DD211624A1

DD211624A1 - ARRANGEMENT FOR TOUGH-FREE SPACING AND THICKNESS MEASUREMENT

Info

Publication number: DD211624A1
Application number: DD24443982A
Authority: DD
Inventors: Hans-Dieter Neumann
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1982-11-01
Filing date: 1982-11-01
Publication date: 1984-07-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur beruehrungslosen Abstands- u. Dickenmessungen eines in Richtung der optischen Achse befindlichen nahen bewegten Gegenstandes. Anwendungsgebiet sind Messungen von Abstandsaenderungen optisch reflektierender Gegenstaende, Messung von Wanddicken und Durchmessern transparenter Gegenstaende, sowie Makrogeometrie- und Oberflaechenrauhigkeitsmessungen. Es war eine einfache Anordnung zu schaffen, die bei schneller automatischer Messwertgewinnung in der laufenden Produktion ohne besondere Bedingungen einsetzbar ist. Bei der Anordnung sind in optischer Ausrichtung eine Strahlungsquelle, ein Kondensator, eine in der Zwischenbildebene des Kondensators befindliche Blende, ein Strahlteiler, ein Kollimator, ein Objektiv und ein im Brennpunkt des Objektivs befindlicher Messgegenstand, und in Richtung des vom Strahlteiler reflektierten Strahlengangs eine Blende u. ein Optowand. angeordnet, wobei erfindungsgemaess d. Kollimator mit einem elektromechanischen Wandler zur Erzeugung einer schwingenden axialen Modulationsbewegung, das Objektiv mit einem elektromechanischen Wandler zur Nachfuehrung des Objektivs und dieser ueber einen Phasendetektor und einen Verstaerker mit dem Optowandler verbunden ist.The invention relates to an arrangement for contactless distance u. Thickness measurements of a near-moving object located in the direction of the optical axis. Areas of application are measurements of changes in distance of optically reflecting objects, measurement of wall thicknesses and diameters of transparent objects, as well as macrogeometry and surface roughness measurements. It was a simple arrangement to create, which can be used with fast automatic data acquisition in the current production without special conditions. In the arrangement, in optical alignment, a radiation source, a capacitor, a diaphragm located in the intermediate image plane of the capacitor, a beam splitter, a collimator, an objective and a measurement object located at the focal point of the objective, and in the direction of the beam path reflected by the beam splitter a diaphragm u , an opto wall. arranged according to the invention d. A collimator with an electromechanical transducer for generating a vibratory axial modulation movement, the lens with an electromechanical transducer for tracking the lens and this is connected via a phase detector and a Verstaerker with the opto-transducer.

Description

Titel: Anordnung zur berührungslosen Abstands- und Dickenmessungen Title : Arrangement for non-contact distance and thickness measurements

Anwendungsgebiet der Erfindung Anwendungsgebie t of the invention

Die Erfindung dient zur Messung von Abstandsänderungen optisch reflektierender Gegenstände, von Wanddicken' und Durchmessern transparenter Gegenstände und darüber hinaus für Makrogeometrie- und Qbe rfIachenrauhigkeitsmessungen..The invention serves to measure changes in the distance of optically reflecting objects, wall thicknesses and diameters of transparent objects and moreover for macrogeometry and surface roughness measurements.

Charakteristik der bekannten technischen Losungen In DD-WP 19 703 ist ein lichtelektrisches Gerät zur .berührungslosen Feinstmessung von Abstandsänderungen eines nahen Gegenstandes in Richtung der optischen Meßachse durch cinvvirkung des von einem Leuchtfleck der Oberfläche dieses Gegenstandes ausgestrahlten Lichtes auf eine lichtelektrische Einrichtung beschriebene Hierbei ist im bil'dseitigen Strahlengang eines den Leuchtfleck abbildenden Linsensystem ein System von Blenden bzw, Spiegeln angeordnet, welches den Lichtstrom derart in zwei auf die lichtelektrische Einrichtung einwirkende Teilströme zerlegt, daß sie in der Meßnulistellung des Leuchtflecks gleichgroß sind und bei Lageänderungen des Leuchtflecks in Richtung der optischen Achse des abbildenden Linsensystems relative Intensitätsänderungen erleiden, so daß in dar lichteleKtriscnen Einrichtung Spannungsänderungen auftreten, weiche ein Haß für die Lageänderung sind, Nachteil dieser Einrichtung ist die Notwendigkeit der manuellen Strichprobeniiiessun.Characteristics of the Known Technical Solutions DD-WP 19 703 discloses a photoelectric device for non-contact ultrafine measurement of changes in the distance of a near object in the direction of the optical measuring axis by the action of the light emitted from a light spot on the surface of this object on a photoelectric device Bil'dseitigen beam path of the light spot imaging lens system, a system of apertures or arranged mirrors, which decomposes the luminous flux into two acting on the photoelectric device streams so that they are the same size in Meßnulistellung the luminous spot and changes in position of the luminous spot in the direction of the optical The axis of the imaging lens system undergo relative changes in intensity, so that there are voltage changes in the light-beam device which are a hate for the positional change. The disadvantage of this device is the necessity of the manual bar samples.

.g.G

ί D. , u υ. i j --j .:·ί D., u. i j - j.: ·

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist eine einfache Meßanordnung, die eine vollständige Heßwerterfassung von Rohrhalbzeugen als Meterware gewährleistet und unter Produktionsoedingungen einsetzbar ist«The aim of the invention is a simple measuring arrangement, which ensures a complete Hßwerterfassung of semi-finished tube stock by the meter and can be used under production conditions «

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt aie Aufgabe zugrunde, eine einfache Meßanordnung zu schaffen, die wenig störanfällig und damit für Bedingungen in der Produi<tion geeignet ist und dabei Rückwirkungen der Meloergeonisse auf den Hersteliungsprozeü gewährleistet.It is an object of the invention to provide a simple measuring arrangement which is less susceptible to interference and thus suitable for conditions in the production, thereby ensuring reactions of the meloneronisse to the production process.

Die Aufgabe löst eine Anordnung zur beruhrungslosen Feinmessung von ADstands- und DicKenmessungen von einem in RichtungThe object solves an arrangement for the contactless fine measurement of AD and DicKenmessungen of one in the direction

der optischen Achse befindlichen nahen Gegenstand, bei der eine Sfranlungsqueile, ein Kondensor, eine in der Zvviscnenoildebene des Kondensors oefindiiche Blende, ein Strahiteiier ein Kollimator, ein Objextiv und ein im Brennpunkt des Objekrivs oefindlicher heisgegenstand in optischer Ausrichtung zueinander angeordnet sind und in Richtung des vom Strahlteiler reflektierten Strahlengangs eine Blende und ein Optovvandler angeordnet sind, erfindungsgemäß dadurch, daß der Kollimator mit einem elektromechanischen Wandler zur Erzeugung einer schwingenden Modulationsbewegung, das Objektiv mit einem elek tromechanischen Wandler zur Nachführung des Objektivs und die ser über einen Phasendetektor und einen Verstärker mit dem Optovvandler verbunden ist.the optical axis located close object, in which a Sfranlungsqueile , a condenser, a in the Zvviscnenoildebene the condenser oefindiiche aperture, a Strahiteiier a collimator, a Objextiv and an oefindlicher in the focal point of the Objekriv heisgegenstand are arranged in optical alignment with each other and in the direction of the Beam splitter reflected beam path, a diaphragm and a Optovvandler are arranged according to the invention in that the collimator with an electromechanical transducer for generating a vibrating modulation movement, the lens with a elec tromechanical transducer for tracking the lens and the water via a phase detector and an amplifier with the Optovvandler connected is.

Es ist vorteilhaft, wenn die Verschiebung des elektromechanischen Wandlers zur Nachführung des Objektivs der optisch wirksamen Dicke des zu messenden Gegenstandes entspricht. Es ist wieterhin vorteilhaft, wenn in ootischer Ausrichtung eine punktförmige Strahlungsquelle, ein Strahlteiler, ein Objektiv und ein im Brennpunkt des Objektivs befindlicher i;eß gegenstand angeordnet sind und das Objektiv mit einem gemeinsamen Modulator für die Nachführbewegung und die i-iodulationsbewegung verbunden ist und daS im vom Strahlteiler reflektierten Strahlengang eine Blende und ein Ootowandler anoe-It is advantageous if the displacement of the electromechanical transducer for tracking the objective corresponds to the optically effective thickness of the object to be measured. It is wieterhin advantageous if in ootischer alignment a point-shaped radiation source, a beam splitter, a lens and an object located in the focal point i; eß object are arranged and the lens is connected to a common modulator for the tracking movement and the i-iodination movement and daS in the beam path reflected by the beam splitter an aperture and an ootowandler anoe-

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ordnet sind und der Modulator über einen Phasendetektor und einen Verstärker mit dem Cptov/andler verbunden ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, die Strahlungsquelle, den Kondensor und die beleuchtete Blende durch eine punktförmige Lichtquelle, z„3, eine Lumineszenz- oder IR- Diode zu ersetzen.are arranged and the modulator is connected via a phase detector and an amplifier to the Cptov / andler. Furthermore, it is advantageous to replace the radiation source, the condenser and the illuminated aperture by a punctiform light source, z "3, a luminescence or IR diode.

Kennzeichnend ist, daß das zu messende Objekt ein sich bewe-? gender Gegenstand ist.It is characteristic that the object to be measured is moving. gender object.

A u s for υ η q s b e i s ρ i e 1

Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben, Abbildung I zeigt die erfindungsgemäße Meßanordnung. Eine Strahlungsquelle 1, ein Kondensor 2, eine in der Zwischenbildebene des Kondensors 2 befindliche Blende 3, ein Strahlteiler 5, ein Kollimator 7, ein Objektiv 9 und ein im Brennpunkt des Objektivs 9. befindlicher Meßgegenstand 11 sindThe invention will be described in more detail with reference to embodiments shown in the drawing, Figure I shows the measuring arrangement according to the invention. A radiation source 1, a condenser 2, a diaphragm 3 located in the intermediate image plane of the condenser 2, a beam splitter 5, a collimator 7, an objective 9 and a measurement object 11 located at the focal point of the objective 9 are

zueinander in optischer Ausrichtung angeordnet. In Richtung des vom Strahlteiler 5 reflektierten Strahlengangs sind eine Blende 4 und ein Optovvandler 5 angeordnet* Der Kollimator? ist mit einem elektromechanischen V/aηdler zur Erzeugung einer schwingenden axialen Modulationsbewegung ö, das Objektiv 9 mit einem elektromechanischen Wandler zur Nachführung des Objektivs 10 und dieser über einen Phasendetektor 12 und einen Verstärker 13 ,mit dem Optovvandler 6 verbunden*· Die Strahlungsquelle 1 beleuchtet über den Kondensor 2 eine Blende 3, Das Objektiv 9 bildet das vom Kollimator 7 kommende telezentrisch^ Strahlenbündel in seinem Brennpunkt auf der refiektierenden Oberfläche des bewegten Gegenstandes 11 ab, dessen relative Lage zur Ruhelage des Objektives 9 zu bestimmen ist, tine schwingende axiale Modulationsbewegung des Kollimators? wird durch einen elektromechanischen Wandler a bewirkt« Die axiale Nachführbewegung des Objektivs 9 wird durch den elektromechanischen Wandler lO ausgeführt, Das aurch Blende 4 tretende, vom Objekt 11 reflektierte Licht moduliert das Ausgangssignai des Optowandiers b * uer durch Slends 4 fallende Licntstrcn erreicht imrr.er dannarranged in optical alignment with each other. In the direction of the beam path reflected by the beam splitter 5, a diaphragm 4 and an optical converter 5 are arranged * The collimator? is connected to an electromechanical transducer for generating a vibrating axial modulation movement δ, the objective 9 having an electromechanical transducer for tracking the objective 10 and this via a phase detector 12 and an amplifier 13, connected to the optical converter 6 * · The radiation source 1 illuminated via The objective 9 forms the telecentric beam coming from the collimator 7 at its focus on the reflecting surface of the moving object 11, whose relative position to the rest position of the objective 9 is to be determined, tine oscillating axial modulation movement of the collimator ? is effected by an electromechanical transducer a. The axial tracking movement of the objective 9 is carried out by the electromechanical transducer 10. The light reflected by the aperture 4 and reflected by the object 11 modulates the output signal of the opto-wander then

ein Maximum, wenn das Bild des ueuchtfleckes auf der Objektoberfläche 11 in die Blende 4 fokussiert ist. Der Phasendetektor 12 und der Verstärker 13 schließen aen Regelkreis zum Nachführsystem 10«a maximum when the image of the ueuchtfleckes on the object surface 11 is focused in the aperture 4. The phase detector 12 and the amplifier 13 close aen control loop for tracking system 10 '

Die Information über die Nachführrichtung und -größe für das Objektiv 9 wird aus Amplitude und Phasenlage des Lichtstromes aus 3lende4 gewonnen.The information about the tracking direction and size for the objective 9 is obtained from the amplitude and phase position of the luminous flux from 3lende4.

Die Relativiage des rießobj ektes 11 zur Ruhelage des i\oilirn3-tors 7 wird durcn ein Meßgerät 14 angezeigt, wobei die dem Wandler 10 zugeführte Signalamplitude ein direktes haß für die Relativlage des Objektes 11 aarstel.it. Bei bewegtem i-:eS-objekt 11 registriert ein Schreiber oder ein anaerer Datenempfänger 15 die zeitabhängigen Objektamplituden, Abbildung 2 zeigt eine modifizierte Anordnung zum Zwecke der Dickenmessung optisch transparenter Werkstücke mit reflektierender Oberfläche,Hierbei kann der ,andler 10 einen solchen V/eg ausführen, daß das aufeinanderfolgende Antasten der Vorder- und der Rückfläche des Objektes 11 ermöglicht wird. Abbildung 3 zeigt eine weitere modifizierte Anordnung gemäß der Erfindung, wobei die konventionelle Beleuchtungseinrichtung durch eine punktförmige Strahlungsquelle ersetzt wird, Als Strahlungsquellen können z_B3. Lumineszenz- oder IR-Dioden sowie Laser mit Impuls- oder kontinuierlicher Emission eingesetzt werden,The Relativiage of rießobj ektes 11 to the rest position of the i \ oilirn3 gate 7 is displayed by a measuring device 14, wherein the transducer 10 signal amplitude supplied a direct hate for the relative position of the object 11 aarstel.it. When the i: eS object 11 is moving, a recorder or anaerous data receiver 15 registers the time-dependent object amplitudes, Figure 2 shows a modified arrangement for the purpose of measuring the thickness of optically transparent workpieces with a reflective surface. Here, the operator 10 can perform such a movement in that the successive probing of the front and rear surfaces of the object 11 is made possible. Figure 3 shows a further modified arrangement according to the invention, with the conventional illumination device is replaced by a point source of radiation, radiation sources _for example may 3. luminescence or IR-diodes and lasers are used with pulse or continuous emission,

Eine weitere Vereinfachung ergibt die Vereinigung von Kollimator 7 und Objektiv' 9 zu einem Objektiv 19. Die Modulationsund die Nachführbewegung werden im Modulator 18 überlagert und zur Axialbevvegung vereinigt. Das aufeinanderfolgende optische Antasten der beiden Objektflächen 11 ist hierdurch möglich» Durch phasenverkoppelte . Strahlungsmodulation der Strahlungsquelle 17 mit der mechanischen Modulation des Wand lers IS wird eine Vergrößerung des Signal-Störabstandes bewirkt.A further simplification results in the combination of collimator 7 and objective '9 to a lens 19. The modulation and the tracking movement are superimposed in the modulator 18 and combined for Axialbevvegung. The successive optical probing of the two object surfaces 11 is thereby possible »Through phase-locked. Radiation modulation of the radiation source 17 with the mechanical modulation of the wall lers IS causes an increase in the signal-to-noise ratio.

Abbildung 4 zeigt eine Anordnung zur gleichzeitigen Messung von Wanddicke und Durchmesser insbesondere an rotierenden· Rohren, Die Anordnung besteht aus einer paraaxialen Anordnung zweier Lichttaster nach Abbildung 1 oder 2 oder 3,Figure 4 shows an arrangement for the simultaneous measurement of wall thickness and diameter, in particular on rotating tubes. The arrangement consists of a paraaxial arrangement of two light sensors according to Figure 1 or 2 or 3,

41U541U5

Die Wandaickenabtastung über Objektiv 9 erfordert eine mechanische Bezugsebene 2ü für das Rohr 11, welche gleichzeitig Bezugsebene für die Durchmesserabtastung über das Objektiv 9 ist.The Wandaickenabtastung on lens 9 requires a mechanical reference plane 2ü for the tube 11, which is the same reference plane for the diameter scan through the lens 9.

Gegenseitige optiscne Verkopplungen der Strahlengänge durch die Obiektive 9 werden durch Parallelversatz der Svstemacnsen oder uncerschiedliche r-iodulationsfrequenzen der zugehörigen Modulatoren verhindert. Eine spektrale Trennung der beiden MeSiichtströme durch unterschiedliche Filter 21 hat die gleiche Wirkung c.Mutual optiscne couplings of the optical paths through the optical elements 9 are prevented by parallel displacement of the sysstem antennas or different r-iodination frequencies of the associated modulators. A spectral separation of the two MeSiichtströme through different filters 21 has the same effect c.

Abbildung 5 zeigt eine modifizierte Anordnung vor. Abbildung 4* Die gleichzeitige Erzeugung dreier Oberflächenreflexsignale durch drei Lichttaster mit den Objektiven 9, 9 Γ9 * * erübrigt die mechanische 3ezugsebene 20.Figure 5 shows a modified arrangement. Figure 4 * The simultaneous generation of three surface reflection signals by three light sensors with the objectives 9, 9 Γ9 * * eliminates the mechanical reference plane 20.

Zur Erzeugung des Durchmessersignals werden die Homentanwerte der Signale der über die Objektive 9 und 9** abgetasteten Oberflachenreflexe voneinander subtrahiert» Das Wanddickensignal wird durch Subtraktion der Signale der Objektive 9 "''und 9 "erzeugt.To generate the diameter signal, the instantaneous values of the signals of the surface reflections sampled via the objectives 9 and 9 ** are subtracted from one another. The wall thickness signal is produced by subtracting the signals of the objectives 9 "'' and 9".

Mit den beschriebenen Anordnungen ist die gleichzeitige völlig berührungsfreie Reflexantastung auch schnell bewegter Prüflinge möglich«With the arrangements described, the simultaneous, completely non-contact reflex probing of even fast-moving specimens is possible «

Claims

hrfindungsanspruch

1. Arrangement for non-contact fine measurement of distance and thickness measurements of a near moving object located in the direction of the optical axis, in which a radiation source, a condenser, a diaphragm located in the intermediate image plane of the condenser, a beam splitter, a collimator, a lens and an in focus the object of the objective is arranged in optical alignment with one another and in order to reflect the beam path reflected by the beam splitter a diaphragm and an optical transducer are arranged, characterized in that the collimator with an electromechanical transducer for generating a vibrating axial modulation movement, the lens with an electromechanical transducer for tracking the lens and this is connected via a phase detector and an amplifier with the Qptowndier.

2. Arrangement according to item 1, characterized in that the displacement of the electromechanical transducer for tracking the lens corresponds to the optically effective thickness of the object to be measured.

3 _e arrangement according to item 1 and 2, characterized in that in optical alignment, a point-shaped radiation source, a beam splitter, a lens and an object located at the focal point of the measurement object are arranged, that the lens connected to a common modulator for the tracking movement and the modulation movement is and that in the beam splitter reflected beam path, a diaphragm and a Optowandlsr are arranged and the modulator is connected via a phase detector and an amplifier to the optical transducer.

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