DE10251412B4

DE10251412B4 - Anordnung zur Messung der Geometrie und/oder Struktur eines Objektes

Info

Publication number: DE10251412B4
Application number: DE10251412.7A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Werth Messtechnik GmbH
Current assignee: Werth Messtechnik GmbH
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2002-11-01
Publication date: 2016-10-06
Anticipated expiration: 2022-11-02
Also published as: US7230721B2; WO2004040234A2; WO2004040234A3; AU2003300508A8; DE10251412A1; EP1556667A2; AU2003300508A1; US20060023226A1; JP2006504941A; WO2004040234B1

Abstract

Anordnung zur Messung der Geometrie und/oder Struktur eines Objekts (38) mittels eines Koordinatenmessgerätes (100) umfassend eine Lichtquelle, von der ein auf einen Messpunkt des Objekts auftreffender Beleuchtungsstrahlengang ausgeht, sowie ein optisches System zur Erfassung und Abbildung des Messpunktes auf wenigstens einem optischen Sensor (36) wie einem CCD-Sensor, wobei das optische System zumindest eine Messlinsen (14, 18, 22, 58, 60, 62, 64) aufweisende zur Vergrößerungs- und/oder Arbeitsabstandsveränderung zueinander verschiebbare Linsengruppe enthält und zumindest einige der Messlinsen jeweils von einer Aufnahme (26, 28, 30, 68, 70, 72, 74) aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einigen der die Messlinsen (14, 18, 22, 58, 60, 62, 64) aufnehmenden Aufnahmen (26, 28, 30, 68, 70, 72, 74) der zumindest einen verschiebbaren Linsengruppe zumindest eine weitere von dem Beleuchtungsstrahl durchsetzte Linse (16, 20, 24, 76, 78, 80, 88) angeordnet ist, wobei ein von den Messlinsen ausgehender erster Strahlengang objektseitig parallel zu dem von der zumindest einen weiteren Linse ausgehenden Beleuchtungsstrahlengang verläuft, wobei der erste Strahlengang und der Beleuchtungsstrahlengang zusammengefasst werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung der Geometrie und/oder Struktur eines Objekts mittels eines Koordinatenmessgerätes umfassend eine Lichtquelle, von der ein auf einen Messpunkt des Objekts auftreffender Beleuchtungsstrahlengang ausgeht, sowie ein optisches System zur Erfassung und Abbildung des Messpunktes auf wenigstens einem optischen Sensor wie einem CCD-Sensor, wobei das optische System zumindest eine Messlinsen aufweisende, zur Vergrößerungs- und/oder Arbeitsabstandsveränderung zueinander verschiebbare Linsengruppe enthält und zumindest einige der Messlinsen jeweils von einer Aufnahme aufgenommen sind.
Für den Einsatz in Bildverarbeitungssystemen für die Messtechnik eignen sich insbesondere Zoom-Objektive als Abbildungssysteme. Bekannt sind hierbei sowohl Systeme, bei denen nur die Vergrößerung verstellt werden kann, als auch Systeme, bei denen sowohl Vergrößerung und Arbeitsabstand unabhängig voneinander verstellt werden können ( DE 198 16 270 A1 ).
Beim Einsatz solcher Systeme ist es gleichfalls erforderlich, eine Beleuchtung der Messobjekte senkrecht von oben zu erzielen. Dies erfolgt bei sogenannten Hellfeld-Auflicht-Beleuchtungen durch Einspiegelung eines Beleuchtungsstrahlengangs in die Zoom-Optik. Hiermit verbunden ist oft der Nachteil, dass Beleuchtungslichtreflexionen an einzelnen optischen Grenzflächen auftreten und somit Falschlicht im Abbildungsstrahlengang die Bildqualität verschlechtert. Um dieses zu vermeiden, kann die Beleuchtung separat angeordnet werden. Das führt dazu, dass Beleuchtungsintensität und Beleuchtungsfleckgröße nicht dem jeweiligen Abbildungsmaßstab der Zoom-Optik angepasst sind.
Es sind ebenfalls Systeme bekannt, bei denen Abstandssensoren, wie Laser-Abstandssensoren, mit in das optische System integriert werden ( DE 100 49 303 A1 , DE 38 06 686 C2 ). Auch hier bereitet es Schwierigkeiten, die optischen Eigenschaften der Zoom-Optik sowohl auf die Anforderung der Bildverarbeitung und die Anforderung der Lasersensorik zu optimieren. Durch separate Einspiegelung wird dieses Problem wiederum teilweise gelöst, jedoch mit dem Nachteil der geringeren Flexibilität erkauft (keine Zoom-entsprechende Verstellung).
Aus der DE 100 56 073 A1 sind ein optisches Verfahren und ein Sensor zur Gewinnung einer 3D-Punktwolke bekannt. Dabei sind einer Lichtquelle ein erstes Zoom-System und einer CCD-Kamera ein zweites Zoom-System zugeordnet, die den gleichen Zoom-Faktor aufweisen. Die auf ein Messobjekt auftreffenden Strahlen konvergieren im Messbereich.
Die US 4,277,130 A bezieht sich auf Stereo-Zoom-Optiken. Dabei sind optische Systeme derart zueinander ausgerichtet, dass die von jedem Teilsystem durchsetzten Strahlengänge unter einem spitzen Winkel zueinander auf einen gemeinsamen Scharfpunkt ausgerichtet sind.
Aus der DE 197 47 027 A1 ist eine Multisensor-Tasteinrichtung bekannt, die einen taktilen Taster, einen Videotaster sowie einen Lasertaster umfasst.
Gegenstand der DE 197 33 709 A1 ist ein optischer Tastkopf für 3D-Koordinatenmessgeräte, der eine Aufspaltungs- bzw. Umlenkvorrichtung für den Beleuchtungsstrahl und für den Beobachtungsstrahl aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die zuvor genannten Nachteile zu vermeiden und eine Anordnung zur Verfügung zu stellen, bei der eine Optimierung der Beleuchtung unter Vermeidung störender Reflexe erfolgt.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in zumindest einigen der die Messlinsen aufnehmenden Aufnahmen der zumindest einen verschiebbaren Linsengruppe zumindest eine weitere von dem Beleuchtungsstrahl durchsetzte Linse angeordnet ist, wobei ein von den Messlinsen ausgehender erster Strahlengang objektseitig parallel zu dem von der zumindest einen weiteren Linse ausgehenden Beleuchtungsstrahlengang verläuft, wobei der erste Strahlengang und der Beleuchtungsstrahlengang zusammengefasst werden.
Dabei verläuft die optische Achse der Messlinsen parallel zur optischen Achse der Abbildungslinsen im Bereich der verschiebbaren Linsengruppen. Unterhalb der verschiebbaren Linsengruppe, also objektseitig, wird der die Abbildungslinsen durchsetzende Strahl in die optische Achse der Messlinsen umgelenkt. Dies kann mittels Spiegeln bzw. Strahlteilern erfolgen.
Erfindungsgemäß werden innerhalb eines Mechanikaufbaus von zumindest einer, vorzugsweise mehrerer, verstellbarer Linsengruppen zum Einstellen des Abbildungsmaßstabes und/oder des Arbeitsabstandes, insbesondere einer Zoom-Optik, mehrere Strahlengänge parallel zusammengefasst.
Es kann so der Mechanikaufwand für das Gesamtsystem konstant gehalten werden und gleichzeitig können die unterschiedlichen Anforderungen mit unterschiedlichen Linsengruppen erfüllt werden. Insbesondere zeichnet sich eine Zoom-Optik mit zu Vergrößerungs- bzw. Arbeitsabstandsänderungen geeigneten verstellbaren Linsen dadurch aus, dass in jeder Linsenaufnahme die Abbildungslinsen für zwei oder mehrere parallel verlaufende Abbildungsstrahlengänge aufgenommen werden. Dabei kann ein erster Strahlengang für die Erfordernisse einer Bildverarbeitungsabbildungsoptik und ein zweiter Strahlengang für die Erfordernisse einer Hellfeldbeleuchtung optimiert werden. Des Weiteren ist vorgesehen, dass ein Strahlengang nach den Erfordernissen einer Bildverarbeitungsoptik und ein weiterer nach den Erfordernissen eines Laserabstandssensors optimiert wird. Die entsprechenden Strahlen durchsetzen getrennte, jedoch von gemeinsamen Aufnahmen aufgenommene Linsen, die ihrerseits im gewünschten Umfang und den Anforderungen entsprechend verstellbar ausgebildet sind, wie dies rein prinzipiell sowohl aus der DE 198 16 270 A1 als auch aus der DE 100 49 303 A1 zu entnehmen ist.
Auch können mehr als zwei Linsen in ein und derselben Aufnahme aufgenommen sein, wobei ein Strahlengang den Erfordernissen einer Bildverarbeitungsoptik, ein Strahlengang nach den Erfordernissen eines Laserabstandssensors und ein Strahlengang nach den Erfordernissen einer Hellfeld-Auflicht-Beleuchtung ausgelegt ist. Die entsprechenden Linsen sind in entsprechenden Aufnahmen integriert.
Die in den jeweiligen Aufnahmen vorhandenen Linsen können gleiche optische Eigenschaften aufweisen, jedoch kann hinsichtlich der Benutzung unterschiedlich farbigen Lichts die Vergütung optimiert sein.
Des Weiteren können für die Optik, also die Linsen für den Bildverarbeitungsstrahlengang, hochwertige und für den bzw. die anderen Strahlengänge geringerwertige optische Systeme mit prinzipiell gleichen Nennparametern gewählt werden.
Ferner sollten die optischen Strahlengänge durch ein Umlenksystem im Frontbereich der Optik, also objektseitig, zu einem gemeinsamen Strahlengang zusammengefaßt werden. Bevorzugt sind Spiegelsysteme bzw. Strahlungsteiler zu nennen.
Auch sollten die optischen Achsen aller integrierten optischen Strahlengänge sich in einem Punkt in der Objektebene schneiden.
Alternativ können die optischen Achsen in der Objektebene parallel zueinander verlaufen.
Des Weiteren kann zusätzlich zu den verschiebbaren Linsenbaugruppen eine verschiebbare Blende integriert sein, die an dem jeweiligen für die Einstellung des Objekts erforderlichen Ort so angeordnet ist, dass ein telezentrisches optisches System realisierbar ist.
Auch besteht die Möglichkeit, dass eine sogenannte Telezenterblende in den optischen Strahlengang bedarfsweise ein- und ausgeschenkt wird. Die Realisierung einer Telezenterblende kann auch durch Öffnen und Schließen wirksam in den Strahlengang eingebracht werden.
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 eines den Zeichnungen zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer Optik und
2 eine zweite Ausführungsform einer Optik.
In dem Ausführungsbeispiel der 1 sind eine erste Linsengruppe 10 und eine zweite Linsengruppe 12 dargestellt. Jede Linsengruppe 10, 12 umfaßt mehrere Linsen 14, 16 bzw. 18, 20 bzw. 22, 24, wobei mehrere Linsen jeweils von einer gemeinsamen Aufnahme 26, 28, 30 ausgehen. Im Ausführungsbeispiel gehen von der Aufnahme 26 die Linsen 18, 20, von der Aufnahme 28 die Linsen 14, 16 und von der Aufnahme 30 die Linsen 22, 24 aus. Sind im Ausführungsbeispiel nur zwei Linsen pro Aufnahme dargestellt, so können entsprechend den Anforderungen auch mehr als zwei Linsen von jeder Aufnahme ausgehen.
Die in den Aufnahmen 26, 28, 30 vorhandenen Linsen 14, 16, 18, 20, 22, 24 sind zueinander derart ausgerichtet, dass parallel zueinander verlaufende Strahlengänge ausbildbar sind. So sind nach der 1 die Linsen 14, 18, 22 in einer ersten Reihe und die Linsen 16, 20, 24 in einer zweiten Reihe mit jeweils gemeinsamer optischer Achse 32, 34 angeordnet. Dabei sind die Linsen 14, 18, 22 mit einer Zoomoptik ausgelegt, um mittels eines optischen Sensors wie eines CCD-Sensors 36 ein Objekt 38 zu messen. Um das Objekt in Hellfeld-Auflichtbeleuchtung messen zu können, ist den entlang der optischen Achse 34 ausgerichteten Linsen 16, 20, 24 eine Lichtquelle 38 zugeordnet. Der die Linsen 24, 16, 28 durchsetzende Strahl wird sodann über einen Spiegel 40 und einen Strahlenteiler 24 sowie eine weitere objektseitig verlaufende feststehende Linse 44 auf das Objekt 38 umgelenkt. Somit treffen der von der Beleuchtungsquelle 38 stammende Lichtstrahl und der für die Messung mittels des CCD-Sensors erforderliche Strahl auf den gleichen Messpunkt des Objektes 38 auf.
Das Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet sich von dem der 1 dahingehend, dass ein parallel zu einem Messstrahl 44 verlaufender Strahl 46 außerhalb von Linsen über einen Spiegel 48 sowie einen Strahlenteiler 50 in den optischen Strahl 44 umgelenkt wird. Somit treffen die Lichtstrahlen 44, 46 im selben Punkt 52 eines Objektes 54 auf. Der Messstrahl verläuft im Ausführungsbeispiel der 2 entlang einer optischen Achse 56 von Linsen 58, 60, 62, 64, die auf einen optischen Sensor wie CCD-Sensor 66 ausgerichtet sind. Ferner gehen die Linsen 58, 60, 62, 64 von Aufnahmen 68, 70, 72, 74 aus, in denen Linsen 76, 78, 80, 88 angeordnet sind, über die der Strahl 46 abgebildet wird. Die Linsen 76, 78, 80, 88 können dabei für eine Hellfeld-Auflichtbeleuchtung oder einen Laserabstandssensor bestimmt sein.
Durch die erfindungsgemäße Lehre werden die dem Stand der Technik immanenten Nacheile vermieden und es kann ohne zusätzlichen Mechanikaufwand unterschiedlichen Anforderungen mit unterschiedlichen Linsengruppen entsprochen werden. Dabei sind die von den Aufnahmen 68, 74 ausgehenden Linsen 58, 76 bzw. 64, 68 fest und die von den Aufnahmen 70, 72 ausgehenden Linsen 60, 78 bzw. 62, 80 beweglich zueinander angeordnet, um z. B. Vergrößerungs- bzw. Arbeitsabstand im gewünschten Umfang verändern zu können. Messungen mit einem Laserabstandssensor bzw. für eine Hellfeld-Auflichtbeleuchtungsmessung werden integriert, ohne dass Einbußen hinsichtlich der Güte in Kauf genommen werden müssen.

Claims

Anordnung zur Messung der Geometrie und/oder Struktur eines Objekts (38) mittels eines Koordinatenmessgerätes (100) umfassend eine Lichtquelle, von der ein auf einen Messpunkt des Objekts auftreffender Beleuchtungsstrahlengang ausgeht, sowie ein optisches System zur Erfassung und Abbildung des Messpunktes auf wenigstens einem optischen Sensor (36) wie einem CCD-Sensor, wobei das optische System zumindest eine Messlinsen (14, 18, 22, 58, 60, 62, 64) aufweisende zur Vergrößerungs- und/oder Arbeitsabstandsveränderung zueinander verschiebbare Linsengruppe enthält und zumindest einige der Messlinsen jeweils von einer Aufnahme (26, 28, 30, 68, 70, 72, 74) aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einigen der die Messlinsen (14, 18, 22, 58, 60, 62, 64) aufnehmenden Aufnahmen (26, 28, 30, 68, 70, 72, 74) der zumindest einen verschiebbaren Linsengruppe zumindest eine weitere von dem Beleuchtungsstrahl durchsetzte Linse (16, 20, 24, 76, 78, 80, 88) angeordnet ist, wobei ein von den Messlinsen ausgehender erster Strahlengang objektseitig parallel zu dem von der zumindest einen weiteren Linse ausgehenden Beleuchtungsstrahlengang verläuft, wobei der erste Strahlengang und der Beleuchtungsstrahlengang zusammengefasst werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlengang (56) ein Bildverarbeitungsstrahlengang ist und/oder der Beleuchtungsstrahlengang (34) ein solcher eines Hellfeldauflichts oder ein Laserabstandssensorstrahlengang ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beleuchtungsstrahlengang (34) und der erste Strahlengang (32, 56) und gegebenenfalls ein weiterer Strahlengang, der die in den Aufnahmen (26, 28, 30, 68, 70, 72, 74) angeordnete Linsen durchsetzt, in einem Punkt des Objektes (38) auftreffen.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Aufnahme (26, 28, 30, 68, 70, 72 74) der Messlinsen (14, 18, 20, 58, 60, 62, 64) der verschiebbaren Linsengruppe zumindest eine weitere Abbildungslinse (16, 20, 24, 76, 78, 80, 88) angeordnet ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder hinter einer unverschiebbar angeordneten objektseitigen weiteren Messlinse (44) ein von den weiteren Linsen (16, 20, 24) ausgehender Strahlengang in die optische Achse der Messlinsen (14, 18, 22) umlenkbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1 mit einer Abbildungsoptik mit Zoom-Optik umfassend in Aufnahmen (26, 28, 30) angeordnete, von einem Strahlengang (32) durchsetzte Linsen (14, 18, 22), die zur Vergrößerungs- und/oder Arbeitsabstandsveränderung zueinander verstellbar sind (38), wobei der Strahlengang auf einen Messpunkt eines zu untersuchenden Objekts auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass von jeder Aufnahme (26, 28, 30) Linsen für zwei oder mehrere parallel zueinander verlaufende Strahlengänge (32, 34) aufgenommen sind und dass die Strahlengänge objektseitig parallel zueinander verlaufen und im Messpunkt auf das zu messende Objekt (38) auftreffen.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlengang für die Erfordernisse einer Bildverarbeitungs-Abbildungsoptik und ein zweiter Strahlengang für die Erfordernisse einer Hellfeldbeleuchtung optimiert ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Aufnahmen (26, 28, 30, 68, 70, 72, 74) Linsen (14, 16, 18, 20, 22, 24, 58, 60, 62, 64, 76, 78, 80, 88) so angeordnet sind, dass sie sowohl die Erfordernisse einer Bildverarbeitungsoptik als auch die eines Laserabstandssensors als auch die einer Hellfeld-Auflichtbeleuchtung erfüllen.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Strahlengängen durchsetzten Linsen jeweils gleiche optische Eigenschaften aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen in Abhängigkeit von der Farbe des diese durchsetzenden Lichts durch Vergütung optimiert sind.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Bildverarbeitungsstrahlengang durchsetzte Linsen (14, 18, 22, 58 60, 62, 64) hochwertige optische Eigenschaften und die weiteren Linsen geringerwertigere optische Eigenschaften mit im Wesentlichen gleichen Nennparametern aufweisen.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Linsen (14, 16, 18, 20, 22, 24, 58, 60, 62, 64, 76, 78, 80, 88) durchsetzten Strahlengänge durch ein Spiegelsystem objektseitig zu einem gemeinsamen Strahlengang zusammengeführt sind.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den verschiebbaren, die Linsen (14, 16, 18, 20, 22, 24, 58, 60, 62, 64, 76, 78, 80, 88) aufnehmenden Aufnahmen (26, 28, 30, 68, 70, 72, 74) eine verschiebbare Blende integriert ist, die an dem jeweiligen für die Einstellung des Objektivs erforderlichen Ort so angeordnet ist, dass ein telezentrisches optisches System realisiert ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Telezenterblende in den optischen Strahlengang bedarfsweise ein- und ausschwenkbar angeordnet ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Telezenterblende durch Öffnen oder Schließen wirksam in den Strahlengang einbringbar ist.