DE19805200A1 - Verfahren zum Vermessen transparenter Objekte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermessen, insbesondere von transparen­ ten Objekten, bei dem eine Sendequelle ein Meßsignal aussendet, das an einer Oberfläche reflektiert und von einem Meßsensor als Erstreflexionssignal erfaßt wird, bei dem ein Teil des Meßsignals durch die Oberfläche hindurchtritt, an anderer Stelle reflektiert und ebenso von einem Meßsensor als Zweitreflexionssignal erfaßt wird, und bei dem der oder die Meßsensoren ein Auswertesignal mit Erstreflexionssignal und Zweitreflexionssignal erzeugen.

Derartige Verfahren zum Vermessen von dünnen Gläsern bzw. dünnen transparen­ ten Objekten mit glasähnlichen optischen Eigenschaften sind aus der Praxis bekannt. Dabei werden die transparenten Objekte beispielsweise im Triangulationsverfahren mit direkter Reflexion vermessen. Wenn das transparente Objekt bspw. zwei paral­ lele Oberflächen in geringem Abstand aufweist, wie dies bei Glasplättchen der Fall ist, wird ein Meßsignal sowohl an der ersten als auch der zweiten, d. h. dahinterlie­ genden Oberfläche gebrochen und/oder reflektiert. Signale der Erst- und der Zweit­ reflexion können sich dabei in einem Auswertesignal überlagern, was zur Verfäl­ schung der Meßergebnisse führt. Bei sehr dünnen Gläsern nimmt der Einfluß der Zweitreflexion auf das von der vorderseitigen Oberfläche stammende Signal der Er­ streflexion sehr stark zu, d. h. beide Signale sind nicht mehr voneinander zu trennen. Dieser Effekt führt zu einem systematischen Fehler der mit herkömmlichen Meßver­ fahren nicht zu korrigieren ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, daß die Messung verfälschende Einflüsse durch die Zweitreflexion zumindest weitgehend beseitigt sind.

Die voranstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patent­ anspruchs 1 gelöst. Danach wird eine Signalflanke des Auswertesignals, bspw. des Erstreflexionssignals, für die Bestimmung der zu messenden Größe herangezogen.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß bei der Messung, insbesondere bei der Abstands- bzw. Dickenmessung der Einfluß der Zweitreflexion ausgeschlossen bzw. korrigiert werden muß. Insbesondere bei dünnen Gläsern kommt es an der vorder­ seitigen bzw. rückseitigen Oberfläche zur Erst- bzw. Zweitreflexion. Die Zweitrefle­ xion wird auch als Rückseitenreflexion bezeichnet, wobei die rückseitige Oberfläche die vom Meßsensor entfernte Oberfläche des Objekts ist.

Bei der Mehrzahl der Meßaufgaben ist eine Unterdrückung der Rückseitenreflexion nicht vollständig möglich. Deshalb wurde das erfindungsgemäße Auswerteverfahren entwickelt, bei dem im gesamten Meßbereich für alle Objektstärken bzw. -dicken ein kontinuierliches Meßergebnis ohne Verfälschung durch die Zweit- oder Rückseiten­ reflexion geliefert wird. Um die Signalformen einheitlich auswerten zu können, soll der Auswertealgorithmus erfindungsgemäß auf eine Flanke des Meßsignals, bspw. die ansteigende Vorderflanke beschränkt werden.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung wird das Verfahren zum Vermessen dünner Objekte mit glasähnlichen optischen Eigenschaften und einer in Bezug auf den Meßsensor vorder- bzw. rückseitigen Oberfläche verwendet. Die zu messende Größe bspw. der Abstand, die Dicke oder Stärke eines transparenten Objekts, kann nach einem Triangulationsverfahren, insbesondere aufgrund des Erstreflexions­ signals, ausgewertet werden. Das Erstreflexionssignal ist dabei das durch direkte Reflexion an der in Bezug auf den Meßsensor vorderseitigen Oberfläche reflektierte Signal. Das Verfahren kann also den Einfluß des Zweitreflexionssignals vorteilhaft unterdrücken, indem lediglich die erste Flanke berücksichtigt wird. Beim Aufbau der optischen Meßanordnung muß gesichert werden, daß die erste Vorderflanke zur Re­ flexion des Meßsignals an der vorderseitigen Oberfläche des transparenten Objekts gehört. Der verbleibende Einfluß des Zweitreflexionssignals kann bspw. durch die Kenntnis der Glasstärke bzw. -dicke korrigiert werden. Insbesondere bei Überlage­ rungen des Erst- und des Zweitreflexionssignals bei denen die Signalform dadurch beeinflußt wird, daß sich das Zweitreflexionssignal am Ende des Erstrefle­ xionssignals überlagert, ist eine Auswertung der Vorderflanke des Erstreflexions­ signals vorteilhaft.

Entweder trifft wegen der kleineren Weglänge das Erstreflexionssignal zuerst auf den oder die Meßsensoren auf, so daß die Vorderflanke des Erstreflexionssignals nicht verfälscht wird oder die Meßsensoren lassen eine örtliche Wiedergabe der optischen Abbildung des Meßsignals zu, so daß der Erstreflexion und der Zweitreflexion zuor­ denbare Signale entstehen. Da lediglich die Vorderflanke des Erstreflexionssignals berücksichtigt wird, kann die Messung an dünnen Objekten im Triangulationsverfah­ ren mit direkter Reflexion auch bei der Überlagerung des Erst- mit dem Zweitrefle­ xionssignals durchgeführt werden.

Bevorzugt wird als Meßsignal ein Laserlicht verwendet, das an den Oberflächen transparenter Objekte gebrochen und reflektiert wird. Als Meßsignal können aber auch andere elektromagnetische Wellen oder Ultraschall vorgesehen sein.

Das transparente Objekt weist zwei, insbesondere parallele Oberflächen auf, wobei das Erstreflexionssignal an der zum Meßsensor näher angeordneten Oberfläche und das Zweitreflexionssignal oder Rückseitenreflexionssignal an der zum Meßsensor entfernter angeordneten Oberfläche reflektiert wird. Die Anordnung des Erst- bzw. Zweitreflexionssignals im Auswertesignal wird einerseits durch den räumlichen Ab­ stand der reflektierenden Oberflächen des Objekts beeinflußt, bspw. kann eine Glasplatte mit zwei reflektierenden Oberflächen zwei im Auswertesignal nacheinan­ der angeordnete Impulse erzeugen. Andererseits kann die Anordnung des Erst- bzw.

Zweitreflexionssignals im Auswertesignal durch die Anordnung der einzelnen Meß­ sensoren beeinflußt werden, wenn z. B. das Erst- bzw. Zweitreflexionssignal jeweils durch unterschiedliche Meßsensoren aufgenommen wird. Dann kann bspw. durch die räumliche Anordnung der Meßsensoren oder nachgeschaltete Zeitverzögerungs­ glieder die Lage der einzelnen Reflexionssignale im Auswertesignal verändert wer­ den.

Bevorzugt wird das Auswertesignal durch einen, insbesondere mehrelementigen Meßsensor, bspw. ein CCD-Sensor erzeugt. Der mehrelementige CCD-Sensor er­ zeugt als Auswertesignal ein Videosignal, das einen Signalimpuls für die Erstrefle­ xion und einen für die Zweitreflexion aufweist. Je nach räumlichem Abstand zwi­ schen den zwei reflektierenden Oberflächen des transparenten Objekts kann sich eine unterschiedliche Anordnung der entsprechenden Impulse über dem CCD- Sensor und dadurch im Auswertesignal ergeben, wobei die Meßsensoren, bspw. ei­ ner CCD-Zeile, eine örtliche Wiedergabe der optischen Abbildung der reflektierten Laserstrahlen ermöglichen. Bevorzugt passiert das vom Meßobjekt reflektierte Licht eine Empfangslinse und wird auf den CCD-Meßsensor fokussiert. Der CCD-Sensor erfaßt vorteilhaft auch Spitzenwerte der Lichtmengenverteilung des Laserlichts und erfaßt diesen als Position des Objekt. Ein mehrelementiger CCD-Sensor ermöglicht daher eine hochpräzise Wegmessung unabhängig von der Lichtmengenverteilung.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird die zu messende Größe durch einen Auswertealgorithmus, bspw. eine Schwellenauswertung, eine Schwerpunktauswer­ tung, eine Korrelation- oder Wendepunktbestimmung aus dem Auswertesignal be­ rechnet. Dadurch kann die Auswertung entweder ausschließlich basierend auf dem Erstreflexionssignal erfolgen, oder der Einfluß des Zweitreflexionssignals wird durch den Auswertealgorithmus verringert oder beseitigt.

Ein vom Meßsensor gebildetes Auswertesignal, bspw. ein Videosignal, wird in der nachfolgenden Elektronik wie folgt verarbeitet. Je nach Glasdicke, Brechungsindex, Größe des Laserfokus und Abbildungsmaßstab hat das Auswertesignal eine typische Form, bspw. Impulsform. Bei sich verringernder Objektstärke, d. h. sich verringern­ dem Abstand zwischen den beiden reflektierenden Oberflächen, ergeben sich bspw. Sprungstellen bei den Übergängen zwischen dem Erst- und dem Zweitreflexions­ signal. Diese können vorteilhaft über mehrelementige CCD-Empfänger ausgewertet werden.

Bevorzugt wird die zu messende Größe durch Bestimmen des Wendepunkts bei mindestens einer Flanke und mindestens einer Schwellwertlage berechnet. Dazu wird vorteilhaft eine ansteigende Vorderflanke des Erstreflexionsimpulses zur Aus­ wertung herangezogen.

In vorteilhafter Weise läßt sich bei der durch die Meßsensorik erzeugten Signalfolge ein Signal der Erstreflexion und ein anderes Signal der Zweitreflexion zuordnen. Bspw. kann das Auswertesignal zwei zeitlich oder örtlich aufeinanderfolgende Impul­ se aufweisen, wobei jeweils ein Impuls einer Reflexion zuordenbar ist.

Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird bei sich überlagernden Signalen der Erst- und Zweitreflexion das Auswertesignal insbesondere aufgrund der Kennt­ nisse der Materialstärke oder unter Ausblendung des Zweitreflexionssignals nachbe­ arbeitet. Die Ausblendung des Zweitreflexionssignals kann über mathematische Be­ rechnungen oder auch über Medien erfolgen, die die Reflexion an der Rückseite des Objekts dämpfen.

Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Dic­ kenmessung an einem transparenten Objekt, insbesondere unter Kenntnis des Bre­ chungsindex oder durch Kalibrierung des Meßsystems die Objektdicke mit einem mehrelementigen Meßsensor gemessen. Infolgedessen treffen die Erst- bzw. Zweit­ reflexionssignale auf diesen Meßsensor mit einem der Weglänge der Laserstrahlen entsprechenden Gangunterschied oder entsprechend der räumlichen Abbildung der Reflexion an dem Meßsensor auf. Je nach Dicke bzw. Stärke des Objekts kommt es dabei zu einer Überlagerung der Erst- und Zweitreflexionssignale im Auswertesignal. Die Dicke des Objekts kann dabei auch aufgrund der Vorderflanke des Erstrefle­ xionssignals und der Rückflanke des Zweitreflexionssignals bestimmt werden.

Der verfälschende Einfluß durch die Zweit- oder Rückseitenreflexion kann auch da­ durch beseitigt werden, daß ein Reflexionsdämpfungsmedium die Reflexionsrichtung bzw. Reflexionsstärke des Laserstrahls derart beeinflußt, daß das Erstreflexions­ signal im wesentlichen verfälschungsfrei im Auswertesignal vorhanden ist. Infolge­ dessen ist eine Messung nach dem Triangulationsprinzip in direkt reflektierender An­ ordnung ohne große Fehler möglich.

Die Zweit- bzw. Rückseitenreflexion kann durch ein Reflexionsdämpfungsmedium mit einer der Oberfläche entsprechenden oder in deren Größenordnung liegenden Bre­ chungszahl gedämpft werden. Indem ein Reflexionsdämpfungsmedium mit gleicher oder ähnlicher Brechungszahl bspw. bündig an der Rückseite von dünnen Gläsern oder Objekten anliegt, wird die Rückseitenreflexion verringert oder ausgeschlossen. Das Reflexionsdämpfungsmedium kann ein Festkörper sein, der im Zusammenhang mit Objekten mit einer ebenen Oberfläche zusammenwirkt.

Das Reflexionsdämpfungsmedium kann aber auch eine Flüssigkeit, bspw. Öl, Was­ ser oder ein Gel sein, wenn die rückseitige Oberfläche des Objekts uneben ist. Bei der Messung an senkrecht stehenden Gläsern ist die Verwendung von Flüssigkeiten an Trägermedien zur Aufnahme des Reflexionsdämpfungsmechanismus gebunden. Dazu sind Schwämme, Papier oder dgl. verwendbar. Da bei dieser Kombination die Rückseitenreflexion nicht vollständig unterdrückt wird, muß das Auswerteverfahren gegen die Restreflexion unempfindlich sein, d. h. es dürfen keine Sprünge im Meßbe­ reich auftreten, die durch Dickenänderung oder Bewegung des Meßobjekts im Meß­ bereich hervorgerufen werden.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch nachgeordneten Unteransprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der beanspruchten Lehre werden auch allgemein bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Schaubild eines Auswertesignals mit einem Erstreflexionssignal und einem Zweitreflexionssignal gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Schaubild eines Auswertesignals mit überlagerten Erstreflexions- und Zweitreflexionssignalen gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 3 ein Schaubild eines Auswertesignals mit annäherend vollständig über­ lagerten Erstreflexions- und Zweitreflexionssignalen gemäß der vorlie­ genden Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt ein Auswertesignal 1 mit einem Erstreflexionssignal 2 und einem Zweitreflexionssignal 3. Beide Reflexionssignale 2 und 3 entstehen durch Anstrahlen des zu vermessenden transparenten Objekts mittels einer Laserlichtquelle und Er­ fassen des reflektierten Lichts in einem mehrelementigem CCD-Sensor. Aufgrund der größeren Laufzeit oder der unterschiedlichen örtlichen Lage der Reflexions­ signale ist das Zweitreflexionssignal 3 hinter dem Erstreflexionssignal 2 im Schaubild dargestellt. Das Schaubild zeigt die Amplitude der gemessenen Sensorsignale über der Zeitachse oder einer Achse, die die Lage der reflektierten Signale entlang einer Richtung angibt.

Bei einem Verfahren zur optischen Abstandsmessung nach dem Triangulationsprin­ zip in direkt reflektierender Anordnung wird die ansteigende Vorderflanke 4 des Er­ streflexionssignals 2 zur Bestimmung des Abstands zwischen der reflektierenden Oberfläche des transparenten Körpers und der Lasersignalquelle ausgewertet. Dazu wird einerseits ein Wendepunkt 5 der ansteigenden Vorderflanke 4 bestimmt und die Lage mindestens eines Schwellwerts 6 zur Abstandsbestimmung herangezogen.

In Fig. 2 ist das Auswertesignal 7 beim selben Meßverfahren dargestellt, wobei der transparente Körper zwei reflektierende Oberflächen aufweist, wobei die vordersei­ tige Oberfläche das Erstreflexionssignal und die rückseitige Oberfläche das Zweitre­ flexionssignal erzeugt. Im Gegensatz zu dem bisher beschriebenen Auswertesignal 1 ist das Auswertesignal 7 durch ein dünnes transparentes Objekt erzeugt. Dabei ist der Abstand zwischen der vorderseitigen und der rückseitigen Oberfläche gering. Infolge des geringeren Laufzeit- oder Ortsunterschiedes überlagert sich dann das Zweitreflexionssignal 3 mit dem Erstreflexionssignal 2. Bei der angegebenen Lage des Schwellwerts 6 können jedoch das Erstreflexionssignal 2 und das Zweitrefle­ xionssignal 3 separat als Schwellwertsignal dargestellt und ausgewertet werden.

Das in Fig. 3 dargestellte Auswertesignal 8 wird von einem sehr dünnen transparen­ ten Blättchen erzeugt, wobei der Abstand zwischen der reflektierenden vorderseiti­ gen Oberfläche und der reflektierenden rückseitigen Oberfläche sehr gering ist. Infol­ gedessen sind das Erstreflexionssignal 2 und das Zweitreflexionssignal 3 im Aus­ wertesignal 8 wegen der Überlagerung in ihrer Form verfälscht.

Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zur Abstandsmessung deswegen die ansteigende Vorderflanke 4 des Auswertesignals 8 zur Abstandsmessung herange­ zogen und bei einem Verfahren zur Dickenmessung des Objekts wird zusätzlich noch die fallende Rückflanke 9 des Zweitreflexionssignals 3 ausgewertet. Durch Be­ stimmung des Wendepunkts 10 der Rückflanke 9 des Zweitreflexionssignals 3 und die Einführung eines weiteren Schwellwerts 11 läßt sich der Abstand zwischen den beiden reflektierenden Oberflächen des transparenten Objekts bestimmen. Durch den zweiten Schwellwert 11 läßt sich die Lage des Erst- und Zweitreflexionssignals 2, 3 noch getrennt bestimmen.

Claims (16)

1. Verfahren zum Vermessen, insbesondere von transparenten Objekten, bei dem eine Sendequelle ein Meßsignal aussendet, das an einer Oberfläche reflektiert und von einem Meßsensor als Erstreflexionssignal (2) erfaßt wird, bei dem ein Teil des Meßsignals durch die Oberfläche hindurchtritt, an anderer Stelle reflektiert und von einem Meßsensor als Zweitreflexionssignal (3) erfaßt wird, und bei dem der oder die Meßsensoren ein Auswertesignal (1, 7, 8) mit Erstreflexionssignal (2) und Zweit­ reflexionssignal (3) erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Si­ gnalflanke (4, 9) des Auswertesignals (2, 3) für die Bestimmung der zu messenden Größe herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erstreflexions­ signal (2) und das Zweitreflexionssignal (3) im Auswertesignal entsprechend ihrer örtlichen Wiedergabe der optischen Abbildung erfaßt werden.

3. Verfahren nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aus­ wertesignal (1, 7, 8) durch einen insbesondere mehrelementigen Meßsensor, bspw. durch einen CCD-Sensor, erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt zwei insbesondere parallele Oberflächen aufweist, wobei das Erstreflexionssignal (2) an der zum Meßsensor näher angeordneten Oberfläche und das Zweitreflexionssignal (3) an der zum Meßsensor entfernter angeordneten Oberfläche reflektiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Größe nach einem Triangulationsverfahren ausgewertet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Messung eine Signalflanke, insbesondere eine ansteigende Vorderflanke (4) des Erstreflexionssignals (2), herangezogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Signal­ flanke des Zweitreflexionssignals, insbesondere die fallende Rückflanke (9), zur Messung herangezogen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß über die räumliche oder zeitliche Differenz zwischen der Signalflanke (4) des Erstreflexionssignals (2) und der Signalflanke (9) des Zweitreflexionssignals (3) die zu messende Größe be­ stimmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Größe durch einen Auswertealgorithmus, bspw. eine Schwellen­ auswertung (6, 11), eine Schwerpunktauswertung, eine Korrelation- oder Wende­ punktbestimmung (5, 10), aus dem Auswertesignal (1, 7, 8) berechnet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Größe durch Bestimmen des Wendepunkts (5, 10) bei mindestens einer Flanke (4, 9) und Festlegen einer Schwellwertlage (6, 11) berechnet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei sich überlagernden Signalen der Erst-und Zweitreflexion (2, 3) das Aus­ wertesignal (1, 7, 8), insbesondere aufgrund der Kenntnis der Materialstärke oder unter Ausblendung des Zweitreflexionssignals (3) nach bearbeitet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Zweitreflexionssignal (3) an der zweiten lichtreflektierenden Oberfläche durch ein Reflexionsdämpfungsmedium gedämpft oder unterdrückt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Refle­ xionsdämpfungsmedien die Zweitreflexion (3), insbesondere die Rückseitenreflexion, an einer rückseitigen Oberfläche unterdrückt oder soweit gedämpft wird, daß eine Messung nach dem Triangulationsprinzip in direkt reflektierender Anordnung unter­ stützt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Zweitreflexion (3) durch ein Reflexionsdämpfungsmedium mit einer der Oberfläche entsprechenden oder ähnlichen Brechungszahl gedämpft wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei einer Abstandsmessung, insbesondere zur Messung des Ab­ stands einer Oberfläche des Objekts von der Sendequelle oder einem Meßsensor, verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei der Messung der Dicke des Objekts verwendet wird.