Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche unter Verwendung eines optischen Messverfahrens.The present invention relates to an apparatus and a method for measuring a surface. In particular, the present invention relates to an apparatus and a method for measuring a surface using an optical measuring method.
Die Messung einer Oberflächenkontur von dreidimensionalen Körpern hat vielfache Anwendungen, beispielsweise bei der Digitalisierung von Räumen, wie sie für Statikfragen im Bauingenieurwesen oder für Multimediaanwendungen eingesetzt wird, oder bei der quantitativen Qualitätskontrolle, insbesondere in der industriellen Produktion. Hierbei stellt die hochgenaue Vermessung sehr großer Objekte mit einer typischen Abmessung von einigen Metern mit einer hohen Auflösung eine Herausforderung dar.The measurement of a surface contour of three-dimensional bodies has multiple applications, for example in the digitization of rooms, as used for structural engineering or for multimedia applications, or in the quantitative quality control, especially in industrial production. Here, the highly accurate measurement of very large objects with a typical dimension of a few meters with a high resolution is a challenge.
Taktile Koordinatenmessmaschinen erreichen hohe Genauigkeiten in Volumina von einigen Kubikmetern. Diese Messungen können aber zeitintensiv sein, insbesondere wenn Positionen einer großen Zahl von über die Messkörperoberfläche verteilten Punkten bestimmt werden sollen. Koordinatenmessmaschinen für Objekte mit typischen Abmessungen im Meterbereich sind massive, nicht mobile Geräte. Die Verwendung einer taktile Messung ist außerdem bei empfindlichen Oberflächen nicht oder nur bedingt anwendbar.Tactile coordinate measuring machines achieve high accuracies in volumes of a few cubic meters. However, these measurements can be time-consuming, in particular if positions of a large number of points distributed over the measuring body surface are to be determined. Coordinate measuring machines for objects with typical dimensions in the meter range are massive, non-mobile devices. The use of a tactile measurement is also not or only partially applicable to sensitive surfaces.
Herkömmliche Messvorrichtungen zur optischen Vermessung einer Oberfläche, die einen Profilschnitt ermitteln, beruhen beispielsweise auf dem konfokalen Prinzip oder auf einer Triangulationsmessungen. Die EP 0 405 423 B1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Objekts, bei dem bzw. der neben einer Positionsbestimmung mittels Triangulation auch eine Ausrichtung eines Körpers ermittelt wird. Die EP 1 218 690 B1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Lage eines Zielverfolgungsspiegels und eine Spiegelanordnung dafür, wobei mittels interferometrischer Techniken eine Lageänderung der Spiegelanordnung ermittelt wird.Conventional measuring devices for optical measurement of a surface, which determine a profile section, based for example on the confocal principle or on a triangulation measurements. The EP 0 405 423 B1 describes a method and a device for determining the position of an object, in which or in addition to a position determination by means of triangulation, an orientation of a body is determined. The EP 1 218 690 B1 describes a method for determining the spatial position of a target tracking mirror and a mirror arrangement therefor, wherein a change in position of the mirror arrangement is determined by means of interferometric techniques.
Bei zahlreichen herkömmlichen Profilmessgeräten besteht eine Kopplung zwischen einer Größe des Messbereichs und einer erzielbaren Auflösung derart, dass für einen größeren Messbereich typischerweise nur eine geringere Auflösung erzielbar ist. Darüber hinaus unterliegen diese Messtechniken auch im Hinblick auf den Dynamikbereich der jeweiligen Messvorrichtung, in dem die Oberfläche vermessen werden kann, Einschränkungen.In many conventional profile measuring devices, there is a coupling between a size of the measuring range and an achievable resolution such that typically only a lower resolution can be achieved for a larger measuring range. Moreover, these measurement techniques are also limited in terms of the dynamic range of the particular measuring device in which the surface can be measured.
Laserweglängenmessgeräte erlauben die Bestimmung eines Abstands eines Objekts. In K. Minoshima and H. Matsumoto, „High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser”, Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5512–5517 (2000) wird eine Distanzmessung unter Verwendung von Frequenzkämmen unter Laborbedingungen beschrieben. Die beschriebene Messung kann zwar mit hoher Genauigkeit erfolgen, erfolgt aber in einer Dimension mit einem vorgegebenen Strahlengang und erlaubt nicht die Vermessung einer Oberfläche.Laser path length measuring devices allow the determination of a distance of an object. In K. Minoshima and H. Matsumoto, "High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser", Applied Optics, Vol. 30, pp. 5512-5517 (2000) a distance measurement using frequency combs under laboratory conditions is described. Although the described measurement can be done with high accuracy, but takes place in one dimension with a given beam path and does not allow the measurement of a surface.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche anzugeben. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren anzugeben, die bzw. das es erlaubt, eine Oberfläche berührungslos mit hoher Auflösung zu vermessen.The present invention has for its object to provide an improved apparatus and an improved method for measuring a surface. In particular, the invention has for its object to provide such a device and such a method which allows or to measure a surface without contact with high resolution.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben sind. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsbeispiele.According to the invention, this object is achieved by a device and a method as indicated in the independent claims. The dependent claims define advantageous or preferred embodiments.
Die angegebene Vorrichtung und das angegebene Verfahren erlauben es, eine Oberfläche berührungslos zu vermessen. Unter dem Vermessen einer Oberfläche wird hier typischerweise die Bestimmung wenigstens eines Profilschnitts oder der Topographie wenigstens eines flächigen Bereichs der Oberfläche verstanden.The specified device and the specified method make it possible to measure a surface without contact. By measuring a surface, the determination of at least one profile section or the topography of at least one area of the surface is typically understood here.
Eine Vorrichtung zum Vermessen einer Oberfläche nach einem Aspekt umfasst eine Lichtlenkeinrichtung, eine Detektoreinrichtung und eine Auswerteeinrichtung. Die Lichtlenkeinrichtung ist eingerichtet, um ein optisches Signal in einem Strahlenfächer auf die Oberfläche zu lenken, wobei das optische Signal eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate umfasst. Die Detektoreinrichtung ist eingerichtet, um Intensitäten von an einer Mehrzahl von Punkten der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signalen zu erfassen, wobei der Strahlenfächer die Mehrzahl von Punkten überdeckt. Die Auswerteeinrichtung ist mit der Detektoreinrichtung gekoppelt und eingerichtet, um zum Vermessen der Oberfläche Signalkomponenten der von der Detektoreinrichtung erfassten Intensitäten auszuwerten, wobei die Signalkomponenten der erfassten Intensitäten jeweils eine Frequenz aufweisen, die der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht.An apparatus for measuring a surface according to one aspect comprises a light-deflecting device, a detector device and an evaluation device. The light-directing device is configured to direct an optical signal in a fan beam onto the surface, wherein the optical signal comprises a sequence of light pulses with a repetition rate. The detector means is arranged to detect intensities of optical signals reflected and / or scattered at a plurality of points of the surface, wherein the beam fan covers the plurality of dots. The evaluation device is coupled to the detector device and configured to evaluate signal components of the intensities detected by the detector device for measuring the surface, the signal components of the detected intensities each having a frequency which corresponds to the repetition rate or a multiple of the repetition rate.
Die Vorrichtung erlaubt es, dass für eine Mehrzahl von Punkten der Oberfläche an den Punkten reflektierte und/oder gestreute Signale ausgewertet werden, um so die Oberfläche berührungslos zu vermessen. Beispielsweise kann jeweils die Phasenlage der Signalkomponenten der von der Detektoreinrichtung erfassten Intensitäten relativ zu einem Referenzsignal ausgewertet werden, um einen Abstand der zugehörigen Punkte der Oberfläche zu einer Referenzposition zu ermitteln, so dass ein Profilschnitt der Oberfläche ermittelt werden kann. Die Auswertung einer Signalkomponente, deren Frequenz der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht, für jede der erfassten Intensitäten erlaubt es, eine Weglängenmessung für die an der Mehrzahl von Punkten der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten Signale durchzuführen.The device allows reflected and / or scattered signals to be evaluated at a plurality of points of the surface at the points so as to measure the surface without contact. For example, in each case the phase position of the signal components of the Detector device detected intensities relative to a reference signal to determine a distance of the associated points of the surface to a reference position, so that a profile section of the surface can be determined. The evaluation of a signal component whose frequency corresponds to the repetition rate or a multiple of the repetition rate for each of the detected intensities makes it possible to perform a path length measurement for the signals reflected and / or scattered at the plurality of points of the surface.
Als Signalkomponente wird hierbei eine spektrale Komponente der erfassten Intensität als Funktion der Zeit bezeichnet. Die Auswerteeinrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, um für jede erfasste Intensität eine Phasenlage einer Signalkomponente der erfassten Intensität auszuwerten. Zur Auswertung der Phasenlage kann jeweils eine Phasendifferenz der Signalkomponente der Intensität mit einem mit derselben Frequenz oszillierenden Referenzsignal ermittelt werden, das eine Phasenlage des optischen Signals vor Durchlaufen des Wegs zu der Oberfläche abgeleitet wird.In this case, a spectral component of the detected intensity as a function of time is referred to as the signal component. The evaluation device can be set up, in particular, to evaluate a phase position of a signal component of the detected intensity for each detected intensity. In order to evaluate the phase position, in each case a phase difference of the signal component of the intensity can be determined with a reference signal oscillating at the same frequency, which is derived a phase position of the optical signal before passing the path to the surface.
Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um für jede der erfassten Intensitäten die Phasenlage einer Signalkomponente zu ermitteln, die mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert. Dadurch ist bei vorgegebener Phasenauflösung eine höhere Ortsauflösung erzielbar.The evaluation device can be set up to determine the phase position of a signal component that oscillates at a multiple of the repetition rate for each of the detected intensities. As a result, a higher spatial resolution can be achieved for a given phase resolution.
Die Lichtlenkeinrichtung kann eingerichtet sein, um das optische Signal zu dem Strahlenfächer aufzuweien, um das optische Signal gleichzeitig zu der Mehrzahl von Punkten der Oberfläche zu lenken. Dazu kann die Lichtlenkeinrichtung eine geeignete Aufweitungsoptik, beispielsweise eine Zylinderoptik, umfassen. Die Lichtlenkeinrichtung kann auch so eingerichtet sein, dass sie das optische Signal gleichzeitig zu einer Mehrzahl von zueinander geneigten Strahlenfächern aufweitet, um das optische Signal nicht nur entlang einer Linie, sondern entlang einer Mehrzahl von Linien oder in einem flächigen Bereich auf die Oberfläche zu lenken. Der Strahlenfächer wird dann von dem entsprechend aufgeweiteten Signal, beispielsweise einem Lichtkegel, umfasst. Diese Ausgestaltung erlaubt es, Messungen für mehrere Punkte der Oberfläche parallel durchzuführen.The light directing means may be arranged to waken the optical signal to the fan beam to guide the optical signal simultaneously to the plurality of dots of the surface. For this purpose, the light-directing device may comprise a suitable expansion optics, for example a cylinder optics. The light-directing device can also be set up so that it widens the optical signal simultaneously to a plurality of mutually inclined fan beams in order to direct the optical signal not only along a line but along a plurality of lines or in a flat area on the surface. The fan beam is then covered by the correspondingly expanded signal, for example a cone of light. This embodiment makes it possible to perform measurements for several points of the surface in parallel.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, um die reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale an mehreren Positionen zu empfangen. Die Vorrichtung kann so eingerichtet sein, dass unterschiedliche Positionen der mehreren Positionen die reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale von unterschiedlichen Punkten der Mehrzahl von Punkten empfangen. Dazu kann die Vorrichtung eine geeignete Abbildungsoptik umfassen. Beispielsweise kann an einer ersten Position, an der optische Signale empfangen werden, ein an einem ersten Punkt der Oberfläche reflektiertes und/oder gestreutes Signal empfangen werden, und an einer zu der ersten Position beabstandeten zweiten Position kann ein an einem zweiten Punkt der Oberfläche reflektiertes und/oder gestreutes Signal empfangen werden. Die Positionen, an denen die reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale empfangen werden, können durch optische oder elektrooptische Komponenten definiert sein, beispielsweise durch Detektoren der Detektoreinrichtung, durch Enden von Lichtleitfasern oder durch andere optische Elemente, mit denen Licht zu Fotodetektoren der Detektoreinrichtung gelenkt wird.The apparatus may be configured to receive the reflected and / or scattered optical signals at a plurality of positions. The apparatus may be configured such that different positions of the plurality of positions receive the reflected and / or scattered optical signals from different points of the plurality of points. For this purpose, the device may comprise a suitable imaging optics. For example, at a first position where optical signals are received, a signal reflected and / or scattered at a first point of the surface may be received, and at a second position spaced from the first position, a second point of the surface may be reflected / or scattered signal are received. The positions at which the reflected and / or scattered optical signals are received may be defined by optical or electro-optical components, for example detectors of the detector means, ends of optical fibers or other optical elements with which light is directed to photodetectors of the detector means ,
Die Auswerteeinrichtung kann einen Signalverarbeitungspfad zum Bestimmen einer Phasenlage eines mit der Repetitionsrate oder dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden elektrischen Signals umfassen. Die Vorrichtung kann so eingerichtet sein, dass dem Signalpfad steuerbar ein elektrisches Signal zuführbar ist, das wahlweise eine Intensität eines an einer ersten Position der mehreren Positionen empfangenen reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals oder eines an einer zweiten Position der mehreren Positionen empfangenen reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals repräsentiert. Diese Ausgestaltung ermöglicht, dass nicht für jede der Positionen, an denen die reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale empfangen werden, ein separater Signalverarbeitungspfad in der Auswerteeinrichtung vorgesehen werden muss.The evaluation device may comprise a signal processing path for determining a phase position of an electrical signal oscillating at the repetition rate or the multiple of the repetition rate. The apparatus may be arranged to controllably supply an electrical signal to the signal path, optionally including an intensity of a reflected and / or scattered optical signal received at a first position of the plurality of positions, and a reflected and / or received at a second position of the plurality of positions; or scattered optical signal. This configuration makes it possible not to provide a separate signal processing path in the evaluation device for each of the positions at which the reflected and / or scattered optical signals are received.
Die Vorrichtung kann einen mit dem Signalverarbeitungspfad gekoppelten Multiplexer für elektrische Signale oder einen mit dem Signalverarbeitungspfad gekoppelten Multiplexer für optische Signale aufweisen. Falls beispielsweise die Detektoreinrichtung mehrere Detektoren umfasst, können Ausgangssignale eines ersten Detektors und eines zweiten Detektors über einen Multiplexer für elektrische Signale dem Signalverarbeitungspfad zugeführt werden. Falls die an der Mehrzahl von Punkten reflektierten und/oder gestreuten Signale mit Lichtleitfasern zu der Detektoreinrichtung geleitet werden, können mindestens zwei Lichtleitfasern mit einem Multiplexer für optische Signale gekoppelt sein.The apparatus may include an electrical signal multiplexer coupled to the signal processing path or an optical signal multiplexer coupled to the signal processing path. For example, if the detector device comprises a plurality of detectors, output signals of a first detector and a second detector may be supplied to the signal processing path via an electrical signal multiplexer. If the signals reflected and / or scattered at the plurality of points are conducted to the detector device with optical fibers, at least two optical fibers may be coupled to an optical signal multiplexer.
Die Detektoreinrichtung kann mehrere Detektoren umfassen, wobei ein Detektor und ein weiterer Detektor der mehreren Detektoren eingerichtet sein können, um an unterschiedlichen Punkten der Mehrzahl von Punkten reflektierte und/oder gestreute optische Signale zu erfassen. Die Vorrichtung kann so ausgestaltet sein, dass paarweise verschiedene Detektoren der mehreren Detektoren optische Signale von paarweise verschiedenen Punkten der Mehrzahl von Punkten empfangen. Die Detektoreinrichtung kann eine Zeile von Fotodetektoren umfassen. Die Detektoreinrichtung kann auch als flächige Anordnung von Fotodetektoren ausgebildet sein, um die gleichzeitige Erfassung von an einem flächigen Bereich der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signalen zu erlauben.The detector device may comprise a plurality of detectors, wherein a detector and a further detector of the plurality of detectors may be arranged to detect at different points of the plurality of points reflected and / or scattered optical signals. The apparatus may be configured such that paired detectors of the plurality of detectors receive optical signals from pairwise different points of the plurality of points. The Detector means may comprise a line of photodetectors. The detector device can also be designed as a planar arrangement of photodetectors in order to allow the simultaneous detection of optical signals reflected and / or scattered on a flat region of the surface.
Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um gleichzeitig ein Ausgangssignal des Detektors und ein Ausgangssignal des weiteren Detektors zu verarbeiten. Auf diese Weise können die an unterschiedlichen Punkten der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale parallel ausgewertet werden.The evaluation device can be set up to simultaneously process an output signal of the detector and an output signal of the further detector. In this way, the optical signals reflected and / or scattered at different points on the surface can be evaluated in parallel.
Die Lichtlenkeinrichtung kann so eingerichtet sein, dass die Lichtlenkeinrichtung eine Scaneinrichtung umfasst, mit der das optische Signale in einem Lichtstrahl als Funktion der Zeit so abgelenkt wird, dass es den Strahlenfächer überstreicht. Die Scaneinrichtung kann einen Resonanzscanner, einen Galvanometerscanner oder einen Polygonscanner umfassen.The light-directing device can be set up such that the light-directing device comprises a scanning device with which the optical signal in a light beam is deflected as a function of time in such a way that it passes over the beam fan. The scanning device may comprise a resonance scanner, a galvanometer scanner or a polygon scanner.
Die Lichtlenkeinrichtung kann als Resonanzscanner ausgebildet sein und ein oszillierendes Element, das eine Resonanzfrequenz aufweist, insbesondere ein mechanisch schwingendes Element, umfassen, um das optische Signal sequentiell zu der Mehrzahl von Punkten zu lenken. Mit einem Resonanzscanner kann durch geeignete Wahl der Oszillationsfrequenz eine schnelle Abtastung der Mehrzahl von Punkten der Oberfläche erfolgen. Die Oszillationsfrequenz kann abhängig von einer für die von der Auswerteeinrichtung für die Auswertung einer Signalkomponente einer erfassten Intensität benötigte Zeit gewählt werden.The light-directing device may be formed as a resonance scanner and comprise an oscillating element having a resonant frequency, in particular a mechanically oscillating element, for directing the optical signal sequentially to the plurality of points. By means of a resonance scanner, by a suitable choice of the oscillation frequency, a fast scanning of the plurality of points of the surface can take place. The oscillation frequency can be selected as a function of the time required by the evaluation device for the evaluation of a signal component of a detected intensity.
Die Vorrichtung kann eine Steuereinrichtung umfassen, mit der eine Amplitude und/oder Nulllage der Schwingungsbewegung des oszillierenden Elements steuerbar ist.The device may comprise a control device with which an amplitude and / or zero position of the oscillatory movement of the oscillating element can be controlled.
Die Auswerteeinrichtung kann mit einem Sensor für das oszillierende Element gekoppelt und eingerichtet sein, um abhängig von Phasenlagen der Schwingungsbewegung des oszillierenden Elements und den von der Detektoreinrichtung erfassten Intensitäten Positionen der Mehrzahl von Punkten zu bestimmen. Dies erlaubt es, die Oberfläche zu vermessen, selbst wenn die Lichtlenkeinrichtung nicht gesteuert einen einzigen Punkt abtasten kann.The evaluation device can be coupled to a sensor for the oscillating element and configured to determine positions of the plurality of points as a function of phase angles of the oscillatory movement of the oscillating element and the intensities detected by the detector device. This allows the surface to be measured, even if the light guide can not scan a single point under control.
Die Vorrichtung kann ein f-Theta-Objektiv umfassen, das beispielsweise in dem Strahlengang zwischen der Scaneinrichtung und der Oberfläche vorgesehen sein kann.The device may comprise an f-theta objective, which may be provided for example in the beam path between the scanning device and the surface.
Die Vorrichtung kann so eingerichtet sein, dass die durch den Strahlenfächer definierte verstellbar ist. Auf diese Weise kann der Strahlenfächer so verstellt werden, dass mehrere unabhängige Profilschnitte aufgenommen werden können. Dazu kann die Vorrichtung einen steuerbaren Umlenkspiegel umfassen.The device may be arranged so that the defined by the fan beam is adjustable. In this way, the fan beam can be adjusted so that several independent profile sections can be recorded. For this purpose, the device may comprise a controllable deflecting mirror.
Die Vorrichtung kann eine steuerbare Antriebseinrichtung umfassen, mit der wenigstens die Lichtlenkeinrichtung und/oder die Detektoreinrichtung relativ zu der zu vermessenden Oberfläche repositioniert werden können. Die Antriebseinrichtung kann elektronisch, insbesondere abhängig von die Oberfläche betreffenden Daten angesteuert werden. Die die Oberfläche betreffenden Daten können aus einem aufgenommenen Übersichtsbild oder bekannten CAD-Daten der Oberfläche gewonnen werden. Auf diese Weise kann gezielt ein Bereich der Oberfläche angefahren werden, der mit höherer Genauigkeit zu vermessen ist.The device may comprise a controllable drive device with which at least the light-directing device and / or the detector device can be repositioned relative to the surface to be measured. The drive device can be controlled electronically, in particular as a function of the surface-related data. The data concerning the surface can be obtained from a recorded overview image or known CAD data of the surface. In this way, a specific area of the surface can be approached, which can be measured with higher accuracy.
Die Vorrichtung kann eine Lichtquelle zum Erzeugen des optischen Signals umfassen. Die Lichtquelle kann einen Kurzpulslaser umfassen. Die Lichtquelle kann als optischer Frequenzkamm-Generator ausgestaltet sein, um zum Erzeugen des optischen Signals einen optischen Frequenzkamm zu erzeugen. Optische Frequenzkämme weisen eine hohe Phasenstabilität und ein ausgeprägtes Oberwellenspektrum im Frequenzraum auf und erlauben, eine Signalkomponente der Intensität, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, zur Auswertung heranzuziehen.The device may include a light source for generating the optical signal. The light source may comprise a short pulse laser. The light source may be configured as an optical frequency comb generator to generate an optical frequency comb for generating the optical signal. Optical frequency combs have a high phase stability and a pronounced harmonic spectrum in the frequency domain and allow a signal component of the intensity, which oscillates at a multiple of the repetition rate, to be used for the evaluation.
Bei einem Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche nach einem Aspekt wird ein optisches Signal in einem Strahlenfächer auf die Oberfläche gelenkt, wobei das optische Signal eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate umfasst. Intensitäten von an einer Mehrzahl von Punkten der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signalen werden erfasst, wobei die Mehrzahl von Punkten von dem Strahlenfächer überdeckt werden. Signalkomponenten der erfassten Intensitäten werden ausgewertet, wobei die ausgewerteten Signalkomponenten jeweils eine Frequenz aufweisen, die der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht.In a method for measuring a surface in one aspect, an optical signal in a fan beam is directed onto the surface, the optical signal comprising a train of light pulses at a repetition rate. Intensities of optical signals reflected and / or scattered at a plurality of points of the surface are detected, the plurality of points being covered by the beam fan. Signal components of the detected intensities are evaluated, wherein the evaluated signal components each have a frequency which corresponds to the repetition rate or a multiple of the repetition rate.
Das Verfahren erlaubt es, dass für eine Mehrzahl von Punkten der Oberfläche an den entsprechenden Punkten reflektierte und/oder gestreute Signale ausgewertet werden, um so die Oberfläche berührungslos zu vermessen. Beispielsweise kann ein Profilschnitt der Oberfläche ermittelt werden. Die Auswertung einer Signalkomponente, deren Frequenz der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht, für jede der erfassten Intensitäten erlaubt es, eine Weglängenmessung für die an der Mehrzahl von Punkten der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten Signale durchzuführen. Auf diese Weise können Abstände der Punkte zu einer Referenzposition ermittelt werden.The method allows reflected and / or scattered signals to be evaluated for a plurality of points of the surface at the corresponding points so as to measure the surface in a non-contact manner. For example, a profile section of the surface can be determined. The evaluation of a signal component whose frequency corresponds to the repetition rate or a multiple of the repetition rate for each of the detected intensities makes it possible to provide a path length measurement for the signals reflected and / or scattered at the plurality of points of the surface perform. In this way, distances of the points to a reference position can be determined.
Zum Auswerten der Signalkomponenten kann für jede erfasste Intensität eine Phasenlage einer Signalkomponente der erfassten Intensität ausgewertet werden. Zum Auswerten der Phasenlage kann jeweils eine Phasendifferenz der Signalkomponente der Intensität mit einem mit derselben Frequenz oszillierenden Signalkomponente eines Referenzsignais ermittelt werden, das eine Phasenlage des optischen Signals vor Durchlaufen des Wegs zur und von der Oberfläche abgeleitet wird.To evaluate the signal components, a phase position of a signal component of the detected intensity can be evaluated for each detected intensity. For evaluating the phase position, in each case a phase difference of the signal component of the intensity can be determined with a signal component of a reference signal oscillating at the same frequency, which is derived a phase position of the optical signal before passing through the path to and from the surface.
Das optische Signal kann zu dem Strahlenfächer aufgeweiet und gleichzeitig zu der Mehrzahl von Punkten der Oberfläche gelenkt werden.The optical signal may be woken up to the fan beam and directed simultaneously to the plurality of points of the surface.
Die an der Mehrzahl von Punkten der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale können an mehreren Positionen empfangen werden, wobei an unterschiedlichen Positionen der mehreren Positionen optische Signale empfangen werden, die an unterschiedlichen Punkten der Mehrzahl von Punkten reflektiert und/oder gestreut werden. Die Positionen, an denen die reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale empfangen werden, können durch optische oder elektrooptische Komponenten definiert sein, beispielsweise durch Detektoren der Detektoreinrichtung, durch Enden von Lichtleitfasern oder durch andere optische Elemente, mit denen Licht zu Fotodetektoren der Detektoreinrichtung gelenkt wird.The optical signals reflected and / or scattered at the plurality of points of the surface may be received at a plurality of positions, and at different positions of the plurality of positions, optical signals are received which are reflected and / or scattered at different points of the plurality of points. The positions at which the reflected and / or scattered optical signals are received may be defined by optical or electro-optical components, for example detectors of the detector means, ends of optical fibers or other optical elements with which light is directed to photodetectors of the detector means ,
Bei dem Verfahren kann einem Signalverarbeitungspfad zum Bestimmen einer Phasenlage eines mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden elektrischen Signals steuerbar ein elektrisches Signal zugeführt werden, das wahlweise eine Intensität eines an einer ersten Position der mehreren Positionen empfangenen reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals oder eines an einer zweiten Position der mehreren Positionen empfangenen reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals repräsentiert. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, für jede der Positionen, an denen die reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale erfasst werden, einen separaten Signalverarbeitungspfad vorzusehen.In the method, an electrical signal may be controllably supplied to a signal processing path for determining a phase angle of an electrical signal oscillating at the multiple of the repetition rate, optionally an intensity of a reflected and / or scattered optical signal received at a first position of the plurality of positions or at one second position of the plurality of positions received reflected and / or scattered optical signal represents. In this way, it is not necessary to provide a separate signal processing path for each of the positions at which the reflected and / or scattered optical signals are detected.
Ein an einem Punkt der Mehrzahl von Punkten reflektiertes und/oder gestreutes optisches Signal kann mit einem Detektor und ein an einem weiteren Punkt der Mehrzahl von Punkten reflektiertes und/oder gestreutes optisches Signal kann mit einem weiteren Detektor erfasst werden, wobei die Signale parallel verarbeitet werden können.An optical signal reflected and / or scattered at one point of the plurality of points may be detected by a detector and an optical signal reflected and / or scattered at another point of the plurality of points may be detected by another detector, the signals being processed in parallel can.
Das optische Signal kann in einem Lichtstrahl so gelenkt werden, dass es den Strahlenfächer überstreicht. Dazu kann das optische Signal mit einer Scaneinrichtung abgelenkt werden. Das optische Signal kann mit einem Resonanzscanner abgelenkt werden. Das optische Signal kann mit einem oszillierenden Element, das eine Resonanzfrequenz aufweist, insbesondere mit einem mechanisch schwingenden Element sequentiell zu der Mehrzahl von Punkten gelenkt werden.The optical signal can be directed in a light beam so that it sweeps over the beam fan. For this purpose, the optical signal can be deflected by a scanning device. The optical signal can be deflected with a resonance scanner. The optical signal can be directed to the plurality of points with an oscillating element having a resonant frequency, in particular with a mechanically oscillating element, sequentially.
Eine Phasenlage einer Schwingungsbewegung des oszillierenden Elements und die Signalkomponenten der erfassten Intensitäten können ausgewertet werden, um Positionen der Mehrzahl von Punkten zu bestimmen. Dabei kann eine Richtung der Punkte relativ zu einem vorgegebenen Referenzpunkt und ein Abstand der Punkte von dem vorgegebenen Referenzpunkt bestimmt werden.A phase of a vibratory motion of the oscillating element and the signal components of the detected intensities may be evaluated to determine positions of the plurality of points. In this case, a direction of the points relative to a predetermined reference point and a distance of the points from the predetermined reference point can be determined.
Das oszillierende Element kann derart gesteuert werden, dass das optische Signal die Mehrzahl von Punkten in einer ersten Richtung und in einer dazu entgegengesetzten zweiten Richtung überstreicht, wobei zum Vermessen der Oberfläche die Intensitäten, die beim Überstreichen der Mehrzahl von Punkten in der ersten Richtung erfasst werden, und die Intensitäten, die beim Überstreichen der Mehrzahl von Punkten in der zweiten Richtung erfasst werden, ausgewertet werden. Auf diese Weise können Abbildungsfehler, die durch die endliche Signalverarbeitungszeit der erfassten Intensitäten bei einer kontinuierlichen Bewegung des optischen Signals hervorgerufen werden, durch eine geeignete Kombination der bei Scanbewegungen in entgegengesetzte Richtungen ermittelten Daten wenigstens teilweise kompensiert werden.The oscillating element may be controlled such that the optical signal sweeps over the plurality of points in a first direction and in a second direction opposite thereto, wherein for measuring the surface, the intensities detected when sweeping the plurality of points in the first direction , and the intensities detected when sweeping the plurality of dots in the second direction are evaluated. In this way, aberrations caused by the finite signal processing time of the detected intensities in a continuous movement of the optical signal can be at least partially compensated by an appropriate combination of the data obtained during scanning movements in opposite directions.
Der Strahlenfächer kann so verstellt werden, dass der Strahlenfächer sequentiell in unterschiedlichen Ebenen liegt. Auf diese Weise können für mehrere Bereiche der Oberfläche Profilschnitte aufgenommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Öffnungswinkel des Strahlenfächers gesteuert werden. Die Steuerung der Position und/oder des Öffnungswinkels des Strahlenfächers kann abhängig von die Oberfläche betreffenden Daten erfolgen. Die die Oberfläche betreffenden Daten können durch ein Übersichtsbild oder durch CAD-Daten oder dergleichen gewonnen werden.The fan beam can be adjusted so that the fan beam is located sequentially in different planes. In this way, profile sections can be taken for several areas of the surface. Alternatively or additionally, an opening angle of the fan beam can be controlled. The control of the position and / or the opening angle of the fan beam can be done depending on the surface data. The data concerning the surface can be obtained by an overview image or by CAD data or the like.
Das optische Signal kann ein optischer Frequenzkamm sein. Optische Frequenzkämme weisen eine hohe Phasenstabilität und ein ausgeprägtes Oberwellenspektrum im Frequenzraum auf und erlauben, eine Signalkomponente der Intensität, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, zur Auswertung heranzuziehen.The optical signal may be an optical frequency comb. Optical frequency combs have a high phase stability and a pronounced harmonic spectrum in the frequency domain and allow a signal component of the intensity, which oscillates at a multiple of the repetition rate, to be used for the evaluation.
Das Verfahren nach einem Aspekt oder Ausführungsbeispiel kann mit einer Vorrichtung nach einem Aspekt oder Ausführungsbeispiel der Erfindung durchgeführt werden.The method according to one aspect or embodiment can be used with a device according to an aspect or embodiment of the invention are performed.
Während hier auf „Punkte” der Oberfläche und auf an den Punkten der Oberfläche reflektierte und/oder gestreute Signale Bezug genommen wird, die von der Detektoreinrichtung erfasst werden, wird der Begriff „Punkt” in diesem Kontext nicht nur für nulldimensionale Objekte verwendet, sondern bezieht sich auch auf Abschnitte der Oberfläche mit kleinen lateralen Abmessungen. Derartige Abschnitte können beispielsweise durch einen Strahldurchmesser des von der Messeinrichtung verwendeten optischen Signals und/oder eine laterale Auflösung der Detektoreinrichtung und der zugehörigen Abbildungsoptik definiert sein.While reference is here made to "dots" of the surface and to signals reflected and / or scattered at the points of the surface detected by the detector means, the term "dot" in this context is not only used for zero-dimensional objects, but refers also affects sections of the surface with small lateral dimensions. Such sections may for example be defined by a beam diameter of the optical signal used by the measuring device and / or a lateral resolution of the detector device and the associated imaging optics.
Die Vorrichtungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung können allgemein zum Vermessen von Oberflächen eingesetzt werden. Ein beispielhaftes Anwendungsfeld sind Messanwendungen in der quantitativen Qualitätskontrolle, insbesondere in der industriellen Produktion. Jedoch sind die Ausführungsbeispiele der Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.The apparatus and methods of various embodiments of the invention can be used generally for surveying surfaces. An exemplary field of application are measurement applications in quantitative quality control, in particular in industrial production. However, the embodiments of the invention are not limited to these applications.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the accompanying drawings.
1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel. 1 is a schematic representation of a device according to an embodiment.
2 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung von 1 beim Vermessen einer Oberfläche. 2 is a schematic representation of the device of 1 when measuring a surface.
3A und 3B sind schematische Darstellungen einer Detektoreinrichtung und einer damit gekoppelten Auswerteeinrichtung einer Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel. 3A and 3B are schematic representations of a detector device and an evaluation device coupled thereto of a device according to an embodiment.
4 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. 4 is a schematic representation of a device according to another embodiment.
5 ist eine Flussdiagrammdarstellung eines Verfahrens zum Vermessen einer Oberfläche nach einem Ausführungsbeispiel. 5 FIG. 10 is a flowchart illustration of a method of measuring a surface according to an embodiment. FIG.
6A und 6B zeigen schematische Darstellungen von beispielhaften Messprofilen zur Erläuterung des Verfahrens von 5. 6A and 6B show schematic representations of exemplary measurement profiles for explaining the method of 5 ,
7 zeigt schematische Darstellungen von beispielhaften Messprofilen zur Erläuterung des Verfahrens von 5. 7 shows schematic representations of exemplary measurement profiles for explaining the method of 5 ,
8 ist eine Flussdiagrammdarstellung eines Verfahrens zum Vermessen einer Oberfläche nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. 8th FIG. 10 is a flowchart illustration of a method of measuring a surface according to another embodiment. FIG.
9A, 9B und 9C sind schematische Darstellungen einer Oberflächenstruktur und von beispielhaften Messprofilen zur Erläuterung des Verfahrens von 8. 9A . 9B and 9C are schematic representations of a surface structure and exemplary measuring profiles for explaining the method of 8th ,
10 ist eine schematische Darstellung einer Oberfläche zur Erläuterung des Verfahrens von 8. 10 is a schematic representation of a surface for explaining the method of 8th ,
11 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Signalverarbeitungspfads einer Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel. 11 shows a schematic block diagram of a signal processing path of a device according to an embodiment.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern dies in der nachfolgenden Beschreibung nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird. Auch wenn einzelne Ausführungsbeispiele im Hinblick auf spezifische Anwendungen, beispielsweise im Kontext einer industriellen Anlage, beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.Hereinafter, embodiments of the invention are explained in detail. The features of the various embodiments may be combined with each other unless expressly excluded in the following description. Although individual embodiments are described with respect to specific applications, for example in the context of an industrial plant, the present invention is not limited to these applications.
1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zum Vermessen einer Oberfläche 10 nach einem Ausführungsbeispiel. 1 is a schematic representation of a device 1 for measuring a surface 10 according to an embodiment.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Lichtquelle 2, die mit einer Repetitionsrate eine Folge kurzer Lichtpulse erzeugt, eine Lichtlenkeinrichtung 3, die von der Lichtquelle 2 erzeugte Folge von Lichtpulsen zu einem Strahlenfächer aufweitet, eine Detektoreinrichtung 6 mit mehreren Fotodetektoren 6a–6c und eine Auswerteeinrichtung 7, deren Ausgestaltung und Funktionsweise nachfolgend noch näher erläutert wird. Die Vorrichtung umfasst weiterhin optische Komponenten, beispielsweise einen Strahlteiler 4 und eine Abbildungsoptik 5, die so eingerichtet sind, dass das von der Lichtquelle 2 erzeugte optische Signal in dem Strahlenfächer 11 auf die Oberfläche 10 auftrifft und an Punkten 12 der Oberfläche reflektierte und/oder gestreute optische Signale von den Detektoren der Detektoreinrichtung 6 erfasst werden.The device 1 includes a light source 2 , which generates a sequence of short light pulses at a repetition rate, a light-deflecting device 3 that from the light source 2 generated sequence of light pulses to a fan beam expands, a detector device 6 with several photodetectors 6a - 6c and an evaluation device 7 , whose design and operation will be explained in more detail below. The device further comprises optical components, for example a beam splitter 4 and an imaging optics 5 that are set up that by the light source 2 generated optical signal in the fan beam 11 on the surface 10 hits and points 12 the surface of reflected and / or scattered optical signals from the detectors of the detector device 6 be recorded.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 erzeugt die Lichtquelle 2 eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate. Die Lichtquelle 2 kann beispielsweise als optischer Frequenzkamm-Generator ausgestaltet sein, der mit hoher Phasenstabilität eine Folge von Lichtpulsen erzeugt, deren Dauer kurz im Vergleich zu einem zeitlichen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen ist. Die Lichtlenkeinrichtung 3 weist eine Aufweitungsoptik, beispielsweise eine Zylinderoptik, auf, um das von der Lichtquelle erzeugte optische Signal 13 zu einem Strahlenfächer 11 aufzuweiten. Das optische Signal 13 wird in dem Strahlenfächer 11 über den Strahlteiler 4 auf die Oberfläche 10 gelenkt, wobei der von dem Strahlenfächer 11 auf der Oberfäche 10 beleuchtete Bereich eine Mehrzahl von Punkten 12 definiert, an denen der Profilschnitt der Oberfläche 10 ermittelt wird. An der Mehrzahl von Punkten 12 wird das in dem Strahlenfächer 11 auftreffende optische Signal 13 gestreut und/oder reflektiert. Die gestreuten und/oder reflektierten optischen Signale 14a, 14c werden über den Strahlteiler 4 und die Abbildungsoptik 5 zu der Detektoreinrichtung 6 gelenkt. Dabei sind die optischen Komponenten der Vorrichtung 1 derart eingerichtet, dass die an unterschiedlichen Positionen der Detektoreinrichtung 6 auf die Detektoreinrichtung 6 einfallenden gestreuten und/oder reflektierten optischen Signale 14a, 14c unterschiedlichen Punkten 12a, 12b, 12c der Oberfläche zuordenbar sind. Die Detektoreinrichtung 6 der Vorrichtung 1 weist eine zeilenförmige Anordnung von Fotodetektoren 6a, 6b, 6c auf, wobei der Fotodetektor 6a ein an dem Punkt 12a der Oberfläche 10 gestreutes und/oder reflektiertes optisches Signal 14a, der Fotodetektor 6b ein an dem Punkt 12b der Oberfläche 10 gestreutes und/oder reflektiertes optisches Signal und der Fotodetektor 6c ein an dem Punkt 12c der Oberfläche 10 gestreutes und/oder reflektiertes optisches Signal 14c erfasst. Anders ausgedrückt wird die durch die Lichtquelle 2 und die Aufweitungsoptik 3 auf die Oberfläche 10 projizierte Linie, der aufgrund der gepulsten Lichtabgabe der Lichtquelle 2 ein zeitliches Muster aufgeprägt ist, über den Strahlteiler 4 und die Abbildungsoptik 5 auf die Detektoreinrichtung 6 abgebildet. Die Abbildungsoptik 5 ist vorteilhaft so eingerichtet, dass ein Punkt der Oberfläche 10 im Wesentlichen auf genau einen Detektor der Detektoreinrichtung 6 abgebildet wird. Um variable Abstände der Oberfläche 10 von den Komponenten der Vorrichtung 1 zu berücksichtigen, kann die Abbildungsoptik 5 beispielsweise relativ zu der Detektoreinrichtung 6 und dem Strahlteiler 4 beweglich angeordnet sein. Die Position der Abbildungsoptik 5, bzw. falls die Abbildungsoptik mehrere optische Komponenten umfasst, die Positionen der optischen Komponenten der Abbildungsoptik 5, kann bzw. können basierend auf einem mit einer weiteren Messmethode ermittelten Schätzwert für den Abstand zwischen einem Punkt der Oberfläche, beispielsweise dem Auftreffpunkt des Mittelstrahls des Strahlenfächers 11, und dem Strahlteiler 4 eingestellt werden.In operation of the device 1 creates the light source 2 a sequence of light pulses with a repetition rate. The light source 2 For example, it can be designed as an optical frequency comb generator which generates with high phase stability a series of light pulses whose duration is short in comparison to a time interval between successive pulses. The light deflecting device 3 has an expansion optics, such as a cylinder optics, around the optical signal generated by the light source 13 to a fan of light 11 dilate. The optical signal 13 will be in the fan-beam 11 over the beam splitter 4 on the surface 10 steered, the one of the fan beam 11 on the surface 10 illuminated area a plurality of points 12 defines where the profile section of the surface 10 is determined. At the majority of points 12 will that be in the fan-beam 11 impinging optical signal 13 scattered and / or reflected. The scattered and / or reflected optical signals 14a . 14c be over the beam splitter 4 and the imaging optics 5 to the detector device 6 directed. In this case, the optical components of the device 1 arranged such that at different positions of the detector device 6 on the detector device 6 incident scattered and / or reflected optical signals 14a . 14c different points 12a . 12b . 12c the surface are assignable. The detector device 6 the device 1 has a row-shaped arrangement of photodetectors 6a . 6b . 6c on, with the photodetector 6a one at the point 12a the surface 10 scattered and / or reflected optical signal 14a , the photodetector 6b one at the point 12b the surface 10 scattered and / or reflected optical signal and the photodetector 6c one at the point 12c the surface 10 scattered and / or reflected optical signal 14c detected. In other words, that is due to the light source 2 and the expansion optics 3 on the surface 10 projected line due to the pulsed light output of the light source 2 a temporal pattern is impressed on the beam splitter 4 and the imaging optics 5 on the detector device 6 displayed. The imaging optics 5 is advantageously set up to be a point of the surface 10 essentially to exactly one detector of the detector device 6 is shown. To variable distances of the surface 10 from the components of the device 1 to take into account, the imaging optics 5 for example, relative to the detector device 6 and the beam splitter 4 be arranged movably. The position of the imaging optics 5 or, if the imaging optics comprises a plurality of optical components, the positions of the optical components of the imaging optics 5 , Can or can based on a determined with a further measurement method estimate of the distance between a point of the surface, for example, the impact point of the center beam of the fan beam 11 , and the beam splitter 4 be set.
Jeder der Detektoren 6a, 6b, 6c der Detektoreinrichtung 6 erfasst eine Intensität des auf ihn einfallenden gestreuten und/oder reflektierten optischen Signals als Funktion der Zeit. Die von den Detektoren 6a, 6b, 6c der Detektoreinrichtung 6 erfassten Intensitäten spiegeln die Folge von Pulsen mit der Repetitionsrate wieder, wobei unterschiedliche zurückgelegte Weglängen zu unterschiedlichen Laufzeiten der erfassten gestreuten und/oder reflektierten optischen Signale führen, aus denen die zurückgelegten Weglängen ermittelbar sind.Each of the detectors 6a . 6b . 6c the detector device 6 detects an intensity of the scattered and / or reflected optical signal incident thereto as a function of time. The of the detectors 6a . 6b . 6c the detector device 6 detected intensities reflect the sequence of pulses with the repetition rate, wherein different path lengths covered lead to different transit times of the detected scattered and / or reflected optical signals, from which the traveled path lengths can be determined.
Die Auswerteeinrichtung 7 weist eine Mehrzahl von Signalverarbeitungspfaden 7a, 7b, 7c zur Verarbeitung der Ausgangssignale der Detektoren der Detektoreinrichtung 6 auf. Jedem der Signalverarbeitungspfade 7a, 7b, 7c wird ein elektrisches Signal 16a, 16b, 16c zugeführt, das eine von einem der Detektoren der Detektoreinrichtung 6 erfasste Intensität als Funktion der Zeit repräsentiert. Bei einem Ausführungsbeispiel kann für jeden Detektor ein zugeordneter Signalverarbeitungspfad in der Auswerteeinrichtung 7 vorgesehen sein. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine Anzahl der Signalverarbeitungspfade der Auswerteeinrichtung 7 kleiner sein als eine Anzahl der Detektoren der Detektoreinrichtung 6. Im letzteren Fall kann ein Signalverarbeitungspfad mehreren Detektoren der Detektoreinrichtung 6 zugeordnet sein, wie unter Bezugnahme auf 3A und 3B noch näher erläutert wird.The evaluation device 7 has a plurality of signal processing paths 7a . 7b . 7c for processing the output signals of the detectors of the detector device 6 on. Each of the signal processing paths 7a . 7b . 7c becomes an electrical signal 16a . 16b . 16c fed, one of the detectors of the detector device 6 represents detected intensity as a function of time. In one embodiment, an associated signal processing path in the evaluation device may be provided for each detector 7 be provided. In a further embodiment, a number of the signal processing paths of the evaluation device 7 less than a number of detectors of the detector device 6 , In the latter case, a signal processing path may be a plurality of detectors of the detector device 6 be assigned as with reference to 3A and 3B will be explained in more detail.
Der Auswerteeinrichtung 7 wird ein Referenzsignal 15 zugeführt, das eine Intensität des von der Lichtquelle 2 erzeugten gepulsten optischen Signals repräsentiert, d. h. das die Phasenlage ohne Durchlaufen der Weglänge zur und von der Oberfläche 10 aufweist. Das Referenzsignal 15 kann beispielsweise erzeugt werden, indem ein Anteil des von der Lichtquelle 2 erzeugten optischen Signals 13 innerhalb oder außerhalb eines Gehäuses der Lichtquelle 2 abgezweigt und auf einen Referenzsignaldetektor gelenkt wird, der das elektrische Referenzsignal 15 bereitstellt. Um Information über die Laufzeit der optischen Signals über einen der Mehrzahl von Punkten der Oberfläche 10 zu dem zugeordneten Detektor der Detektoreinrichtung 6 zu erhalten, wird in dem entsprechenden Signalverarbeitungspfad eine Signalkomponente des Ausgangssignals des Detektors ausgewertet, deren Frequenz der Repetitionsrate der Folge von Lichtpulsen, die im Folgenden mit f0 bezeichnet wird, oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht. Insbesondere kann zur Bestimmung einer Laufzeit des entsprechenden reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals eine Signalkomponente des Ausgangssignals des Detektors ausgewertet werden, deren Frequenz mit einem großen ganzzahligen Vielfachen n·f0 mit n >> 1, beispielsweise mit n > 100, oszilliert. Das Auswerten der von einem der Detektoren der Detektoreinrichtung 6 erfassten Intensität in der Auswerteeinrichtung 7 kann insbesondere die Ermittlung einer Phasendifferenz zwischen der Signalkomponente der erfassten Intensität und der mit derselben Frequenz oszillierenden Signalkomponente des Referenzsignals 15 umfassen. Diese Phasendifferenz ist gleich dem Produkt aus der Frequenz der Signalkomponente und der Laufzeit des an der Oberfläche 10 reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals relativ zu einer Laufzeit zu der Aufnahmeposition des Referenzsignals 15, Δφ = n·f0·τ, wobei τ der Laufzeitunterschied ist. Wie unter Bezugnahme auf 11 noch näher erläutert wird, kann die Auswerteeinrichtung 7 so eingerichtet sein, dass die Signalkomponente der von einem Detektor der Detektoreinrichtung 6 erfassten Intensität unter Beibehaltung ihrer Phasendifferenz zu der entsprechenden Signalkomponente des Referenzsignals 15 abwärtsgemischt wird, um die Ermittlung der Phasendifferenz zu erleichtern.The evaluation device 7 becomes a reference signal 15 supplied, which is an intensity of the light source 2 represents the pulsed optical signal generated, that is, the phase position without traversing the path length to and from the surface 10 having. The reference signal 15 For example, it can be generated by dividing a portion of that from the light source 2 generated optical signal 13 inside or outside a housing of the light source 2 is branched off and directed to a reference signal detector, which is the electrical reference signal 15 provides. To get information about the transit time of the optical signal over one of the multiple points of the surface 10 to the associated detector of the detector device 6 In the corresponding signal processing path, a signal component of the output signal of the detector is evaluated, the frequency of which corresponds to the repetition rate of the sequence of light pulses, which is denoted by f0 below, or to a multiple of the repetition rate. In particular, to determine a transit time of the corresponding reflected and / or scattered optical signal, a signal component of the output signal of the detector can be evaluated whose frequency oscillates with a large integer multiple n · f0 with n >> 1, for example with n> 100. The evaluation of one of the detectors of the detector device 6 recorded intensity in the evaluation 7 in particular, the determination of a phase difference between the signal component of the detected intensity and the oscillating with the same frequency signal component of the reference signal 15 include. This phase difference is equal to the product of the frequency of the signal component and the transit time of the surface 10 reflected and / or scattered optical signal relative to a transit time to the recording position of reference signal 15 , Δφ = n * f0 * τ, where τ is the transit time difference. As with reference to 11 will be explained in more detail, the evaluation can 7 be set up so that the signal component of a detector of the detector device 6 detected intensity while maintaining its phase difference to the corresponding signal component of the reference signal 15 is downconverted to facilitate the determination of the phase difference.
Die Auswerteeinrichtung 7 ermittelt auf diese Weise für jede der von den Detektoren der Detektoreinrichtung 6 erfassten Intensitäten anhand einer Signalkomponente, die mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, eine Phasendifferenz, die zur Laufzeit des entsprechenden reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals und somit zu der zurückgelegten Wegstrecke proportional ist. Auf diese Weise können für die unterschiedlichen Strahlrichtungen im Strahlenfächer 11 die Abstände des Auftreffpunkts des optischen Signals auf der Oberfläche von einer geeigneten Referenzposition, die beispielsweise durch den Strahlendurchtrittspunkt der Aufweitungsoptik 3 definiert sein kann, ermittelt werden. Da aufgrund der Abbildung des von einem Punkt der Oberfläche 10 reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals auf einen Detektor der Detektoreinrichtung 6 die ermittelten Abstände den Strahlrichtungen zuordenbar sind, kann so ein Profilschnitt der Oberfläche 10 erfasst werden.The evaluation device 7 determined in this way for each of the detectors of the detector device 6 detected intensities from a signal component which oscillates at the repetition rate or a multiple of the repetition rate, a phase difference which is proportional to the transit time of the corresponding reflected and / or scattered optical signal and thus to the distance traveled. In this way, for the different beam directions in the fan beam 11 the distances of the impact point of the optical signal on the surface from a suitable reference position, for example, by the beam passing point of the expansion optics 3 can be defined. Because of the picture of the from a point of the surface 10 reflected and / or scattered optical signal to a detector of the detector device 6 the distances determined can be assigned to the beam directions can thus be a profile section of the surface 10 be recorded.
Die Mehrzahl von Signalverarbeitungspfaden 7a, 7b, 7c der Auswerteeinrichtung 7 erlaubt es, die Phasenlagen und somit die Weglängen für eine Mehrzahl von Punkten der Oberfläche parallel zu ermitteln. Auf diese Weise kann im Wesentlichen gleichzeitig der Profilschnitt, der durch die Linie gegeben ist, entlang der der Strahlenfächer 11 auf die Oberfläche 10 auftrifft, ermittelt werden. Auch wenn mehrere Detektoren einem Signalverarbeitungspfad zugeordnet sind, kann durch Vorsehen mehrerer Signalverarbeitungspfade eine parallele Verarbeitung der von mehreren Detektoren erfassten Intensitäten ermöglicht werden.The majority of signal processing paths 7a . 7b . 7c the evaluation device 7 allows to determine the phase angles and thus the path lengths for a plurality of points of the surface in parallel. In this way, at substantially the same time, the profile section given by the line can travel along the fan beams 11 on the surface 10 incident, be determined. Even if a plurality of detectors are assigned to a signal processing path, by providing a plurality of signal processing paths, a parallel processing of the intensities detected by a plurality of detectors can be made possible.
Weitere Einrichtungen können zur weiteren Verarbeitung der von der Auswerteeinrichtung 7 ermittelten Phasenlagen vorgesehen sein. Die Vorrichtung 1 umfasst eine elektronische Recheneinheit 8, die beispielsweise als auf geeignete Weise softwaretechnisch eingerichteter Personal Computer oder eine andere rechentechnische Einrichtung ausgestaltet sein kann. Die Recheneinheit 8 wertet die von der Auswerteeinrichtung 7 bereitgestellten Daten, die Ergebnisse der Auswertung von Signalkomponenten der von der Detektoreinrichtung 6 erfassten Intensitäten repräsentieren, weiter aus, um daraus beispielsweise einen Profilschnitt entlang der Oberfläche 10 zu berechnen. Mit der elektronischen Recheneinheit 8 ist eine steuerbare Antriebseinrichtung 9 gekoppelt, mit der Komponenten der Vorrichtung 1, beispielsweise die Lichtlenkeinrichtung 3 und/oder die Detektoreinrichtung 6, relativ zu der zu vermessenden Oberfläche 10 repositioniert werden können. Die Ansteuerung der Antriebseinrichtung 9 kann abhängig von in einem Übersichtsscan aufgenommenen Profilschnitten erfolgen.Further devices can be used for further processing by the evaluation device 7 be provided determined phase angles. The device 1 includes an electronic processing unit 8th , which may be configured, for example, as a suitably software-based personal computer or other computational device. The arithmetic unit 8th evaluates those of the evaluation device 7 provided data, the results of the evaluation of signal components of the detector device 6 represent intensities further, for example, from this a profile section along the surface 10 to calculate. With the electronic processing unit 8th is a controllable drive device 9 coupled with the components of the device 1 , For example, the light deflecting device 3 and / or the detector device 6 , relative to the surface to be measured 10 can be repositioned. The control of the drive device 9 can be done depending on profile sections taken in an overview scan.
Alternativ oder zusätzlich kann die Antriebseinheit 9 eingerichtet sein, um den Strahlenfächer 11 in der Ebene des Strahlenfächers, d. h. in 1 nach oben oder nach unten, zu verschieben. Auf diese Weise kann mit unterschiedlichen, aber im Wesentlichen überlappenden Positionen des Strahlenfächers ein Profilschnitt mehrfach aufgenommen werden. Insbesondere falls die Detektoreinrichtung 6 nur eine kleine Anzahl von separaten Detektoren 6a, 6b, 6c umfasst, kann durch Kombination der so ermittelten Profilschnitte eine höhere laterale Auflösung erzielt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel kann durch eine geeignete Verstellung einer oder mehrerer optischer Komponenten eine Subpixel-Auflösung dadurch erreicht werden, dass der Strahlenfächer 11 in der Ebene des Strahlenfächers einmal oder mehrfach derart verstellt wird, dass sich die Position des Abbildes eines gegebenen Punktes der Oberfläche, beispielsweise des Punktes 12b, auf der Detektorzeile 6 für die unterschiedlichen Positionen des Strahlenfächers nur um weniger als eine Pixelbreite der Detektoreinrichtung 6 verschiebt. Die für mehrere derartige Positionen des Strahlenfächers ermittelten Profilschnitte können, beispielsweise durch Interpolation, zu einem Profilschnitt höherer Auflösung kombiniert werden. Beispielsweise können insgesamt p Profilschnitte mit nur geringfügig verschobenen Strahlenfächern aufgenommen werden, so dass immer im Wesentlichen derselbe Oberflächenbereich abgebildet wird, wobei zwischen den Aufnahmen die Position des Strahlenfächers so geändert wird, dass sich das Abbild eines gegebenen Punktes der Oberfläche auf der Detektoranordnung 6 um einen Bruchteil einer Pixelbreite, beispielsweise um den Bruchteil 1/p der Pixelbreite, relativ zu dem bei einer anderen Strahlenfächerposition resultierenden Position des Abbildes des gegebenen Punktes verschiebt.Alternatively or additionally, the drive unit 9 be set up to the fan of light 11 in the plane of the fan of rays, ie in 1 move up or down. In this way, a profile section can be recorded several times with different but substantially overlapping positions of the fan beam. In particular, if the detector device 6 only a small number of separate detectors 6a . 6b . 6c comprises, can be achieved by combining the profile sections thus determined a higher lateral resolution. In one embodiment, by appropriate adjustment of one or more optical components, sub-pixel resolution can be achieved by having the fan beam 11 in the plane of the fan-beam is adjusted one or more times such that the position of the image of a given point of the surface, for example of the point 12b , on the detector line 6 for the different positions of the fan beam only by less than one pixel width of the detector device 6 shifts. The profile sections determined for a plurality of such positions of the fan beam can be combined, for example by interpolation, into a profile section of higher resolution. For example, a total of p profile sections can be taken with only slightly shifted fan beams, so that always substantially the same surface area is mapped, wherein between the shots the position of the fan beam is changed so that the image of a given point of the surface on the detector array 6 shifts by a fraction of a pixel width, for example by the fractional part 1 / p of the pixel width, relative to the position of the image of the given point resulting at a different beam fan position.
Auch wenn in 1 beispielhaft die Projektion des optischen Signals auf eine im Wesentlichen planare Oberfläche 10 dargestellt ist, kann die Vorrichtung 1 allgemein zum Ermitteln von Profilschnitten eingesetzt werden. 2 zeigt schematisch die Verwendung der Vorrichtung 1 zum Erfassen eines Profilschnitts einer Oberfläche 10', die abschnittsweise gekrümmt ist.Even if in 1 by way of example, the projection of the optical signal onto a substantially planar surface 10 is shown, the device 1 generally used to determine profile sections. 2 shows schematically the use of the device 1 for capturing a profile section of a surface 10 ' , which is curved in sections.
Um zu berücksichtigen, dass bei einer nicht-planaren Oberfläche der Abstand zwischen Strahlteiler 4 und der Oberfläche 10' für unterschiedliche Positionen des Strahlenfächers variieren kann, kann eine Position der Abbildungsoptik 5 relativ zu der Detektoreinrichtung 6 einstellbar sein. Die Position der Abbildungsoptik 5 kann beispielsweise so eingestellt werden, dass wenigstens ein Punkt der Oberfläche 10', der von dem Strahlenfächer 11 erfasst wird, von der Abbildungsoptik 5 im Wesentlichen nur auf einen zugeordneten Detektor der Detektoreinrichtung 6 abgebildet wird. Vorteilhaft kann die Abbildungsoptik 5 eine Nulllage aufweisen, in der eine derartige Abbildung für typische Abstände der Oberfläche 10' von einem Strahldurchtrittspunkt der Aufweitungsoptik 3 realisiert ist. Alternativ oder zusätzlich kann insbesondere bei Oberflächen, bei denen die Abstände naher Punkte der Oberfläche 10' zu dem Strahldurchtrittspunkt der Aufweitungsoptik 3 stark variiert, ein Öffnungswinkel des Strahlenfächers 11 ausreichend verkleinert werden, dass die Varianz der Abstände innerhalb des Strahlenfächers 11 einen vorgegebenen Schwellenwert nicht übersteigt. Eine derartige Anpassung des Öffnungswinkels des Strahlenfächers kann beispielsweise abhängig von einer Varianz der Abstände durchgeführt werden, die bei der vorhergehenden Erfassung eines Profilschnitts ermittelt wurden.To take into account that for a non-planar surface, the distance between the beam splitter 4 and the surface 10 ' may vary for different positions of the fan beam, a position of the imaging optics 5 relative to the detector device 6 be adjustable. The position of the imaging optics 5 For example, it can be set so that at least one point of the surface 10 ' that of the fan of light 11 is captured by the imaging optics 5 essentially only to an associated detector of the detector device 6 is shown. Advantageously, the imaging optics 5 have a zero position in which such an image for typical distances of the surface 10 ' from a beam passing point of the expansion optics 3 is realized. Alternatively or additionally, in particular for surfaces in which the distances near points of the surface 10 ' to the beam passing point of the expansion optics 3 varies widely, an opening angle of the fan beam 11 be sufficiently reduced that the variance of the distances within the fan beam 11 does not exceed a predetermined threshold. Such an adaptation of the opening angle of the fan beam can be carried out, for example, as a function of a variance of the distances which were determined during the preceding detection of a profile section.
Die Vorrichtung 1 kann so eingerichtet sein, dass der Strahlenfächer 11 relativ zu der Oberfläche 10, 10' bewegbar ist. Dazu kann die Antriebseinrichtung 9 so ausgebildet sein, dass der Strahlenfächer 11 selektiv zu Bereichen der Oberfläche bewegt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 1 einen Scan-Spiegel umfassen, der den Strahlenfächer 11 in einer Richtung quer zu der durch den Strahlenfächer 11 definierten Ebene umlenkt. Der Scan-Spiegel kann mit einem steuerbaren Aktuator gekoppelt sein, um eine kontrollierte Positionierung zu ermöglichen. Die Ablenkung des Strahlenfächers 11 quer zu der durch den Strahlenfächer 11 definierten Ebene kann auch mit einem Resonanzscanner realisiert werden. Information über die momentane Stellung des Scan-Spiegels kann durch einen Sensor bereitgestellt werden, der die Stellung des Scan-Spiegels erfasst. Falls die Stellung des Scan-Spiegels mit einem Steuersignal gesteuert wird, kann Information über die Stellung des weiteren Scan-Spiegels auch aus dem Steuersignal abgeleitet werden.The device 1 can be set up so that the fan beam 11 relative to the surface 10 . 10 ' is movable. For this purpose, the drive device 9 be designed so that the fan beam 11 is selectively moved to areas of the surface. Alternatively or additionally, the device 1 include a scan mirror that covers the fan beam 11 in a direction transverse to that through the fan of rays 11 redefined level. The scan mirror may be coupled to a controllable actuator to allow controlled positioning. The distraction of the fan of light 11 across to the ray fan 11 defined level can also be realized with a resonance scanner. Information about the current position of the scan mirror may be provided by a sensor that detects the position of the scan mirror. If the position of the scan mirror is controlled with a control signal, information about the position of the further scan mirror can also be derived from the control signal.
Abwandlungen der Vorrichtung 1 können bei weiteren Ausführungsbeispielen realisiert werden. Während bei der unter Bezugnahme auf 1 erläuterten Ausgestaltung der Vorrichtung 1 für jeden Detektor der Detektoreinrichtung 6 ein diesem zugeordneter Signalverarbeitungspfad vorgesehen ist, können bei einem weiteren Ausführungsbeispiel Multiplexer für elektrische oder für optische Signale vorgesehen sein, so dass eine Anzahl der Signalverarbeitungspfade in der Auswerteeinrichtung 7 kleiner gewählt werden kann als eine Anzahl von Positionen, an denen die an der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale empfangen werden.Modifications of the device 1 can be realized in further embodiments. While referring to 1 explained embodiment of the device 1 for each detector of the detector device 6 a signal processing path associated therewith may be provided in a further embodiment, multiplexers for electrical or optical signals, so that a number of the signal processing paths in the evaluation device 7 smaller than a number of positions at which the surface-reflected and / or scattered optical signals are received.
3A zeigt eine Ausgestaltung einer Detektoreinrichtung und Auswerteeinrichtung, die bei der Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel verwendet werden kann. Beispielsweise kann die in 3A dargestellte Detektoreinrichtung und Auswerteeinrichtung anstelle der Detektoreinrichtung 6 und Auswerteeinrichtung 7 der Vorrichtung 1 verwendet werden. 3A shows an embodiment of a detector device and evaluation, which can be used in the device according to an embodiment. For example, the in 3A represented detector device and evaluation device instead of the detector device 6 and evaluation 7 the device 1 be used.
Die Detektoreinrichtung 21 von 3A ist eingerichtet, um an einer Mehrzahl von Positionen optische Signale zu empfangen, die an der Oberfläche reflektiert und/oder gestreut wurden. Dazu ist eine Mehrzahl von Lichtleitfasern 22 vorgesehen, deren Enden 31 die Mehrzahl von Positionen definieren, an denen an der Oberfläche reflektierte und/oder gestreute optische Signale empfangen werden. Weiterhin ist eine Mehrzahl von optischen Multiplexern 24 vorgesehen, von denen jeder eingangsseitig an mehrere Lichtleitfasern 22 gekoppelt ist. Beispielsweise ist ein optischer Multiplexer 24a eingangsseitig mit Lichtleitfasern 27, 28 gekoppelt, die Licht an den durch ihre Enden 32, 33 definierten Positionen empfangen. Die optischen Multiplexer 24 sind eingerichtet, um eines der eingangsseitig empfangenen optischen Signale steuerbar an eine weitere Lichtleitfaser bereitzustellen, die den entsprechenden Multiplexer mit einem diesem zugeordneten Detektor koppelt. Entsprechend sind mehrere weitere Lichtleitfasern 25 und eine Detektoranordnung 26 mit einer Mehrzahl von Fotodetektoren vorgesehen, die über die weiteren Lichtleitfasern 25 von den optischen Multiplexern 24 weitergeleitete optische Signale empfangen. Beispielsweise stellt der Multiplexer 24a wahlweise das in der Lichtleitfaser 27 geführte Signal oder das in der Lichtleitfaser 28 geführte Signal über die weitere Lichtleitfaser 25a an den Fotodetektor 26a bereit. Die Fotodetektoren der Detektoranordnung 26 erfassen die Intensität der über eine der Lichtleitfasern 25 empfangenen Signale und stellen ein die Intensität repräsentierendes Ausgangssignal an jeweils einen Signalverarbeitungspfad 7a–7d der Auswerteeinrichtung 7 bereit. Die Auswertung des Ausgangssignals des Fotodetektors in dem zugeordneten Signalverarbeitungspfad der Auswerteeinrichtung 7 kann wie unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben erfolgen.The detector device 21 from 3A is configured to receive at a plurality of positions optical signals that have been reflected and / or scattered at the surface. For this purpose, a plurality of optical fibers 22 provided, whose ends 31 define the plurality of positions at which surface reflected and / or scattered optical signals are received. Furthermore, a plurality of optical multiplexers 24 provided, each of which on the input side to a plurality of optical fibers 22 is coupled. For example, an optical multiplexer 24a on the input side with optical fibers 27 . 28 coupled, the light to the through their ends 32 . 33 received defined positions. The optical multiplexers 24 are arranged to controllably provide one of the optical signals received on the input side to a further optical fiber, which couples the corresponding multiplexer with a detector associated therewith. Accordingly, several other optical fibers 25 and a detector assembly 26 provided with a plurality of photodetectors, via the further optical fibers 25 from the optical multiplexers 24 receive forwarded optical signals. For example, the multiplexer represents 24a Optionally, in the optical fiber 27 guided signal or that in the optical fiber 28 guided signal over the further optical fiber 25a to the photodetector 26a ready. The photodetectors of the detector arrangement 26 capture the intensity of one of the optical fibers 25 received signals and provide an intensity representative output signal to a respective signal processing path 7a - 7d the evaluation device 7 ready. The evaluation of the output signal of the photodetector in the associated signal processing path of the evaluation device 7 can as with reference to 1 and 2 described described.
Die Multiplexer 24 können so gesteuert werden, dass zeitsequentiell die unterschiedlichen eingangsseitig empfangenen Signale an die Detektoranordnung 26 weitergeleitet werden. Auf diese Weise kann zwar immer noch eine Mehrzahl von erfassten Intensitäten parallel ausgewertet werden, wobei nicht für jede der möglichen Positionen 31, an denen die optischen Signale empfangen werden, ein separater Signalverarbeitungspfad vorgesehen werden muss.The multiplexers 24 can be controlled so that time sequentially the different input side received signals to the detector array 26 to get redirected. In this way, while still a plurality of detected intensities can be evaluated in parallel, not for each of the possible positions 31 at which the optical signals are received, a separate signal processing path must be provided.
3B zeigt eine Ausgestaltung einer Detektoreinrichtung und Auswerteeinrichtung, die bei der Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel verwendet werden kann. Beispielsweise kann die in 3B dargestellte Detektoreinrichtung und Auswerteeinrichtung anstelle der Detektoreinrichtung 6 und Auswerteeinrichtung 7 der Vorrichtung 1 verwendet werden. 3B shows an embodiment of a detector device and evaluation, the at the device according to an embodiment can be used. For example, the in 3B represented detector device and evaluation device instead of the detector device 6 and evaluation 7 the device 1 be used.
Die Detektoreinrichtung 41 von 3B ist eingerichtet, um an einer Mehrzahl von Positionen optische Signale zu empfangen, die an der Oberfläche reflektiert und/oder gestreut wurden. Dazu ist eine Detektoranordnung 46 mit einer Mehrzahl von Fotodetektoren vorgesehen. Die Fotodetektoren der Detektoranordnung sind zeilenförmig angeordnet. Die Detektoreinrichtung 41 von 3B umfasst weiterhin eine Mehrzahl von Multiplexern 44 für elektrische Signale, wobei jeweils Ausgänge mehrerer Detektoren der Detektoranordnung 46 mit einem der Multiplexer gekoppelt sind. Beispielsweise sind die Detektoren 46a und 46b ausgangsseitig mit dem Multiplexer 44a gekoppelt. Die Multiplexer 44 sind eingerichtet, um steuerbar eines der eingangsseitig empfangenen elektrischen Signale als Ausgangssignal an einen dem entsprechenden Multiplexer zugeordneten Signalverarbeitungspfad der Auswerteeinrichtung 7 bereitzustellen. Beispielsweise kann der Multiplexer 44a steuerbar eines der beiden von den Fotodetektoren 46a oder 46b empfangenen Signale an die Auswerteeinrichtung 7 bereitstellen. Die Auswertung des Ausgangssignals des Fotodetektors in dem zugeordneten Signalverarbeitungspfad der Auswerteeinrichtung 7 kann wie unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben erfolgen.The detector device 41 from 3B is configured to receive at a plurality of positions optical signals that have been reflected and / or scattered at the surface. This is a detector arrangement 46 provided with a plurality of photodetectors. The photodetectors of the detector arrangement are arranged in a line. The detector device 41 from 3B further comprises a plurality of multiplexers 44 for electrical signals, wherein in each case outputs of a plurality of detectors of the detector arrangement 46 are coupled to one of the multiplexers. For example, the detectors 46a and 46b on the output side with the multiplexer 44a coupled. The multiplexers 44 are arranged to controllable one of the input side received electrical signals as an output signal to a corresponding multiplexer associated signal processing path of the evaluation 7 provide. For example, the multiplexer 44a controllable one of the two of the photodetectors 46a or 46b received signals to the evaluation 7 provide. The evaluation of the output signal of the photodetector in the associated signal processing path of the evaluation device 7 can as with reference to 1 and 2 described described.
Die Multiplexer 44 können so gesteuert werden, dass zeitsequentiell die unterschiedlichen eingangsseitig empfangenen Signale an die Auswerteeinrichtung 7 weitergeleitet werden. Auf diese Weise kann zwar immer noch eine Mehrzahl von erfassten Intensitäten parallel ausgewertet werden, wobei nicht für jede der möglichen Positionen, an denen die an der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten Signale empfangen werden, ein separater Signalverarbeitungspfad vorgesehen werden muss.The multiplexers 44 can be controlled so that time-sequentially the different signals received on the input side to the evaluation device 7 to get redirected. In this way, although a plurality of detected intensities can still be evaluated in parallel, it is not necessary to provide a separate signal processing path for each of the possible positions at which the signals reflected and / or scattered on the surface are received.
Weitere Abwandlungen der unter Bezugnahme auf 1–3 beschriebenen Vorrichtung können bei weiteren Ausführungsbeispielen realisiert sein. Beispielsweise kann anstelle einer zeilenförmigen Anordnung von Fotodetektoren oder Enden von Lichtleitfasern auch eine zweidimensionale Anordnung gewählt werden. Die Aufweitungsoptik kann entsprechend so ausgestaltet sein, dass das von der Lichtquelle erzeugte optische Signal gleichzeitig in mehreren Strahlenfächern, insbesondere in einem Lichtkegel, auf die zu vermessende Oberfläche gelenkt wird. Auf diese Weise können parallel mehrere Profilschnitte der Oberfläche ermittelt werden, d. h. die Topographie der Oberfläche kann erfasst werden.Further modifications of with reference to 1 - 3 described device can be realized in further embodiments. For example, instead of a line-shaped arrangement of photodetectors or ends of optical fibers, a two-dimensional arrangement can also be selected. The expansion optics can be configured accordingly so that the optical signal generated by the light source is simultaneously directed to the surface to be measured in a plurality of beam compartments, in particular in a beam of light. In this way, several profile sections of the surface can be determined in parallel, ie the topography of the surface can be detected.
4 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 51 zum Vermessen einer Oberfläche 10'' nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. 4 is a schematic representation of a device 51 for measuring a surface 10 '' according to a further embodiment.
Die Vorrichtung 51 umfasst eine Lichtquelle 52, die mit einer Repetitionsrate eine Folge kurzer Lichtpulse erzeugt, eine Lichtlenkeinrichtung, die als Scanner 53 ausgebildet ist, um das von der Lichtquelle 52 erzeugte optische Signal 13' in einem Strahlenfächer 11 strahlförmig über die Oberfläche 10'' zu tasten, eine Detektoreinrichtung 56 mit einem Fotodetektor und eine Auswerteeinrichtung 57 zum Auswerten der von dem Fotodetektor 56 erfassten Signals. Die Vorrichtung umfasst weiterhin optische Komponenten, beispielsweise einen Strahlteiler 54 und eine Abbildungsoptik 55, die so eingerichtet sind, dass das von der Lichtquelle 52 erzeugte optische Signal 13' auf die Oberfläche 10'' auftrifft und das an einem Punkt 12d der Oberfläche reflektierte und/oder gestreute optische Signal von der Detektoreinrichtung 56 erfasst wird.The device 51 includes a light source 52 , which generates a sequence of short light pulses at a repetition rate, a light-guiding device acting as a scanner 53 is designed to be that of the light source 52 generated optical signal 13 ' in a fan-beam 11 jet-shaped over the surface 10 '' to touch, a detector device 56 with a photodetector and an evaluation device 57 to evaluate the from the photodetector 56 detected signal. The device further comprises optical components, for example a beam splitter 54 and an imaging optics 55 that are set up that by the light source 52 generated optical signal 13 ' on the surface 10 '' hits and that at one point 12d the surface reflected and / or scattered optical signal from the detector device 56 is detected.
Die Lichtquelle 52 der Vorrichtung 51 kann die für die Lichtquelle 2 der Vorrichtung 1 beschrieben Ausgestaltung aufweisen und beispielsweise als optischer Frequenzkamm-Generator ausgestaltet sein, der mit hoher Phasenstabilität eine Folge von Lichtpulsen erzeugt, deren Dauer kurz im Vergleich zu einem zeitlichen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen ist. Das von der Lichtquelle 52 erzeugte optische Signal 13' wird von dem Scanner 53 als Lichtstrahl auf die Oberfläche 10'' gelenkt, wobei der Scanner 53 den Lichtstrahl derart lenkt, dass er im Lauf der Zeit einen Strahlenfächer 11 überstreicht. Dem Scanner 53 im Strahlengang von der Lichtquelle 52 zu der Oberfläche 10'' nachgeordnet ist optional ein f-Theta-Objektiv 60 vorgesehen, um eine im Wesentlichen lineare Abhängigkeit zwischen einer Auftreffposition des optischen Signals 13' in einer Ebene und der durch den Scanner 53 herbeigeführten Winkelrichtung des optischen Signals 13' zu erreichen.The light source 52 the device 51 can be the one for the light source 2 the device 1 have described embodiment and be configured for example as an optical frequency comb generator, which generates a sequence of light pulses with high phase stability, whose duration is short compared to a time interval between successive pulses. That from the light source 52 generated optical signal 13 ' is from the scanner 53 as a ray of light on the surface 10 '' steered, with the scanner 53 directs the beam of light so that over time it becomes a fan of light 11 sweeps. The scanner 53 in the beam path from the light source 52 to the surface 10 '' subordinate optional is an f-theta lens 60 provided a substantially linear dependence between an incident position of the optical signal 13 ' in a plane and through the scanner 53 induced angular direction of the optical signal 13 ' to reach.
Das optische Signal 13' trifft zu einem gegeben Zeitpunkt an dem Punkt 12d der Oberfläche auf. Ein an dem Punkt 12d reflektiertes und/oder gestreutes optisches Signal wird über den Strahlteiler 4 und eine Abbildungsoptik 55 auf den Detektor 56 gelenkt, der die Intensität des einfallenden reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals 14 erfasst. Um variable Abstände der Oberfläche 10'' von den Komponenten der Vorrichtung 51 zu berücksichtigen, kann die Abbildungsoptik 55 beispielsweise relativ zu der Detektoreinrichtung 56 und dem Strahlteiler 54 beweglich angeordnet sein. Die Position der Abbildungsoptik 55, bzw. falls die Abbildungsoptik mehrere optische Komponenten umfasst, die Positionen der optischen Komponenten der Abbildungsoptik 55, kann bzw. können basierend auf einem mit einer weiteren Messmethode ermittelten Schätzwert für den Abstand zwischen einem Punkt der Oberfläche, beispielsweise dem Auftreffpunkt des Mittelstrahls des Strahlenfächers 11, und dem Strahlteiler 54 eingestellt werden.The optical signal 13 ' meets at a given time at the point 12d the surface on. One at the point 12d reflected and / or scattered optical signal is transmitted through the beam splitter 4 and an imaging optics 55 on the detector 56 which controls the intensity of the incident reflected and / or scattered optical signal 14 detected. To variable distances of the surface 10 '' from the components of the device 51 to take into account, the imaging optics 55 for example, relative to the detector device 56 and the beam splitter 54 be arranged movably. The position of the imaging optics 55 or, if the imaging optics comprises a plurality of optical components, the positions of the optical components of the imaging optics 55 , can or can be based on an estimate of the distance between a point of the surface, determined by a further measurement method, for example, the impact point of the center ray of the fan beam 11 , and the beam splitter 54 be set.
Die Auswerteeinrichtung 57 empfängt ein Ausgangssignal des Detektors 56 und wertet eine Signalkomponente des die Intensität des reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals 14 repräsentierenden Ausgangssignals des Detektors 56 aus, die mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert. Zur Auswertung der Signalkomponente kann die Auswerteeinrichtung 57 eine Phasendifferenz zwischen der Signalkomponente des Ausgangssignals des Detektors 56 und einer mit derselben Frequenz oszillierenden Referenzsignal, das aus dem von der Lichtquelle 52 erzeugten optischen Signal vor Durchlaufen des Wegs über die Oberfläche 10'' abgeleitet wird, ermitteln. Die Signalkomponente, für die die Phasendifferenz ermittelt wird, kann so gewählt werden, dass ihre Frequenz einem großen ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsrate, n·f0 mit n >> 1, beispielsweise mit n > 100, entspricht. Die entsprechende Phasendifferenz Δφ = n·f0·τ ist proportional zu dem Laufzeitunterschied τ und somit zu der von dem erfassten reflektierten und/oder gestreuten optischen Signal zurückgelegten Weglänge. Wie unter Bezugnahme auf 11 noch näher erläutert wird, kann die Auswerteeinrichtung 57 so eingerichtet sein, dass die Signalkomponente der von einem Detektor 56 erfassten Intensität unter Beibehaltung ihrer Phasendifferenz zu der entsprechenden Signalkomponente des Referenzsignals abwärtsgemischt wird, um die Phasendifferenz zu ermitteln.The evaluation device 57 receives an output signal from the detector 56 and evaluates a signal component of the intensity of the reflected and / or scattered optical signal 14 representative output signal of the detector 56 which oscillates at the repetition rate or a multiple of the repetition rate. For evaluation of the signal component, the evaluation device 57 a phase difference between the signal component of the output signal of the detector 56 and a reference signal oscillating at the same frequency from that of the light source 52 generated optical signal before passing through the surface 10 '' is derived. The signal component for which the phase difference is determined can be chosen so that its frequency corresponds to a large integer multiple of the repetition rate, n · f0 with n >> 1, for example with n> 100. The corresponding phase difference Δφ = n * f0 * τ is proportional to the transit time difference τ and thus to the path length traveled by the detected reflected and / or scattered optical signal. As with reference to 11 will be explained in more detail, the evaluation can 57 be set up so that the signal component of a detector 56 detected intensity is down-converted while maintaining its phase difference to the corresponding signal component of the reference signal to determine the phase difference.
Indem der Scanner 53 das optische Signal 13' so ablenkt, dass es den Strahlenfächer 11 überstreicht, können mit der Auswerteeinrichtung 57 zeitsequentiell Phasendifferenzen und somit Abstände für eine Mehrzahl von Punkten 12d, 12e, 12f der Oberfläche 10'' zu einem vorgegebenen Bezugspunkt, beispielsweise dem Auftreffpunkt des optischen Signals 13' auf dem Scanner 53, ermittelt werden. Basierend aus den entsprechenden Abständen und der jeweils zugeordneten Strahlrichtung des optischen Signals 13', die durch die Scanposition des Scanners 53 bestimmt ist, kann ein Profilschnitt der Oberfläche ermittelt werden. Dazu weist die Vorrichtung 51 eine elektronische Recheneinheit 58, beispielsweise einen softwaretechnisch geeignet eingerichteten Personal Computer auf, die mit der Auswerteeinrichtung 57 und dem Scanner 53 gekoppelt ist, um basierend auf der von der Auswerteeinrichtung 57 ermittelten Phasendifferenz und der Scanposition des Scanners 53 den Profilschnitt zu ermitteln.By the scanner 53 the optical signal 13 ' so distracts that it's the fan of rays 11 Done with the evaluation device 57 Time-sequential phase differences and thus distances for a plurality of points 12d . 12e . 12f the surface 10 '' to a given reference point, for example the point of impact of the optical signal 13 ' on the scanner 53 , be determined. Based on the corresponding distances and the associated beam direction of the optical signal 13 ' caused by the scanning position of the scanner 53 is determined, a profile section of the surface can be determined. For this purpose, the device 51 an electronic processing unit 58 , For example, a software technically suitable equipped personal computer, with the evaluation 57 and the scanner 53 is coupled to based on that of the evaluation device 57 determined phase difference and the scanning position of the scanner 53 to determine the profile section.
Der Scanner 53 kann so ausgebildet sein, dass sich ein Auftreffpunkt des optischen Signals 13' auf der Oberfläche 10'' kontinuierlich weiterbewegt, so dass die Oberfläche während der kontinuierlichen Bewegung des optischen Signals 13 in dem Strahlenfächer 11 vermessen wird.The scanner 53 may be formed so that a point of impact of the optical signal 13 ' on the surface 10 '' continuously moved so that the surface during the continuous movement of the optical signal 13 in the fan-beam 11 is measured.
Der Scanner 53 kann beispielsweise als Galvanometerscanner oder Polygonscanner ausgebildet sein. Der Scanner 53 kann auch als ein Resonanzscanner mit einem schwingenden Element ausgebildet sein. Falls der Scanner 53 ein schwingendes Element umfasst, kann die Recheneinrichtung 58 mit dem Scanner 53 gekoppelt sein, um eine momentane Phase der Oszillation des schwingenden Elements zu ermitteln und zur Erzeugung des Profilschnitts zu verwenden. Eine Scanamplitude des Scanners 53, insbesondere eine Schwingungsamplitude eines Resonanzscanners, kann einstellbar sein, um einen Öffnungswinkel des Strahlenfächers 11 einzustellen. Zusätzlich kann eine Nulllage des Scanners 53 einstellbar sein, um eine Position des Strahlenfächers zu kontrollieren. Auf diese Weise können ein Anfangs- und Endwinkel der Scanbewegung eingestellt werden.The scanner 53 For example, it can be designed as a galvanometer scanner or polygon scanner. The scanner 53 can also be designed as a resonance scanner with a vibrating element. If the scanner 53 comprises a vibrating element, the computing device 58 with the scanner 53 be coupled to determine a momentary phase of the oscillation of the oscillating element and to use for generating the profile section. A scan amplitude of the scanner 53 , in particular a vibration amplitude of a resonance scanner, may be adjustable to an opening angle of the fan beam 11 adjust. In addition, a zero position of the scanner 53 be adjustable to control a position of the fan beam. In this way, a start and end angle of the scanning movement can be adjusted.
Information über den momentanen, durch den Scanner 53 hervorgerufenen Ablenkwinkel des optischen Signals 13' kann von einem Sensor 53a zum Erfassen der aktuellen Scanposition des Scanners 53 bereitgestellt werden. Falls der Scanner 53 mit einem Steuersignal in eine gewünschte Ablenkposition gebracht wird, kann die Information über den momentanen, durch den Scanner 53 hervorgerufenen Ablenkwinkel des optischen Signals 13' auch aus dem Steuersignal abgeleitet werden.Information about the current, through the scanner 53 caused deflection angle of the optical signal 13 ' can be from a sensor 53a to capture the current scanning position of the scanner 53 to be provided. If the scanner 53 is brought to a desired deflection position with a control signal, the information about the current, by the scanner 53 caused deflection angle of the optical signal 13 ' also be derived from the control signal.
Mit der elektronischen Recheneinheit 58 ist eine steuerbare Antriebseinrichtung 59 gekoppelt, mit der Komponenten der Vorrichtung 51, beispielsweise der Scanner 53 und/oder die Detektoreinrichtung 56, relativ zu der zu vermessenden Oberfläche 10 repositioniert werden können. Die Ansteuerung der Antriebseinrichtung 59 kann abhängig von in einem Übersichtsscan aufgenommenen Profilschnitten erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 51 einen weiteren Scan-Spiegel umfassen, der den Strahlenfächer 11 quer zu der durch den Strahlenfächer 11 definierten Ebene umlenkt. Der weitere Scan-Spiegel kann mit einem steuerbaren Aktuator gekoppelt sein, um eine kontrollierte Positionierung des Strahlenfächers 11 zu ermöglichen. Alternativ kann auch der weitere Scan-Spiegel als mechanisch oszillierendes Element mit einer Resonanzfrequenz ausgebildet sein. Eine aktuelle Stellung des weiteren Scan-Spiegels kann auch mit einem weiteren Sensor erfasst und zur Ermittlung des Profilschnitts an die elektronische Recheneinheit 58 bereitgestellt werden.With the electronic processing unit 58 is a controllable drive device 59 coupled with the components of the device 51 for example, the scanner 53 and / or the detector device 56 , relative to the surface to be measured 10 can be repositioned. The control of the drive device 59 can be done depending on profile sections taken in an overview scan. Alternatively or additionally, the device 51 comprise a further scan mirror, the fan beam 11 across to the ray fan 11 redefined level. The further scan mirror may be coupled to a controllable actuator to provide controlled positioning of the fan beam 11 to enable. Alternatively, the further scan mirror can be designed as a mechanically oscillating element with a resonant frequency. A current position of the further scan mirror can also be detected with a further sensor and used to determine the profile section to the electronic processing unit 58 to be provided.
Der Scanner 53 der Vorrichtung 51 kann so eingerichtet sein, dass das optische Signal 13' den Strahlenfächer 11 nicht nur einmal, sondern mehrfach überstreicht. Insbesondere kann der Scanner 53 so eingerichtet sein, dass das optische Signal 13' den Strahlenfächer 11 wenigstens zweimal in entgegengesetzten Richtungen überstreicht. Die bei den beiden Scans in unterschiedliche Richtungen als Funktion des Ablenkwinkels erfassten Abstände können kombiniert werden, um einen Profilschnitt zu erzeugen.The scanner 53 the device 51 can be set up so that the optical signal 13 ' the fan of light 11 not just once, but several times over. In particular, the scanner can 53 be set up so that the optical signal 13 ' the fan of light 11 at least twice in opposite directions. The distances detected by the two scans in different directions as a function of the deflection angle can be combined to produce a profile cut.
5 ist eine Flussdiagrammdarstellung 61 eines Verfahrens zum Vermessen einer Oberfläche nach einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren kann mit der Vorrichtung 51 von 4 durchgeführt werden. 5 is a flowchart representation 61 a method for measuring a surface according to an embodiment. The method can be used with the device 51 from 4 be performed.
Bei 61 wird ein optisches Signal, das eine Folge von Lichtpulsen umfasst, in einem Lichtstrahl so gelenkt, dass es sequentiell in einer ersten Scanrichtung auf eine Mehrzahl von Punkten der Oberfläche auftrifft. Dabei überstreicht das optische Signal einen Strahlenfächer. Bei der Vorrichtung 51 kann der Scan in der ersten Richtung durch eine entsprechende Scanbewegung des Scanners 53 realisiert werden. Abstände der Mehrzahl von Punkten zu einer Referenzposition werden durch Auswertung des von dem Detektor 56 bei dem ersten Scan erfassten Signals als Funktion der durch den Scanner definierten Ablenkposition ermittelt.at 61 For example, an optical signal comprising a sequence of light pulses is directed in a light beam to impinge sequentially in a first scanning direction on a plurality of points of the surface. The optical signal sweeps over a fan beam. In the device 51 The scan can be done in the first direction by a corresponding scanning movement of the scanner 53 will be realized. Distances of the plurality of points to a reference position are evaluated by evaluation by the detector 56 detected signal as a function of the deflection position defined by the scanner.
Bei 62 wird das optische Signal in dem Lichtstrahl so gelenkt, dass es sequentiell in einer zweiten Scanrichtung auf die Mehrzahl von Punkten der Oberfläche auftrifft. Die zweite Scanrichtung ist entgegengesetzt zur ersten Scanrichtung. Dabei überstreicht das optische Signal den Strahlenfächer in entgegengesetzter Richtung. Bei der Vorrichtung 51 kann der Scan in der zweiten Richtung durch eine entsprechende Scanbewegung des Scanners 53 realisiert werden. Abstände der Mehrzahl von Punkten zu einer Referenzposition werden durch Auswertung des von dem Detektor 56 bei dem zweiten Scan erfassten Signals als Funktion der durch den Scanner definierten Ablenkposition ermittelt.at 62 For example, the optical signal in the light beam is directed to strike the plurality of points of the surface sequentially in a second scanning direction. The second scanning direction is opposite to the first scanning direction. The optical signal covers the fan beam in the opposite direction. In the device 51 the scan can be done in the second direction by a corresponding scanning movement of the scanner 53 will be realized. Distances of the plurality of points to a reference position are evaluated by evaluation by the detector 56 detected signal as a function of the deflecting position defined by the scanner.
Bei 63 wird ein Profilschnitt der Oberfläche abhängig von den bei dem Scan in der ersten Richtung und dem Scan in der zweiten Richtung erfassten Daten ermittelt. Bei dem Ermitteln bei 63 können die bei dem ersten Scan und dem zweiten Scan als Funktion des jeweiligen Ablenkwinkels ermittelten Abstände einer mathematischen Operation unterworfen werden, um durch eine Datensynthese der bei dem ersten und zweiten Scan ermittelten Abstände das Profil mit höherer Genauigkeit zu ermitteln. Das Ermitteln bei 63 kann so erfolgen, dass Abbildungsunschärfen, die durch die kontinuierliche Bewegung des optischen Signals 13' und die endliche Signalverarbeitungszeit, die durch den Detektor 56 und die Signalverarbeitung in der Auswerteeinrichtung 57 bedingt ist, zumindest teilweise kompensiert wird. Das Ermitteln bei 63 kann bei der Vorrichtung 51 von der elektronischen Recheneinheit 58 durchgeführt werden.at 63 A profile section of the surface is determined as a function of the data acquired during the scan in the first direction and the scan in the second direction. In determining at 63 For example, the distances determined during the first scan and the second scan as a function of the respective deflection angle may be subjected to a mathematical operation in order to determine the profile with higher accuracy by data synthesis of the distances determined during the first and second scan. Determining at 63 can be done so that image blurs caused by the continuous movement of the optical signal 13 ' and the finite signal processing time by the detector 56 and the signal processing in the evaluation device 57 conditional, is at least partially compensated. Determining at 63 can at the device 51 from the electronic processing unit 58 be performed.
Unter Bezugnahme auf 6A, 6B und 7 wird beispielhaft erläutert, wie anhand von in unterschiedlichen Scanrichtungen ermittelten Daten ein Profilschnitt mit höherer Genauigkeit erzeugt werden kann.With reference to 6A . 6B and 7 It is explained by way of example how a profile section with higher accuracy can be generated on the basis of data determined in different scanning directions.
6A zeigt eine schematische Darstellung 71 einer Oberflächenstruktur 72 in Form einer Treppenstufe. Ein Messprofil 73, das mit einem Scan in einer ersten Richtung erfasst wird, zeigt eine Verschmierung der scharfen Kanten der Oberflächenstruktur 72, die durch die Weiterbewegung des optischen Signals während der Signalerfassung und Signalauswertung bedingt sind, und einen lateralen Versatz der Position der Stufe. Ein Messprofil 74, das mit einem Scan in einer zweiten Richtung erfasst wird, zeigt eine Verschmierung der scharfen Kanten der Oberflächenstruktur 72, die durch die Weiterbewegung des optischen Signals während der Signalerfassung und Signalauswertung bedingt sind, und einen lateralen Versatz der Position der Stufe. Der laterale Versatz weist aufgrund der entgegengesetzten Scanbewegungen beim Scan in der ersten Richtung und beim Scan in der zweiten Richtung eine entgegengesetzte Richtung auf. 6A shows a schematic representation 71 a surface structure 72 in the form of a step. A measuring profile 73 , which is detected with a scan in a first direction, shows a smearing of the sharp edges of the surface structure 72 which are due to the propagation of the optical signal during signal acquisition and evaluation, and a lateral offset of the position of the stage. A measuring profile 74 , which is detected with a scan in a second direction, shows a smearing of the sharp edges of the surface structure 72 which are due to the propagation of the optical signal during signal acquisition and evaluation, and a lateral offset of the position of the stage. The lateral offset has an opposite direction due to the opposite scan movements in the first direction scan and the second direction scan.
6B zeigt eine schematische Darstellung 71 zur Illustration, wie durch mathematische Operationen basierend auf den beim Scan in der ersten Richtung und beim Scan in der zweiten Richtung erfassten Messprofile 73, 74 die Position der Stufe mit höherer Genauigkeit ermittelbar ist. Dazu kann, wie in 6B dargestellt, das bei dem Scan in der zweiten Richtung ermittelte Messprofil 74 einer mathematischen Operation unterworfen werden, bei der modifizierte Daten 76 generiert werden, die der maximalen Höhe des Messprofils 74 minus dem jeweiligen Wert des Messprofils 74 an der entsprechenden Position entsprechen. Anders ausgedrückt werden die modifizierten Daten 76 generiert durch eine Spiegelung des Messprofils 74 an einer horizontalen Linie, die in der Mitte zwischen den beiden im Wesentlichen flachen Randabschnitten des Messprofils 74 verläuft, so dass das Messprofil 74 invertiert wird. Ein Schnittpunkt 77 der modifizierten Daten 76 und dem Messprofil 73, das in der ersten Scanrichtung aufgenommen wurde, gibt die Position der Treppenstufe mit höherer Genauigkeit an. 6B shows a schematic representation 71 by way of illustration, as by mathematical operations based on the measurement profiles acquired in the first direction scan and the second direction scan 73 . 74 the position of the stage can be determined with higher accuracy. This can, as in 6B represented, the measured profile determined during the scan in the second direction 74 be subjected to a mathematical operation in which modified data 76 generated, the maximum height of the measurement profile 74 minus the respective value of the measuring profile 74 correspond to the corresponding position. In other words, the modified data 76 generated by a reflection of the measurement profile 74 on a horizontal line, which is midway between the two substantially flat edge portions of the measurement profile 74 runs, leaving the measurement profile 74 is inverted. An intersection 77 the modified data 76 and the measurement profile 73 , which was recorded in the first scan direction, indicates the position of the stair step with higher accuracy.
Aufgrund der Überabtastung der Oberfläche bei der Datenerfassung mit unterschiedlichen Scanrichtungen können somit bis in einen Bereich bedeutungsvolle Messgrößen erhalten werden, bei dem die aufzulösenden Strukturgrößen nicht kleiner sind als ein Schwellenwert, der aus der Scanbewegung und der endlichen Signalerfassungs- und Signalverarbeitungszeit resultiert.Owing to the oversampling of the surface in the data acquisition with different scanning directions, meaningful measured quantities can thus be obtained down to a range in which the structure sizes to be resolved are not smaller than a threshold resulting from the scanning movement and the finite signal acquisition and signal processing time.
7 zeigt eine schematische Darstellung 81 einer Oberflächenstruktur 82 mit einer schrägen Kante. Schematisch dargestellt ist ein Messprofil 83, das mit einem Scan in einer ersten Richtung erfasst wird, und ein Messprofil 84, das mit einem Scan in einer zweiten Richtung erfasst wird. Die im Vergleich zur Scangeschwindigkeit endliche Signalerfassungs- und Signalverarbeitungszeit führt zu einer Ausschmierung der scharfen Strukturmerkmale der tatsächlichen Oberflächenstruktur 82 in den Messprofilen 83, 84. Wie im unteren Abschnitt von 7 dargestellt, kann durch Bildung des arithmetischen Mittels der beiden Messprofile 83 und 84 ein Profilschnitt 85 erzeugt werden, der den tatsächlichen Verlauf der Oberflächenstruktur 82 mit höherer Genauigkeit wiederspiegelt. 7 shows a schematic representation 81 a surface structure 82 with a sloping edge. Schematically represented is a measuring profile 83 , which is detected with a scan in a first direction, and a measurement profile 84 which is detected with a scan in a second direction. The signal acquisition and signal processing time, which is finite compared to the scan speed, results in the blurring of the sharp features of the actual surface structure 82 in the measurement profiles 83 . 84 , As in the lower section of 7 can be represented by forming the arithmetic mean of the two measurement profiles 83 and 84 a profile section 85 generated, the actual course of the surface structure 82 reflected with higher accuracy.
Die unter Bezugnahme auf 1–7 beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können so eingerichtet sein, dass der Strahlenfächer, dessen Schnittlinie mit der Oberfläche die Linie definiert, an der ein Profilschnitt gemessen wird, hinsichtlich seiner Position und/oder Ausrichtung veränderbar ist. Weiterhin kann ein Öffnungswinkel des Strahlenfächers einstellbar sein, wie bereits erläutert wurde. Dazu kann die Aufweitungsoptik der Vorrichtung 1 von 1 relativ zu der Lichtquelle 2 verstellbar sein, oder der Scanner 53 der Vorrichtung 51 von 5 kann so steuerbar sein, dass der Öffnungswinkel des Strahlenfächer 11 eingestellt wird.The referring to 1 - 7 described devices and methods may be arranged so that the fan beam, the intersection of which with the surface defines the line on which a profile section is measured, with respect to its position and / or orientation is variable. Furthermore, an opening angle of the fan beam can be adjustable, as already explained. For this purpose, the expansion optics of the device 1 from 1 relative to the light source 2 be adjustable, or the scanner 53 the device 51 from 5 can be so controllable that the opening angle of the fan beam 11 is set.
Um die Position und/oder Ausrichtung des Strahlenfächers zu verändern, kann ein weiterer Scan-Spiegel vorgesehen sein, der eine Verstellung des Strahlenfächers in unterschiedliche Ebenen erlaubt. Alternativ oder zusätzlich kann eine oder mehrere Einrichtungen der Vorrichtung mit der Antriebseinrichtung 9, 59 so gekoppelt sein, dass der Strahlenfächer dreidimensional bewegbar ist. Die Antriebseinrichtung kann beispielsweise als Kinematik einer Koordinatenmessmaschine oder eines Roboters realisiert sein, an der Einrichtungen der Vorrichtung 1, 51 angebracht sein können. Auf diese Weise kann der Strahlenfächer gezielt so positioniert werden, dass spezifisch einzelne Bereiche der Oberfläche vermessen werden.In order to change the position and / or orientation of the fan beam, a further scan mirror may be provided, which allows an adjustment of the fan beam in different planes. Alternatively or additionally, one or more devices of the device with the drive device 9 . 59 be coupled so that the fan beam is three-dimensionally movable. The drive device can be realized, for example, as kinematics of a coordinate measuring machine or a robot, on the devices of the device 1 . 51 can be attached. In this way, the fan beam can be selectively positioned so that specific individual areas of the surface are measured.
Die Verstellung des Strahlenfächers kann abhängig von vorgegebenen Daten über die zu vermessende Oberfläche erfolgen, die beispielsweise in Form von CAD-Daten vorliegen. Basierend auf diesen Daten kann der Strahlenfächer selektiv so eingestellt werden, dass nur spezifische Bereiche, so genannte Regions of Interest (Rol) der Oberfläche mit höherer Genauigkeit vermessen werden. Alternativ oder zusätzlich können die mit höherer Genauigkeit zu vermessenden Bereiche basierend auf mit einem ersten Scan gewonnenen Daten automatisch ausgewählt werden.The adjustment of the fan beam can be done depending on predetermined data on the surface to be measured, which are present for example in the form of CAD data. Based on this data, the fan beam can be selectively adjusted so that only specific regions, called regions of interest (rol) of the surface, are measured with greater accuracy. Alternatively or additionally, the regions to be measured with higher accuracy can be selected automatically based on data obtained with a first scan.
8 ist eine Flussdiagrammdarstellung 91 eines Verfahrens zum Vermessen einer Oberfläche. Das Verfahren kann mit einer der unter Bezugnahme auf 1–7 erläuterten Vorrichtungen durchgeführt werden. 8th is a flowchart representation 91 a method for measuring a surface. The method may be with reference to one of 1 - 7 explained devices are performed.
Bei 92 wird ein Übersichts-Scan aufgenommen. Dazu wird ein optisches Signal in einem Strahlenfächer auf die zu vermessende Oberfläche gelenkt, und an der Oberfläche reflektierte und/oder gestreute optische Signale werden erfasst und wie unter Bezugnahme auf 1–7 beschrieben ausgewertet. Der Übersichts-Scan kann einen Profilschnitt entlang einer Linie der Oberfläche beinhalten. Zum Aufnehmen des Übersichts-Scans kann auch eine Position und/oder Ausrichtung des Strahlenfächers verändert werden, um eine Vielzahl von Profilschnitten zu ermitteln. Zum Aufnehmen des Übersichts-Scans kann der Strahlenfächer derart gewählt werden, dass er auf die Oberfläche entlang einer verhältnismäßig langen Linie auftrifft. Dazu kann ein Abstand von optischen Komponenten der Vorrichtung von der Oberfläche groß gewählt werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Strahlenfächer mit großem Öffnungswinkel gewählt werden.at 92 an overview scan is taken. For this purpose, an optical signal in a fan beam is directed onto the surface to be measured, and optical signals reflected and / or scattered on the surface are detected and as described with reference to FIG 1 - 7 evaluated evaluated. The overview scan may include a profile cut along a line of the surface. To record the overview scan also a position and / or orientation of the fan beam can be changed to determine a variety of profile sections. To record the overview scan, the fan beam may be chosen to impinge on the surface along a relatively long line. For this purpose, a distance of optical components of the device from the surface can be made large. Alternatively or additionally, a fan beam with a large opening angle can be selected.
Bei 93 werden die bei dem Übersichts-Scan erfassten Profildaten ausgewertet. Das Auswerten bei 93 kann eine automatische Merkmalsextraktion basierend auf den in dem Übersichts-Scan erfassten Daten beinhalten. Mit der automatischen Merkmalsextraktion können beispielsweise Kanten, Vertiefungen, Erhebungen oder andere sich topographisch abhebende Merkmale der Oberfläche identifiziert und eine Abschätzung ihrer Position ermittelt werden. Die Merkmalsextraktion kann eine an sich bekannte algorithmische Kantendetektion umfassen. Basierend auf der Merkmalsextraktion können Bereiche der Oberfläche ausgewählt werden, die mit höherer Genauigkeit vermessen werden sollen. Das Auswählen der Bereiche kann automatisch oder benutzerdefiniert erfolgen.at 93 the profile data recorded during the overview scan are evaluated. Evaluating at 93 may include automatic feature extraction based on the data collected in the overview scan. With the automatic feature extraction, for example, edges, depressions, elevations or other topographic features of the surface can be identified and an estimate of their position can be determined. Feature extraction may include per se known algorithmic edge detection. Based on the feature extraction, areas of the surface can be selected that are to be measured with higher accuracy. Selecting ranges can be automatic or user-defined.
Bei 94 wird der Strahlenfächer eingestellt, um die Vermessung der bei 93 ausgewählten Bereiche durchzuführen. Das Einstellen des Strahlenfächers kann ein geeignetes Einstellen von Umlenkspiegeln beinhalten. Das Einstellen des Strahlenfächers kann auch ein Einstellen des Öffnungswinkels des Strahlenfächers beinhalten. Alternativ oder zusätzlich können Einrichtungen der Vorrichtung zum Vermessen der Oberfläche relativ zu der Oberfläche repositioniert werden, um die ausgewählten Bereiche zu vermessen. Beispielsweise kann die gesamte Vorrichtung 1, 51 so montiert sein, dass sie relativ zu der Oberfläche dreidimensional verfahrbar ist. Bei 94 kann der Strahlenfächer so verstellt werden, dass sequentiell verschiedene ausgewählte Bereiche vermessen werden.at 94 the fan beam is adjusted to the measurement of 93 to perform selected areas. Adjustment of the fan beam may include properly adjusting deflection mirrors. The setting of the fan beam may also include adjusting the aperture angle of the fan beam. Alternatively or additionally, means of the apparatus for measuring the surface relative to the surface may be repositioned to measure the selected areas. For example, the entire device 1 . 51 be mounted so that it is three-dimensionally movable relative to the surface. at 94 The beam fan can be adjusted so that sequentially different selected areas are measured.
9A, 9B und 9C illustrieren eine Anwendung des Verfahrens von 8. Basierend auf einem Übersichts-Scan werden Bohrungen in der Oberfläche identifiziert. Anschließend wird der Strahlenfächer so eingestellt, dass er im Wesentlichen eine der Bohrungen abdeckt, deren Position und Profil mit höherer Genauigkeit ermittelt werden soll, beispielsweise im Hinblick auf die Formtreue der Bohrung. Um die Bohrung zu vermessen, können beispielsweise optische Elemente der Vorrichtung zum Vermessen der Oberfläche näher an der Oberfläche positioniert und die Breite des Strahlenfächers so eingestellt werden, dass der Strahlenfächer die Bohrung in einer Richtung vollständig überdeckt. Wie in 9A dargestellt, kann für eine Position des Strahlenfächers 11 ein Profilschnitt 103 der Bohrung 101 erfasst werden. Der Strahlenfächer wird dann quer zu der durch den Strahlenfächer definierten Ebene in eine andere Ebene verstellt, wie in 9B und 9C dargestellt, um sequentiell mehrere Profilschnitte der Bohrung zu erfassen. So wird bei der in 9B dargestellten Position des Strahlenfächers 11 ein Profilschnitt 104 der Bohrung 101 erfasst, und bei der in 9C dargestellten Position des Strahlenfächers 11 wird ein Profilschnitt 105 der Bohrung 101 erfasst. Durch die sequentiellen Aufnahmen kann der Verlauf und das Höhenprofil der Bohrungskante erfasst werden. 9A . 9B and 9C illustrate an application of the method of 8th , Based on an overview scan, holes in the surface are identified. Subsequently, the fan beam is adjusted to substantially cover one of the holes whose position and profile is to be determined with greater accuracy, for example with regard to the dimensional accuracy of the hole. In order to measure the bore, for example, optical elements of the device for measuring the surface can be positioned closer to the surface and the width of the beam fan can be adjusted so that the fan beam completely covers the bore in one direction. As in 9A represented, can for a position of the fan of light 11 a profile section 103 the bore 101 be recorded. The fan beam is then displaced transversely to the plane defined by the beam fan to another plane, as in FIG 9B and 9C shown to sequentially capture several profile sections of the bore. So at the in 9B shown position of the fan beam 11 a profile section 104 the bore 101 recorded, and at the in 9C shown position of the fan beam 11 becomes a profile cut 105 the bore 101 detected. Through the sequential recordings, the course and the height profile of the hole edge can be detected.
10 illustriert eine weitere Anwendung des Verfahrens von 8. 10 ist eine schematische Darstellung einer Oberfläche, die einen Spalt 112 aufweist. Derartige Oberflächen sind häufig beispielsweise bei der Fertigung von Kraftfahrzeugen zu vermessen. Der Strahlenfächer wird dabei an unterschiedlichen Positionen des Spalts 112 so positioniert, dass er im Wesentlichen in Querrichtung über den Spalt 112 verläuft, wobei Messungen an unterschiedlichen Längspositionen des Spalts 112 durchgeführt werden. Die Auftrefflinie des Strahlenfächers auf der Oberfläche ist in unterschiedlichen Positionen des Strahlenfächers bei 113–117 dargestellt. 10 illustrates another application of the method of 8th , 10 is a schematic representation of a surface that has a gap 112 having. Such surfaces are often measured, for example, in the manufacture of motor vehicles. The fan beam is at different positions of the gap 112 positioned so as to be substantially transversal across the gap 112 runs, taking measurements at different longitudinal positions of the gap 112 be performed. The impingement line of the fan beam on the surface is in different positions of the fan beam at 113 - 117 shown.
Die unter Bezugnahme auf 1–7 erläuterte Messtechnik, bei der das optische Signale eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate umfasst und eine Signalkomponente von an der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signalen ausgewertet wird, die mit der Repetitionsrate oder insbesondere mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, erlaubt eine genaue Weglängenmessung bei großen Abständen. Daher kann über eine geeignete Einstellung des Öffnungswinkels des Strahlenfächers eine Messung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden, ohne die Vorrichtung zum Vermessen der Oberfläche oder Komponenten davon über größere Distanzen bewegen zu müssen.The referring to 1 - 7 explained measuring technique in which the optical signals comprises a sequence of light pulses with a repetition rate and a signal component of surface-reflected and / or scattered optical signals is evaluated, which oscillates at the repetition rate or in particular at a multiple of the repetition rate, allows accurate path length measurement at long intervals. Therefore, by appropriately adjusting the opening angle of the fan beam, measurement can be performed with high accuracy without having to move the device for measuring the surface or components thereof over greater distances.
Eine Implementierung der Weglängenmessung, die bei den oben beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren eingesetzt werden kann, wird nachfolgend noch ausführlicher beschrieben.An implementation of the path length measurement that can be used in the above-described devices and methods will be described in more detail below.
Die Lichtquellen 2, 52 der Vorrichtung zum Vermessen der Oberfläche erzeugen eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate. Die Lichtquellen 2, 52 können so ausgebildet sein, dass die Dauer jedes Lichtpulses im Vergleich zu dem Zeitabstand T0 = 1/f0 zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen der von der Lichtquelle erzeugten Folge von Lichtpulsen sehr klein ist, z. B. von der Größenordnung 1·10–5. Eine derartige Folge von Lichtpulsen, kann von verschiedenen Lasern erzeugt werden, die für die Erzeugung kurzer Lichtpulse eingerichtet sind. Insbesondere können optische Frequenzsynthesizer verwendet werden. Beispielsweise kann ein elektrisch gepumpter Diodenlaser, z. B. ein gütegeschalteter Laser, ein verstärkungsgeschalteter (gain switched) Laser, ein aktiv oder passiv modengekoppelter Laser oder ein Laser mit hybrider Modenkopplung, oder ein modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (Vertical-Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) als Lichtquelle 2, 52 verwendet werden. Es kann auch ein optisch gepumpter Laser, beispielsweise ein passiv modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit externem vertikalen Resonator (Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers, VECSEL) oder ein auf photonische-Kristallfasern basierender Laser (photonic-crystal-fiber laser) als Lichtquelle 2, 52 verwendet werden. Beispielhafte Pulsdauern der Lichtquelle 2, 52 liegen in einem Bereich von 100 fs und 100 ps. Beispielhafte Repetitionsraten liegen in einem Bereich von 50 MHz bis 50 GHz. Beispielhafte mittlere Leistungen liegen in einem Bereich von 1 mW bis 10 W. Beispielhafte Werte für den Pulsjitter liegen zwischen 10 fs und 1 ps Effektivwert (quadratischer Mittelwert). Die optischen Signale können eine Wellenlänge im sichtbaren oder unsichtbaren (IR, UV) Bereich des optischen Spektrums aufweisen.The light sources 2 . 52 The device for measuring the surface generates a sequence of light pulses with a repetition rate. The light sources 2 . 52 may be designed such that the duration of each light pulse is very small compared to the time interval T0 = 1 / f0 between successive pulses of light of the sequence of light pulses generated by the light source, e.g. B. of the order of 1 · 10 -5 . Such a sequence of light pulses may be generated by various lasers adapted to generate short light pulses. In particular, optical frequency synthesizers can be used. For example, an electrically pumped diode laser, e.g. A Q-switched laser, a gain switched laser, an active or passive mode locked laser or a hybrid mode-locked laser, or a mode-locked vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) as the light source 2 . 52 be used. It may also be an optically-pumped laser, such as a passive mode-locked external cavity surface emitting laser (VECSEL) or a photonic-crystal-fiber laser as a light source 2 . 52 be used. Exemplary pulse durations of the light source 2 . 52 are in the range of 100 fs and 100 ps. Exemplary repetition rates range from 50 MHz to 50 GHz. Exemplary average powers are in a range of 1 mW to 10 W. Exemplary values for the pulse jitter are between 10 fs and 1 ps effective value (root mean square). The optical signals may have a wavelength in the visible or invisible (IR, UV) region of the optical spectrum.
11 zeigt ein schematisches Blockschaltbild zur Erläuterung der Signalverarbeitung der an der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale. Das Blockschaltbild zeigt eine Auswerteschaltung mit einem Signalverarbeitungspfad 121 für ein Ausgangssignal eines schematisch dargestellten Fotodetektors 6a. Die Signalverarbeitungspfade 7a, 7b, 7c der Auswerteeinrichtung 7 oder die Auswerteeinrichtung 57 können die unter Bezugnahme auf 11 beschriebene Ausgestaltung aufweisen. Der Signalverarbeitungspfad 121 ist eingerichtet, um eine mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierende Signalkomponente eines Ausgangssignals 16a eines zugeordneten Detektors 6a abwärts zu mischen, um die Phasendifferenz dieser Signalkomponente zu einer mit derselben Frequenz oszillierenden Signalkomponente des Referenzsignals 15 zu bestimmen. Das Referenzsignal 15 repräsentiert die Intensität des optischen Signals als Funktion der Zeit, bevor dieses den Weg zur zu vermessenden Oberfläche und zurück zu der Detektoreinrichtung durchläuft. Auch wenn in 11 schematisch eine Signalverarbeitung des von dem Fotodetektor 6a der Vorrichtung 1 ausgegebenen Signals 16a dargestellt ist, kann ein entsprechender Signalverarbeitungspfad zur Verarbeitung der von jedem der Fotodetektoren 6b, 6c, 56 der Vorrichtungen 1 und 51 bereitgestellten Ausgangssignale vorgesehen sein. 11 shows a schematic block diagram for explaining the signal processing of the surface-reflected and / or scattered optical signals. The block diagram shows an evaluation circuit with a signal processing path 121 for an output signal of a schematically illustrated photodetector 6a , The signal processing paths 7a . 7b . 7c the evaluation device 7 or the evaluation device 57 Can the referring to 11 have described embodiment. The signal processing path 121 is set up to a signal component of an output signal which oscillates at a multiple of the repetition rate 16a an associated detector 6a to mix down to the phase difference of this signal component to a signal component of the reference signal oscillating at the same frequency 15 to determine. The reference signal 15 represents the intensity of the optical signal as a function the time before it passes through the path to the surface to be measured and back to the detector device. Even if in 11 schematically a signal processing of the photodetector 6a the device 1 output signal 16a 1, a corresponding signal processing path may be used to process each of the photodetectors 6b . 6c . 56 of the devices 1 and 51 provided output signals can be provided.
Der Signalverarbeitungspfad 121 umfasst einen Eingangsverstärker 123, ein Bandpassfilter 124, einen Mischer 125, ein weiteres Filter 129 und einen Phasenauswerter 130 auf. Das Bandpassfilter 74 kann so eingerichtet sein, dass sein Durchlassbereich ein Vielfaches der Repetitionsrate n·f0 beinhaltet, mit dem die Signalkomponente oszilliert, die zur Ermittlung der Weglängendifferenz ausgewertet wird. Dabei kann n > 1, insbesondere n >> 1 sein.The signal processing path 121 includes an input amplifier 123 , a bandpass filter 124 , a mixer 125 , another filter 129 and a phase evaluator 130 on. The bandpass filter 74 may be arranged so that its passband contains a multiple of the repetition rate n · f0, with which oscillates the signal component, which is evaluated to determine the path length difference. In this case, n> 1, in particular n >> 1.
Die Auswerteeinrichtung empfängt weiterhin das Referenzsignal 15. Das Referenzsignal 15 wird mit einem Eingangsverstärker 126 verstärkt. Ein Ausgangssignal des Eingangsverstärkers 126 wird einem Bandpassfilter 127 und einem weiteren Filter 128 zugeführt, das ebenfalls als Bandpassfilter ausgebildet sein kann. Das Bandpassfilter 127 kann so eingerichtet sein, dass sein Durchlassbereich das Vielfache (n – k)·f0 der Repetitionsrate oder das Vielfache (n + k)·f0 der Repetitionsrate beinhaltet, wobei k eine ganze Zahl und 0 < k < n ist. Das Filter 128 kann so eingerichtet sein, dass sein Durchlassbereich das Vielfache k·f0 der Repetitionsrate beinhaltet. Das Filter 128 kann einen Durchlassbereich aufweisen, dessen Breite kleiner als die Repetitionsrate f0 ist. Bei den genannten Durchlassbereichen kann insbesondere k = 1 gewählt werden.The evaluation device continues to receive the reference signal 15 , The reference signal 15 comes with an input amplifier 126 strengthened. An output signal of the input amplifier 126 becomes a bandpass filter 127 and another filter 128 supplied, which may also be formed as a bandpass filter. The bandpass filter 127 may be arranged such that its passband includes the multiple (n-k) * f0 of the repetition rate or the multiple (n + k) * f0 of the repetition rate, where k is an integer and 0 <k <n. The filter 128 may be arranged so that its passband contains the multiple k · f0 of the repetition rate. The filter 128 may have a passband whose width is smaller than the repetition rate f0. In particular, k = 1 can be selected for the pass ranges mentioned.
Ein Ausgangssignal 134 des Bandpassfilters 124 und ein Ausgangssignal 137 des Bandpassfilters 127 werden Eingängen des Mischers 125 zugeführt. Ein Ausgangssignal des Mischers 125 wird mit dem Filter 129, dessen Durchlassbereich das Vielfache k·f0 der Repetitionsrate beinhaltet, gefiltert. Die Bandpassfiltern 124, 127 und das Filter 129 sind so eingerichtet, dass ein Ausgangssignal des Filters 129 der mit der Differenzfrequenz k·f0 oszillierenden Signalkomponente des von dem Mischer 75 ausgegebenen Mischprodukts aus der mit der Frequenz n·f0 oszillierenden Signalkomponente des von dem Detektor 6a erfassten, an der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals und der mit der Frequenz (n – k)·f0 oder (n + k)·f0 oszillierenden Signalkomponente des Referenzsignals 15 ist. Dazu kann beispielsweise jedes der Filter 124, 127 und 129 einen Durchlassbereich mit einer Breite aufweisen, die kleiner als f0 ist. Während in 11 die Bandpassfilter 124 und 127 aus Gründen der Übersichtlichkeit als separate Komponenten dargestellt sind, kann die entsprechende Filterung auch durch die Filtercharakteristik des Mischers 125 erzielt werden.An output signal 134 the bandpass filter 124 and an output signal 137 the bandpass filter 127 become inputs of the mixer 125 fed. An output signal of the mixer 125 comes with the filter 129 , whose passband contains the multiple k · f0 of the repetition rate, filtered. The bandpass filters 124 . 127 and the filter 129 are set up so that an output signal of the filter 129 the oscillating with the difference frequency k · f0 signal component of the mixer 75 output mixed product from the oscillating with the frequency n · f0 signal component of the detector 6a detected, surface-reflected and / or scattered optical signal and with the frequency (n - k) · f0 or (n + k) · f0 oscillating signal component of the reference signal 15 is. For example, this can be any of the filters 124 . 127 and 129 a passband having a width less than f0. While in 11 the bandpass filters 124 and 127 for reasons of clarity are shown as separate components, the corresponding filtering can also by the filter characteristic of the mixer 125 be achieved.
Das Ausgangssignal 135 des Filters 125 oszilliert mit einer Frequenz k·f0, die kleiner als die Frequenz n·f0 der Signalkomponente ist, die zur Messung der Phasenlage herangezogen wird. Das Abwärtsmischen erfolgt jedoch unter Beibehaltung der Phasenlage, so dass die Phasendifferenz zwischen dem mit der Frequenz k·f0 oszillierenden Signal 135 und dem Ausgangssignal 138 des Filters 128 gleich der Phasendifferenz zwischen den mit der Frequenz n·f0 oszillierenden Signalkomponenten der von dem Fotodetektor 6a als Funktion der Zeit erfassten Intensität des an der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals und der mit der Frequenz n·f0 oszillierenden Signalkomponenten des Referenzsignals 15 ist.The output signal 135 of the filter 125 It oscillates at a frequency k * f0, which is smaller than the frequency n * f0 of the signal component, which is used to measure the phase position. However, the down-conversion takes place while maintaining the phase position, so that the phase difference between the oscillating at the frequency k · f0 signal 135 and the output signal 138 of the filter 128 equal to the phase difference between the signal components oscillating at the frequency n * f0 and that of the photodetector 6a as a function of time, the intensity of the optical signal reflected and / or scattered on the surface and the signal component of the reference signal oscillating at the frequency n · f0 15 is.
Die Signale 135 und 138 werden einem Phasenauswerter 130 zugeführt, der die Phasendifferenz Δϕ = n·f0·τ zwischen dem Signal 135 und dem Signal 138 bestimmt, die proportional zum Laufzeitunterschied ist. Das Abwärtsmischen unter Beibehaltung der Phasenbeziehung erlaubt, dass die Phasenmessung bei tiefen Frequenzen erfolgen.The signals 135 and 138 become a phase evaluator 130 which supplies the phase difference Δφ = n * f0 * τ between the signal 135 and the signal 138 determined, which is proportional to the transit time difference. The downmixing while maintaining the phase relationship allows the phase measurement to be done at low frequencies.
Auch wenn unter Bezugnahme auf 11 eine Ausgestaltung einer Auswerteeinrichtung beschrieben wurde, bei der die Phasenlage einer mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden Signalkomponente ausgewertet wurde, kann bei einem weiteren Ausführungsbeispiel auch die Phasenlage der mit der Repetitionsrate oszillierenden Signalkomponente ausgewertet werden. Dabei kann die mit der Repetitionsrate oszillierende Signalkomponente ebenfalls auf eine niedrigere Frequenz abwärts gemischt werden, wobei die Signalverarbeitung unter Verwendung der in der deutschen Patentanmeldung 10 2009 024 460.3 mit dem Titel „Auswerteeinrichtung, Messanordnung und Verfahren zur Weglängenmessung” zur Signalverarbeitung beschriebenen Einrichtungen erfolgen kann.Even if referring to 11 An embodiment of an evaluation device has been described, in which the phase position of a signal component oscillating at a multiple of the repetition rate was evaluated, the phase position of the signal component oscillating with the repetition rate can also be evaluated in a further exemplary embodiment. The signal component oscillating with the repetition rate can also be mixed down to a lower frequency, wherein the signal processing using the in the German patent application 10 2009 024 460.3 can be done with the title "evaluation device, measuring device and method for path length measurement" facilities described for signal processing.
Die Vorrichtungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung erlauben eine genaue und berührungslose Vermessung einer Oberfläche. Die Vorrichtungen und Verfahren können allgemein zum Vermessen von Oberflächen eingesetzt werden, wobei beispielhafte Anwendungsfelder die Vermessung von Räumen zur Digitalisierung der Räume, beispielsweise in Statikanwendungen, oder die quantitative Qualitätssicherung in industriellen Einrichtungen sind.The devices and methods according to various embodiments of the invention allow an accurate and non-contact measurement of a surface. The devices and methods can generally be used for measuring surfaces, with exemplary application fields being the measurement of rooms for the digitization of the rooms, for example in static applications, or the quantitative quality assurance in industrial installations.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
-
EP 0405423 B1 [0004] EP 0405423 B1 [0004]
-
EP 1218690 B1 [0004] EP 1218690 B1 [0004]
-
DE 102009024460 [0115] DE 102009024460 [0115]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
-
K. Minoshima and H. Matsumoto, „High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser”, Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5512–5517 (2000) [0006] K. Minoshima and H. Matsumoto, "High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser", Applied Optics, Vol. 30, pp. 5512-5517 (2000) [0006]
