CS267653B1

CS267653B1 - Optoelectronical device for accuracy aligning and flatness measuring

Info

Publication number: CS267653B1
Application number: CS82890A
Authority: CS
Inventors: Juergen Dr Drenckhau; Klaus-Dieter Dr Salowski; Juergen Roepcke
Original assignee: Drenckhau Juergen; Salowski Klaus Dieter; Juergen Roepcke
Priority date: 1981-02-18
Filing date: 1982-02-10
Publication date: 1990-02-12
Also published as: DD156287B1; DD156287A1; DE3149125A1; FR2500151A1; CS89082A1; YU312081A

Description

Optoelektronické zařízení k přesnému vytyčování a měření rovinnostiOptoelectronic device for accurate setting and measurement of flatness

Optoelektrické zařízení na přesné vytyčování a měření přímosti se týká oblasti optického měření přímosti a rovinnosti. Účelem řešení je vývo^j prvku na měření pravoúhlých posunů vůči etalonové přímce, jež je určena laserovými paprsky který má elektrické spojení se zpracovatelskou jednotkou, využívá celý vyzařovací výkon na zpracování signálů a maximálně omezuje prosvícenou vzduchovou mezeru. Stanovený úkol se řeší pomocí oddělovače paprsku (1). který je volně nastavitelný mezi zdrojem laserového záření a fotočlánkem (3), jenž je napevno umístěn na konci oblasti posunu, přičemž tento oddělovač paprsku (1) odděluje dopadající paprsky v závislosti na jejich postavení a směruje jejich komponenty na fotočlánky (3).The optoelectric device for precision setting and straightness measurement relates to the field of optical straightness and flatness measurement. The purpose of the solution is to develop a rectangular displacement measuring element relative to a standard line, which is determined by laser beams having an electrical connection to the processing unit, utilizing the entire radiation power for signal processing and maximally reducing the illuminated air gap. The specified task is solved by means of a beam separator (1). which is freely adjustable between the laser source and the photocell (3), which is fixed at the end of the displacement area, the beam separator (1) separating the incident beams depending on their position and directing their components to the photocells (3).

PABYE

rVD CUrVD CU

CS 267653 8181 267653 81

Vynález se týká oblasti optického přenosu vytyčování a také měření přímosti a rovinnosti.The invention relates to the field of optical staking transmission as well as straightness and flatness measurement.

Ve stávajících známých technických řešeních optického měření přímosti, při němž je etalonem přímosti světelný paprsek, jmenovitě laserový paprsek, patří hlavní úloha čtvercovým fotografickým přijímačům, plošným diodám a také pentagonálním hranolům s krytem, kde jako detektory slouží diskrétní fotočlánky. Použití těchto přístrojů je v mnoha případech dobře přizpůsobeno požadavkům měřicí techniky a umožňuje plně automatické Drovádění měření.In the current known optical straightness measurement solutions, in which the standard of straightness is a light beam, namely a laser beam, the main task is to include square photo receivers, surface diodes and also pentagonal prisms with a cover where discrete photocells serve as detectors. The use of these instruments is in many cases well adapted to the requirements of measuring technology and allows fully automatic drilling of measurements.

Funkční princip těchto zařízení je založen na optoelektrickém zpracování jednotlivých složek kapacity, na které se laserový paprsek rozkládá měřicím přijímačem podle jejich relativní polohy. Všechna známá technická provedení tohoto druhu mají ten nedostatek, že zařízení má geometrické rozdělení paprsku a optoelektrické detektory tvoří kompaktní uzel / zejména u čtvercových fotografických přijímačů, plošných diod apod. V tomto případě jsou zapotřebí elektrické kabelové spoje se zpracovatelskou jednotkou, které zpravidla znamenají zdroj poruch. Požadavky praxe proto v první řadě směřují к elektricky bezkontaktnímu prvku, který podobným způsobem umožňuje provádět měření přímosti a rovinnosti·The functional principle of these devices is based on the optoelectric processing of the individual components of the capacity on which the laser beam is decomposed by the measuring receiver according to their relative position. All known technical embodiments of this kind have the drawback that the device has a geometrical beam distribution and the optoelectric detectors form a compact node / especially for square photo receivers, diodes, etc. In this case, electrical cable connections to the processing unit are required . Therefore, the requirements of the practice are primarily directed towards an electrically non-contact element, which allows measurement of straightness and flatness in a similar way.

V tomto směru je známým technickým řešením zrcadlo 90° nebo hranol 90°» které místo přijímače při pravoúhlém posunu vytvářejí dvojitý posun celého odraženého paprsku, jenž se na záčátku oblasti posunu měří známým optoelektrickým přijímacím uzlem. Podobné zařízení má ten nedostatek, že dráha, kterou urazí světelný paprsek, má dvojnásobnou délku, co v případě rozbíhání svazku způsobuje velké nepřesnosti v závislosti na vzdálenosti. Navíc, na základě turbulencí prozářeného optického prostředí je nutno u dvojnásobné délky dráhy také počítat s velkými nepřesnostmi.In this respect, a known 90 ° mirror or 90 ° prism is known in the art, which instead of a receiver at right angular displacement creates a double displacement of the entire reflected beam, which is measured at the beginning of the displacement region by a known optoelectric receiving node. A similar device has the drawback that the path traveled by the light beam is twice the length, which in the case of beam divergence causes great inaccuracies depending on the distance. In addition, due to the turbulence of the irradiated optical environment, large inaccuracies are also to be expected for twice the path length.

V DE - OS č. 2,208.004 je popsáno zařízení na měření přímosti, které používá clonu na úpravu barevného odstínu a jako elektricky bezkontaktní prvek podle relativního postavení vůči etalonovámu paprsku odfiltrovává část vyzařovacího výkonu. Výkon měřený na konci oblasti posunu je přímo úměrný posunu vůči etalonu přímosti. Toto zařízení má ten nedostatek, že pro zpracování není využit celý vyzařovací výkon a tím se zmenšuje citlivost měřicího zařízení. Kromě toho tímto zařízením nelze současně měřit vertikální a horizontální posuny.DE-OS No. 2,208.004 describes a straightness measuring device which uses a shade to adjust the hue and, as an electrically non-contact element according to its relative position to the standard beam, filters out part of the radiation power. The power measured at the end of the displacement region is proportional to the displacement relative to the straightness standard. This device has the drawback that the entire radiation power is not used for processing and thus the sensitivity of the measuring device is reduced. In addition, vertical and horizontal displacements cannot be measured simultaneously with this device.

V DS - AS č. 1,673*846 je popsáno zařízení, které pracuje na principu, že к laserovému paprsku se pomocí fázového měniče přidá minimální intenzita a při tom se vytvoří etalon přímosti. Měření relativní vzdálenosti к etalonovému normálu se provádí jednoduchou děrovanou clonou, kdy její difrakční obraz je závislý na postavení a zpracovává se pomocí optoelektrických snímačů. U tohoto zařízení se měření pravoúhlých posunů provádí jednoduchým optickým prvkem, jmenovitě děrovanou clonou. Na rozdíl však od technického principu, který je použit v navrhovaném vynálezu, se technická metoda, aplikovaná ve výše uvedeném zařízení, zakládá na změření centrálního minima intenzity. Nedostatkem tohoto zařízení je to, že pro elektronické zpracování signálů může být použita jen nepatrná část vyzařovacího výkonu, takže je nutný buá vysoký celkový vyzařovací výkon, nebo je nutno mít vysoké nároky na fotočlánky a zpracovatelskou elektroniku.In DS-AS No. 1,673 * 846, a device is described which operates on the principle that a minimum intensity is added to the laser beam by means of a phase transducer and a standard of straightness is created. The measurement of relative distance to the standard of normal is performed by a single perforated orifice plate, where its diffraction pattern is position dependent and processed by optoelectric sensors. In this device, rectangular displacement measurements are made with a simple optical element, namely a perforated orifice plate. However, unlike the technical principle used in the present invention, the technical method applied in the above apparatus is based on measuring the central minimum intensity. The disadvantage of this device is that only a small fraction of the radiation power can be used for electronic signal processing, so that either a high total radiation power is required or high demands on the photocells and processing electronics are required.

Účelem vynálezu je vývoj zařízení na přesné vytyčování a měření přímosti, které odpovídá požadavkům praxe a na měření pravoúhlých posunů vůči etalonovému paprsku používá prvek, jenž nemá elektrické spojení se zpracovatelským uzlem, využívá navíc celý vyzařovací výkon na zpracování signálů a maximálně omezuje vzduchovou mezeru, kterou prochází etalonový paprsek.The purpose of the present invention is to develop a precision ranging and straightness measuring device that meets the requirements of practice and uses a non-electrically connected element to measure rectangular displacements relative to a standard beam, in addition to utilizing all radiation power to process signals and minimizing the air gap passes through the standard beam.

Podle daného vynálezu zařízení se skládá ze zdroje laserového světla včetně příslušné optiky, který stanoví etalon přímosti, z volně nastavitelného oddělovače paprsku s množstvím optických hran, odpovídajícím laserovým paprskům a souřadnicovým směrům, který v závislosti na postavení geometricky odděluje paprsek a podle složení způsobuje prostorové nebo fyzické oddělení jednotlivých komponent paprsku a jejich paralelní přemístění na konec oblasti posunu, kde jsou napevno umístěny optické prostředky, jež zaostřují světlo padající na fotočlánky, po čemž následuje známé elektronické zpracování. Laserové paprsky dopadající na jednotlivé optické hrany prvku se geometricky oddělují v souladu s postavením prvku vůči etalonu přímosti. Podle konstrukce oddělovače paprsku se na základě optického odrazu nebo lomu prostorově oddělují, nebo s použitím zařízení na natáčení polarizační roviny oddělují fyzicky jednotlivé komponenty paprsku, které ve formě zakódované podle výkonu, již obsahují informace o pravoúhlém posunu vůči etalonovému normálu.According to the present invention, the device consists of a laser light source including an appropriate optics that determines the straightness standard, a freely adjustable beam splitter with a plurality of optical edges, corresponding to laser beams and coordinate directions which geometrically separates the beam depending on position physically separating the individual beam components and moving them in parallel to the end of the displacement area where optical means are fixed to focus the light falling on the photocells, followed by known electronic processing. The laser beams striking the individual optical edges of the element are geometrically separated in accordance with the position of the element relative to the straightness standard. Depending on the design of the beam splitter, they are spatially separated by optical reflection or refraction, or physically separate individual beam components which, in a power-coded form, already contain rectangular offset information relative to a standard normal, using a polarizing plane rotating device.

Další konstrukce oddělovače paprsku je taková, aby zajišťovala, že se částečně oddělené paprsky paralelně přemístí na konec oblasti posunu. To se v podstatě provádí na základě optického lomu, kdy se pentagonální hranoly, s krytem, vhodné к prostorovému a geometrickému oddělování, doplňují podobnými hranoly s opačnou orientací, pokud jde o lom paprsku, tak-že každé vstupní ploše hranolu odpovídá paralelní výstupní plocha a tím se každý částečný paprsek paralelně posune. Komponenty paprsku, které jsou tímto způsobem paralelně přemístěny na konec oblasti posunu, jsou pomocí optických prostředků, napevno zde umístěných, zejména pomocí čoček, zaostřovány na příslušné fotočlánky. V případe polarizačního oddělování jednotlivých komponent paprsku, které se provádí oddělovačem paprsků, se tyto komponenty prostorově slučují, a proto na konciAnother design of the beam splitter is such as to ensure that the partially separated beams are displaced in parallel to the end of the displacement region. This is essentially done by optical refraction, wherein pentagonal prisms, with a cover suitable for spatial and geometric separation, are complemented by similar prisms of opposite orientation with respect to beam refraction, so that each prism entry surface corresponds to a parallel exit surface and this shifts each partial beam in parallel. The beam components, which in this way are displaced in parallel to the end of the displacement region, are focused on the respective photocells by means of optical means mounted therein, in particular by means of lenses. In the case of the polarization separation of the individual beam components, which is carried out by the beam separator, these components are spatially merged and therefore at the end

CS 267653 Bí oblasti posunu je především nutno je prostorově oddělit za použití polarizačního oddělovače. Známé elektronické zesilovací a logické obvody nakonec dají měřicí signál, který odpovídá postavení jednotlivých částí. Zařízení konstruované podle daného vynálezu charakteristické tím, že měření přímosti podél oblasti posunu lze provádět oddělovačem paprsku, který nemá přímé elektrické spojení s elektronickou zpracovatelskou jednotkou. Navíc jsou využity výhody elektronického zpracování celého vyzařovacího výkonu. Zařízení splňuje požadavek na minimální vzdálenost mezi zdrojem záření a měřicím přijímačem.CS 267653 In particular, the white shift regions must be spatially separated using a polarizing separator. The known electronic amplification and logic circuits eventually give a measuring signal that corresponds to the position of the individual parts. The apparatus constructed in accordance with the present invention is characterized in that the measurement of straightness along the displacement region can be performed by a beam splitter which does not have a direct electrical connection to the electronic processing unit. Moreover, the advantages of electronic processing of the entire radiation power are exploited. The device meets the minimum distance requirement between the radiation source and the measuring receiver.

Vynález je v dalším textu objasněn na pěti příkladech praktické realizace. Na obr. 1 je oddělovač paprsku 1 realizován v hranolové konstrukci. Prostorové oddělení částečných paprsků, které vznikly geometrickým oddělením na optické hraně 1', se uskladňuje na základě plného odrazu. Částečné paprsky, paralelně přemístěné na konec oblasti posunu, pomocí napevno zde umístěných čoček 2 se zaostřují na f otoč lánky 2. » P° čemž následuje známé elektronické zpracování signálů.The invention is illustrated by the following five examples of practical implementation. In Fig. 1, the beam separator 1 is implemented in a prismatic structure. The spatial separation of the partial rays, which are created by the geometric separation at the optical edge 1 ', is stored on the basis of full reflection. Partial beams, displaced in parallel to the end of the displacement area, by means of the fixed lenses 2 are focused on the rotation of the article 2. This is followed by the known electronic signal processing.

Na obr. 2 je oddělovač paprsků tvořen pentagonálním hranolem s krytem 4 a s příslušným symetrickým prodloužením £ . Geometrické oddělování a také oddělování paralelním posunem každé komponenty раргвки se provádí pomocí optického lomu. Současné měření ve dvou souřadnicových směrech se může provádět, jestliže místo jednoho pentagonálního hranolu (4) použije zdvojený pentagonální hranol s krytem 6 a se symetrickým doplňkem, který tvoří další dvojlomný hranol 2 s opačnou orientací.In Fig. 2, the beam separator is formed by a pentagonal prism with a cover 4 and a corresponding symmetrical extension δ. Geometrical separation as well as parallel displacement separation of each component is performed by optical refraction. Simultaneous measurement in two coordinate directions may be performed if, instead of one pentagonal prism (4), a double pentagonal prism with a cover 6 and with a symmetrical complement constituting the other birefringent prism 2 in the opposite orientation is used.

Obr. 3/. Světelný paprsek dopadá na vrchol krytu a rozkládá se na čtyři částečné paprsky, přičemž и každého z těchto částečných paprsků dochází к paralelnímu posunu vůči původnímu směru a každý částečný paprsek je tak ve stavu prostorového oddělení na konci oblasti posunu zaostřen na jednotlivý fotočlánek 2·Giant. 3 /. The light beam strikes the top of the housing and extends into four partial beams, with each of these partial beams moving in parallel to the original direction, and each partial beam is focused on a single photocell at the end of the displacement area 2 ·

Na obr. 4 je oddělovač paprsku tvořen opticky aktivním materiálem 8, který má tu vlastnost, že natáčí polarizační rovinu světla o 90°, například z křemenného skla. Při použití lineárního polarizovaného laserového paprsku se část svazku světelných paprsků, která prochází opticky aktivním materiálem 8, natáčí o 90° ve směru polarizace vůči druhé části. Komponenty vyzařovacího výkonu, které .isou tak kódovány v závislosti na postavení, se na konci oblasti posunu při aplikaci polarizačního děliče 2 prostorově oddělují a jednotlivě se zaostřují na fotočlánky 2·In Fig. 4, the beam separator is formed by an optically active material 8 having the property of rotating the polarization plane of light by 90 °, for example of quartz glass. When using a linear polarized laser beam, the portion of the light beam passing through the optically active material 8 is rotated 90 ° in the polarization direction with respect to the second portion. The radiation power components, which are thus coded depending on the position, are spatially separated at the end of the displacement area when the polarizing divider 2 is applied and individually focused on the photocells 2.

Na obr. 5 je znázorněn optický prvek 10. který v případě etalonu přímosti určeného dvěma laserovými paprsky způsobuje geometrické oddělení obou paprsků a který také prostorově odděluje jednotlivé komponenty paprsku na základě optického lomu a paralelně posouvá část jejich komponent. Dvě příslušné komponenty paprsku lze prostorově sloučit tak, že je možné pomocí jedné čočky 2 je zaostřit na fotočlánek 2·FIG. 5 shows an optical element 10 which, in the case of a straightness standard determined by two laser beams, causes geometrical separation of the two beams and which also spatially separates the individual beam components on the basis of optical refraction and shifts part of their components in parallel. The two respective beam components can be spatially combined so that they can be focused on a photocell 2 with one lens 2 ·

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

An optoelectronic device for accurately staking out and measuring flatness, in which one or more light and, in particular, laser beams defining a standard line are geometrically separated according to their position, each geometrically separated partial beam being focused on a photocell characterized by: The beam separator (1) is a freely adjustable optical element located between the light source and the built-in photocell (3) at the end of the displacement area.

Device according to claim 1, characterized in that the optical element which separates the beams is formed by reflective surfaces.

Device according to claim 1, characterized in that the optical element which separates the beams is a prism.

Device according to Claim 1, characterized in that the optical element which separates the beams is formed by an optically active material (8).

3 drawings

Obf.2

CS 267653 Bl

Ohr.3