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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Meßvorrichtung
zum optischen Vermessen von Minaturbauteilen und ein entsprechendes
Verfahren.
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Durch
Lichtkontrast ist eine optische Dimensionsvermessung von Miniaturbauteilen,
wie beispielsweise medizinischer Ampullen, Stents und dergleichen
möglich.
Der optische Kontrast wird dabei entweder im Auflicht- oder Durchlichtverfahren
erzeugt.
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Beim
Auflichtverfahren wird das Meßobjekt von
oben mit einer geeigneten Lichtquelle bestrahlt und das reflektierte
Licht wird von einer Kamera aufgenommen, um das Meßobjekt
mit Hilfe des aufgenommenen Bildes zu vermessen. Beim sogenannten Durchlichtverfahren
wird das Meßobjekt
von einer Seite mit einer Lichtquelle beleuchtet und das durch das
Meßobjekt
hindurchtretende Licht wird auf der anderen Seite von einer Kamera
aufgenommen und ausgewertet.
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Ein
Beispiel für
das Auflichtverfahren ist in dem Dokument DE-A-40 33 588 offenbart.
Hier werden Werkstückoberflächen, insbesondere
von Profilquerschnitten, mittels einer Kamera und einer Beleuchtungseinheit
optisch vermessen. Die von der Objektachse versetzt angeordnete
Beleuchtungseinheit bestrahlt das Meßobjekt und das Licht wird
von dem Meßobjekt
reflektiert. Eine Kamera ist gegenüber der Objektachse um einen
gewissen Winkel verdreht angeordnet und nimmt das von dem Meßobjekt reflektierte
Licht auf. Die Abmessungen des Objekts können durch das von der Kamera
aufgenommene kontrastreiche Bild ermittelt werden.
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Dieses
Meßverfahren
führt jedoch
nicht bei allen Materialien zu einem befriedigendem Ergebnis, da
Bildschärfe
und Kontrast stark von der Reflexion des Materials abhängen.
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Das
Dokument DE-A-41 11 145 beschreibt ein Verfahren zum Überprüfen der
Maßhaltigkeit
medizinischer Ampullen, bei dem das Durchlichtverfahren angewandt
wird. Dabei wird eine zu prüfende Ampulle
senkrecht zu ihrer Längsachse
mittels einer diffus strahlenden Lichtquelle beleuchtet und um ihre Längsachse
gedreht. Das durch die Ampulle hindurchtretende Licht wird von einem
Kamerasystem aufgenommen und in elektrische Bildsignale umgewandelt.
Mit diesen Bildsignalen wird dann ein Soll-/Ist-Vergleich durchgeführt, um
die Maßhaltigkeit des
Prüflings
zu beurteilen.
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Bei
Hohlkörpern
wie Hohlprofilen, Röhrchen, Stents
und dergleichen hat das Durchlichtverfahren jedoch den Nachteil
der Schattenbildung durch die der vermessenen Wandung gegenüberliegende Wandung
und Stegflanken der Wandungen, die eine breitere Stegdimension erzeugen.
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Um
diese Schattenbildung zu minimieren, wird bisher ein hohles Meßobjekt
auf einen Meßobjektträger aus
Glas (Saphir- oder Borosilikatglas) aufgeschoben. Dieser Meßobjektträger wird
durch entsprechende Oberflächenbearbeitung
(Ätzen,
Schleifen und/oder Sandstrahlen) mattiert, um Schattenbilder zu
minimieren und die Richtungscharakteristik des Lichtes zu verbessern.
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Die
dabei erforderliche erhöhte
Lichtintensität
zum Ausgleich der Absorption führt
jedoch zu Kantenüberstrahlungen
und zu kleinen bzw. falschen Dimensions-Meßwerten.
Die oben angeführte
Oberflächenbearbeitung
des Meßobjektträgers erzeugt außerdem ungleichmäßige Beleuchtungseffekte
und Ausbrüche,
die zu weiteren Meßfehlern
führen.
Ein gezieltes und kontrolliertes Anstrahlen und damit Ausblenden
der durch die mögliche
Wanddickengeometrie ins Bild geratenen Seitenflanken eines zu vermessenen
Stegs ist zudem nicht möglich.
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3 zeigt die Anwendung des
Durchlichtverfahrens mit einem Meßobjektträger 1 nach dem Stand
der Technik. Ein von der Lichtquelle 2 in den Meßobjektträger 1 einfallender
Lichtstrahl wird durch den Meßobjektträger 1 hindurch übertragen
und fällt auf
die (in 3 nicht gezeigte)
Kamera. An den Stegen 7 wird das Licht reflektiert bzw.
absorbiert, so dass diese Stellen kein Licht zu der Kamera übertragen.
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5 zeigt das durch die Kamera
aufgenommene Bild bei einem Durchlichtverfahren nach dem Stand der
Technik. Die direkt von der Lichtquelle 2 bestrahlten Stege 7 sind
auf diesem Bild als schwarze Schatten zu erkennen und stören eine
genaue Dimensions-Auswertung des Meßobjekts.
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Des
weiteren beschreibt das US Patent 5 825 666 eine Koordinaten-Meßvorrichtung
mit einer Videokamera, die gegenüber
dem Meßobjekt
bewegt werden kann, und einer Berührungssonde, die an der Videokamera
montiert werden kann. Dabei ist die Berührugssonde gegenüber der
Videokamera beweglich und ein an einer Kontaktspitze der Berührungssonde
angebrachtes Zielelement (target) wird in einer Fokalebene der Videokamera
aufgenommen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine verbesserte optische
Vermessung von Miniaturbauteilen zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Meßobjektträger mit
den Merkmalen nach Anspruch 1, eine optische Meßvorrichtung nach Anspruch
11 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 12
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Messobjektträger
aus einem lichtdurchlässigen Material
für die
Aufnahme eines im wesentlichen hohlen zu vermessenden Messobjekts
gelöst,
der eine Struktur aufweist, die einfallendes Licht vor dem Austritt
so mehrfach bricht und/oder streut, dass der Messobjektträger ein
im wesentlichen homogenes Licht abgibt.
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Durch
die Vielfachbrechung bzw. -streuung des Lichtes im Meßobjektträger und
die sich daraus ergebende homogene Lichtabstrahlung des Meßobjektträgers können störende Schatten
vermieden werden und der Kontrast der aufgenommenen Elemente des
Meßobjekts
kann verbessert werden, da eine Schattenbildung im wesentlichen
vermieden wird.
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Homogene
Abstrahlung bedeutet hier, dass jedes Flächenelement der Lichtaustrittsfläche eine
im wesentlichen gleich hohe Abstrahlungsintensität aufweist.
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Vorzugsweise
ist der Meßobjektträger zumindest
teilweise aus einem Opalglas gebildet.
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Der
Trübungswert
des Meßobjektträgers sollte
größer als
10 FTU (Formazine Turbidity Units) sein, und/oder es werden zur
Trübung
Partikel beigemengt, die eine Korngröße von kleiner als 100 μm haben.
Damit wird das eintretende Licht vielfach gestreut und/oder gebrochen,
so dass die Struktur des Meßobjekts
auch dann auf der Meßseite
im wesentlichen homogen beleuchtet wird, wenn die Struktur des Meßobjekts
auf der der Meßseite
abgewandten Seite Schatten wirft.
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Die
kristallartigen Strukturen reflektieren das einfallende Licht diffus
und führen
somit Mehrfachbrechungen herbei, so dass der Meßobjektträger aus sich heraus homogen
strahlt und störende
Schatten von der der Lichtquelle zugewandten Seite des Meßobjekts
vermieden werden.
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Die
beigemengten Partikel können
Flussspat und/oder Zirkoniumoxid, aber auch Partikel aus Kryolith
(NA3AlF6) enthalten.
Damit bilden sich tröpfchenartige,
mikrokristalline Strukturen im Glas.
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Elemente
wie Bleikristall, Phosphoroxid, Eisen oder Al2O3 können
in die Glasschmelze eingebracht werden, um eine geeignete Trübung des Messobjektträgers zu
erzielen.
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Ferner
können
Partikel aus Kryolith (Na3AlF6)
in Tröpfchenform
und/oder Elemente wie Bleikristall, Phosphoroxid, Eisen oder Al2O3 in die Glasschmelze
eingebracht werden, um eine geeignete Trübung des Meßobjektträgers zu erzielen.
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Vorzugsweise
sollte der Energieverlust eines in das getrübte Glas einfallenden Lichtstrahls
mindestens 15% betragen und der Brechungsindex radial und axial
zur Rotationsachse des Meßobjektträgers sollte
sich nicht um mehr als 15% voneinander unterscheiden.
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Vorzugsweise
ist die Lichtquelle zum Beleuchten des Meßobjekts und des Meßobjektträgers eine
programmierbare Spotlichtquelle, deren Leuchtintensität mittels
Frequenz- oder Pulsweitenmodulation steuerbar bzw. regelbar ist.
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Die
Wellenlänge
des Lichts sollte dabei in einem Bereich von etwa 300 nm bis 1200
nm liegen. Die Farbe des Lichts kann durch eine Kombination mehrerer
Spektralfarben erzeugt werden.
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Für die Aufnahme
eines Bildes von dem beleuchteten Messobjekt wird vorzugsweise eine CCD-Kamera
verwendet. Eine programmgesteuerte Bildverarbeitungsvorrichtung
wird für
die Bildverarbeitung des von der CCD-Kamera aufgenommenen Bildes
für die
Auswertung zur Dimensionsbestimmung verwendet.
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Erfindungsgemäß wird auch
ein optisches Meßverfahren
mit folgenden Schritten geschaffen: Bereitstellen eines Meßobjektträgers aus
einem lichtdurchlässigen
Material für
die Aufnahme eines im wesentlichen hohlen Meßobjekts; Beleuchten des Meßobjekts
und des Meßobjektträgers mittels
einer Lichtquelle; Aufnehmen eines Bildes von dem beleuchteten Meßobjekt
mittels einer Kamera; Verarbeiten des aufgenommenen Bildes für die Auswertung
zur Dimensionsbestimmung; wobei der Meßobjektträgers eine Struktur aufweist,
die einfallendes Licht vor dem Austritt mehrfach bricht, so dass
der Meßobjektträger ein
im wesentlichen homogenes Licht abgibt.
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden
besser verständlich beim
Lesen der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen:
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1 zeigt
die erfindungsgemäße Anordnung
der Komponenten zum Vermessen der Miniaturbauteile;
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2 zeigt
schematisch die Struktur eines Stents als ein Beispiel eines zu
vermessenden Miniaturbauteils;
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3 zeigt
die Anwendung des Durchlichtverfahrens zur Vermessung eines in 2 gezeigten Stents
mit einem an der Oberfläche
mattierten Glasträger
nach dem Stand der Technik als Meßobjektträger zum Halten des Stents;
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4 zeigt
die Anwendung des Durchlichtverfahrens zur Vermessung eines in 2 gezeigten Stents
mittels eines erfindungsgemäßen Opalglasträgers als
Meßobjektträger zum
Halten des Stents;
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5 zeigt
ein Bild, das bei der Anwendung der in 3 gezeigten
Anordnung aufgenommen wird; und
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6 zeigt
ein Bild, das bei der Anwendung der in 4 gezeigten
Anordnung aufgenommen wird.
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Nachfolgend
wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich erläutert.
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Die
Erfindung wird beispielsweise anhand der Vermessung von sogenannten
Stents, das sind röhrchenförmige Hohlkörper zum
Einbringen in die Blutbahn beispielsweise bei Herzoperationen, genauer
erläutert.
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Wie
in 1 gezeigt ist, wird ein im wesentlichen zylindrischer
oder stabförmiger
Meßobjektträger 1 aus
Glas, vorzugsweise aus Opalglas, in ein Spannfutter einer Drehvorrichtung 3 eingespannt. Eine
Lichtquelle 2 sowie eine Sammellinse mit einem Graufilter 4 und
eine Glasplatte 5 befinden sich in der genannten Reihenfolge
in einer radial bzw. seitlich versetzten Anordnung zu dem Meßobjektträger 1. Auf
der der Lichtquelle 2 gegenüberliegenden Seite ist eine
Kamera 6 (beispielsweise eine CCD-Kamera) angebracht.
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Das
Meßobjekt,
das in 1 nicht gezeigt ist, wird auf den Meßobjektträger 1 mit
geringem Spiel aufgeschoben und von der Seite durch die Lichtquelle 2 beleuchtet.
Das Meßobjekt
kann beispielsweise ein hohles röhrchenförmiges Miniaturbauteil
sein, wie es in 2 gezeigt ist, das in seiner zylindrischen
Außenwand
Stege 7 aufweist.
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Das
von der einen Seite durch die Lichtquelle 2 beleuchtete
Meßobjekt
wird von der im wesentlichen gegenüberliegenden Seite mittels
der Kamera 6 aufgenommen (beim Durchlichtverfahren).
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Als
Meßobjektträger 1 wird
vorzugsweise ein Glasträger
aus Opalglas verwendet. Die spezielle Trübung bzw. milchige Ausgestaltung
dieses Opalglases wird vorzugsweise durch Zugabe von Partikel aus
Flussspat oder Zirkoniumoxid erzeugt. Diese Zugaben erzeugen, wie
in 4 gezeigt ist, kristallartige Strukturen, die
einfallendes Licht in alle Richtungen diffus reflektieren bzw. vielfach
streuen und/oder brechen.
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Es
kann jedoch auch ein Kryolith Na3AlF6 in der Gestalt von Tröpfchen mit einer Größe von etwa 100
nm zugegeben werden. Des weiteren können Verunreinigungen als Zugabe
zur Anwendung kommen, wie beispielsweise Bleikristall, Phosphoroxid, Eisen,
Al2O3 und dergleichen.
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Die
Zugabe muss bevorzugt so bemessen sein, dass der Energieverlust
eines transmittierten Lichtstrahls mindestens etwa 15% beträgt. Darüber hinaus
soll sich der Brechungsindex horizontal und vertikal zur Rotationsachse
(axial und radial) des Meßobjektträgers 1 um
nicht mehr als etwa 15% voneinander unterscheiden.
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Durch
die Trübung
des Opalglases wird eine gleichmässige
und verstärkte
Leuchtkraft im Meßobjektträger 1 erzeugt.
Darüber
hinaus ist eine kostspielige Materialnachbearbeitung, beispielsweise
durch Ätzen
oder Sandstrahlen, nicht erforderlich.
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Das
Opalglas erzeugt im Gegenlicht einen unscharfen und leicht grünen, grauen
oder weißen Farbton,
je nach Art der eingebundenen Sedimente. Der Trübungswert sollte vorzugsweise
bei mehr als 10 FTU (Formazine Turbidity Units) liegen, so dass Mehrfachbrechungen
des einfallenden Lichtstrahls auftreten, und/oder die Korngröße der verwendeten Sedimente
sollte vorzugsweise bei weniger als 100 μm liegen. Somit wird in dem
Material des Meßobjektträgers 1 eine
Vielzahl an Streuund/oder Brechzentren verteilt, die zu einer im
wesentlichen homogenen Abstrahlung führen.
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Somit
wird der Meßobjektträger 1 durch Mehrfachbrechung
bzw. -streuung des einfallenden Lichts zu einer homogenen Lichtabstrahlung
gebracht, d.h. die Lichtquelle für
die Bildaufnahme wird in den Meßobjektträger 1 hinein
verlagert. Schatten durch Oberflächenfehler
können
alleine durch Steuerung der Lichtintensität ausgeglichen werden, so dass
eine nachträgliche
Materialbearbeitung eingespart werden kann.
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Der
Meßobjektträger 1 kann
auch so gestaltet sein, dass lediglich der Bereich, auf den das
Meßobjekt
aufgeschoben wird, die Trübung
aufweist, während
der Bereich, der in das Spannfutter der Drehvorrichtung 3 eingespannt
wird, jede beliebige andere Konfiguration haben kann.
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Der
Meßobjektträger 1 muss
auch nicht einstückig
sein, sondern kann einen ersten Abschnitt mit einem Opalglas und
einen zweiten Abschnitt aus einem beliebigen anderen Material wie
beispielsweise Kunststoff, Metall etc. aufweisen. Der erste Abschnitt kann
dabei als Aufnahme für
das Meßobjekt
und der zweite Abschnitt dem Einführen in das Spannfutter der
Drehvorrichtung 3 dienen. Die beiden Abschnitte können durch
ein beliebiges Verbindungsverfahren wie Kleben, Stecken, Schrauben, Anformen
etc. miteinander verbunden werden.
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Die
Lichtquelle 2 befindet sich bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
im Vergleich zum Stand der Technik näher an dem Meßobjekt.
Die Kantendetektion wird durch Vermeiden von Überstrahlungen bzw. bessere
Kantenausleuchtung genauer, da der Meßobjektträger 1 homogen sein
Licht abstrahlt. Darüber
hinaus lässt
sich die Lichtintensität auf
die zu vermessende Objektstruktur homogen abgleichen und kalibrieren.
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Die
Lichtquelle 2 weist eine starke Spotlichquelle, vorzugsweise
mit einer Leuchtintensität
von mindestens 1 Lumen pro Watt, sowie ein milchig trübes, aber
leicht transparentes Opalglas auf. Die Leuchtintensität der Lichtquelle 2 sollte
sich dabei vorzugsweise stufenlos im Frequenz- oder Pulsweitenmodulationsverfahren
steuern bzw. regeln lassen. Außerdem
sollte die Größe der Ausleuchtung
bzw. der Ausleuchtungsbereich vorzugsweise über eine Irisblende oder eine
Wechseloptik einstellbar sein.
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Das
verwendete Licht kann je nach der Art des zu vermessenden Meßobjekts
verschiedene Wellenlängen
aufweisen, liegt vorzugsweise jedoch in dem Bereich von etwa 300
nm bis 1200 nm. Dabei kann die Farbe des Lichts auch durch Kombination mehrerer
Spektralfarben erzeugt werden.
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Die
Anordnung der Lichtquelle 2 ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
nicht auf die in 1 gezeigte Anordnung von der
Seite beschränkt,
die bei dem Durchlichtverfahren üblich
ist. Da der Meßobjektträger 1 durch
Mehrfachbrechung und/oder -streuung ein im wesentlichen homogenes
Licht abstrahlt, kann das Licht auch von allen anderen Seiten in
den Meßobjektträger 1 eingebracht
werden, sogar eine axial angebrachte Lichtquelle ist möglich.
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Bei
der axialen Anordnung der Lichtquelle 2 kann diese gegenüber der
Drehvorrichtung 3 positioniert werden. Die Lichtquelle 2 kann
jedoch auch in die Drehvorrichtung 3 integriert sein, um
die Handhabung der gesamten Vorrichtung zu verbessern.
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Es
ist jedoch auch jede andere Anordnung der Lichtquelle 2,
beispielsweise schräg
von oben oder unten und dergleichen möglich so lange wie die Anordnung
der Lichtquelle 2 so ausgewählt wird, dass das Licht von
dem strahlenden Meßobjektträger 1 homogen
abgestrahlt wird.
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Das
hier beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere zur optischen
Vermessung eines sogenannten Stents, wie in 2 gezeigt
ist. Dieser Stent ist aus einem Drahtgeflecht mit Stegen 7 gebildet
und weist eine im wesentlichen zylindrische Form auf.
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Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme
auf die 3 bis 7 erläutert.
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Im
Gegensatz zu der in 3 gezeigten Vorrichtung nach
dem Stand der Technik zeigt 4 die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Das von der Lichtquelle 2 in den Meßobjektträger 1 einfallende
Licht wird durch diesen mehrfach gebrochen und in alle Richtungen
homogen abgestrahlt. Wie weiter oben bereits erwähnt ist, muss die Lichtquelle 2 hierzu nicht
wie bei dem Durchlichtverfahren nach dem Stand der Technik (wie
hier gezeigt) radial zu dem Meßobjekt
und diametral entgegengesetzt zu der Kamera 6 angeordnet
sein, sondern kann beispielsweise auch axial zu diesem angeordnet
sein. Da der erfindungsgemäße Meßobjektträger 1 das
Licht durch Mehrfachbrechungen streut und das Licht im wesentlichen
homogen abstrahlt, kann die Anordnung der Lichtquelle 2 variiert
werden.
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Darüber hinaus
bildet ein auf der Seite der Lichtquelle 2 liegender Steg 7 keinen
störenden Schatten,
da das auf beiden Seiten eines solchen Steges 7 einfallende
Licht in dem Meßobjektträger 1 gleichmäßig gestreut
bzw. gebrochen wird. Vielmehr sind die auf der Seite der Kamera 6 liegenden
Stege 7 auf dem aufgenommenen Bild deutlich erkennbar, wie
in 6 gezeigt ist, während die direkt bestrahlten
Stege 7 im wesentlichen keine Schatten bilden.
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Insbesondere
ein Vergleich von 4 mit 6 verdeutlicht
den Vorteil bei der Bildaufnahme mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Diese
Bilder werden mittels elektronischer Bildverarbeitung zur Dimensionsbestimmung
ausgewertet. Hierzu wird die Lage der Drehachse des Meßobjektträgers 1 in
einem Koordinatensystem bestimmt und die Lage der Schattenelemente
auf den erzeugten Bildern zur Dimensions- und Lagebestimmung der
einzelnen Elemente des Meßobjekts,
wie beispielsweise der Stege 7, verwendet.
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Somit
kann das Meßobjekt
selbst im Sub-Mikrometerbereich genau vermessen werden.
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Die
Erfindung ist jedoch nicht auf zylindrische Hohlkörper wie
den hier gezeigten Stent beschränkt,
sondern kann auch bei anderen Hohlkörpern angewandt werden, wie
beispielsweise bei rechteckigen Hohlkörpern, Strangpressprofilen, U-Profilen.
Der Meßobjektträger kann
eine an die Form des jeweiligen Meßobjekts angepasste Form haben.
Es muss sich bei dem Messobjekt darüber hinaus auch nicht um einen
Hohlkörper
handeln. Es kann vielmehr jedes beliebige Bauteil oder Produkt mit
einem Lichteintrittsbereich und einem Llchtaustrittsbereich mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermessen
werden.
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Der
Meßobjektträger 1 kann
außerdem
auch eine Struktur aufweisen, die beispielsweise durch eine Kristallstruktur
Mehrfachbrechungen des einfallenden Lichts erzeugt, um den hier
beschriebenen Effekt der homogenen Lichtabstrahlung des Meßobjektträgers 1 zu
erzielen.
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- 1
- Meßobjektträger
- 2
- Lichtquelle
- 3
- Drehvorrichtung
- 4
- Sammellinse
mit Graufilter
- 5
- Glasplatte
- 6
- Kamera
- 7
- Steg