Verfahren und Vorrichtung zur Beleuchtung und Messung eines Objektes Method and device for illuminating and measuring an object
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur Auflichtbeleuchtung und/oder Durchlichtbeleuchtung eines Objektes mittels einer Beleuchtungsquelle. The invention relates to a method and to a device for incident illumination and / or transmitted light illumination of an object by means of a lighting source.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Auflichtbeleuchtung und/oder Durchlichtbeleuchtung eines Objektes mittels einer Beleuchtungsquelle, wobei die von der Beleuchtungsquelle ausgehende Strahlung in den Strahlengang eines optischen Sensors, vorzugsweise Bildverarbeitungssensors, eingekoppelt und auf das Objekt abgebildet wird bzw. ein Verfahren zur Auflichtbeleuchtung und/oder Durchlichtbeleuchtung eines Objektes mittels einer Beleuchtungsquelle, wobei die von der Beleuchtungsquelle ausgehende Strahlung in den Strahlengang eines optischen Sensors, vorzugsweise Bildverarbeitungssensors, eingekoppelt und auf das Objekt abgebildet wird. In particular, the invention relates to a device for incident illumination and / or transmitted light illumination of an object by means of an illumination source, wherein the radiation emanating from the illumination source in the beam path of an optical sensor, preferably image processing sensor, coupled and imaged onto the object or a method for reflected illumination and / or transmitted light illumination of an object by means of an illumination source, wherein the radiation emanating from the illumination source is coupled into the beam path of an optical sensor, preferably image processing sensor, and imaged onto the object.
Auch bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Auflichtbeleuchtung und/oder Durchlichtbeleuchtung eines Objektes mittels einer Beleuchtungsquelle, wobei abhängig von der Position des optischen Sensors nur ein eingeschränkter Bereich der Beleuchtungsquelle angesteuert wird, vorzugsweise ein Bereich innerhalb eines festgelegten Winkelbereiches zur optischen Achse des optischen Sensors. The invention also relates to a device and a method for incident illumination and / or transmitted illumination of an object by means of an illumination source, wherein depending on the position of the optical sensor, only a limited area of the illumination source is driven, preferably a range within a predetermined angular range to the optical axis of the optical sensor.
Eine Positionsänderung eines optischen Sensors liegt insbesondere beim Einsatz in einem Koordinatenmessgerät vor. Die Erfindung bezieht sich daher bevorzugt auf den Einsatz der erfindungsgemäßen Beleuchtung in einem Koordinatenmessgerät. A change in position of an optical sensor is present in particular when used in a coordinate measuring machine. The invention therefore preferably relates to the use of the illumination according to the invention in a coordinate measuring machine.
Eine Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf eine Auflichtbeleuchtung, bei der in zumindest einem Arbeitsabstand einer eingesetzten Optik mit veränderlichem Arbeitsabstand eine Marke auf die Objektoberfläche projiziert wird. An embodiment of the invention relates to incident light illumination, in which a mark is projected onto the object surface in at least one working distance of an optics used with a variable working distance.
Flächig ausgebildete Beleuchtungsquellen werden bereits in vielen Bereichen der Optik und der Messtechnik eingesetzt, beispielsweise für die Durchlichtbeleuchtung oder die Auflichtbeleuchtung von Proben. Hierbei finden jedoch durchgängig nur Leuchtfelder
Einsatz, die eine möglichst homogene Ausleuchtung zur Verfügung stellen und bei denen die Helligkeit für alle Bereiche der Beleuchtungsquelle gemeinsam verändert wird. Hiermit soll eine gleichmäßige Ausleuchtung erreicht werden. Diese Beleuchtungen finden insbesondere im Bereich der Koordinatenmesstechnik mit optischen Sensoren Einsatz. Areal trained lighting sources are already used in many areas of optics and metrology, for example, for the transmitted light illumination or incident illumination of samples. However, only luminous fields are consistently found here Use that provide the most homogeneous possible illumination and in which the brightness for all areas of the illumination source is changed together. This is to achieve a uniform illumination. These illuminations are used in particular in the field of coordinate metrology with optical sensors.
Dies hat jedoch zum Nachteil, dass immer eine Mischung verschiedener Strahlrichtungen vorliegt, im Fall der Auflichtbeleuchtung also eine Mischung zwischen Hellfeldbeleuchtung und Dunkelfeldbeleuchtung vorliegt. Für messtechnische Zwecke, insbesondere bei dimensioneilen Messung, wie beispielsweise in der Koordinatenmesstechnik, ergeben sich damit ein verringerter Kontrast und verschlechterte Messergebnisse, beispielsweise bei der Kantenerkennung im Rahmen einer Bildverarbeitung oder der Bestimmung von Punkten auf der Oberfläche des Objektes. Diese Effekte sind besonders deutlich, wenn keine weiteren optischen Elemente wie Linsen oder ähnliches von der Beleuchtung durchlaufen werden, die Beleuchtung also lediglich durch seitliches Einspiegeln auf das zu messende Objekt gelenkt wird, wie dies in einigen Mikroskopen erfolgt. However, this has the disadvantage that there is always a mixture of different beam directions, in the case of epi-illumination so there is a mixture between bright field illumination and dark field illumination. For metrological purposes, especially in dimensional measurement, such as in coordinate metrology, this results in a reduced contrast and deteriorated measurement results, for example, in edge detection in the context of image processing or the determination of points on the surface of the object. These effects are particularly clear when no further optical elements such as lenses or the like are passed through by the illumination, ie the illumination is directed only by lateral mirroring onto the object to be measured, as is done in some microscopes.
Zur Erhöhung des Kontrastes werden im Stand der Technik, insbesondere in der Mikroskopie mechanische Blenden eingesetzt. Diese sind in ihrer Schaltgeschwindigkeit begrenzt, verschleißen und sind recht unflexibel. Zudem lässt sich dadurch lediglich der Durchmesser einschränken, nicht aber eine definierte Beleuchtungsart realisieren. To increase the contrast, mechanical diaphragms are used in the prior art, in particular in microscopy. These are limited in their switching speed, wear out and are quite inflexible. In addition, this can only restrict the diameter, but not realize a defined lighting.
Ebenso nachteilig ist der relativ große Abstrahlwinkel der einzelnen Leuchtelemente die im Stand der Technik auf dem Gebiet der LEDs oder Laserdioden oder ähnlichen Leuchtmitteln bekannt sind. Hierdurch erreichen Strahlen den optischen Sensor, insbesondere den von der Apertur der Frontlinse erfassten Bereich, die einen großen Winkel zur optischen Achse des Sensors einnehmen, wodurch Kanten oder Strukturen des Messobjektes schräg abgebildet und somit seitliche verschoben erscheinen, beispielsweise auf der flächigen Matrix eines Kamerachips eines Bildverarbeitungssensors. Hierdurch ergeben sich also Abbildungsfehler, insbesondere bei hohen Messobjekten, also Objekten mit einer Ausdehnung in Richtung der Abbildungsachse des optischen Sensors, insbesondere bei Ausdehnungen in der Größenordnung der Schärfentiefe der Optik und darüber hinaus. Um dies zu vermeiden und eine nahezu parallel zur Abbildungsrichtung verlaufende, auch telezentrisch genannte Beleuchtung zu erzeugen, werden optische
Elemente zur Kollimierung oder rohrförmige Blendenarrays eingesetzt. Bei der Kollimierung mittels einer Linse ergibt sich der Nachteil, dass diese nahezu mittig zum Strahlengang des optischen Sensors angeordnet werden muss und somit mit dem Sensor mitbewegt wird. Neben dem erhöhten Aufwand zusätzlicher Antriebe und Führungseinrichtungen, besteht hierdurch Kollisionsgefahr mit dem Messobjekt oder es müssen konstruktiv aufwändige Schutzmaßnahmen ergriffen werden. Zudem erhöhen sich die Baugröße und insbesondere der Abstand zwischen Beleuchtung und Sensor, wodurch die Lichtausbeute sinkt. Zuletzt genanntes gilt ebenso für rohrförmige Blendenarrays, wie diese der EP 1 618 349A1 zu entnehmen sind. Zudem ist nachteilig, dass der Durchmesser der Röhren einen Mindestwert nicht unterschreiten darf, damit noch eine ausreichende Lichtmenge passieren kann. Hierdurch ergibt sich eine Struktur, die abhängig von der verwendeten Optik des Sensors sichtbar sein kann und die Bildqualität negativ beeinflusst. Zudem sind präzise gefertigte rohrförmige Blendenarrays teuer. Kann jedoch ein ähnlicher Effekt der telezentrischen Beleuchtung bzw. der Begrenzung der Abstrahlwinkel der zur Beleuchtung beitragenden Leuchtelemente ohne zusätzliche Maßnahmen wie Linsen oder rohrförmige Blendenarrays erfolgen, kann auf herkömmlich verfügbare und preisgünstige flächige Leuchtelementarrays zurückgegriffen werden, wie sie beispielsweise in der TV- Technik unter dem Namen LCD- oder LED-Array bekannt sind. Auch LCoS- (Liquid Crystal on Silicon) oder OLED-Display-Arrays (organic light emitting diode) können eingesetzt werden. Also disadvantageous is the relatively large radiation angle of the individual light-emitting elements which are known in the art in the field of LEDs or laser diodes or similar light sources. As a result, beams reach the optical sensor, in particular the area covered by the aperture of the front lens, which occupy a large angle to the optical axis of the sensor, whereby edges or structures of the measurement object are displayed obliquely and thus appear laterally displaced, for example on the planar matrix of a camera chip image processing sensor. This results in aberrations, in particular in the case of high measurement objects, ie objects with an extension in the direction of the imaging axis of the optical sensor, in particular in the case of expansions in the order of magnitude of the depth of field of the optics and beyond. To avoid this and to produce an almost parallel to the imaging direction extending, also called telecentric illumination, optical Elements used for collimation or tubular aperture arrays. The collimation by means of a lens has the disadvantage that it must be arranged almost centrally to the beam path of the optical sensor and thus moved with the sensor. In addition to the increased expense of additional drives and guide devices, there is a risk of collision with the measurement object or it may be structurally complex protective measures taken. In addition, the size and in particular the distance between the illumination and the sensor, whereby the luminous efficacy decreases. The latter also applies to tubular diaphragm arrays, as can be seen from EP 1 618 349 A1. In addition, it is disadvantageous that the diameter of the tubes must not fall below a minimum value, so that a sufficient amount of light can happen. This results in a structure which, depending on the optics used by the sensor, can be visible and adversely affects the image quality. In addition, precisely manufactured tubular diaphragm arrays are expensive. However, if a similar effect of the telecentric illumination or the limitation of the emission angle of the lighting elements contributing to the lighting can be carried out without additional measures such as lenses or tubular diaphragm arrays, conventionally available and inexpensive planar light-emitting element arrays can be used, as described, for example, in the TV technology Names LCD or LED array are known. It is also possible to use LCoS (Liquid Crystal on Silicon) or OLED display arrays (organic light emitting diodes).
Aus der Literaturstelle: Christoph et al., Multisensor-Koordinatenmesstechnik, Die Bibliothek der Technik, Band 248, Verlag Moderne Industrie, 2003, sind auf der Seite 23 Beleuchtungsarten dargestellt. Dabei wird beim Hellfeld-Auflicht eine punktförmige Lichtquelle in den Strahlengang der Kamera eingekoppelt. Einkoppeln bedeutet dabei, dass zumindest abschnittsweise der Strahlengang der eingekoppelten Lichtquelle und der der Kamera bereichsweise zusammenfallen. From the reference: Christoph et al., Multisensor Coordinate Metrology, The Library of Technology, Volume 248, Verlag Moderne Industrie, 2003, are shown on page 23 types of illumination. In the bright field incident light, a point-shaped light source is coupled into the beam path of the camera. Coupling means that at least sections of the beam path of the coupled light source and the camera coincide partially.
Beim Dunkelfeld-Auflicht kann eine Beleuchtungsanordnung benutzt werden, wie diese der EP 1 373 827 Bl zu entnehmen ist. Auf konzentrisch angeordneten Kreisen sind Lichtquellen angeordnet, deren Strahlengänge die optische Achse der Kamera schneiden. Es erfolgt somit kein zumindest abschnittsweise gemeinsamer Verlauf. Ein Einkoppeln findet somit nicht statt. Zudem handelt es sich um eine Anordnung einzelner punktförmiger Lichtquellen, die ausschließlich auf Ringen angeordnet sind, die jedoch
nicht eine zusammenhängende geschlossene Fläche, die die optische Achse durchsetzt, bilden. Dadurch ist es nicht möglich, mit dieser Beleuchtungsanordnung auch eine Hellfeld-Auflichtbeleuchtung zu ermöglichen. Zudem sind für eine Dunkelfeld- Auflichtbeleuchtung nur die diskret vorgesehenen Beleuchtungswinkel möglich, die durch die räumliche Ausrichtung der punktförmigen Lichtquellen vorgegeben sind, also keine freie Anpassung der Neigungswinkel der Beleuchtung möglich. When dark field incident light, a lighting arrangement can be used, as can be found in EP 1 373 827 Bl. Light sources are arranged on concentrically arranged circles whose beam paths intersect the optical axis of the camera. There is thus no at least partially common course. Coupling therefore does not take place. In addition, it is an arrangement of individual point-shaped light sources, which are arranged exclusively on rings, but which not form a coherent closed surface that passes through the optical axis. As a result, it is not possible with this illumination arrangement to enable a bright field epi-illumination. In addition, only the discreetly provided illumination angle are possible for a dark field incident light illumination, which are predetermined by the spatial orientation of the point-shaped light sources, so no free adjustment of the angle of inclination of the lighting possible.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine flexible Beleuchtungseinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Einrichtung zur Verfügung zu stellen, die schnell und mit einfachen Mittel, sowie nahezu verschleißfrei eine Umschaltung zwischen verschiedenen Beleuchtungsarten wie Hellfeldauflicht, Dunkelfeldauflicht verschiedener Neigungswinkel und Richtungen und Durchlicht ermöglicht, wobei der dabei vorliegende Kontrast möglichst hoch ist, um genaue dimensioneile Messungen im gesamten Messbereich bzw. Sichtbereich eines optischen Sensors zu ermöglichen. Object of the present invention is to provide a flexible lighting device and a method for operating the device available that allows fast and simple means, and almost wear-free switching between different types of illumination such as brightfield, darkfield light different inclination angles and directions and transmitted light, wherein the contrast present is as high as possible in order to allow accurate dimensional measurements in the entire measuring range or field of view of an optical sensor.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Erhöhung des Kontrasts der beleuchteten Objektoberfläche. Another object of the invention is to increase the contrast of the illuminated object surface.
Auch soll die Erfindung der Beleuchtung von Objekten dienen, die einer dimensioneilen Untersuchung unterzogen werden sollen, beispielsweise durch Bestimmung von Kanten oder Oberflächenpunkten. Entsprechende Objekte sind meist größer als der von einem optischen Sensor wir Bildverarbeitungssensor erfassbare Bereich, insbesondere wenn dieser zur Erzielung hoher Genauigkeiten mit einem vergrößernden Abbildungsobjektiv versehen ist. Um dennoch das gesamte Objekt bzw. die gesamte Objektkontur wie Außenkanten zu erfassen, werden Sensor und Objekt relativ zueinander in verschiedene Positionen gebracht und jeweils Teilkonturen ermittelt und ggf. zu einer Gesamtkontur zusammengefügt. Bei der Ermittlung der Teilkonturen ist erfindungsgemäß vorgesehen, jeweils nur den vom Sensor erfassten Bereich zu beleuchten, und zwar derart, dass eine genaue Messung realisiert wird. Dies erfolgt erfindungs gemäß dadurch, dass der Einfallswinkel der Beleuchtung in Bezug auf die Kantenlage am Objekt oder die optische Achse des Sensors begrenzt wird, um eine scharfe Abbildung der Objektkanten zu erzielen. Hierzu werden jeweils nur ausgewählte Bereiche der Beleuchtungsquelle eingeschaltet.
Eine besondere unabhängige Aufgabe besteht darin, den maximalen Einfallswinkel der Beleuchtung bzgl. der optischen Achse des optischen Sensor zu begrenzen, wobei dennoch eine flächig ausgebildete Leuchtquelle zum Einsatz kommen soll, die eine höhere Ausdehnung besitzt als der ohne Bewegung des optischen Sensors von diesem erfassbare Bereich. The invention is also intended to illuminate objects which are to be subjected to a dimensional investigation, for example by determining edges or surface points. Corresponding objects are usually larger than the area that can be detected by an optical sensor, such as the image processing sensor, in particular if it is provided with a magnifying imaging objective in order to achieve high accuracies. In order nevertheless to detect the entire object or the entire object contour like outer edges, the sensor and the object are brought into different positions relative to one another and respectively partial contours are determined and possibly combined to form an overall contour. When determining the partial contours, it is provided according to the invention to illuminate only the area detected by the sensor in such a way that an accurate measurement is realized. This is done according fiction, in that the angle of incidence of illumination with respect to the edge position on the object or the optical axis of the sensor is limited to achieve a sharp image of the object edges. For this purpose, only selected areas of the illumination source are switched on in each case. A particular independent task is to limit the maximum angle of incidence of the illumination with respect to the optical axis of the optical sensor, yet a flat trained light source is to be used, which has a higher extent than that without movement of the optical sensor detectable from this area ,
Zur Lösung eines Aspekts oder mehrerer Aspekte der Erfindung ist u. a. vorgesehen, dass die Beleuchtungsquelle eine flächig ausgebildete Beleuchtungsquelle ist und dass die Beleuchtungsquelle aus einer Vielzahl von Leuchtelementen besteht, die unabhängig voneinander schaltbar sind, insbesondere einschaltbar und ausschaltbar oder in ihrer Intensität einstellbar sind. To achieve one or more aspects of the invention, u. a. provided that the illumination source is a flat formed illumination source and that the illumination source consists of a plurality of light elements which are independently switchable, in particular switched on and off or in their intensity are adjustable.
Die Beleuchtungsquelle, die im eigentlichen Sinne ein Beleuchtungsfeld darstellt, wird von Leuchtelementen gebildet, die derart zueinander angeordnet sind, dass sich ein Leuchtfeld mit vorzugsweise zwischen 100 und 10.000 Leuchtelementen pro cm , vorzugsweise zwischen 100 und 5.000 Leuchtelementen pro cm ergibt. Die Beleuchtungsquelle, also das Beleuchtungsfeld kann eine Flächenerstreckung von z. B. 1 mm x 1 mm bis z. B. 600 mm x 600 mm aufweisen. Insbesondere bei der Verwirklichung der erfindungsgemäßen Lehre bei einer Durchlichtbeleuchtung kann eine flächige Erstreckung vorgesehen sein, die dem Messbereich eines Koordinatenmessgeräts in der XY-Messebene entspricht. The illumination source, which in the actual sense represents an illumination field, is formed by luminous elements which are arranged relative to one another such that a luminous field with preferably between 100 and 10,000 luminous elements per cm, preferably between 100 and 5,000 luminous elements per cm. The illumination source, so the illumination field can be an areal extent of z. B. 1 mm x 1 mm to z. B. 600 mm x 600 mm. In particular, in the realization of the teaching of the invention in a transmitted light illumination, a planar extension can be provided, which corresponds to the measuring range of a coordinate measuring machine in the XY measuring plane.
Insbesondere werden zur Bildung der flächigen Beleuchtungsquelle zweidimensionale LCD-Matrizen (Liquid Crystal Display), LED-Matrizen (Light Emitting Diode), OLED- Matrizen (Organic Light Emitting Diode), LCoS-Matrizen (Liquid Crystal on Silicon) oder Faserbündel, genauer sogenannte geordnete Faserbündel, eingesetzt, deren Elemente einzeln ansteuerbar sind. In particular, to form the planar illumination source two-dimensional LCD matrices (liquid crystal display), LED matrices (Light Emitting Diode), OLED matrices (Organic Light Emitting Diode), LCoS matrices (Liquid Crystal on Silicon) or fiber bundles, more precisely so-called ordered fiber bundles, used, whose elements are individually controlled.
Flächig schließt insbesondere eine Kreis-, Rechteck- oder Ovalform ein, innerhalb der die Lichtelemente zur Bildung der Fläche angeordnet sind. Der Begriff Lichtelement schließt dabei auch Mikrospiegel ein, wobei ein eine Fläche bildendes Mikrospiegelarray eine flächig ausgebildete Beleuchtungsquelle ist. Flat includes in particular a circular, rectangular or oval shape, within which the light elements are arranged to form the surface. The term light element also includes micromirrors, wherein a micromirror array forming a surface is an areally formed illumination source.
Zwar sind flächige Beleuchtungsquellen für die Projektion von Linien oder Mustern bekannt, die in die Objektebene fokussiert werden. Die Gestalt der projizierten Muster
wird anschließend durch einen optischen Sensor erfasst und gibt Aufschluss über die Oberflächengestalt des Objektes. Um genaue Messergebisse zu erreichen, muss das sogenannte strukturierte Licht in der Objektebene scharf abgebildet werden. Es handelt sich dabei also nicht um eine Auflichtbeleuchtung im Sinne dieser Erfindung, die geeignet wäre, einen Bereich eines Objektes vollständig zu beleuchten und der direkten Auswertung, beispielsweise durch Bildverarbeitung, zugängig zu machen. Vielmehr wird das Objekt bei dieser Art Sensorik indirekt, beispielweise durch Triangulation, also Richtungsbestimmung und nur an den Stellen, an denen Linien des Musters abgebildet werden, gemessen. Die Gestaltung der strukturierten Beleuchtung erfolgt zumeist durch feste Blenden in Form von Masken, Ablenkung eines Lichtstrahls durch rotierende Polygonspiegel oder Modulation der Intensität einer punktförmigen oder flächigen Lichtquelle. Although planar illumination sources for the projection of lines or patterns are known, which are focused in the object plane. The shape of the projected patterns is then detected by an optical sensor and provides information about the surface shape of the object. In order to achieve accurate measurement results, the so-called structured light must be sharply imaged in the object plane. It is therefore not an incident illumination in the sense of this invention, which would be suitable to illuminate a portion of an object completely and the direct evaluation, for example, by image processing, accessible. Rather, in this type of sensor, the object is measured indirectly, for example by triangulation, ie direction determination, and only at the points at which lines of the pattern are imaged. The design of the structured illumination is usually done by fixed apertures in the form of masks, deflection of a light beam by rotating polygon mirror or modulation of the intensity of a point or surface light source.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird dagegen jedoch nicht die Lage der projizierten Muster ausgewertet, sondern ein von der Fokussierung, also dem Abstand zwischen Sensor und Objektoberfläche und damit der Topografie der Oberfläche, abhängiger Parameter wie die Schärfe des abgebildeten Muster. Es wird sozusagen ermittelt, welche Bereiche des Musters scharf abgebildet werden, beispielsweise indem die Intensität im Zentrum der jeweiligen Bereiche des Musters ermittelt wird, die eingeschaltet, also beleuchtet sind. Liegt in diesem Bereich eine Fokussierung vor, so ist das Zentrum hell und der Bereich um das Zentrum dunkler. Außerhalb des fokussiertem Zustandes bildet sich um das Zentrum ein aufgehellter Bereich und das Zentrum selbst ist ebenso dunkler als im fokussierten Zustand. Anhand der Intensität im Zentrum der einzelnen durch das Muster beleuchteten Bereiche lässt sich erfindungsgemäß der Fokussierungszustand und damit der Abstand zum Objekt und dadurch also je beleuchtetem Bereich ein Oberflächenpunkt ermitteln, indem die Intensität in unterschiedlichen Abständen zwischen Sensor und Objekt aufgenommen wird. Damit sich die hellen Bereiche des Musters nicht gegenseitig beeinflussen, also die unscharfe Abbildung des benachbarten hellen Bereiches überspricht, sind die hellen Bereiche des Musters mit einem Abstand versehen und in ihrem Durchmesser eher gering, z. B. nur wenige oder sogar nur ein Pixel groß. Alternativ kann auch der Kontrast im Bereich des Zentrums und darum herum ermittelt werden. Dieser wird ähnlich wie die Intensität im fokussierten Zustand maximal.
Die einfachste Form eines Musters besteht darin, dass jeder beleuchtete Messpunkt in allen Richtungen von genau einem nicht beleuchteten Messpunkt umgeben ist, also jeweils in zwei Richtungen abwechselnd ein Messpunkt beleuchtet und der nächste unbeleuchtet ist. Hierdurch kann ein Viertel aller Messpunkte in einem Messtakt ermittelt werden. In den nächsten drei Takten wird das Muster in der ersten, dann der zweiten und schließlich in beiden Richtungen verschoben und jeweils zuvor unbeleuchtete Messpunkte beleuchtet und die zuvor beleuchteten nicht beleuchtet. Unter Umständen sind größere Abstände zwischen den beleuchteten Messpunkten möglich, es wird also eine größerer Abstand im Muster benötigt. Es sind dann mehr als vier Messungen mit dem jeweils verschobenen Muster notwendig, um alle Messpunkte zu erfassen. Die jeweils verschobenen Muster werden im Weiteren auch als unterschiedliche Muster bezeichnet. Die unterschiedlichen Muster werden jeweils so oft zueinander verschoben bzw. so oft variiert, bis alle Teilbereiche innerhalb der vom Muster beleuchteten Fläche zumindest einmal beleuchtet wurden. In contrast, in one embodiment of the present invention, however, the position of the projected patterns is not evaluated, but a parameter dependent on the focusing, ie the distance between sensor and object surface and thus the topography of the surface, such as the sharpness of the imaged pattern. It is determined, so to speak, which areas of the pattern are sharply imaged, for example by the intensity in the center of the respective areas of the pattern is determined, which are turned on, that is illuminated. If there is a focus in this area, the center is bright and the area around the center is darker. Outside the focused state, a brightened area forms around the center and the center itself is also darker than in the focused state. On the basis of the intensity in the center of the individual areas illuminated by the pattern, it is possible according to the invention to determine the focusing state and thus the distance to the object and thus therefore each illuminated area by recording the intensity at different distances between the sensor and the object. So that the bright areas of the pattern do not influence one another, ie, that the blurred image of the adjacent bright area is overspread, the bright areas of the pattern are spaced apart and rather small in their diameter, e.g. B. only a few or even one pixel in size. Alternatively, the contrast in the area of the center and around it can be determined. This becomes maximum similar to the intensity in the focused state. The simplest form of a pattern is that each illuminated measuring point is surrounded in all directions by exactly one unilluminated measuring point, ie in each case alternately lighting one measuring point in two directions and the next one being unlit. As a result, a quarter of all measuring points can be determined in one measuring cycle. In the next three bars, the pattern is shifted in the first, then the second and finally in both directions, illuminating previously unlit measuring points and not illuminating the previously lit ones. Under certain circumstances, larger distances between the illuminated measuring points are possible, so it is a greater distance in the pattern needed. There are then more than four measurements with the respective shifted pattern necessary to capture all measurement points. The respective shifted patterns are referred to below as different patterns. The different patterns are each shifted as often to each other or varied so many times until all sections were illuminated at least once within the surface illuminated by the pattern.
Es ist zudem vorgesehen, dass einer oder mehrere der zur Messung verwendeten Teilbereiche, beispielsweise in Form der Muster, der Lichtquelle in mehreren sich unterscheidenden Abständen zwischen Sensorsystem und Messobjektoberfläche angesteuert werden, wobei vorzugsweise je Abstand bzw. Abstandsbereich ein Gesamtbild aus den Teilbildern zusammengesetzt wird, und der Abstand zwischen Sensorsystem und Messobjektoberfläche je Teilbereich ermittelt wird, indem zumindest die Lage des jeweiligen Teilbildes berücksichtigt wird, für das der jeweilige Teilbereich wie Pixel die höchsten Intensität bzw. Helligkeit besitzt. It is additionally provided that one or more of the partial regions used for the measurement, for example in the form of the patterns, of the light source are driven at a plurality of differing distances between the sensor system and the measurement object surface, wherein an overall image is preferably composed of the partial images per distance or distance region, and the distance between the sensor system and the measurement object surface per sub-area is determined by taking into account at least the position of the respective sub-image for which the respective sub-area such as pixel has the highest intensity or brightness.
In einer weiteren Ausgestaltung wird eine Auflichtbeleuchtung, insbesondere Hellfeldauflichtbeleuchtung, mit erhöhtem Kontrast erzeugt, indem eine Marke auf die Objektoberfläche projiziert wird. Hierzu wird im Strahlengang der Auflichtbeleuchtungsquelle eine Maske, wie Chrommaske, mit lichtdurchlässigen Glasbereichen und lichtundurchlässigen Chrombereichen vor der Einspiegelung in den Strahlengang des optischen Sensors angeordnet. Mittels einer ebenfalls vor der Einspiegelung angeordneten Optik und/oder nach der Einspiegelung angeordneten Optik wird die Marke in eine Zwischenbildebene fokussiert. Diese Zwischenbildebene oder eine mittels einer weiteren Optik erzeugte Bildebene, in der die Marke scharf abgebildet wird, wird erfindungs gemäß in zumindest einer Einstellung der für den optischen Sensor
eingesetzten und von dem Auflichtbeleuchtungsstrahlengang zumindest teilweise durchlaufenen Optik vom optischen Sensor erfasst. Hierdurch wird künstlich ein erhöhter Kontrast in der Scharfebene des optischen Sensors erzeugt, wodurch das erfindungsgemäße Fokusverfahren insbesondere bei Objektoberflächen mit geringer Struktur verbesserte Ergebnisse liefert. Um eine Hellfeldbeleuchtung auch ohne wirksame Markenprojektion zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass die Marke in zumindest einem veränderten Arbeitsabstand der Optik des optischen Sensors in der dann vorliegenden Fokusebene unscharf abgebildet wird. Dies wird erreicht, indem zumindest eine optische Linse der Optik des optischen Sensors verstellt wird, die nicht vom Auflichtbeleuchtungsstrahlengang durchlaufen wird und somit die Verstellung des Arbeitsabstandes keinen Einfluss auf die Lage der Ebene hat, in die das Muster scharf abgebildet wird. Diese Ausgestaltung ist erfindungs gemäß auch mit der Idee kombinierbar, dass die Beleuchtungsquelle aus einer Vielzahl von Leuchtelementen besteht, die unabhängig voneinander schaltbar sind. Die Beleuchtungsquelle selbst kann die Marke darstellen, indem nur ausgewählte Leuchtelemente eingeschaltet werden. In a further refinement, reflected-light illumination, in particular bright-field illumination, is produced with increased contrast by projecting a mark on the object surface. For this purpose, a mask, such as chromium mask, with translucent glass regions and opaque chromium regions is arranged in the beam path of the reflected light illumination source before being reflected in the beam path of the optical sensor. By means of an optics which are likewise arranged in front of the reflection and / or optics arranged after the reflection, the mark is focused into an intermediate image plane. This intermediate image plane or an image plane generated by means of a further optical system, in which the mark is sharply imaged, is, according to the invention, in at least one setting for the optical sensor used and detected by the Auflichtbeleuchtungsstrahlengang at least partially traversed optics from the optical sensor. As a result, an increased contrast is artificially generated in the focal plane of the optical sensor, as a result of which the focusing method according to the invention provides improved results, in particular for object surfaces with a low structure. In order to enable bright-field illumination even without effective brand projection, it is provided that the mark is imaged blurred in at least one modified working distance of the optics of the optical sensor in the then existing focal plane. This is achieved by adjusting at least one optical lens of the optics of the optical sensor, which is not traversed by incident light illumination beam path and thus the adjustment of the working distance has no influence on the position of the plane in which the pattern is sharply imaged. This embodiment can also be combined according to the invention with the idea that the illumination source consists of a multiplicity of luminous elements which can be switched independently of one another. The illumination source itself may represent the mark by turning on only selected lighting elements.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Gedanken strahlen die einzelnen Elemente unterschiedliche Wellenlängen, also Farben ab. Hierzu kommen entsprechende Matrizen oder Faserbündel zum Einsatz, in denen den einzelnen Elementen diskrete Wellenlängen zugeordnet werden, beispielsweise in Form eines Bayer-Musters, wie dies auch bei Farbkameras bekannt ist. Da hierbei sämtliche verfügbare Farben über die gesamte Fläche verfügbar sind, lassen sich die Farben in allen Bereichen variieren. Dies ermöglicht es, wie später noch beschrieben, für die unterschiedlichen bereits genannten Beleuchtungsarten die Farbe getrennt voneinander einzustellen. In a further inventive concept, the individual elements emit different wavelengths, ie colors. For this purpose, corresponding matrices or fiber bundles are used, in which the individual elements discrete wavelengths are assigned, for example in the form of a Bayer pattern, as is also known in color cameras. Since all available colors are available over the entire surface, the colors can be varied in all areas. This makes it possible, as described later, set the color separately for the different types of lighting already mentioned.
Alternativ werden Mikrospiegelarrays eingesetzt, wobei die einzelnen Elemente Spiegel sind, die in ihrer Ausrichtung bzw. Richtung bzw. Winkel ansteuerbar sind. Hierdurch wird das Licht einer auf das Array gerichteten Lichtquelle in einem ersten oder zweiten Winkel, je nach Ausrichtung jedes einzelnen Spiegels, reflektiert. Hierdurch wird es entweder in eine sogenannte Lichtfalle geleitet oder in eine definierte Richtung abgestrahlt. Das Prinzip wird beispielweise in DLP-Beamern (Digital Light Processing) eingesetzt. Die beiden einstellbaren Winkel können auch so gewählt werden, bzw. das Array so zur Lichtquelle ausgerichtet werden, dass die beiden Winkel für zwei unterschiedliche Beleuchtungsarten eingesetzt werden. So lässt sich beispielsweise beim ersten Kippwinkel eine parallele
Beleuchtung für eine Durchlichtbeleuchtung realisieren und durch den zweiten Kippwinkel eine Auflichtart. Alternatively, micromirror arrays are used, the individual elements being mirrors which can be controlled in their orientation or direction or angle. This reflects the light from a light source directed at the array at a first or second angle, depending on the orientation of each individual mirror. As a result, it is either directed into a so-called light trap or emitted in a defined direction. The principle is used for example in DLP beamers (Digital Light Processing). The two adjustable angles can also be selected, or the array can be aligned to the light source so that the two angles are used for two different types of illumination. Thus, for example, at the first tilt angle a parallel Lighting for a transmitted light illumination realize and by the second tilt angle a Auflichtart.
Erfindungsgemäß werden die einzelnen Leuchtelemente bzw. Mikro Spiegel in Gruppen unterteilt, wobei einzelne oder mehrere Gruppen unabhängig voneinander schaltbar sind. Eine Gruppe kann dabei auch nur aus einem einzelnen Leuchtelement bestehen. According to the invention, the individual light elements or micro mirrors are subdivided into groups, with one or more groups being switchable independently of one another. A group can consist of only a single light element.
Inhalt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Auswahl und das Einschalten bzw.Content of the method according to the invention is the selection and the switching or
Einstellen einzelner oder mehrerer Gruppen von Leuchtelementen, um eineSet one or more groups of lighting elements to one
Hellfeldauflichtbeleuchtung oder eine Dunkelfeldauflichtbeleuchtung oder eine Durchlichtbeleuchtung oder eine Mischung der Beleuchtungsarten zu erzielen. To achieve bright field incident lighting or a dark field incident lighting or a transmitted light illumination or a mixture of lighting types.
Ein eigenerfinderischer Verfahrensschritt besteht in der gezielt auf einen Bereich eingeschränkten Beleuchtung, der abhängig von der Position eines bewegten optischen Sensors bezüglich der flächigen Beleuchtung so ausgewählt wird, dass der maximal auftretende Winkel zwischen Beleuchtung und optischer Achse des optischen Sensors eingeschränkt wird, um Abbildungsfehler zu vermindern. Vorteilhaft lässt sich dies bei Messungen im Durchlicht einsetzen, wobei die Beleuchtung auf der vom optischen Sensor abgelegenen Seite des zu messenden Objektes angeordnet ist und jeweils nur der Bereich eingeschaltet bzw. eingestellt wird, der der Optik gegenüberliegt. Hierdurch werden Beleuchtungs strahlen mit großem Winkel zur optischen Achse des optischen Sensors vermieden. Gleichfalls lässt sich das Verfahren für die Auflichtbeleuchtung einsetzen, bevorzugt für die Beleuchtung im Hellfeld, also koaxial zur optischen Achse des optischen Sensors. Hierbei kann die Beleuchtung über eine Umlenkung in den Strahlengang eingebracht werden oder aber auch direkt in diesem angeordnet werden. Hierfür eignen sich beispielsweise transparente Beleuchtungsquellen wie OLEDs. A self-invented method step consists in the illumination restricted specifically to one area, which is selected as a function of the position of a moving optical sensor with respect to the areal illumination in such a way that the maximum occurring angle between illumination and optical axis of the optical sensor is limited in order to reduce aberrations , This can be advantageously used for measurements in transmitted light, wherein the illumination is arranged on the side remote from the optical sensor side of the object to be measured and in each case only the area is turned on or adjusted, which is opposite to the optics. As a result, illumination beams are avoided with a large angle to the optical axis of the optical sensor. Likewise, the method can be used for incident light illumination, preferably for the illumination in the bright field, that is coaxial with the optical axis of the optical sensor. In this case, the illumination can be introduced via a deflection in the beam path or else be arranged directly in this. For example, transparent illumination sources such as OLEDs are suitable for this purpose.
Das Beleuchten wird durch eine einzelne Beleuchtungseinrichtung ermöglicht, wodurch Bauraum und Kosten gespart werden. The lighting is made possible by a single lighting device, which saves space and costs.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, dass Oberflächenpunkte, die Lageinformationen der Messpunkte entlang der optischen Abbildungsrichtung enthalten, bestimmt werden. Hierzu erfolgt die bekannte Helligkeits- oder Kontrastauswertung entsprechend der Fokustechnik, wobei die Bildaufnahme in mehreren Abständen zwischen Sensor und
Objekt wiederholt wird. Zur Beleuchtung soll jedoch auf den aufwändigen Aufbau von Blenden bzw. rotierenden Scheiben mit Löchern wie Nipkov-Scheiben, verzichtet werden, wie diese in der Konfokaltechnik eingesetzt werden, und anstatt dessen die erfindungsgemäße Lichtquelle so angesteuert wird, dass ein Muster abgebildet wird, dass eine ähnliche Abbildung erzeugt, wie die durch Konfokalblenden erzeugte Abbildung. A further object of the invention is that surface points which contain positional information of the measurement points along the optical imaging direction are determined. For this purpose, the known brightness or contrast evaluation according to the focus technique, wherein the image recording in several distances between the sensor and Object is repeated. For lighting, however, to dispense with the complex construction of screens or rotating disks with holes such as Nipkov disks, as these are used in Konfokaltechnik, and instead the light source according to the invention is driven so that a pattern is shown that a produces similar image as the image produced by confocal apertures.
Insbesondere wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe im Wesentlichen gelöst durch eine Vorrichtung zur Auflichtbeleuchtung und/oder Durchlichtbeleuchtung eines Objektes mittels einer flächig ausgebildeten Beleuchtungsquelle, wobei die von der Beleuchtungsquelle ausgehende Strahlung in den Strahlengang eines optischen Sensors, vorzugsweise Bildverarbeitungssensors, eingekoppelt und auf das Objekt abgebildet wird, wobei die Beleuchtungsquelle eine flächig ausgebildete Beleuchtungsquelle ist und die Beleuchtungsquelle zumindest aus einer Vielzahl von Leuchtelementen, wie beispielsweise zweidimensionaler LCD-Matrix, LED-Matrix, OLED-Matrix, LCoS-Matrix, Faserbündel oder zumindest einem Mikrospiegelarray gebildet wird, wobei die einzelnen Leuchtelemente bzw. Mikrospiegel unabhängig voneinander schaltbar sind, vorzugsweise die Leuchtelemente bzw. Mikrospiegel in Gruppen unterteilt sind, wobei einzelne oder mehrere Gruppen unabhängig voneinander schaltbar sind. In particular, the object underlying the invention is essentially achieved by a device for incident illumination and / or transmitted light illumination of an object by means of a flat illumination source, the radiation emanating from the illumination source coupled into the beam path of an optical sensor, preferably image processing sensor, and coupled to the object is formed, wherein the illumination source is a flat formed illumination source and the illumination source is formed of at least a plurality of light elements, such as two-dimensional LCD matrix, LED matrix, OLED matrix, LCoS matrix, fiber bundles or at least one micromirror array, wherein the individual light-emitting elements or micromirrors can be switched independently of one another, preferably the light-emitting elements or micromirrors are subdivided into groups, one or more groups being able to be switched independently of one another.
Die flächig ausgebildete Beleuchtungsquelle, die erwähntermaßen als Beleuchtungsfeld bezeichnet werden kann, wird insbesondere durch eine Anordnung von Leuchtelementen gebildet, wobei 100 bis 10.000 Leuchtelemente pro cm , vorzugsweise 100 bis 5.000The areally formed illumination source, which can be referred to as the illumination field, is formed in particular by an arrangement of luminous elements, with 100 to 10,000 luminous elements per cm, preferably 100 to 5,000
Leuchtelemente pro cm zur Bildung der Fläche insbesondere regelmäßig angeordnet sind. Die Gesamtfläche der flächig ausgebildeten Beleuchtungsquelle kann z. B. Abmessungen zwischen 1 mm x 1 mm bis 600 mm x 600 mm aufweisen. Insbesondere kann die flächig ausgebildete Beleuchtungsquelle, also das Leuchtfeld, auch eine flächige Erstreckung aufweisen, die dem Messbereich eines Koordinatenmessgerätes in der XY-Ebene entspricht. Luminous elements per cm for the formation of the surface are arranged in particular regularly. The total area of the areal trained illumination source can be z. B. dimensions between 1 mm x 1 mm to 600 mm x 600 mm. In particular, the areally formed illumination source, that is to say the luminous field, can also have a planar extent, which corresponds to the measuring range of a coordinate measuring machine in the XY plane.
Besonderes Kennzeichen der erfinderischen Vorrichtung ist, dass die Strahlung der Beleuchtungsquelle nicht in die Objektebene fokussiert wird, also keine strukturierte Beleuchtung erfolgt, wie dies bei auf der Lichtprojektion basierenden Sensoren wie Triangulationssensoren der Fall ist.
Eine weitere unabhängige Lösung der der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung zur Auflichtbeleuchtung und/oder Durchlichtbeleuchtung eines Objektes mittels einer Beleuchtungsquelle, wobei die von der Beleuchtungsquelle ausgehende Strahlung in den Strahlengang eines optischen Sensors, vorzugsweise Bildverarbeitungssensors, einkoppelbar und auf das Objekt abbildbar ist oder die Beleuchtungsquelle auf der vom optischen Sensor abgewandten Seite des Objektes angeordnet ist, wobei die Beleuchtungsquelle eine Vielzahl von Leuchtelementen umfasst, die abhängig von der Position des optischen Sensors unabhängig voneinander schaltbar sind. A particular feature of the inventive device is that the radiation of the illumination source is not focused in the object plane, so no structured illumination takes place, as is the case with sensors based on the light projection such as triangulation sensors. A further independent solution of the object underlying the invention is achieved by a device for incident illumination and / or transmitted light illumination of an object by means of an illumination source, wherein the radiation emanating from the illumination source radiation in the beam path of an optical sensor, preferably image processing sensor, can be coupled and imaged on the object or the illumination source is arranged on the side of the object facing away from the optical sensor, wherein the illumination source comprises a multiplicity of luminous elements, which can be switched independently of one another depending on the position of the optical sensor.
Einkoppeln bedeutet, dass der Strahlengang der Beleuchtungsquelle mit der des optischen Sensors zumindest abschnittsweise zusammenfällt, zumindest in dem Bereich, in dem der Strahlengang auf den zu messenden Bereich bzw. Punkt des Objekts trifft. Coupling means that the beam path of the illumination source coincides at least in sections with that of the optical sensor, at least in the region in which the beam path strikes the region or point of the object to be measured.
Besonderes Kennzeichen der erfinderischen Vorrichtung ist, dass nur die Leuchtelemente schaltbar sind, die innerhalb eines festgelegten Winkelbereiches zur optischen Achse des optischen Sensors angeordnet sind, vorzugsweise der Winkelbereich um einen festlegbaren Winkel von beispielsweise 1° oder 3° oder 5° größer ist als der aus der numerischen Apertur des dem optischen Sensors zugeordneten Objektives resultierende Akzeptanzwinkel. Je nach Raumrichtung kann dieser Winkelbereich unterschiedlich sein. Hierdurch sind, neben kreisförmigen Bereichen, auch anderweitig geformte Bereiche der Beleuchtung schaltbar, also einschaltbar bzw. steuerbar, wie beispielsweise auf die Kameraabmessungen des optischen Sensors abgestimmte rechteckige Bereiche. A particular feature of the inventive device is that only the lighting elements are switchable, which are arranged within a fixed angular range to the optical axis of the optical sensor, preferably the angular range by a definable angle of for example 1 ° or 3 ° or 5 ° greater than that the numerical aperture of the lens associated with the optical sensor resulting acceptance angle. Depending on the spatial direction, this angular range can be different. As a result, not only circular areas, but also otherwise shaped areas of the illumination can be switched, that is switched on or controllable, such as, for example, matched to the camera dimensions of the optical sensor rectangular areas.
Insbesondere ist vorgesehen, dass ausschließlich die Leuchtelemente einschaltbar sind, bei denen der Winkel Phi zwischen optischer Achse des Sensors und Richtung der direkten Verbindungslinie zwischen dem Leuchtelement und dem optischen Sensor <10°, bevorzugt < 3°, besonders bevorzugt < 1° beträgt. Die direkte Verbindungslinie verläuft dabei insbesondere zwischen der Mitte der Oberfläche des Leuchtelementes und der Mitte des objektseitig vordersten optischen Elementes wie Linse (auch Frontlinse genannt) des optischen Sensors. In particular, it is provided that only the light-emitting elements can be switched on, in which the angle Phi between the optical axis of the sensor and the direction of the direct line connecting the light-emitting element and the optical sensor is <10 °, preferably <3 °, particularly preferably <1 °. The direct connecting line extends in particular between the center of the surface of the luminous element and the center of the object-side foremost optical element such as lens (also called front lens) of the optical sensor.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der optische Sensor rechtwinklig oder zumindest nahezu rechtwinklig zu seiner Abbildungsrichtung bewegbar ist und die
Beleuchtungsquelle eine größere Ausdehnung als die vom feststehenden optischen Sensor erfassbare Fläche besitzt, vorzugsweise den gesamten vom bewegten optischen Sensor erfassbaren Bereich abdeckt. Preferably, it is provided that the optical sensor is movable at right angles or at least approximately at right angles to its imaging direction, and the optical sensor Lighting source has a greater extent than the detectable by the fixed optical sensor surface, preferably covering the entire detectable by the moving optical sensor area.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung auch dadurch aus, dass die Beleuchtungsquelle fest angeordnet ist und der optische Sensor bezüglich der Beleuchtungsquelle in zumindest einer Richtung rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zu seiner Abbildungsrichtung bewegbar ist, oder dass die Beleuchtungsquelle in einer ersten rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zur Abbildungsrichtung des optischen Sensors verlaufenden Richtung bewegbar ist und der optische Sensor in einer zweiten, rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zur Abbildungsrichtung des optischen Sensors und rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zur Bewegungsrichtung der Beleuchtungseinrichtung verlaufenden Richtung bewegbar ist. In particular, the invention is also characterized in that the illumination source is fixed and the optical sensor with respect to the illumination source in at least one direction is perpendicular or nearly perpendicular to its imaging direction movable, or that the illumination source in a first rectangular or nearly perpendicular to the imaging direction of optical sensor is movable and the optical sensor in a second, perpendicular or nearly perpendicular to the imaging direction of the optical sensor and at right angles or at right angles to the direction of movement of the illumination device extending direction is movable.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass Objekt und optischer Sensor relativ zueinander in Richtung der Abbildungsrichtung des optischen Sensors und vorzugsweise rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zur Abbildungsrichtung des optischen Sensors bewegbar sind und die Beleuchtungsquelle eine Ausdehnung besitzt, die zumindest die vom jeweils relativ zum Objekt feststehenden optischen Sensor erfassbare Fläche beleuchtet, und die Beleuchtungsquelle relativ zum optischen Sensor fest angeordnet ist. It is preferably provided that object and optical sensor are movable relative to one another in the direction of the imaging direction of the optical sensor and preferably at right angles or at right angles to the imaging direction of the optical sensor and the illumination source has an extension which detects at least the optical sensor fixed relative to the object Surface illuminated, and the illumination source is fixed relative to the optical sensor.
Die Bewegung in Richtung der Abbildungsrichtung des optischen Sensors, also der optischen Achse, dient der Durchführung des bereits beschriebenen Fokusverfahrens zur Bestimmung von Oberflächenpunkten. Vorteilhaft wird dabei der vom Sensor erfasste Bereich durch die Beleuchtungsquelle beleuchtet. Die Bewegung rechtwinklig zur optischen Achse ermöglicht es, Oberflächenpunkte an unterschiedlichen Stellen am Objekt zu bestimmen. The movement in the direction of the imaging direction of the optical sensor, ie the optical axis, serves to carry out the already described focus method for the determination of surface points. Advantageously, the area covered by the sensor is illuminated by the illumination source. The movement perpendicular to the optical axis makes it possible to determine surface points at different points on the object.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die eine Fläche bildenden Leuchtelemente zumindest Leuchtelemente aus der Gruppe LCD-Matrix, LED-Matrix, OLED-Matrix, LCoS-Matrix, Faserbündel, zumindest ein Mikrospiegelarray sind. Als Leuchtelemente werden also solche aus der Gruppe zweidimensionale LCD-Matrix, LED- Matrix, OLED-Matrix, LCoS-Matrix, Faserbündel oder zumindest ein Mikrospiegelarray verwendet.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass die Strahlung der Beleuchtungsquelle unfokussiert auf die Objektebene auftrifft. Dies ist vorgesehen zur erfindungs gemäßen Beleuchtung, ohne die Erfindung damit einzuschränken. Im Falle der Anwendung des Fokusverfahrens erfolgt hingegen eine Fokus sierung mittels einer geeigneten Optik. In particular, the invention is characterized in that the luminous elements forming a surface are at least luminous elements from the group LCD matrix, LED matrix, OLED matrix, LCoS matrix, fiber bundles, at least one micromirror array. The light-emitting elements used are those from the group of two-dimensional LCD matrix, LED matrix, OLED matrix, LCoS matrix, fiber bundles or at least one micromirror array. It should also be emphasized that the radiation of the illumination source impinges unfocused on the object plane. This is intended to fiction, contemporary lighting, without limiting the invention so. In the case of the application of the focus method, however, a focus sation by means of a suitable optics.
Bevorzugterweise ist daher auch vorgesehen, dass die Strahlung der Beleuchtungsquelle durch eine mit dem optischen Sensor verbundene oder im optischen Sensor bereits enthaltene Optik in die Fokusebene des optischen Sensors fokussierbar ist. Therefore, it is preferably also provided that the radiation of the illumination source can be focused into the focal plane of the optical sensor by means of an optical system which is connected to the optical sensor or is already contained in the optical sensor.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass mehrere ausgewählte Leuchtelemente der Beleuchtungsquelle gemeinsam ansteuerbar sind, die ein Muster bilden, vorzugsweise nacheinander mehrere unterschiedliche Muster erzeugbar sind. Hierdurch ist das erfindungs gemäße Fokusverfahren für mehrere Oberflächenpunkte gleichzeitig möglich. Es ist dabei vorgesehen, wie oben bereits erläutert, dass das Muster jeweils sich auch im unfokussierten Zustand nicht überdeckende Bereiche zu beleuchten. In particular, the invention is characterized in that a plurality of selected lighting elements of the illumination source are jointly controllable, which form a pattern, preferably several successive different patterns can be generated. As a result, the fiction, contemporary focus method for multiple surface points is possible simultaneously. It is provided, as already explained above, that the pattern in each case to illuminate not overlapping areas in the unfocused state.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Einkopplung mit Mitteln zur Umlenkung der Strahlung der Beleuchtungsquelle, wie beispielsweise Umlenkspiegel, Teilerwürfel, Teilerplatte oder Pellicle erfolgt, vorzugsweise unter Verwendung teilweise durchlässiger optischer Schichten oder wellenlängenselektiver Schichten oder schwingungsrichtungsselektiver Schichten. Preferably, it is provided that the coupling with means for deflecting the radiation of the illumination source, such as deflecting mirror, splitter cube, splitter plate or pellicle, preferably using partially transmissive optical layers or wavelength-selective layers or vibration direction-selective layers.
Besonders bevorzugt erfolgt hierbei im einfachsten Fall lediglich eine Umlenkung der von der flächigen Beleuchtungsquelle abgegebenen Strahlung am objektseitigen Ende des optischen Sensors, also eine Einkopplung zwischen dem Objekt und der dem Objekt zugewandten Seite der optischen Elemente des optischen Sensors erfolgt. In the simplest case, in the simplest case, particularly preferably, only a deflection of the radiation emitted by the planar illumination source takes place at the object-side end of the optical sensor, that is to say a coupling between the object and the side of the optical elements of the optical sensor facing the object.
Die Erfindung zeichnet sich insbesondere auch dadurch aus, dass die flächig ausgebildete Beleuchtungsquelle bei einer Vorrichtung zur Auflichtbeleuchtung derart zur optischen Achse des optischen Sensors angeordnet ist, dass eine von der von der flächigen Beleuchtungsquelle aufgespannten Ebene ausgehende Normale die optische Achse des optischen Sensors unter einem Winkel α mit 70° < α < 110°, insbesondere α = 90° schneidet. Damit sodann die von den Beleuchtungselementen ausgehenden Strahlen bzw.
das durch diese erzeugte Strahlenbündel entlang, insbesondere parallel zu der optischen Achse des Sensors verläuft, ist eine entsprechende optische Umlenkeinrichtung vorgesehen. The invention is also characterized in particular by the fact that the areally formed illumination source is arranged in such a device for incident illumination in such a way to the optical axis of the optical sensor, that a normal of the plane spanned by the planar illumination source normal to the optical axis of the optical sensor at an angle α with 70 ° <α <110 °, in particular α = 90 ° intersects. So then the outgoing of the lighting elements rays or the beam bundle generated by this, in particular runs parallel to the optical axis of the sensor, a corresponding optical deflection device is provided.
Unabhängig hiervon zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die flächig ausgebildete Beleuchtungsquelle dann, wenn sämtliche Elemente angeschaltet sind, eine zusammenhängende, geschlossene Fläche bildet, die nach Ausrichtung wie Umlenkung auf das zu messende Objekt von der optischen Achse des optischen Sensors durchsetzt wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass die flächige Beleuchtungsquelle unter Berücksichtigung der erforderlichen optischen Elemente zum Einkoppeln der von der Beleuchtungsquelle ausgehenden Strahlen entlang optischen Achse mittig von der optischen Achse durchsetzbar ist. Regardless of this, the invention is characterized in that the areal trained illumination source, when all elements are turned on, forms a coherent, closed surface, which is traversed by the optical axis of the optical sensor after alignment as deflection on the object to be measured. In particular, it is provided that the planar illumination source, taking into account the required optical elements for coupling in the rays emanating from the illumination source along the optical axis, can be implemented centrally from the optical axis.
Bei einer Hellfeldauflichtbeleuchtung ist vorgesehen, dass eine zusammenhängende, geschlossene Fläche von der optischen Achse des Sensors durchsetzt wird, wobei die in Richtung des Objekts umgelenkte Strahlung der leuchtenden Fläche im Wesentlichen parallel und in Richtung der optischen Achse verläuft. In the case of a bright field incident illumination, it is provided that a coherent, closed surface is penetrated by the optical axis of the sensor, the radiation of the luminous surface, which is deflected in the direction of the object, being essentially parallel and in the direction of the optical axis.
Entsprechende Gestaltungen und Ausrichtungen ergeben sich auch dann, wenn ein Mikrospiegelarray als Leuchtfeld benutzt wird. Corresponding designs and orientations also result when a micromirror array is used as a light field.
Alternativ ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung zwischen den optischen Elementen des optischen Sensors oder zwischen den optischen Elementen und dem Bildsensor des optischen Sensors erfolgt. Hierbei durchläuft die Strahlung der Beleuchtungsquelle also die optischen Elemente wie Linsen und/oder Blenden und/oder Teilerschichten des optischen Sensors. Alternatively, the device is characterized in that the coupling takes place between the optical elements of the optical sensor or between the optical elements and the image sensor of the optical sensor. In this case, the radiation of the illumination source thus passes through the optical elements such as lenses and / or diaphragms and / or splitter layers of the optical sensor.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Durchlichtbeleuchtung an der dem optischen Sensor gegenüberliegenden Seite des Objektes angeordnet ist und vorzugsweise ohne Umlenkung eingekoppelt wird. Die Beleuchtungsquelle befindet sich also gegenüber dem optischen Sensor und strahlt in entgegengesetzter Richtung der optischen Achse des optischen Sensors.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass zwischen Beleuchtungsquelle und Einkopplung ein optisches Element wie Linse und/oder eine Blende und/oder Filter, der Strahlen kleiner einem definierten Grenzwinkel zur mittleren Richtung der Strahlen der Beleuchtungsquelle durchlas st, vorzugsweise gebildet durch eine Anordnung mehrerer in Strahlungsrichtung rohrförmig oder wabenförmig ausgebildeter und nebeneinander angeordneten Elemente, angeordnet ist. In particular, the invention is characterized in that the transmitted light illumination is arranged on the opposite side of the optical sensor of the object and is preferably coupled without deflection. The illumination source is thus opposite the optical sensor and radiates in the opposite direction of the optical axis of the optical sensor. Preferably, the invention provides that between the illumination source and coupling an optical element such as lens and / or aperture and / or filter, the rays through smaller than a defined critical angle to the mean direction of the rays of the illumination source durchlas st, preferably formed by a plurality of arrangement in the radiation direction tubular or honeycomb-shaped and juxtaposed elements is arranged.
Durch die optischen Elemente wie Linsen oder Blenden lässt sich eine Anpassung der Strahlgeometrie der Beleuchtung auf das Sichtfeld des Sensors erzielen. Mittels der Filter wird eine Parallelisierung der Strahlung vorgenommen, vorzugsweise bei der Hellfeldauflicht- oder der Durchlichtbeleuchtung. The optical elements such as lenses or diaphragms can be used to adapt the beam geometry of the illumination to the field of view of the sensor. By means of the filter, a parallelization of the radiation is carried out, preferably in the bright field Auflicht- or transmitted light illumination.
Hervorzuheben ist des Weiteren, dass die Beleuchtungseinrichtung in ein Koordinatenmessgerät integriert ist und die Ansteuerung der Beleuchtungseinrichtung und des optischen Sensors mit der Steuerung des Koordinatenmessgerätes verbunden ist, und vorzugsweise zwei Beleuchtungseinrichtungen verwendet werden, die an gegenüberliegenden Seiten des Objektes angeordnet sind und vorzugsweise zwei optische Sensoren verwendet werden, die an gegenüberliegenden Seiten des Objektes angeordnet sind. Durch diese Maßnahmen erfüllt die Beleuchtung alle Aufgaben der verschiedenen in der Koordinatenmesstechnik verwendeten Beleuchtungsarten. Eine zweite Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art wird dann benötigt, wenn nur ein Sensor vorhanden ist und für diesen Auflichtbeleuchtung und Durchlichtbeleuchtung realisiert werden soll. Sind diese zwei Beleuchtungseinrichtungen vorhanden, kann aber auch ein zweiter Sensor an der gegenüberliegenden Seite des Objektes mit beiden Beleuchtungsarten versorgt werden. Dadurch wird eine Messung des Objektes an beiden Seiten möglich. It is further to be emphasized that the illumination device is integrated in a coordinate measuring machine and the control of the illumination device and the optical sensor is connected to the control of the coordinate measuring machine, and preferably two illumination devices are used, which are arranged on opposite sides of the object, and preferably two optical sensors used, which are arranged on opposite sides of the object. Through these measures, the lighting fulfills all the tasks of the various types of illumination used in coordinate metrology. A second illumination device of the type mentioned above is required if only one sensor is present and should be realized for this incident illumination and transmitted light illumination. If these two illumination devices are present, however, a second sensor on the opposite side of the object can also be supplied with both types of illumination. This makes it possible to measure the object on both sides.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Vielzahl der Leuchtelemente bzw. Fasern bzw. Mikrospiegel der Beleuchtungsquelle Licht unterschiedlicher Wellenlänge abstrahlen, vorzugsweise durch Einsatz einer RGB-Matrix-Beleuchtungsquelle. Preferably, it is provided that the plurality of light elements or fibers or micromirrors of the illumination source emit light of different wavelengths, preferably by using an RGB matrix illumination source.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Leuchtelemente in einer Ebene angeordnet sind, die vorzugsweise parallel oder senkrecht zur Auflagefläche des zu messenden Objekts verläuft.
Bevorzugterweise sieht die Erfindung vor, dass ausschließlich die Leuchtelemente einschaltbar sind, bei denen der Winkel Phi zwischen optischer Achse des Sensors und Richtung der direkten Verbindungslinie zwischen dem Leuchtelement und dem optischen Sensor < 10°, bevorzugt < 3°, besonders bevorzugt < 1° beträgt. In particular, the invention is characterized in that the lighting elements are arranged in a plane which is preferably parallel or perpendicular to the support surface of the object to be measured. Preferably, the invention provides that only the lighting elements are switched on, in which the angle Phi between the optical axis of the sensor and the direction of the direct line connecting the light-emitting element and the optical sensor <10 °, preferably <3 °, more preferably <1 ° ,
Eigenerfinderisch zeichnet sich eine Vorrichtung dadurch aus, dass in einem Beleuchtungs strahlengang, vorzugsweise Hellfeldbeleuchtungsstrahlengang, vor der Einspiegelung in den Strahlengang eines optischen Sensors, vorzugsweise Bildverarbeitungssensors mit Fokussensorfunktion, eine Marke, wie Chrommaske, mit lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereichen angeordnet wird, die in die Fokusebene einer dem optischen Sensor zugeordneten Optik mit verstellbarem Arbeitsabstand in einer ersten Einstellung für den Arbeits ab stand fokussiert wird und in zumindest einer weiteren Fokusebene eines veränderten Arbeitsabstandes unscharf abgebildet wird, vorzugsweise, indem die Optik zumindest eine zur Einstellung des Arbeitsabstandes der Optik verstellbare Linse enthält, die vom Beleuchtungsstrahlengang erst nach der Reflexion am Objekt durchlaufen wird, also zwischen Einspiegelung und Empfänger des optischen Sensors angeordnet ist, wobei die Marke vorzugsweise gebildet wird durch die Vielzahl von Leuchtelementen der Beleuchtungsquelle, wobei nur ausgewählte Leuchtelemente eingeschaltet sind. Eigenerfinderisch a device is characterized in that in an illumination beam path, preferably bright field illumination beam path, before being reflected in the beam path of an optical sensor, preferably image processing sensor with focus sensor function, a brand, such as chrome mask, is arranged with translucent and opaque areas in the focal plane an optics associated with the optical sensor with adjustable working distance in a first setting for the working is focused from focused and mapped in at least one other focal plane of a modified working distance, preferably by the optics contains at least one adjustable to adjust the working distance of the optic lens, which is traversed by the illumination beam path only after the reflection on the object, that is arranged between reflection and the receiver of the optical sensor, wherein the mark is preferably formed by the Variety of lighting elements of the illumination source, with only selected lighting elements are turned on.
Gelöst werden eine oder mehrere der Erfindung zugrunde liegende Aufgaben im Wesentlichen auch durch ein Verfahren zur Auflichtbeleuchtung und/oder Durchlichtbeleuchtung eines Objektes mittels einer Beleuchtungsquelle, wobei die von der Beleuchtungsquelle ausgehende Strahlung in den Strahlengang eines optischen Sensors, vorzugsweise Bildverarbeitungssensors, eingekoppelt und auf das Objekt abgebildet wird, wobei die Beleuchtungsquelle flächig ausgebildet wird und die Beleuchtungsquelle zumindest aus einer Vielzahl von Leuchtelementen, wie beispielsweise zweidimensionaler LCD-Matrix, LED-Matrix, OLED-Matrix, LCoS-Matrix, Faserbündel oder zumindest einem Mikrospiegelarray gebildet wird, wobei die einzelnen Leuchtelemente bzw. Mikrospiegel unabhängig voneinander eingeschaltet bzw. eingestellt werden, vorzugsweise die einzelnen Leuchtelemente bzw. Mikrospiegel in Gruppen unterteilt sind und die einzelnen oder mehreren Gruppen unabhängig voneinander eingeschaltet bzw. eingestellt
werden, um eine Hellfeldauflichtbeleuchtung oder eine Dunkelfeldauflichtbeleuchtung oder eine Durchlichtbeleuchtung oder eine Mischung der Beleuchtungsarten zu erzielen. One or more objects underlying the invention are essentially also achieved by a method for incident illumination and / or transmitted light illumination of an object by means of an illumination source, wherein the radiation emanating from the illumination source is coupled into the beam path of an optical sensor, preferably an image processing sensor, and onto the object is formed, wherein the illumination source is formed flat and the illumination source is formed at least from a plurality of light-emitting elements, such as two-dimensional LCD matrix, LED matrix, OLED matrix, LCoS matrix, fiber bundles or at least one micromirror array, wherein the individual light elements or micromirrors are switched on or set independently of one another, preferably the individual light-emitting elements or micromirrors are subdivided into groups, and the individual or a plurality of groups are switched on or set independently of one another to achieve a bright field incident lighting or a dark field incident lighting or a transmitted light illumination or a mixture of lighting types.
Ein weiteres eigenerfinderisch die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe lösendes Verfahren besteht in einer Auflichtbeleuchtung und/oder Durchlichtbeleuchtung eines Objektes mittels einer Beleuchtungsquelle, wobei die Beleuchtungsquelle flächig ausgebildet wird und die von der Beleuchtungsquelle ausgehende Strahlung in den Strahlengang eines optischen Sensors, vorzugsweise Bildverarbeitungssensors, eingekoppelt und auf das Objekt abgebildet wird oder die Beleuchtungsquelle auf der vom optischen Sensor abgewandten Seite des Objektes angeordnet wird, wobei die Beleuchtungsquelle eine Vielzahl von Leuchtelementen umfasst, die abhängig von der Position des optischen Sensors unabhängig voneinander eingeschaltet und/oder eingestellt werden derart, dass eine Hellfeldauflichtbeleuchtung oder eine Dunkelfeldauflichtbeleuchtung oder eine Durchlichtbeleuchtung oder eine Mischung der Beleuchtungsarten erzielt wird. Another selffinderisch the task underlying the invention solving method consists in incident light illumination and / or transmitted light illumination of an object by means of an illumination source, wherein the illumination source is formed areal and emanating from the illumination source radiation in the beam path of an optical sensor, preferably image processing sensor, and is imaged on the object or the illumination source is arranged on the side facing away from the optical sensor side of the object, wherein the illumination source comprises a plurality of luminous elements, which are switched independently depending on the position of the optical sensor and / or adjusted such that a bright field incident illumination or a dark field incident illumination or a transmitted light illumination or a mixture of the illumination types is achieved.
Ein drittes eigenerfinderisch die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe lösendes Verfahren besteht in einem Verfahren zur Bestimmung von Messpunkten auf der Oberfläche eines Objekts mit einem optischen Sensor nach dem Fokusprinzip, vorzugsweise konfokalem Fokusprinzip, bestehend zumindest aus einem flächig ausgeprägtem Empfänger bzw. Bildsensor wie CCD- oder CMOS-Sensor mit einer Vielzahl lichtempfindlicher Elemente zur Aufnahme von zweidimensionalen Bildern, unter Verwendung einer Auflichtbeleuchtung, wobei die von der Beleuchtungsquelle ausgehende Strahlung in den Strahlengang des optischen Sensors eingekoppelt und auf das Objekt abgebildet wird, und wobei ein für die Oberfläche des Objekts charakteristischer Parameter wie Kontrastwert und/oder Intensitätswert in mehreren in Richtung der optischen Achse des optischen Sensors variierenden Relativlagen zwischen Objektoberfläche und Fokusebene des Sensors durch Aufnahme zweidimensionaler Bilder bestimmt wird, und aus der Relativlage und dem charakteristischen Parameter die entlang der optischen Achse vorliegende Koordinate zumindest eines Messpunktes bestimmt wird, wobei der durch die Bilder senkrecht zur optischen Achse bestimmte Messbereich in Teilbereiche unterteilt ist, wobei die Beleuchtungsquelle flächig ausgebildeten ist und aus einer Vielzahl von Leuchtelementen gebildet wird, die unabhängig voneinander angesteuert, also eingeschaltet und/oder eingestellt werden, wobei die jeweils
angesteuerten Leuchtelemente Muster bilden, die jeweils ausgewählte Teilbereiche beleuchten. A third selffinderisch the task underlying the invention solving method consists in a method for the determination of measuring points on the surface of an object with an optical sensor according to the focus principle, preferably confocal focus principle, consisting at least of a flat pronounced receiver or image sensor such as CCD or CMOS sensor having a plurality of photosensitive elements for taking two-dimensional images, using incident light illumination, wherein the radiation emanating from the illumination source is coupled into the beam path of the optical sensor and imaged onto the object, and wherein a parameter characteristic of the surface of the object how the contrast value and / or intensity value is determined in a plurality of relative positions between object surface and focal plane of the sensor varying in the direction of the optical axis of the optical sensor by taking two-dimensional images, and from the Rela and the characteristic parameter, the coordinate of at least one measuring point present along the optical axis is determined, wherein the measuring range determined by the images perpendicular to the optical axis is subdivided into partial regions, wherein the illumination source is flat and is formed from a plurality of luminous elements controlled independently of each other, that is switched on and / or adjusted, the respective triggered lighting elements form patterns that illuminate each selected sub-areas.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die von der Beleuchtungsquelle ausgehende Strahlung in die Fokusebene des optischen Sensors fokussiert wird, vorzugsweise durch eine mit dem optischen Sensor verbundene oder im optischen Sensor bereits enthaltene Optik, und vorzugsweise die Beleuchtungsquelle relativ zum optischen Sensor feststeht. In particular, the invention is characterized in that the radiation emanating from the illumination source is focused into the focal plane of the optical sensor, preferably by an optics connected to the optical sensor or already contained in the optical sensor, and preferably the illumination source is fixed relative to the optical sensor.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass die Teilbereiche einzelnen Pixeln oder Gruppen benachbarter Pixel des Empfängers des optischen Sensors zugeordnet sind It is preferably proposed that the partial regions are assigned to individual pixels or groups of adjacent pixels of the receiver of the optical sensor
Besonders hervorzuheben ist, dass die durch das jeweilige Muster im fokussierten Zustand beleuchteten jeweiligen mehreren Teilbereiche zueinander beabstandet sind, vorzugsweise in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der mindestens der doppelten, bevorzugt mindestens der 5-fachen, besonders bevorzugt mindestens der 10-fachen Seitenlänge des Teilbereiches entspricht, vorzugsweise so, dass während der Relativbewegung keine Überlagerung der mehreren beleuchteten Teilbereiche aufgrund der auftretenden Defokussierung des Musters erfolgt. It should be emphasized that the respective plurality of partial regions illuminated by the respective pattern in the focused state are spaced from one another, preferably at a distance from one another which is at least twice, preferably at least 5 times, particularly preferably at least 10 times the side length of Subarea corresponds, preferably so that during the relative movement no superposition of the plurality of illuminated subregions takes place due to the occurring defocusing of the pattern.
Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die durch das jeweilige Muster beleuchteten jeweiligen mehreren Teilbereiche zueinander so beabstandet sind, dass während der Relativbewegung keine Überlagerung der mehreren beleuchteten Teilbereiche aufgrund der auftretenden Defokussierung des Musters erfolgt. Furthermore, the invention is distinguished by the fact that the respective plurality of partial regions illuminated by the respective pattern are spaced apart from one another such that during the relative movement no superimposition of the several illuminated partial regions occurs due to the defocusing of the pattern occurring.
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass für die von dem jeweiligen Muster beleuchteten Teilbereiche der charakteristische Parameter und die daraus resultierende Koordinate während der Variation der Relativlage zwischen Objektoberfläche und Fokusebene des Sensors gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig bestimmt wird, wobei die senkrecht zur optischen Achse vorliegende Koordinate aus der senkrecht zur optischen Achse vorliegenden Position des Teilbereiches im Bild und des optischen Sensors relativ zum Objekt bestimmt wird.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass je Abstand bzw. Abstandsbereich ein Gesamtbild aus den den Teilbereichen zugeordneten Teilbildern zusammengesetzt wird, und der Abstand zwischen optischem Sensor und Messobjektoberfläche je Teilbereich ermittelt wird, indem zumindest die Lage des jeweiligen Teilbildes berücksichtigt wird, für das der jeweilige Teilbereich wie Pixel den höchsten Kontrast oder die höchste Intensität bzw. Helligkeit besitzt. The invention is also distinguished by the fact that the characteristic parameters and the resulting coordinate during the variation of the relative position between the object surface and focal plane of the sensor are determined simultaneously or substantially simultaneously for the subregions illuminated by the respective pattern, the perpendicular to the optical axis present coordinate is determined from the present perpendicular to the optical axis position of the sub-area in the image and the optical sensor relative to the object. In particular, the invention is distinguished by the fact that for each distance or distance range, an overall picture is composed of the sub-images assigned to the sub-areas, and the distance between the optical sensor and the measuring object surface per sub-area is determined by taking into account at least the position of the respective sub-image the respective subarea such as pixels has the highest contrast or the highest intensity or brightness.
Nach einem besonders hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass mehrfach nacheinander Relativbewegungen bei Verwendung jeweils unterschiedlicher Muster ausgeführt werden oder während einer einzelnen Relativbewegung unterschiedliche Muster in mehreren Zyklen wiederholt eingestellt werden, wobei je Muster jeweils mehrere Messpunkte bestimmt werden, wobei die jeweils ausgewählten Teilbereiche entsprechend des jeweiligen Musters festgelegt sind. According to a particularly noteworthy proposal, it is provided that relative movements are carried out several times in succession when using different patterns or during a single relative movement different patterns are repeatedly set in several cycles, wherein each pattern several measurement points are determined, each selected sub-areas corresponding to the respective Pattern are set.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die unterschiedlichen Muster jeweils so oft zueinander verschoben werden bzw. so oft variiert werden, bis alle Teilbereiche zumindest einmal beleuchtet wurden. In particular, the invention is characterized in that the different patterns are each shifted to each other as often or are varied so often until all sections have been illuminated at least once.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass nur die Leuchtelemente eingeschaltet oder eingestellt werden, die innerhalb eines festgelegten Winkelbereiches zur optischen Achse des optischen Sensors angeordnet sind, vorzugsweise der Winkelbereich um einen festlegbaren Winkel von beispielsweise 1° oder 3° oder 5° größer ist als der aus der numerischen Apertur des dem optischen Sensors zugeordneten Objektives resultierende Akzeptanzwinkel. In particular, the invention is characterized in that only the lighting elements are switched on or adjusted, which are arranged within a predetermined angular range to the optical axis of the optical sensor, preferably the angular range is greater by a definable angle of for example 1 ° or 3 ° or 5 ° as the acceptance angle resulting from the numerical aperture of the lens associated with the optical sensor.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass ausschließlich die Leuchtelemente eingeschaltet werden, bei denen der Winkel Phi zwischen optischer Achse des Sensors und Richtung der direkten Verbindungslinie zwischen dem Leuchtelement und dem optischen Sensor <10°, bevorzugt < 3°, besonders bevorzugt < l°beträgt. Die direkte Verbindungslinie verläuft dabei insbesondere zwischen der Mitte der Oberfläche des Leuchtelementes und der Mitte des objektseitig vordersten optischen Elementes wie Linse (auch Frontlinse genannt) des optischen Sensors.
Besonders hervorzuheben ist, dass zur Messung eines oder mehrerer Merkmale des Objektes der optische Sensor zumindest rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zu seiner Abbildungsrichtung bewegt wird und die Beleuchtungsquelle eine größere Ausdehnung als die vom feststehenden optischen Sensor erfassbare Fläche besitzt, vorzugsweise den gesamten vom bewegten optischen Sensor erfassbaren Bereich abdeckt. It is preferably proposed that only the lighting elements are switched on, in which the angle Phi between the optical axis of the sensor and the direction of the direct connecting line between the light-emitting element and the optical sensor is <10 °, preferably <3 °, particularly preferably <1 °. The direct connecting line extends in particular between the center of the surface of the luminous element and the center of the object-side foremost optical element such as lens (also called front lens) of the optical sensor. Particularly noteworthy is that for measuring one or more features of the object, the optical sensor is moved at least perpendicular or almost perpendicular to its imaging direction and the illumination source has a greater extent than the detectable by the fixed optical sensor surface, preferably the entire detected by the moving optical sensor Area covers.
Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Beleuchtungsquelle fest angeordnet ist und zur Messung eines oder mehrerer Merkmale des Objektes der optische Sensor bezüglich der Beleuchtungsquelle in zumindest einer Richtung rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zu seiner Abbildungsrichtung bewegt wird, oder dass zur Messung eines oder mehrerer Merkmale des Objektes die Beleuchtungsquelle in einer ersten rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zur Abbildungsrichtung des optischen Sensors verlaufenden Richtung bewegt wird und der optische Sensor in einer zweiten, rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zur Abbildungsrichtung des optischen Sensors und rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig zur Bewegungsrichtung der Beleuchtungseinrichtung verlaufenden Richtung bewegt wird. Furthermore, the invention is characterized in that the illumination source is fixed and for measuring one or more features of the object the optical sensor is moved with respect to the illumination source in at least one direction perpendicular or nearly perpendicular to its imaging direction, or that for measuring one or more a plurality of features of the object, the illumination source is moved in a first direction perpendicular or substantially perpendicular to the imaging direction of the optical sensor and the optical sensor in a second, perpendicular or nearly perpendicular to the imaging direction of the optical sensor and at right angles or at right angles to the direction of movement of the illumination device extending direction is moved.
Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass zur Erzeugung der Hellfeldauflichtbeleuchtung Leuchtelemente in der Mitte der Beleuchtungsquelle gruppiert werden, vorzugsweise kreisförmig benachbarte Leuchtelemente. Hierdurch gelangen nur achsnahe Strahlen mit kleinem Winkel zur Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungs Strahlung zum Objekt und bilden eine sogenannte Hellfeldauflichtbeleuchtung . The invention is also characterized in that light elements in the middle of the illumination source are grouped to produce the bright field incident illumination, preferably circularly adjacent illumination elements. As a result, only near-axis beams with a small angle to the propagation direction of the illumination radiation reach the object and form a so-called bright field incident illumination.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass zur Erzeugung der Dunkelfeldauflichtbeleuchtung Leuchtelemente außerhalb der Mitte der Beleuchtungsquelle gruppiert werden, vorzugsweise in Form von Kreisringen, wobei vorzugsweise mehrere radial versetzte Kreisringe schaltbar sind, um verschiedene Beleuchtungswinkel der Dunkelfeldbeleuchtung zu erzielen, und vorzugsweise die Kreisringe entlang des Umfangs in Segmente unterteilt werden, um verschiedene Richtungen der Dunkelfeldbeleuchtung zu erzielen. Hierbei gelangen also nur achsferne Strahlen mit größerem Winkel zur Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungsstrahlung zum Objekt und bilden eine sogenannte Dunkelfeldauflichtbeleuchtung.
Nach einem besonders hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass zur Erzeugung der Durchlichtbeleuchtung alle Leuchtelemente der Beleuchtungsquelle gruppiert werden, wobei vorzugsweise Mikrospiegel eingesetzt werden, deren Richtungen zur Erzeugung parallelen Lichtes eingestellt werden, oder die Mikrospiegel zur Erzeugung diffusen Lichtes gruppiert und in unterschiedlichen Richtungen eingestellt werden. Hierdurch werden die beiden bei Durchlichtbeleuchtung bekannten Strahlcharakteristika, nämlich paralleles oder diffuses Licht, erreicht. In particular, the invention is characterized in that for generating the dark field incident lighting lighting elements are grouped outside the center of the illumination source, preferably in the form of circular rings, preferably a plurality of radially offset annuli are switchable to achieve different illumination angle of the dark field illumination, and preferably along the annuli the periphery are divided into segments to achieve different directions of the dark field illumination. In this case, only off-axis beams with a larger angle to the propagation direction of the illumination radiation arrive at the object and form a so-called dark field incident illumination. According to a particularly noteworthy proposal, it is envisaged that to generate the transmitted light illumination, all the illumination elements of the illumination source are preferably used, with micromirrors preferably being used whose directions are adjusted to produce parallel light, or the micromirrors are grouped to produce diffuse light and adjusted in different directions. As a result, the two known in transmitted light illumination beam characteristics, namely parallel or diffused light, achieved.
Alternativ lässt sich paralleles Durchlicht erfindungsgemäß auch ohne Kippspiegel durch das Einbringen eines Filters zwischen einer Beleuchtungsquelle und der Einkopplung erzeugen, indem der Filter nur Strahlen kleiner einem definierten Grenzwinkel zur mittleren Richtung der Strahlen der Beleuchtungsquelle durchlässt, vorzugsweise gebildet durch eine Anordnung mehrerer in Strahlungsrichtung rohrförmig oder wabenförmig ausgebildeter und nebeneinander angeordneten Elemente. Alternatively, according to the invention, parallel transmitted light can also be generated without a tilting mirror by introducing a filter between an illumination source and the coupling, since the filter transmits only beams smaller than a defined critical angle to the mean direction of the beams of the illumination source, preferably formed by an arrangement of a plurality in the direction of radiation honeycomb-shaped and juxtaposed elements.
Besonders hervorzuheben ist, dass die Richtungen der Mikrospiegel zumindest jeweils einer Gruppe zum Umschalten zwischen Einschaltzustand und Ausschaltzustand der jeweiligen Beleuchtungsart oder zum Umschalten zwischen Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuchtung geändert werden. Particularly noteworthy is that the directions of the micromirrors are changed in each case at least one group for switching between the on state and off state of the respective type of illumination or to switch between bright field and dark field illumination.
Des Weiteren zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass Durchlichtbeleuchtung und Hellfeldbeleuchtung und/oder Dunkelfeldbeleuchtung durch eine einzige Beleuchtungsquelle erzielt wird und zwei optische Sensoren, die an gegenüberliegenden Seiten des Objektes angeordnet sind, verwendet werden, um das Objekt von zwei Seiten zu messen. Furthermore, the invention is characterized in that transmitted light illumination and bright field illumination and / or dark field illumination is achieved by a single illumination source and two optical sensors, which are arranged on opposite sides of the object, are used to measure the object from two sides.
Die Erfindung zeichnet sich insbesondere auch dadurch aus, dass die Farbe der Durchlichtbeleuchtung und/oder Auflichtbeleuchtung durch Ansteuerung der entsprechenden Leuchtelemente eingestellt wird, wobei vorzugsweise unterschiedliche Farben für die Beleuchtungsarten bzw. die unterschiedlichen Dunkelfeldkreisringe bzw. - segmente eingestellt werden. The invention is also characterized in particular by the fact that the color of the transmitted light illumination and / or incident light illumination is set by controlling the corresponding light elements, with different colors preferably being set for the types of illumination or the different dark field circles or segments.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass das Verfahren in einem Koordinatenmessgerät eingesetzt wird.
Nach einem besonders hervorzuhebenden Vorschlag ist vorgesehen, dass die einzuschaltenden Leuchtelemente entsprechend einer Vorabmessung der Objektkonturen bzw. der Objektberandung mit dem optischen Sensor, vorzugsweise in unterschiedlichen Relativpositionen zwischen Sensor und Objekt, festgelegt werden, wobei bei der Vorabmessung alle Leuchtelemente der jeweils gewählten Beleuchtungsart Durchlicht oder Auflicht oder zumindest der Teil der Leuchtelement, der für eine vollständige Beleuchtung des Objektes notwendig ist, eingeschaltet werden und die Konturen bzw. die Berandung des Objektes grob in ihrer Lage bestimmt werden, und anschließend je Relativposition zwischen Sensor und Objekt nur die Leuchtelemente eingeschaltet werden, die zur Beleuchtung der vom Sensor erfassten, grob bestimmten Kontur unter dem vorgebbaren Maximal winkel Phi beitragen. Preferably, it is provided that the method is used in a coordinate measuring machine. According to a proposal to be particularly emphasized, it is provided that the lighting elements to be switched on are determined according to a preliminary measurement of the object contours or the object boundary with the optical sensor, preferably in different relative positions between sensor and object, wherein in the pre-measurement all the lighting elements of the respectively selected illumination type transmitted light or Incident light or at least the part of the luminous element which is necessary for a complete illumination of the object, are switched on and the contours or the boundary of the object roughly determined in their position, and then depending on the relative position between sensor and object only the light elements are turned on, contribute to the illumination of the detected by the sensor, roughly determined contour under the predetermined maximum angle Phi.
Eine eigenerfinderisches Verfahren sieht vor, dass zur Erhöhung des Kontrastes der von einem optischen Sensor erfassten Oberfläche eines Objektes in einem Beleuchtungs strahlengang, vorzugsweise Hellfeldbeleuchtungsstrahlengang, vor der Einspiegelung in den Strahlengang eines optischen Sensors, vorzugsweise Bildverarbeitungssensors mit Fokussensorfunktion, eine Marke, wie Chrommaske, mit lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereichen angeordnet ist und durch Einstellung eines ersten Arbeitsabstandes der dem optischen Sensor zugeordneten Optik mit verstellbarem Arbeitsabstand in die Fokusebene der Optik fokussiert wird, wobei die Marke in zumindest einer weiteren Fokusebene eines veränderten Arbeitsabstandes unscharf abgebildet ist, vorzugsweise, indem die Optik zumindest eine zur Einstellung des Arbeitsabstandes der Optik verstellbare Linse enthält, die vom Beleuchtungsstrahlengang erst nach der Reflexion am Objekt durchlaufen wird, also zwischen Einspiegelung und Empfänger des optischen Sensors angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Marke gebildet wird, indem aus der Vielzahl von Leuchtelementen der Beleuchtungsquelle nur ausgewählte Leuchtelemente eingeschaltet werden. A selffinderisches method provides that to increase the contrast of the detected by an optical sensor surface of an object in an illumination beam path, preferably bright field illumination beam path, before the reflection in the beam path of an optical sensor, preferably image processing sensor with focus sensor function, a brand, such as chrome mask, with light-transmissive and opaque areas is arranged and is focused by adjusting a first working distance of the optical sensor associated optics with adjustable working distance in the focal plane of the optics, wherein the mark is blurred in at least one other focal plane of a modified working distance, preferably by the optics at least contains an adjustable lens for adjusting the working distance of the lens, which is traversed by the illumination beam path only after the reflection on the object, ie between reflection and the receiver it is arranged of the optical sensor, wherein preferably the mark is formed by only selected light elements are turned on from the plurality of light elements of the illumination source.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmale - für sich und/oder in Kombination - sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren. Further details, advantages and features of the invention will become apparent not only from the claims, the features to be taken from them - alone and / or in combination - but also from the following description of the figures.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungs gemäßenShow it: Fig. 1 shows a first preferred embodiment of a fiction, contemporary
Vorrichtung mit Einkopplung der Beleuchtung zwischen optischem Sensor und Messobjekt, Device with coupling of the illumination between the optical sensor and the measurement object,
Fig. 2 eine Erweiterung der ersten bevorzugten Ausführungsform durch eine Fig. 2 shows an extension of the first preferred embodiment by a
Abbildungsoptik und/oder Blende, Imaging optics and / or aperture,
Fig. 3 eine Erweiterung der ersten bevorzugten Ausführungsform durch eine Fig. 3 shows an extension of the first preferred embodiment by a
Anordnung zur Begrenzung des Abstrahlwinkels, Arrangement for limiting the emission angle,
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Fig. 4 shows a second embodiment of a device according to the invention with
Einkopplung der Beleuchtung innerhalb des Strahlenganges des optischen Sensors und einem zweiten optischen Sensor mit Einkopplung der Beleuchtung zwischen zweitem optischen Sensor und Messobjekt, Coupling of the illumination within the beam path of the optical sensor and a second optical sensor with coupling of the illumination between the second optical sensor and the test object,
Fig. 5 die Anwendung des erfinderischen Verfahrens zur Erzeugung von Fig. 5 shows the application of the inventive method for the production of
Hellfeldauflicht, Hellfeldauflicht,
Fig. 6 die Anwendung des erfinderischen Verfahrens zur Erzeugung eines ersten Fig. 6 shows the application of the inventive method for producing a first
Dunkelf eldauflichts , Dark eldauflicht,
Fig. 7 die Anwendung des erfinderischen Verfahrens zur Erzeugung eines zweiten Fig. 7 shows the application of the inventive method for producing a second
Dunkelfeldauflichts verschiedener Neigung, Dark field light of different inclination,
Fig. 8 die Anwendung des erfinderischen Verfahrens zur Erzeugung eines Fig. 8 shows the application of the inventive method for producing a
Dunkelfeldauflicht-Segmentes, Dunkelfeldauflicht segment,
Fig. 9 die Anwendung des erfinderischen Verfahrens zur Erzeugung von Fig. 9 shows the application of the inventive method for the production of
Durchlicht, By light
Fig. 10 eine alternative Anordnung zur Erzeugung von Hellfeldauflicht unter 10 shows an alternative arrangement for generating bright field illumination under
Verwendung eines Kippspiegelarrays,
Fig. 11 eine alternative Anordnung zur Erzeugung von Dunkelfeldauflicht unterUse of a tilting mirror array, 11 shows an alternative arrangement for producing dark field incident light below
Verwendung eines Kippspiegelarrays, Use of a tilting mirror array,
Fig. 12 eine alternative Anordnung zur Erzeugung von Durchlicht unter Fig. 12 shows an alternative arrangement for generating transmitted light below
Verwendung eines Kippspiegelarrays im ausgeschalteten Zustand, Use of a tilting mirror array in the off state,
Fig. 13 eine alternative Anordnung zur Erzeugung von Durchlicht unter Fig. 13 shows an alternative arrangement for generating transmitted light below
Verwendung eines Kippspiegelarrays im eingeschalteten Zustand, Use of a tilting mirror array in the switched-on state,
Fig. 14 ein weiteres alternatives Verfahren unter Verwendung einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung, 14 shows a further alternative method using a further arrangement according to the invention,
Fig. 15 ein besonders hervorzuhebendes Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung und Fig. 15 is a particularly emphasized method using the inventive arrangement and
Fig. 16 ein besonders hervorzuhebendes Verfahren unter Verwendung unterschiedlicher Muster. Fig. 16 is a particularly emphasized method using different patterns.
Anhand der Figur 1 wird eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Einkopplung der Strahlung einer Beleuchtung 1 bestehend aus flächig ausgeprägter Beleuchtungsquelle 2 und Umlenkeinrichtung 3 zwischen optischem Sensor 4 und Objekt bzw. Messobjekt 5 erläutert. Die Beleuchtungsquelle 2 besteht erfindungsgemäß aus einzeln ansteuerbaren Elementen 6, von denen beispielhaft drei in der Figur markiert sind. Diese Elemente 6 lassen sich getrennt ein- und ausschalten, sowie in ihrer Intensität steuern. Die Anzahl der Elemente 6 beträgt einige hundert bis einige tausend Elemente 6 in beiden Ausbreitungsrichtungen. Hierzu eignen sich beispielsweise zweidimensionale LCD-Matrizen (Liquid Crystal Display), LED-Matrizen (Light Emitting Diode), OLED-Matrizen (Organic Light Emitting Diode), LCoS-Matrizen (Liquid Crystal on Silicon) oder geordnete Faserbündel. Die einzelnen Elemente 6 strahlen weißes Licht ab. Alternativ werden farbig strahlende Elemente 6 eingesetzt. A first preferred embodiment of a device according to the invention with coupling in of the radiation of an illumination 1 consisting of areally illuminated source 2 and deflection device 3 between optical sensor 4 and object or measuring object 5 will be explained with reference to FIG. The illumination source 2 according to the invention consists of individually controllable elements 6, of which three are marked by way of example in the figure. These elements 6 can be switched on and off separately, as well as their intensity control. The number of elements 6 is several hundred to several thousand elements 6 in both propagation directions. For example, two-dimensional LCD matrices (Liquid Crystal Display), LED matrices (Light Emitting Diode), OLED matrices (Organic Light Emitting Diode), LCoS matrices (Liquid Crystal on Silicon) or ordered fiber bundles are suitable for this purpose. The individual elements 6 emit white light. Alternatively, colored radiating elements 6 are used.
Bei einer Beleuchtungsquelle, die eine quadratische Fläche bildet, können die Kantenlängen zwischen 1 mm und z. B. 600 mm liegen. Die Anzahl der Leuchtelemente pro cm kann zwischen 100 und 10.000, insbesondere zwischen 100 und 5.000 liegen.
Die diffus aber im Mittel in Richtung eines Pfeiles 7 abgegebene Strahlung der Beleuchtungsquelle 2 wird über einen teildurchlässigen Spiegel 3 prinzipiell in Richtung der optischen Achse, gekennzeichnet durch einen Pfeil 8, des optischen Sensors 4 auf das Messobjekt 5 gelenkt. Abhängig davon, welche der Elemente 6 eingeschaltet sind, entsteht dadurch eine Hellfeld- oder Dunkelfeldauflichtbeleuchtung des Objektes 5. Zwischen Hellfeldauflicht und verschiedenen Dunkelfeldbeleuchtungen, wie in den Figuren 6 bis 8 erläutert, kann also flexibel umgeschaltet werden, indem die entsprechenden Elemente 6 angesteuert werden. Auch eine Mischung der verschiedenen Beleuchtungsarten ist damit möglich. For a lighting source that forms a square surface, the edge lengths between 1 mm and z. B. 600 mm. The number of light elements per cm can be between 100 and 10,000, in particular between 100 and 5,000. The radiation emitted diffusely but in the middle in the direction of an arrow 7 of the illumination source 2 is directed via a partially transparent mirror 3 in principle in the direction of the optical axis, characterized by an arrow 8, of the optical sensor 4 on the measuring object 5. Depending on which of the elements 6 are switched on, this produces brightfield or darkfield incident light illumination of the object 5. Between brightfield incident light and various dark field illuminations, as explained in FIGS. 6 to 8, it is possible to flexibly switch over by controlling the corresponding elements 6. A mixture of different types of lighting is thus possible.
Wie sich aus der zeichnerischen Darstellung ergibt, kann sich die Erfindung auch dadurch auszeichnen, dass die flächige Beleuchtungsquelle 2 eine Ebene mit einer Normalen aufspannt, die die optische Achse 8 insbesondere senkrecht oder nahezu senkrecht schneidet. As can be seen from the graphic representation, the invention may also be distinguished by the fact that the planar illumination source 2 spans a plane with a normal which intersects the optical axis 8 in particular perpendicularly or almost perpendicularly.
Nach der Reflexion der Strahlung der Beleuchtungsquelle 2 am Messobjekt 5 wird diese durch den teildurchlässigen Spiegel 3 hindurch vom optischen Sensor 4 erfasst und ausgewertet. Der optische Sensor 4 umfasst zumindest eine oder mehrere Abbildungslinsen 9 und einen Detektor 10, zumeist eine flächige CCD- oder CMOS-Kamera-Matrix. Bei dem optischen Sensor 4 handelt es sich vorzugsweise um einen Bildverarbeitungssensor, der einen flächigen Bereich des Messobjektes 5 erfasst, um daran Kanten und/oder Oberflächenpunkte zu lokalisieren und diesen Koordinaten zuzuordnen. After the reflection of the radiation of the illumination source 2 on the measurement object 5, it is detected and evaluated by the partially transmissive mirror 3 by the optical sensor 4. The optical sensor 4 comprises at least one or more imaging lenses 9 and a detector 10, usually a planar CCD or CMOS camera matrix. The optical sensor 4 is preferably an image processing sensor which detects a planar region of the measurement object 5 in order to localize edges and / or surface points and assign them to these coordinates.
Zusätzlich kann zur Erzeugung von Durchlicht für den optischen Sensor 4, eine weitere Beleuchtungsquelle 2a unterhalb des auf einem transparenten Messtisch 11 aufliegenden Messobjektes 5 angeordnet werden. Verläuft die Strahlung - wie in Fig. 4 angedeutet - entlang des Pfeils 7a und wird die Strahlung mittels einer Umlenkeinrichtung 3a eingekoppelt, wirkt die Beleuchtungsquelle 2a auch als Auflichtbeleuchtung für einen zweiten, unterhalb des Messobjektes 5 angeordneten optischen Sensor 4a (Fig. 4). Die in Figur 1 dargestellte Beleuchtungsquelle 2 wirkt für diesen zweiten optischen Sensor 4a, ebenso wie die alternative Beleuchtungsquelle 2b aus Figur 4, als Durchlichtbeleuchtung. Das Messobjekt 5 lässt sich mit der in Figur 4 dargestellten Anordnung aus zwei gegenüberliegenden Richtungen beobachten und messen, wobei für beide Richtungen
Auflicht und Durchlicht verwendet werden kann. Insoweit sind die Figuren selbsterklärend. Dies gilt auch für die weiteren zeichnerischen Darstellungen. In addition, to generate transmitted light for the optical sensor 4, a further illumination source 2a can be arranged below the measurement object 5 resting on a transparent measuring table 11. If the radiation runs along the arrow 7a as indicated in FIG. 4 and the radiation is coupled in by means of a deflection device 3a, the illumination source 2a also acts as incident illumination for a second optical sensor 4a arranged below the measurement object 5 (FIG. 4). The illumination source 2 shown in Figure 1 acts for this second optical sensor 4a, as well as the alternative illumination source 2b of Figure 4, as transmitted light illumination. The measuring object 5 can be observed and measured with the arrangement shown in Figure 4 from two opposite directions, wherein for both directions Incident light and transmitted light can be used. In that regard, the figures are self-explanatory. This also applies to the other drawings.
Figur 2 zeigt eine mögliche Erweiterung der Einkopplung der Strahlung der Beleuchtungsquelle 2 durch eine Linse 12. Hierdurch lässt sich die Größe der bestrahlten Fläche des Messobjektes 5 an das Sichtfeld des optischen Sensors anpassen. Eine Fokussierung der Strahlung in die Objektebene, also die Ebene der Oberfläche des Messobjektes 5, wie bei Sensoren mit strukturierter Beleuchtung, erfolgt dabei nicht, da das Messobjekt 5 möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet werden soll, um eine ortsunabhängige Bildverarbeitung zu ermöglichen. Zusätzlich kann das Bildfeld noch durch Blenden eingeschränkt werden. Neben der Fassung 13 der Linse 12 werden dazu Blenden 14 und/oder 15 vor bzw. nach der Linse 12 angeordnet. Ein optischer Sensor 4 bzw. 4a wurde zur Vereinfachung nicht dargestellt. FIG. 2 shows a possible extension of the coupling of the radiation of the illumination source 2 through a lens 12. This makes it possible to adapt the size of the irradiated surface of the measurement object 5 to the field of view of the optical sensor. A focusing of the radiation in the object plane, ie the plane of the surface of the measurement object 5, as in sensors with structured illumination, does not take place because the measurement object 5 should be illuminated as uniformly as possible in order to enable location-independent image processing. In addition, the image field can still be limited by aperture. In addition to the frame 13 of the lens 12, apertures 14 and / or 15 are arranged in front of or behind the lens 12. An optical sensor 4 or 4a has not been shown for the sake of simplicity.
Figur 3 zeigt eine weitere mögliche Erweiterung der Einkopplung der Strahlung der Beleuchtungsquelle 2 in die optische Achse 8 durch eine Anordnung 16 zur Begrenzung des Abstrahlwinkels. Die Anordnung 16 stellt einen Filter dar, der durch in Strahlungsrichtung 7 rohrförmig oder wabenförmig ausgebildete und nebeneinander angeordnete, transparente Elemente wie Öffnungen 17 eine Parallelisierung der Strahlung bewirkt, da, abhängig vom Durchmesser und der Länge der Öffnungen nur Strahlung bis zu einem bestimmten Grenzwinken passieren kann. Dies ist beispielsweise bei der Verwendung zusammen mit der Beleuchtungsquelle 2 als Hellfeldauflicht oder im Zusammenspiel mit der Beleuchtungsquelle 2a als Durchlichtbeleuchtung entsprechend Figur 1 sinnvoll. FIG. 3 shows a further possible extension of the coupling of the radiation of the illumination source 2 into the optical axis 8 through an arrangement 16 for limiting the emission angle. The arrangement 16 represents a filter which, by means of tubular or honeycomb-shaped and juxtaposed, transparent elements such as openings 17 in the radiation direction 7, effects a parallelization of the radiation since, depending on the diameter and the length of the openings, only radiation will pass up to a certain boundary wave can. This is useful, for example, when used together with the illumination source 2 as bright field incident light or in conjunction with the illumination source 2a as transmitted light illumination according to FIG.
Anhand der Figur 4 soll eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Einkopplung der Strahlung der Beleuchtungsquelle 2b in den Strahlengang des optischen Sensors 4 gezeigt werden. Hierzu ist seitlich des optischen Sensors 4 eine Öffnung 18 vorgesehen, durch die die Strahlung in Richtung des Pfeiles 7 quer zur optischen Achse 8b des Sensors 4 auf die Umlenkvorrichtung 3b trifft und in Richtung des Pfeiles 8b, also in Richtung der optischen Achse zum Messobjekt 5 umgelenkt wird. Die Umlenkvorrichtung 3b, wiederum ein teildurchlässiger Spiegel, ist dabei zwischen den Linsen 9 und dem Empfänger 10 des Sensors 4 angeordnet. Die Strahlung der Beleuchtungsquelle 2b durchläuft also die Linsen 9 des optischen Sensors 4, wobei der
Abstand zwischen den Linsen 9 und der Beleuchtungsquelle 2b so gewählt wird, dass wiederum keine Fokussierung der Strahlung auf das Messobjekt 5 erfolgt. A second embodiment of the device according to the invention with coupling of the radiation of the illumination source 2b into the beam path of the optical sensor 4 will be shown with reference to FIG. For this purpose, an opening 18 is provided laterally of the optical sensor 4, through which the radiation in the direction of arrow 7 transverse to the optical axis 8b of the sensor 4 on the deflection 3b meets and in the direction of arrow 8b, ie in the direction of the optical axis to the measurement object. 5 is diverted. The deflecting device 3b, again a partially transmissive mirror, is arranged between the lenses 9 and the receiver 10 of the sensor 4. The radiation of the illumination source 2b thus passes through the lenses 9 of the optical sensor 4, wherein the Distance between the lenses 9 and the illumination source 2b is chosen so that in turn no focusing of the radiation on the measuring object 5 takes place.
Zudem zeigt Figur 4 den bereits erwähnten zweiten optischen Sensor 4a, welcher gegenüber dem optischen Sensor 4 auf der gegenüberliegenden Seite des Objekts 5 angeordnet sein kann. Die Einkopplung erfolgt dabei analog zum optischen Sensor 4 in Figur 1 zwischen Sensor und Messobjekt. In addition, FIG. 4 shows the already mentioned second optical sensor 4 a, which can be arranged opposite the optical sensor 4 on the opposite side of the object 5. The coupling takes place analogously to the optical sensor 4 in Figure 1 between the sensor and the object to be measured.
Figur 5 zeigt die Anwendung des erfinderischen Verfahrens zur Erzeugung von Hellfeldauflicht. Hierzu wird lediglich ein mittiger Bereich, zum Beispiel in Form einer Kreisfläche 19 zur Beleuchtung eingesetzt, also nur die innerhalb der schraffiert dargestellten Kreisfläche 19 befindlichen Elemente gruppiert und eingeschaltet. Die Beleuchtungsquelle ist in der Draufsicht dargestellt. Hierdurch erreichen nur bezüglich der Achse des optischen Sensors 4 achsnah verlaufende Strahlen das Messobjekt 5, wodurch eine Hellfeldbeleuchtung erreicht wird. FIG. 5 shows the use of the inventive method for generating bright field incident light. For this purpose, only a central area, for example in the form of a circular area 19 is used for illumination, so only the elements located within the hatched area 19 shown hatched and turned on. The illumination source is shown in plan view. As a result, only with respect to the axis of the optical sensor 4 near-axis rays reach the measurement object 5, whereby a bright field illumination is achieved.
Im Gegensatz dazu stellen die Figuren 6 bis 8 verschiedene Dunkelfeldauflichtbeleuchtungen dar. In Figur 6 werden dazu nur die Elemente der Beleuchtungsquelle 2 innerhalb des Kreisringes 20 eingeschaltet. Ungeachtet dessen ist der Kreisring 20 teil der flächig ausgebildeten Beleuchtungsquelle 2. Hierdurch ergibt sich eine Dunkelfeldauflichtbeleuchtung mit relativ steilem Einfallswinkel der Strahlung auf das Messobjekt 5. Wird eine weiter außen befindlicher Kreisring 21, wie in Figur 7 gezeigt, eingeschaltet, wird eine flachere Dunkelfeldauflichtbeleuchtung erzielt. Um gerichtete Strukturen besonders Kontrastreich zu beleuchten, ist unter Umständen eine bestimmte Richtung der Dunkelfeldauflichtbeleuchtung notwendig. In contrast, FIGS. 6 to 8 show different dark-field incident light illuminations. In FIG. 6, only the elements of the illumination source 2 within the circular ring 20 are switched on for this purpose. Irrespective of this, the circular ring 20 is part of the areally formed illumination source 2. This results in a dark field incident illumination with a relatively steep angle of incidence of the radiation on the measurement object 5. If a further outward circular ring 21, as shown in Figure 7, turned on, a flatter dark field illumination is achieved , In order to illuminate directed structures with particularly high contrast, a certain direction of the darkfield incident illumination may be necessary.
Dies wird durch Einschalten eines Segmentes eines Kreisringes erreicht. Beispielhaft ist in Figur 8 das Segment 22 des Kreisringes 20 eingeschaltet. This is achieved by switching on a segment of a circular ring. By way of example, the segment 22 of the circular ring 20 is switched on in FIG.
Zur Mischung von Hellfeld- und Dunkelfeldauflichtbeleuchtung werden die entsprechenden Bereiche 19 bis 21 gemeinsam eingeschaltet. To mix bright field and dark field incident light illumination, the corresponding areas 19 to 21 are switched on together.
Figur 9 zeigt die Anwendung des erfinderischen Verfahrens zur Erzeugung von Durchlicht. Hierzu werden vorzugsweise alle Elemente der Beleuchtungsquelle eingeschaltet.
Abhängig von der optischen Vergrößerung des eingesetzten optischen Sensors 4 werden nur die Elemente im Sichtfeld des optischen Sensors eingeschaltet. Figure 9 shows the application of the inventive method for generating transmitted light. For this purpose, preferably all elements of the illumination source are turned on. Depending on the optical magnification of the optical sensor 4 used, only the elements in the field of view of the optical sensor are switched on.
Die in den Figuren 5 bis 9 gezeigten flächigen Beleuchtungsquellen 2 können neben weißem auch farbige Strahlung abgeben. Hierzu besitzen die Elemente unterschiedliche Farben, wie dies beispielsweise bei RGB-Matrizen in Form von Bayer-Mustern umgesetzt wird. Somit kann zwischen den verschiedenen Farben umgeschaltet werden und beispielsweise Hellfeld und Dunkelfeld mit unterschiedlichen Farben realisiert werden. Auch ist es mit solchen Matrizen möglich, für einzelne Elemente oder Bereiche von Elementen gleichzeitig unterschiedliche Farben einzustellen, also beispielsweise gleichzeitig eine Hellfeldbeleuchtung einer ersten Farbe und eine Dunkelfeldbeleuchtung einer zweiten Farbe zu realisieren. The flat illumination sources 2 shown in FIGS. 5 to 9 can emit colored radiation in addition to white. For this purpose, the elements have different colors, as is implemented for example in RGB matrices in the form of Bayer patterns. Thus, you can switch between the different colors and, for example, bright field and dark field can be realized with different colors. It is also possible with such matrices to set different colors for individual elements or areas of elements at the same time, that is, for example, to simultaneously realize a bright field illumination of a first color and a dark field illumination of a second color.
Eine alternative Beleuchtungsquelle zur Erzeugung von Hellfeldauflicht ist in Figur 10 dargestellt. Hierbei wird ein Kippspiegelarray 23, also eine Vielzahl von kippbaren Mikrospiegeln 24a bzw. 24b, die zweidimensional angeordnet sind, und eine zusätzliche Lichtquelle 25 verwendet. Die Darstellung in Figur 10 zeigt eine vereinfachte Ansicht von der Seite. Mit 24a ist beispielhaft ein nicht gekippter Mikrospiegel bezeichnet, mit 24b ein Mikrospiegel in gekipptem Zustand. Die Mikrospiegel lassen sich elektronisch angesteuert einzeln kippen. Das von der Lichtquelle 25 abgegebene Licht in Richtung der Pfeile 26 wird abhängig von der Kippstellung der Mikrospiegel entweder in Richtung des Pfeiles 7 in den Strahlengang (optische Achse 8) des optischen Sensors und entlang des Strahlengangs eingekoppelt und mittels der Umlenkvorrichtung 3 auf das Messobjekt 5 gerichtet, oder in Richtung des Pfeiles 7a auf eine sogenannte Lichtfalle 27 geleitet. Werden nur die Mikrospiegel 24b in der Mitte des Kippspiegelarrays 23 gekippt, erreichen damit nur achsnahe Strahlen das Messobjekt 5 und es erfolgt eine Hellfeldauflichbeleuchtung . An alternative illumination source for generating bright field incident light is shown in FIG. In this case, a tilting mirror array 23, that is to say a multiplicity of tiltable micromirrors 24a or 24b, which are arranged two-dimensionally, and an additional light source 25 are used. The illustration in Figure 10 shows a simplified view from the side. 24a is an example of a non-tilted micromirror denotes, with 24b a micromirror in the tilted state. The micromirrors can be individually tilted electronically. The light emitted by the light source 25 in the direction of the arrows 26 is coupled depending on the tilted position of the micromirrors either in the direction of arrow 7 in the beam path (optical axis 8) of the optical sensor and along the beam path and by means of the deflection device 3 on the measurement object. 5 directed, or directed in the direction of arrow 7a to a so-called light trap 27. If only the micromirrors 24b are tilted in the center of the tilting mirror array 23, only objects near the axis reach the measuring object 5 and a bright field illumination ensues.
Die gleiche Anordnung ist in Figur 11 dargestellt. Hier sind jedoch nur außermittig angeordnete Mikrospiegel gekippt, wodurch nur achsferne Strahlen das Messobjekt 5 erreichen und eine Dunkelfeldauflichtbeleuchtung bilden. Entsprechend den Figuren 6 bis 8 lassen sich durch Auswahl der gekippten Bereiche unterschiedlich steile oder flache Einfallswinkel der Strahlung und richtungsabhängige Beleuchtung erreichen.
Das Kippspiegelarray lässt sich ebenso zur Durchlichtbeleuchtung einsetzen, wie in den Figuren 12 und 13 dargestellt. Im nicht gekippten Zustand der Mikrospiegel, wie in Figur 12 dargestellt, wird die Strahlung der Lichtquelle 25 in Richtung des Pfeiles 7a auf die Lichtfalle 27 geleitet. Werden die Mikrospiegel jedoch alle in den gekippten Zustand versetzt, wie in Figur 13 gezeigt, so erfolgt eine Reflexion der Strahlung in Richtung des Pfeiles 7 auf das Messobjekt 5 und es entsteht eine Durchlichtbeleuchtung. The same arrangement is shown in FIG. Here, however, only eccentrically arranged micromirrors are tilted, as a result of which only off-axis beams reach the measurement object 5 and form a dark field incident illumination. According to FIGS. 6 to 8, by selecting the tilted regions, different steep or flat angles of incidence of the radiation and direction-dependent illumination can be achieved. The Kippspiegelarray can also be used for transmitted light illumination, as shown in Figures 12 and 13. In the non-tilted state of the micromirrors, as shown in FIG. 12, the radiation of the light source 25 is directed onto the light trap 27 in the direction of the arrow 7a. If, however, the micromirrors are all set in the tilted state, as shown in FIG. 13, the radiation in the direction of the arrow 7 is reflected onto the measurement object 5 and a transmitted light illumination results.
Die Figur 14 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung ähnlich der Anordnung der Figur 1, jedoch ohne die Notwendigkeit einer Umlenkung, ohne dass hierdurch eine Einschränkung der erfindungs gemäßen Lehre erfolgt. Die Anordnung besteht zumindest aus der flächig ausgeführten Beleuchtungsquelle 2a, bestehend aus einer Vielzahl von Leuchtelementen 6, dem Messobjekt 5 und dem optischen Sensor 4 in zwei beispielhaften Stellungen 4-1 und 4-2. Die einzelnen Leuchtelemente 6 sind getrennt voneinander schaltbar bzw. einstellbar, also getrennt ein- und ausschaltbar, sowie in ihrer Intensität steuerbar und stellen eine Durchlichtbeleuchtung dar. FIG. 14 shows a further arrangement according to the invention similar to the arrangement of FIG. 1, but without the need for a deflection, without this resulting in a limitation of the teaching according to the invention. The arrangement consists at least of the areally executed illumination source 2a, consisting of a plurality of luminous elements 6, the measurement object 5 and the optical sensor 4 in two exemplary positions 4-1 and 4-2. The individual light-emitting elements 6 are separately switchable or adjustable, ie separately switched on and off, as well as controllable in intensity and represent a transmitted light.
Die Richtung der Abbildung ist willkürlich gewählt und kann genauso gut anders herum verlaufen, so dass sich die Beleuchtungsquelle 2a oberhalb und der optische Sensor 4 unterhalb des Messobjektes 5 befinden. Gleichfalls ist eine seitliche Anordnung der drei Komponenten 2a, 4 und 5 möglich. The direction of the image is chosen arbitrarily and can just as easily be the other way round, so that the illumination source 2a is located above and the optical sensor 4 below the measurement object 5. Likewise, a lateral arrangement of the three components 2 a, 4 and 5 is possible.
Mit dieser Anordnung lässt sich ein weiteres alternatives Verfahren anwenden. Hierbei wird abhängig von der Position des optischen Sensors 4, wobei hier nur die zwei Positionen 4-1 und 4-2 beispielhaft dargestellt sind, nur die Leuchtelemente 6 in einem vorab festgelegten Bereich, hier beispielhaft die Bereiche 2-1 und 2-2, zur Beleuchtung verwendet, die in der Figur schraffiert dargestellt sind. Jeder weiteren Position des optischen Sensors 4 werden entsprechende Bereiche der flächig ausgebildeten Beleuchtungsquelle 2 zugeordnet, die jeweils nur bis zu einem Maximalwinkel zur optischen Achse 8 des optischen Sensors 4 angeordnet sind. Beispielhaft für die Position 4- 1 ist dieser Bereich durch den Maximalwinkel Phi für eine Raumrichtung gekennzeichnet. Der Winkel Phi, der maximal 10°, besser maximal 3° oder maximal 1°, betragen sollte, schließt die optische Achse 8 des Sensors 4 und die Richtung der direkten Verbindungslinie zwischen Leuchtelement 6 und Sensor 4 ein. Die entsprechende Gerade ist in Fig. 14 mit 6' gekennzeichnet. Sie verläuft zwischen der Mitte der Oberfläche des
Leuchtelementes und der Mitte des objektseitig vordersten optischen Elementes, der Frontlinse 9, des optischen Sensors 4. In besonderer Weise wird der Winkel Phi entsprechend der beim jeweiligen optischen Sensor 4 vorliegenden numerischen Apertur eingestellt. Vorzugsweise wird Phi um einen Sicherheitszuschlag von beispielsweise 1° oder 3° oder 5° größer als der aus der numerischen Apertur hervorgehende Winkel, auch Akzeptanzwinkel genannt, gewählt. Die numerische Apertur der eingesetzten Sensoren 4 beträgt beispielsweise 0,1 bis 0,5, so dass sich ein Akzeptanzwinkel zur optischen Achse von etwa 6° bis 30° ergibt. With this arrangement, another alternative method can be used. Here, depending on the position of the optical sensor 4, wherein only the two positions 4-1 and 4-2 are shown here by way of example, only the light-emitting elements 6 in a predetermined range, here exemplarily the ranges 2-1 and 2-2, used for lighting, which are shown hatched in the figure. Each further position of the optical sensor 4 is assigned corresponding areas of the areally formed illumination source 2, which are each arranged only up to a maximum angle to the optical axis 8 of the optical sensor 4. As an example for the position 4-1, this area is characterized by the maximum angle Phi for a spatial direction. The angle Phi, which should amount to a maximum of 10 °, more preferably a maximum of 3 ° or a maximum of 1 °, includes the optical axis 8 of the sensor 4 and the direction of the direct connecting line between the luminous element 6 and the sensor 4. The corresponding straight line is marked 6 'in FIG. It runs between the middle of the surface of the Luminous element and the center of the object side foremost optical element, the front lens 9, the optical sensor 4. In a special way, the angle Phi is set according to the present at the respective optical sensor 4 numerical aperture. Preferably, Phi is chosen by a safety margin of, for example, 1 ° or 3 ° or 5 ° greater than the angle resulting from the numerical aperture, also called the acceptance angle. The numerical aperture of the sensors 4 used is, for example, 0.1 to 0.5, so that an acceptance angle to the optical axis of about 6 ° to 30 ° results.
Figur 15 zeigt ein besonders hervorzuhebendes erfinderisches Verfahren, bei dem zunächst eine Beleuchtung mit der erfindungsgemäßen Anordnung, beispielsweise entsprechend der Figur 14, derart angesteuert wird, dass alle ansteuerbaren Elementen 6, der Beleuchtungsquelle 2a eingeschaltet werden und eine Vorabmessung mit dem optischen Sensor 4 im Durchlicht, wie hier dargestellt, oder im Auflicht erfolgt. Sofern die Lage und Abmessung des Messobjektes 5 bekannt sind, kann ein eingeschränkter Bereich der ansteuerbaren Elementen 6, der das Messobjekt 5 vollständig beleuchtet, eingeschaltet werden. Durch die Vorabmessung erfolgt die grobe Bestimmung der Lage der Konturen am Messobjekt 5 mit dem optischen Sensor 4, vorzugsweise in mehreren Relativlagen zwischen Sensor 4 und Objekt 5, wie in Figur 14 beispielhaft für zwei Relativlagen gezeigt. In Figur 15 ist die ermittelte Kontur gestrichelt dargestellt und mit dem Bezugszeichen 28 gekennzeichnet. Diese Bestimmung ist zunächst grob, die Lage der Konturen also noch nicht genau, da Licht aus relativ großen Winkeln zur optischen Achse für seitlich verschobene Kantenorte bzw. eine unscharfe Abbildung sorgt, wie oben bereits erläutert, insbesondere an hohen Messobjekten im Durchlicht. Die grob ermittelte Lage der Kanten bzw. Kontur 28 wird nun zur gezielten Beleuchtung für die eigentliche, genaue Messung verwendet. Entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre werden für diese zweite Messung je Relativposition zwischen Sensor 4 und Objekt 5 nur die ansteuerbaren Elementen 6 eingeschaltet, die zur Beleuchtung der vom Sensor 4 jeweils erfassten, grob bestimmten Kantenorte entlang der Kontur 28 unter dem vorgebbaren Maximalwinkel Phi beitragen. Die entsprechenden Bereiche der ansteuerbaren Elementen 6 sind mit 29 bezeichnet. Dieses Vorgehen führt insbesondere beim Einsatz von Objektiven mit niedriger Vergrößerung zur verbesserten Bestimmung der Lage der Objektkonturen. Der Winkel Phi kann erfindungs gemäß entsprechend der numerischen Apertur zuzüglich eines Sicherheitszuschlags gewählt werden. Dies ist beispielhaft in einer Dimension durch die
Strichlinien 30 und 31 angedeutet, wobei ein Sicherheitszuschlag nicht berücksichtigt wurde. FIG. 15 shows an inventive method which should be particularly emphasized, in which initially illumination with the arrangement according to the invention, for example according to FIG. 14, is controlled in such a way that all controllable elements 6, the illumination source 2 a are switched on and a pre-measurement with the optical sensor 4 in transmitted light , as shown here, or in reflected light. If the position and dimension of the measurement object 5 are known, a restricted area of the controllable elements 6, which completely illuminates the measurement object 5, can be switched on. By the pre-measurement, the rough determination of the position of the contours on the measurement object 5 with the optical sensor 4, preferably in several relative positions between sensor 4 and object 5, as shown in Figure 14 by way of example for two relative positions. In FIG. 15, the ascertained contour is shown in dashed lines and identified by the reference numeral 28. This determination is initially coarse, so the position of the contours so not exactly because light from relatively large angles to the optical axis for laterally shifted edge locations or a blurred image provides, as already explained above, especially on high objects under test in transmitted light. The roughly determined position of the edges or contour 28 is now used for targeted illumination for the actual, accurate measurement. According to the teaching of the invention, only the controllable elements 6 are switched on for this second measurement per relative position between sensor 4 and object 5, which contribute to illuminate the roughly determined edge locations respectively detected by sensor 4 along contour 28 at the predefinable maximum angle Phi. The corresponding regions of the controllable elements 6 are designated by 29. This procedure leads, in particular when using low magnification objectives, to improved determination of the position of the object contours. The angle Phi fiction, according to the numerical aperture plus a security surcharge can be selected. This is exemplary in one dimension by the Dashed lines 30 and 31 indicated, with a security surcharge was not considered.
In Figur 16 a bis d werden beispielhaft die unterschiedlichen Muster dargestellt, die nacheinander eingestellt werden, um stückweise die gesamten vom Muster umfasste Fläche auf der Oberfläche des Objekts 5 zu beleuchten. In FIGS. 16 a to d, the different patterns are shown by way of example, which are set one after the other in order to illuminate the entire area of the object 5 piece by piece on the surface of the object 5.
Mit 32 sind dabei eingeschaltete Leuchtelemente 6 und mit 33 ausgeschaltete Leuchtelemente 6 beziffert. Jeweils zwei eingeschaltete Elemente sind immer durch mindestens ein ausgeschaltetes Element voneinander getrennt. Dies ist notwendig, damit die einzelnen, daraus berechenbaren Oberflächenpunkte getrennt voneinander aus den entsprechend beleuchteten Bereichen des Empfängers 10 ermittelt werden können, ohne von den benachbarten von den eingeschalteten Leuchtelementen beleuchteten Bereichen beeinflusst zu werden. Der Empfänger 10 besteht dazu aus einer Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen, die einzeln auslesbar sind. Andererseits dürfen auch die jeweils durch das Muster beleuchteten Bereiche umgebende Empfängerelemente nicht ausgelesen werden, um unscharf vom Messobjekt 5 reflektiertes Licht nicht zur Auswertung heranzuziehen. Der Empfänger 10 wird deshalb mittels eines korrespondierenden Musters ausgelesen, das grundlegend dem Beleuchtungsmuster entspricht. Es werden also jeweils nur die den entsprechend des aktuell eingestellten Musters beleuchteten Bereichen der Lichtquelle zugeordneten Empfängerelemente ausgelesen. Um trotzdem alle Messpunkte zu erfassen, werden nacheinander die in den Figuren 9a bis 9d dargestellten Muster verwendet. Unter Umständen ist es sinnvoll, größere Abstände zwischen den beleuchteten Elementen 32 einzuhalten um eine bessere Trennung zu erreichen. Die Anzahl der Muster steigt dann entsprechend an. Das Beleuchten und Auslesen der entsprechenden Teilbereiche muss jeweils synchron ablaufen. Hierzu werden die zum Bild auslesen verwendete Kamera 10 und die zur Beleuchtung eingesetzte Lichtquelle 2 beispielsweise mit bekannten Triggerfunktionen bzw. -leitungen angesteuert. Die Zuordnung der Beleuchtungselemente 6 zu den Empfängerelementen kann beispielsweise vorab experimentell, also durch Einmessen, erfolgen. With 32 are turned on light elements 6 and 33 switched off light elements 6 numbered. Two switched-on elements are always separated from each other by at least one switched-off element. This is necessary in order that the individual surface points, which can be calculated from them, can be determined separately from the correspondingly illuminated regions of the receiver 10, without being influenced by the adjacent regions illuminated by the activated luminous elements. The receiver 10 consists of a plurality of photosensitive elements, which are individually readable. On the other hand, the receiver elements surrounding the respective areas illuminated by the pattern must not be read in order to not use the light reflected by the measurement object 5 for the purpose of evaluation. The receiver 10 is therefore read out by means of a corresponding pattern which fundamentally corresponds to the illumination pattern. Thus, in each case only the receiver elements which are assigned to the regions of the light source which are illuminated in accordance with the currently set pattern are read out. In order nevertheless to detect all measuring points, the patterns shown in FIGS. 9a to 9d are used in succession. Under certain circumstances, it makes sense to maintain larger distances between the illuminated elements 32 in order to achieve a better separation. The number of patterns then increases accordingly. The illumination and readout of the corresponding subareas must each run synchronously. For this purpose, the camera 10 used for reading out the image and the light source 2 used for illumination are activated, for example, with known trigger functions or lines. The assignment of the lighting elements 6 to the receiver elements can, for example, be carried out in advance experimentally, ie by measuring.
Die jeweils beleuchteten Bereiche des Objekts 5 werden also auf den Empfänger 10 abgebildet und dabei die jeweils beleuchteten Teilbereiche und eventuell zusätzlich die
direkt umgebenden Bereiche, des Empfängers 10 ausgelesen, um die mehreren Oberflächenpunkte zu bestimmen. Danach wird das nächste Muster zur Bestimmung der nächsten Oberflächenpunkte eingestellt. Je Muster wird der Abstand zwischen Sensor 4 und Objekt 5 variiert, um die Position der höchsten Intensität bzw. des höchsten Kontrasts, und damit den Abstand des jeweiligen Oberflächenpunktes zum Sensor 4, mittels eines Fokusverfahrens zu bestimmen. Damit die Abstandsänderung nicht mehrfach erfolgen muss, ist bevorzugt vorgesehen, die Muster während der Ab Stands änderung alternierend umzuschalten.
The respective illuminated areas of the object 5 are thus imaged on the receiver 10 and thereby the respectively illuminated partial areas and possibly additionally the directly surrounding areas, of the receiver 10 to determine the multiple surface points. Thereafter, the next pattern is set to determine the next surface points. For each pattern, the distance between sensor 4 and object 5 is varied in order to determine the position of the highest intensity or the highest contrast, and thus the distance of the respective surface point to the sensor 4, by means of a focus method. So that the change in distance does not have to be repeated, it is preferably provided to switch the patterns alternately during the change of state.
Bezugszeichen reference numeral
1 Beleuchtung 11 Messtisch1 lighting 11 measuring table
2 flächig ausgebildete 12 Linse 2 flat trained 12 lens
Beleuchtungsquelle 13 Fassung Illumination source 13 Version
2a flächig ausgebildete 14 Blende 2a flat 14 aperture
Beleuchtungsquelle 15 Blende Illumination source 15 aperture
2b flächig ausgebildete 16 Anordnung 2b areal trained 16 arrangement
Beleuchtungsquelle 17 ÖffnungIllumination source 17 opening
2-1 Bereich 18 Öffnung2-1 area 18 opening
2-2 Bereich 19 Kreisfläche2-2 Area 19 Circular area
3 Umlenkeinrichtung 20 Kreisring3 deflection device 20 circular ring
3a Umlenkeinrichtung 21 Kreisring3a deflection 21 circular ring
3b Umlenkeinrichtung 22 Segment3b deflection 22 segment
4 optischer Sensor 23 Kipp spiegelarray4 optical sensor 23 tilting mirror array
4a optischer Sensor 24a Mikrospiegel4a optical sensor 24a micromirror
4-1 Stellung des optischen 24b Mikro spiegel4-1 Position of the optical 24b micro mirror
Sensors 25 LichtquelleSensor 25 light source
4-2 Stellung des optischen 26 Pfeil 4-2 Position of the optical 26 arrow
Sensors 27 Lichtfalle Sensors 27 light trap
5 Objekt 28 Kontur 5 Object 28 Contour
6 ansteuerbares Element 29 Bereich 6 controllable element 29 area
6' Gerade 30 Linie 6 'Straight 30 line
7 Pfeil 31 Linie 7 arrow 31 line
7a Pfeil 32 eingeschaltetes 7a arrow 32 turned on
8 optische Achse Leuchtelement8 optical axis lighting element
8a optische Achse 33 ausgeschaltetes8a optical axis 33 off
9 Linse Leuchtelement9 lens lighting element
10 Detektor
10 detector