DE10066519B3

DE10066519B3 - Bilderzeugungssonde

Info

Publication number: DE10066519B3
Application number: DE10066519.5A
Authority: DE
Inventors: Kenji Okabe; Yasushi Fukumoto; Seiji Shimokawa
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2020-11-23

Abstract

Bilderzeugungssonde (1), welche aufweist:
ein Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27), das ein Werkstück abbildet, um von diesem Bilddaten zu erzeugen;
ein optisches Abbildungssystem (24, 26), das ein Bild des Werkstücks auf das Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27) fokussiert;
eine Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31), die zumindest ein Halbleiter-Lichtemissionsgerät (62) aufweist, das Abwärtsprojektionsbeleuchtungslicht erzeugt, um das Werkstück zu beleuchten;
ein optisches Beleuchtungssystem (29, 35), das das Beleuchtungslicht von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) mit dem optischen Abbildungssystem (24, 26) vereinigt, um das Beleuchtungslicht über das optische Abbildungssystem (24, 26) dem Werkstück zuzuführen;
ein Chassis (23), das das Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27), das optische Abbildungssystem (24, 26), die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und das optische Beleuchtungssystem (29, 35) haltert, während zwischen diesen Teilen eine bestimmte Positionsbeziehung aufrechterhalten wird;
ein Gehäuse (11), das das Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27), das optische Abbildungssystem (24, 26), die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und das optische Beleuchtungssystem (29, 35), die auf dem Chassis (23) gehaltert sind, aufnimmt,
eine Ringbeleuchtungslichtquelle (13), die wenigstens ein Halbleiter-Lichtemissionsgerät (72) aufweist, die so angeordnet ist, dass sie das optische Abbildungssystem (24, 26) umgibt, um ringförmiges Beleuchtungslicht zum Beleuchten des Werkstücks aus der Umgebung des optischen Abbildungssystems (24, 26) zu erzeugen; und
eine Anbringungsvorrichtung (73), die ausgebildet ist, die Ringbeleuchtungslichtquelle (13) an das Chassis (23) zu befestigen, wobei die Anbringungsvorrichtung (73) einen Teleskopmechanismus umfasst und die Ringbeleuchtungslichtquelle (13) an eine optimale Position zur Beleuchtung des Werkstücks bewegt; und
einen Montageblock (12), der die Bilderzeugungssonde (1) an einem Sondenkopf (81) eines dreidimensionalen Prüfgeräts abnehmbar anbringt, wobei der Montageblock (15) eine Verbinderfunktion zur elektrischen Verbindung mit oder zur elektrischen Unterbrechung von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und dem Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27) aufweist, durch Anbringen an dem Sondenkopf (81) oder durch Abnehmen von diesem, oder
einen Einspannblock (15), der abnehmbar auf dem Sondenkopf (81) des dreidimensionalen Prüfgeräts angebracht ist, und ein Verbinder (14), der mit der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und dem Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27) elektrisch verbindbar ist,
wobei die Bilderzeugungssonde (1) als Messsonde dient, die an dem dreidimensionalen Prüfgerät anbringbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bilderzeugungssonde zur Verwendung bei einem Bildprüfgerät, welches ein Oberflächenmerkmal auf der Grundlage von Bilddaten mißt, die erzeugt werden, wenn ein Werkstück abgebildet wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Bilderzeugungssonde, die als Meßsonde eines dreidimensionalen Prüfgeräts verwendet wird, so daß das dreidimensionale Prüfgerät als das Bilderzeugungs-Prüfgerät dienen kann.
Ein bilderzeugendes Prüfgerät verwendet eine CCD-Kamera zu dem Zweck, ein Bild eines Werkstücks direkt oder durch Einsatz eines Mikroskops aufzunehmen, welches das Bild vergrößert. Dann mißt es über eine Bildbearbeitungs- und Arithmetikbearbeitung, die bei den erhaltenen Bilddaten durchgeführt wird, Abmessungen von Teilen des Werkstücks. Bei einem derartigen Bilderzeugungs-Prüfgerät ist die Schwierigkeit vorhanden, daß sich die Qualität einer Lichtquelle zur Beleuchtung des Werkstücks auf die Qualität der erhaltenen Bilddaten auswirkt, beispielsweise die Klarheit, und einen Einfluß auf die Meßgenauigkeit hat. Daher muß die Lichtquelle zur Beleuchtung des Werkstücks Beleuchtungslicht aussenden, das so gerichtet und so gleichförmig ist, daß die Eigenschaften des Werkstücks sicher festgestellt werden können.
Momentan bekannte Beleuchtungseinrichtungen zum Einsatz bei einem Bilderzeugungs-Prüfgerät umfassen eine Abwärtsprojektionsbeleuchtung, die Licht für ein Werkstück über ein optisches Abbildungssystem zur Verfügung stellt, und eine Ringbeleuchtung, die Licht um ein Werkstück herum aus der Umgebung eines optischen Abbildungssystems zur Verfügung stellt. Ein Bilderzeugungs-Prüfgerät verwendet häufig diese beiden Beleuchtungen zusammen. Bei jeder dieser Beleuchtungsarten wird herkömmlich eine Halogenlampe als Lichtquelle eingesetzt.
Um ein dreidimensionales Prüfgerät als Bilderzeugungs-Prüfgerät einzusetzen, wurde eine Bilderzeugungssonde als Meßsonde des dreidimensionalen Prüfgeräts beim Stand der Technik verwendet. Herkömmlich sind Bilderzeugungssonden an der Z-Achse (Vertikalachse) befestigt, und können daher nicht einfach mit anderen Sonden ausgetauscht werden, beispielsweise einer Berührungssignalsonde. Dies liegt daran, daß die Bilderzeugungssonde, die eine Halogenlampe als Lichtquelle verwendet, relativ größere Abmessungen aufweist. Darüber hinaus kann ein Lichtleiter dazu eingesetzt werden, Licht von einer Lichtquelle in die Nähe des Werkstücks zu leiten, um Wärmeeinflüsse von der Lichtquelle auszuschalten. Die Größe der Lichtquelle, die Wärmeabstrahlung von dieser, und der Weg zum Einführen des Beleuchtungslichtes erhöhen die Probleme in der Hinsicht, eine Bilderzeugungssonde zur Verfügung zu stellen, die einfach abnehmbar ist.
Weiterhin ist zu dem Zweck, eine Probe in jedem vorgegebenen Winkel abzubilden, ein Mechanismus zum Verschwenken der Bilderzeugungssonde zusätzlich erforderlich. Allerdings ist ein Verschwenken der Bilderzeugungssonde schwierig, und zwar infolge von Problemen in Bezug auf die Lasttrageigenschaften des Schwenkmechanismus, und dieses Problem tritt zusätzlich zu den voranstehend geschilderten Problemen in Bezug auf die Beleuchtung auf (die Lichtquelle und den Lichteinführweg). Daher ist es schwierig, eine Bilderzeugungssonde zu erzielen, welche die Bedingungen erfüllt, daß die Möglichkeit vorhanden ist, die Sonde auszutauschen (einfache Abnehmbarkeit), und bei welcher jede Abbildungsrichtung eingestellt werden kann.
Das Dokument US 5 315 374 A betrifft eine dreidimensionale Messvorrichtung mit einem optischen Sammler, die eine Laserquelle auf einer zu messenden Oberfläche, eine Strahllaserquelle, eine Objektivlinse zum Kondensieren von Licht, einen nicht polarisierenden Strahlteiler, Lochblenden und Photodetektoren sowie Antriebsmittel umfasst. Die Photodetektoren erzeugen jedoch keine Bilddaten.
Das Dokument US 5 325 231 A betrifft eine Mikroskop-Beleuchtungsvorrichtung, die ein Ringbeleuchtungssystem, eine Objektivlinse und verschiedene Ringlinsen aufweist.
Eine weitere dreidimensionale Messvorrichtung in Form einer Mehrkoordinatenmess- und Prüfeinrichtung wird in der DE 38 06 686 C2 beschrieben. Die Stand der Technik Dokumente US 5 394 246 A und DE 198 54 722 A1 offenbaren optische Messsysteme mit einer Ringbeleuchtung. Ausgestaltungen von solchen Ringbeleuchtungen werden in der DE 196 53 234 A1 beschrieben. Mehr farbige Beleuchtungssysteme werden in der WO 99 / 20 093 A1 beschrieben.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der voranstehend geschilderten Schwierigkeiten entwickelt, und ein Vorteil der Erfindung besteht daher in der Bereitstellung einer Bilderzeugungssonde gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2 mit geringen Abmessungen, geringem Gewicht, einfacher Abnehmbarkeit und einer je nach Wunsch einstellbaren Abbildungsrichtung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

1A und 1B eine Vorderansicht bzw. Seitenansicht einer Bilderzeugungssonde gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Querschnittsansicht der Bilderzeugungssonde entlang der Linie A-A in 1A;
3 eine Querschnittsansicht eines Chassis zur Verwendung bei der Bilderzeugungssonde;
4A bis 4D eine Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle zum Einsatz bei der Bilderzeugungssonde;
5A und 5B eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, bzw. eine Ansicht von unten einer Ringbeleuchtungsquelle zur Verwendung bei der Bilderzeugungssonde;
6 eine Perspektivansicht eines Sondenkopfes zur Aufnahme der dort angebrachten Bilderzeugungssonde;
7 ein Blockschaltbild einer Steuerung für die Bilderzeugungssonde; und
8A und 8B eine Vorderansicht bzw. Seitenansicht einer Bilderzeugungssonde gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Nachstehend werden nunmehr unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1A ist eine Vorderansicht einer Bilderzeugungssonde 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 1B ist eine entsprechende Seitenansicht. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 1A.
Die Bilderzeugungssonde 1 weist ein Gehäuse 11 auf, einen Montageblock 12, und eine Ringbeleuchtungsquelle 13. Das Gehäuse 11 nimmt den Sondenkörper auf, der optische Bauteile enthält, die nachstehend noch genauer erläutert werden. Der Montageblock 12 ist auf dem oberen Endabschnitt des Gehäuses 11 vorgesehen, und ist abnehmbar an einem Sondenkopf eines dreidimensionalen Prüfgeräts befestigt, das nicht dargestellt ist. Die Ringbeleuchtungsquelle 13 ist an dem unteren Endabschnitt des Gehäuses 11 angebracht.
Das Gehäuse 11 weist einen vorderen Deckel 21 und einen hinteren Deckel 22 auf, die einen zylindrischen Raum ausbilden. Dieser zylindrische Raum nimmt ein Chassis 23 auf, das in Vertikalrichtung verläuft. Verschiedene optische und andere Bauteile sind an diesem Chassis 23 so befestigt, daß zwischen ihnen eine bestimmte Positionsbeziehung vorhanden ist. Eine Objektivlinse 24 ist am unteren Endabschnitt des Chassis 23 angeordnet, gegenüberliegend einem nicht dargestellten Werkstück. Eine Fokussierungslinse 26 ist in einem bestimmten Abstand oberhalb der Objektivlinse 24 angeordnet. Eine CCD-Kamera 27 ist noch weiter oben angeordnet. Die Objektivlinse 24 und die Fokussierungslinse 26 weisen koaxiale optische Achsen auf, um ein optisches Abbildungssystem auszubilden. Licht, das von dem Werkstück reflektiert wird, und durch die Objektivlinse 24 hindurchgeht, wird durch die Fokussierungslinse 26 gesammelt, und auf der lichtempfindlichen Oberfläche der CCD-Kamera (dem Festkörper-Bilderzeugungsgerät) 27 fokussiert. Ein Halbspiegel 25 ist schräg zur optischen Achse zwischen der Objektivlinse 24 und der Fokussierungslinse 26 in diesem optischen Abbildungssystem angeordnet. Der Halbspiegel 25 wird dazu verwendet, Licht zur Beleuchtung des Werkstücks in das optische Abbildungssystem einzubringen, wie dies nachstehend noch genauer erläutert wird.
Eine Abwärtsprojektionsbeleuchtungseinheit 28 ist hinter der CCD-Kamera 27 vorgesehen, um Beleuchtungslicht nach unten zu schicken. Die Abwärtsprojektionsbeleuchtungseinheit 28 weist eine Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle 31 auf, die aus mehreren Halbleiter-Lichtemissionsgeräten besteht, sowie eine Beleuchtungslichtquelleneinheit 35. Letztere weist einen Kondensor 32 auf, der an der Seite des Auslasses für das Beleuchtungslicht von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle 31 angebracht ist, eine Diffusorplatte 33, und einen zylindrischen Körper 34.
Das Beleuchtungslicht, das von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungseinheit 28 ausgesandt wird, wird einer optischen Kopplungseinheit 29 zugeführt. Die optische Kopplungseinheit 29 weist einen Spiegel 42 auf, der die Ausbreitungsrichtung des diffusen Beleuchtungslichtes von der Beleuchtungslichtquelleneinheit 35 in die Horizontalrichtung umwandelt. Weiterhin weist sie eine Linse 43 auf, die das über den Spiegel 42 übertragene Beleuchtungslicht sammelt, und einen zylindrischen Körper 44, der den Spiegel 42 und die Linse 43 haltert. Das Beleuchtungslicht, dessen Ausbreitungsrichtung an der optischen Kopplungseinheit 29 in die Horizontalrichtung umgewandelt wurde, wird dem Halbspiegel 25 in dem optischen Abbildungssystem zugeführt. Das Beleuchtungslicht ändert seine Ausbreitungsrichtung nach unten, wenn es an dem Halbspiegel 25 reflektiert wird, und beleuchtet dann das Werkstück über die Objektivlinse 24. Die Beleuchtungslichtquelleneinheit 35 und die optische Kopplungseinheit 29 bilden ein optisches Beleuchtungssystem.
3 ist eine Querschnitts-Seitenansicht des Chassis 23. Das Chassis 23 bildet einen Raum aus, der vertikal verläuft, um das optische Abbildungssystem aufzunehmen. Dieser Raum ist in Vertikalrichtung in drei Abschnitte unterteilt, die jeweils ein Behälterteil bilden. Der oberste Abschnitt 51 ist für die CCD-Kamera 27 gedacht, der mittlere Abschnitt 52 für die Fokussierungslinse 26, und der unterste Abschnitt 53 für den Halbspiegel 25. Hinter einem Ort zwischen den Abschnitten 52 und 53 ist eine kreisringförmige Halterung 54 vorgesehen, die so vorspringt, daß sie die Abwärtsbeleuchtungseinheit 28 haltert. Hinter dem Abschnitt 53 ist eine Öffnung 55 vorgesehen, damit die optische Kopplungseinheit 29 damit gekuppelt werden kann.
Die 4A bis 4D erläutern die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle 31 im einzelnen; 4A ist eine Ansicht von unten, 4B ist eine Querschnitts-Seitenansicht, 4C ist eine Aufsicht, und 4D ist eine Seitenansicht.
Wie aus den Figuren hervorgeht, weist die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle 31 mehrere LEDs (lichtemittierende Dioden) 62 oder Halbleiter-Lichtemissionsgeräte auf, die zweidimensional am Boden eines scheibenförmigen Rahmens 61 angeordnet sind, der einen Rand aufweist, der sich unten erstreckt. Die hintere oder obere Oberfläche des Rahmens 61 haltert zwei scheibenförmige gedruckte Leiterplatten 64, 65 über Pole 63. Die Leiterplatte 64 enthält die LEDs 62, die auf ihr angebracht sind, und die Leiterplatte 65 enthält elektrische Bauteile 66, die auf ihr angebracht sind, um einen Treiber für die LEDs 62 auszubilden. Die mehreren LEDs 62 sind wie in 4A gezeigt in fünf Gruppen unterteilt. Die Zahl, die in jedem Symbol angegeben ist, welches eine LED 62 darstellt, gibt die Nummer der Gruppe an. Die LEDs 62 können getrennt gruppenweise gesteuert werden.
5A und 5B sind eine Seitenansicht, teilweise geschnitten, und eine Ansicht von unten der Ringbeleuchtungsquelle 13. Die Ringbeleuchtungsquelle 13 weist ein kreisringförmiges Gestell 71 auf, das einen Rand aufweist, der sich nach unten erstreckt, und einen inneren Boden, der nach innen verjüngt ausgebildet ist, und ist mit mehreren LEDs 72 versehen, die Halbleiter-Lichtemissionsgeräte bilden, die auf den inneren Boden des Gestells 71 angeordnet sind, und in einer Kartusche aufgenommen sind. Wie dies in 2 dargestellt ist, umgibt die Ringbeleuchtungsquelle 13 die Objektivlinse 24. Die hintere Oberfläche der Lichtquelle 13 ist abnehmbar auf der unteren Oberfläche des Chassis 23 angebracht, über eine zylindrische Befestigungsvorrichtung 73, damit das Werkstück aus der Umgebung der Objektivlinse 24 mit einem geeigneten Beleuchtungsbereich und einer geeigneten Betriebsentfernung beleuchtet werden kann. Die Anbringungsvorrichtung 73 kann einen bekannten Teleskopmechanismus zum Einsatz in einem Zoomobjektiv aufweisen, damit die Ringbeleuchtungsquelle 13 von Hand oder automatisch in die optimale Position zur Beleuchtung des Werkstücks bewegt werden kann. Eine Diffusorplatte 74 ist vorn an der Ringbeleuchtungsquelle 13 angebracht, damit das Werkstück gleichmäßig mit Beleuchtungslicht beleuchtet werden kann.
Bei der wie voranstehend geschildert ausgebildeten Bilderzeugungssonde wird das Beleuchtungslicht von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle 31 durch die Diffusorplatte 33 in Licht mit gleichmäßiger Helligkeit umgewandelt. Das Licht wird dann dem optischen Abbildungssystem über das optische Kopplungssystem 29 zugeführt, damit das Werkstück über die Objektivlinse 24 mit vertikalem, abwärtsgerichtetem Beleuchtungslicht beleuchtet werden kann. Ein Bild des Werkstücks, das von der CCD-Kamera 27 aufgenommen wird, wird dann nach außen in Form von Bilddaten über einen Verbinder in dem Montageblock 12 ausgegeben.
Die Beleuchtungsquelleneinheit 35 der Abwärtsprojektionsbeleuchtungseinheit 28 ist in einer Kartusche enthalten, und kann daher insgesamt angebracht und ausgetauscht werden. Wenn zum Beispiel die Abwärtsprojektionsbeleuchtungseinheit 28 in Bezug auf die Halterung 54 des Chassis 23 gleitbeweglich ausgebildet ist, so läßt sich die Beleuchtungsquelleneinheit 35 einfach abnehmen. Weiterhin ist die Abwärtsprojektionsbeleuchtungseinheit 28 selbst so ausgebildet, daß sie fest an dem Chassis 23 angebracht werden kann, und effizient die Wärme ableiten kann, die von der Lichtquelle an das Chassis 23 abgestrahlt wird. Das Chassis 23 und die Deckel 21, 22 sind daher so ausgebildet, daß bei ihnen eine Magnesiumlegierung eingesetzt wird, die bessere Wärmeabstrahlungseigenschaften aufweist als beispielsweise Kunststoff. Die Magnesiumlegierung kann mit einem thixotropen Formgebungsverfahren ausgeformt werden. Tabelle 1 gibt Eigenschaften der Magnesiumlegierung und anderer typischer Materialien für die Druckgußformung an. Tabelle 1

Magnesiumlegierung Aluminium-legierung Zinklegierung

Spezifisches Gewicht 1,81 2,68 6,6

Zugfestigkeit (MPa) 240 331 283

Wärmeleitfähigkeit (W/m*k) 51 96 113
Die Magnesiumlegierung kann bis auf eine Dicke von 0,6 bis 1,2 mm ausgedünnt werden, und weist die Eigenschaft auf, daß sie elektromagnetische Wellen abschirmt. Sie weist ein besseres Wärmeleitvermögen auf als Kunststoff. Wenn das Chassis 23 und die Deckel 21, 22 aus einer Magnesiumlegierung hergestellt werden, so kann das Gesamtgewicht der Bilderzeugungssonde 1 auf 500 Gramm oder weniger verringert werden (sogar 400 Gramm oder weniger, wenn eine weitere Verringerung der Dicke erzielt werden kann). Hierdurch kann auch die elektromagnetische Abschirmung verbessert werden, und gleichzeitig die Wärmeabstrahlungseigenschaften.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Bilderzeugungssonde 1 so ausgebildet, daß sie ein geringes Gewicht aufweist, und darüber hinaus kann sie, wie dies in 6 gezeigt ist, auf der Spitze eines Drehgelenks 82 angebracht werden, das oben an einem Sondenkopf 81 eines dreidimensionalen Prüfgeräts angeordnet ist, über den Montageblock 12. Die Aufgabe des Montageblocks 12 besteht darin, die Bilderzeugungssonde 1 zu haltern. Darüber hinaus hat er die Aufgabe, die elektrischen Verbindungen zur CCD-Kamera und zu den Beleuchtungslichtquellen zur Verfügung zu stellen (also Strom zuzuführen, und Videosignale zu übertragen). Wenn die Bilderzeugungssonde 1 auf dem Sondenkopf 81 über den Montageblock 12 gehaltert ist, kann sie gedreht und um jeden Winkel verschwenkt werden. Der Sondenkopf 81 ist beispielsweise auf der Z-Achse des dreidimensionalen Prüfgeräts gehaltert. Daher kann durch das Anbringen bzw. Lösen des Sondenkopfes 81 an bzw. von dem Sondenkopf 81 erreicht werden, daß gleichzeitig die elektrischen Verbindungen bereitgestellt bzw. unterbrochen werden. Wenn zusätzlich die Ringbeleuchtungsquelle 13 eingesetzt wird, kann die Versorgungsspannung für die Ringbeleuchtungsquelle 13 über den Verbinder 14 geliefert werden, wie dies in 2 gezeigt ist.
Bei den beiden Beleuchtungslichtquellen in der Bilderzeugungssonde 1, nämlich der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle 31 bzw. der Ringbeleuchtungsquelle 13, erfolgt eine unabhängige Helligkeitseinstellung durch eine Beleuchtungssteuereinheit 91, die in 7 dargestellt ist. Die Beleuchtungssteuereinheit 91 steuert das Einschalten bzw. Ausschalten der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle 31 und der Ringbeleuchtungsquelle 13 entweder einzeln oder gemeinsam. Sie legt auch das Ein- bzw. Ausschalten oder die Helligkeitseinstellung der LEDs 62 und 72 fest, die in den Beleuchtungslichtquellen vorgesehen sind, und zwar insgesamt oder getrennt, oder blockweise. Beispielsweise steuert sie Abwärtsbeleuchtungslichtquelle 31, die wie in 4 gezeigt in fünf Blöcke unterteilt ist, auf solche Weise, daß das Ein- bzw. Ausschalten so festgelegt wird, daß die Helligkeit blockweise eingestellt wird.
Die Halbleiter-Lichtemissionsgeräte zur Verwendung bei der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle 31 und der Ringbeleuchtungsquelle 13 können LDs (Laserdioden) anstelle von LEDs verwenden. Die Halbleiter-Lichtemissionsgeräte können so ausgewählt sein, daß sie Licht mit einer einzigen und identischen Farbe aussenden, beispielsweise Rot, Grün oder Weiß, oder Licht mit einer Kombination dieser Farben. Licht mit einer Farbe, die für das betreffende Werkstück geeignet ist, kann ausgewählt werden, wenn Licht mit unterschiedlichen Farben ausgesandt werden kann.
Wie dies in 7 gezeigt ist, wird die CCD-Kamera 27 durch eine Kamerasteuereinheit 92 gesteuert. Wenn die Beleuchtungssteuereinheit 91 ein Bilderzeugungssignal von der Kamerasteuereinheit 92 empfängt, steuert sie die Beleuchtungsquellen 31 und 13 so, daß sie nur zum Zeitpunkt der Bilderzeugung eingeschaltet werden, um so die Wärmeabstrahlung zu verringern, die von den Beleuchtungsquellen 31 und 13 ausgeht. Die Beleuchtungssteuereinheit 91 und die Kamerasteuereinheit 92 können von einer dreidimensionalen Steuerung gesteuert werden, die in den Figuren nicht dargestellt ist.
Der Montageblock 12 kann automatisch an dem Sondenkopf 31 angebracht oder von diesem weggenommen werden (automatisches Ändern der Sonde). Wenn diese automatische Anbringungs/Abnehmfunktion nicht eingesetzt wird, kann ein Einspannblock 15 wie in 8 dargestellt vorgesehen werden, statt des Montageblocks 12. Wenn der Einspannblock 15 vorgesehen ist, können das Bilderzeugungssignal von der CCD-Kamera 27 sowie die Stromversorgung und dergleichen für die Beleuchtungslichtquellen 31 und 13 über einen zusätzlichen Verbinder 16 ein- und ausgegeben werden. Auf diese Weise wird, nachdem der Einspannblock 15 der Bilderzeugungssonde 1 von Hand an der Z-Achse des dreidimensionalen Prüfgeräts angebracht wurde, der Verbinder 16 so angeschlossen, daß er eine Verbindung für verschiedene elektrische Signale zur Verfügung stellt. Diese Operationen können durch einen einzigen Vorgang durchgeführt werden, was dazu führt, daß hervorragende Eigenschaften in Bezug auf das Anbringen bzw. das Abnehmen erzielt werden.
Wie aus den voranstehenden Ausführungen deutlich geworden sein sollte, können mit der vorliegenden Bilderzeugungssonde folgende Eigenschaften erzielt werden:

(1) Es kann eine kleine und leichte Bilderzeugungssonde zur Verfügung gestellt werden, die automatisch mit denselben Betriebseigenschaften ausgetauscht werden kann wie die herkömmliche Berührungssonde, und die in dem dreidimensionalen Prüfgerät eingesetzt werden kann, und dergleichen, um eine berührungslose Messung durchzuführen, oder eine Messung, bei welcher eine Berührung erfolgt, aufeinanderfolgend und automatisch.
(2) Sie kann an dem Sondenkopf ebenso einfach angebracht werden, wie dies bei der herkömmlichen Berührungssonde erfolgt. Daher kann die Bilderzeugungssonde einfach mit jedem Drehwinkel und jedem Schrägwinkel betrieben werden. Daher kann das Werkstück aus jeder Orientierung und mit extrem erhöhter Flexibilität gemessen werden.
(3) Zusätzlich zu den voranstehend geschilderten Auswirkungen, können die Abwärtsbeleuchtungslichtquelle und die Ringbeleuchtungslichtquelle je nach Wahl geschaltet werden. Daher kann ein Bild mit hoher Qualität aufgenommen werden, wodurch die Meßgenauigkeit verbessert wird.
(4) Die Beleuchtungslichtquelle wird notwendigerweise nur zum Zeitpunkt der Bilderzeugung eingeschaltet. Hierdurch kann die Wärmeabstrahlung unterdrückt werden, welche die Genauigkeit des Bilderzeugungssystems beeinträchtigen könnte, so daß die Meßgenauigkeit verbessert werden kann.
(5) Die Beleuchtungslichtquelle umfaßt mehrere Halbleiter-Lichtemissionsgeräte, die so gesteuert werden können, daß sie so ein- bzw. ausgeschaltet werden, daß die Helligkeit unabhängig eingestellt wird, oder aber gruppenweise. Daher kann die Beleuchtung in jeder Richtung erzielt werden, um so ein Bild mit hoher Qualität aufzunehmen.
(6) Die Beleuchtungslichtquelle kann auch einstückig ausgebildet sein (in einer Kartusche aufgenommen sein). Dies führt dazu, daß Wartungs- und Austauscharbeiten vereinfacht werden.
(7) Das Chassis und die Deckel können aus einer Magnesiumlegierung bestehen. Hierdurch wird eine austauschbare Bilderzeugungssonde mit einem Gewicht von 500 Gramm oder weniger erzielt, die bei Messungen eingesetzt werden kann, und deren Handhabbarkeit ebenso gut ist wie bei den herkömmlichen Berührungssonden.

Wie aus den voranstehenden Ausführungen deutlich geworden sein sollte, weist die Abwärtsbeleuchtungslichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung Halbleiter-Lichtemissionsgeräte auf, und zwar eines oder mehrere. Daher kann die Lichtquelle mit geringerem Gewicht ausgebildet werden, und mit extrem verringertem Heizvermögen, als dies beim Einsatz einer Halogenlampe der Fall ist. Daher läßt sich erreichen, daß ein erheblich kleinerer Raum zur Anordnung der erforderlichen Bauteile vorhanden ist, und daher eine kleine und leichte Bilderzeugungssonde zur Verfügung gestellt werden kann.

Claims

Bilderzeugungssonde (1), welche aufweist: ein Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27), das ein Werkstück abbildet, um von diesem Bilddaten zu erzeugen; ein optisches Abbildungssystem (24, 26), das ein Bild des Werkstücks auf das Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27) fokussiert; eine Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31), die zumindest ein Halbleiter-Lichtemissionsgerät (62) aufweist, das Abwärtsprojektionsbeleuchtungslicht erzeugt, um das Werkstück zu beleuchten; ein optisches Beleuchtungssystem (29, 35), das das Beleuchtungslicht von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) mit dem optischen Abbildungssystem (24, 26) vereinigt, um das Beleuchtungslicht über das optische Abbildungssystem (24, 26) dem Werkstück zuzuführen; ein Chassis (23), das das Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27), das optische Abbildungssystem (24, 26), die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und das optische Beleuchtungssystem (29, 35) haltert, während zwischen diesen Teilen eine bestimmte Positionsbeziehung aufrechterhalten wird; ein Gehäuse (11), das das Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27), das optische Abbildungssystem (24, 26), die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und das optische Beleuchtungssystem (29, 35), die auf dem Chassis (23) gehaltert sind, aufnimmt, eine Ringbeleuchtungslichtquelle (13), die wenigstens ein Halbleiter-Lichtemissionsgerät (72) aufweist, die so angeordnet ist, dass sie das optische Abbildungssystem (24, 26) umgibt, um ringförmiges Beleuchtungslicht zum Beleuchten des Werkstücks aus der Umgebung des optischen Abbildungssystems (24, 26) zu erzeugen; und eine Anbringungsvorrichtung (73), die ausgebildet ist, die Ringbeleuchtungslichtquelle (13) an das Chassis (23) zu befestigen, wobei die Anbringungsvorrichtung (73) einen Teleskopmechanismus umfasst und die Ringbeleuchtungslichtquelle (13) an eine optimale Position zur Beleuchtung des Werkstücks bewegt; und einen Montageblock (12), der die Bilderzeugungssonde (1) an einem Sondenkopf (81) eines dreidimensionalen Prüfgeräts abnehmbar anbringt, wobei der Montageblock (15) eine Verbinderfunktion zur elektrischen Verbindung mit oder zur elektrischen Unterbrechung von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und dem Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27) aufweist, durch Anbringen an dem Sondenkopf (81) oder durch Abnehmen von diesem, oder einen Einspannblock (15), der abnehmbar auf dem Sondenkopf (81) des dreidimensionalen Prüfgeräts angebracht ist, und ein Verbinder (14), der mit der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und dem Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27) elektrisch verbindbar ist, wobei die Bilderzeugungssonde (1) als Messsonde dient, die an dem dreidimensionalen Prüfgerät anbringbar ist.
Bilderzeugungssonde (1), welche aufweist: ein Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27), das ein Werkstück abbildet, um von diesem Bilddaten zu erzeugen; ein optisches Abbildungssystem (24, 26), das ein Bild des Werkstücks auf das Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27) fokussiert; eine Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31), die zumindest ein Halbleiter-Lichtemissionsgerät (62) aufweist, das Abwärtsprojektionsbeleuchtungslicht erzeugt, um das Werkstück zu beleuchten; ein optisches Beleuchtungssystem (29, 35), das das Beleuchtungslicht von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) mit dem optischen Abbildungssystem (24, 26) vereinigt, um das Beleuchtungslicht über das optische Abbildungssystem (24, 26) dem Werkstück zuzuführen; ein Chassis (23), das das Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27), das optische Abbildungssystem (24, 26), die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und das optische Beleuchtungssystem (29, 35) haltert, während zwischen diesen Teilen eine bestimmte Positionsbeziehung aufrechterhalten wird; ein Gehäuse (11), das das Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27), das optische Abbildungssystem (24, 26), die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und das optische Beleuchtungssystem (29, 35), die auf dem Chassis (23) gehaltert sind, aufnimmt; eine Ringbeleuchtungslichtquelle (13), die wenigstens ein Halbleiter-Lichtemissionsgerät (72) aufweist, die so angeordnet ist, dass sie das optische Abbildungssystem (24, 26) umgibt, um ringförmiges Beleuchtungslicht zum Beleuchten des Werkstücks aus der Umgebung des optischen Abbildungssystems (24, 26) zu erzeugen; und einen Montageblock (12), der die Bilderzeugungssonde (1) an einem Sondenkopf (81) eines dreidimensionalen Prüfgeräts abnehmbar anbringt, wobei der Montageblock (12) eine Verbinderfunktion zur elektrischen Verbindung mit oder zur elektrischen Unterbrechung von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und dem Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27) aufweist, durch Anbringen an dem Sondenkopf (81) oder durch Abnehmen von diesem, oder einen Einspannblock (15), der abnehmbar auf dem Sondenkopf (81) des dreidimensionalen Prüfgeräts angebracht ist, und ein Verbinder (14), der mit der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und dem Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27) elektrisch verbindbar ist, wobei die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und/oder die Ringbeleuchtungslichtquelle (13) eine Vielzahl von Halbleiter-Lichtemissionsgeräten (62, 72) aufweisen/aufweist, wobei die von der Vielzahl von Halbleiter-Lichtemissionsgeräten (62, 72) ausgesandten Farben sich voneinander unterscheiden, und wobei die Bilderzeugungssonde (1) als Messsonde dient, die an dem dreidimensionalen Prüfgerät anbringbar ist.
Bilderzeugungssonde (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische Abbildungssystem (24, 26) aufweist: eine Objektivlinse (24) gegenüberliegend dem Werkstück; und eine Fokussierungslinse (26), die Licht, das von dem Werkstück reflektiert und durch die Objektivlinse (24) hindurch gelassen wird, auf das Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27) fokussiert, wobei das optische Beleuchtungssystem (29) einen Halbspiegel (25) aufweist, der schräg zur optischen Achse zwischen der Objektivlinse (24) und der Fokussierungslinse (26) in dem optischen Abbildungssystem (24, 26) angeordnet ist, um das von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) ausgesandte Beleuchtungslicht zu reflektieren und es über die Objektivlinse (24) dem Werkstück zuzuführen.
Bilderzeugungssonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und die Ringbeleuchtungslichtquelle (13) selektiv oder gleichzeitig aktivierbar sind.
Bilderzeugungssonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die eine Beleuchtungssteuereinheit (91) umfasst, die mit der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und/oder der Ringbeleuchtungslichtquelle (13) verbunden ist, wobei die Beleuchtungssteuereinheit (91) konfiguriert ist, die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und/oder die Ringbeleuchtungslichtquelle (13) nur dann einzuschalten, wenn das Festkörper-Bilderzeugungsgerät (27) zur Abbildung bereit ist.
Bilderzeugungssonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Beleuchtungslicht von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und/oder der Ringbeleuchtungslichtquelle (13) auf das Werkstück über eine Diffusorplatte (33) aufgestrahlt wird.
Bilderzeugungssonde (1) nach Anspruch 1, wobei die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und/oder die Ringbeleuchtungslichtquelle (13) eine Vielzahl von Halbleiter-Lichtemissionsgeräten (62, 72) umfassen/umfasst.
Bilderzeugungssonde (1) nach Anspruch 2 oder 7, wobei die Vielzahl von Halbleiter-Lichtemissionsgeräten (62, 72) konfiguriert sind, gleichzeitig, oder blockweise, oder unabhängig voneinander gesteuert zu werden, um ein- oder ausgeschaltet zu sein, und/oder die Helligkeit zu ändern.
Bilderzeugungssonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) und/oder die Ringbeleuchtungslichtquelle (13) in einer Kartusche aufgenommen sind/ist.