CH662650A5

CH662650A5 - OPTICAL-ELECTRICAL MEASURING DEVICE FOR INCREASED MEASURING SAFETY FOR MEASURING THE POSITION AND / OR DIMENSION OF OBJECTS.

Info

Publication number: CH662650A5
Application number: CH432883A
Authority: CH
Inventors: Bruno Dipl-Ing Richter; Bernhard Dipl-Ing Schlapp
Original assignee: Richter Bruno Gmbh
Priority date: 1982-11-11
Filing date: 1983-08-09
Publication date: 1987-10-15
Also published as: GB8325923D0; GB2129932B; DE3241770C2; DE3241770A1; GB2129932A

Description

Die Erfindung bezieht sich .auf eine optisch-elektrische Messeinrichtung zum Messen der Lage und/oder der Abmessung von Gegenständen, bei welcher ein scharfgebündelter The invention relates to an optical-electrical measuring device for measuring the position and / or the dimension of objects, in which a sharply focused

Lichtstrahl mittels eines Drehspiegels in einer Abtastebene verschwenkt wird, die Schwenkbewegung des Lichtstrahls von Kollimationsmitteln in eine Parallel- Verschiebungsbewegung des Lichtstrahls innerhalb eines Messfeldes umgeformt und der Lichtstrahl jenseits des Messfeldes von Fokussierungsmitteln auf eine Detektoreinrichtung hin abgelenkt wird, derart, dass der Lichtstrahl von einem im Messfeld befindlichen Gegenstand während der Parallel-Verschie-bungsbewegung des Lichtstrahls im Messfeld für eine bestimmte, von der Grösse des Querschnittes in der Abtastrichtung abhängige und am Detektorausgangssignal messbare Zeit abgeschattet wird. Messeinrichtungen dieser Art sind aus der US-Patentschrift 3 765 774 oder der deutschen Offenlegungsschrift 2 849 252 bekannt. Light beam is pivoted in a scanning plane by means of a rotating mirror, the pivoting movement of the light beam from collimating means is converted into a parallel displacement movement of the light beam within a measuring field, and the light beam is deflected beyond the measuring field by focusing means onto a detector device in such a way that the light beam is deflected by an The object located in the measuring field is shadowed during the parallel displacement movement of the light beam in the measuring field for a specific time which is dependent on the size of the cross section in the scanning direction and can be measured on the detector output signal. Measuring devices of this type are known from US Pat. No. 3,765,774 or German Offenlegungsschrift 2,849,252.

Beim Einsatz derartiger optisch-elektrischer Messeinrichtungen wird gelegentlich festgestellt, dass sich auf den Kollimationsmitteln oder den Fokussierungsmitteln oder auf anderen optischen Teilen Schmutzpartikel absetzen, die von der Detektoreinrichtung als Messobjekt miss verstanden werden und zu einer Falschmessung führen. When using such optical-electrical measuring devices, it is occasionally found that dirt particles settle on the collimation means or the focusing means or on other optical parts, which are misunderstood by the detector device as a measurement object and lead to an incorrect measurement.

Man hat versucht, diese Schwierigkeit dadurch zu beseitigen, dass man den Lichtstrahl vor seinem Auftreffen auf den Drehspiegel beispielsweise mittels einer Zylinderlinse in Richtung parallel zur Drehspiegelachse im Querschnitt aufweitete, derart, dass der Drehspiegel nicht Schwenkbewegungen eines einzelnen Lichtstrahls sondern Schwenkbewegungen eines Licht-Abtastbandes erzeugte, das von den Kollimationsmitteln zu Parallel- Verschiebungsbewegungen innerhalb des Messfeldes veranlasst wurde. Attempts have been made to overcome this difficulty by expanding the cross section of the light beam before it strikes the rotating mirror, for example by means of a cylindrical lens in the direction parallel to the rotating mirror axis, in such a way that the rotating mirror does not produce swiveling movements of a single light beam but swiveling movements of a light scanning belt , which was caused by the collimation means to make parallel displacement movements within the measuring field.

Diese bekannte Massnahme führt jedoch hinsichtlich der Erhöhung der Messsicherheit dann nicht zum Ziel, wenn sich auf die optischen Bauteile der Messeinrichtung faserartige, stäbchenartige, oder in anderer Weise langestreckte Schmutzpartikel absetzen, welche wiederum zu einem wesentlichen Teil den Querschnitt des Licht-Abtastbandes belegen und eine Fehlmessung auslösen können. However, this known measure does not lead to the goal of increasing the measurement reliability if fiber-like, rod-like or elongated dirt particles settle on the optical components of the measuring device, which in turn occupy a substantial part of the cross-section of the light scanning tape and one Can trigger incorrect measurement.

Auch dann, wenn im Strahlengang auftretende, störende Partikel nicht den gesamten Strahlquerschnitt belegen, kann es zu Fehlmessungen kommen, da die Intensitätsverteilung in dem strichförmig aufgeweiteten Strahlquerschnitt aufgrund der ungleichförmigen Intensitätsverteilung im ursprünglich scharfgebündelten Strahl inhomogen ist und folglich die Abschattung eines kleinen, jedoch bezüglich des Durchtrittes hoher Lichtintensitäten bedeutsamen Strahlquerschnittanteils eine Fehlmessung auslösen kann. Even if disturbing particles occurring in the beam path do not occupy the entire beam cross-section, incorrect measurements can occur since the intensity distribution in the line-widened beam cross-section is inhomogeneous due to the non-uniform intensity distribution in the originally focused beam, and consequently the shadowing of a small, but with respect to the High light intensities of significant beam cross-section can trigger an incorrect measurement.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine optisch-elektrische Messeinrichtung der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, dass Fehlmessungen aufgrund von störenden Partikeln im Abtaststrahlengang mit grösserer Sicherheit vermieden werden können, als dies bei bekannten Einrichtungen der Fall ist. The object of the invention is to achieve an optical-electrical measuring device of the type specified in the introduction in such a way that incorrect measurements due to disturbing particles in the scanning beam path can be avoided with greater certainty than is the case with known devices.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass auf den Drehspiegel mehrere in einer die Drehspiegeldrehachse enthaltenden Ebene parallel zueinander verlaufende, scharfgebündelte Lichtstrahlen gerichtet sind und mittels des Drehspiegels in zueinander parallelen Radialebenen zur Drehspiegeldrehachse verschwenkt werden, dass die Lichtstrahl-Schwenkbewegungen von den Kollimationsmitteln jeweils in Parallel-Verschiebungsbewegungen der einzelnen Lichtstrahlen innerhalb des Messfeldes umgeformt werden, dass die Lichtstrahlen jenseits des Messfeldes auf die Fokussierungsmittel treffen und von diesen auf eine Detektoreinrichtung gelenkt werden, deren Ausgangssignale zur Bildung eines gemeinsamen Messsignals in einer Auswerteeinrichtung ausgewertet werden. This object is achieved according to the invention in that a plurality of sharply focused light beams running parallel to one another in a plane containing the rotating mirror axis of rotation are directed at the rotating mirror and are pivoted by means of the rotating mirror in radial planes parallel to one another to the rotating mirror rotating axis in that the light beam pivoting movements of the collimating means in each case in parallel -Shifting movements of the individual light beams within the measuring field are reshaped so that the light beams hit the focusing means beyond the measuring field and are directed by these to a detector device whose output signals are evaluated in an evaluation device to form a common measuring signal.

Man erkennt, dass durch Verwendung mehrerer, parallel zueinander auf den Drehspiegel hin gerichteter Lichtstrahlen die Lichtintensitätsverteilung innerhalb eines grös2 It can be seen that by using several light beams directed parallel to each other towards the rotating mirror, the light intensity distribution within a large2

5 5

lo is lo is

20 20th

25 25th

30 30th

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SS SS

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seren Strahlquerschnittes keine Bedeutung hat. Vielmehr können mehrere Lichtstrahlen, beispielsweise vier Lichtstrahlen, von im wesentlichen gleicher Intensität verwendet werden. Überdies kann der gegenseitige Abstand der Lichtstrahlen in Richtung der Drehspiegeldrehachse ohne grossen Aufwand bezüglich der zur Kollimation und zur Fokussie-rung zu verwendenden optischen Mittel vergleichsweise gross gewählt werden, so dass die Wahrscheinlichkeit einer Abschattung des wirksamen Strahlquerschnittes auch durch sehr grosse Schmutzpartikel gering ist. seren beam cross section has no meaning. Rather, several light rays, for example four light rays, of essentially the same intensity can be used. In addition, the mutual spacing of the light beams in the direction of the rotating mirror axis of rotation can be chosen to be comparatively large with little effort in terms of the optical means to be used for collimation and focusing, so that the probability of the effective beam cross section being shaded even by very large dirt particles is low.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform lenken die Fokussierungsmittel jenseits des Messfeldes jeden der genannten Abtast-Lichtstrahlen auf einen jeweils zugehörigen Detektor hin und die jeweiligen Ausgangssignale der Detektoren werden zur Bildung des Messergebnisses weiter verarbeitet. According to a preferred embodiment, the focusing means, beyond the measuring field, direct each of the scanning light beams mentioned to a respective associated detector and the respective output signals of the detectors are further processed to form the measurement result.

Im übrigen sind zweckmässige Ausführungsformen Gegenstand der abhängigen Ansprüche, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen. For the rest, expedient embodiments are the subject of the dependent claims, the content of which is hereby expressly made part of the description without repeating the wording here.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die anliegende, schematische Zeichnung näher beschrieben, welche eine optisch-elektrische Messeinrichtung der hier angegebenen Art in Aufsicht und in vereinfachter Form wiedergibt. An exemplary embodiment is described in more detail below with reference to the attached schematic drawing, which shows an optical-electrical measuring device of the type specified here in supervision and in simplified form.

Die Zeichnung zeigt einen Laser 1, der einen scharfgebündelten Lichtstrahl 2 ausserordentlich kleinen Querschnittes abgibt. Dieser Lichtstrahl ist auf eine Anordnung von Strahlteilern 3 gerichtet, welche die Eigenschaft haben, einen auftreffenden Lichtstrahl in zwei Ausgangslichtstrahlen aufzuspalten, welche jeweils etwa 50% der Eingangsenergie enthalten. Die Strahlteiler 3 erzeugen auf diese Weise in Zusammenwirkung mit Reflektoren in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise insgesamt vier geringen Querschnitt aufweisende Abtastlichtstrahlen 5, welche zueinander parallel orientiert sind und sämtlich in einer Ebene verlaufen, welche die Drehachse 6 eines in Richtung der Drehachse beträchtlichen Abmessung besitzenden Drehspiegels 7 gelegen sind. Der Drehspiegel 7 wird von einem Motor 8 in Umdrehung versetzt, derart, dass die Abtastlichtstrahlen 5 zu Schwenkbewegungen um die Drehspiegeldrehachse 6 in Ebenen veranlasst werden, welche jeweils Radialebenen zu der Drehspiegeldrehachse 6 sind. The drawing shows a laser 1, which emits a sharply focused light beam 2 of extremely small cross-section. This light beam is directed to an arrangement of beam splitters 3, which have the property of splitting an incident light beam into two output light beams, each of which contains approximately 50% of the input energy. In this way, the beam splitters 3, in cooperation with reflectors, generate a total of four scanning light beams 5 which have a small cross section and which are oriented parallel to one another and all run in a plane which has the axis of rotation 6 of a dimension which is considerable in the direction of the axis of rotation Rotary mirror 7 are located. The rotating mirror 7 is set in rotation by a motor 8 such that the scanning light beams 5 are caused to pivot about the rotating mirror rotation axis 6 in planes which are in each case radial planes to the rotating mirror rotation axis 6.

Nach Reflexion an dem Drehspiegel 7 treffen die Abtastlichtstrahlen auf Kollimationsmittel in Gestalt einer Zylinderlinse 9. Die Zylinderlinse 9 bewirkt, dass die Schwenkbewegungen der Abtastlichtstrahlen 5 innerhalb eines einen Prüfling 10 enthaltenden Messfeldes 11 in Par-allel-Verschiebungsbewegungen in Ebenen umgeformt werden, die mit bestimmtem Abstand zueinander parallel liegen und etwa normal zur Längserstreckung des Prüflings 10 orientiert sind. I n der in der Zeichnung gezeigten Aufsicht After reflection on the rotating mirror 7, the scanning light beams meet collimating means in the form of a cylindrical lens 9. The cylindrical lens 9 causes the pivoting movements of the scanning light beams 5 within a measuring field 11 containing a test specimen 10 to be converted into parallel movement movements in planes which are determined with a certain Distance parallel to each other and oriented approximately normal to the longitudinal extent of the test specimen 10. I n the supervision shown in the drawing

662 650 662 650

stellen sich die genannten Ebenen als Geraden dar, welche durch unterbrochene Linien angedeutet und mit 12 bezeichnet sind. the planes are represented as straight lines, which are indicated by broken lines and are designated by 12.

Auf der von dem Kollimationsmittel abliegenden Seite des Prüflings 10 wird das Messfeld 11 von einer als Fokussierungsmittel dienenden weiteren Zylinderlinse 13 begrenzt, welche die Abtastlichtstrahlen jeweils auf einzelne Detektoren in Gestalt von Photozellen 14, 15, 16 und 17 fokussiert. Aus den Ausgangssignalen der Photozellen 14 bis 17 wird in einer Kombinationseinrichtung 18 ein kombiniertes Signal gebildet, das über die Leitung 19 einer Auswerteinrichtung 20 zugeführt wird. In der Auswerteinrichtung 20 wird dieses kombinierte Signal mit von dem Antrieb 8 des Drehspiegels 7 abgeleiteten und über die Leitung 21 zugeführten Zeittaktsignalen in Beziehung gesetzt, um ein der Lage und/oder der Abmessung des Prüflings 10 entsprechendes Messsignal aufgrund der Tatsache abzuleiten, dass jeder Abtast-Lichtstrahl während seiner Parallel-Verschiebungsbewegung innerhalb des Messfeldes 11 für eine bestimmte, von der Grösse des Querschnittes des Prüflings oder Gegenstandes in der Abtastrichtung abhängige und in den Detektorausgangssignalen der Photozellen 14 bis 17 messbare Zeit abgeschattet wird. On the side of the test specimen 10 remote from the collimation means, the measuring field 11 is delimited by a further cylindrical lens 13 which serves as focusing means and which focuses the scanning light beams on individual detectors in the form of photocells 14, 15, 16 and 17. A combined signal is formed from the output signals of the photocells 14 to 17 in a combination device 18, which signal is fed via line 19 to an evaluation device 20. In the evaluation device 20, this combined signal is related to timing signals derived from the drive 8 of the rotating mirror 7 and supplied via the line 21 in order to derive a measurement signal corresponding to the position and / or the dimension of the test object 10 due to the fact that each scan -Light beam is shadowed during its parallel displacement movement within the measuring field 11 for a specific time which is dependent on the size of the cross section of the test specimen or object in the scanning direction and is measurable in the detector output signals of the photocells 14 to 17.

Man erkennt, dass die Baueinheiten 18 und 20 auch zu einer Einheit vereinigt werden können und dass die Ausgangssignale der Photozellen 14 bis 17 auch jeweils einzeln mit den Zeittaktsignalen der Leitung 21 in Beziehung gesetzt werden können, wonach die auf diese Weise erzielten Messergebnisse, im vorliegenden Ausführungsbeispiel also vier Messergebnisse, wiederum zur Bildung eines resultierenden Messergebnisses hoher Messsicherheit ausgewertet werden. It can be seen that the structural units 18 and 20 can also be combined to form one unit and that the output signals of the photocells 14 to 17 can also be individually related to the timing signals of the line 21, according to which the measurement results obtained in this way are given here Embodiment thus four measurement results, again to be evaluated to form a resultant measurement result of high measurement reliability.

Für eine redundante Auswertung der mehrfach von den Photozellen 14 bis 17 abnehmbaren Signale wird zum Beispiel folgendes Verfahren benutzt: The following method is used, for example, for a redundant evaluation of the signals that can be removed multiple times from the photocells 14 to 17:

Von vier getrennt gemessenen Unterbrechungszeiten der Ausgangssignale der Photozellen 14 bis 17 aufgrund einer Abschattung des Abtast-Lichtstrahles im Messfeld 11 durch den Prüfling 10 wird diejenige Zeit dem Prüflingsmass zugeordnet, die einerseits am kürzesten ist, andererseits aber eine bestimmte Mindestzeit überschreitet. Durch die Festlegung einer Mindestzeit werden Einflüsse von kleinen störenden Partikeln im Messfeld ausgeschlossen. Die Festlegung der Mindestzeit kann automatisch erfolgen, wie etwa in dem deutschen Bundespatent 29 51 677 angegeben ist, wobei die Erfahrungen aus einem jeweils vorausgehenden Messvorgang bei einer Vielzahl aneinander gereihter Messvorgänge an ein und demselben Prüfling verwertet werden, oder die Mindestzeit wird von Hand bei Beginn des Messbetriebes eingestellt. Of four separately measured interruption times of the output signals of the photocells 14 to 17 due to shadowing of the scanning light beam in the measuring field 11 by the test object 10, the time that is the shortest, but on the other hand exceeds a certain minimum time, is assigned to the test object mass. By specifying a minimum time, influences from small disruptive particles in the measuring field are excluded. The minimum time can be determined automatically, as specified in the German federal patent 29 51 677, whereby the experience from a previous measurement process can be used for a large number of measurement processes in series on one and the same test object, or the minimum time is set manually at the beginning of the measuring operation set.

Es sei noch erwähnt, dass zur Erzeugung der parallel zueinander auf den Drehspiegel 6 gerichteten Abtastlichtstrahlen eine Anordnung von Streifenlinsen, Prismen, Lichtleitern und dergleichen verwendet werden kann. It should also be mentioned that an arrangement of striped lenses, prisms, light guides and the like can be used to generate the scanning light beams directed parallel to one another on the rotating mirror 6.

3 3rd

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10 10th

15 15

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

662650 PATENT CLAIMS

1.Optical-electrical measuring device for measuring the position and / or the dimension of objects (10), in which a sharply focused light beam is pivoted in a scanning plane by means of a rotating mirror (7), the pivoting movements of the light beam from collimation means (9) in a parallel displacement movement is reshaped within a measuring field (11) and the light beam is deflected beyond the measuring field by focusing means (13) onto a detector device (14 to 17, 18),

such that the light beam is shadowed by an object (10) located in the measuring field during the parallel displacement movement of the light beam in the measuring field for a specific time which is dependent on the size of the cross section in the scanning direction and can be measured on the detector output signal, characterized in that on the Rotating mirrors (7) are directed several sharply focused light beams (5) running parallel to one another in a plane containing the rotating mirror rotating axis (6) and are pivoted by means of the rotating mirror in mutually parallel radial planes to the rotating mirror rotating axis so that the light beam swiveling movements are caused by the collimation means (9) are each converted into parallel displacement movements of the individual light beams within the measuring field (11), so that the light beams beyond the measuring field (11) strike the focusing means (13) and are directed by these onto a detector device (14 to 17, 18), the detector device Output signals for Formation of a common measurement signal can be evaluated in an evaluation device (20).

2. Device according to claim 1, characterized in that the sharply focused light beams (5) striking the rotating mirror (7) are derived by means of beam splitters (3) and reflectors (4) from a common beam source (1), in particular a laser.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that common collimation means (9) and / or common focusing means (13) are provided for the light beams pivoted in said radial planes.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the focusing means (13) direct the light beams onto a common detector for all beams of the detector device, from which a resulting measurement signal can be derived.

5. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the focusing means (13) direct each scanning light beam to a respectively assigned detector (14, 15, 16, 17) of the detector device and that the respective output signals of the detectors in a combination device ( 18) are processed to form the measurement result.

6. Device according to claim 5, characterized in that the detectors (14, 15, 16, 17) are connected to a selection device which, in order to form the measurement result, selects that detector signal which is dependent on the shading of the scanning light beam by the one to be measured Subject (10) has a shortest interruption of the detector output signal, however, which is above an automatically adjustable minimum time.