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Dokumentenidentifikation DE102004019035A1 03.11.2005
Titel Mikrovisualisierungsobjektiv und Mikrovisualisierungssystem
Anmelder Gerwah Mikrotechnik GmbH, 63868 Großwallstadt, DE
Erfinder Dirks, Victor, 63538 Großkrotzenburg, DE
Vertreter Nitz, A., Dr., Pat.-Anw., 63739 Aschaffenburg
DE-Anmeldedatum 18.04.2004
DE-Aktenzeichen 102004019035
Offenlegungstag 03.11.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.11.2005
IPC-Hauptklasse G02B 13/24
IPC-Nebenklasse G02B 21/02   
Zusammenfassung Um ein Mikrovisualisierungs- insbesondere Mikromontage-Visualisierungsobjektiv (1) mit einem Linsensystem (5) zur Abbildung eines Objekts (2), wobei das Objekt (2) in einer Bildebene (3) eines Bildabbildungsmediums (4) abzubilden ist, so auszubilden, dass es eine hohe Tiefenschärfe und einen großen Arbeitsabstand aufweist, wird vorgeschlagen, dass das Linsensystem (5) als im Wesentlichen objektnächste Linse eine Stablinse (6) aufweist, die vorzugsweise konvexe Lichtein- (7) und/oder Lichtaustrittsflächen (8) hat.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Mikrovisualisierungs- insbesondere Mikromontage-Visualisierungsobjektiv mit einem Linsensystem zur Abbildung eines Objekts, wobei das Objekt in einer Bildebene eines Bildabbildungsmediums abzubilden ist, sowie ein Mikrovisualisierungssystem mit Kamera.

Aktuell verfügbare Kameraobjektive sind vor allem für die Abbildung in Meterabständen entwickelt worden, insbesondere als Video- oder Überwachungskameras, als Web-Cams oder auch für die Kontrolle von Prozessschritten in Fertigungsanlagen.

Für die Visualisierung von kleinen Bereichen im Zentimetermaßstab oder die Mikromontage werden entweder spezielle Makroobjektive oder telezentrische Optiken verwendet oder bei höheren Vergrößerungen konventionelle Mikroskope mit einem Videotubus versehen.

Reine Mikroskopkameras weisen regelmäßig sehr komplex aufgebaute Linsenanordnungen auf.

Als nachteilig erweist es sich, dass bei einer vergrößerten Abbildung die Tiefenschärfe nur noch einen Bruchteil der Bildbreite entspricht und die Arbeitsabstände bei Mikroskopoptiken nur noch einige Millimeter bis Zentimeter betragen. Für eine Mikromontageaufgabe benötigt man beispielsweise jedoch einen viel größeren tiefenscharfen Bereich, weil die Objekte häufig dicker als der scharf abzubildende Bereich sind oder die Höhenänderungen von Greifer und Objekt bei der Entnahme aus einem Zuführsystem und die Handhabung im Arbeitsraum den tiefenscharfen Bereich um ein Vielfaches übersteigen.

Lösungen dieser Problemstellung sind bislang sehr komplex oder unhandlich. So wird beispielsweise die Kamera dem Greifer nachgeführt oder es werden mehrere Kameras mit unterschiedlichen Abbildungsbereichen und Vergrößerungen für die jeweils kritischen Bereiche arrangiert. Zudem werden die Kameras den Objekten nachgeführt oder beispielsweise als Minikamera im Greifer integriert.

Um mit in der Mikromontage inzwischen üblichen Genauigkeiten von 5 Mikrometern und geringer aufzulösen, sind Vergrößerungen von mehr als 300-fach notwendig, die beispielsweise in einer Stereoabbildung einen sich überlappenden, nutzbaren Abbildungsraum von etwa 300 &mgr;m Breite, 800 &mgr;m Höhe und einer Tiefe von ca. 150 &mgr;m ergeben.

Derartige Systeme bringen sehr starke Einschränkungen für den Anwender mit sich, wenn er beispielsweise Zahnräder mit 500 &mgr;m Durchmesser und 300 &mgr;m Höhe in einem Arbeitsraum von etwa 4 mm Breite und 1 mm Höhe auf Achsen mit 180 &mgr;m Durchmesser und 400 &mgr;m Höhe aufstecken will und dabei eine Genauigkeit von etwa 5 &mgr;m einhalten muss.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Mikrovisualisierungsobjektiv zu schaffen, das es ermöglicht, bei einem großen Arbeitsabstand zugleich mit einer guten Tiefenschärfe abzubilden.

Die Aufgabe wir gelöst durch ein Mikrovisualisierungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei das Linsensystem als im wesentlichen objektnächste Linse eine Stablinse aufweist, die vorzugsweise konvexe Lichtein- und/oder Lichtaustrittsflächen hat.

Die erste Abbildung des Objekts im Objektiv erfolgt somit erfindungsgemäß zunächst durch eine Stablinse. Die Stablinse erzeugt ein Bild, das im Vergleich zum Stand der Technik eine sehr große Tiefenschärfe hat und zugleich eine sehr verzerrungsarme Abbildung ermöglicht. Der Abstand zum Objekt kann so groß sein, dass ein bequemes Arbeiten am Objekt möglich ist. Zugleich sind die Abmessungen des Objektivs gering, wodurch das Handling vereinfacht wird. Zudem sind die Herstellungskosten gering. Eine Erhöhung der Vergrößerung kann durch dahintergeschaltete Linsensysteme erreicht werden.

Der sehr große Arbeitsabstand ermöglicht eine nahezu telezentrische Abbildung, wobei je nach Abstand lediglich etwa 1 bis 2° Winkelabweichung durch Verzerrung auftreten, und im tiefenscharfen Bereich fast ohne Verzerrung gearbeitet werden kann. Im Stand der Technik haben telezentrische Objektive zwar eine geringe Verzerrung von nahezu einem zehntel Grad und eine wesentlich geringere Tiefenschärfe sowie regelmäßig einen sehr großen Außendurchmesser von etwa 5 bis 10 cm, was auch sehr hohe Herstellungskosten bedingt. Beispielsweise wird durch das erfindungsgemäße Objektiv bei einem Arbeitsabstand von 20cm und einer Bildbreite von 3mm eine Tiefenschärfe von 6 mm erreicht, also eine Tiefenschärfe von etwa 150–300% bezogen auf die Bildbreite. Bei bekannten telezentrischen Objektiven wird lediglich eine Tiefenschärfe von 25–100% bei einer sehr geringen Vergrößerung erreicht.

Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Objektivs ermöglichen es, dass bei Einbau des Objektivs in eine Kamera im Einsatz als Visualisierungssystem für die Mikromontage lediglich noch eine Kamera verwendet werden muss, die zudem feststehend sein kann, wohingegen im Stand der Technik wegen der mangelnden Tiefenschärfe eine motorische Nachführung und/oder mehrere Kameras eingesetzt werden mussten.

Vorteilhaft ist es, wenn die Stablinse einen Längskörper mit planen Außenflächen, mit jeweils zumindest einer daran befestigten konvex-planen Eintrittslinse, und/oder zumindest einer plan-konvexen Austrittslinse aufweist, so dass die resultierenden Außenflächen der Stablinse konvex sind bzw. die resultierende Stablinse eine bikonvexe Stablinse ist. Die an dem Längskörper angeordneten Linsen ermöglichen eine einfache Einstellung auf die speziell benötigten Brechungswinkel und können leicht hergestellt werden.

Zur weiteren Vergrößerung und Umkehrung des durch die Stablinse erzeugten Bildes im Objektiv ist an der objektferneren Seite der Stablinse ein an die Stablinse angepasstes Umkehrlinsensystem, insbesondere ein bezüglich der Stablinse achromatisches System, vorgesehen. Hinter der Stablinse wird zur Erreichung einer ausreichenden Vergrößerung somit ein weiteres Linsensystem angeordnet, insbesondere ein Umkehrobjektiv, welches optisch an die Stablinse angepasst ist, um eine achromatische, kontrastreiche Abbildung auch bei hohen Vergrößerungen zu gewährleisten. Die Tiefenschärfe lässt sich hiermit nochmals verbessern, und zwar steigt sie mit zunehmender Vergrößerung.

Ein Aufbau von komplexeren Systemen ist möglich, wenn das durch das Objektiv erzeugte Bild in einem Bildaufzeichnungsmedium, insbesondere einer Kamera, zu speichern ist. Um kleine Abmessungen des Systems zu erhalten, wird vorzugsweise eine Minikamera verwendet.

Eine sehr gute Abbildung ist möglich, wenn das abzubildende Objekt außerhalb der Brennweite der Stablinse angeordnet ist, vorzugsweise in einer Entfernung von der Stablinse, die mehr als das doppelte der Brennweite beträgt. Durch eine derart schmalwinklige, nahezu telezentrische Abbildung werden die Verzerrungen gering gehalten und ein hoher Arbeitsabstand erreicht.

Eine besonders praktische und bequem zu handhabende Vorrichtung liegt vor, wenn die Entfernung vom Objektiv zum Objekt etwa 50 bis etwa 200 mm beträgt.

Eine starke Miniaturisierung des Objektivsystems ist gegeben, wenn der Durchmesser der Stablinse etwa 1 mm bis etwa 5 mm, vorzugsweise etwa 2 mm bis etwa 4 mm beträgt, wobei als Stablinse bei kleinen Durchmessern vorzugsweise eine Gradientenindexlinse einzusetzen ist.

Eine hohe Vergrößerung und zugleich eine gute Tiefenschärfe wird erreicht, da die Tiefenschärfe im wesentlichen abhängig von den optischen Eigenschaften der Stablinse ist, und/oder die Vergrößerung im wesentlichen abhängig von dem Umkehrobjektiv und vorzugsweise bis etwa 300-fach groß ist.

Eine einfache und flexible Anpassung an die jeweiligen Arbeitsbedingungen ermöglicht es, wenn die Vergrößerung durch Änderung des Abstandes von Umkehrobjektiv zu Stablinse einzustellen ist. Die Vergrößerung ist abhängig von den optischen Werten der Stablinse und des Umkehr-Objektivs und kann in einem großen Bereich durch die Veränderung des Abstands der beiden variiert werden. Die Tiefenschärfe wird durch eine hohe Vergrößerung weiter verbessert.

Chromatische Fehler werden auf einfache Weise vermieden, wenn die Beleuchtung des Objekts bezüglich des Wellenlängenbandes schmalbandig, vorzugsweise praktisch monochromatisch ist. Zudem erreicht man eine deutliche Abbildung. Die Abbildung ist somit auch ohne achromatische Anpassung scharf und kontrastreich.

Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung von chromatischen Fehlern ist eine spezielle Anpassung der optischen Eigenschaften von Stablinse und Umkehrlinsensystem.

Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Mikrovisualisierungssystem mit einer Kamera, insbesondere mit einer Miniaturkamera, mit einem Mikrovisualisierungsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 12. Bevorzugt wird ein Kamera-Chip mit Durchmesser von wenigen Millimetern eingesetzt, so dass direkt hinter dem Objektiv ein C-MOS-Kamera-Sensor mit weniger als 4 mm Durchmesser sitzt, dessen Bild mit einem Kabel nach ‚Außen' zur Elektronik übertragen wird.

Das erfindungsgemäße Objektiv kann in einer Vielzahl von Anwendungsfällen vorteilhaft eingesetzt werden, insbesondere ist das Mikrovisualisierungssystem zur Mikromontage und/oder Inspektion und/oder Bildverarbeitung und/oder Mikroskopie vorgesehen. Das erfindungsgemäße Objektiv ermöglicht bei einem Einbau in eine Kamera im Einsatz als Visualisierungssystem für die Mikromontage die Verwendung lediglich noch einer feststehenden Kamera, wofür im Stand der Technik wegen der mangelnden Tiefenschärfe eine motorische Nachführung und/oder mehrere Kameras eingesetzt werden mussten. Weitere interessante Einatzbereiche sind Magazin oder Zubringer, Werkzeug oder Greifer-Spitze, sowie der Weg vom Magazin zur Zielposition und ein Arbeiten in der Ziel- oder Montageposition.

Vorteilhaft ist es, wenn das Objektiv in einem Stereoobjektiv eingesetzt ist. Der Einsatz zweier erfindungsgemäßer Objektive als Stereokamerapaar ermöglicht in Kombination mit einem geeigneten 3-D-Abbildungssystem, einer LCD-Stereobrille oder mittels eines 3-D-Displays, ein räumliches Abbild des Arbeitsraums und eine stereoskopische Darstellung bei einer zugleich sehr guten Tiefenschärfe und einem großen Arbeitsabstand, so dass der Anwender auf einen Blick die gesamte räumliche Anordnung erfassen und darin manövrieren kann. Übliche Stereokameras besitzen lediglich eine geringe Tiefenschärfe, wodurch hierbei nur geringe Vergrößerungen realisiert werden können, weil die Tiefenschärfe ja nur einen Bruchteil der Bildbreite beträgt. So erhält man im Stand der Technik beispielsweise bei 120-facher Vergrößerung eine Objektfeldbreite von etwa 2,5 mm und eine nutzbare, räumlich tiefenscharfe Tiefe von weniger als 1 Millimeter.

Mit Arbeitsabständen von typisch 5 bis 20 cm eignet sich das erfindungsgemäße Objektiv sehr gut für den Aufbau von Stereo-Mikroskop-Systemen, z.B. für die räumlich/ergonomische, manuelle Mikromontage oder für die Medizintechnik.

Ein sehr gut zu handhabendes System liegt vor, wenn das Objektiv mit einem Umkehrlinsensystem und einer Kamera in einem Gehäuse untergebracht ist, das einen Durchmesser von weniger als etwa 20 mm hat und/oder eine Länge von etwa 200 mm hat. Der Gehäusedurchmesser ist durch das dünne Stablinsenobjektiv und die kleinen Bauformen der Objektive sehr gering, wobei die verwendeten Stablinsen einen Durchmesser von 2 bis 4 mm haben und die Mini-Objektive und der CCD-Chip etwa 10 bis 15 mm groß ist, so dass die Gehäuse eine konische Form und einen Durchmesser von etwa 18 mm, vorzugsweise geringer als 20 mm haben.

Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch die Verwendung einer Stablinse als im wesentlichen erste Linse in einem Mikrovisualisierungsobjektiv und/oder einem Mikrovisualisierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele des Gegenstands der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert sind. Es zeigen:

1 ein Mikrovisualisierungssystem mit Kamera und Mikrovisualisierungsobjektiv,

2 eine Stablinse und

3 ein Mikrovisualisierungssystem in einem Gehäuse.

1 zeigt ein Mikrovisualisierungssystem 19 mit Kamera 14 und Mikrovisualisierungsobjektiv 1. Das Objektiv 1 besteht aus einer Stablinse 6 und einem Umkehrlinsensystem 13. Das Objektiv 1 weist eine Brennweite 15 auf, wobei sich ein darzustellende Objekt 2 außerhalb des Brennweitebereichs befindet. Die Stablinse 6 weist einen Längskörper 9 mit einer an einer planen Außenfläche 10 angebrachten Eintrittslinse 11 und einer Austrittslinse 12 auf. Das Umkehrlinsensystem 13 ist hinter der Stablinse 6 angeordnet, so dass das Umkehrlinsensystem 13 gerade eine Abbildung des in der Bildebene 3 dargestellten Objekts vornehmen kann.

Bei einer 300-fachen Vergrößerung und einer Objektfeldbreite von etwa 1 mm wird ein tiefenscharfer Bereich von über 2 mm erreicht, was einer 10-fach höheren Tiefenschärfe gegenüber einem konventionellen Mikroskopobjektiv entspricht.

2 zeigt beispielhaft eine Stablinse 6 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Objektiv 1. Vorteilhafte Stablinsenmaße sind beispielsweise 3.95 × 36.75 mm. Die Stablinse 6 hat eine Brennweite 15, wobei die Entfernung 16 zum Objekt 2 ein Vielfaches der Brennweite 15 ist.

3 zeigt ein Mikrovisualisierungsobjektiv 1, eingesetzt in einem Mikrovisualisierungssystem 19 in einem Gehäuse 20. Das Mikrovisualisierungssystem 19 hat einen Blickwinkel 23 auf das Objekt 2, das außerhalb der Brennweite der Stablinse 6 angeordnet ist. Das Gehäuse 20 weist einen vorderen, konusförmigen Abschnitt 24, der im wesentlichen die Stablinse 6 umfasst, sowie dahinter angeordnete zylinderförmige Abschnitte 25, in denen das Umkehrlinsensystem 13 sowie ein Aufzeichnungssystem in Form eines CCD-Sensors und einer Kamera 14 untergebracht sind. Das Gehäuse 20 hat eine Länge 22 und einen maximalen Durchmesser 21, wobei insbesondere der Durchmesser 21 des Gehäuses 20 aufgrund des geringen Durchmessers 17 der Stablinse 6 sehr gering gewählt werden kann und vorzugsweise kleiner als 20 mm ist.

1Mikrovisualisierungssobjektiv 2Objekt 3Bildebene 4Bildabbildungsmedium 5Linsensystem 6Stablinse 7Lichteintrittsfläche 8Lichtaustrittsfläche 9Längskörper 10plane Außenflächen 11Eintrittslinse 12Austrittslinse 13Umkehrlinsensystem 14Kamera 15Brennweite 16Entfernung 17Durchmesser 18Abstand 19Mikrovisualisierungssystem 20Gehäuse 21Durchmesser 22Länge 23Blickwinkel 24Abschnitt 25Abschnitt

Anspruch[de]
  1. Mikrovisualisierungs- insbesondere Mikromontage-Visualisierungsobjektiv (1) mit einem Linsensystem (5) zur Abbildung eines Objekts (2), wobei das Objekt (2) in einer Bildebene (3) eines Bildabbildungsmediums (4) abzubilden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsensystem (5) als im wesentlichen objektnächste Linse eine Stablinse (6) aufweist, die vorzugsweise konvexe Lichtein- (7) und/oder Lichtaustrittsflächen (8) hat.
  2. Mikrovisualisierungsobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stablinse (6) einen Längskörper (9) mit planen Außenflächen (10), mit jeweils zumindest einer daran befestigten konvex-planen Eintrittslinse (11), und/oder zumindest einer plan-konvexen Austrittslinse (12) aufweist, so dass die resultierenden Außenflächen der Stablinse (6) konvex sind bzw. die resultierende Stablinse (6) eine bikonvexe Stablinse (6) ist.
  3. Mikrovisualisierungsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der objektferneren Seite der Stablinse (6) ein an die Stablinse (6) angepasstes Umkehrlinsensystem (13), insbesondere ein bezüglich der Stablinse (6) achromatisches System, vorgesehen ist.
  4. Mikrovisualisierungsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das durch das Objektiv (1) erzeugte Bild in einem Bildaufzeichnungsmedium, insbesondere einer Kamera (14), zu speichern ist.
  5. Mikrovisualisierungsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das abzubildende Objekt (2) außerhalb einer Brennweite (15) der Stablinse (6) angeordnet ist, vorzugsweise in einer Entfernung (16) von der Stablinse (6), die mehr als das doppelte der Brennweite (15) beträgt.
  6. Mikrovisualisierungsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung (16) vom Objektiv (1) zum Objekt (2) etwa 50 bis etwa 200 mm beträgt.
  7. Mikrovisualisierungsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser (17) der Stablinse (6) etwa 1 mm bis etwa 5 mm, vorzugsweise etwa 2 mm bis etwa 4 mm beträgt, wobei als Stablinse (6) bei kleinen Durchmessern (17) vorzugsweise eine Gradientenindexlinse einzusetzen ist.
  8. Mikrovisualisierungsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefenschärfe des Objektivs (1) im wesentlichen abhängig von den optischen Eigenschaften der Stablinse (6) und/oder der Vergrößerung ist, und/oder die Vergrößerung im wesentlichen abhängig von dem Umkehrlinsensystem (13) und vorzugsweise bis etwa 300-fach groß ist.
  9. Mikrovisualisierungsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergrößerung durch Änderung des Abstandes (18) von Umkehrlinsensystem (13) zu Stablinse (6) einzustellen ist.
  10. Mikrovisualisierungsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es die Beleuchtung des Objekts (2) bezüglich des Wellenlängenbandes schmalbandig, vorzugsweise praktisch monochromatisch vorzunehmen ist.
  11. Mikrovisualisierungsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1) für eine Stereo-Darstellung einzusetzen ist.
  12. Mikrovisualisierungssystem (19) mit einer Kamera, insbesondere mit einer Miniaturkamera, mit einem Mikrovisualisierungsobjektiv (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 11.
  13. Mikrovisualisierungssystem (19) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrovisualisierungssystem (19) zur Mikromontage und/oder Inspektion und/oder Bildverarbeitung und/oder Mikroskopie vorgesehen ist.
  14. Mikrovisualisierungssystem nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1) in einem Stereoobjektiv eingesetzt ist.
  15. Mikrovisualisierungssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1) mit einem Umkehrlinsensystem (13) und einer Kamera (14) in einem Gehäuse (20) untergebracht ist, das einen Durchmesser (21) von weniger als etwa 20 mm hat und/oder eine Länge (22) von etwa 200 mm hat.
  16. Verwendung einer Stablinse (6) als im wesentlichen erste Linse in einem Mikrovisualisierungsobjektiv (1) und/oder einem Mikrovisualisierungssystem (19) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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