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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatisierten Klassifizierung der Güte von Werkstücken, insbesondere nach DIN ISO 10110 und DIN ISO 14997:2013-08.
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Es gibt viele Vorrichtungen und Methoden zur Klassifizierung der Güte von Werkstücken. Einige Vorrichtungen bedienen sich der Methode einer Dunkelfeldaufnahme der betreffenden Werkstücke. Dazu wird das Werkstück von einer kollimierten Lichtquelle beleuchtet und durch Unreinheiten erzeugtes Streulicht von einem lichtempfindlichen Detektor aufgenommen, der im Dunkelfeld des Lichtstrahles (nicht in dem Reflexions- oder Beugungskegel erster Ordnung) angeordnet ist.
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DE 10 2012 005 417 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur winkelaufgelösten Streulichtmessung, welche zwei Teile des Lichts erfassen kann, die mit unterschiedlichen Lichtfrequenzen an einer Probe gestreut werden. Eine Auswerteeinheit wertet die gemessenen Signale aus und bestimmt Werte für eine Leistungsspektraldichte, um die gestreuten Komponenten und Parameter für die Verbindung der fraktalen spektralen Leistungsdichte zu analysieren.
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US 3 693 025 A befasst sich mit einem Zweistrahlverfahren für eine Infrarot-Reflexmessung zur Vermessung eines strahlungsdurchlässigen Filmes. Auf dem Film auftreffende Strahlung wird dabei sowohl spiegelnd als auch diffus reflektiert. Die Messung erfolgt mittels einer Auswahl nur von diffus reflektierten Strahlungskomponenten, wobei spiegelnd reflektiertes Licht herausgefiltert wird.
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GB 2 277 148 A offenbart ein Goniophotometer mit einer Lichtquelle, einer Öffnung, durch welche Licht auf eine Oberfläche gerichtet werden kann und einer Detektoreinrichtung mit mehreren Detektoreinheiten, auf die ein Bild der Öffnung dermaßen fokussiert wird, dass das Bild der Öffnung eine Breite hat, die von derselben Größenordnung wie die Breite einer Detektoreinheit ist.
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WO 2010/ 127 872 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur winkelaufgelösten Streulichtmessung mit einer Lichtquelle zum Beleuchten einer Probe, einem Detektor mit einer Sensormatrix zum Erfassen des an der Probe gestreuten Lichts, einer Auswerteeinheit zum Auswerten von Detektorsignalen und einem Absorber. Die Lichtquelle strahlt dabei Licht durch zwei Sammellinsen und eine dazwischen liegende Lochblende. Das von der Lichtquelle ausgehende Licht wird dabei durch die erste Sammellinse auf die Lochblende fokussiert und ein spekular von der Probe reflektierter oder ungestreut transmittierter Anteil des Lichts wird auf den Detektor fokussiert. Der Absorber ist dabei so angeordnet, dass von dem Detektor reflektiertes Licht absorbiert wird.
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Nachteil dieser Vorrichtungen ist, dass sie einen vergleichsweise komplizierten Aufbau haben und nicht als ein einfaches und einheitlich zu verwendendes Standalone-Gerät verwendet werden können. Zudem kann mit den bekannten Vorrichtungen und Verfahren keine automatisierte Klassifizierung der Güte von Werkstücken durchgeführt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels derer ein Benutzer in der Lage ist, eine einfache, automatisierte Klassifizierung der Güte von Werkstücken vorzunehmen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Ansprüchen gelöst.
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Im Folgenden werden Lichtstrahlen, die von einer Lichtquelle ausgesandt und danach von einer Oberfläche reflektiert werden, in Anlehnung an die Lichtpfadnotation als „spekularer Reflex“ bezeichnet. Da die zu überprüfende Oberfläche jedoch nicht zwingend Teil der Erfindung ist, wird als „spekularer Reflex“ auch der bei einer Messung an einer korrekt positionierten Oberfläche zu erwartende spekulare Reflex angesehen. Da in der Praxis bei der Transmission eines Lichtstrahls dieser gebrochen wird, gilt das oben gesagte nicht nur für reflektierte Lichtstrahlen sondern auch für durch ein (vorhandenes oder zu erwartendes) Objekt transmittierte Lichtstrahlen. Diese werden ebenfalls als „spekularer Reflex“ bezeichnet.
Der spekulare Reflex kann im einfachsten Falle einem Kegelstumpf entsprechen (z.B. bei einer Reflexion einer punktförmigen Lichtquelle an einem planen Spiegel oder bei Transmission durch eine Glasplatte), er kann aber auch eine komplizierte 3-dimensionale Form aufweisen, wenn das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht und/oder die reflektierende Oberfläche eine komplizierte Form aufweist.
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Der Bereich größter Intensität des einfallenden Lichtes im Messbereich wird im Folgenden mit „zentraler Strahlbereich“ bezeichnet. Im einfachsten Falle ist es der Strahlmittelpunkt im Messbereich. In einem komplexen Fall, kann der zentrale Strahlbereich eine komplexere Form haben, z.B. eine (möglicherweise deformierte) Kreisbahn / Ellipsenbahn oder gar eine Fläche.
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Der Bereich größter Intensität des spekularen Reflexes (vom zentralen Strahlbereich ausgehend) wird mit dem Begriff „zentraler Reflex“ bezeichnet. Im einfachsten Fall ist dies eine Gerade im Raum (Zentrum des reflektierten Lichtstrahls). In dem Fall, dass der spekulare Reflex eine komplexe 3-dimensionale Form aufweist, kann der zentrale Reflex auch die Form eines (ggf. deformierten) Kegelstumpfmantels oder auch andere Formen haben.
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Der spekulare Reflex kann je nach Art der Lichtquelle und der mit einer Lichtquelle verwendeten Kollimatoren eine Divergenz aufweisen, was bedeutet, dass sich der Strahl mit steigendem Abstand zum Messbereich aufweitet. Diese Divergenz ist hier im einfachsten Falle eines kegelförmigen spekularen Reflexes der Winkel zwischen dem zentralen Reflex und dem Mantel des Lichtkegels. Im Falle eines komplexen spekularen Reflexes umfasst die Divergenz alle Winkel zwischen dem zentralen Reflex und dem nächstliegenden Bereich der „Außenfläche“. Die Menge dieser Winkel ist für jeden Punkt des spekularen Reflexes berechenbar bzw. bestimmbar. Im Folgenden wird die Menge der diesbezüglichen Winkel (auch wenn es nur einen Winkel gibt) als „Reflexdivergenz“ bezeichnet.
Zum besseren Verständnis sei angemerkt, dass der Öffnungswinkel eines reflektierten Lichtkegels die doppelte Reflexdivergenz ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur automatisierten Klassifizierung der Güte von Werkstücken umfasst ein Sensorsystem in Form einer Fläche oder einer Zeile, ein Beleuchtungssystem, und ein Datenverarbeitungssystem, wobei das Sensorsystem dazu ausgestaltet ist, das Bild eines vorbestimmten Messbereichs auf einem Werkstück aufzunehmen und das Beleuchtungssystem dazu ausgestaltet ist, diesen vorbestimmten Messbereich zu beleuchten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Halterung aufweist, die eine feste Anordnung des Beleuchtungssystems relativ zum Sensorsystems bezüglich des, insbesondere lateralen, Abstandes und des Winkelbereichs der emittierten Strahlung gewährleistet, die Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass kein Zwischenbild des Werkstücks von dem Sensorsystem aufgenommen wird, und das Beleuchtungssystem so ausgestaltet und so ausgerichtet ist, dass es in Form eines Kreises oder einer Ellipse um das Sensorsystem herum verläuft und/oder, dass es mindestens ein Beleuchtungsmodul umfasst, dessen Licht von einem Ablenkspiegel kreisförmig abgelenkt oder von einer zentralen Blende im Strahlengang herausgefiltert wird. und dass der Winkel zwischen dem zentralen Reflex des spekularen Reflexes der reflektierten und/oder transmittierten Strahlen des Beleuchtungssystems und der Mittelebene des zentralen Strahlbereichs des einlaufenden Strahls und der Längsachse des Sensorsystems stets um mindestens 0,1° größer als die sensorseitige Divergenz des spekularen Reflexes (sensorseitige „Reflexdivergenz“) ist, so dass das betreffende Sensormodul seine Daten im Dunkelfeld der Anordnung aufnimmt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur automatisierten Klassifizierung der Güte von Werkstücken umfasst die Schritte:
- - Bestrahlen eines Messbereichs durch das Beleuchtungssystem, so dass der Winkel zwischen dem zentralen Reflex des spekularen Reflexes der reflektierten und/oder transmittierten Strahlen des Beleuchtungssystems und der Mittelebene des zentralen Strahlbereichs des einlaufenden Strahls und der Längsachse des Sensorsystems stets größer als die sensorseitige Divergenz des spekularen Reflexes (sensorseitige „Reflexdivergenz“) ist,
- - Aufnahme de Messbereichs mit dem Sensorsystem, wobei kein Zwischenbild des Werkstücks von dem Sensorsystem aufgenommen wird,
- - ggf. relative Bewegung (z.B. Drehung) bezüglich Vorrichtung und Werkstück,
- - Auswertung oder Darstellung der aufgenommenen Bilder des Sensorsystems.
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Durch die feste Anordnung von Sensorsystem und Beleuchtungssystem untereinander wird eine mechanische Einheit von Beleuchtung und Detektor geschaffen, die eine besonders vorteilhafte feste Streugeometrie für alle Punkte auf der Oberfläche eines zu vermessenden Werkstücks gleichermaßen realisiert.
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Das Sensorsystem umfasst mindestens ein Sensormodul und weist eine Detektionsfläche zur Aufnahme von Bildpunkten auf, die auf den Messbereich gerichtet ist. Diese Detektionsfläche hat eine Ausdehnung X entlang einer X-Koordinate eines Koordinatensystems (Länge) und eine Ausdehnung Y entlang einer Y-Koordinate dieses Koordinatensystems (Breite). Bevorzugt besteht diese Detektionsfläche aus lichtempfindlichen Pixeln und basiert insbesondere auf der CCD oder CMOS Technik. Bevorzugt umfasst mindestens eines dieser Sensormodule einen Sensor in Form einer Fläche oder einer Zeile, vorzugsweise einen CCD- oder CMOS-Sensor.
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Ein bevorzugte Sensormodul ist dabei so ausgestaltet, dass es mehr Pixel bezüglich seiner Länge verglichen mit seiner Breite aufweist, Insbesondere mindestens 128 mal mehr, besonders bevorzugt mindestens 256 mal mehr, und ebenfalls bevorzugt bezüglich seiner Breite weniger als 10 Pixel aufweist (Zeilensensor).
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Da das Werkstück in der Regel nicht Teil der Vorrichtung ist, wird zur Charakterisierung des relevanten Teils der Oberfläche des Werkstücks bezüglich der Messanordnung der Begriff „Messbereich“ verwendet. Der Messbereich hat dabei die Form der Werkstückoberfläche wie sie bei einer Messung im Aufnahmebereich des Sensorsystems vorliegen würde.
Im Rahmen der Erfindung bedeutet „vorbestimmt“, dass nicht nur die Form des Messbereichs vorbestimmt ist, sondern, da der Messbereich beleuchtet und im Dunkelfeld aufgenommen wird, selbstverständlich auch dessen Abstand und dessen Orientierung im Raum. Bevorzugt ist der Messbereich dermaßen orientiert, dass das Lot eines jeden Punktes des Messbereichs bzw. die Flächennormale eines jeden Flächenelements des Messbereichs durch ein Sensormodul des Sensorsystems verläuft oder zumindest ein erster Teil der Lote/Flächennormalen dieses Erfordernis erfüllt und die übrigen Lote/Flächennormalen des Messbereichs weniger als 2° (insbesondere weniger als 1°) Neigung zu diesem ersten Teil der Lote/Flächennormalen aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass der spekulare Reflex des den Messbereich während der Messung beleuchtenden Lichtes klar definierbar ist.
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Das Beleuchtungssystem umfasst mindestens ein Beleuchtungsmodul, das bevorzugt so ausgestaltet ist, dass es einen kollimierten Lichtkegel auf die Detektionsfläche aussenden kann. Es ist besonders bevorzugt, dass das Beleuchtungssystem so ausgestaltet ist, dass es einen Lichtkegel in Form einer Ellipse oder eines Kreises um das Sensorsystem herum bildet, der den Messbereich ringförmig beleuchtet.
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Bevorzugt umfasst ein Beleuchtungsmodul mindestens eine in einer Richtung ausgedehnte Leuchtquelle oder eine Vielzahl von auf einer geraden oder gekrümmten Linie angeordneten Leuchtquellen, die insbesondere jeweils so angeordnet sind, dass der in Richtung eines der Sensormodule ausgehende Lichtkegel homogen ist, d.h. dass die aufgenommene Intensität über die Länge oder Breite des betreffenden Sensormoduls bei Aufnahme einer perfekten Oberfläche maximal um 10%, insbesondere maximal um 1% schwankt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Beleuchtungssystem so ausgestaltet, dass es in Form eines Kreises oder einer Ellipse um das Sensorsystem herum verläuft, wobei sich bevorzugt in zwei gegenüberliegenden Bereichen des Kreises oder der Ellipse Aussparungen befinden, der Kreis-/Ellipsenbogen also unterbrochen ist. Diese Ausführungsform ist insbesondere bei Verwendung eines länglichen Sensormoduls von Vorteil, sofern die betreffenden Aussparungsbereiche (Unterbrechungen) auf einer Achse mit der Länge des Sensormoduls angeordnet sind, da bei einer solchen Anordnung die Aufnahme direkter Lichtreflexe von der Werkstückoberfläche unterdrückt wird.
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Dies hat den Vorteil, dass der Messbereich optimal ausgeleuchtet werden kann, da der Fall auftreten kann, dass Fehler Licht nur in einer Richtung reflektieren /transmittieren und daher möglicherweise bei einer Beleuchtung nur aus einer Richtung nicht zu sehen wären.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Beleuchtungssystem so ausgestaltet, dass es mindestens ein (insbesondere zentrales) Beleuchtungsmodul umfasst, dessen Licht von einem Ablenkspiegel kreisförmig abgelenkt oder von einer zentralen Blende im Strahlengang (Kondensorblende) herausgefiltert wird. Insbesondere ist ein solches Beleuchtungsmodul auf der dem Messbereich abgewandten Seite des Sensorsystems oder dem Sensorsystem abgewandten Seite des Messbereichs angeordnet, bevorzugt auf einer Achse, welche durch den Messbereich und das Sensorsystem verläuft. Die Ausführungsform ist bevorzugt so gestaltet, dass das Licht vom Ablenkspiegel auf einer Kreisbahn um diese Achse abgelenkt wird.
Zudem umfasst die Ausführungsform bevorzugt ringförmige Spiegelelemente, welche in einem Ring um diese Achse herum angeordnet sind, und das Licht auf den Messbereich reflektieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Beleuchtungsmodul bezüglich eines zu vermessenden Werkstücks so angeordnet, dass dessen Lichtkegel reflektiert werden muss, um ein Sensormodul zu erreichen (auf der gleichen Seite wie das Sensormodul) und/oder es ist mindestens ein Beleuchtungsmodul bezüglich eines zu vermessenden Werkstücks so angeordnet, dass dessen Lichtkegel transmittiert werden muss, um ein Sensormodul zu erreichen (auf der entgegengesetzten Seite vom Sensormodul). Je nach Anwendung ist eine Transmission von Licht oder eine Reflexion von Licht, und manchmal beides zum Erkennen von Fehlern in einem (ggf. durchsichtigen) Werkstück von Vorteil.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zwei oder mehr konzentrische Beleuchtungsringe bzw. -ellipsen. Dies verbessert die Ausleuchtung des Messbereichs und die Entdeckung von Fehlern weiter.
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An Stelle von (unterbrochenen) Kreisen oder Ellipsen sind auch für einige Anwendungen Halbkreise bzw. -ellipsen oder andere Kreissegmente bzw. Ellipsensegmente bevorzugt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine ringförmige Beleuchtung mittels mehrerer diskreter Beleuchtungsmodule und/oder mittels flächiger Beleuchtungsmodule erreicht.
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Bevorzugt sind zumindest einige Beleuchtungsmodule mit Blenden und/oder Schattenwerfern versehen, um direkte Lichtreflexe gezielt zu verhindern. Diese Blenden können lichtundurchlässige Elemente und/oder lichtundurchlässige Beschichtungen umfassen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Beleuchtungssystem so ausgestaltet und so ausgerichtet, dass der Winkel zwischen dem zentralen Reflex des spekularen Reflexes der reflektierten und/oder transmittierten Strahlen des Beleuchtungssystems und der Mittelebene des Messbereichs und der Längsachse des Sensorsystems stets um mindestens 0,1°, insbesondere mindestens 1° (oder sogar 2°) größer, und bevorzugt maximal 40°, insbesondere maximal 20°, besonders bevorzugt maximal 15°, größer als die Divergenz des spekularen Reflexes ist.
In einem zweidimensionalen Beispiel verläuft ein spekularer Reflex mit einer Reflexdivergenz von 5° (Öffnungswinkel 10°) mit seinem zentralen Reflex bezüglich der Gerade Messbereich-Sensorzeile im Winkel zwischen 5,1° (oder 6° bzw. 7°) und 45° (oder 25° bzw. 20°). Der „Rand“ des spekularen Reflexes ist also um mehr als 0,1° und insbesondere weniger als 40° bezüglich der Gerade Messbereich-Sensorzeile geneigt, und der spekulare Reflex verfehlt den Sensor somit knapp.
Der diffuse Reflex wird jedoch mit dieser Anordnung den Sensor mit einer sehr hohen Intensität treffen, was einen sehr hohen Kontrast des von Oberflächenfehlern oder Verunreinigungen reflektierten oder gebeugten Lichtes ergibt.
Das betreffende Sensormodul nimmt seine Daten somit im Dunkelfeld dieser Anordnung, jedoch in einem Bereich maximaler Fehlerausleuchtung, auf.
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Das Datenverarbeitungssystem umfasst insbesondere mindestens eine Recheneinheit, welche dazu ausgelegt ist, in den Sensordaten, die insbesondere als Bilddaten vorliegen, Muster zu erkennen und diese Verunreinigungen zuzuordnen. Bevorzugt ist das Datenverarbeitungssystem dazu ausgelegt, verschiedene, spezifische Muster verschiedenen Arten von Verunreinigungen zuzuordnen. Beispielsweise wird Staub in der Regel punktförmige Abbildungsobjekte bilden, Kratzer in der Regel linienartige und Polierfehler eher bogenförmige.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung unabhängig von dem Datenverarbeitungssystem zusätzlich ein Bilderzeugungssystem (z.B. einen Framegrabber), welches dazu ausgelegt ist, die Sensordaten in digitale Bilddaten zu konvertieren. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das Sensorsystem analoge Daten liefert, die für das Datenverarbeitungssystem erst in digitale Daten konvertiert werden müssen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Datenverarbeitungssystem ein digitales Bilderzeugungssystem (z.B. einen Framegrabber), welches dazu ausgelegt ist, die rohen Sensordaten in digitale Bilddaten zu konvertieren.
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Das Datenverarbeitungssystem ist insbesondere dazu ausgelegt, nach ISO 10110-7, 10110-3 und/oder ISO 14997 zu klassifizieren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zusätzlich ein optisches System, welches vor dem Sensorsystem angeordnet ist. Insbesondere ist das optische System so ausgestaltet, dass das Licht, welches in das Sensorsystem einfällt, zuerst durch das optische System läuft. Bevorzugte optische Systeme umfassen mindestens ein Element der Gruppe Linsen, Prismen, Lichtleiter, Blenden, Kollimatoren, Fresnel-Zonenplatten, Filter, Spiegel und Beugungsgitter. Ein solches Element weist bevorzugt Werkstoffe der Gruppe Glas, Kunststoff oder Metall auf. Bevorzugte Elemente sind Glasfaserlichtleiter, Hologramme und/oder Linsensysteme.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das optische System so geschaffen, dass es für einzelne Sensoren und/oder Sensorgruppen des Sensorsystems ein separates optisches Modul aufweist. Bevorzugt leitet ein solches optisches Modul Licht über eine Glasfaser zu den einzelnen Sensoren und/oder den Sensorgruppen des Sensorsystems.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das optische System so geschaffen, dass es für das gesamte Sensorsystem oder für einzelne Sensoren und/oder Sensorgruppen ein telezentrisches Objektiv darstellt. Dies ermöglicht Aufnahmen mit einem sehr hohen Kontrast.
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Für viele Anwendungen ist es von Vorteil, wenn die Tiefenschärfe des Sensorsystems (ggf. mittels eines optischen Systems) an die Oberfläche des Werkstücks angepasst ist, wenn also ein Bereich des Werkstücks scharf auf der Ebene des Sensorsystems abgebildet wird.
Da die Auflösung von digital operierenden Sensorsystemen in der Regel auf einzelne Bildpunkte (Pixel) begrenzt ist, genügt es, wenn ein Bereich des Werkstücks, dessen Größe in Anbetracht der gewünschten Messgenauigkeit vorher festgelegt wurde, auf einem Pixel abgebildet wird. Es ist in dieser Hinsicht bevorzugt, wenn allen Pixeln des Sensorsystems einzeln und/oder in Gruppen zusammengefasst von einzelnen optischen Modulen eines optischen Systems Licht zugeführt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sensorsystem oder zumindest ein Teil des Sensorsystems und das optische System oder zumindest ein Teil des optischen Systems als Plenoptische Kamera (Lichtfeldkamera) ausgestaltet.
Dies hat den Vorteil, dass durch den Effekt der rechnerischen Nachfokussierung, den eine solche Lichtfeldkamera bietet, eine optimale Tiefenschärfe während der Messung erreicht werden kann.
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Ist die Oberfläche des Werkstücks plan, ist eine ebene Form des Sensorelements bevorzugt. In diesem Falle kann in einfachster Ausführung auch ein einzelnes optisches Modul in Form eines Lichtleiters oder einer zylindrischen Linse verwendet werden. Eine bessere Auflösung wird jedoch erreicht, wenn für jeden Pixel und/oder für Pixelgruppen des Sensorsystems ein optisches Modul vorliegt, wobei die optischen Module insbesondere zumindest bezüglich ihrer Brennweite identisch sind.
Der Abstand des Sensorsystems zur Oberfläche des Werkstücks ist bevorzugt über die komplette Fläche des Sensorsystems hinweg konstant. Zumindest ist die kürzeste optische Weglänge von der Oberfläche zu jedem Pixel des Sensorelements gleich.
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Ist die Oberfläche des Werkstücks nicht plan (z.B. gebogen oder segmentiert), ist es bevorzugt, dass sich entweder die Form des Sensorelements und/oder die Form des optischen Systems der Kontur der Oberfläche anpasst. Das bedeutet insbesondere, dass jeder Pixel des Sensorsystems bzw. jedes optische Modul des optischen Systems den gleichen Abstand von der Oberfläche des Werkstücks aufweist oder zumindest die betreffenden optische Weglängen konstant sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sensorsystem so ausgestaltet, dass es eine vorbestimmte Form hat, die den Oberflächen der zu messenden Werkstücken entspricht. In dem Fall, in dem die Werkstücke Linsen mit einer festgelegten Oberflächenkrümmung sind, ist das Sensormodul so geformt, dass es eben diese Oberflächenkrümmung angenommen hat. Das Sensorsystem hat also der Form des Messbereichs.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Sensorsystem nicht die Form der Oberfläche der zu messenden Werkstücke auf (ist z.B. gerade). Das optische System umfasst jedoch eine holographische Optik, oder eine Anzahl von optischen Modulen, die jeden Punkt des Messbereichs scharf auf dem Sensorsystem abbilden.
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Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung so ausgestaltet, dass kein Zwischenbild des Werkstücks von dem Sensorsystem aufgenommen wird. Der Begriff „Zwischenbild“ entstammt dem Gebiet der Lichtmikroskopie und bezeichnet das Bild des Objekts, das vom Objektiv erzeugt wird. Auch wenn es sich beim Zwischenbild in der Mikroskopie um ein reelles Bild handelt, umfasst die vorliegende Erfindung insbesondere mit dem Begriff „Zwischenbild“ auch den Fall eines virtuellen Bildes, welches von einer Optik erzeugt wird und von einem Sensorsystem (ggf. durch ein optisches System hindurch) aufgenommen werden könnte.
Dies bedeutet insbesondere, dass das einzige durch eine Optik erzeugte Abbild des Werkstücks auf der Sensorebene liegt und die Vorrichtung keine Optik enthält, die ein solches Zwischenbild erzeugt. Ein herkömmliches Mikroskop wird daher nicht von der Erfindung umfasst, da dort ein Zwischenbild erzeugt wird. Grund dafür ist, dass die Optik, welche ein Zwischenbild erzeugt, Fehler oder Verschmutzungen aufweisen und damit das Messergebnis systematisch Messfehlern unterwerfen könnte.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung daher so gestaltet, dass sich außer dem optischen System zwischen dem Messbereich und dem Sensorsystem keine weitere fokussierende Optik befindet. Bevorzugt befindet sich in dem Raum zwischen Prüfling und dem Sensorsystem kein räumlich von dem Sensorsystem getrenntes optisches Element (weder eine Linse noch ein Prisma noch ein Spiegel), insbesondere nur ein Gas (bzw. ein Gasgemisch wie z.B. Luft) oder ein Vakuum.
Auf diese Weise können Fehler in der Messung durch Verunreinigungen der Fehler der vorgenannten optischen Elemente vermieden und die Messung dahingehend optimiert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Sensorsystem ebenfalls nicht die Form der Oberfläche der zu messenden Werkstücke auf (ist z.B. gerade). Das optische System umfasst jedoch Lichtleiter, z.B. Glasfasern, die dermaßen angeordnet und/oder ausgestaltet sind, dass sie an der einen Seite mit Pixeln oder Pixelgruppen des Sensorsystems optisch verbunden sind und an ihrer anderen Seite (Werkstückseite) einen jeweils gleichen Abstand zum Messbereich einhalten.
Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Länge der Lichtleiter so bemessen ist, dass sie dieses Erfordernis erfüllen, oder bevorzugt dadurch erreicht, dass alle Lichtleiter zwar gleich lang sind, sie jedoch eine Elastizität aufweisen so dass Unterschiede des Abstandes des Messbereichs zum Sensorsystem durch einen Kurvenverlauf des Lichtleiters kompensiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle Lichtleiter gleichlang und an ihrer Werkstückseite in einer elastischen Halterung gehaltert. Durch Verbiegen der Halterung kann die Werkstückseite aller Lichtleiter einfach an die Form der Werkstückoberfläche (z.B. eine Krümmung) angepasst werden. Dies ist sogar für mehrere verschiedene Oberflächenformen (z.B. verschiedene Krümmungen) möglich. In dieser Ausführungsform ist die Lage des Sensorsystems relativ zur Werkstückoberfläche unerheblich. so kann die Sensoroberfläche auch um 90° oder gar 180° relativ zur Werkstückoberfläche verdreht sein. Durch die Lichtleiter wird das Licht trotzdem in die einzelnen Pixel geleitet. Eine solch gedrehte Anordnung des Sensorsystems kann in diesem Fall sogar Vorteile haben, da die unterschiedlichen Abstände der Lichtleiter, die durch Biegung derselben kompensiert wird, dadurch einen geringeren Biegungsradius der Lichtleiter erfordern könnten.
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Auch wenn das Sensorsystem aus Gründen der Tiefenschärfe vorzugsweise eine Zeilenkamera umfasst, bieten die oben beschriebenen Lösungen auch die Möglichkeit, Flächenkameras bei gleichbleibender Tiefenschärfe einzusetzen. Sowohl die Lösung mit einer holografischen Optik als auch die Lösung mittels Lichtleitern (Glasfasern) ermöglichen eine hohe Tiefenschärfe unabhängig von der Form von Sensorsystem und Werkstückoberfläche.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Beleuchtungssystem mindestens zwei Lichtquellen, die jeweils unterschiedlich zu dem Sensorsystem beabstandet sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Sensorsystemsystem mindestens zwei Sensormodule, die jeweils unterschiedlich zu dem Lichtsystem beabstandet sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein Bewegungssystem, welches dazu ausgelegt ist, die Vorrichtung relativ zu dem zu untersuchenden Werkstück zu bewegen. Dazu weist die Vorrichtung insbesondere eine Halterung auf, in der die Anordnung Sensorsystem-Beleuchtungssystem und/oder eine Werkstückaufnahme drehbar angeordnet ist und ein Bewegungsmodul, das dazu ausgelegt ist eine automatische Drehung der Anordnung Sensorsystem-Beleuchtungssystem und/oder der Werkstückaufnahme zu erreichen. Bevorzugte Bewegungsmodule enthalten Elektromotoren und ggf. auch Getriebeelemente.
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Bevorzugte Bewegungen sind Translationen und/oder Rotationen, die insbesondere gleichförmig, d.h. mit konstanter Geschwindigkeit oder angeregt durch gleichförmige digitale Pulse erfolgen.
Beispiel für eine gleichförmige Bewegung ist eine konstante Drehung des Prüflings unter der Vorrichtung oder eine konstante Drehung der Vorrichtung über dem Messbereich.
Beispiel für eine Bewegung basierend auf digitalen Pulsen ist eine Bewegung in gleichmäßigen Schritten, wobei bevorzugt in den Pausen zwischen den Schritten jeweils eine Aufnahme des Prüflings erfolgt. Der Prüfling wird also in Ruhe aufgenommen, dann um einen Schritt bewegt und erneut in der geänderten Position in Ruhe aufgenommen.
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Auf diese Weise ist es möglich, die Oberfläche des Werkstückes relativ zum Sensorsystem und dem Beleuchtungssystem zu bewegen und somit einen großen Bereich des Werkstücks bis hin zur gesamten Oberfläche des Werkstücks zu untersuchen.
Beispielsweise können gerade Werkstückfläche in Form einer Translation an dem Sensorsystem/Beleuchtungssystem vorbeigeführt und währenddessen untersucht werden. Bei rotationssymmetrischen Werkstücken, wie z.B. Linsen, kann die Oberfläche durch Drehung an dem Sensorsystem/Beleuchtungssystem vorbeigeführt und währenddessen untersucht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ruhen Werkstück und Sensorsystem/ Beleuchtungssystem relativ zueinander und eine (scheinbare) Bewegung der Oberfläche des Werkstücks wird durch ein bewegtes optische Element erreicht. Dazu weist die Vorrichtung ein optisches Ablenkungselement, insbesondere einen Spiegel und/oder ein Prisma auf, welches durch ein Bewegungsmodul bewegt wird. Dabei ist das System aus Ablenkungselement/Bewegungsmodul so gestaltet, dass Licht des Beleuchtungssystems durch das Ablenkungselement abgelenkt wird, auf den Messbereich fällt und (sofern es dort reflektiert bzw. transmittiert wird) erneut durch das Ablenkungselement abgelenkt wird und auf das Sensorsystem trifft. Diese zweimalige Ablenkung ist aufgrund der gemeinsamen Anordnung von Sensorsystem/Beleuchtungssystem notwendig. Bevorzugte Ablenkungselemente zur Simulation einer translatorischen Bewegung sind Spiegel und/oder Prismen, die relativ zur Oberfläche gekippt werden, bevorzugte Ablenkungselemente zur Simulation einer translatorischen Bewegung sind Spiegel und/oder Prismen, die relativ zur Oberfläche gedreht werden. Bevorzugt wird auch ein Abbe-König-Rotator als Ablenkungselement eingesetzt.
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In einigen Anwendungsfällen ist es von Vorteil, wenn das Werkstück unter der Vorrichtung rotiert. In dem Fall, in dem der Rotationsmechanismus nicht Teil der Vorrichtung ist, bzw. dass eine exakte Justage eines Pixels des Sensorsystems auf die Drehachse nicht möglich ist, kann die Überprüfung des Werkstücks weiter verbessert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Sensorsystem in dem Bereich, in dem bei einer Messung bestimmungsgemäß die Drehachse hindurchlaufen soll, ein flächiges Sensorelement, welches in seinen beiden sensitiven Flächenausdehnungen mindestens der Justiergenauigkeit entspricht. Die maximale Flächenausdehnung liegt aus Gründen der Wirtschaftlichkeit nicht über der doppelten Justiergenauigkeit. Insbesondere ist die Justiergenauigkeit 1 mm, meist jedoch 0,1 mm oder sogar noch geringer (z.B. 0,01 mm). Damit kann eine ungenaue Ausrichtung des Werkstücks kompensiert werden.
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Liegt nun das Zentrum des Sensorsystems im Rahmen der Justiergenauigkeit außerhalb der Drehachse, wird der Oberflächenbereich des Werkstücks um die Drehachse herum dennoch durch das flächige Sensorelement aufgenommen. Insbesondere im Fall einer Messung an Linsen ist die Wölbung dieser Linsen in ihrem Zentrum, in dem auch die Drehachse liegt, nicht sehr groß, wodurch es dort auch im Hinblick auf die Tiefenschärfe keine Probleme bei der Messung geben wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zusätzlich eine Schwenkvorrichtung, mit der die Vorrichtung mittels eines Bewegungselements längs einer Bahn bewegt werden kann. Mit einer solchen Ausführungsform muss das Sensorsystem nicht zwingend die Breite oder zumindest den Radius eines Werkstücks überragen, sondern kann kleiner sein, wobei die Vorrichtung während der Messung entsprechend über dem Werkstück verfahren werden sollte.
Die Schwenkvorrichtung ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass die Vorrichtung dermaßen über das Werkstück bewegt wird, dass es stets parallel zur Normalen des gerade untersuchten Bereichs des Werkstücks ausgerichtet ist und sich vorzugsweise stets im selben Abstand befindet. Beispielsweise würde dies im Falle der Vermessung eines ebenen Werkstücks einer Bewegung entlang einer Ebene oder Geraden entsprechen und bei Vermessung einer Linse einer Bewegung auf einer gekrümmten Bahn mit gleichzeitiger Drehung der Vorrichtung, so dass diese stets der Krümmung folgt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform, die eine schnelle Vermessung eines Werkstücks gewährleistet, weist mindestens zwei Anordnungen eines Sensorsystems und eines Beleuchtungssystems, wie oben beschrieben, auf. Diese beiden Anordnungen können radial oder azimutal angebracht sein. Bei stark gekrümmten Oberflächen des zu untersuchenden Werkstücks ist auch eine sagittale Anordnung auf gleichem Abstand zum Prüfling bevorzugt, so dass die Winkelverhältnisse bezüglich der Oberfläche fest bleiben.
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Jede der Anordnungen aus Sensorsystem und Beleuchtungssystem ist dabei Bezüglich der relativen Anordnung Sensorsystem und Beleuchtungssystem, zumindest jedoch bezüglich des voreingestellten Aufnahmewinkels des Lichtes des Beleuchtungssystems durch das jeweilige Sensorsystem, identisch.
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Eine bevorzugte Ausführungsform umfasst zusätzlich ein Staubentfernungssystem, mittels dessen Staub an der Messstelle entfernt, insbesondere abgeblasen bzw. abgespült und/oder abgesaugt werden kann.
Ein bevorzugtes Staubentfernungssystem umfasst mindestens eine Einheit zum Abblasen von Staub und/oder zum abspülen von Staub, und weist insbesondere Düsen auf, mittels denen ein Fluid auf das Werkstück unter Druck aufgebracht werden kann. Bevorzugt sind dabei Wasserstrahldüsen oder Luftdüsen. Staub wird auf diese Weise von der Oberfläche des Werkstücks durch das Fluid gelöst und die gelösten Staubelemente bewegen sich danach mit dem Fluidstrom mit.
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Ein weiteres bevorzugtes Staubentfernungssystem umfasst mindestens eine Einheit zum Absaugen von Staub und weist insbesondere Elemente auf, die zum Einsaugen eines (staubenthaltenden) Fluids ausgelegt sind.
Die beiden oben genannten bevorzugten Ausführungsformen liegen insbesondere in Kombination vor. Dies hat den Vorteil, dass Staub durch ein Fluid effektiv gelöst werden kann, und das staubenthaltende Fluid nicht in dem Bereich des Werkstücks verbleibt sondern von dort entfernt wird.
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Eine Kombination von Einheit zum Abblasen von Staub und zum abspülen von Staub ist ebenfalls bevorzugt. Insbesondere in einem Modus, in dem zuerst ein flüssiges Fluid und danach ein gasförmiges Fluid auf das Werkstück aufgebracht wird, sorgt das gasförmige Fluid für eine Trocknung.
Auf diese Weise kann Staub erst fortgespült werden und die Werkstückoberfläche anschließend getrocknet und verbleibender Staub fortgeblasen werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Staubentfernungssystem nur zu einem Zeitpunkt aktiviert, an dem von dem Rechensystem eine Verunreinigung, z.b. Staub, an der Messstelle erkannt worden ist und nach Erkennung einer verunreinigungsfreien Messstelle wieder deaktiviert. Auf diese Weise tritt das Staubentfernungssystem nur dann in Aktion wenn die Messstelle auch Verunreinigungen aufweist und ist ansonsten deaktiviert.
Insbesondere wenn zur Prüfung genug Zeit zur Verfügung steht und wenige Messstellen ausreichen, ist es von Vorteil, Luft- bzw. Wasserdüsen (ggf. inklusive Absaugung) direkt in den Prozessschritt der Oberflächenprüfung zu integrieren.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Staubentfernungssystem zu einem vorher festgelegten Zeitpunkt in einem Bereich des Werkstücks aktiviert, der in naher Zukunft (einer Zeit > 0,1 s, jedoch insbesondere max. 10 s) die Messstelle wird. Auf diese Weise wird ein Zeitverlust durch eine Datennahme von Staub oder durch eine spätere Nachbehandlung verringert.
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Eine Prüfung im Reinraum Klasse 7 oder 8 ist für eine staubfreie Fertigung empfehlenswert. Dieser Empfehlung entsprechen viele Produktionskapazitäten derzeit nicht und eine vorherige automatisierte Reinigung stellt damit auch einen wirtschaftlichen Vorteil dar.
Für eine staubfreie Fertigung ist es von Vorteil, wenn durch einen optionalen Wechselmechanismus das Werkstück nach der Überprüfung automatisch gewechselt werden kann. Daher weist eine bevorzugte Ausführungsform einen solchen Wechselmechanismus auf.
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Insbesondere ist mit der Vorrichtung bzw. dem Verfahren die einfache und automatisierte Detektion und Vermessung von Kratzern, Lunkern, Verunreinigungen, Blasen, Schlieren und Staub möglich.
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Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Abbildungen dargestellt.
- 1 zeigt schematisch den Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform.
- 2 zeigt schematisch diese Ausführungsform in drei verschiedenen Messpositionen.
- 3 verdeutlicht schematisch den Messablauf.
- 4 zeigt typische Intensitätsverteilungen reflektierter Lichtstrahlen.
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In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform zur Vermessung eines Werkstücks mit einer gekrümmten Oberfläche schematisch dargestellt. Diese Vorrichtung wird in diesem Falle zur Vermessung einer Linse 1 verwendet, welche fest auf einem Drehtisch 2 montiert ist. Die Vorrichtung umfasst einen Körper 3, in dem optional eine Mess- und/oder Steuerelektronik untergebracht ist, und mit dem sie fest oder beweglich über dem Werkstück angebracht werden kann, einem Sensorsystem 4 und einem Beleuchtungssystem. Das Beleuchtungssystem umfasst Lichtquellen 5, die in dem dargestellten Falle an den Seiten des Sensorsystems 4 bzw. ringsherum angeordnet sind.
Die von dem Beleuchtungssystem ausgesandten Lichtstrahlen 6 werden von der Oberfläche des Werkstücks reflektiert. Die Lichtquellen 5 sind in diesem Beispiel so angeordnet, dass ein reflektierter Lichtstrahl 6 wieder auf eine der Lichtquellen trifft (Pfeile an den Lichtstrahlen 6). Befinden sich auf oder in dem Werkstück optische Fehler (z.B. Staub oder Kratzer), erzeugen diese eine Streuung des Lichts. In der Abbildung ist ein Streustrahl 7 dargestellt, der in Richtung des Sensorsystems 4 verläuft und dort registriert wird.
Eine Anordnung von Beleuchtungsmodulen auf der vom Sensorsystem abgewandten Seite des Werkstücks und Messung der transmittierten Strahlung im Dunkelfeld ist ebenfalls möglich und je nach Anwendung auch bevorzugt.
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In diesem Fall ist das Sensorsystem 4 kleiner als der Radius der Linse 1. Für eine komplette Vermessung der Oberfläche muss die Vorrichtung also relativ zu der sich unter der Vorrichtung hinwegdrehenden Oberfläche der Linse 1 verfahren werden. Dies wird mittels der Schwenkvorrichtung 8 erreicht, welche die Vorrichtung in diesem Falle auf einer bogenförmigen Bahn bewegt und gleichzeitig so dreht, dass sie immer gerade auf den zu untersuchenden Teil der Oberfläche gerichtet ist, was in 2, in der drei verschiedene Positionen der Vorrichtung abgebildet sind, gut erkennbar ist.
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Optional kann Staub sofort mittels einer Düse 9 entfernt werden, die aktiviert wird, sobald die Vorrichtung Staub auf der Oberfläche erkannt hat.
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Durch einen optionalen Wechselmechanismus 10 kann das Werkstück 1 nach der Überprüfung automatisch gewechselt werden.
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3 verdeutlicht schematisch den Ablauf einer Überprüfung einer Linse 1, deren Oberfläche ggf. unter der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Drehung der Linse entlang geführt werden kann. Ein Sensorsystem 4 überprüft einen Messbereich der Linse, welcher von einer Lichtquelle 5 beleuchtet wird. Die von dem Beleuchtungssystem ausgesandten Lichtstrahlen 6 werden von der Oberfläche des Werkstücks reflektiert. Der auf der normalen, spiegelnden Oberfläche der Linse reflektierte spekulare Reflex 8 mit dem zentralen Reflex 9 soll nicht in das Sensorsystem 4 fallen und verläuft jenseits davon. Der von Fehlern auf der Oberfläche hervorgerufene Streustrahl 7 wird vom Sensorsystem 4 registriert. Der von Fehlern im Messbereich reflektierte und gestreute Lichtstrahl 6 wird dabei nur gemessen, wenn er mindestens um einen Winkelbereich 10 weiter abgelenkt wurde als der „Rand“ des spekularen Reflexes.
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4 zeigt typische Intensitätsverteilungen reflektierter und an Fehlern gestreuter Lichtstrahlen, einmal unter einem Abstrahlungswinkel von 0° und einmal unter 20°. Die Intensität BSDF ist logarithmisch dargestellt. Deutlich ist der spekulare Reflex 8 zu erkennen, der zentral aus der Kurve heraus sticht und die größte Intensität hat. In der linken Kurve sind die ungefähren „Ränder“ des spekularen Reflexes mit vertikalen Strichen dargestellt. Jenseits davon sind langsam abfallende Flanken mit (verglichen mit dem spekularen Reflex 8) geringerer Intensität zu erkennen. Dies ist das Licht, welches von Fehlstellen erzeugt wird. Nahe am spekularen Reflex hat dieses Licht die höchste Intensität. In der rechten Kurve ist der zentrale Reflex 9 eingezeichnet.