DE102019200664B3 - Sensor arrangement and method for measuring a measurement object - Google Patents
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Abstract
Es ist eine Sensoranordnung zum Vermessen eines Messobjekts offenbart, die eine Lichtquelle (2), eine Detektorlinse (3) und eine Sensorfläche (4) umfasst. Dabei ruft die Lichtquelle (2) einen durch die Sensoranordnung (1, 1') ausgesendeten Beleuchtungslichtstrahl (8, 8', 8") hervor, wobei die Detektorlinse (3) einen Detektionslichtstrahl (10, 10', 10") in Richtung der Sensorfläche (4) abbildet, wobei Beleuchtungslichtstrahl (8, 8', 8"), Detektorlinse (3) und Sensorfläche (4) derart relativ zueinander angeordnet sind, dass sich eine durch eine Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls (8, 8', 8") definierte Objektebene (11), eine senkrecht zu einer optischen Achse der Detektorlinse (3) angeordnete Linsenebene (13) und eine durch die Sensorfläche (4) definierte Detektorebene (12) in einer Schnittlinie (14) schneiden. Die Sensoranordnung umfasst ferner einen Umlenkspiegel (5) mit veränderbarer Reflektionsrichtung, wobei der Umlenkspiegel (5) optisch auf der Schnittlinie (14) und in einem Strahlengang eines durch die Lichtquelle (2) erzeugten Lichtstrahls angeordnet ist, sodass mittels Veränderung der Reflektionsrichtung des Umlenkspiegels (5) ein Beleuchtungslichtstrahl (8, 8', 8") mit veränderbarer Ausbreitungsrichtung und damit eine Objektebene mit veränderbarer Lage entsteht.A sensor arrangement for measuring a measurement object is disclosed, which comprises a light source (2), a detector lens (3) and a sensor surface (4). The light source (2) produces an illuminating light beam (8, 8 ', 8 ") emitted by the sensor arrangement (1, 1'), the detector lens (3) emitting a detection light beam (10, 10 ', 10") in the direction of Images sensor surface (4), the illuminating light beam (8, 8 ', 8 "), detector lens (3) and sensor surface (4) being arranged relative to one another such that a direction of propagation of the illuminating light beam (8, 8', 8") Cut a defined object plane (11), a lens plane (13) arranged perpendicular to an optical axis of the detector lens (3) and a detector plane (12) defined by the sensor surface (4) in an intersection line (14). The sensor arrangement further comprises a deflecting mirror (5) with a changeable direction of reflection, the deflecting mirror (5) being arranged optically on the cutting line (14) and in a beam path of a light beam generated by the light source (2), so that by changing the direction of reflection of the deflecting mirror ( 5) an illuminating light beam (8, 8 ', 8 ") with a variable direction of propagation and thus an object plane with a variable position is created.
Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Vermessen eines Messobjekts, mit einer Lichtquelle, einer Detektorlinse und einer Sensorfläche, wobei die Lichtquelle einen durch die Sensoranordnung ausgesendeten Beleuchtungslichtstrahl hervorruft, wobei die Detektorlinse einen Detektionslichtstrahl in Richtung der Sensorfläche abbildet, wobei Beleuchtungslichtstrahl, Detektorlinse und Sensorfläche derart relativ zueinander angeordnet sind, dass sich eine durch eine Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls definierte Objektebene, eine senkrecht zu einer optischen Achse der Detektorlinse angeordnete Linsenebene und eine durch die Sensorfläche definierte Detektorebene in einer Schnittlinie schneiden. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes System und ein entsprechendes Verfahren.The invention relates to a sensor arrangement for measuring a measurement object, with a light source, a detector lens and a sensor surface, the light source producing an illuminating light beam emitted by the sensor arrangement, the detector lens imaging a detection light beam in the direction of the sensor surface, the illuminating light beam, detector lens and sensor surface being relative in this way are arranged relative to one another such that an object plane defined by a direction of propagation of the illuminating light beam, a lens plane arranged perpendicular to an optical axis of the detector lens and a detector plane defined by the sensor surface intersect in an intersection line. The invention further relates to a corresponding system and a corresponding method.
Sensoranordnungen zum Vermessen eines Messobjekts, insbesondere zum Erzeugen hochaufgelöster dreidimensionaler Bilder von Messobjekten, gewinnen zunehmend an Bedeutung. So muss beispielsweise bei der Qualitätssicherung die dreidimensionale Beschaffenheit von hergestellten Werkstücken bezüglich des Einhaltens einer vorgegebenen Ebenheit, eines Spaltmaßes, eines vorgegebenen Profilverlaufs oder einer bestimmten Oberflächenqualität überwacht werden. Häufig erfolgt die Erfassung in laufenden Produktionsprozessen, sodass nicht selten enge zeitliche Vorgaben einzuhalten sind. Daher werden optische Messsysteme bevorzugt, da diese aufgrund des berührungslosen Messprinzips, der prinzipiell erreichbaren hohen Auflösung und der hohen Messgeschwindigkeit vielfach deutliche Vorteile bieten. Derartige optische Messsysteme sind als Punkt-, Linien- oder Flächensensoren verfügbar. Dabei vermessen Punktsensoren einen einzelnen Punkt der Oberfläche des Messobjekts. Bei Liniensensoren werden Messwerte entlang einer Beleuchtungslinie oder -kurve erzeugt. Flächensensoren erzeugen Messwerte in zwei Richtungen gleichzeitig, beispielsweise innerhalb eines rechteckigen Bereichs. Die erreichbare Auflösung von Punkt- oder Liniensensoren ist deutlich höher als bei Flächensensoren, so dass diese Sensoren häufig mit externen Aktuatoren kombiniert werden, wie beispielsweise Industrierobotern, Koordinatenmessmaschinen oder Lineartischen. Bei derartigen mechanisch scannenden Systemen ist die erreichbare Messgeschwindigkeit erheblich von der Leistungsfähigkeit des externen Aktuators abhängig.Sensor arrangements for measuring a measurement object, in particular for generating high-resolution three-dimensional images of measurement objects, are becoming increasingly important. For example, in quality assurance, the three-dimensional quality of manufactured workpieces must be monitored with regard to maintaining a specified flatness, a gap dimension, a specified profile profile or a specific surface quality. The recording is often carried out in ongoing production processes, so that it is not uncommon for time to be kept to a tight schedule. Optical measuring systems are therefore preferred because they offer clear advantages due to the contactless measuring principle, the high resolution that can be achieved in principle and the high measuring speed. Such optical measuring systems are available as point, line or area sensors. Point sensors measure a single point on the surface of the measurement object. With line sensors, measured values are generated along an illumination line or curve. Area sensors generate measured values in two directions simultaneously, for example within a rectangular area. The achievable resolution of point or line sensors is significantly higher than that of area sensors, so that these sensors are often combined with external actuators, such as industrial robots, coordinate measuring machines or linear tables. In the case of such mechanical scanning systems, the achievable measuring speed is significantly dependent on the performance of the external actuator.
Eine derartige Messvorrichtung ist beispielsweise in der
Eine Detektoreinheit erfasst die reflektierten Anteile der Laserlinie und bestimmt aus den beleuchteten Detektorelementen das Profil des Messobjekts. Beleuchtungslichtstrahl, Detektorlinse und Detektor sind derart relativ zueinander angeordnet, dass die Scheimpflug-Bedingung erfüllt ist. In einem Ausführungsbeispiel gezeigt ist der Strahlaufweiter durch einen Spiegel und einen Galvanospiegel 1728 ersetzt, wobei der Galvanospiegel derart bewegt wird, dass der Laserstrahl innerhalb eines vordefinierten Winkelbereichs hin- und herschwenkt und dadurch eine Laserlinie erzeugt wird. Die Laserlichtquelle und der Detektor sind in einem Messkopf angeordnet, der in die drei Raumrichtungen verschoben werden kann.A detector unit detects the reflected portions of the laser line and determines the profile of the measurement object from the illuminated detector elements. The illuminating light beam, detector lens and detector are arranged relative to one another in such a way that the Scheimpflug condition is fulfilled. In one exemplary embodiment, the beam expander is replaced by a mirror and a galvanomirror 1728, the galvanomirror being moved such that the laser beam swings back and forth within a predefined angular range and a laser line is thereby generated. The laser light source and the detector are arranged in a measuring head that can be moved in the three spatial directions.
Aus der
Zur Verbesserung der Messgeschwindigkeit sind optisch scannende Sensoren bekannt, bei denen zum Erzeugen einer optischen Scan-Bewegung der optische Pfad des Sensors beeinflusst wird. Da bei diesen Systemen die zu bewegende Masse deutlich geringer ist als bei mechanisch scannenden Systemen, sind höhere Scan-Geschwindigkeiten möglich. Zudem sind sehr kompakte Einheiten realisierbar. Derartige optisch scannende Systeme sind als konfokale Sensoren bekannt. Zudem sind grundlegende Ideen für Triangulationssensoren vorgeschlagen worden. To improve the measuring speed, optically scanning sensors are known, in which the optical path of the sensor is influenced in order to generate an optical scanning movement. Since the mass to be moved is significantly lower with these systems than with mechanical scanning systems, higher scanning speeds are possible. In addition, very compact units can be implemented. Such optical scanning systems are known as confocal sensors. Basic ideas for triangulation sensors have also been proposed.
Laser-Triangulationssensoren sind die gebräuchlichsten optischen Sensoren in der Dimensionsmessung und bei Aufgaben der Qualitätskontrolle und sind als Punkt- oder Liniensensoren verfügbar. Sie erreichen sowohl hohe Auflösungen als auch große Messbereiche. Derartige Sensoren, wie beispielhaft in
Wenn aus einem derartigen Sensor ein optisch scannendes System entstehen soll, das ein dreidimensionales Bild erzeugen kann, muss der optische Pfad umgelenkt werden. Derartige optisch scannende Systeme sind beispielsweise aus dem Artikel „Optical scanning of laser line sensors for 3D imaging“ von
Bei dem System nach
Bei dem System nach
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung, ein System und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass auch bei einem Verändern der Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls ein Vermessen eines Messobjekts, insbesondere ein dreidimensionales Vermessen, mit hoher Messgenauigkeit und hoher Messgeschwindigkeit möglich ist.The present invention is based on the object of designing and developing a sensor arrangement, a system and a method of the type mentioned at the outset in such a way that even when the direction of propagation of the illuminating light beam is changed, measurement of a measurement object, in particular a three-dimensional measurement, with high measurement accuracy and high measurement speed is possible.
Erfindungsgemäß ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist die in Rede stehende Sensoranordnung gekennzeichnet durch einen Umlenkspiegel mit veränderbarer Reflektionsrichtung, wobei der Umlenkspiegel optisch auf der Schnittlinie und in einem Strahlengang eines durch die Lichtquelle erzeugten Lichtstrahls angeordnet ist, sodass mittels Veränderung der Reflektionsrichtung des Umlenkspiegels ein Beleuchtungslichtstrahl mit veränderbarer Ausbreitungsrichtung und damit eine Objektebene mit veränderbarer Lage entsteht. According to the invention, the above object is achieved by the features of
Hinsichtlich des Systems ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 16 gelöst. Danach umfasst das in Rede stehende System eine erfindungsgemäße Sensoranordnung sowie ein Messobjekt, wobei der Beleuchtungslichtstrahl auf eine Oberfläche des Messobjekts gerichtet ist und wobei der Detektionslichtstrahl durch diffuse Reflektion des Beleuchtungslichtstrahls an der Oberfläche des Messobjekts entsteht.With regard to the system, the above object is achieved by the features of
Hinsichtlich des Verfahren ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 17 gelöst. Danach wird bei dem in Rede stehenden Verfahren eine erfindungsgemäße Sensoranordnung verwendet und das Verfahren umfasst die Schritte:
- Erzeugen eines Beleuchtungslichtstrahls und Lenken des Beleuchtungslichtstrahls auf eine Oberfläche des Messobjekts,
- Detektieren eines Detektionslichtstrahls mittels einer Sensorfläche der Sensoranordnung, wobei der Detektionslichtstrahl durch diffuse Reflektion des Beleuchtungslichtstrahls an der Oberfläche des Messobjekts hervorgerufen wird,
- Erzeugen eines Messwerts aus einer Position einer Auftreffstelle des Detektionslichtstrahls auf der Sensorfläche und
- Bestimmen eines Abstandswerts eines durch den Beleuchtungslichtstrahl beleuchteten Punkts der Oberfläche des Messobjekts von der Sensoranordnung.
- Generating an illuminating light beam and directing the illuminating light beam onto a surface of the measurement object,
- Detecting a detection light beam by means of a sensor surface of the sensor arrangement, the detection light beam being caused by diffuse reflection of the illuminating light beam on the surface of the measurement object,
- Generating a measured value from a position of an impact point of the detection light beam on the sensor surface and
- Determining a distance value of a point of the surface of the measurement object illuminated by the illuminating light beam from the sensor arrangement.
Für ein Verändern der Abstrahlrichtung bei einem Abscannen eines Messobjekts ist es nicht zwingend erforderlich, sowohl den Beleuchtungs- als auch den Detektionslichtstrahl über einen Umlenkspiegel zu beeinflussen, um die Scheimpflug-Bedingung einzuhalten. Vielmehr ist es ausreichend, wenn lediglich die Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls mittels geeigneter Mittel beeinflusst wird. Diese Mittel wirken dabei derart, dass sich alle (oder zumindest einige der) durch die Sensoranordnung abgestrahlten Beleuchtungslichtstrahlen in einem gemeinsamen Punkt schneiden, wobei dieser gemeinsame Punkt optisch auf der Schnittlinie einer Objektebene, einer Detektorebene und einer Linsenebene angeordnet ist. Dies kann durch eine Mechanik erreicht werden, mit der die gesamte Beleuchtungseinheit verschwenkt wird. Diese Mittel können aber auch „lediglich“ auf den durch die Lichtquelle erzeugten Lichtstrahl auswirken. Hierzu können entsprechende optische Mittel in den Strahlengang eines durch die Lichtquelle erzeugten Lichtstrahls angeordnet sein. Diese optischen Mittel können prinzipiell verschiedentlich ausgebildet sein.To change the radiation direction when scanning a measurement object, it is not absolutely necessary to influence both the illuminating and the detection light beam via a deflecting mirror in order to comply with the Scheimpflug condition. Rather, it is sufficient if only the direction of propagation of the illuminating light beam is influenced by means of suitable means. These means act in such a way that all (or at least some of) the illuminating light beams emitted by the sensor arrangement intersect at a common point, this common point being arranged optically on the intersection line of an object plane, a detector plane and a lens plane. This can be achieved by means of a mechanism with which the entire lighting unit is pivoted. However, these means can also “only” affect the light beam generated by the light source. For this purpose, corresponding optical means can be arranged in the beam path of a light beam generated by the light source. In principle, these optical means can be designed in various ways.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind diese optischen Mittel durch einen Umlenkspiegel realisiert, dessen Reflektionsrichtung veränderbar ist. Daher beziehen sich die nachfolgenden Ausführungen und die beigefügten Ansprüche auf die Verwendung eines entsprechenden Umlenkspiegels. Dieser Umlenkspiegel ist optisch auf besondere Art und Weise angeordnet, nämlich auf der Schnittlinie einer Objektebene, einer Detektorebene und einer Linsenebene. Auf diese Weise entsteht ein Beleuchtungslichtstrahl und damit eine Objektebene, die stets die Scheimpflug-Bedingung einhält, da die Objektebene auch bei Veränderung der Abstrahlrichtung des Beleuchtungslichtstrahls eine unveränderliche Schnittlinie mit der Linsenebene und der Detektorebene haben wird.In a particularly preferred embodiment of the invention, these optical means are realized by a deflecting mirror, the direction of reflection of which can be changed. Therefore, the following statements and the appended claims relate to the use of a corresponding deflection mirror. This deflecting mirror is optically arranged in a special way, namely on the intersection of an object plane, a detector plane and a lens plane. In this way, an illuminating light beam is created, and thus an object plane, which always complies with the Scheimpflug condition, since the object plane will have an invariable intersection with the lens plane and the detector plane even when the radiation direction of the illuminating light beam changes.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung umfasst - ähnlich wie ein konventioneller Triangulationssensor - eine Lichtquelle, eine Detektorlinse und eine Sensorfläche, die als Detektor fungiert. Die Lichtquelle erzeugt einen Lichtstrahl, der durch Reflektion an dem Umlenkspiegel und eventuell nach Beeinflussung durch weitere, zwischengeschaltete optische Mittel (beispielsweise ein der Lichtquelle nachgeschalteter Farb- oder Polarisationsfilter oder eine Linse) einen Beleuchtungslichtstrahl bildet. Der auf diese Weise hervorgerufene Beleuchtungslichtstrahl wird auf eine Oberfläche eines Messobjekts gelenkt, an dem der Beleuchtungslichtstrahl diffus reflektiert wird. Wenn der Beleuchtungslichtstrahl in Richtung Detektorlinse und Sensorfläche reflektiert wird, entsteht ein Detektionslichtstrahl als Teil des diffus reflektierten Beleuchtungslichtstrahls. Der Detektionslichtstrahl wird durch die Detektorlinse in Richtung der Sensorfläche abgebildet und beleuchtet eine Auftreffstelle auf der Sensorfläche. Diese Auftreffstelle kann ein oder mehrere Sensorelemente der Sensorfläche umfassen. Die Position der Auftreffstelle wird - unter Verwendung der Geometrie der Sensoranordnung - genutzt, um den Abstand des auf der Oberfläche des Messobjekts beleuchteten Punkts von der Sensoranordnung zu bestimmen. Durch Verändern der Reflektionsrichtung des Umlenkspiegels kann die Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls und damit der auf der Oberfläche des Messobjekts beleuchtete Punkt beeinflusst werden. Auf diese Weise kann die Oberfläche des Messobjekts oder Teile davon abgescannt und vermessen werden und es können dreidimensionale Messdaten von dem Messobjekt entstehen.Similar to a conventional triangulation sensor, the sensor arrangement according to the invention comprises a light source, a detector lens and a sensor surface which functions as a detector. The light source generates a light beam which forms an illuminating light beam by reflection on the deflecting mirror and possibly after being influenced by further, intermediate optical means (for example a color or polarization filter or a lens connected downstream of the light source). The illuminating light beam produced in this way is directed onto a surface of a measurement object on which the illuminating light beam is diffusely reflected. If the illuminating light beam is reflected in the direction of the detector lens and sensor surface, a detection light beam is created as part of the diffusely reflected illuminating light beam. The detection light beam is imaged by the detector lens in the direction of the sensor surface and illuminates an impact point on the sensor surface. This point of impact can comprise one or more sensor elements of the sensor surface. The position of the impact point is used - using the geometry of the sensor arrangement - to determine the distance of the point illuminated on the surface of the measurement object from the sensor arrangement. By changing the direction of reflection of the deflecting mirror, the direction of propagation of the illuminating light beam and thus the point illuminated on the surface of the measurement object can be influenced. In this way, the surface of the measurement object or parts thereof can be scanned and can be measured and three-dimensional measurement data can arise from the measurement object.
Durch das optische Anordnen des Umlenkspiegels auf der Schnittlinie der Objektebene, Linsenebene und Detektorebene bleibt auch bei Verschwenken des Beleuchtungslichtstrahls die Scheimpflug-Bedingung erfüllt. Die Linsenebene ist dabei durch eine Ebene gebildet, die senkrecht zu einer optischen Achse der Detektorlinse ist. Wenn die Detektorlinse beispielsweise durch eine klassische Sammellinse gebildet ist, würde sich die Linse in Richtung der Ebene erstrecken, wobei die Mittellinie der Linse auf der Ebene liegt und sich die Krümmungen der Linse beidseits der Linsenebene erstrecken. Wenn die Detektorlinse beispielsweise durch eine Gradient-Index-Linse (auch als GRIN-Linse bezeichnet) gebildet ist, so ist die optische Achse durch die Mittellinie der zylindrischen GRIN-Linse gebildet und die Linsenebene ist parallel zu den Grund- bzw. Deckflächen der GRIN-Linse, wobei sich beidseits der Linsenebene ein im Wesentlichen identischer Anteil der GRIN-Linse erstreckt. Unabhängig davon, ob die Detektorlinse durch eine einzelne Linse oder ein Linsensystem gebildet ist, lässt sich eine optische Achse der Detektorlinse definieren, die die Lage der Linsenebene festlegen kann.By optically arranging the deflecting mirror on the intersection of the object plane, lens plane and detector plane, the Scheimpflug condition remains fulfilled even when the illuminating light beam is pivoted. The lens plane is formed by a plane that is perpendicular to an optical axis of the detector lens. If the detector lens is formed, for example, by a classic converging lens, the lens would extend in the direction of the plane, the center line of the lens lying on the plane and the curvatures of the lens extending on both sides of the lens plane. If the detector lens is formed, for example, by a gradient index lens (also referred to as a GRIN lens), the optical axis is formed by the center line of the cylindrical GRIN lens and the lens plane is parallel to the base or top surfaces of the GRIN Lens, an essentially identical portion of the GRIN lens extending on both sides of the lens plane. Regardless of whether the detector lens is formed by a single lens or a lens system, an optical axis of the detector lens can be defined, which can determine the position of the lens plane.
Die Detektorebene ist durch die Sensorfläche definiert. Dies bedeutet, dass die Detektorebene parallel zu der Sensorfläche angeordnet ist. Dabei wird der Bereich der Sensorfläche, in dem effektiv die Detektion von einfallendem Licht erfolgt, auf der Detektorebene liegen. Da dieser Bereich im Vergleich zu den Gesamtabmessungen der Sensoranordnung sehr dünn ist und nur wenig unterhalb der Oberfläche der Sensorfläche liegen wird, ist es für die Praxis ausreichend, wenn dieser Bereich mit der Oberfläche der Sensorfläche gleichgesetzt wird. Damit wäre die Oberfläche der Sensorfläche Teil der Detektorebene.The detector level is defined by the sensor area. This means that the detector plane is arranged parallel to the sensor surface. The area of the sensor surface in which the detection of incident light is effectively effected will lie on the detector level. Since this area is very thin compared to the overall dimensions of the sensor arrangement and will be only a little below the surface of the sensor surface, it is sufficient in practice if this area is equated with the surface of the sensor surface. This would make the surface of the sensor surface part of the detector plane.
Die Objektebene ist durch die Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls definiert. Auch wenn ein einzelner Geradenabschnitt (im vorliegenden Fall der Beleuchtungslichtstrahl) eine Ebene nicht eindeutig festlegen kann, sondern lediglich eine Ebenenschar definiert, gibt es dennoch eine Ebene aus der Ebenenschar, die zwei weitere Ebenen in einer einzelnen Schnittlinie schneiden kann. Daher kann die Ausbreitungsrichtung in Kombination mit der Forderung einer einzelnen Schnittlinie die Lage der Objektebene eindeutig festlegen. Bei bestimmungsgemäßen Verwendung der Sensoranordnung beim Vermessen eines Messobjekts liegt ein Punkt, der auf der Oberfläche des Messobjekts durch den Beleuchtungslichtstrahl beleuchtet wird, auf der Objektebene.The object plane is defined by the direction of propagation of the illuminating light beam. Even if a single line segment (in the present case the illuminating light beam) cannot clearly define a plane, but only defines a set of planes, there is still a plane from the set of planes that can intersect two further planes in a single section line. Therefore, the direction of propagation in combination with the requirement of a single cutting line can clearly determine the position of the object plane. When the sensor arrangement is used as intended when measuring a measurement object, a point which is illuminated on the surface of the measurement object by the illuminating light beam lies on the object level.
Ein optisches Anordnen des Umlenkspiegels auf der Schnittlinie bedeutet, dass die Schnittlinie in der effektiven Wirkung des Umlenkspiegels auf einer reflektierenden Fläche des Umlenkspiegels liegt. Dies kann verschiedentlich realisiert sein. Im einfachsten Fall ist dieses optische Anordnen dadurch erreicht, dass die Schnittlinie auf der reflektierenden Fläche des Umlenkspiegels angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung würde ein durch die Lichtquelle erzeugter und an der reflektierenden Oberfläche reflektierter Lichtstrahl unmittelbar den Beleuchtungslichtstrahl bilden.An optical arrangement of the deflecting mirror on the cutting line means that the cutting line lies in the effective effect of the deflecting mirror on a reflecting surface of the deflecting mirror. This can be implemented in various ways. In the simplest case, this optical arrangement is achieved in that the cutting line is arranged on the reflecting surface of the deflecting mirror. In this embodiment, a light beam generated by the light source and reflected on the reflecting surface would directly form the illuminating light beam.
In einer alternativen Ausgestaltung wird das optische Anordnen des Umlenkspiegels auf der Schnittlinie unter Verwendung eines weiteren Spiegels erreicht. Ein durch die Lichtquelle hervorgerufener Lichtstrahl trifft in dieser Ausgestaltung zunächst auf den Umlenkspiegel, der diesen Lichtstrahl auf den weiteren Spiegel reflektiert. Dabei sind Umlenkspiegel, weiterer Spiegel und Schnittlinie derart relativ zueinander angeordnet, dass die an dem weiteren Spiegel gespiegelte Schnittlinie auf einer reflektierenden Fläche des Umlenkspiegels angeordnet ist. Auf diese Weise wirkt der Umlenkspiegel optisch so, als wäre er direkt auf der Schnittlinie angeordnet. Dies ermöglicht eine relativ freie Positionierung von Lichtquelle, Umlenkspiegel, Ansteuerelektronik und/oder weiteren Komponenten der Sensoranordnung. Selbst wenn die Verwendung eines einzelnen weiteren Spiegels eine bevorzugte Ausgestaltung darstellt, versteht es sich, dass dieses optische Anordnen auch mit mehreren weiteren Spiegeln realisiert werden kann. Solange die weiteren Spiegel und der Umlenkspiegel derart relativ zueinander angeordnet sind, dass die optisch wirksame Position des Umlenkspiegels auf der Schnittlinie liegt, erfüllt die Anordnung die Anforderungen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.In an alternative embodiment, the optical arrangement of the deflecting mirror on the cutting line is achieved using a further mirror. In this embodiment, a light beam caused by the light source first strikes the deflecting mirror, which reflects this light beam onto the further mirror. Deflecting mirror, further mirror and cutting line are arranged relative to one another in such a way that the cutting line mirrored on the further mirror is arranged on a reflecting surface of the deflecting mirror. In this way, the deflecting mirror appears optically as if it were arranged directly on the cutting line. This enables a relatively free positioning of the light source, deflection mirror, control electronics and / or other components of the sensor arrangement. Even if the use of a single further mirror represents a preferred embodiment, it is understood that this optical arrangement can also be implemented with a plurality of further mirrors. As long as the other mirrors and the deflecting mirror are arranged relative to one another in such a way that the optically effective position of the deflecting mirror lies on the cutting line, the arrangement fulfills the requirements of the sensor arrangement according to the invention.
Bei Verwendung eines oder mehrerer weiterer Spiegel können sich Einbauungenauigkeiten der einzelnen Spiegel aufsummieren. Daher ist der Umlenkspiegel in einer Weiterbildung derart angeordnet, dass eine Auftreffstelle, an der ein durch die Lichtquelle hervorgerufener Lichtstrahl auf eine reflektierende Fläche des Umlenkspiegels trifft, nicht weiter als einen Maximalabstand von der Schnittlinie entfernt ist. Vorzugsweise ist dieser maximale Abstand kleiner oder gleich 50 mm, ganz besonders bevorzugter Weise kleiner oder gleich 30 mm.If one or more other mirrors are used, inaccuracies in the installation of the individual mirrors can add up. In a further development, the deflecting mirror is therefore arranged such that a point of impact at which a light beam caused by the light source strikes a reflecting surface of the deflecting mirror is no further than a maximum distance from the cutting line. This maximum distance is preferably less than or equal to 50 mm, very particularly preferably less than or equal to 30 mm.
Der Umlenkspiegel kann auf verschiedenste Art und Weise gebildet sein. Da lediglich der Beleuchtungslichtstrahl in seiner Ausbreitungsrichtung beeinflusst wird, kann ein Umlenkspiegel mit einer kleinen Apertur verwendet werden. Wesentlich ist lediglich, dass der Umlenkspiegel eine veränderbare Reflektionsrichtung ermöglicht, wodurch ein ankommender Lichtstrahl kontrolliert und reproduzierbar in eine veränderbare Richtung gelenkt werden kann. Im einfachsten Fall kann dies durch eine reflektierende Fläche geschehen, die in mindestens eine Richtung verschwenkt werden kann. Hierzu können Aktuatoren vorgesehen sein, die eine reflektierende Fläche geeignet bewegen. Diese Aktuatoren können durch verschiedenste Mittel gebildet sein, die ein elektrisches Ansteuersignal aus einer Ansteuereinrichtung in eine mechanische Bewegung umwandeln. Lediglich beispielhaft sei auf die Verwendung eines Schrittmotors und die Nutzung kapazitiver Effekte verwiesen.The deflecting mirror can be formed in a wide variety of ways. Since only the illuminating light beam is influenced in its direction of propagation, a deflecting mirror with a small aperture can be used. It is only essential that the deflecting mirror enables a changeable direction of reflection, as a result of which an incoming light beam can be controlled and reproducibly directed in a changeable direction. In the simplest case, this can be done by a reflective surface that is in at least one direction can be pivoted. For this purpose, actuators can be provided which move a reflecting surface in a suitable manner. These actuators can be formed by a wide variety of means, which convert an electrical control signal from a control device into a mechanical movement. Reference is made to the use of a stepping motor and the use of capacitive effects by way of example only.
Dabei ist der Umlenkspiegel und dessen Verschwenkmechanismus vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine Auftreffstelle eines durch die Lichtquelle hervorgerufenen Lichtstrahls auf der reflektierenden Fläche des Umlenkspiegels während des Verschwenkens der reflektierenden Fläche im Wesentlichen unverändert bleibt. Da die Auftreffstelle üblicherweise durch die Anordnung der einzelnen optischen Mittel der Sensoranordnung recht genau bekannt ist, kann die Forderung dieser Weiterbildung üblicherweise einfach erfüllt werden.The deflecting mirror and its pivoting mechanism is preferably designed such that a point of impact of a light beam caused by the light source on the reflecting surface of the deflecting mirror remains essentially unchanged during the pivoting of the reflecting surface. Since the point of impact is usually known very precisely by the arrangement of the individual optical means of the sensor arrangement, the requirement of this development can usually be easily met.
In einer Ausgestaltung ist der Umlenkspiegel durch einen 1-Achs-Kippspiegel oder einen 2-Achsen-Kippspiegel gebildet. 1-Achs-Kippspiegel sind auch als „tip mirror“ und 2-Achsen-Kippspiegel als „tip/tilt mirror“ bekannt. Dabei kann ein 1-Achs-Kippspiegel um eine Schwenkachse und ein 2-Achsen-Kippspiegel um zwei Schwenkachsen verschwenkt werden. Bei 2-Achsen-Kippspiegeln sind die beiden Schwenkachsen meist senkrecht zueinander angeordnet. In beiden Fällen bietet es sich bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung an, wenn die Schwenkachse bzw. eine der Schwenkachsen parallel oder senkrecht zu der Schnittlinie angeordnet ist.In one configuration, the deflecting mirror is formed by a 1-axis tilting mirror or a 2-axis tilting mirror. 1-axis tilt mirrors are also known as "tip mirror" and 2-axis tilt mirrors as "tip / tilt mirror". A 1-axis tilting mirror can be swiveled around a swivel axis and a 2-axis tilting mirror can be swiveled around two swivel axes. With 2-axis tilting mirrors, the two swivel axes are usually arranged perpendicular to each other. In both cases, it is advisable in the sensor arrangement according to the invention if the pivot axis or one of the pivot axes is arranged parallel or perpendicular to the cutting line.
In einer Weiterbildung ist der Umlenkspiegel aus einem Array von Einzelspiegeln aufgebaut, die gemeinsam die Funktion des Veränderns einer Reflektionsrichtung erfüllen. Dabei ist es weitgehend unerheblich, wie das Array aufgebaut ist. In einem einfachsten Fall kann der Umlenkspiegel aus einer Matrix quadratischer oder rechteckiger Einzelspiegel bestehen. Es ist aber auch denkbar, dass der Umlenkspiegel durch eine Aneinanderreihung von sechseckigen Einzelspiegel als eine wabenartige Struktur gebildet ist. Es ist sogar denkbar, dass nicht alle Einzelspiegel identisch aufgebaut sind, sondern dass unterschiedliche Einzelspiegel vorhanden sind.In a further development, the deflecting mirror is constructed from an array of individual mirrors, which together fulfill the function of changing a direction of reflection. It is largely irrelevant how the array is constructed. In the simplest case, the deflecting mirror can consist of a matrix of square or rectangular individual mirrors. However, it is also conceivable that the deflecting mirror is formed as a honeycomb-like structure by a series of hexagonal individual mirrors. It is even conceivable that not all individual mirrors are constructed identically, but that different individual mirrors are present.
Derartige aus Einzelspiegeln aufgebaute Umlenkspiegel lassen sich durch ein MEMS (Mikro-Elektro-Mechanisches System) relativ einfach realisieren. Ein derartiges MEMS ist beispielsweise ein DMD (Digital Mirror Device), bei dem ein Array von Einzelspiegel zwischen zwei stabilen Endpositionen mittels kapazitiver Aktuatoren verschwenkt werden können. Durch Verwendung geeigneter Ansteuersignale, beispielsweise eine Spannung mit sinusförmigem Verlauf, kann eine definierte dynamische Verschwenkung zwischen den beiden Endpositionen erreicht werden.Such deflection mirrors constructed from individual mirrors can be implemented relatively easily by means of a MEMS (micro-electro-mechanical system). Such a MEMS is, for example, a DMD (Digital Mirror Device), in which an array of individual mirrors can be pivoted between two stable end positions by means of capacitive actuators. By using suitable control signals, for example a voltage with a sinusoidal curve, a defined dynamic pivoting between the two end positions can be achieved.
Unabhängig der Formgebung der Einzelspiegel können diese mittels eines oder mehrerer Aktuatoren verschwenkbar sein. Bei Verwendung eines einzelnen Aktuators würde dieser alle Einzelspiegel gemeinsam bewegen. Bei Verwendung mehrerer Aktuatoren kann für jeden Einzelspiegel ein eigener Aktuator bereitgestellt sein, der den jeweils zugeordneten Einzelspiegel verschwenkt. Allerdings ist es auch möglich, dass einer der mehreren Aktuatoren mehrere Einzelspiegel gemeinsam bewegt, beispielsweise Einzelspiegel einer Zeile oder einer Spalte oder mehrere benachbarte Einzelspiegel als Spiegel-Cluster.Regardless of the shape of the individual mirrors, they can be pivoted by means of one or more actuators. If a single actuator were used, this would move all of the individual mirrors together. If several actuators are used, a separate actuator can be provided for each individual mirror, which pivots the respectively assigned individual mirror. However, it is also possible for one of the several actuators to move several individual mirrors together, for example individual mirrors of a row or a column or several neighboring individual mirrors as a mirror cluster.
Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Umlenkspiegels lässt sich der Umlenkspiegel vorzugsweise mittels einer Ansteuerelektronik derart ansteuern, dass ein Beleuchtungslichtstrahl erzeugbar ist, der zwischen zwei Maximalauslenkungen verschwenkbar ist. Auf diese Weise kann der Beleuchtungslichtstrahl definiert hin und her verschwenkt werden, so dass eine Scanbewegung ausgeführt werden kann. Dabei kann der Beleuchtungslichtstrahl dynamisch zwischen den Maximalauslenkungen verschwenkt werden, d.h. der Beleuchtungslichtstrahl wird kontinuierlich ohne diskreten Zwischenstufen bewegt. Durch geeignete Wahl eines Ansteuersignals kann die dynamische Bewegung des Beleuchtungslichtstrahls über das Messobjekt weitgehend gleichförmig erfolgen. Der Beleuchtungslichtstrahl kann aber auch - je nach Ausgestaltung des Umlenkspiegels - in mehreren diskreten Zwischenstufen zwischen den Maximalauslenkungen verschwenkt werden. Auf diese Weise lassen sich die beleuchteten Bildpunkte klar abgrenzen. Unabhängig von der Art der Bewegung ermöglicht diese Weiterbildung ein vollständiges oder zumindest teilweises Abscannen der Oberfläche des Messobjekts. Wenn ein 2-Achsen-Kippspiegel eingesetzt wird, kann eine Verschwenkung um die eine Schwenkachse den Beleuchtungslichtstrahl zwischen zwei Maximalauslenkungen verschwenken, während die Verschwenkung um die andere Schwenkachse den Beleuchtungslichtstrahl sukzessive weiterbewegt. Auf diese Weise können definierte Scanbahnen auf dem Messobjekt erzeugt werden, beispielsweise eine mäanderförmige Scanbahn.Regardless of the specific configuration of the deflecting mirror, the deflecting mirror can preferably be controlled by means of control electronics in such a way that an illuminating light beam can be generated which can be pivoted between two maximum deflections. In this way, the illuminating light beam can be pivoted back and forth in a defined manner, so that a scanning movement can be carried out. The illuminating light beam can be swiveled dynamically between the maximum deflections, i.e. the illuminating light beam is continuously moved without discrete intermediate stages. By suitable selection of a control signal, the dynamic movement of the illuminating light beam can take place largely uniformly over the measurement object. However, depending on the design of the deflecting mirror, the illuminating light beam can also be pivoted in several discrete intermediate stages between the maximum deflections. In this way, the illuminated pixels can be clearly delimited. Regardless of the type of movement, this development enables a complete or at least partial scanning of the surface of the measurement object. If a 2-axis tilting mirror is used, pivoting about the one pivot axis can pivot the illuminating light beam between two maximum deflections, while pivoting about the other pivot axis moves the illuminating light beam successively. In this way, defined scan paths can be generated on the measurement object, for example a meandering scan path.
Die Sensorfläche kann auf unterschiedliche Weise gebildet sein. Wesentlich ist, dass die Sensorfläche eine ortsaufgelöste Messung der Position einer Auftreffstelle eines Detektionslichtstrahls auf der Sensorfläche durchführen kann. Dies dürfte meist dadurch erfolgen, dass die Sensorfläche aus einer Reihe von lichtempfindlichen Sensorelementen besteht, wobei die Sensorelemente in einer Zeile oder einem Array, beispielsweise einer Matrix, angeordnet sind. Geeignete derartige Sensorflächen sind beispielsweise als Zeilen- oder Flächensensoren ausgebildete CCD (Charge Coupled Device)-Sensoren.The sensor surface can be formed in different ways. It is essential that the sensor surface can carry out a spatially resolved measurement of the position of an impact point of a detection light beam on the sensor surface. This should mostly be done by the sensor surface consisting of a series of light-sensitive sensor elements, the sensor elements being arranged in a row or an array, for example a matrix. Suitable sensor surfaces of this type are For example, CCD (Charge Coupled Device) sensors designed as line or area sensors.
Prinzipiell kann die Lichtquelle auf verschiedenste Weise gebildet sein, solange ein Lichtstrahl mit ausreichender Intensität und ausreichender Homogenität erzeugbar ist. Was eine ausreichende Intensität und eine ausreichende Homogenität bedeutet, hängt von den jeweiligen Anforderungen an die Messgenauigkeit und die Auflösung der Sensoranordnung ab. So kann es durchaus ausreichend sein, die Lichtquelle durch eine LED (Licht Emittierende Diode) mit nachgeordneter Optik zu realisieren. Vorzugsweise wird jedoch ein Laser, besonders bevorzugte Weise eine Laser-Diode verwendet. Dabei kann der Laser-Diode eine Strahlformungsoptik nachgeordnet sein.In principle, the light source can be formed in a wide variety of ways, as long as a light beam with sufficient intensity and sufficient homogeneity can be generated. What means sufficient intensity and sufficient homogeneity depends on the respective requirements for the measurement accuracy and the resolution of the sensor arrangement. So it may be sufficient to implement the light source using an LED (light-emitting diode) with downstream optics. However, a laser is preferably used, particularly preferably a laser diode. Beam shaping optics can be arranged downstream of the laser diode.
Zum Homogenisieren eines durch die Lichtquelle erzeugten Lichtstrahls kann in dem Strahlengang des Lichtstrahls ein optisches Mittel angeordnet werden, das Intensitätsschwankungen des Beleuchtungslichtstrahls reduziert. Selbst bei Lasern schwankt deren Intensität periodisch. Diese Schwankungen sind als sogenannte „Laser Speckles“ bekannt. Auch wenn diese Intensitätsschwankungen relativ gering sind, können sie die Messgenauigkeit der Sensoranordnung negativ beeinflussen. Es sind optische Mittel verfügbar, die diese Laser Speckles reduzieren, beispielsweise von der OptiTune Switzerland AG, Dietikon, Schweiz. Derartige „Laser Speckle Reducer“ sind beispielsweise durch schnell bewegte oder rotierende Platten gebildet. In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist ein derartiger Laser Speckle Reducer in dem Strahlengang eines durch einen Laser hervorgerufenen Beleuchtungslichtstrahls angeordnet.To homogenize a light beam generated by the light source, an optical means can be arranged in the beam path of the light beam, which reduces intensity fluctuations of the illuminating light beam. Even with lasers, their intensity fluctuates periodically. These fluctuations are known as "laser speckles". Even if these intensity fluctuations are relatively small, they can negatively influence the measuring accuracy of the sensor arrangement. Optical means are available to reduce these laser speckles, for example from OptiTune Switzerland AG, Dietikon, Switzerland. Such “laser speckle reducers” are formed, for example, by rapidly moving or rotating plates. In a development of the sensor arrangement according to the invention, such a laser speckle reducer is arranged in the beam path of an illuminating light beam caused by a laser.
In einer anderen Weiterbildung sind Mittel zum Ermitteln einer Winkelposition vorgesehen, mit denen die Winkelposition des Umlenkspiegels ermittelt werden kann. Diese Winkelposition gibt an, wie eine oder mehrere reflektierende Flächen des Umlenkspiegels orientiert sind. Damit ist die Winkelposition ein Maß dafür, in welche Richtung der Umlenkspiegel einen auftreffenden Lichtstrahl reflektiert und damit für die Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls und die Lage der Objektebene. Die Winkelposition kann als Messwert oder als Schätzwert gewonnen werden. Ein Messwert würde beispielsweise entstehen, wenn die Mittel zum Ermitteln einer Winkelposition durch einen Winkelsensor oder einen Winkelgeber gebildet sind, der die Winkelposition des Umlenkspiegels erfasst. Ein Schätzwert kann über einen Schätzer gewonnen werden, der beispielsweise basierend auf einem an einen Aktuator angelegten Ansteuersignal eine resultierende Winkelposition schätzt. Sofern die Winkelposition des Umlenkspiegels durch eine Regelung eingestellt wird, ist es auch denkbar, den Schätzwert durch eine Sollwertvorgabe zu gewinnen, d.h. es wird bei Vorgabe eines Sollwerts für die Regelung davon ausgegangen, dass die Regeldifferenz gering ist und die tatsächliche Winkelposition nahe an dem Sollwert liegt. Insbesondere bei 2-Achsen-Kippspiegeln kann die Winkelposition des Umlenkspiegels, die eine Verschiebung des Beleuchtungslichtstrahls in Richtungen parallel zu der Schnittlinie hervorruft, auch über die Sensorfläche ermittelt werden, sofern die Sensorfläche eine Ortsmessung in zwei Richtungen ermöglicht. Denn entsprechende Verkippungen des Umlenkspiegels führen zu einer Verschiebung des auf der Sensorfläche beleuchteten Punkts, wodurch aus dem beleuchteten Punkt auf die Verkippung zurückgeschlossen werden kann.In another development, means for determining an angular position are provided, with which the angular position of the deflecting mirror can be determined. This angular position indicates how one or more reflecting surfaces of the deflecting mirror are oriented. The angular position is thus a measure of the direction in which the deflecting mirror reflects an incident light beam and thus the direction of propagation of the illuminating light beam and the position of the object plane. The angular position can be obtained as a measured value or as an estimated value. A measured value would arise, for example, if the means for determining an angular position are formed by an angle sensor or an angle sensor that detects the angular position of the deflecting mirror. An estimated value can be obtained via an estimator which, for example, estimates a resulting angular position based on a control signal applied to an actuator. If the angular position of the deflecting mirror is set by regulation, it is also conceivable to obtain the estimated value by specifying a setpoint, i.e. If a setpoint is specified for the control, it is assumed that the control difference is small and the actual angular position is close to the setpoint. In the case of 2-axis tilting mirrors in particular, the angular position of the deflecting mirror, which causes the illuminating light beam to shift in directions parallel to the cutting line, can also be determined via the sensor surface, provided that the sensor surface enables location measurement in two directions. This is because appropriate tilting of the deflection mirror leads to a displacement of the point illuminated on the sensor surface, as a result of which the tilting can be inferred from the illuminated point.
Derart gewonnene Mess- bzw. Schätzwerte für die Winkelposition können genutzt werden, um eine Fehlerkorrektur und/oder eine Anpassung optischer Mittel der Sensoranordnung durchzuführen. Durch das erfindungsgemäße optische Anordnen des Umlenkspiegels auf der Schnittlinie ist zwar die Scheimpflug-Bedingung stets erfüllt, allerdings variiert bei unterschiedlichen Ausrichtungen der Objektebene die Ebene, auf die die Detektorlinse den Detektionslichtstrahl scharf abbildet. Dadurch entstehen Messfehler. Diese Messfehler lassen sich - je nach Ausmaß der Abweichung zwischen Detektorebene und Abbildungsebene - durch eine Fehlerkorrektur teilweise oder vollständig kompensieren. Entsprechend geeignete Korrekturpolynome sind aus der Praxis bekannt. Hierzu kann die ermittelte Winkelposition genutzt werden. Andererseits ist es möglich, durch verschiedene Lagen der Objektebene entstehende Messfehler auf optischem Wege zu kompensieren. Hierzu können in dem Strahlengang des Detektionslichtstrahls optischen Mittel angeordnet sein, bei deren Anpassung die ermittelte Winkelposition genutzt wird.Measured or estimated values for the angular position obtained in this way can be used to carry out an error correction and / or an adaptation of optical means of the sensor arrangement. Although the Scheimpflug condition is always met by the optical arrangement of the deflecting mirror according to the invention on the section line, the plane on which the detector lens sharply images the detection light beam varies with different orientations of the object plane. This creates measurement errors. Depending on the extent of the deviation between the detector level and the imaging level, these measurement errors can be partially or completely compensated for by an error correction. Appropriate correction polynomials are known from practice. The determined angular position can be used for this. On the other hand, it is possible to optically compensate for measurement errors arising from different positions of the object plane. For this purpose, optical means can be arranged in the beam path of the detection light beam, and the angular position determined is used when adapting them.
Die Detektorlinse kann prinzipiell auf verschiedenste Weisen gebildet sein, solange die Detektorlinse dazu geeignet ist, einen Detektionslichtstrahl in Richtung der Sensorfläche abzubilden. Dabei kann die Detektorlinse durch eine Einzellinse oder ein Linsensystem bestehend aus mehreren hintereinander geschalteten Einzellinsen aufgebaut sein. Die Einzellinse/n kann/können ebenso verschiedentlich aufgebaut sein. Beispielhaft jedoch nicht auf diese beschränkt sei auf klassische Linsen und Gradient-Index-Linsen verwiesen.In principle, the detector lens can be formed in a wide variety of ways, as long as the detector lens is suitable for imaging a detection light beam in the direction of the sensor surface. The detector lens can be constructed by a single lens or a lens system consisting of several single lenses connected in series. The individual lens (s) can also be constructed in various ways. As an example, but not limited to these, reference is made to classic lenses and gradient index lenses.
In einer Weiterbildung weist die Detektorlinse eine anpassbare Brennweite auf. Derartige Detektorlinsen sind - sowohl in Form von Einzellinsen als auch in Form von Linsensystemen - aus der Praxis bekannt. Insbesondere die bereits angesprochenen Abbildungseffekte durch verschiedene Lagen der Objektebene können durch eine derartig ausgestattete Detektorlinse kompensiert werden. Wenn Mess-/ Schätzwerte für die Winkelposition bekannt oder ermittelt sind, kann eine Detektorlinse mit anpassbarer Brennweite in Abhängigkeit der aktuellen Winkelposition angepasst werden. Da die Auswirkungen einer Lageänderung der Objektebene gut beschreibbar sind, lässt sich ein Ansteuersignal zur Anpassung der Brennweite ohne Weiteres bestimmen.In a further development, the detector lens has an adjustable focal length. Detector lenses of this type are known in practice, both in the form of individual lenses and in the form of lens systems. In particular, the imaging effects already mentioned due to different positions of the object plane can be compensated for by a detector lens equipped in this way. If measuring / If estimates of the angular position are known or determined, a detector lens with an adjustable focal length can be adapted as a function of the current angular position. Since the effects of a change in the position of the object plane are easy to describe, a control signal for adapting the focal length can be determined easily.
In einer anderen Weiterbildung ist der Detektorlinse eine Zylinderlinse nachgeordnet oder vorgeordnet, die den Detektionslichtstrahl auf Punkte auf einer Projektionslinie projiziert. „Nachgeordnet“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Zylinderlinse zwischen Detektorlinse und Sensorfläche angeordnet ist. „Vorgeordnet“ bedeutet, dass die Detektorlinse zwischen der Zylinderlinse und der Sensorfläche angeordnet ist. Geeignete Zylinderlinsen sind aus der Praxis bekannt. Durch Verwendung einer derartigen Zylinderlinse zwischen Detektorlinse und Sensorfläche kann erreicht werden, dass der Detektionslichtstrahl lediglich auf einer Linie liegende Punkte der Sensorfläche beleuchtet. Dies hat zur Folge, dass ein deutlich günstigerer Zeilendetektor (
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung kann nicht nur für einen Punktsensor, sondern auch für einen Liniensensor verwendet werden. In dieser Weiterbildung umfasst die Sensoranordnung ein optisches Mittel, das den durch die Lichtquelle erzeugten Lichtstrahl in eine Richtung aufweitet. Vorzugsweise ist dieses optische Mittel durch eine Linienoptik gebildet, deren Verwendung bei Triangulationssensoren bekannt ist. Diese Linienoptik weitet einen durch die Lichtquelle erzeugten Lichtstrahl in eine Richtung derart auf, dass mittels des dadurch entstehenden aufgeweiteten Beleuchtungslichtstrahls eine linienförmige Beleuchtung des Messobjekts möglich ist. Dabei ist die Linienoptik vorzugsweise derart angeordnet, dass der aufgeweitete Beleuchtungslichtstrahl in der Objektebene liegt.The sensor arrangement according to the invention can be used not only for a point sensor, but also for a line sensor. In this development, the sensor arrangement comprises an optical means that expands the light beam generated by the light source in one direction. This optical means is preferably formed by line optics, the use of which in triangulation sensors is known. This line optics expands a light beam generated by the light source in one direction in such a way that line-shaped illumination of the measurement object is possible by means of the expanded illuminating light beam which is thereby produced. The line optics are preferably arranged such that the expanded illuminating light beam lies in the object plane.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Messobjekt sukzessive vermessen werden. Dabei kann der Umlenkspiegel der Sensoranordnung derart angesteuert werden, dass der Beleuchtungslichtstrahl in einer Scanbewegung über zumindest einen Teil der Oberfläche des Messobjekts gelenkt wird. Die durch die Scanbewegung entstehende Scanbahnen können verschieden aufgebaut sein. Vorzugsweise werden mäanderförmige, dreieckförmige oder sägezahnförmige Scanbahnen eingesetzt.When using the sensor arrangement according to the invention in the context of the method according to the invention, a measurement object can be successively measured. The deflecting mirror of the sensor arrangement can be controlled in such a way that the illuminating light beam is directed over at least part of the surface of the measurement object in a scan movement. The scan paths created by the scanning movement can have different structures. Meandering, triangular or sawtooth-shaped scan paths are preferably used.
Die durch die Sensoranordnung gewonnenen Abstandswerte können mittels einer Auswerteeinheit zu einem Profil des Messobjekts zusammengefasst werden. Dabei werden Messwerte an unterschiedlichen Punkten der Oberfläche des Messobjekts, die beispielsweise bei einer Scanbewegung gewonnen worden sind, derart zusammengesetzt, dass dreidimensionale Bildinformationen von dem Messobjekt entstehen. Diese Auswerteeinheit kann Bestandteil der Sensoranordnung sein oder über eine entsprechend geeignete Kommunikationsschnittstelle mit der Sensoranordnung verbunden sein.The distance values obtained by the sensor arrangement can be combined into a profile of the measurement object by means of an evaluation unit. Measured values at different points on the surface of the measurement object, which have been obtained, for example, during a scan movement, are combined in such a way that three-dimensional image information is generated from the measurement object. This evaluation unit can be part of the sensor arrangement or can be connected to the sensor arrangement via a correspondingly suitable communication interface.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den nebengeordneten Ansprüchen nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
-
1 eine schematische Darstellung eines bekannten Triangulationssensors, -
2 eine schematische Darstellung eines scannenden Triangulationssensors gemäß Stand der Technik, bei dem der Beleuchtungslichtstrahl mittels eines Umlenkspiegels in seiner Ausbreitungsrichtung beeinflusst wird, -
3 eine schematische Darstellung eines scannenden Triangulationssensors gemäß Stand der Technik, bei den sowohl Beleuchtung- als auch Detektionslichtstrahl mittels eines Umlenkspiegels beeinflusst wird, -
4 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Triangulationssensors und -
5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Triangulationssensors.
-
1 1 shows a schematic illustration of a known triangulation sensor, -
2nd 1 shows a schematic representation of a scanning triangulation sensor according to the prior art, in which the illuminating light beam is influenced in its direction of propagation by means of a deflecting mirror, -
3rd 1 shows a schematic representation of a scanning triangulation sensor according to the prior art, in which both the illumination and detection light beam are influenced by means of a deflection mirror, -
4th a schematic representation of a first embodiment of a triangulation sensor according to the invention and -
5 is a schematic representation of a second embodiment of a triangulation sensor according to the invention.
Damit die Sensoranordnung mit hoher Genauigkeit messen kann, sind Detektorlinse
In
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.With regard to further advantageous configurations of the sensor arrangement according to the invention, reference is made to the general part of the description and to the appended claims in order to avoid repetition.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.Finally, it should be expressly pointed out that the exemplary embodiments described above are only used to discuss the claimed teaching, but do not restrict them to the exemplary embodiments.
BezugszeichenlisteReference list
- 1,1'1.1 '
- SensoranordnungSensor arrangement
- 22nd
- LichtquelleLight source
- 33rd
- DetektorlinseDetector lens
- 44th
- SensorflächeSensor surface
- 55
- UmlenkspiegelDeflecting mirror
- 66
- LichtstrahlBeam of light
- 77
- Reflektierende FlächeReflective surface
- 8, 8', 8"8, 8 ', 8 "
- BeleuchtungslichtstrahlIllumination light beam
- 99
- MessobjektTarget
- 10, 10', 10"10, 10 ', 10 "
- DetektionslichtstrahlDetection light beam
- 1111
- ObjektebeneObject level
- 1212th
- DetektorebeneDetector level
- 1313
- LinsenebeneLens plane
- 1414
- SchnittlinieCutting line
- 1515
- Weiterer SpiegelAnother mirror
- 1616
- DoppelpfeilDouble arrow
- 1717th
- LeiterplatteCircuit board
Claims (19)
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DE102019200664.7A Active DE102019200664B3 (en) | 2019-01-18 | 2019-01-18 | Sensor arrangement and method for measuring a measurement object |
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- 2020-01-09 EP EP20705278.8A patent/EP3724600A1/en not_active Withdrawn
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WO2020147895A1 (en) | 2020-07-23 |
EP3724600A1 (en) | 2020-10-21 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |