DE102004053660B4

DE102004053660B4 - Verfahren zur berührungslosen Erfassung von geometrischen Eigenschaften einer Objektoberfläche

Info

Publication number: DE102004053660B4
Application number: DE102004053660A
Authority: DE
Inventors: Marius Jurca
Original assignee: Marius Jurca
Current assignee: JURCA, MARIUS, 97286 WINTERHAUSEN, DE
Priority date: 2004-11-03
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2024-11-04
Also published as: DE102004053660A1

Abstract

Verfahren zur berührungslosen Erfassung von geometrischen Eigenschaften einer Objektoberfläche entlang einer Linie (24), bei dem a) Licht einer multispektralen Lichtquelle (14) als paralleles Lichtbündel auf eine Fokussierlinse (22) fällt, wobei die Fokussierlinse einen chromatischen Fehler hat, so dass die Brennpunkte von unterschiedlichen Wellenlängen in unterschiedlichen Entfernungen liegen, b) von der Fokussierlinse fokussiertes Licht auf einen transparenten, drehbar gelagerten Polygonscanner (16) mit einer gerade Anzahl von paarweise gegenüberliegend parallel angeordneten Facetten (A, AA, B, BB) fällt, wodurch das Licht entsprechend der Winkellage des rotierenden Polygonscanners (16) parallel versetzt wird und in Punkten konvergiert, die kontinuierlich entlang der Linie (24) auf der Objektoberfläche angeordnet sind, c) an den Punkten reflektiertes Licht nach Durchtritt durch den Polygonscanner (16) und die Fokussierlinse erfasst wird, und d) durch die spektrale und intensitätsmäßige Auswertung des Rückreflexes das geometrische Höhenprofil der Objektoberfläche erfasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Erfassung von geometrischen Eigenschaften einer Objektoberfläche.
Für Messmethoden mit gezielter Messung der Oberflächenreflektivität werden folgende Patentanmeldungen ohne Anspruch auf Vollständigkeit zitiert: US 4,417,822 und US 4,579,463. Für Messmethoden zur Ermittlung der Lage der Planck-Kurve wird die US 4,605,314 und schließlich werden die US 4,605,314 und US 5,231,595 für die wellenlängenabhängigen Trennung der Messsignale zitiert.
Für die konfokale Entfernungsmessung werden folgende Patentanmeldungen ohne Anspruch auf Vollständigkeit zitiert: US 3,788,741, US 4,081,215, US 4,600,831, US 4,711,578, US 5,033,856 und GB 2 077 421 .
Die zitierten Schutzrechte weisen starke Abweichungen vom hier beanspruchten Verfahren auf. Der Vollständigkeit halber werden hier in Bezug auf das beanspruchte Profilmessverfahren der Objektoberfläche die Klasse der Triangulationsmessmethoden mit fester Strahlprofil-Projektion oder der mit Hilfe von bewegten Umlenkspiegel erzeugten Projektion genannt, ohne konkrete Schutzrechte zu zitieren, da sie gegenüber der beanspruchten Messmethode wesentliche Nachteile aufweisen und außerdem prinzipiell im Stand der Technik beschrieben wurden.
Aus dem Stand der Technik ist das Prinzip der Planparallelen-Platte zur Korrektur des Versatzes eines Strahlenganges bekannt. Dies wird meistens stationär als manuelle Feinjustage verwendet. Der erzeugte parallele Strahlversatz hängt vom Winkel der verwendeten Platte zur optischen Achse, von der Dicke und vom Brechungsindex der Platte ab.
Eine schnelle Profil-Messung lässt sich nur realisieren, indem in erster Linie die Trägheit aus dem mechanischen Scannersystem minimiert oder eliminiert wird. Dies lässt sich am einfachsten durch die Umwandlung der hin und her Bewegung in eine Drehbewegung mit konstanter Geschwindigkeit realisieren.
Aus der FR 2 738 140 A1 ist ein Scannersystem bekannt, bei dem mittels eines oszillierenden Spiegels oder eines sich drehenden Polygonalspiegels ein Lichtstrahl entlang einer Linie hin- und herbewegt wird.
Aus der DE 694 20 427 T2 ist ein Abtast-Ophthalmoskop mit einem sich drehenden transparenten Scanningprisma bekannt.
Die DE 102 50 100 A1 offenbart ein Mikroskopsystem mit einer Scanoptik, die einen oszillierenden Planspiegel umfasst.
Die DE 2 227 730 A beschreibt eine optische Abtastvorrichtung, bei dem eine Scanbewegung eines Lichtstrahls mit Hilfe eines sich drehenden Zylinderprismas erzielt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass mit einfachen Mitteln und hoher Genauigkeit eine (nahezu) lückenlose und ortsauflösende Erfassung von Höhenprofilen erzielt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem einzigen Anspruch.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
1 Prinzipdarstellung eines Temperaturscanners, der nicht Gegenstand der beanspruchten Erfindung ist;
2 perspektivische Darstellung eines Scannerkäfigs mit Luftantriebstaschen und Haltern mit Luftdüsen;
3 Prinzipdarstellung einer Justagevorrichtung mit einer sichtbaren Laserdiode;
4 Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen konfokalen Abstandsmessers;
5 perspektivische Darstellung eines transparenten Standard-Würfelscanners;
6 Seitenansicht des in der 5 gezeigten Würfelscanners, in der die Erzeugung eines Versatzes des Strahlengangs senkrecht auf die Scanebene erkennbar ist.
Zur Umsetzung eines nicht erfindungsgemäßen Temperaturmessverfahrens ist hier ein Sensorsystem 10 vorgeschlagen, in dem ein Messstrahl 12 von einem Messpunkt auf der Objektoberfläche zu einer Detektoreinrichtung 14 zur Erfassung der Objektoberflächentemperatur gelangt, und zwar nach zweimaligen Durchtritt durch einen für die Messwellenlängen transparenten Polygonscanner 16 mit einer gerade Anzahl von Facetten A, AA, B, BB (siehe 5), der in einem drehbar gelagerten und luftangetriebenen Käfig 18 (siehe 2) montiert ist. Dadurch wird dassder Messstrahl 12 gemäß dem Planparalellen-Platten-Prinzip vom drehenden Polygonscanner 16 umgelenkt, wobei zur Erfassung der aktuellen Scanner-Winkellage eine zweite Messvorrichtung 20 verwendet wird, die vorzugsweise optisch (wie eine Lichtschranke) funktioniert und quer zur optischen Achse OA des Sensorsystems 10 angeordnet ist. Die Winkellageerfassung des Polygons kann natürlich auch mit anderen Mitteln erfolgen.
In der 1 ist mit 21 eine Blende und mit 23 ein Filter angedeutet.
Der Käfig 18 verfügt über die gleiche gerade Anzahl von Öffnungen wie der transparente Polygonscanner 16, und die Lage der Käfigöffnungen entspricht der Lage der Polygonfacetten. Die gegenüber liegenden Facetten sind parallel zueinander angeordnet. Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Polygonfacetten 4, d. h. der transparente Polygonscanner 16 ist ein transparenter Würfelscanner. Im folgenden wird nur auf den Würfelscanner Bezug genommen. Die übrig bleibenden Stege zwischen den Käfigöffnungen der zylindrischen Außenwand dienen der Befestigung des transparenten Würfels (an den Ecken) und zur Abdeckung des optisch unwirksamen Winkels des Scanners (s. 1 und 2).
Durch den Würfelscanner wird die Brennweite einer Fokussierlinse 22 etwas verkürzt, und es entsteht außerdem eine kleine, für normale Applikationen vernachlässigbare Feldwölbung von ca. 50 μm bei einer Messlinienlänge der Messstrecke 24 von ±2 mm. Gleichzeitig ändert sich die Transmission des Würfelscanners in Abhängigkeit vom augenblicklichen Winkel der durchstrahlten optischen Flächen zur optischen Achse OA der Messvorrichtung und ist maximal bei 90° (senkrecht auf die optischen Achse OA). Die Vorrichtung 10 ist so ausgelegt, dass die Feldwölbung in Bezug auf den erfassten Temperaturmesswert bei einer flachen Objektoberfläche die winkelabhängige Transmission des Würfelscanners zumindest teilweise kompensiert. Diese Kompensation lässt sich auch für anders geformte Objektoberflächen realisieren.
In einer vorteilhaften Variante der Vorrichtung ist mindestens ein Paar der o. g. Polygonfacetten nicht parallel mit der Scanner-Rotationsachse 29 ausgelegt, wodurch der Strahlengang aus der Drehebene des Scanners austritt, so dass auf der Objektoberfläche zwei oder mehr Messlinien versetzt in der Richtung der Prozeßbewegung, bzw. senkrecht auf die Scannebene entstehen (s. 6). Dies ist vorteilhaft, da die Messung ein quasistationäres Gesamt bild der zu messenden Stelle auf der Objektoberfläche anbietet.
Falls erforderlich (z. B. begrenzte Platzverhältnisse für den Sensoreinbau), kann der Strahlengang zwischen dem Würfelscanner und der Objektoberfläche über weitere Spiegel umgelenkt werden (ohne Abbildung).
Der Luftantrieb wurde hierzu vorgesehen, um die Größe des Scanners möglichst klein zu halten. Die Scannerdrehzahl lässt sich über den Luftdruck einstellen und wird aus Kosten- und Platzgründen nicht geregelt. Es sind auch andere konstruktive Varianten für den Antrieb des Scanners denkbar. Beispielsweise kann der hier benötigte Antrieb elektromagnetisch, berührungslos wie ein Rührstab in der chemischen Industrie wirken. Der hier genannte Luftantrieb besteht aus einer oder mehreren Düsen, die tangential auf die seitlichen Endflächen des Käfigs blasen, wo kleine Taschen 25 in der Außenwand des Käfigs ausgeformt sind. Vorzugsweise werden zwei Luftdüsen 27 (eine auf jeder Seite des Käfigs) verwendet (s. 2).
Da die Drehzahl des Scanners erfasst wird, kann im Falle von höheren Ansprüchen an die Genauigkeit der Einhaltung einer konstanten Drehzahl der Luftdruck des Scannerantriebes über eine steuerbare Drossel oder über ein Ventil und einem entsprechenden Regler so geregelt werden, dass eine gewünschte Drehzahl eingestellt und gehalten wird.
Die Winkellage des Würfelscanners entspricht indirekt der Lage des Temperaturmessflecks in der Drehebene des Scanners. Als Lichtquelle für die Winkellageerfassung ist vorzugsweise eine fasergekoppelte LED 26 und zur Positionserfassung eine positionsempfindliche Diode (PSD) 28 verwendet. Die Auflösung der Referenzmessung ist praktisch unendlich, da die PSD 28 mikrometergenau die Lage des Schwerpunktes des auftreffenden Lichtstrahls bildet. Durch die Verwendung eines kurzen Stücks einer optischen Faser wurde der Referenzstrahl ausreichend gut geformt, so dass er homogen und vollständig auf die Fläche der PSD 28 projiziert wurde (s. 1). Der oder die erfassten Messwert(e) werden mit der jeweiligen Winkellage des Würfelscanners korreliert und entsprechend durch eine übergeordnete Auswerteeinrichtung berücksichtigt.
Der Aufbau wurde beispielsweise mit einem schnellen Ge-Detektor 14 ausgestattet, wodurch Temperaturen ab ca. 300°C erfasst werden können. Eine zwei-Wellenlängen-Temperaturmessung lässt sich auch in der vorgestellten Art realisieren. Durch die Chopperwirkung des Würfelscanners lassen sich auch preiswerte IR-Pyrodetektoren als Sensoren zur Erfassung der Objektoberflächentemperatur einsetzen.
Die örtliche Auflösung der Temperatur-Messung ist in der Praxis < 0,1 mm. Am Rande des Messbereiches nimmt die Sensorempfindlichkeit ab, da die Transparenz des Würfels bei großen Umlenkwinkeln abnimmt. Dieser systematische Fehler lässt sich jedoch wegkalibrieren. Der Arbeitsabstand des Scanners beträgt beispielsweise 130 mm und die Scanstrecke auf der Objektoberfläche ±2 mm. Bei der maximal erreichbaren Drehzahl des Würfelscanners erreicht die tatsächliche Scangeschwindigkeit 120 m/s. Trotz des geringen Druckluftverbrauches sind Drehzahlen von bis zu 60.000 min^–1 zuverlässig erzielt worden, d. h. 4.000 Temperaturprofile pro Sekunde (4 Profile pro Umdrehung). Für einen dauerhaften Einsatz bei dieser Drehzahl muß der Scanner ausgewuchtet und eventuell Luftlager verwendet werden. Die hier beispielhaft genannten Abmessungen lassen sich beliebig skalieren. Die verwendete Druckluft muß frei von Partikeln, Öl und Wasser sein.
Um den praktischen Einsatz der Vorrichtung zu verbessern, ist eine sichtbare Markierung auf der Objektoberfläche erforderlich, um die genaue Lage des Messbereiches für Justagezwecke sichtbar zu machen. Aufgrund der Besonderheiten der Vorrichtung werden hier zwei prinzipielle applikationsabhängige Anordnungen für eine vorteilhafte Einkopplung der sichtbaren Strahlung einer Laserdiode in den Strahlengang des Scanners vorgeschlagen:

a) Falls ein unbeweglicher Punkt in der Mitte der Messstrecke auf der zu messenden Objektoberfläche benötigt wird, so ist die Einkopplung zwischen Scanner und Objekt vorzunehmen, oder
b) Falls ein sichtbarer Strich im Bereich der Messstrecke auf der Objektoberfläche benötigt wird, so ist die Einkopplung im kollimierten Teil des Strahlenganges zwischen Würfelscanner und Temperaturmessvorrichtung vorzunehmen.

Besonders vorteilhaft ist eine getrennte Anordnung, bei der die kollimierte Strahlung einer sichtbaren Laserdiode 30, der eine Kollimationsoptik zugeordnet ist, durch ein 90°-Prisma 32 zwei gleiche Strahlen geteilt wird, die mit Hilfe zweier einstellbarer Spiegel 34 symmetrisch zur optischen Achse der Messvorrichtung derart umgelenkt werden, dass sie sich genau in der Mitte bei 36 der Scanner-Temperaturmessstrecke kreuzen. Damit wird die genaue Lage der Messstrecke 24 angezeigt (s. 3). Diese Vorrichtung kann entweder in der Scanebene oder im Befestigungsflansch des Scanners (ohne Abbildung) und derart geneigt zur optischen Achse des Scanners, dass der Schnittpunkt der beiden Markierungsstrahlen der sichtbaren Laserdiode genau in der Mitte der Scannerstrecke liegt.
Die sichtbare Markierungsvorrichtung kann mit einer auf derselben Wellenlänge messenden Vorrichtung kombiniert werden, um den Rückreflex von der Objektoberfläche zwecks Gewinnung von weiteren Oberflächeninformationen zu messen. Unter anderem ist eine solche Messung zur Ermittlung der Oberflächenreflektivität und/oder Emissivität geeignet und kann für komplexe und unregelmäßige Verläufe der besagten Eigenschaften um eine oder mehreren sichtbaren und/oder unsichtbaren Wellenlängen erweitert werden. In diesem Fall ist eine sehr präzise und schnelle Messung der Temperatur entlang der Scanner-Temperaturmessstrecke möglich.
Ferner ist der Einbau einer Matrix-Kamera in den Strahlengang der Vorrichtung vorgesehen, um den praktischen Einsatz der Vorrichtung zu verbessern, wobei die Kamera stets an einer bestimmten vorwählbaren Winkelposition des Scannerwürfels getriggert wird, um ein stehendes Bild zu erhalten (ohne Abbildung). Da die Scannergeschwindigkeit viel größer als die Bildwiederholfrequenz der Matrix-Kamera ist, erfolgt der Triggerzeitpunkt der Kamera jeweils nach einer einstellbaren Anzahl von Scannerumdrehungen. Vorzugsweise wird die Kamera in der 0-Position des Würfels getriggert, d. h. wenn die Scannerwürfelflächen senkrecht auf die optischen Achse der Vorrichtung stehen. Dabei ist der durch den Scannerwürfel erfasste Bildausschnitt der Objektoberfläche groß genug, um den gesamten Messbereich für Dokumentation und Kontrollzwecke sichtbar zu machen.
Ein typisches Einsatzfeld einer solchen Messvorrichtung ist die Erfassung der thermischen Eigenschaften einer gerade hergestellten Schweißnaht oder die Überwachung von thermischen Prozessen an endlosen Werkstücken wie beispielsweise das Ziehen von Draht.
In diesen Fällen sind auch die geometrischen Eigenschaften der zu erfassenden Objekte in Verbindung und gleichzeitig mit deren thermischen Eigenschaften von größter Bedeutung. Zum einen bietet die beanspruchte Vorrichtung eine gute laterale Auflösung, so dass z. B. die Breite einer heißen Schweißnaht oder des Schmelzbades beim Schweißen oder der Drahtdurchmesser beim Drahtziehen zuverlässig und schnell erfasst werden können.
Einfache Aufgaben lassen sich mit Hilfe der o. g. Markierungsvorrichtungen mit sichtbarem Licht realisieren, jedoch unregelmäßige Strukturen wie eine Schweißraupe lassen sich nur mit Hilfe einer zusätzlichen Erweiterung der Messvorrichtung um eine konfokalen Entfernungsmessung ausreichend genau vermessen, wie dies in der 4 gezeigt und Gegenstand der beanspruchten Erfindung ist. Eine konfokale Entfernungsmessung kann nach dem Rückreflex-Prinzip mit mehreren Wellenlängen, die vorzugsweise auch als sichtbare Lichtmarkierung dienen, durchgeführt werden. Dabei wird die Fokussierlinse 22 der beanspruchten Vorrichtung mit einem möglichst großen und linear verlaufenden chromatischen Fehler ausgelegt, so dass die Brennpunkte von unterschiedlichen Wellenlängen, die gleichzeitig auf das zu messende Objekt projiziert werden, in unterschiedlichen Entfernungen liegen. Erfindungsgemäß wird dann die o. g. Rückreflex-Messvorrichtung mit einer spektralen Trenn- und Analysevorrichtung ergänzt, die in der Lage ist, die Wellenlänge und die Intensität des Rückreflexes außerhalb und/oder einschließlich des Wellenlängenmessbereiches, in dem die Temperaturmessung erfolgt, kontinuierlich zu erfassen.
Für einfache Aufgaben reichen zwei oder drei diskrete Wellenlängen zur Ermittlung eines groben geometrischen Höhenprofils aus dem Fokus der beanspruchten Vorrichtung aus. Für komplexe Aufgaben kann weißes Licht verwendet werden, wobei die Fokussierlinse der beanspruchten Vorrichtung das vorhandene Spektrum der Weißlichtquelle im Bereich der Temperaturmesslinie in spektrale Bestandteile zerlegt, so dass eine in diesem Bereich liegende Oberfläche nur die Lichtanteile zurückreflektiert, die exakt auf die zu messenden Oberfläche fokussiert sind. Demnach entspricht die Wellenlänge des Rückreflexes der Lage der Objektoberfläche im Fokus, so dass in Verbindung mit der Scannerbewegung die gesamte Profilform der Objektoberfläche im Fokus vier Mal pro Scannerumdrehung gemessen wird.
Da der Strahlenversatz durch den Würfelscanner wellenlängenabhängig ist, entsteht ein kleiner winkelabhängiger systematischer Messfehler, der erfindungsgemäß in Bezug auf die augenblickliche Winkellage des Würfelscanners berechnet und kompensiert werden kann.
Bei dem in der 4 gezeigten Sensorsystem 10 wird über die Fokussierlinse 22 wird mit Hilfe der berührungslosen Temperaturmesseinrichtung 14 punktuell die temperaturbedingte Emission einer Objektoberfläche im Bereich 24 erfasst. Um die räumliche Auflösung der Temperaturmessung zu erhöhen, ist der drehbar gelagerter transparenter Polygonscanner 16 in den Strahlengang integriert, so dass durch den entstandenen Parallelversatz des Strahlenganges, der in der 6 mit d bezeichnet ist, die Oberflächenemission entlang der Messlinie 24 erfasst wird.
Zur Erfassung der Winkellage des Polygonscanners (hier als Würfel dargestellt) wird quer zur optischen Achse der Messvorrichtung das kollimierte Licht der LED 26 durch den Polygonscanner auf die PSD 28 projiziert. Dadurch kann jeder Temperaturmesswert einer Position entlang der Messlinie 24 zugeordnet werden. Gleichzeitig wird das Licht einer multispektralen Lichtquelle 44 über eine optische Faser 45 koaxial in den Strahlengang der Messvorrichtung eingekoppelt. Bedingt durch die chromatischen Aberrationen der Fokussierlinse 22 wird das Spektrum der Lichtquelle 40 zerlegt und in den Höhenmessbereich 46 fokussiert. Beim Auftreffen des Lichtes auf der Objektoberfläche wird die exakt darauf fokussierte Wellenlänge zurückreflektiert und kann aus der Faser 45 über einen Verzweiger 42 ausgekoppelt und mit einem spektralen Analysator 44 ausgewertet werden. Die hier gemessene Wellenlänge entspricht der Position des Auftreffpunktes des Lichtes im Höhenmessbereich 46. Somit lasst sich zu den gewonnenen Temperaturmessdaten auch die geometrische Objektoberflächenform entlang der Messlinie 24 ermitteln.