DE10057737A1 - Bilderzeugungssonde - Google Patents

Abstract

Eine CCD-Kamera (27) bildet ein Werkstück ab, um dessen Bilddaten zu erzeugen. Ein optisches Abbildungssystem (24, 25, 26) fokussiert ein Bild des Werkstücks auf die CCD-Kamera (27). Eine Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) enthält zumindest ein Halbleiter-Lichtemissionsgerät zur Erzeugung von Abwärtsprojektionsbeleuchtungslicht, um das Werkstück von oben zu beleuchten. Ein optisches Beleuchtungssystem (29) vereinigt das Beleuchtungslicht von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle (31) mit dem optischen Abbildungssystem, um das Beleuchtungslicht über das optische Abbildungssystem dem Werkstück zuzuführen. Diese optischen Bauteile sind auf einem Chassis (23) angebracht, um eine Bilderzeugungssonde (1) auszubilden, die in jedem Winkel als Meßsonde eines dreidimensionalen Prüfgeräts eingesetzt wird.

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.

Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der voranstehend geschilderten Schwierigkeiten entwickelt, und ein Vorteil der Erfindung besteht daher in der Bereitstellung einer Bilderzeugungssonde mit geringen Abmessungen, geringem Gewicht, einfacher Abnehmbarkeit und einer je nach Wunsch einstellbaren Abbildungsrichtung.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bilderzeugungssonde, die bei einem dreidimensionalen Prüfgerät als dessen Meßsonde angebracht werden kann. Die Bilderzeugungssonde weist ein Festkörper-Bilderzeugungsgerät zur Abbildung eines Werkstücks auf, um Bilddaten von dem Werkstück zu erzeugen; ein optisches Abbildungssystem zum Fokussieren eines Bildes des Werkstücks auf das Festkörper-Bilderzeugungsgerät; eine Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle, die zumindest ein lichtemittierendes Halbleitergerät umfaßt, zur Erzeugung von Abwärtsprojektionsbeleuchtungslicht, um das Werkstück zu beleuchten; ein optisches Beleuchtungssystem zur Vereinigung des Beleuchtungslichtes von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle mit dem optischen Abbildungssystem, um das Beleuchtungslicht dem Werkstück über das optische Abbildungssystem zuzuführen; ein Chassis zum Haltern des Festkörper-Bilderzeugungsgerätes, des optischen Abbildungssystems, der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle und des optischen Beleuchtungssystems, wobei eine bestimmte Positionsbeziehung zwischen diesen Teilen aufrechterhalten wird und ein Gehäuse zum Aufnehmen des Festkörper- Bilderzeugungsgerätes, des optischen Abbildungssystems, der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle und des optischen Beleuchtungssystems, die auf dem Chassis gehaltert sind.

Bei der Bilderzeugungssonde gemäß der vorliegenden Erfindung sind das Festkörper-Bilderzeugungsgerät, das optische Abbildungssystem, die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle und das optische Beleuchtungssystem auf einem Chassis gehaltert, und in einem Gehäuse aufgenommen, während eine bestimmte Positionsbeziehung zwischen diesen Teilen aufrechterhalten wird. Insbesondere besteht die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle aus einem oder mehreren Halbleiter-Lichtemissionsgeräten. Daher kann die Lichtquelle leichter ausgebildet werden, und kann einen extrem niedrigeren Heizwert aufweisen, als dies bei Einsatz einer Halogenlampe der Fall ist. Daher kann die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle in der Nähe anderer Teile angeordnet sein, ohne daß hierdurch Probleme auftreten. Die Verringerung des Raums zur Anordnung der Bauteile führt dazu, daß eine kleine und leichte Bilderzeugungssonde erhalten wird.

Das optische Abbildungssystem kann eine Objektivlinse gegenüberliegend dem Werkstück und eine Fokussierlinse zum Fokussieren des Lichts aufweisen, das von dem Werkstück reflektiert wurde, und über die Objektivlinse an das Festkörper-Bilderzeugungsgerät übertragen wird. Ein Halbspiegel kann schräg zur optischen Achse des optischen Abbildungssystems zwischen der Objektivlinse und der Fokussierlinse vorgesehen sein. Das Beleuchtungslicht, das von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle ausgesandt wird, wird dem Halbspiegel zugeführt und dort reflektiert, um das Werkstück über die Objektivlinse zu beleuchten.

Die Bilderzeugungssonde gemäß der vorliegenden Erfindung kann abnehmbar beispielsweise auf einem Sondenkopf des dreidimensionalen Prüfgeräts angebracht sein, über einen Montageblock oder einen Einspannblock. Der Montageblock kann mit einer Verbindungsfunktion versehen sein, der dazu dient, Eingangs/Ausgangssignale und die Stromversorgung für die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle und das Festkörper- Bilderzeugungsgerät durch Anbringung an den Sondenkopf bzw. Lösen von diesem elektrisch anzuschließen bzw. zu unterbrechen. Wenn die Bilderzeugungssonde an dem Sondenkopf über den Einspannblock angebracht wird, kann der Einspannblock einen Verbinder zur Verbindung mit Eingangs/Ausgangssignalen und der Stromversorgung für die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle und das Festkörper- Bilderzeugungsgerät unabhängig von dem Einspannblock aufweisen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Bilderzeugungssonde weiterhin eine Ringbeleuchtungsquelle aufweisen, welche Halbleiter- Lichtemissionsgeräte aufweist, die so angeordnet sind, daß sie das optische Abbildungssystem umgeben, um ringförmiges Beleuchtungslicht zum Beleuchten des Werkstücks aus der Umgebung des optischen Abbildungssystems bereitzustellen. In diesem Fall werden die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle und die Ringbeleuchtungslichtquelle selektiv oder gleichzeitig eingeschaltet. Vorzugsweise wird die Abwärts- und/oder die Ringbeleuchtungslichtquelle nur dann eingeschaltet, wenn das Festkörper-Bilderzeugungsgerät zur Abbildung bereit ist. Vorzugsweise wird das Beleuchtungslicht von der Abwärtslichtquelle und/oder der Ringbeleuchtungslichtquelle auf das Werkstück über eine Diffusorplatte aufgestrahlt. Die Abwärts- und/oder die Ringbeleuchtungslichtquelle kann mehrere Halbleiter- Lichtemissionsgeräte aufweisen. In diesem Fall können die mehreren Halbleiter-Lichtemissionsgeräte gleichzeitig, oder blockweise, oder unabhängig gesteuert werden, damit sie so ein- bzw. ausgeschaltet werden, daß die Helligkeit geändert wird. Die Abwärts- und/oder die Ringbeleuchtungsquelle können in einer Kartusche aufgenommen sein.

Vorzugsweise besteht das Chassis und/oder das Gehäuse aus einer Magnesiumlegierung, die ein geringes Gewicht aufweist, und gute Wärmeabstrahleigenschaften aufweist. Die Bilderzeugungssonde gemäß der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise ein Gewicht von 500 Gramm oder weniger auf.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1A und 1B eine Vorderansicht bzw. Seitenansicht einer Bilderzeugungssonde gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Bilderzeugungssonde entlang der Linie A-A in Fig. 1A;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Chassis zur Verwendung bei der Bilderzeugungssonde;

Fig. 4A bis 4D eine Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle zum Einsatz bei der Bilderzeugungssonde;

Fig. 5A und 5B eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, bzw. eine Ansicht von unten einer Ringbeleuchtungsquelle zur Verwendung bei der Bilderzeugungssonde;

Fig. 6 eine Perspektivansicht eines Sondenkopfes zur Aufnahme der dort angebrachten Bilderzeugungssonde;

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Steuerung für die Bilderzeugungssonde; und

Fig. 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. Fig. 1A ist eine Vorderansicht einer Bilderzeugungssonde 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und Fig. 1B ist eine entsprechende Seitenansicht. Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in Fig. 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 11 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 Kupplungseinheit 29 zugeführt. Die optische Kupplungseinheit 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 Kupplungseinheit 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 Kupplungseinheit 29 bilden ein optisches Beleuchtungssystem.

Fig. 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 Kupplungseinheit 29 damit gekuppelt werden kann.

Die Fig. 4A bis 4D erläutern die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle 31 im einzelnen; Fig. 4A ist eine Ansicht von unten, Fig. 4B ist eine Querschnitts-Seitenansicht, Fig. 4C ist eine Aufsicht, und Fig. 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 Fig. 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.

Fig. 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 Fig. 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 Kupplungssystem 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

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 Fig. 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 1 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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.

Nachdem die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert wurden, werden Fachleuten auf diesem Gebiet andere Ausführungsformen und Abänderungen auffallen. Die Erfindung ist daher nicht auf die geschilderten Ausführungsformen beschränkt, sondern ist nur durch Wesen und Umfang der vorliegenden Erfindung eingeschränkt, die sich aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldungsunterlagen ergeben, und von den beigefügten Patentansprüchen umfaßt sein sollen.

Claims (17)

1. Bilderzeugungssonde, welche aufweist:
ein Festkörper-Bilderzeugungsgerät zur Abbildung eines Werkstücks, um von diesem Bilddaten zu erzeugen;
ein optisches Abbildungssystem zum Fokussieren eines Bildes des Werkstücks auf das Festkörper- Bilderzeugungsgerät;
eine Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle, die zumindest ein Halbleiter-Lichtemissionsgerät aufweist, zur Erzeugung von Abwärtsprojektionsbeleuchtungslicht, um das Werkstück zu beleuchten;
ein optisches Beleuchtungssystem zum Vereinigen des Beleuchtungslichtes von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle mit dem optischen Abbildungssystem, um das Beleuchtungslicht über das optische Abbildungssystem dem Werkstück zuzuführen;
ein Chassis zum Haltern des Festkörper- Bilderzeugungsgeräts, des optischen Abbildungssystems, der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle und des optischen Beleuchtungssystems, wobei zwischen diesen Teilen eine bestimmte Positionsbeziehung aufrechterhalten wird; und
ein Gehäuse zum Aufnehmen des Festkörper- Bilderzeugungsgeräts, des optischen Abbildungssystems, der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle und des optischen Beleuchtungssystems, die auf dem Chassis gehaltert sind,
wobei die Bilderzeugungssonde als Meßsonde dient, die an einem dreidimensionalen Prüfgerät anbringbar ist.

2. Bilderzeugungssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem aufweist:
eine Objektivlinse gegenüberliegend dem Werkstück; und
eine Fokussierungslinse zum Fokussieren von Licht, das von dem Werkstück reflektiert und durch die Objektivlinse hindurchgelassen wird, auf dem Festkörper- Bilderzeugungsgerät,
wobei das optische Beleuchtungssystem einen Halbspiegel aufweist, der schräg zur optischen Achse zwischen der Objektivlinse und der Fokussierungslinse in dem optischen Abbildungssystem vorgesehen ist, um das von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle ausgesandte Beleuchtungslicht zu reflektieren, und es über die Objektivlinse dem Werkstück zuzuführen.

3. Bilderzeugungssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Montageblock zum abnehmbaren Anbringen der Bilderzeugungssonde an einem Sondenkopf des dreidimensionalen Prüfgeräts vorgesehen ist, wobei der Montageblock eine Verbinderfunktion zur elektrischen Verbindung mit bzw. Unterbrechung von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle und dem Festkörper- Bilderzeugungsgerät aufweist, durch Anbringen an dem Sondenkopf bzw. Abnehmen von diesem.

4. Bilderzeugungssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin vorgesehen sind:
ein Einspannblock, der abnehmbar auf einem Sondenkopf des dreidimensionalen Prüfgeräts angebracht ist; und
ein Verbinder zum elektrischen Verbinden mit der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle und dem Festkörper- Bilderzeugungsgerät.

5. Bilderzeugungssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Ringbeleuchtungslichtquelle vorgesehen ist, welche Halbleiter-Lichtemissionsgeräte aufweist, die so angeordnet sind, daß sie das optische Abbildungssystem umgeben, um ringförmiges Beleuchtungslicht zum Beleuchten des Werkstücks aus der Umgebung des optischen Abbildungssystems zu erzeugen, wobei die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle und die Ringbeleuchtungsquelle selektiv oder gleichzeitig aktiviert werden.

6. Bilderzeugungssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle nur dann eingeschaltet ist, wenn das Festkörper- Bilderzeugungsgerät zur Abbildung bereit ist.

7. Bilderzeugungssonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringbeleuchtungsquelle nur dann eingeschaltet ist, wenn das Festkörper-Bilderzeugungsgerät zur Abbildung bereit ist.

8. Bilderzeugungssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungslicht von der Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle auf das Werkstück über eine Diffusorplatte aufgestrahlt wird.

9. Bilderzeugungssonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungslicht von der Ringbeleuchtungsquelle auf das Werkstück über eine Diffusorplatte aufgestrahlt wird.

10. Bilderzeugungssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle mehrere Halbleiter-Lichtemissionsgeräte umfaßt.

11. Bilderzeugungssonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringbeleuchtungslichtquelle mehrere Halbleiter- Lichtemissionsgeräte umfaßt.

12. Bilderzeugungssonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Halbleiter-Lichtemissionsgeräte gleichzeitig, oder blockweise, oder unabhängig voneinander gesteuert werden, um ein- bzw. ausgeschaltet zu sein, und/oder die Helligkeit zu ändern.

13. Bilderzeugungssonde nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Halbleiter-Lichtemissionsgeräte gleichzeitig, oder blockweise, oder unabhängig voneinander gesteuert werden, um ein- bzw. ausgeschaltet zu sein, und/oder die Helligkeit zu ändern.

14. Bilderzeugungssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärtsprojektionsbeleuchtungsquelle in einer Kartusche aufgenommen ist.

15. Bilderzeugungssonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringbeleuchtungsquelle in einer Kartusche aufgenommen ist.

16. Bilderzeugungssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Chassis und/oder das Gehäuse aus einer Magnesiumlegierung besteht.

17. Bilderzeugungssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilderzeugungssonde ein Gewicht von 500 Gramm oder weniger aufweist.