专利名称：物体的照明装置及其照明方法
技术领域：
本发明涉及一种被测物体的照明装置，特别是坐标测量仪或测量显微镜规定用的照明装置，该照明装置包括许多从一个支架发出的、相对于光学镜组的光轴具有不同入射角的光源，通过该镜组可测量或投影该物体。此外，本发明涉及一种用许多相对于光学镜组的光轴具有不同入射角的光源来对物体进行照明的方法，用这个镜组可测量或投影该物体。
在用光学和多种传感器坐标测量仪以及测量显微镜时，被测物体需要用适合的照明装置进行照明。常用的照明方式为透光照明、明视场垂直照明和暗视场垂直照明。根据被测物体的形状，通过各种照明可能性之间的选择可保证最佳的照明。在暗视场照明时，只有在物体内衍射的光线才起显视作用，并在暗背景上显视亮的单个结构。在明视场照明时，照明光线以透射光或入射光的方式直接进入光学系统。只要物体本身是反差大的、暗的或有色的，就可在亮背景上显视物体。
暗视场垂直照明的设计是特别重要的。这时可用例如玻璃纤维环形光源或发光二极管环形布置形式的系统。为了在不改变工作平面情况下可调节照明角度，将玻璃纤维环形光源分成若干扇形段，或通过分段接通或断开发光二极管区域，以达到同样的效果。从而使被测物体受到不同的照明，或改变照明的入射方向。
也有人建议通过照明光源或多个照明光源的球形装置的同时上升和下降来改变被测物体和照明光束的表面之间的角度。但这些措施的缺点是，由于照明系统所需的机械调节而可能产生与被测物体的碰撞问题。此外，需要相当昂贵的机构，或整个工作距离被不利地减小。
DE 39 06 555 A1提出了一种具有可选择的光线入射角和可控制的多个单独光源的入射光物体照明装置。该装置在不同的、可选择的照明角度情况下使照明变为可能，而不需要光源或显视元件的机械调节。为此，从一个帽罩状的支架发出的光源全部对准物体平面，这些光源可围绕一个显微镜筒同心布置，所以总是选用相等的显视距离。这种装置也可用于坐标测量仪。
根据DE 199 04 899 A1提出的图像检验设备用的可编程表面照明器，相互平行对准的发光二极管的光束从一个圆盘状的支架发射到一个抛物镜面上，并通过该镜面在入射角为45°和90°之间的范围内反射到被测物体上。
此外，在光源例如发光二极管和被测物体之间设置一个菲涅耳透镜，以使被测物体在不同的入射角下进行照明，也是众所周知的(见DE 198 37 797 A1)。
使物体在相互不同的入射角下进行照明的其他装置可参见US 4893 223或DE 196 53 234 A1，这些装置在一个共同的工作平面内聚焦。
DE 40 16 264 C2提出了一种纤维光学的多点光源，该光源具有一个圆柱形灯头，用来照明显微镜的工作场所。
在用纤维光学的多点光源时，为了把照明调节到要求的物方视场，DE 32 00 938 A1把光导纤维束设计成活动的。
本发明要解决的问题是，这样改进物体的照明装置及其照明方法，即可简便地把照明调节到不同的工作平面，使被测物体或其一面或一边达到最佳照明，而且光源本身不会限制测量范围。
根据本发明，这个问题是通过前述的一种照明装置这样解决的光源这样布置在支架内，使其入射角在光学系统的相隔一定距离的区域内尤其是相互不同的工作距离内相交于光轴。特别是，这些光源最好按围绕光轴的同心圆进行布置，这些按不同直径的圆布置的光源可在相互不同的工作距离的区域内相交于光轴。
光源的支架可展开成一个平面，这个平面垂直相交于光轴。其中，该支架可以构成一个圆盘，也可以只由一个或多个长方形的或条形的光源灯座组成。
支架还可设计成同心围绕光轴的圆罩。
为了达到光源的高密度的布置，本发明建议将光源例如发光二极管布置在径向依次错开的一连串的圆上。
灯架要求的几何形状应具有象孔那样的空隙，光源最好固定布置在这些空隙中。但光源本身也可移入例如旋入单个空隙中。
特别是，灯架高度是可调节的，亦即灯架做成可沿光束调节。这种结构特别适用于具有光学系统的测量装置，这种测量装置具有恒定的或基本上恒定的工作距离。
在帽状或圆罩状几何形状的灯架时，灯架在其物体侧要装光源的区域内应具有一个曲率半径R为40毫米≤R≤80毫米，特别是R大约为60毫米。从而可将光源这样布置在特别是相互同心延伸的圆上，使光束在5°至例如85°的角度下相交工作平面，而无须灯架本身具有一个引起与被测量物体碰撞危险的高度。同时也不需要灯架相对于光学系统或安装该光学系统的外壳进行调节。
根据本发明，照明光束和物体表面之间的角度调节可通过固定布置的光源的不同角度位置来进行，这些光源布置在一个平面内，它们位于不碰撞的空间内。根据有效的工作距离或照明范围，所用光源的角度位置都对准工作距离或范围。反之，角度调节则通过改变所用镜组或光学系统的有效工作距离来进行。当然，也存在这样的可能，即总是利用物体照明的全部或基本上全部的光源，这时，物体的最佳照明总是在工作平面内，因为本发明的光源组在不同范围或区段内相交镜组的光轴。所以在这种情况中无需附加的机械调节即可用不同的照明入射角和足够长的工作距离进行工作。
如果本发明的照明装置主要为暗视场垂直照明方法确定的，则这种照明装置无疑也可用于明视场垂直照明测量。为此，建议这样控制光源发出的光辐射，使之沿光学系统的光轴投射到物体上。当然，按通常的方式除了设置投影光具外，还设置有明视场垂直照明装置。
如果上述的光源优先用发光二极管，则也可用对准的纤维束和/或纤维环形段来实现本发明的原理。但作为光源也可用反射镜组，通过它们可使光线这样转向，即从反射镜反射的光束的入射角在相互不同的区域内尤其是工作距离内相交镜组的光轴。
根据改进方案，镜组包括若干个不同顶焦距的摄像器，它们对应一个具有固定焦距的共同物镜。镜组也可包括若干个物镜摄像系统，它们相对于物体具有不同的工作距离。
镜组也可设计成具有可变工作距离的变焦距镜组，亦即独立于上述镜组的一种结构，参见WO 99/53268。
光源也可用不同颜色照亮物体，必要时，可用相同入射角的光源照亮相同颜色的物体。
用多个相对于测量或投影物体用的镜组的光轴具有不同入射角的光源照亮物体的方法的特征是，光源的入射角相对于该光轴这样进行对准，使不同的光源在相互不同的距离范围内相交该光轴。这样就可根据工作距离用入射角按工作距离调节的光源照亮物体。也可根据要照亮的物体的一个被测区域的光源的入射角调节镜组的工作距离。
最后，在镜组固定工作距离时，安装光源的灯架可沿光轴移动，以便用要求的入射角照亮物体。
本发明的其他细节、优点和特征不但可从说明这些特征单独的和/或组合的各项权利要求中得知，而且还可从附图所示的各个优选实施例的下列说明中得知。
附图表示
图1 一种光学测量仪的照明装置的原理图；图2 图1所示照明装置的灯架的断面图；图3 与图1所示照明装置不同的实施例；图4 照明装置另一个实施例的原理图。
图1用断面图和部分图示出的光学测量仪10具有一个用来安装未画出的镜组的外壳12。从一个被测物体反射的辐射通过该镜组投射到一个摄像器例如CCD摄像器。其中，镜组可设计成具有可变工作距离的变焦距镜组，象WO 99/53268公开的那样，透镜组可相互独立调节。光学测量仪10特别是坐标测量仪的一部分。
灯架16与镜组的光轴14同心布置。最好是发光二极管形式的光源按相互同心延伸的圆并相互径向错开布置在该灯架内。在图1所示的断面图中，发光二极管18、20布置在第一圆上，发光二极管22、24布置在第二个圆上，发光二极管26、28布置在第三个圆上，发光二极管30、32布置在第四个圆上，发光二极管34、36则布置在第五个圆上。
为此，灯架16具有按相互同心延伸的圆进行布置的、用来安装发光二极管18、20、22、24、26、28、30、32、34、36的灯座38、40、42、44、46，这些发光二极管这样布置在灯座38、40、42、44、46内，使其相对于光轴14具有不同的入射角。所以例如孔38布置在一个圆上，在该圆上，二极管相对于光轴18描绘一个大约70°的入射角α。通过布置在一个圆上的孔40，使发光二极管在一个例如35°的角度β下对准光轴14。相对于孔42可给定一个大约10°的角度γ。孔44又位于一个相对于光轴同心延伸的圆上，以便发光二极管可在一个例如25°的入射角下相交。孔46可以是一个例如50°的张角κ，其中给出的角度值纯粹是举例性的。
通过灯架16的上述结构实现了在相互同心的、用灯座38、40、42、44、46表示的圆上布置的发光二极管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围内相交于光轴14，这些工作范围沿光轴14进行照亮，并在图1中用参考号48、50、52、54和56表示。
如果例如一物体的一个被测表面或边缘位于工作范围或工作平面52中，则用二极管26、28可对工作平面52进行最佳照明。在工作距离改变时，例如在工作距离移到平面54时，则发光二极管30、32起最佳作用。所以可在一个大的工作距离范围内进行最佳测量，而不需要发光二极管18、20、22、24、26、28、30、32、34、36或灯架16朝装有镜组的外壳12进行机械移动。
光源总是这样相互对准，使其光束投射到一个规定的工作平面内或照亮一个相应的工作平面。这又意味着一个被测的区域总是对准相应的工作平面。
在本发明照明装置中，通过同心包围光轴14的圆环，发光二极管18、20、22、24、26、28、30、32、34可在确定的角度下对准光轴14的不同区段，所以这些发光二极管可分别聚焦到镜组光轴14的另一点上，亦即在图1实施中，聚焦到光轴14与工作范围或工作平面48、50、52、54和56之间的交点上。在投影系统即镜组聚焦到相应交点上时，在照明光束和物体被测量的表面之间形成不同的入射角，所以获得了最佳的照明，并由此获得高质量的测量。
特别如图2所示，尽管发光二极管18、20、22、24、26、28、30、32、34、36到光轴14的入射角可达到5°和85°之间的范围或更大并由此达到相应长的工作范围，在这个工作范围内都可进行测量，但灯架16的高度是相当低的，所以避免了与被测物体碰撞的危险。
为此，特别考虑了灯架16的物体侧的表面58具有一个介于30-90毫米、最好50-70毫米之间的曲率半径R。由于这个曲率半径R使得灯架16本身的直径相当小，其中，内直径最大为灯架16和一个被测物体的自由下缘之间的最小工作距离的4至5倍。所以发光二极管18、20、22、24、26、28、30、32、34、36和被测物体之间的距离相当小，从而又可达到高的亮度。
在测量时，物体可在一个最佳照明的工作平面内进行运动。所以测量镜组的工作距离可自动根据所用的光源进行调节。反之，镜组可不成问题地调到一定的工作距离，并根据这个工作距离，光源对准该工作距离被接通。
此外，从原理图1可知，沿光轴14可通过光学偏转元件58，60反射明视场照明辐射。
图3实施例与图1实施例的区别在于，这里的灯架在光源18、20、22、24、26、28、30、32、34、36的布置上不具有帽形或圆罩形的几何形状，而是呈棒形或圆盘形几何形状，光源18、20、22、24、26、28、30、32、34、36布置在其中的一个平面内，这个平面最好垂直相交于光轴14。
如果灯架16根据某种原因最好是一块同心包围镜组的孔板时，则发光二极管18、22、26、30、34一方面可按另一种方式布置，另一方面它们可布置在长方形或方块状的相互平行延伸的灯座中。
在图1和2的实施例中，如果灯架在光源的灯座或布置上具有球形或圆罩形的几何形状，则按图4的光源60、62、64、66、68也可象图3那样布置在一个平面内，这时光源60、62、64、66、68在不同的入射角下在相隔一定的距离内相交该光轴。光源60、62、64、66、68可布置在作为灯架70的长方形或方块状的灯座内，该灯架本身可展开成一个特别是垂直于光轴延伸的平面。也可选择环行布置，这时相应的灯架构成一个圆盘。其中光源60、62、64、66、68又是布置在一个共同的平面内，该平面平行于灯架70展开的平面延伸。为了在不同入射角不对物体72进行照明，灯架70只需沿光轴即按双箭头74移动。根据灯架70的位置，可接通不同入射角的光源60、62、64、66、68，从而使物体72在不同入射角下进行照明，图4只表示这种照明的原理。
尽管图4按照本发明原理布置，但在固定布置灯架70时，光源60、62、64、66、68的轴线仍可在相隔不同的范围内相交于光轴。
权利要求
1.被测物体的照明装置，尤其用于坐标测量仪或测量显微镜，包括多个从一个灯架(16，70)发出的光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36，60，62，64，66，68)，这些光源相对于一个镜组的光轴(14)具有不同的入射角，通过该镜组可测量或投影该物体。其特征为，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36，60，62，64，66，68)这样布置在灯架(16，70)内，使其入射角(α，β，γ，δ，κ)在不同的区域(48，50，52，54，56)内与光轴(14)相交。
2.按权利要求1的照明装置，其特征为，入射角(α，β，χ，δ，κ)在镜组的不同的工作距离(48，50，52，54，56)内作为上述区域与光轴(14)相交。
3.按权利要求1或2的照明装置，其特征为，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)按围绕光轴(14)的同心圆进行布置，这些按不同直径的圆布置的光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)在相互不同的区域(48，50，52，54，56)内与光轴(14)相交。
4.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)尤其是发光二极管布置在径向依次错开的一连串的圆上。
5.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，灯架(16)同心地并相对于被测物体无碰撞地包围光轴(14)。
6.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)的灯架(16)具有一个带空隙例如孔(38，40，42，44，46)的圆罩形或帽形的几何形状，光源布置在这些孔中。
7.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，灯架(70)把光源(60，62，64，66，68)夹持在一个最好垂直相交于光轴的平面内。
8.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，灯架(72)具有一个板的几何形状例如孔板几何形状。
9.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，该灯架具有一个长方形或方块形的几何形状。
10.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，该灯架由若干相对于光轴(14)径向延伸的长方形或方块状的区段组成。
11.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，灯架(70)高度可调节。
12.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，灯架(70)可平行于光轴进行手动或自动调节。
13.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，在镜组的恒定工作距离时，物体(72)可通过灯架(70)沿光轴(14)移动而在不同的光入射角下进行照明。
14.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，灯架(16)在物体侧具有一个曲率半径R为40毫米≤R≤80毫米，特别是R大约为60毫米。
15.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，从光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)发出的辐射是这样偏转的，即物体可在明视场垂直照明下进行照明。
16.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)可调节地布置在灯架(16)的灯座(38，40，42，44，46)中。
17.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)不可调节地布置在灯架(16)中。
18.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)是对准的纤维束和/或纤维环形段。
19.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)是从反射镜反射的辐射。
20.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，该镜组为一个具有可变工作距离的变焦距镜组。
21.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，该镜组包括多个物镜摄像系统，它们到物体具有不同的工作距离。
22.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，该镜组包括多个不同顶焦距的摄像器，它们对应一个具有固定焦距的共同物镜。
23.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，沿光轴(14)可反射明视场垂直照明辐射。
24.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)用相互不同的颜色照亮物体。
25.按前述权利要求至少一项的照明装置，其特征为，相同入射角(α，β，γ，δ，κ)的光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)用相同的颜色照亮物体。
26.用多个到测量或投影物体的一个镜组的光轴具有不同入射角的光源对该物体进行照明的方法，其特征为，光源的入射角相对于光轴这样进行对准，使不同的光源在相互不同的距离范围内相交于该光轴。
27.按权利要求26的方法，其特征为，在镜组固定的工作距离时，物体照明用的灯架在不同入射角下沿光轴移动。
28.按权利要求26或27的方法，其特征为，光源根据镜组的工作距离对物体进行照明，其入射角对准工作距离。
29.按权利要求26至28任一项的方法，其特征为，根据对物体进行照明的光源的入射角调节镜组的工作距离。
全文摘要
本发明涉及一种被测物体的照明装置，特别是坐标测量仪或测量显微镜规定用的照明装置，该照明装置包括许多从一个灯架(16)发出的、相对于光学镜组的光轴(14)具有不同入射角的光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)，通过该镜组可测量或投影该物体。为了实现不用昂贵的机构就能把照明调节到不同的工作平面，以使被测物体或其一面或一边达到最佳照明，本发明建议把光源(18，20，22，24，26，28，30，32，34，36)这样布置在灯架(16)中，使其入射角在相互不同的工作距离(48，50，52，54，56)的范围内相交该镜组的光轴(14)。
文档编号G01B21/02GK1500199SQ02807798
公开日2004年5月26日 申请日期2002年4月2日 优先权日2001年4月3日
发明者R·克里斯托赫, R 克里斯托赫 申请人:沃思测量技术股份有限公司