專利名稱：物體的照明裝置及其照明方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種被測物體的照明裝置，特別是坐標(biāo)測量儀或測量顯微鏡規(guī)定用的照明裝置，該照明裝置包括許多從一個支架發(fā)出的、相對于光學(xué)鏡組的光軸具有不同入射角的光源，通過該鏡組可測量或投影該物體。此外，本發(fā)明涉及一種用許多相對于光學(xué)鏡組的光軸具有不同入射角的光源來對物體進行照明的方法，用這個鏡組可測量或投影該物體。
在用光學(xué)和多種傳感器坐標(biāo)測量儀以及測量顯微鏡時，被測物體需要用適合的照明裝置進行照明。常用的照明方式為透光照明、明視場垂直照明和暗視場垂直照明。根據(jù)被測物體的形狀，通過各種照明可能性之間的選擇可保證最佳的照明。在暗視場照明時，只有在物體內(nèi)衍射的光線才起顯視作用，并在暗背景上顯視亮的單個結(jié)構(gòu)。在明視場照明時，照明光線以透射光或入射光的方式直接進入光學(xué)系統(tǒng)。只要物體本身是反差大的、暗的或有色的，就可在亮背景上顯視物體。
暗視場垂直照明的設(shè)計是特別重要的。這時可用例如玻璃纖維環(huán)形光源或發(fā)光二極管環(huán)形布置形式的系統(tǒng)。為了在不改變工作平面情況下可調(diào)節(jié)照明角度，將玻璃纖維環(huán)形光源分成若干扇形段，或通過分段接通或斷開發(fā)光二極管區(qū)域，以達到同樣的效果。從而使被測物體受到不同的照明，或改變照明的入射方向。
也有人建議通過照明光源或多個照明光源的球形裝置的同時上升和下降來改變被測物體和照明光束的表面之間的角度。但這些措施的缺點是，由于照明系統(tǒng)所需的機械調(diào)節(jié)而可能產(chǎn)生與被測物體的碰撞問題。此外，需要相當(dāng)昂貴的機構(gòu)，或整個工作距離被不利地減小。
DE 39 06 555 A1提出了一種具有可選擇的光線入射角和可控制的多個單獨光源的入射光物體照明裝置。該裝置在不同的、可選擇的照明角度情況下使照明變?yōu)榭赡?，而不需要光源或顯視元件的機械調(diào)節(jié)。為此，從一個帽罩狀的支架發(fā)出的光源全部對準(zhǔn)物體平面，這些光源可圍繞一個顯微鏡筒同心布置，所以總是選用相等的顯視距離。這種裝置也可用于坐標(biāo)測量儀。
根據(jù)DE 199 04 899 A1提出的圖像檢驗設(shè)備用的可編程表面照明器，相互平行對準(zhǔn)的發(fā)光二極管的光束從一個圓盤狀的支架發(fā)射到一個拋物鏡面上，并通過該鏡面在入射角為45°和90°之間的范圍內(nèi)反射到被測物體上。
此外，在光源例如發(fā)光二極管和被測物體之間設(shè)置一個菲涅耳透鏡，以使被測物體在不同的入射角下進行照明，也是眾所周知的(見DE 198 37 797 A1)。
使物體在相互不同的入射角下進行照明的其他裝置可參見US 4893 223或DE 196 53 234 A1，這些裝置在一個共同的工作平面內(nèi)聚焦。
DE 40 16 264 C2提出了一種纖維光學(xué)的多點光源，該光源具有一個圓柱形燈頭，用來照明顯微鏡的工作場所。
在用纖維光學(xué)的多點光源時，為了把照明調(diào)節(jié)到要求的物方視場，DE 32 00 938 A1把光導(dǎo)纖維束設(shè)計成活動的。
本發(fā)明要解決的問題是，這樣改進物體的照明裝置及其照明方法，即可簡便地把照明調(diào)節(jié)到不同的工作平面，使被測物體或其一面或一邊達到最佳照明，而且光源本身不會限制測量范圍。
根據(jù)本發(fā)明，這個問題是通過前述的一種照明裝置這樣解決的光源這樣布置在支架內(nèi)，使其入射角在光學(xué)系統(tǒng)的相隔一定距離的區(qū)域內(nèi)尤其是相互不同的工作距離內(nèi)相交于光軸。特別是，這些光源最好按圍繞光軸的同心圓進行布置，這些按不同直徑的圓布置的光源可在相互不同的工作距離的區(qū)域內(nèi)相交于光軸。
光源的支架可展開成一個平面，這個平面垂直相交于光軸。其中，該支架可以構(gòu)成一個圓盤，也可以只由一個或多個長方形的或條形的光源燈座組成。
支架還可設(shè)計成同心圍繞光軸的圓罩。
為了達到光源的高密度的布置，本發(fā)明建議將光源例如發(fā)光二極管布置在徑向依次錯開的一連串的圓上。
燈架要求的幾何形狀應(yīng)具有象孔那樣的空隙，光源最好固定布置在這些空隙中。但光源本身也可移入例如旋入單個空隙中。
特別是，燈架高度是可調(diào)節(jié)的，亦即燈架做成可沿光束調(diào)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)特別適用于具有光學(xué)系統(tǒng)的測量裝置，這種測量裝置具有恒定的或基本上恒定的工作距離。
在帽狀或圓罩狀幾何形狀的燈架時，燈架在其物體側(cè)要裝光源的區(qū)域內(nèi)應(yīng)具有一個曲率半徑R為40毫米≤R≤80毫米，特別是R大約為60毫米。從而可將光源這樣布置在特別是相互同心延伸的圓上，使光束在5°至例如85°的角度下相交工作平面，而無須燈架本身具有一個引起與被測量物體碰撞危險的高度。同時也不需要燈架相對于光學(xué)系統(tǒng)或安裝該光學(xué)系統(tǒng)的外殼進行調(diào)節(jié)。
根據(jù)本發(fā)明，照明光束和物體表面之間的角度調(diào)節(jié)可通過固定布置的光源的不同角度位置來進行，這些光源布置在一個平面內(nèi)，它們位于不碰撞的空間內(nèi)。根據(jù)有效的工作距離或照明范圍，所用光源的角度位置都對準(zhǔn)工作距離或范圍。反之，角度調(diào)節(jié)則通過改變所用鏡組或光學(xué)系統(tǒng)的有效工作距離來進行。當(dāng)然，也存在這樣的可能，即總是利用物體照明的全部或基本上全部的光源，這時，物體的最佳照明總是在工作平面內(nèi)，因為本發(fā)明的光源組在不同范圍或區(qū)段內(nèi)相交鏡組的光軸。所以在這種情況中無需附加的機械調(diào)節(jié)即可用不同的照明入射角和足夠長的工作距離進行工作。
如果本發(fā)明的照明裝置主要為暗視場垂直照明方法確定的，則這種照明裝置無疑也可用于明視場垂直照明測量。為此，建議這樣控制光源發(fā)出的光輻射，使之沿光學(xué)系統(tǒng)的光軸投射到物體上。當(dāng)然，按通常的方式除了設(shè)置投影光具外，還設(shè)置有明視場垂直照明裝置。
如果上述的光源優(yōu)先用發(fā)光二極管，則也可用對準(zhǔn)的纖維束和/或纖維環(huán)形段來實現(xiàn)本發(fā)明的原理。但作為光源也可用反射鏡組，通過它們可使光線這樣轉(zhuǎn)向，即從反射鏡反射的光束的入射角在相互不同的區(qū)域內(nèi)尤其是工作距離內(nèi)相交鏡組的光軸。
根據(jù)改進方案，鏡組包括若干個不同頂焦距的攝像器，它們對應(yīng)一個具有固定焦距的共同物鏡。鏡組也可包括若干個物鏡攝像系統(tǒng)，它們相對于物體具有不同的工作距離。
鏡組也可設(shè)計成具有可變工作距離的變焦距鏡組，亦即獨立于上述鏡組的一種結(jié)構(gòu)，參見WO 99/53268。
光源也可用不同顏色照亮物體，必要時，可用相同入射角的光源照亮相同顏色的物體。
用多個相對于測量或投影物體用的鏡組的光軸具有不同入射角的光源照亮物體的方法的特征是，光源的入射角相對于該光軸這樣進行對準(zhǔn)，使不同的光源在相互不同的距離范圍內(nèi)相交該光軸。這樣就可根據(jù)工作距離用入射角按工作距離調(diào)節(jié)的光源照亮物體。也可根據(jù)要照亮的物體的一個被測區(qū)域的光源的入射角調(diào)節(jié)鏡組的工作距離。
最后，在鏡組固定工作距離時，安裝光源的燈架可沿光軸移動，以便用要求的入射角照亮物體。
本發(fā)明的其他細節(jié)、優(yōu)點和特征不但可從說明這些特征單獨的和/或組合的各項權(quán)利要求中得知，而且還可從附圖所示的各個優(yōu)選實施例的下列說明中得知。
附圖表示

圖1 一種光學(xué)測量儀的照明裝置的原理圖；圖2 圖1所示照明裝置的燈架的斷面圖；圖3 與圖1所示照明裝置不同的實施例；圖4 照明裝置另一個實施例的原理圖。
圖1用斷面圖和部分圖示出的光學(xué)測量儀10具有一個用來安裝未畫出的鏡組的外殼12。從一個被測物體反射的輻射通過該鏡組投射到一個攝像器例如CCD攝像器。其中，鏡組可設(shè)計成具有可變工作距離的變焦距鏡組，象WO 99/53268公開的那樣，透鏡組可相互獨立調(diào)節(jié)。光學(xué)測量儀10特別是坐標(biāo)測量儀的一部分。
燈架16與鏡組的光軸14同心布置。最好是發(fā)光二極管形式的光源按相互同心延伸的圓并相互徑向錯開布置在該燈架內(nèi)。在圖1所示的斷面圖中，發(fā)光二極管18、20布置在第一圓上，發(fā)光二極管22、24布置在第二個圓上，發(fā)光二極管26、28布置在第三個圓上，發(fā)光二極管30、32布置在第四個圓上，發(fā)光二極管34、36則布置在第五個圓上。
為此，燈架16具有按相互同心延伸的圓進行布置的、用來安裝發(fā)光二極管18、20、22、24、26、28、30、32、34、36的燈座38、40、42、44、46，這些發(fā)光二極管這樣布置在燈座38、40、42、44、46內(nèi)，使其相對于光軸14具有不同的入射角。所以例如孔38布置在一個圓上，在該圓上，二極管相對于光軸18描繪一個大約70°的入射角α。通過布置在一個圓上的孔40，使發(fā)光二極管在一個例如35°的角度β下對準(zhǔn)光軸14。相對于孔42可給定一個大約10°的角度γ?？?4又位于一個相對于光軸同心延伸的圓上，以便發(fā)光二極管可在一個例如25°的入射角下相交。孔46可以是一個例如50°的張角κ，其中給出的角度值純粹是舉例性的。
通過燈架16的上述結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了在相互同心的、用燈座38、40、42、44、46表示的圓上布置的發(fā)光二極管18、20、22、24、26、28、30、32、34、36可在不同的入射角下在相隔一定的工作范圍內(nèi)相交于光軸14，這些工作范圍沿光軸14進行照亮，并在圖1中用參考號48、50、52、54和56表示。
如果例如一物體的一個被測表面或邊緣位于工作范圍或工作平面52中，則用二極管26、28可對工作平面52進行最佳照明。在工作距離改變時，例如在工作距離移到平面54時，則發(fā)光二極管30、32起最佳作用。所以可在一個大的工作距離范圍內(nèi)進行最佳測量，而不需要發(fā)光二極管18、20、22、24、26、28、30、32、34、36或燈架16朝裝有鏡組的外殼12進行機械移動。
光源總是這樣相互對準(zhǔn)，使其光束投射到一個規(guī)定的工作平面內(nèi)或照亮一個相應(yīng)的工作平面。這又意味著一個被測的區(qū)域總是對準(zhǔn)相應(yīng)的工作平面。
在本發(fā)明照明裝置中，通過同心包圍光軸14的圓環(huán)，發(fā)光二極管18、20、22、24、26、28、30、32、34可在確定的角度下對準(zhǔn)光軸14的不同區(qū)段，所以這些發(fā)光二極管可分別聚焦到鏡組光軸14的另一點上，亦即在圖1實施中，聚焦到光軸14與工作范圍或工作平面48、50、52、54和56之間的交點上。在投影系統(tǒng)即鏡組聚焦到相應(yīng)交點上時，在照明光束和物體被測量的表面之間形成不同的入射角，所以獲得了最佳的照明，并由此獲得高質(zhì)量的測量。
特別如圖2所示，盡管發(fā)光二極管18、20、22、24、26、28、30、32、34、36到光軸14的入射角可達到5°和85°之間的范圍或更大并由此達到相應(yīng)長的工作范圍，在這個工作范圍內(nèi)都可進行測量，但燈架16的高度是相當(dāng)?shù)偷模员苊饬伺c被測物體碰撞的危險。
為此，特別考慮了燈架16的物體側(cè)的表面58具有一個介于30-90毫米、最好50-70毫米之間的曲率半徑R。由于這個曲率半徑R使得燈架16本身的直徑相當(dāng)小，其中，內(nèi)直徑最大為燈架16和一個被測物體的自由下緣之間的最小工作距離的4至5倍。所以發(fā)光二極管18、20、22、24、26、28、30、32、34、36和被測物體之間的距離相當(dāng)小，從而又可達到高的亮度。
在測量時，物體可在一個最佳照明的工作平面內(nèi)進行運動。所以測量鏡組的工作距離可自動根據(jù)所用的光源進行調(diào)節(jié)。反之，鏡組可不成問題地調(diào)到一定的工作距離，并根據(jù)這個工作距離，光源對準(zhǔn)該工作距離被接通。
此外，從原理圖1可知，沿光軸14可通過光學(xué)偏轉(zhuǎn)元件58，60反射明視場照明輻射。
圖3實施例與圖1實施例的區(qū)別在于，這里的燈架在光源18、20、22、24、26、28、30、32、34、36的布置上不具有帽形或圓罩形的幾何形狀，而是呈棒形或圓盤形幾何形狀，光源18、20、22、24、26、28、30、32、34、36布置在其中的一個平面內(nèi)，這個平面最好垂直相交于光軸14。
如果燈架16根據(jù)某種原因最好是一塊同心包圍鏡組的孔板時，則發(fā)光二極管18、22、26、30、34一方面可按另一種方式布置，另一方面它們可布置在長方形或方塊狀的相互平行延伸的燈座中。
在圖1和2的實施例中，如果燈架在光源的燈座或布置上具有球形或圓罩形的幾何形狀，則按圖4的光源60、62、64、66、68也可象圖3那樣布置在一個平面內(nèi)，這時光源60、62、64、66、68在不同的入射角下在相隔一定的距離內(nèi)相交該光軸。光源60、62、64、66、68可布置在作為燈架70的長方形或方塊狀的燈座內(nèi)，該燈架本身可展開成一個特別是垂直于光軸延伸的平面。也可選擇環(huán)行布置，這時相應(yīng)的燈架構(gòu)成一個圓盤。其中光源60、62、64、66、68又是布置在一個共同的平面內(nèi)，該平面平行于燈架70展開的平面延伸。為了在不同入射角不對物體72進行照明，燈架70只需沿光軸即按雙箭頭74移動。根據(jù)燈架70的位置，可接通不同入射角的光源60、62、64、66、68，從而使物體72在不同入射角下進行照明，圖4只表示這種照明的原理。
盡管圖4按照本發(fā)明原理布置，但在固定布置燈架70時，光源60、62、64、66、68的軸線仍可在相隔不同的范圍內(nèi)相交于光軸。
權(quán)利要求
1.被測物體的照明裝置，尤其用于坐標(biāo)測量儀或測量顯微鏡，包括多個從一個燈架(16，70)發(fā)出的光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36，60，62，64，66，68)，這些光源相對于一個鏡組的光軸(14)具有不同的入射角，通過該鏡組可測量或投影該物體。其特征為，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36，60，62，64，66，68)這樣布置在燈架(16，70)內(nèi)，使其入射角(α，β，γ，δ，κ)在不同的區(qū)域(48，50，52，54，56)內(nèi)與光軸(14)相交。
2.按權(quán)利要求1的照明裝置，其特征為，入射角(α，β，χ，δ，κ)在鏡組的不同的工作距離(48，50，52，54，56)內(nèi)作為上述區(qū)域與光軸(14)相交。
3.按權(quán)利要求1或2的照明裝置，其特征為，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)按圍繞光軸(14)的同心圓進行布置，這些按不同直徑的圓布置的光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)在相互不同的區(qū)域(48，50，52，54，56)內(nèi)與光軸(14)相交。
4.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)尤其是發(fā)光二極管布置在徑向依次錯開的一連串的圓上。
5.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，燈架(16)同心地并相對于被測物體無碰撞地包圍光軸(14)。
6.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)的燈架(16)具有一個帶空隙例如孔(38，40，42，44，46)的圓罩形或帽形的幾何形狀，光源布置在這些孔中。
7.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，燈架(70)把光源(60，62，64，66，68)夾持在一個最好垂直相交于光軸的平面內(nèi)。
8.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，燈架(72)具有一個板的幾何形狀例如孔板幾何形狀。
9.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，該燈架具有一個長方形或方塊形的幾何形狀。
10.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，該燈架由若干相對于光軸(14)徑向延伸的長方形或方塊狀的區(qū)段組成。
11.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，燈架(70)高度可調(diào)節(jié)。
12.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，燈架(70)可平行于光軸進行手動或自動調(diào)節(jié)。
13.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，在鏡組的恒定工作距離時，物體(72)可通過燈架(70)沿光軸(14)移動而在不同的光入射角下進行照明。
14.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，燈架(16)在物體側(cè)具有一個曲率半徑R為40毫米≤R≤80毫米，特別是R大約為60毫米。
15.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，從光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)發(fā)出的輻射是這樣偏轉(zhuǎn)的，即物體可在明視場垂直照明下進行照明。
16.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)可調(diào)節(jié)地布置在燈架(16)的燈座(38，40，42，44，46)中。
17.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)不可調(diào)節(jié)地布置在燈架(16)中。
18.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)是對準(zhǔn)的纖維束和/或纖維環(huán)形段。
19.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)是從反射鏡反射的輻射。
20.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，該鏡組為一個具有可變工作距離的變焦距鏡組。
21.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，該鏡組包括多個物鏡攝像系統(tǒng)，它們到物體具有不同的工作距離。
22.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，該鏡組包括多個不同頂焦距的攝像器，它們對應(yīng)一個具有固定焦距的共同物鏡。
23.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，沿光軸(14)可反射明視場垂直照明輻射。
24.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)用相互不同的顏色照亮物體。
25.按前述權(quán)利要求至少一項的照明裝置，其特征為，相同入射角(α，β，γ，δ，κ)的光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)用相同的顏色照亮物體。
26.用多個到測量或投影物體的一個鏡組的光軸具有不同入射角的光源對該物體進行照明的方法，其特征為，光源的入射角相對于光軸這樣進行對準(zhǔn)，使不同的光源在相互不同的距離范圍內(nèi)相交于該光軸。
27.按權(quán)利要求26的方法，其特征為，在鏡組固定的工作距離時，物體照明用的燈架在不同入射角下沿光軸移動。
28.按權(quán)利要求26或27的方法，其特征為，光源根據(jù)鏡組的工作距離對物體進行照明，其入射角對準(zhǔn)工作距離。
29.按權(quán)利要求26至28任一項的方法，其特征為，根據(jù)對物體進行照明的光源的入射角調(diào)節(jié)鏡組的工作距離。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種被測物體的照明裝置，特別是坐標(biāo)測量儀或測量顯微鏡規(guī)定用的照明裝置，該照明裝置包括許多從一個燈架(16)發(fā)出的、相對于光學(xué)鏡組的光軸(14)具有不同入射角的光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)，通過該鏡組可測量或投影該物體。為了實現(xiàn)不用昂貴的機構(gòu)就能把照明調(diào)節(jié)到不同的工作平面，以使被測物體或其一面或一邊達到最佳照明，本發(fā)明建議把光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)這樣布置在燈架(16)中，使其入射角在相互不同的工作距離(48，50，52，54，56)的范圍內(nèi)相交該鏡組的光軸(14)。
文檔編號G01B21/02GK1500199SQ02807798
公開日2004年5月26日 申請日期2002年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月3日
發(fā)明者R·克里斯托赫, R 克里斯托赫 申請人:沃思測量技術(shù)股份有限公司