung des Lichts teilweise.
Fig. 3 zeigt eine Detailansicht einer zweiten Ausführungsform des Dias 30 der Lichtprojektionsvorrichtung 10 aus Fig. 1.
Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform des Dias 30 dadurch, dass bei der zweiten Ausführungsform im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform des Dias 30 dasjenige Diastrukturelement 32-38, das das Licht im Wesentlichen nicht-abgelenkt durchlässt, auf der der Ausgangsfläche 95 der Lichtquelle abgewandten Seite (in Fig. 3 rechts) beabstandet zu ablenkenden Elementen (im Querschnitt dreieckige Elemente) angeordnet ist. In der Mitte des Dias 30 ist ein Diastrukturelement 32-38 angeordnet, dass das Licht im Wesentlichen unverändert durchlässt. Auch die zweite Ausführungsform des Dias 30 lässt das Licht, das von der Lichtquelle in das Dia 30 eingestrahlt wird, vollständig durch bzw. ist für das Licht durchlässig. Die Richtung eines Teils des Lichts wird lediglich geändert.
Fig. 4 zeigt eine Detailansicht einer dritten Ausführungsform des Dias 30 der Lichtprojektionsvorrichtung 10 aus Fig. 1.
Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die (im Querschnitt dreieckigen) Diastrukturelemente 32-38, die das Licht ablenken, bei der dritten Ausführungsform einen anderen Winkel zu der Ausgangsfläche 95 der Lichtquelle als bei der ersten Ausführungsform aufweisen, so dass das Licht mehrfach abgelenkt wird, wodurch Totalreflektion auftritt. Das (im Querschnitt rechteckige) Diastrukturelement 32-38 in Fig. 4, das in Fig. 4 in der Mitte gezeigt ist, lässt das Licht ungehindert durch das Dia 30 hindurch. Somit wird ein Teil des Lichts totalreflektiert, während ein anderer Teil des Lichts im Wesentlichen unverändert durch das Dia 30 gelassen wird.
Fig. 5 zeigt eine Detailansicht einer vierten Ausführungsform des Dias 30 der Lichtprojektionsvorrichtung 10 aus Fig. 1. Die Diastrukturelemente 32-38 weisen bei der vierten Ausführungsform im Querschnitt zumindest teilweise eine dreieckige Form auf. Das einfallende Licht 50 wird teilweise zunächst totalreflektiert, dann gebrochen und dann zur Seite gelenkt, so dass das Licht nicht auf die Projektionsoptik 60 gelangt. Somit kann totalreflektiertes Licht bei entsprechender Winkelung der Diastrukturelemente 32-38 auch in Richtung der Projektionsoptik 60 aus dem Dia 30 austreten und seitlich an der Eintrittsapertur der Projektionsoptik 60 vorbeigelenkt werden. Das einfallende Licht 50 gelangt in Bereichen des Dias 30, die im Querschnitt keine dreieckige Form aufweisen, im Wesentlichen ungehindert und in der Richtung unverändert durch das Dia 30 hindurch. Diese Licht ist dann Nutzlicht 52, 53, 54.
Fig. 6 zeigt eine Detailansicht einer fünften Ausführungsform des Dias 30 der Lichtprojektionsvorrichtung 10 aus Fig. 1. Die Diastrukturelemente 32-38 bei der fünften Ausführungsform weisen eine linsenartige Struktur auf. Hierdurch wird das Licht derart umverteilt bzw. abgelenkt und/oder gebeugt, dass auf einer Ebene, die beabstandet zu dem Dia 30 ist, eine Art Punktarray oder ein anderes Zwischenbild erzeugt, an deren Punkten das Licht fokussiert ist, und dieses Punktarray wird mittels der Projektionsoptik 60 auf die Oberfläche 98 des Materials 97 projiziert. Kein Teil des Lichts wird derart abgelenkt, gebrochen, gebeugt oder ähnliches, dass dieses nicht zum Erzeugen des Musters beiträgt. Vorteilhaft hieran ist, dass das gesamte Licht zum Erzeugen des Musters verwendet wird. Hierdurch kann das Muster besonders kontrastreich sein. Das Muster, das auf die Oberfläche 98 des Materials 97 gestrahlt wird, wird erst durch die Projektionsoptik 60 erzeugt.
Fig. 7 zeigt eine Detailansicht einer sechsten Ausführungsform des Dias 30 der Lichtprojektionsvorrichtung 10 aus Fig. 1. Das Dia 30 umfasst einen Fabry-Perot-Resonator bzw. die Diastrukturelemente 32-38 bilden Fabry-Perot-Resonator-Strukturen. Hierdurch wird das Licht in einem Bereich (in Fig. 6 links und rechts von der Mitte) im Wesentlichen vollständig reflektiert. In der Mitte wird das Licht im Wesentlichen unverändert durch das Dia 30 gelassen.
Fig. 8 zeigt eine Detailansicht einer siebten Ausführungsform des Dias 30 der Lichtprojektionsvorrichtung 10 aus Fig. 1. Die Diastrukturelemente 32-38 bilden bei der siebten Ausführungsform ein Gitter, durch die das Licht gebeugt wird. In Fig. 7 ist oben und unten von der Mitte das gebildete Gitter zu sehen. Hierdurch wird das Licht derart gebeugt (Beugungsordnungen 0), dass das Licht entweder überhaupt nicht zur Projektionsoptik 60 gelangt oder nach dem Durchlaufen der Projektionsoptik 60 nicht zum Erzeugen des Musters beiträgt. Das abgelenkte Licht ist in Fig. 7 durch schräg nach oben rechts bzw. unten rechts verlaufende Pfeile gezeigt. Der im oberen Teil von Fig. 7 horizontal nach rechts verlaufende Pfeil zeigt das Licht, das das Muster erzeugt bzw. projiziert.
Fig. 9 zeigt eine Detailansicht einer achten Ausführungsform des Dias 30 der Lichtprojektionsvorrichtung 10 aus Fig. 1. Bei der Herstellung der achten Ausführungsform des Dias 30 werden das Licht absorbierende und/oder stark streuende Diastrukturelemente 32-38 während des additiven Herstellungsverfahrens ebenfalls hergestellt. Somit wird ein Teil des Lichts bzw. das Licht in vorgesehenen Bereichen des Dias 30 absorbiert und gelangt nicht zur Projektionsoptik 60. Ein anderer Teil des Lichts wird im Wesentlichen unverändert durch das Dia 30 gelassen.
Fig. 10 zeigt eine Detailansicht einer neunten Ausführungsform des Dias 30 der Lichtprojektionsvorrichtung 10 aus Fig. 1. Bei der neunten Ausführungsform gibt es Bereiche des Dias 30 bzw. der Diastrukturelemente 32-38 die einen Aufnahmeraum aufweisen. In diesen Aufnahmeraum bzw. in die Aufnahmeräume kann während der additiven Herstellung des Dias 30 (und somit auch der Projektionsoptik 60) das Licht teilweise oder vollständig absorbierendes Material eingebracht werden. Denkbar ist auch, dass das das Licht teilweise oder vollständig absorbierende Material nach der additiven Herstellung des Dias 30 und der Projektionsoptik 60 in den Aufnahmeraum bzw. die Aufnahmeräume eingebracht wird. Das Material kann insbesondere ein Fluid, vorzugsweise eine Flüssigkeit, sein. Diese Flüssigkeit kann zusätzlich aushärtbar sein und z.B. polymerisieren oder eintrocknen. Die Aufnahmeräume können verschließbar sein, so dass diese nach dem Einbringen des Materials dauerhaft oder wiederöffenbar verschlossen werden.
Es ist möglich, dass das Dia 30 bzw. die Optikvorrichtung 20 ein schwarz-weißes Muster erzeugt. Denkbar ist jedoch auch, dass das Dia 30 bzw. die Optikvorrichtung 20 ein Muster erzeugt, das zusätzlich zu Schwarz und Weiß einen oder mehrere Grautöne umfasst. Hierzu wird das Licht nur teilweise absorbiert und/oder gebrochen und/oder reflektiert und/oder gestreut.
Das Dia 30 kann derart ausgebildet sein, dass unterschiedliche Bereiche des Dias 30 für unterschiedliche Wellenlängen von Licht bzw. für verschiedenfarbiges Licht unterschiedlich durchlässig ist bzw. das Licht abhängig von der Wellenlänge unterschiedlich bricht, beugt, reflektiert und/oder absorbiert. Hierdurch kann mit Licht einer ersten Wellenlänge (z.B. blaues Licht) ein anderes Muster projiziert werden als mit Licht einer zweiten Wellenlänge (z.B. rotes Licht). Dies ist bei allen oben beschriebenen Ausführungsform des Dias 30 möglich. Somit können zeitlich hintereinander durch Änderung des Lichts unterschiedliche Muster auf die Oberfläche 98 gestrahlt werden.
Denkbar ist auch, dass bei Einstrahlen von weißem Licht 50 in die Optikvorrichtung 20 durch die Optikvorrichtung 20 farbige Muster projiziert werden.
Bezugszeichenliste:
10 Lichtprojektionsvorrichtung
20 Optikvorrichtung
30 Dia
32-38 Diastrukturelement Einstrahlendes Licht , 53, 54 Nutzlicht -59 Falschlicht Projektionsoptik erste Linse zweite Linse erste Stege zweite Stege Glasfaser Ausgangsfläche der Lichtquelle Material Oberfläche des Materials

Claims

Ansprüche
1. Optikvorrichtung (20) zum Projizieren eines Musters auf eine Oberfläche (98), wobei die Optikvorrichtung (20) folgendes umfasst: ein Dia (30), wobei das Dia (30) zum Erzeugen des Musters einen Teil von in die Optikvorrichtung (20) gestrahltem Licht bricht und/oder beugt und/oder reflektiert und/oder absorbiert, und eine Projektionsoptik (60), wobei die Projektionsoptik (60) zum Abbilden des Musters auf die Oberfläche (98) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dia (30) und die Projektionsoptik (60) einstückig ausgebildet sind.
2. Optikvorrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei das Dia (30) derart ausgebildet ist, dass das Dia (30) für auf das Dia (30) gerichtetes Licht im Wesentlichen vollständig durchlässig ist.
3. Optikvorrichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Dia (30) und die Projektionsoptik (60) aus dem im Wesentlichen gleichen, insbesondere dielektrischen, Material ausgebildet sind.
4. Optikvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dia (30) derart ausgebildet ist, dass ein Teil des auf das Dia (30) gerichteten Lichts von dem Dia (30) derart gebrochen und/oder gebeugt und/oder reflektiert wird, dass der gebrochene und/oder gebeugte und/oder reflektierte Teil der Lichtstrahlung nicht auf die Projektionsoptik (60) fällt.
5. Optikvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Projektionsoptik (60) zwei voneinander beabstandete, insbesondere asphärische, Linsen (62, 64) umfasst.
6. Optikvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dia (30) und die Projektionsoptik (60) durch mehrere erste Stege (70), insbesondere direkt, miteinander verbunden sind, wobei die Stege (70) einstückig mit dem Dia (30) und der Projektionsoptik (60) ausgebildet sind.
7. Optikvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dia (30) derart ausgebildet ist, dass zumindest ein erster Bereich des Dias (30) Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich bricht und/oder beugt und/oder reflektiert und/oder absorbiert.
8. Optikvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dia (30) derart ausgebildet ist, dass das projizierte Muster beim Einstrahlen von weißem Licht in die Optikvorrichtung (20) mindestens einen Bereich mit einem Grauton aufweist.
9. Lichtprojektionsvorrichtung (10) umfassend eine Optikvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und eine Lichtquelle zum Senden von Licht in die Optikvorrichtung (20), wobei die Optikvorrichtung (20) derart auf der Lichtquelle angeordnet ist, dass das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht aufgrund von Brechung und/oder Beugung und/oder Reflektion und/oder Absorption im Dia (30) nur ein Teil des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichts das von der Optikvorrichtung (20) projizierte Muster bildet.
10. Lichtprojektionsvorrichtung (10) nach Anspruch 9, wobei die Optikvorrichtung (20) derart auf der Lichtquelle angeordnet ist, dass das von der Lichtquelle ausgesandte Licht aufgrund von Brechung und/oder Beugung und/oder Reflektion und/oder Absorption im Dia (30) nur teilweise durch die Optikvorrichtung (20) gelangt.
11. Lichtprojektionsvorrichtung (10) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Lichtquelle eine, insbesondere multimodale, Glasfaser (90), einen Wellenleiter und/oder eine LED umfasst.
12. Lichtprojektionsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9-11 , wobei die Lichtquelle einstückig mit der Optikvorrichtung (20) ausgebildet ist.
13. Lichtprojektionsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9-12, wobei die Lichtquelle derart ausgebildet ist, dass die Lichtquelle Licht auf die Optikvorrichtung (20) in einer Kegelform, insbesondere einer Kreiskegelform, mit einem Öffnungswinkel von maximal 30°, insbesondere maximal 15°, vorzugsweise maximal 5°, abstrahlt.
14. Verfahren zum Herstellen einer Optikvorrichtung (20), insbesondere nach einem der Ansprüche 1-8, in einem additiven Herstellungsverfahren, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Herstellen
- eines Dias (30), wobei das Dia (30) zum Erzeugen eines Musters auf einer Oberfläche (98) einen Teil von in die Optikvorrichtung (20) gestrahltem Licht bricht und/oder beugt und/oder reflektiert und/oder absorbiert, und
- einer Projektionsoptik (60), wobei die Projektionsoptik (60) zum Abbilden des Musters auf eine Oberfläche (98) ausgebildet ist, wobei das Dia (30) und die Projektionsoptik (60) einstückig hergestellt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Optikvorrichtung (20) direkt auf einer Lichtquelle zum Strahlen von Licht in die Optikvorrichtung (20) additiv hergestellt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei das Dia (30) derart hergestellt wird, dass nur ein Teil des in die Optikvorrichtung (20) gestrahlten Lichts zur Projektionsoptik (60) gelangt.
17. Verfahren zum Untersuchen einer Oberfläche (98), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Strahlen von Licht durch eine Optikvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1-8 oder aus einer Lichtprojektionsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9-13 oder durch eine Optikvorrichtung (20), die mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 14-16 hergestellt wurde, zum Erzeugen eines, insbesondere zumindest teilweise regelmäßigen, Musters auf der Oberfläche (98);
Erfassen des von der Oberfläche (98) reflektierten Lichts; und
Vergleichen des reflektierten Lichts mit einem Sollmuster, insbesondere mittels eines maschinellen Lernsystems, zum Feststellen von Eigenschaften, insbesondere Unebenheiten, der Oberfläche (98).
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