DE102016100745B3

DE102016100745B3 - Verfahren zur optischen Abstandsmessung sowie ein Abstandsmessgerät

Info

Publication number: DE102016100745B3
Application number: DE102016100745.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Krauhausen; Roland Priem; Andreas Selent
Original assignee: FRIEDRICH VOLLMER FEINMESSGERATEBAU GmbH; Volas GmbH
Current assignee: FRIEDRICH VOLLMER FEINMESSGERATEBAU GmbH; Volas GmbH
Priority date: 2016-01-18
Filing date: 2016-01-18
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2036-01-19

Abstract

Ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung mittels mindestens einem in einem Abstand zu einer Oberfläche angeordnetem Abstandsmessgerät, welches mindestens einen Laserabstandssensor umfasst und eine Vorrichtung mit einem Abstandsmessgerät mit mindestens einem in einem Abstand zur Oberfläche angeordneten Laserabstandssensor, der den Abstand zwischen der Oberfläche und dem Laserabstandssensor misst, welche sowohl eine hohe Messgenauigkeit bieten, als auch wenig beeinflussbar ist durch Eigenschaften eines Messobjekts sind. Dies wird im Verfahren gewährleistet durch Durchführung von Abstandsmessungen mit hoher Frequenz im Triangulationsverfahren, Bildung eines Mittelwertes aus den Abstandsmessungen zur Bestimmung der Lage eines Messfeldes und Durchführung von Abstandsmessung in diesem Messfeld mit hoher Frequenz im Mehrwellenlängeninterferometrie-Verfahren, und in der Vorrichtung gewährleistet dadurch, dass das Abstandsmessgerät mindestens eine Triangulations-Einrichtung und mindestens ein Mehrwellenlängen-Interferometer aufweist.

Description

Verfahren zur optischen Abstandsmessung mittels mindestens einem in einem Abstand zu einer Oberfläche angeordnetem Abstandsmessgerät, welches mindestens einen Laserabstandssensor umfasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Abstandsmessgerät mit mindestens einem in einem Abstand zur Oberfläche angeordneten Laserabstandssensor, der den Abstand zwischen der Oberfläche und dem Laserabstandssensor misst.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2014 001 714 B4 der Anmelderin bekannt.
Hierbei handelt es sich um ein Triangulationsverfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen einem Laserabstandssensor und einer Oberfläche. Der Abstand wird hierbei über die Bestimmung einer abstandsabhängigen Abbildung eines von der Oberfläche gestreuten Laserstrahls auf einem Detektor ermittelt. Ein solches Triangulationsverfahren bietet eine schnelle und störungsunanfällige Messmethode, allerdings auf Kosten der Auflösung, mit einer Messgenauigkeit von einigen 10 μm. Nur durch Mittelung einer großen Anzahl von Messwerten, ist hiermit aktuell eine genaue Abstandsmessung im Bereich von einigen wenigen μm möglich.
Eine wesentlich höhere Messgenauigkeit im Sub-Mikrometer bieten beispielsweise Mehrwellenlängeninterferometrie-Verfahren (MWLI), wie z. B. in der DE 10 2008 033 942 B3 beschrieben.
Bei einem MWLI wird eine Phasenverschiebung zwischen einem Messlichtstrahl und einem Referenzlichtstrahl gemessen und dazu genutzt, die zurückgelegte Distanz des Messlichtstrahls zwischen einer Lichtquelle und einer Oberfläche zu bestimmen. Das MWLI zeichnet sich durch eine sehr hohe Messgenauigkeit aus, allerdings bei eingeschränktem eindeutigem Messbereich. Zudem ist diese Messung störanfällig. Die Oberflächeneigenschaften (z. B. Glanz, Farbe und/oder Rauigkeit) und der Einfallswinkel des Messlichtstrahls auf der Oberfläche können eine Messung negativ beeinflussen.
Die Aufgabe der Erfindung ist daher ein neuartiges Verfahren bereitzustellen, welches sowohl eine hohe Messgenauigkeit bietet, als auch wenig beeinflussbar ist durch Eigenschaften eines Messobjekts.
Die Lösung der Aufgrabe ergibt sich aus den nachfolgenden Merkmalen des Anspruchs 1.
Verfahren zur optischen Abstandsmessung mittels mindestens einem in einem Abstand zu einer Oberfläche angeordnetem Abstandsmessgerät, welches mindestens einen Laserabstandssensor umfasst, gekennzeichnet durch Durchführung von Abstandsmessungen mit hoher Frequenz im Triangulationsverfahren, Bildung eines Mittelwertes aus den Abstandsmessungen zur Bestimmung der Lage eines Messfeldes und Durchführung von Abstandsmessung in diesem Messfeld mit hoher Frequenz im Mehrwellenlängeninterferometrie-Verfahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet durch die Kombination der beiden Messmethoden den Vorteil einer störungsunanfälligen und sehr genauen Abstandsmessung.
Die Messfelder sind bei der Abstandsmessung die jeweiligen Bereiche des Abstands zwischen dem Abstandsmessgerät und der zu messenden Oberfläche, in dem Messabweichungen innerhalb fester Grenzen bleiben.
Die Oberfläche ist im Wesentlichen nicht transluzent (lichtdurchlässig), so dass auf die Oberfläche einfallende Lichtstrahlen reflektiert bzw. gestreut werden. Bei der Oberfläche eines Messobjektes kann es sich z. B. um metallische Oberflächen, wie die eines Walzbandes oder ein zylinderförmiges Bauteil handeln, deren Geometrie z. B. durch eine spanende Bearbeitung oder einen Schleifprozess hergestellt wird, wie z. B. einer Welle.
Im Triangulationsverfahren wird ein Abstand zwischen einem Laserabstandssensor des Abstandsmessgeräts und der Oberfläche bestimmt. Hierfür wird auf der Oberfläche gestreutes Licht eines Messlichtstrahls auf einem Detektor abgebildet. Abstandsabhängig ändert sich eine Position des gestreuten Lichts auf dem Detektor. Durch eine Bestimmung dieser Position ist eine Abstandsmessung möglich. Diese Messung ist wenig störanfällig, der Messbereich beträgt typisch einige 10 mm. Die Messgenauigkeit beträgt nur einige 10 μm.
Ein Mittelwert der Abstandsmessungen im Triangulationsverfahren dient zur Bestimmung der Lage eines Messfeldes für das MWLI.
In dem MWLI wird eine Weglängendifferenz zwischen einem Messlichtstrahl und einem Referenzlichtstrahl eines Laserabstandssensors des Abstandsmessgeräts bestimmt. Der Referenzlichtstrahl legt immer eine genau definierte Strecke zurück, während der Messlichtstrahl von der Oberfläche reflektiert wird. Die beiden Lichtstrahlen werden zur Interferenz miteinander gebracht und anschließend wird eine Intensität eines kombinierten Lichtstrahls auf einem Detektor gemessen. Über ein so entstehendes Interferenzmuster können sehr präzise relative Weglängenänderungen durch eine Bestimmung einer Phasenverschiebung zwischen Referenzlichtstrahl und Messlichtstrahl gemessen werden.
Durch die Phasenverschiebung ist es nicht eindeutig, welches Messfeld das Richtige ist, da sich dasselbe Interferenzmuster periodisch wiederholt.
Zur Bestimmung des richtigen Messfeldes muss daher seine Lage bestimmt werden. Zudem kann ein eindeutig bestimmtes richtiges Messfeld durch Störungen bei der Messung verloren gehen, beispielsweise durch Änderungen auf der Oberfläche oder durch senkrechte Verschiebung dieser. Daher ist ein Absolutwert des Abstandes, beispielsweise für eine Dickenmessung des Walzbandes, nicht sicher bestimmbar.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren dient daher der Abstandswert aus dem Triangulationsverfahren als Grundlage für die Bestimmung des richtigen Messfeldes des MWLI. Die relative Lage des Messfeldes des Triangulationsverfahrens zu dem Bereich in dem die möglichen Messfelder des MWLI liegen, ist über einen Offset gekennzeichnet. Der Offset stellt einen konstanten Versatz zwischen dem Messfeld des Triangulationsverfahrens und dem Bereich dar, in dem die möglichen Messfelder des MWLI umfasst sind, und ist aus einer Justierung der Laserabstandssensoren bekannt. Unter Berücksichtigung des Offsets kann durch den Mittelwert des Abstandes aus einer Messung mittels des Triangulationsverfahrens die tatsächliche Lage des richtigen Messfeldes für die Interferometrie bestimmt werden. Über den Abstandsmittelwert ist die ungefähre Position des richtigen Messfeldes des MWLI bekannt. Der Offset hilft dann dabei die tatsächliche Lage dieses Messfeldes exakt zu bestimmen, um beispielsweise zwischen zwei eng beieinander liegenden Messfeldern unterscheiden zu können. Mittels der tatsächlichen Lage ist es möglich das richtige Messfeld für das MWLI zu ermittelten, in dem dann mit hoher Präzision ein Abstandsmesswert bestimmt werden kann.
Hierbei ist allerdings zu beachten, dass ein einzelnes Messfeld des MWLI deutlich größer sein sollte, als die Messgenauigkeit des Triangulationsverfahrens. Die Messwerte im Triangulationsverfahren rauschen im Regelfall um einige 10 μm. Für eine eindeutige Bestimmung des Messfeldes des MWLI, ist es daher nötig, dass dessen Messfeld deutlich größer sein muss als die größten durch die Messungenauigkeit des Triangulationsverfahrens zu erwartenden Abweichungen. Vorteilhaft ist daher eine Messfeldgröße des MWLI von > 10 μm bis zu 1 mm.
Die Messfeldgröße ist durch die eingesetzte Wellenlänge im MWLI bestimmt, da in Interferometrieverfahren im allgemeinen das Messfeld in seiner Größe der halben eingesetzten Wellenlänge entspricht; bei einer eingesetzten Wellenlänge von 630 nm daher ungefähr 0,3 μm. Durch eine Überlagerung mehrere Wellenlängen kann eine synthetische Wellenlänge generiert werden, deren Wellenlänge viel größer ist als die der einzelnen Wellenlängen, was zu einer entsprechenden Vergrößerung des Messfeldes führt. Durch ein entsprechend großes Messfeld, ist es möglich, dessen Lage durch das relativ ungenaue Triangulationsverfahren sicher zu bestimmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur optischen Abstandsmessung ist zudem sehr unanfällig gegenüber Störungen des MWLI. Trifft beispielsweise der Messlichtstrahl bei dem MWLI auf eine Verunreinigung der Oberfläche und wird nicht reflektiert oder bewegt sich die zu messende Oberfläche aus dem aktuellen Messfeld heraus, führt dies zum kurzzeitigen Ausfall von Messwerten des MWLI und damit zur Störung der Abstandsmessung. Dies würde mit dem MWLI alleine zunächst unbemerkt bleiben. Bei herkömmlichen Interferometrieverfahren wäre die Weiterführung der Messung mit Unsicherheiten behaftet. Durch die Kombination der Messung des MWLI mit dem Triangulationsverfahren kann die Messung aber über die Triangulation fortgeführt werden, deren Messwerte als Abstandsmesswerte genutzt werden können und zur erneuten Bestimmung der Lage des Messfeldes des MWLI dienen.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist durch eine Bewegung der Oberfläche und/oder des Abstandsmessgeräts relativ zueinander gekennzeichnet. Die zu messende Oberfläche kann dabei bevorzugt als solche relativ zu dem Abstandsmessgerät bewegt werden, beispielsweise durch einen Transport des Walzbandes während eines Walzprozesses oder einer Drehung der Welle. Es ist aber auch vorteilhaft, wenn das Abstandsmessgerät, z. B. durch eine entsprechende Verstelleinheit, in einer Ebene parallel zur Oberfläche beweglich ist.
Durch die Bewegung der Oberfläche und/oder des Abstandsmessgeräts relativ zueinander kann beispielsweise die Messgenauigkeit, insbesondere des Triangulationsverfahrens verbessert werden. Hierdurch kann der Messlichtstrahl immer wieder an einem anderen Messfleck auf der Oberfläche abgebildet werden, wodurch etwaige Unregelmäßigkeiten der Oberfläche herausgemittelt werden können.
Eine besonders bevorzugte Verwendung des Verfahrens zur optischen Abstandsmessung ist eine Bestimmung einer Banddicke (Banddickenmessung). Hierbei wird bevorzugt durch gleichzeitige Bestimmung des Abstands zu einer Bandober- und Bandunterseite eines Walzbandes durch mindestens zwei sich gegenüberliegenden Abstandsmessgeräten ein Dickenmesswert des Walzbandes bestimmt.
Eine solche Banddickenmessung wird z. B. zur Regelung eines Walzprozesses verwendet. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur optischen Abstandsmessung bietet hier entscheidende Vorteile. Würde z. B. ein Abstand nur über das MWLI gemessen und es würde eine Störung, welche zum kurzzeitigen Ausfall der Messwerte führt, auftreten, hätte dies gravierende Folgen, da dann – wie schon beschrieben – die Weiterführung der Messung mit Unsicherheiten behaftet wäre. Ein Walzspalt zwischen verschiedenen Walzen könnte beispielsweise aufgrund dann folgend falsch bestimmter Abstandswerte zu groß eingestellt werden, was zu einer ungewollt größeren Banddicke führen würde. Damit müsste wahrscheinlich dieses Walzband noch nachgearbeitet werden, was höhere Produktionskosten bedeuten würde.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in dem Fall der Störung des MWLI die Abstandsmessung im Triangulationsverfahren fortgeführt. Über den Mittelwert dieser Messung kann dann wieder das Messfeld des MWLI bestimmt werden und die Messung läuft mit hoher Genauigkeit weiter.
Vorteilhaft ist daher eine Verwendung des Verfahrens zur Abstandsmessung zur Banddickenbestimmung bei sehr dünnen Metallbändern, die nach dem Walzprozess eine Materialdicke von < 0,1 mm, teilweise von < 0,01 mm, aufweisen sollen, da das MWLI auch noch diese Dicken über eine Abstandsmessung sicher bestimmen kann. Diese sehr dünnen Metallbänder weisen zudem eine sehr hohe Oberflächengüte (geringe Rauheit) auf, wodurch das MWLI stabiler abläuft, da der Messlichtstrahl besser reflektiert wird.
Eine weitere vorteilhafte Verwendung des Verfahrens ist eine allgemeine Geometrievermessung des Messobjekts, z. B. eines zylindrischen Körpers. Hierfür können beispielsweise ein oder mehrere Abstandsmessgeräte relativ beweglich zu dessen Oberfläche angeordnet werden, bevorzugt in einen über eine Verstelleinrichtung verfahrbaren Rahmen. Das Messobjekt kann während der Messung selber auch bewegt werden. Über eine Verrechnung der in der Messung ermittelten Abstandsmesswerte kann die Geometrie des Körpers des zu vermessenden Messobjektes bestimmt werden. Dies kann beispielsweise zur Geometrievermessung einer Welle genutzt werden. Eine zu vermessende Welle wird dabei in zwei Zentrierspitzen an den beiden Enden der Wellen in eine entsprechende Vorrichtung aufgenommen und folgend in eine Drehbewegung versetzt. Ein oder mehrere Abstandsmessgeräte tasten die Welle von der Seite ab. So kann z. B. der Durchmesser von Lagerstellen auf der Welle oder die Kontur eines Nockens bei einer Nockenwelle bestimmt werden. Bei herkömmlichen Interferometriemessmethoden wäre hierfür der Eindeutigkeitsbereich eines Interferometers zu gering und das Triangulationsverfahren stößt an seine Genauigkeitsgrenzen. Durch die Kombination von MWLI und Triangulationsverfahren kann die Messgenauigkeit solcher Messaufbauten deutlich verbessert werden.
Des Weiteren ist eine Verwendung des Messverfahrens für eine Bestimmung der Topographie der Oberfläche vorteilhaft, da über das MWLI bei einer Abstandsmessung beispielsweise auch sehr kleine Abstandsänderungen, im Nanometer-Bereich, ermittelt werden können, aber das Messverfahren durch die Kombination mit dem Triangulationsverfahren unanfällig für störende Einflüsse der Oberfläche des Messobjektes ist, wie z. B. Erhebungen oder Vertiefungen der Oberfläche. Für die Bestimmung der Topographie können die ermittelten Abstandsänderungen zusammen mit einer dazugehörigen Messposition auf der Oberfläche genutzt werden. Mittels der Topographie kann beispielsweise auch eine Rauheit der Oberfläche bestimmt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt im Triangulationsverfahren Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 300 bis 500 nm, vorzugsweise 405 nm, zum Einsatz. Im MWLI wird in dieser Ausführungsform Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen, im Bereich von 700 bis 1500 nm, genutzt. Durch die Trennung der Wellenlängenbereiche der einzelnen Verfahren sind diese weniger anfällig für wechselseitige Störungen und Interferenzen.
Ausgehend von dem oben dargelegten Stand der Technik sowie der ebenfalls oben dargelegten Aufgabe der Erfindung, besteht die Aufgabe der Erfindung nunmehr darin, ein neuartiges Abstandsmessgerät zu schaffen, mit dem eine für Störungen unanfällige und sehr genaue Abstandsmessung möglich ist.
Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den nachfolgenden Merkmalen des Anspruchs 7.
Abstandsmessgerät mit mindestens einem in einem Abstand zur Oberfläche angeordneten Laserabstandssensor, der den Abstand zwischen der Oberfläche und dem Laserabstandssensor misst, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandsmessgerät mindestens eine Triangulations-Einrichtung und mindestens ein Mehrwellenlängen-Interferometer sowie eine Auswerte- und Steuereinheit aufweist, mittels welcher die Lage eines Messfeldes für das Mehrwellenlängen-Interferometer aus Messdaten der Triangulations-Einrichtung im zeitlichen Verlauf ermittelbar ist.
Ein erfindungsgemäßes Abstandsmessgerät bietet den Vorteil durch die Kombination einer Triangulations-Einrichtung und eines Mehrwellenlängen-Interferometers, wie oben dargelegt, störungsunanfälligere und präzisere Abstandsmessungen durchführen zu können.
Die Triangulations-Einrichtung umfasst eine Lichtquelle, beispielsweise einen Laser mit einer Wellenlänge von 405 nm, deren Strahl auf einer Oberfläche, z. B. des Walzbandes, als Messfleck abgebildet und dort gestreut wird. Das auf dieser Oberfläche gestreute Licht wird auf eine ortsaufgelöste Detektoreinheit, z. B. einen Zeilendetektor abgebildet. Je nachdem auf welche Stelle der Detektoreinheit das Licht abgebildet wird, kann auf einen bestimmten Winkel zwischen dem Messfleck und der Detektoreinheit geschlossen werden. Dieser Winkel ist abhängig vom Abstand, was eine Abstandsbestimmung zwischen der Lichtquelle der Triangulations-Einrichtung und der Oberfläche möglich macht.
Bei dem Mehrwellenlängen-Interferometer wird Licht von mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen in einen gemeinsamen Strahlengang eingekoppelt. Dieses Licht wird auf einen Strahlteiler gelenkt. Der Strahlteiler ist ein halbdurchlässiger Spiegel, der das Licht teilweise hindurchlässt bzw. auf einen Referenzspiegel ablenkt. Das durchgelassene Licht bildet einen Messlichtstrahl, welcher auch auf die Oberfläche abgebildet wird. Dort wird der Messlichtstrahl reflektiert. Das reflektierte Licht wird am Strahlteiler mit dem Licht, welches am Referenzspiegel reflektiert wurde, kombiniert. Hierbei kommt es zur Interferenz zwischen dem am Referenzspiegel reflektiertem Licht (Referenzlichtstrahl) und dem Messlichtstrahl. Das kombinierte Licht wird zu einem Detektor geleitet. Je nach Abstand der Oberfläche zur Lichtquelle ändert sich das Muster der Interferenz, da durch eine Differenz der zurückgelegten Strecken zwischen Referenzlichtstrahl und Messlichtstrahl es zu einer Verschiebung ihrer Phasen kommt. Über diese Phasenverschiebung wird wie oben schon beschrieben dann der Abstand zwischen dem Mehrwellenlängen-Interferometer und der Oberfläche bestimmt.
Aus der Phasenverschiebung der einzelnen Wellenlängen kann sehr präzise ein relativer Abstand gemessen werden. Zur Bestimmung eines absoluten Abstandsmesswertes zwischen dem Mehrwellenlängen-Interferometer und der Oberfläche ist die genaue Lage des Messfeldes des MWLI zur Lage des Messfeldes des Triangulationsverfahrens zu bestimmen. Hierfür dient ein Messwert, welcher in der Triangulations-Einrichtung bestimmt werden kann.
Wird beim MWLI Licht unterschiedlicher Wellenlängen genutzt, können z. B. die relativen Phasen der unterschiedlichen Wellenlängen durch das Verfahren des Lock-In-Analysing (LIA) getrennt bestimmt und miteinander verrechnet werden. Hierfür werden die einzelnen Wellenlängen von der Lichtquelle in ihren Intensitäten moduliert. Diese Modulation dient dann der LIA zur genauen Bestimmung der Phasen der einzelnen Wellenlängen.
Um die Präzision der Messung weiter zu verbessern, können in einer bevorzugten Ausführungsform die Triangulations-Einrichtung sowie das Mehrwellenlängen-Interferometer zumindest teilweise einen gemeinsamen Strahlengang ausbilden, so dass beide Messstrahlen auf einen Messfleck auf der Oberfläche abgebildet sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Lichtquelle des Mehrwellenlängen-Interferometer drei Laser, bevorzugt mit unterschiedlichen Wellenlängen, auf. Die Strahlen dieser Laser können miteinander kombiniert werden, was zu einer Schwebungswellenlänge der beteiligten Wellenlängen führt. Hierüber kommt es, wie schon beschrieben, zu einer Vergrößerung des Messfeldes, da das absolute Messfeld der Hälfte einer mathematischen Schwebungswellenlänge der beteiligten Wellenlängen entspricht.
Vorteilhaft ist es, wenn das Abstandsmessgerät in einer Ebene parallel zu der Oberfläche beweglich ist. Bevorzugt weist das Abstandsmessgerät, bzw. das Bauteil in welchem das Abstandsmessgerät angeordnet ist, hierfür einen Motor auf, z. B. einen Schrittmotor oder einen Servoantrieb in Kombination mit einer Spindel und/oder einem Getriebe.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
1 eine teilweise schematische Darstellung eines Walzwerkes;
2 eine schematische Darstellung eines Abstandsmessgerätes mit einer Triangulations-Einrichtung und einem Mehrwellenlängen-Interferometer;
3 Bestimmung eines Messfeldes aus Kombination einer Triangulationsmessung und einer Mehrwellenlängen-Interferometrie-Messung,
4 eine schematische Darstellung der Bestimmung eines Abstandswertes durch die Kombination der Triangulationsmessung und des MWLI,
5 eine schematische Seitenansicht eines Abstandsmessgerätes und
6 eine detaillierte Ansicht eines Messaufbaus einer Kombinationsmessung und Bestimmung eines Abstandsmesswertes.
In den Zeichnungen ist ein Abstandsmessgerät insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet (s. 2).
In der 1 ist teilweise schematisch ein Walzwerk W dargestellt. Man erkennt, dass während des Walzprozesses ein Walzband 11 in Transportrichtung x befördert wird. Das Walzband 11 wird durch zahlreiche Rollenanordnungen 12 unterstützt und in x-Richtung bewegt, wobei zwischen den Rollenanordnungen 12 jeweils Walzgerüste 13 angeordnet sind, welche in Transportrichtung x jeweils einen sich verringernden Walzspalt 14 aufweisen.
In Transportrichtung x vor und nach jedem Walzgerüst 13 sind an einem C-Rahmen 15 jeweils Laserabstandssensoren 16 eines Abstandsmessgerätes 10 angeordnet, mit denen Dickenunregelmäßigkeiten im Walzband 11 vor dem Walzgerüst 13 beziehungsweise die Dicke des Walzbandes 11 nach einem Walzvorgang in einem Walzgerüst 13 bestimmt werden durch Abstandsmesswerte zwischen den Laserabstandssensoren 16 und dem Walzband 11. Im vorliegenden Fall handelt es sich um einen dreistufigen Walzprozess, an dessen Ende das dünne Walzband-Endprodukt 11 zu einem Coil 17 aufgerollt wird.
Letztlich erkennt man das Walzgerüst 13 mit zwei äußeren Stützwalzen 18 und zwei inneren Arbeitswalzen 19, die den Walzspalt 14 definieren.
Über einen Regelkreis wird mit Hilfe der durch das Abstandsmessgerät 10 gemessenen Dickenabweichungen die Breite des Walzspaltes 14 gesteuert.
In der 2 ist schematisch der Strahlengang einer Triangulations-Einrichtung T und eines Mehrwellenlängen-Interferometers I gezeigt. Diese sind im Abstandsmessgerät 10 angeordnet und Teil der Laserabstandsensoren 16. Die Triangulations-Einrichtung T des Abstandsmessgerätes 10 umfasst eine Triangulations-Lichtquelle 20, beispielsweise mit einer Wellenlänge im UV/Vis-Bereich, bei 300 bis 500 nm. Ein Lichtstrahl T-L₁ der Triangulations-Lichtquelle 20 wird durch eine Linse 21 auf einen dichroitischen Spiegel 22 abgebildet und von dort auf eine Oberfläche 24 des Walzbandes 11 abgelenkt. Auf der Oberfläche 24 bildet der Lichtstrahl T-L₁ der Triangulations-Lichtquelle 20 einen Messfleck 23. Durch eine hier nicht gezeigte Struktur der Oberfläche 24 wird der Lichtstrahl T-L₁ der Triangulations-Lichtquelle 20 gestreut. Der gestreute Lichtstrahl T-L₂ der Triangulations-Lichtquelle 20 wird über einen Filter 25 und eine Linse 26 auf den ortsauflösenden Triangulations-Detektor 27 abgebildet. Der Filter 25 dient dazu, dass nur Licht einer entsprechenden Wellenlänge der Triangulations-Lichtquelle 20 auf den Triangulations-Detektor 27 trifft. Je nach Abstand ändert sich der Punkt, auf den der Lichtstrahl T-L₂ am Triangulations-Detektor 27 trifft. Hierüber kann der Abstand zwischen der Triangulations-Lichtquelle 20 und der Oberfläche 24 auf einige 10 μm genau bestimmt werden.
Darüber hinaus emittiert eine Lichtquelle 28 des Mehrwellenlängen-Interferometers I einen Lichtstrahl I-L mit drei unterschiedlichen Wellenlängen, beispielsweise im Nah-Infrarot-Bereich, z. B. zwischen 700 nm–1500 nm, und umfasst mehrere Laser. Dieser Lichtstrahl I-L wird auf einen Strahlteiler 29 gelenkt. Ein Teil des Lichtstrahls I-L wird auf einen Referenzspiegel 30 reflektiert (Referenzlichtstrahl), der andere Teil auf die Abbildungslinse 31 gelenkt (Messlichtstrahl). Die Abbildungslinse 31 bildet den Lichtstrahl I-L der Interferometer-Lichtquelle 28 auf der Oberfläche 24 ab. Zuvor passiert dieser Lichtstrahl I-L den dichroitischen Spiegel 22, welcher lichtdurchlässig ist für die entsprechenden Wellenlängen des Lichtstrahl I-L. Am Messfleck 32 wird das Licht der Interferometer-Lichtquelle 28 des Mehrwellenlängen-Interferometers reflektiert und über die Abbildungslinse 31 und Strahlteiler 29 zum Detektor 34 geführt. Die Position des Messflecks 32 auf der Oberfläche 24 des Walzbandes 11 stimmt mit der des Messflecks 23 der Triangulations-Einrichtung überein. Dadurch messen beide Teil-Vorrichtungen am gleichen Punkt der Oberfläche 24, wodurch eine größere Messgenauigkeit gewonnen wird. Um Störungen durch Streulicht und Licht der Triangulations-Lichtquelle 20 zu vermeiden befindet sich vor dem Detektor 34 ein entsprechender Filter 33. Am Detektor 34 kann über eine Weglängendifferenz und damit verbundener Interferenz des am Referenzspiegel 30 (Referenzlichtstrahl) und des an der Oberfläche 24 reflektierten Lichts (Messlichtstrahl) der Abstand zwischen Detektor 34 und der Oberfläche 24 bestimmt werden.
In der 3 ist die Bestimmung der Lage eines Messfeldes für ein Mehrwellenlängeninterferometrie-Verfahren (MWLI), beispielsweise mittels der unter 2 beschriebenen Vorrichtung, gezeigt. Zu sehen ist, dass ein Messfeld 35 des Triangulationsverfahrens viel größer ist als ein einzelnes Messfeld 36 des MWLI. Ein Eindeutigkeitsbereich des MWLI ist nur in einem Messfeld 36 gegeben. Um einen Abstand a zwischen der Oberfläche 24 des Walzbandes 11 und einer Referenzebene 37 des Laserabstandssensors 16 bestimmen zu können, muss die Lage des richtigen Messfeldes 36' des MWLI genau bestimmt werden.
Ein wichtiger Parameter hierbei ist ein Offset O zwischen der relativen Lage des Messfeldes 35 des Triangulationsverfahrens und dem Bereich in dem die möglichen Messfelder 36, 36' des MWLI liegen. Der Offset O stellt einen konstanten relativen Versatz zwischen dem Messfeld 35 des Triangulationsverfahrens und dem Bereich der möglichen Messfelder 36, 36' des MWLI dar und ist aus einer vorherigen Justierung des Laserabstandssensors 16 bekannt.
In der 4 sind zunächst zwei Diagramme gezeigt: Im linken Diagramm Abstandsmesswerte M-T des Triangulationsverfahrens und im rechten Abstandsmesswerte M-I des MWLI. Es zeigt sich, dass die im Triangulationsverfahren ermittelten Abstandsmesswerte M-T im zeitlichen Verlauf größere Abweichungen (Rauschen) um einen Mittelwert aufweisen, als die in dem MWLI bestimmten Abstandsmesswerte M-I. Wie schon beschrieben, ist es allerdings zunächst unbekannt, in welchem möglichen Messfeld 36, 36' das MWLI misst. Ohne eine Information darüber welches der Messfelder 36 das richtige Messfeld 36' ist, kann kein Messwert für einen Abstand a mit dem geringen Messfehler des MWLI bestimmt werden kann.
Daher wird zunächst über das Triangulationsverfahren ein Abstandsmittelwert 38 zwischen der Oberfläche 24 des Walzbandes 11 und dem Abstandsmessgerät 10 gebildet. Dieser Abstandsmittelwert 38 wird vorwiegend dazu genutzt, um unter Berücksichtigung des Offsets O (siehe 3) zwischen den Messfeldern 35, 36 die Lage 39 des richtigen Messfeldes 36' des MWLI zu bestimmen. Bei Störungen des MWLI, beispielsweise durch Verunreinigungen der Oberfläche 24 eines Walzbandes 11 oder seiner Verschiebung in vertikaler Richtung, die größer ist als das Messfeld 36 in 3, kann dieser Abstandsmittelwert 38 auch vorübergehend alleinstehend zur Bildung eines Messwerts für den Abstand a genutzt werden.
Durch die Information über die Lage 39 des Messfeldes 36' der MWLI kann ein absoluter Verschiebungswert 40 für die Interferometer-Messwerte M-I bestimmt werden. Der Verschiebungswert 40 wird aus dem Offset O und der Lage des Messfeldes 36' des MWLI gebildet. Er ist eine Rechengröße (Operator) um aus den Interferometer-Messwerten M-I einen Abstandswert a, in der 4 mit 41 bezeichnet, zu ermitteln.
In der 5 ist schematisch der Aufbau eines Abstandsmessgerätes 10 gezeigt. Man erkennt den C-Rahmen 15 mit dazwischen liegendem Walzband 11 und im C-Rahmen 15 angeordneten Laserabstandssensoren 16. Zum Zwecke der Messung eines Abstandes a₁ und a₂ jedes einzelnen Laserabstandssensors 16 zu der Oberfläche 24, aus dem letztendlich die Dickenmesswerte d ermittelt werden, wird der Laserstrahl T-L₁ der Triangulations-Einrichtung T und der Laserstrahl I-L des Mehrwellenlängen-Interferometers I vertikal von oben oder von unten in Richtung des Walzbandes 11 geschickt. Die Strahlen der Triangulations-Einrichtung T-L₁ und des Mehrwellenlängen-Interferometers I-L der beiden sich gegenüberliegenden Laserabstandssensoren 16 liegen dabei auf derselben Achse. Der Dickenmesswert d ergibt sich aus der Differenz des Abstandes a_L zwischen den sich gegenüberliegenden Laserabstandssensoren 16 und ihren beiden Abstandswerten a₁ und a₂.
Die 6 zeigt ergänzend zu 2 detailliert den Aufbau eines Laserabstandssensors 16 des Abstandsmessgerätes 10, welcher eine Triangulations-Einrichtung T' und ein Mehrwellenlängen-Interferometer I' kombiniert. Die Triangulations-Einrichtung T' umfasst eine Triangulations-Lichtquelle 20'. Diese ist ein Diodenlaser λ₁ mit einer Wellenlänge von 405 nm. Dessen Lichtstrahl T-L₁ wird durch die Linse 21 auf den dichroitischen Spiegel 22 abgebildet, von hier auf die Oberfläche 24 des Walzbandes 11 abgelenkt und bildet dort den Messfleck 23. Durch die hier nicht gezeigte Struktur der Oberfläche 24 des Walzbandes 11 wird der Lichtstrahl T-L₁ gestreut. Der gestreute Lichtstrahl T-L₂ wird über einen Filter 25, der nur Licht der Wellenlänge 405 nm durchlässt und eine Linse 26 auf den ortsauflösenden Triangulations-Detektor 27, einen Zeilendetektor, abgebildet. Je nach Abstand ändert sich der Punkt, auf den der Lichtstrahl T-L₂ am Triangulations-Detektor 27 trifft, es werden jeweils andere Zellen desselben belichtet. Mittels dieser Information kann eine Auswerte- und Steuereinheit 42 einen Abstand a zwischen der Triangulations-Lichtquelle 20 des Abstandsmessgerätes 10 und der Oberfläche 24 des Walzbandes 11 bestimmen.
Für das MWLI umfasst die Interferometer-Lichtquelle 28' drei Diodenlaser λ₂, λ₃, λ₄ unterschiedlicher Wellenlängen im Bereich zwischen 700 nm–1500 nm. Um eine Störung der Diodenlaser λ₂, λ₃, λ₄ durch das von ihnen ausgestrahlte Licht zu vermeiden, sind in ihrem Strahlengang Faraday-Isolatoren 43 angebracht, welche eine optische Rückkopplung unterbinden. Die Diodenlaser λ₂, λ₃, λ₄ werden über entsprechende Linsen 44 in Lichtwellenleiter 45 eingekoppelt. Die Lichtwellenleiter 45 werden in Richtung einer Linse 46 zusammengeführt, so dass eine Kombination der einzelnen von den Diodenlasern λ₂, λ₃, λ₄ emittierten Lichtstrahlen gegeben ist. Die Interferometer-Lichtquelle 28' emittiert einen Lichtstrahl L-I mit drei Wellenlängen, welcher über die Linse 46 gebündelt auf den halbdurchlässigen Strahlteiler 29 gelenkt wird.
Am halbdurchlässigen Strahlteiler 29 wird der Lichtstrahl I-L in gleichen Teilen auf den Referenzspiegel 30 reflektiert und auf die Abbildungslinse 31 gelenkt. Vor dem Referenzspiegel 30 ist eine weitere Linse 47 angeordnet, welche reflektiertes Licht auf ihn bündelt. Die Abbildungslinse 31 bildet den Lichtstrahl I-L der Interferometer-Lichtquelle 28' auf der Oberfläche 24 des Walzbandes 11 ab. Zuvor passiert er den dichroitischen Spiegel 22, welcher lichtdurchlässig ist für die emittierten Wellenlängen der Diodenlaser λ₂, λ₃, λ₄ der Interferometer-Lichtquelle 28'. Am Messfleck 32, dessen Position mit der des Messfleck 23 der Triangulations-Einrichtung T' übereinstimmt, wird der Lichtstrahl I-L des Mehrwellenlängen-Interferometers I' reflektiert und über die Abbildungslinse 31 und Strahlteiler 29 zum Detektor 34 geführt. Um Störungen durch Streulicht und das Licht der Triangulations-Lichtquelle 20' zu vermeiden, befindet sich vor dem Detektor 34 ein entsprechender Filter 33, der nur die Wellenlängen welche die Diodenlaser λ₂, λ₃, λ₄ emittieren durchlässt, und eine Linse 48, die den ankommenden Lichtstrahl L-I auf den Detektor 34 fokussiert. Am Detektor 34 kann über die Interferenz des am Referenzspiegel 30 reflektierten Lichts und des an der Oberfläche 24 reflektierten Lichts eine Phasenverschiebung bestimmt werden, welche zur Bestimmung des Abstandes a zwischen Interferometer-Lichtquelle 28' und der Oberfläche 24 dient.
Die Auswerte- und Steuereinheit 42 umfasst eine Lasersteuerung für die Quellen 20' und 43, einen Lock-In-Verstärker für jede der Wellenlängen λ₂, λ₃ und λ₄ und eine Zeilenauswertung für den Triangulationsdetektor, welche aber im Einzelnen nicht dargestellt sind. Über die gezeigten Doppelpfeile ist schematisch angedeutet, wie die Auswerte- und Steuereinheit 42 mit der Triangulations-Einrichtung T und dem Mehrwellenlängen-Interferometer I' kommuniziert.
Über die Lasersteuerung können die Intensitäten der Wellenlängen einzelner Laser moduliert werden, beispielsweise für die Interferometer-Lichtquelle 28' um deren Phasen bestimmen zu können. Durch die unterschiedliche Intensitäts-Modulation der Laserquellen, kann die Information des kombinierten Lichtstrahls am Lock-In-Verstärker den Intensitäten entsprechend aufgelöst werden (Trägerfrequenzen). Hierüber ist eine sehr genaue Bestimmung der einzelnen Phasen der jeweiligen Wellenlängen für das MWLI möglich.
Die Triangulations-Lichtquelle 20' kann zudem über die Lasersteuerung leistungsgeregelt und gepulst werden. Über die Länge und Höhe der Laserpulse wird die Lichtmenge gesteuert, die der Triangulationsdetektor empfängt.
Außerdem erhält die Auswerte- und Steuereinheit 42 von den jeweiligen Detektoren 27, 34 Messdaten der Triangulations-Einrichtung T' und des Mehrwellenlängen-Interferometers I'. Diese Messdaten werden in der Auswerte- und Steuereinheit 42 wie beispielsweise hinsichtlich 3, 4 und 5 beschrieben, dazu genutzt, die Lage 38 eines Messfeldes 36 des MWLI zu bestimmen und einen Messwert für den Abstand a zu ermitteln.
Bezugszeichenliste

10: Abstandsmessgerät
11: Walzband
12: Rollenanordnungen
13: Walzgerüste
14: Walzspalt
15: C-Rahmen
16: Laserabstandssensoren
17: Coil
18: Stützwalzen
19: Arbeitswalzen
20/20': Lichtquelle
21: Linse
22: Spiegel
23: Messfleck
24: Oberfläche
25: Filter
26: Linse
27: Detektor
28/28': Lichtquelle des Mehrwellenlängen-Interferometers
29: Strahlteiler
30: Referenzspiegel
31: Abbildungslinse
32: Messfleck
33: Filter
34: Detektor
35: Messfeld der Triangulations-Einrichtung
36: Messfelder des Mehrwellenlängen-Interferometers
36': richtiges Messfeld des Mehrwellenlängen-Interferometers
37: Referenzebene
38: Lage des Messfeldes
39: Abstandsmittelwert
40: Interferometer-Messwert
41: Abstand
42: Auswerte- und Steuereinheit
43: Faraday-Isolatoren
44: Linse
45: Lichtwellenleiter
46: Linse
47: Linse
48: Linse
,W: Walzwerk
x: Transportrichtung
T-L₁: Laserstrahl
T-L₂: Laserstrahl
I-L: Laserstrahl
L₂: Abbildungsstrahlengang
a/a₁/a₂: Abstand
a_L: Abstand zwischen Laserabstandssensoren
d: Dickenmesswert
I/I': Mehrwellenlängen-Interferometer
T/T': Triangulations-Einrichtung
λ₁, λ₂, λ₃, λ₄: Diodenlaser
O: Offset

Claims

Verfahren zur optischen Abstandsmessung mittels mindestens einem in einem Abstand zu einer Oberfläche angeordnetem Abstandsmessgerät (10), welches mindestens einen Laserabstandssensor (16) umfasst, gekennzeichnet durch a) Durchführung von Abstandsmessungen mit hoher Frequenz im Triangulationsverfahren, b) Bildung eines Mittelwertes aus den Abstandsmessungen zur Bestimmung der Lage eines Messfeldes und c) Durchführung von Abstandsmessung in diesem Messfeld mit hoher Frequenz im Mehrwellenlängeninterferometrie-Verfahren.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Bewegung der Oberfläche (24) und/oder des Abstandsmessgeräts (10) relativ zueinander.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch Einsatz von Licht mit einer Wellenlänge im Triangulationsverfahren im Bereich von 300 bis 500 nm, vorzugsweise 405 nm, sowie von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen beim Mehrwellenlängeninterferometrie-Verfahren im Bereich von 700 bis 1500 nm.
Verwendung eines Verfahrens zur optischen Abstandsmessung nach mindestens einem der Ansprüche 1–3 zur Bestimmung einer Banddicke (d) eines Walzbandes (11).
Verwendung eines Verfahrens zur optischen Abstandsmessung nach mindestens einem der Ansprüche 1–3, zur allgemeinen Geometriebestimmung eines Messobjekts.
Verwendung eines Verfahrens zur optischen Abstandsmessung nach mindestens einem der Ansprüche 1–3, zur Bestimmung einer Topographie der Oberfläche (24).
Abstandsmessgerät (10) mit mindestens einem in einem Abstand zur Oberfläche (24) angeordneten Laserabstandssensor (16), der den Abstand zwischen der Oberfläche (24) und dem Laserabstandssensor (16) misst, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandsmessgerät (10) mindestens eine Triangulations-Einrichtung (T/T') und mindestens ein Mehrwellenlängen-Interferometer (I/I') sowie eine Auswerte- und Steuereinheit (42) aufweist, mittels welcher die Lage eines Messfeldes (36) für das Mehrwellenlängen-Interferometer (I/I') aus Messdaten der Triangulations-Einrichtung (T/T') im zeitlichen Verlauf ermittelbar ist.
Abstandsmessgerät (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Triangulations-Einrichtung (T/T') sowie das Mehrwellenlängen-Interferometer (I/I') zumindest teilweise einen gemeinsamen Strahlengang ausbilden, so dass beide Messstrahlen (I-L, T-L₁) auf einen Messfleck (23, 32) auf der Oberfläche (24) abgebildet sind.
Abstandsmessgerät (10) nach mindestens einem der Ansprüche 8 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtquelle (28/28') des Mehrwellenlängen-Interferometers (I/I') drei Laser (λ₂, λ₃, λ₄) umfasst.
Abstandsmessgerät (10) nach mindestens einem der Ansprüche 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandsmessgerät (10) in einer Ebene parallel zur Oberfläche (24) beweglich ist.
Abstandsmessgerät (10) nach mindestens einem der Ansprüche 7–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (24) relativ zum Abstandsmessgerät (10) bewegbar ist.