CH662879A5

CH662879A5 - Optisch-elektrische messeinrichtung zum messen der lage und/oder der abmessung von gegenstaenden.

Info

Publication number: CH662879A5
Application number: CH388983A
Authority: CH
Inventors: Bernhard Schlapp; Bruno Richter
Original assignee: Richter Bruno Gmbh
Priority date: 1982-08-05
Filing date: 1983-07-15
Publication date: 1987-10-30
Also published as: GB2124762B; GB2124762A; DE3229263A1; GB8321233D0; DE3229263C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optisch-elektrische Messeinrichtung zum Messen der Lage und/oder der Abmessung von Gegenständen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Messeinrichtungen dieser Art sind aus der US-Patentschrift 3 765 774 oder der deutschen Offenlegungsschrift 2 849 252 bekannt.

Führt der zu vermessende Gegenstand während der Messung Bewegungen aus, so ergeben sich Messfehler, da bei Bewegung des zu vermessenden Gegenstandes in Richtung der Parallel-Verschiebungsbewegung eine grössere Abmessung dieses Gegenstandes in Abtastrichtung vorgetäuscht wird, während bei Bewegung des Gegenstandes entgegen der Parallel-Verschiebungsbewegung das Messergebnis im Sinne einer geringeren Abmessung des Gegenstandes verfälscht wird.

Die Verfälschung des Messergebnisses aufgrund einer Bewegung des Gegenstandes tritt auch dann auf, wenn der betreffende Gegenstand Schwingbewegungen ausführt, da sich die Messfehler bei Mittelwertbildung über eine Vielzahl von Einzelmessungen nicht herausmitteln, wenn die Abtastfrequenz mit der Schwingungsfrequenz des zu vermessenden Gegenstandes oder des Prüflings etwa übereinstimmt oder ein ungeradzahliges Vielfaches der Schwingungsfrequenz ist.

Es ist bereits versucht worden, Messfehler aufgrund von Bewegungen des zu vermessenden Gegenstandes oder Prüflings bei Messeinrichtungen der eingangs beschriebenen Art dadurch zu vermeiden, dass beispielsweise durch Verwendung eines Schwingspiegels anstelle eines Drehspiegels der Lichtstrahl im Messfeld abwechselnd einmal eine Parallel-Verschiebungsbewegung in der einen Richtung und darauffolgend eine Parallel-Verschiebungsbewegung in der entgegengesetzten Richtung ausführt. Bei Übereinstimmung der Schwingungsfrequenz des Prüflings und der Schwingungsfrequenz des Schwingspiegels sowie bei bestimmter Phasenbeziehung treten wiederum Messfehler auf. Auch ist, wenn diese ungünstigen Bedingungen nicht herrschen, wegen der grossen Phasendifferenz zwischen je zwei Abtastvorgängen eine vollkommene Beseitigung der Messfehler in den bekannten Einrichtungen nicht möglich.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine optisch-elektrische Messeinrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, dass Bewegungen des Prüflings in Abtastrichtung nicht zu Messfehlern führen, auch wenn der Prüfling Schwingbewegungen oder vergleichsweise rasche Bewegungen ausführt.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand des Patentanspruchs 1.

Vorzugsweise sind für beide Lichtstrahlen gemeinsam Drehspiegel, Kollimationsmittel und Fokussierungsmittel vorgesehen. Die Gegenläufigkeit der Parallel-Verschiebungs-bewegung der beiden Lichtstrahlen im Messfeld kann mittels eines im Strahlengang eines der Lichtstrahlen den Kollimationsmitteln nachgeschalteten Umkehrprismas erzeugt werden.

Zum Ausgleich der optischen Wege der Lichtstrahlen kann im Strahlengang des nicht durch das Umkehrprisma geführten Lichtstrahls ein Glaskörper mit planparallelen Flächen angeordnet sein.

Gemäss einer Ausführungsform werden beide Lichtstrahlen auf einen Punkt des Drehspiegels im Fokus der Kollimationsmittel fokussiert, derart, dass die Parallel-Verschie-bungsbewegungen der beiden Lichtstrahlen in zueinander parallelen Ebenen verlaufen. In diesem Falle werden an einem etwa stabförmigen Gegenstand, welcher den Prüfling bildet, in entsprechendem Abstand voneinander gelegene Querschnitte abgetastet.

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Interessiert jedoch ein ganz bestimmter Querschnitt des Prüflings in seinen Abmessungen, so können der erstgenannte und der weitere Lichtstrahl an im Abstand voneinander gelegenen Punkten der Drehspiegeldrehachse auf den Drehspiegel hingelenkt werden. Die Ebenen, in denen die Parallel-Verschiebungsbewegungen des erstgenannten und des weiteren Lichtstrahls verlaufen, schneiden sich dann in einer Geraden, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass diese Gerade etwa eine Mittellinie eines interessierenden Querschnittes des zu untersuchenden Gegenstandes ist.

Die Verwendung ein und desselben Drehspiegels und auch gemeinsamer Kollimations- und Fokussierungsmittel hat den Vorteil, dass die Abtastbewegungen der beiden Lichtstrahlen streng symmetrisch und gleichzeitig sind. Ein grosser apparativer Aufwand für die Synchronisierung der • Abtastbewegungen ist nicht erforderlich.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer optisch-elektrischen Messeinrichtung der hier vorgeschlagenen Art unter teilweiser Verwendung von Blocksymbolen, und

Fig. 2 eine Fig. 1 ähnliche Abbildung einer anderen Ausführungsform einer optisch-elektrischen Messeinrichtung.

Fig. 1 zeigt schematisch zwei Lichtquellen 1 und 2, welche jeweils scharf gebündelte und zueinander parallele Lichtstrahlen 3 und 4 auf eine Linse 5 richten. Die Lichtquellen 1 und 2 können von Lasern gebildet sein. Abweichend von den in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen können die im Abstand voneinander parallel verlaufenden Lichtstrahlen 3 und 4 auch durch Strahlteiler und Spiegel von einem einzigen Laser als Lichtquelle abgeleitet werden.

Die Linse 5 lenkt die Strahlen 3 und 4 auf einen Punkt 6 hin, der auf der Drehachse 7 eines mittels eines Antriebsmotors 8 in Umdrehung versetzten Drehspiegels 9 gelegt ist.

Der Punkt 6 befindet sich im Fokus einer Kollimations-linse 10, welche bewirkt, dass die mittels des Drehspiegels 9 erzeugten Schwenkbewegungen der Lichtstrahlen 3 und 4 innerhalb eines Messfeldes 11 in Parallel-Verschiebungsbe-wegungen umgeformt werden.

Der Kollimationslinse 10 unmittelbar nachgeschaltet sind einerseits ein Umkehrprisma 12 und andererseits ein Glaskörper 13 mit planparallelen Eintritts-bzw. Austrittsflächen, wobei der Glaskörper 13 zum Abgleich im Wege desjenigen Lichtstrahles, welcher nicht durch das Umkehrprisma 12 geführt ist, vorgesehen wird.

Durch das Umkehrprisma 12 wird erreicht, dass die Lichtstrahlen 3 und 4 innerhalb des Messfeldes 11 Parallel-Ver-schiebungsbewegungen ausführen, die hochpräzise gleichzeitig und gegenläufig sind, wobei die Richtung sämtlicher Lichtstrahlen innerhalb des Messfeldes 11 parallel ist und die beiden gegenläufigen Parallel-Verschiebungsbewegungen innerhalb von Ebenen verlaufen, welche einen bestimmten Abstand voneinander haben, derart, dass an dem Prüfling P

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gleichzeitig Querschnitte vermessen werden, welche einen Abstand D entsprechend dem Abstand der genannten Ebenen voneinander haben.

Durch Fokussierungsmittel 14 werden die Lichtstrahlen auf eine Detektoreinrichtung 15 gelenkt, die ein dem Lichtstrahl 3 entsprechendes Detektorausgangssignal und ein dem Lichtstrahl 4 entsprechendes Detektorausgangssignal erzeugt. Diese beiden Signale werden addiert und das Ergebnis wird halbiert und stellt einen korrigierten Messwert dar. Durch Inbeziehungsetzen der Drehspiegelbewegung mit dem zeitlichen Verlauf des Ausgangssignafs der Detektoreinrichtung 15 wird in der Auswerteinrichtung 16 ein Messwert entsprechend einer bestimmten Querschnittsabmessung des Prüflings P erhalten. Zu diesem Zwecke ist von dem Dreh-spiegelantriebsmotor 8 zu der Auswerteinrichtung 16 eine Signalleitung geführt. Diesbezügliche Einzelheiten sind dem Fachmann geläufig und bedürfen keiner näheren Beschreibung.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 besitzt ähnlichen Aufbau wie die Messeinrichtung nach Fig. 1, wobei zur Bezeichnung einander entsprechender Teile auch jeweils gleiche Bezugszahlen gewählt sind.

Unter Weglassung der Linse 5 sind bei der Ausführungsform nach Fig. 2 die Lichtstrahlen 3 und 4 auf in bestimmtem Abstand voneinander gelegene Punkte 6a und 6b der Drehachse 7 des Drehspiegels 9 gerichtet und werden bei Antrieb des Drehspiegels zu Schwenkbewegungen in zueinander parallelen, im Abstand voneinander gelegenen Ebenen veranlasst. Nach Umwandlung der Schwenkbewegung der Lichtstrahlen 3 und 4 in eine Parallel-Verschiebungsbewegung innerhalb des Messfeldes 11 vermittels einer Kollimatorlinse 10 durchdringt der Lichtstrahl 4 den planparallele Eintrittsbzw. Austrittsflächen aufweisenden Glaskörper 13, während der Lichtstrahl 3 durch das Umkehrprisma 12 tritt, derart, dass die Parallel-Verschiebungsbewegung des Lichtstrahls 4 im Messfeld 11 beispielsweise bei Antrieb des Drehspiegels 9 im Gegenuhrzeigersinn von unten nach oben und die Parallel-Verschiebungsbewegung des Lichtstrahls 3 gleichzeitig und gegenläufig von oben nach unten verläuft, wie dies in den Fig. 1 und 2 im übrigen durch Schraffurpfeile angedeutet ist.

Der Abstand der Punkte 6a und 6b ist so gewählt, dass sich die Ebenen, in denen die Parallel-Verschiebungsbewegungen der Lichtstrahlen 3 und 4 innerhalb des Messfeldes 11 verlaufen, in einer Geraden 17 schneiden, welche durch den Prüfling P geht und vornehmlich eine Mittellinie eines bestimmten Querschnittes des Prüflings ist. Während also beider Ausführungsform nach Fig. 1 Prüflingsquerschnitte im Abstand D abgetastet wurden, erfolgt bei der Ausführungsform nach Fig. 2 eine Abtastung im wesentlichen ein und desselben Querschnittes des Prüflings durch die beiden gegenläufig symmetrisch und gleichzeitig bewegten Abtastlichtstrahlen.

Abschliessend sei bemerkt, dass sowohl der Glaskörper 13 als auch das Umkehrprisma 12 an den Lichteintrittsflächen und den Lichtaustrittsflächen mit Antireflexionsbelägen versehen sein können, um Störeinflüsse zu vermeiden.

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2 Blatt Zeichnungen

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662879 PATENTANSPRÜCHE

1. Optisch-elektrische Messeinrichtung zum Messen der Lage und/oder der Abmessung von Gegenständen (P), bei welcher ein scharf gebündelter Lichtstrahl (3) einer Lichtquelle (1) mittels eines Drehspiegels (9) in einer Abtastebene verschwenkt wird, die Schwenkbewegung des Lichtstrahls von Kollimationsmitteln (10) in eine Parallel-Verschiebungs-bewegung innerhalb eines Messfeldes (11) umgeformt und der Lichtstrahl jenseits des Messfeldes von Fokussierungs-mitteln (14) auf eine Detektoreinrichtung (15) hin abgelenkt wird, derart, dass der Lichtstrahl von einem im Messfeld (11) befindlichen Gegenstand (P) während der Parallel-Verschie-bungsbewegung für eine bestimmte, von der Grösse des Querschnittes des Gegenstandes (P) in der Abtastrichtung abhängige und am Detektorausgangssignal messbare Zeit abgeschattet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer scharf gebündelter Lichtstrahl (4) der obgenannten oder einerweiteren Lichtquelle (2) mittels eines Drehspiegels (9) in einer Abtastebene verschwenkt und die Schwenkbewegung des Lichtstrahls von Kollimationsmitteln (10) in eine Parallel-Verschiebungsbewegung innerhalb des Messfeldes (11) umgeformt wird, wobei diese Parallel-Verschiebungsbe-wegung zur Parallel-Verschiebungsbewegung des erstgenannten Lichtstrahls bei paralleler Verschiebungsrichtung aller Lichtstrahlen im Messfeld gleichzeitig und gegenläufig ist, dass auch der weitere Lichtstrahl (4) jenseits des Messfeldes (11) von Fokussierungsmitteln auf die Detektoreinrichtung ( 15) hin abgelenkt wird, und dass eine Mittelwertbildung des vom erstgenannten Lichtstrahl (3) erzeugten Detektorausgangssignals und des vom weiteren Lichtstrahl (4) erzeugten Detektorausgangssignals zur Bildung eines die Grösse des Querschnittes des Gegenstandes (P) in der Abtastrichtung angebenden Signales erfolgt.

2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für beide Lichtstrahlen (3,4) gemeinsam Drehspiegel (9), Kollimationsmittel (10) und Fokussierungsmittel (14) vorgesehen sind, und dass die Gegenläufigkeit der Par-allel-Verschiebungsbewegungen der beiden Lichtstrahlen im Messfeld (11) mittels eines im Strahlengang eines der Lichtstrahlen (3) den Kollimationsmitteln (10) nachgeschalteten Umkehrprismas (12) erzeugt wird.

3. Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich der optischen Wege der Lichtstrahlen (3,4) im Strahlengang des nicht durch das Umkehrprisma ( 12) geführten Lichtstrahls ein Glaskörper (13) mit planparallelen Flächen angeordnet ist.

4. Messeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erstgenannte (3) und der weitere Lichtstrahl (4) auf einen Punkt (6) des Drehspiegels im Fokus der Kollimationsmittel (10) fokussiert (5) werden und dass die Parallel-Verschiebungsbewegungen der beiden Lichtstrahlen (3,4) in zueinander parallelen Ebenen verlaufen (Fig. 1).

5. Messeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erstgenannte (3) und der weitere Lichtstrahl (4) an im Abstand voneinander gelegenen Punkten (6a, 6b) der Drehspiegeldrehachse (7) auf den Drehspiegel (9) treffen, und dass die Ebenen, in denen die Parallel-Verschiebungsbewegungen des erstgenannten und des weiteren Lichtstrahls jeweils verlaufen, sich in einer in der Verschiebungsrichtung der Lichtstrahlen verlaufenden Geraden (17) schneiden, welche etwa eine Mittellinie eines Querschnittes des zu untersuchenden Gegenstandes (P) ist.

6. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- und Austrittsfläche des Umkehrprismas (12) und gegebenenfalls die planparallelen Flächen eines bzw. des Ausgleichs-Glaskörpers ( 13) Antireflexionsbeläge tragen.