DD265055A3

DD265055A3 - ARRANGEMENT FOR INTERFEROMETRIC CLEARANCE AND THICKNESS MEASUREMENT

Info

Publication number: DD265055A3
Application number: DD29303186A
Authority: DD
Inventors: Bernd Kiessling; Peter Wystup; Manfred Riemann
Original assignee: Technisches Glas Veb K
Priority date: 1986-07-29
Filing date: 1986-07-29
Publication date: 1989-02-22
Also published as: DE3724932A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur beruehrungslosen interferentiellen Abstands- und Dickenmessung an transparenten Messobjekten. Es steht hierbei die Aufgabe, die Anordnung so zu gestalten, dass die Messung auch an Objekten mit gekruemmten, nicht parallelen Oberflaechen und Dicken von mehr als einigen zehntel Millimetern ermoeglicht wird. Die Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass vor dem Messobjekt eine Strahlungsquelle fuer optisch kohaerente Strahlung sowie zwei Objektive angeordnet werden, dass durch das erste Objektiv die Strahlung zu einem divergierenden Strahlenbuendel aufgeweitet und durch das zweite Objektiv die Strahlung geneigt gegenueber der Oberflaechennormale des Messobjektes zu einer Linie oder einem Fokus auf das Messobjekt konvergiert wird. Die Interferenzerscheinung im Ueberlappungsgebiet der beiden an den Oberflaechen des Messobjektes reflektierten Strahlenbuendel wird zur Bestimmung der Dicke des Messobjektes in der Weise verwendet, dass der Abstand der Interferenzstreifen als Mass fuer die Dicke ausgewertet wird.The invention relates to an arrangement for contactless interferential distance and thickness measurement on transparent DUTs. It is the task here to design the arrangement so that the measurement is also possible on objects with curved, non-parallel surfaces and thicknesses of more than a few tenths of a millimeter. The object is achieved in accordance with the invention in that a radiation source for optically coherent radiation and two objectives are arranged in front of the measurement object, that the radiation is expanded to a divergent ray tube by the first objective and the radiation is inclined by the second objective to the surface normal of the measurement object Line or a focus on the measurement object is converged. The interference phenomenon in the overlap area of the two beam bundles reflected on the surfaces of the measurement object is used to determine the thickness of the measurement object in such a way that the distance of the interference fringes is evaluated as a measure of the thickness.

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung dient zur berührungslosen Abstands- und Dickenmessung an transparenten Materialien.The invention is used for non-contact distance and thickness measurement of transparent materials.

Characteristic of the known technical solutions

Es sind bereits eine Vielzahl von Anordnungen zur interferometrischen Längenmessung bekannt, die auch bei der Abstands- und Dickenmessung Vorwendung finden. Derartige Meßanordnungen beaufschlagen das Meßobjokt mit parallelen Lichtstrahlbündeln, vorzugsweise Laserlicht. Die am Meßobjekt reflektierten Strahlen werden in der Meßanordnung überlagert, wobei Interferenzen gleicher Dicken entstehen. Die Interferenzlinien können von einem fotoelektrischen Empfänger erfaßt und bei zeitlicher Änderung gezählt worden.There are already a variety of arrangements for interferometric length measurement known, which also find in the distance and thickness measurement. Such measuring arrangements act on the measuring object with parallel light beam bundles, preferably laser light. The rays reflected at the object to be measured are superimposed in the measuring arrangement, resulting in interference of the same thicknesses. The interference lines can be detected by a photoelectric receiver and counted with temporal change.

Eine derartige Meßanordnung wird z. B. in der US-PS 3720471 beschrieben. Nachteilig an dieser Meßanordnung ist, daß nur relative Dicken- und Abstandsänderungen und deren Vorzeichen, nicht aber die Dicken und Abstände selbst, gemessen werden können. Zur Behebung dieses Mangels wurde vorgeschlagen, in seitlicher Aufeinanderfolge mehrere Messungen bei sich änderndem Auftreffwinkel des Meßstrahles vorzunehmen und die Ergebnisse rechnerisch auszuwerten.Such a measuring arrangement is z. As described in US-PS 3720471. A disadvantage of this measuring arrangement is that only relative thickness and spacing changes and their signs, but not the thicknesses and distances themselves, can be measured. To remedy this deficiency, it has been proposed to make several measurements in lateral succession with changing angle of incidence of the measuring beam and to evaluate the results by calculation.

Abgesehen von dom zeitlichen Aufwand sind die zur Durchführung dieses Meßprinzips notwendigen Apparaturen technisch aufwendig.Apart from dom temporal effort necessary to carry out this measuring principle equipment are technically complex.

In der DD-PS 2622787 wurde ein Verfahren zur interferometrischen Messung von Dicken und Abständen angegeben, bei dem das Meßobjekt mit einem konvergenten oder divergenten Lichtstrahl beaufschlagt wird, dessen Konvergenzpunkt außerhalb des Meßobjektes liegt und das Interferenzlinienfeld, das am Meßobjekt aufgrund der einzelnen, kontinuierlich ineinander übergehenden Strahlrichtungen entsteht, auf eine Ebene projiziert und dort ausgewertet wird.In DD-PS 2622787 a method for interferometric measurement of thicknesses and distances was specified, in which the measurement object is acted upon by a convergent or divergent light beam whose convergence point is outside the measurement object and the interference line field, the measurement object due to the individual, continuously into each other Transitioning beam directions is created, projected onto a plane and evaluated there.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß die Anwendung auf Meßobjekte mit einer verhältnismäßig geringen Dicke bis zu einigen wenigen zehntel Millimetern und ebenen, planparallelen Flächen begrenzt ist und daß es des weiteren bei Meßobjekten, deren Dicke sich im Meßbereich um mehr als eine Wellenlänge ändert oder deren Oberfläche eine Rauhigkeit von mehr als ein Viertel der Wollenlänge aufweist, nicht angewondet werden kann.A disadvantage of this method is that the application is limited to DUTs with a relatively small thickness up to a few tenths of a millimeter and plane, plane-parallel surfaces and that it further in DUTs whose thickness changes in the measuring range by more than one wavelength or their Surface has a roughness of more than a quarter of the wool length, can not be gewondet.

Object of the invention

Es ist deshalb Ziel der Erfindung, eine Anordnung zur interferometrischen Abstands- und Dickenmessung an transparenten Meßobjekten zu entwickeln, welche die Nachteile der bekennten Meßanordnungen nicht mehr besitzt.It is therefore an object of the invention to develop an arrangement for interferometric distance and thickness measurement of transparent DUTs, which no longer has the disadvantages of confessed measuring arrangements.

Explanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur berührungslosen interferometrischen Abstands- und Dickenmessung an transparenten Meßobjekten unter Verwendung einer kohärenten optischen Strahlung zu entwickeln, die es ermöglicht, Messungen an Objekten mit gekrümmten, rauhen Oberflächen und Dicken von mehr als einifin zehntel Millimetern durch Verwendung optischer Mittel berührungslos vorzunehmen.The object of the invention is to develop an arrangement for non-contact interferometric distance and thickness measurement on transparent DUTs using a coherent optical radiation, which allows measurements on objects with curved, rough surfaces and thicknesses of more than one tenth of a millimeter by using optical Make funds contactless.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Meßobjek* geneigt gegenüber der Oberflächennorma'en mit einem konvergierenden Strahlenbündel aus einer Strahlungsquelle für optisch kohärente Strahlung so beaufschlagt wird, daß der Konvergenzpunkt in die Nähe des Meßobjektes gelegt und ein Durchmesser des Strahlenbündels am Meßobjekt erzeugt wird, der kleiner als dessen Dicke ist und die Interferenzerschoinung im Überlappungsgebiet der beiden reflektierten Strahlenbündel durch eine bilderkennende Auswerteoinheit erfaßt und der Abstand der Interferenzstreifen als Miß der Dicke ausgewertet wird.The object is achieved in that the Meßobjek * inclined to the Oberflächennorma'en with a converging beam from a radiation source for optically coherent radiation is applied so that the convergence point placed in the vicinity of the measurement object and a diameter of the beam is generated at the measurement object which is smaller than the thickness thereof and the interference noise in the overlapping area of the two reflected beams is detected by a picture-detecting evaluation unit, and the pitch of the interference fringes is evaluated as Miss of the thickness.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist so aufgebaut, daß vor dem Maßobjekt eine optische Strahlungsquelle und zwei Objektive in einer optischen Achsn geneigt gegenüber der Oberf lächonnormalen des Meßobjektes angeordnet sind, wobei der Abstand der beiden Objektive großer als die Summe ihrer beiden Brennweiten ist und ein Objektiv in einem solchen Abstand zurr' Meßobjekt angeordnet ist, daß der Durchmesser des Strahlenbündels am Meßobjekt kleiner als dessen Dicke Ist und sich amThe arrangement according to the invention is constructed so that an optical radiation source and two lenses are arranged in an optical Achsn inclined relative to the Oberf smormormalen of the test object before the Maßobjekt, wherein the distance of the two lenses is greater than the sum of their two focal lengths and a lens in one such a distance to the 'measuring object is arranged, that the diameter of the beam on the measured object is smaller than its thickness and is on

Überlappungsgebiet der beiden reflektierten Strahlenbündel eine bilderkennen ιβ Auswerteeinheit befindet. Die bilderkennende Auswertedinheit besteht dabei aus einem bildauf losenden optoelektronischen Sensor mit nachgeschalteter Auswerteelektronik, wobei die Dicke des Meßobjektes aus den Intensitätsänderungen des Bildausgangssignals des Sensors mittels der Auswerteelektronik bestimmt wird.Overlap area of the two reflected beam is a bildkomm ιβ evaluation located. The image-recognizing evaluation unit consists of a bildauf loosening optoelectronic sensor with downstream evaluation, wherein the thickness of the measurement object from the intensity changes of the image output signal of the sensor by means of the evaluation is determined.

Die zwei Objektive sind dabei so angeordnet, daß durch das erste Objektiv nach der Strahlungsquelle die Strahlung zu einem divergierenden Strahlenbündel aufgeweitet und durch das zweite nachgcordnete Objekt die Strahlung geneigt gegenüber der Normalen der Oberfläche des Meßobjektes zu einer Linie oder einem Fokus auf das betreffende Meßobjekt konvergiert wird. Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß die berührungslose optische Dickenmessung an transparenten Meßobjekten mit beliebig gekrümmter Oberfläche ermöglicht wird, wobei an die Oberflöchenqualität keine Anforderungen mehr gestellt werden müssen und keine Einschränkungen hinsichtlich der Dicke der Meßobjekte mehr bestehen.The two lenses are arranged so that by the first lens after the radiation source, the radiation widens to a diverging beam and converges through the second nachgcordnete object, the radiation inclined to the normal of the surface of the measured object to a line or a focus on the object to be measured becomes. The arrangement according to the invention has the advantage that the non-contact optical thickness measurement is made possible on transparent DUTs with arbitrarily curved surface, with no requirements on the quality Oberflöchen must be made and no restrictions on the thickness of the DUTs more.

Ausführungsbeispiol

Die erfindungsgemäße Anordnung soll an dem folgenden Beispiel zur Messung der Wanddicke eines transparenten Meßobjektes, z. B. eines Hohlglaserzeugnisses, näher erläutert werden.The arrangement according to the invention is intended to the following example for measuring the wall thickness of a transparent object to be measured, for. B. a hollow glass product to be explained in more detail.

In der Figur 1 ist der Aufbau der Anordnung schematisch dargestellt.In the figure 1, the structure of the arrangement is shown schematically.

Vor dem Meßobjekt 1 sind did Strahlungsquelle 2 für die kohärente optische Strahlung, beispielsweise ein He-Ne-Laser, und die Objektive 3a und 3 b so angeordnet, daß der Leserlichtstrahl durch das Objektiv 3a zu einem divergierenden Strahlenbündel aufgeweitet und durch das Objektiv 3 b unter einem Winkel β gegenüber der Normalen der Oberfläche des Meßobjektes geneigt auf dieses fokussiert wird.In front of the measurement object 1, did radiation source 2 for the coherent optical radiation, for example, a He-Ne laser, and the lenses 3a and 3b are arranged so that the reading light beam through the lens 3a to a divergent beam and widened by the lens 3 b is focused at an angle β relative to the normal of the surface of the measurement object inclined to this.

Im Überlappungsgebiet 6 der beiden Außen- und Innenseiten des Meßobjektes reflektierten Strahlenbündel 4a bzw. 4b ist der optoelektronische, bildauflösende Sensor 7, dem die Auswerteelektronik 8 nachgeschaltet ist, im Abstand a vom Meßobjekt angeordnet.In the overlapping region 6 of the two outer and inner sides of the measurement object reflected beam 4a and 4b is the opto-electronic, image-resolving sensor 7, which the transmitter 8 is connected downstream, arranged at a distance a from the measurement object.

Infolge der Gangunterschiede der beiden reflektierten Strahlenbündel 4a und 4 b entstehen in deren Überlappungsgeb'et Interferenzen gleicher Neigung, wobei zwischen der Wanddicke w des Meßobjektes und dem Abstand χ der Interferenzlinien folgender Zusammenhang besteht:As a result of the path differences of the two reflected beams 4 a and 4 b, interferences of the same inclination occur in their overlap, whereby the following relationship exists between the wall thickness w of the object to be measured and the distance χ of the interference lines:

JLAJLA

^W κ sln'ß ^W κ sln'ß

Dabei ist λ die Wellenlänge des Laserlichts und η der Brechungsindex des Meßobjektes. Die Interferenzlinien werden von dem Sensor 7 erfaßt, wobei dessen Inhalt durch die Auswerteelektronik 8 ausgelesen und entsprechend dem Zusammenhang zwischen der Wanddicke w und dem Abstand der Interferenzstreifen χ aus der Impulsfolge im Bildungsausgangssignal des Sensors 7 in an sich bekannter Weise die Wanddicke ermittelt wird.Here, λ is the wavelength of the laser light and η is the refractive index of the measurement object. The interference lines are detected by the sensor 7, wherein its content is read out by the transmitter 8 and determined in accordance with the relationship between the wall thickness w and the distance of the interference fringes χ from the pulse train in education output signal of the sensor 7 in a conventional manner, the wall thickness.

Die visuelle Auswertung des Abstandes der Interferenzstreifen sowie die Bestimmung der Dicke des Meßobjektes erfolgt unter Verwendung von Nomogrammen oder Vergleichsmustern.The visual evaluation of the distance of the interference fringes and the determination of the thickness of the object to be measured is carried out using nomograms or comparative samples.

Claims

Invention claim:

Arrangement for contactless interferometric distance and thickness measurement on transparent DUTs using coherent optical radiation, characterized in that in front of the DUT (1) an optical radiation source (2) and two objectives in an optical axis inclined relative to the surface normal (5) of the DUT (1) are arranged, wherein the distance of the two lenses is greater than the sum of their two focal lengths and the lens (3 b) is arranged at such a distance to the measurement object that the diameter of the beam at the measurement object is smaller than the thickness thereof and continue in the overlapping area (6) of the two reflected beam bundles, an image-resolving optoelectronic sensor (7) with downstream image-detecting evaluation electronics: (S) is arranged, wherein the thickness of the measurement object from the intensity changes dop image output signal of the sensor is determined by means of the evaluation.