DE2161405A1

DE2161405A1 - Optische Vorrichtung zur Bestimmung des Ortes eines Punktes auf einer Flache

Info

Publication number: DE2161405A1
Application number: DE19712161405
Authority: DE
Inventors: Jean Loup Vanves Tourret Jean Montrouge Hauts de Seine Poilleux (Frankreich)
Original assignee: Compteurs Schlumberger SA
Current assignee: Compteurs Schlumberger SA
Priority date: 1970-12-10
Filing date: 1971-12-10
Publication date: 1972-06-22
Also published as: US3719421A; IT943830B; GB1332419A; FR2116872A5

Description

Optische Vorrichtung zur Bestimmung des Ortes eines Punktes auf einer Fläche

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung zur Bestimmung des Ortes eines Punktes auf einer Fläche. Solche Vorrichtungen können beispielsweise dazu verwendet werden, den Umriß einer Fläche punktweise zu verfolgen oder die Verstellung einer Fläche zu verfolgen.

Es sind mechanische Fühlervorrichtungen zur Verfolgung des Umriasejs einer Fläche bekannt. Bei solchen Vorrichtungen i3t der Fühler auf einem Schlitten montiert, der räumlich in drei Dimensionen so bewegt werden kann, daß das freie oder aktive Ende des Fühlers in Berührung mit der Fläche gebracht wird. Die Stellung des Schlittens kann sehr genau in Bezug auf einen den Schlitten tragenden Rahmen bestimmt werden. V/enn der vom Fühler im dreidimensionalen Raum gemachte Winkel bekannt ist, d.h. wenn die drei. Winkel bekannt sind, welche der Fühler in Bezug auf drei zueinander senkrechte Bezugsebenen einnimmt, und wenn die Länge des Fühlers von dem Schlitten bis zu seinem aktiven Ende ebenfalls bekannt ist,

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kann der Ort des aktiven Endes des Fühlers bestimmt werden. Im einfachsten Fall ist die Länge des Fühlers konstant. Der Ort des aktiven Endes des Fühlers, das in Berührung mit einem Punkfcauf der abzutastenden Fläche steht, stellt dann den Ort dieses Punktes im Raum dar. Wenn die ganze Fläche auf diese Weise abgetastet wird, ist das Ergebnis der Umriß der Fläche.

In manchen Fällen kann die mechanische Berührung zwischen dem Fühler und der abzutastenden Fläche einen Nachteil darstellen. Zur Überwindung dieses Nachteile sind optische Fühler oder Sonden vorgeschlagen worden, bei denen keine mechanische Berührung mit der Fläche besteht.

Im Fall einer optischen Sonde gelten die gleichen Überlegungen. Die optische Sonde kann von einem Schlitten getragen werden, der in Bezug auf einen Hahmen beweglich ist, und dessen Lage im Raum daher in Bezug auf den Rahmen bestimmt werden kann. Die Sonde ist auf den abzutastenden Punkt auf der Fläche gerichtet, und falls sowohl die Richtung der optischen Achse der Sonde bekannt ist, als auch der Abstand zwischen dem Schlitten und dem Bunkt entlang diese^lAchse (wobei dieser Abstand der Länge des mechanischen Fühlers in dem zuvor beschriebenen Fall entspricht), können die dreidimensionalen Koordinaten des abzutastenden Punktes bestimmt werden. Auf ψ diese Weise kann wieder der Umriß der Fläche festgestellt

werden, wenn die ganze Fläche auf diese V/eise Punkt für Punkt abgetastet wird.

Bei einer optischen Vorrichtung dieser Art besteht das Problem darin, den Abstand zwischen der bekannten Bbzugsstellung, die durch den die Sonde tragenden Schlitten gebildet ist, und der abgetasteten Fläche entlang der optischen Achse der Sonde zu bestimmen. Wie bei der mechanischen Vorrichtung wird dieses Problem wieder vereinfacht, wenn dieser Abstand konstant gehalten wird.

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Es sind bereits verschiedene optische Söndenvorrichtungen für die Bestimmung des Umrisses einer Fläche bekannt.

BeL einer bekannten optischen Vorrichtung wird die Fläche mit Hilfe eines Laserstrahls abgetastet, der durch eine Linse mit fester Brennweite geht. Diese Linse wird verstellt, bis der Punkt, dessen Ort bestimmt werden soll, in ihrer Brennebene liegt, und diese Stellung wird dadurch festgestellt, daß die durch die Linse in der umgekehrten Richtung gehende zurückgeführte optische Strahlung ein Maximum hat. Mit anderen Worten: Die zurückgeführte Strahlung hat ein Maximum, wenn der abgetastete Punkt mit dem Brennpunkt der Linse zusammenfällt. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß sie kompliziert ist und nicht sehr leicht in die Praxis umgesetzt werden kann.

Bei einer anderen bekannten Vorrichtung wird ein optisches System dazu verwendet, ein verkleinertes primäres Bild einer Lichtquelle auf der Fläche an dem abzutastenden Punkt zu erzeugen. Das Bild auf der Fläche wirkt dann als Gegenstand, und ein Teil des ursprünglichen Lichts geht durch das gleiche optische System in der umgekehrten Richtung zurück. Ein halbdurchlässiger Spiegel wird dazu verwendet, das Lichtbündel bo zu teilen, daß es zu zwei sekundären Bildpunkten in den beiden Fokussierebenen des optischen Systems gerichtet wird. Es sind zwei Blenden vorgesehen, von denen die eine vorder einen Fokussierebene liegt, während die andere hinter der anderen Fokussierebene liegt. Das durch diese Blenden gehende Licht wird von zwei photoelektrischen Detektoren aufgefangen, die jeweils hinter einer zugeordneten Blende angebracht sind.

Wenn die Sonde entlang ihrer optischen Achse verstellt wird, d.h. wenn sich der entlang der optischen Achse der Sonde gemessene Abstand zwischen der Sonde und der Fläche ändert, ändert sich auch der durch die beiden Blenden gehende Licht-

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strom entsprechend. Das Ausgangssignal des einen -Detektors wird von dem Ausgangssignal des anderen Detektors abgezogen, und das dadurch erhaltene Differenzsignal drückt den Abstand zwischen der Sonde und der Fläche entlang der optischen Achse · aus. Dieses Differenzsignal ist Null, wenn der Abgetastete Punkt in der Fokussierebene (Scharfeinstellebene) des Bildes auf der Fläche liegt, und diese Ebene bildet somit eine Bezugsebene, um'welche die Fläche relativ zu der Sonde verstellt werden kann.

Im Betrieb entspricht der Punkt der Scharfeinstellung des Bildes der Lichtquelle dem aktiven Ende des Fühlers einer P mechanischen Vorrichtung, und der Abstand zwischen der Sonde

und diesem Scharfeinstellpunkt entlang der optischen Achse ist fest.

Die soeben beschriebene optische Vorrichtung arbeitet befriedigend, vorausgesetzt, daß die abgetastete Fläche vollkommen streuend ist. Diese Bedingung wird jedoch in der Praxis von den Flächen niemals erfüllt; diese sind stets wenigstens teilweise reflektierend. Bei einer solchen praktisch vorkommenden Fläche ist diese Art von Sonden auf den Fall beschränkt, daß die Verstellung parallel zu ihrer optischen Achse stattfindet; mit anderen Worten bedeutet dies, daß die Sonde auf den Fall beschränkt ist, daß der Einfallswinkel der optischen Achse auf die Fläche konstant ist. Wenn die optische Achse der Sonde nicht senkrecht zu der Fläche steht, kann gezeigt werden, daß die Abblendung des Bpiegelnd reflektierten Lichtes durch die Pupille des Sondenob,jektivs in Verbindung mit der Verschiebung der Blenden vor den Detektoren in Bezug auf die Fokussierebenen eine Verzerrung der Ausgangssignale der beiden Detektoren und insbesondere eine Verschiebung ihrer Maxima verursacht. Dies hat eine Verschiebung des Nullpunkts der Vorrichtung zur Folge, die als Änderung des entlang der optischen Achse gemessenen Abstands zwischen der

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Sonde und dem Scharfeinstellpunkt des Bildes der Lichtquelle auf der Fläche (nachstehend "frontaler Abstand" genannt^ in Abhängigkeit von dem Einfallswinkel gedeutet werden könnte. Dies würde bei der zuvor erörterten mechanischen Vorrichtung eine Änderung der Länge des mechanischen Fühlers von dem Bezugspunkt auf dem Schlitten zu seinem aktiven Ende entsprechen. Wenn eine solche Änderung nicht korrigiert würde, würde sie zu einem Fehler in der Bestimmung des Ortes der abgetasteten Punkte führen.

Das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung dieser Nachteile bei einer optischen Sonde der zuvor geschilderten Art, so daß bei der berührungsfreien Bestimmung der Koordinaten eines Punktes auf einer gegebenen Fläche der Einfluß der Art der Fläche und des Einfallswinkels der optischen Achse der Sonde auf der Fläche wesentlich verringert wird.

Erfindungsgemäß wird zu diesem Zweck die soeben beschriebene bekannte Vorrichtung dadurch verändert, daß wenigstens eine der Blenden durch eine Feldlinse ersetzt wird, die mit einer zentralen Abdeckung versehen ist. Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Blenden durch Feldlinsen ersetzt, von denen jede mit einer zentralen Abdeckung versehen ist. Bei dieser Ausführungsform liegen die Feldlinsen , wie die Blenden der bekannten Vorrichtung, auf entgegengesetzten Seiten der lokussierebenen des optischen Systems, welches das Licht von der abgetasteten Fläche zurückführt, nämlich eine vor ihrer Fokussierebene und die andere hinter ihrer Fokussierebene.

Bei einer anderen Au3führungsform der Erfindung, die gegenüber der soeben erwähnten bevorzugt wird, ist nur eine der leiden Blenden der bekannten Vorrichtung durch die leldlinse mit ihrer zentralen Abdeckung ersetzt. Bei dieser Auaführungsform sind sowohl die Blende als auch die Feldlinae auf der gleichen Seite der Fokussierebene des optischen Systems angeordnet, nämlich entweder beide vor ihren entsprechenden Fokussier-

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ebenen, oder beide dahinter.

Bei der ersten Ausführungsform mit zwei Feldlinsen, die mit zentralen Abdeckungen versehen sind, ist die Nullpunktsverschiebung der Vorrichtung gegenüber derjenigen der bekannten Vorrichtung mit zwei Blenden beträchtlich verringert, jedoch für viele Anwendungsfälle noch nicht vernachlässigbar. Wenn der Nullpunkt der Vorrichtung so eingestellt wird, daß er dem gewünschten frontalen Abstand zwischen der Sonde und der Fläche für einen Einfallswinkel (üblicherweise den senkrechten Einfall) entspricht, so entspricht er für keinen anderen Einfallswinkel diesem Abstand. Vielmehr nimmt der fc Fehler mit zunehmendem Einfallswinkel, wie bei der beschriebenen bekannten Vorrichtung systematisch zu, wenn auch in wesentlich geringerem Ausmaß.

Bei der zweiten Ausführungsform mit einer Blende und einer Feldlinse mit einer zentralen Abdeckung ist es möglich, die Vorrichtung so einzustellen, daß ihr Nullpunkt dem richtigen frontalen Abstand bei zwei (anstatt nur einem ) Einfallswinkeln, entspricht, beispielsweise bei dem senkrechten Einfall (O⁰) und beispielsweise bei zwei Pjritteln des größtzulässige η Einfallswinkels. Die maximale Nullpunktsverschiebung bei Änderung des Einfallswinkels ist dann selbst

^ gegenüber der ersten Aus führungsform der Erfindung noch

" beträchtlich verringert.

Die bei der optischen Vorrichtung nach der Erfindung verwendete Lichtquelle ist vorzugsweise durch eine monochro matische Elektrolumineszenzdiode mit hoher spektraler Lumineszenz und kleinem Emigsionsquerschnitt gebildet. Der emittierte Lichtstrom kann dadurch moduliert werden, daß durch die Diode ein elektrischer Strom mit der Modulationsfrequenz geschickt wird, wobei dann eine Synchrondemodulation bei dieser Frequenz durchgeführt wird, damit Störeinflüsse beseitigt werden, beispielsweise Änderungen des Umgebungslichtes.

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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig.1 schematisch eine optische Vorrichtung zur Bestimmung des Umrisses einer Fläche mit einer in einem Rahmen beweglichen optischen Sonde,

Fig.2 das Schema einer optischen Sonde bekannter Art,

Fig.3 ein Diagramm der Kurven der Ausgangssignale der Detektoren der Sonde von Fig.2,

Fig.4 ein Schema_ einer optischen Sonde gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 ein Diagfaiam, das in gleicher Weise wie Fig. 3 die Kurven der Ausgangssignale der Detektoren der Sonde von Fig.4 zeigt,

Fig.6 das Schema einer anderen Ausführungsform der Sonde nac. der Erfindung,

Fig.7 ein Diagramm, das in gleicher Weise wie Fig.3 und 5 die Kurven der Äusgangssignale der Detektoren der Sonde von Fig.6 zeigt, und

Fig.8 ein Diagramm zur Darstellung der Nullpunkisrerschiebung in Abhängigkeit vom Einfallswinkel bei den Sonden von Fig. 2, 4 und 6.

Bei der Anordnung von Fig.1 ist eine optische Sonde 100, die später beschrieben wird, in einem Rahmen montiert, der durch drei zueinander senkrechte Vorschubspindeln 102, 104 und 106 gebildet ist, die parallel zur x-Achse, zur y-Achse bzw. zur z-Achse des Raums liegen.

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Die χ-Vorschubspindel 102 trägt einen mit einem entsprechenden Gewinde versehenen Block 103, der durch Drehen der Vorschubspindel 102 in der Richtung der x-Achse bewegt werden kann. ' Der Block 103 trägt die y-Vorschubspindel 104, auf der ein mit Gewinde versehener Block 105 angeordnet ist, der seinerseits die z-Yorschubspindel 106 trägt. Bei einer Drehung der y-Vorschubspindel 104 wird daher die z-Vorschubspindel 106 parallel zur y-Achse bewegt. Die z-Vorschubspindel 106 trägt ebenfalls einen mit Gewinde versehenen Block oder Schlitten 107, der die Sonde 100 tragt und durch Drehen der Vorschubspindel 106 parallel zur z-A'chse ) bewegt werden kann. Zweckmäßig ist die Sonde 100 so angeordnet, daß ihre optische Achse parallel zur xy-Ebene liegt, aber in dieser Ebene um einen fest mit dem Schlitten 107 verbundenen Punkt A schwenkbar ist.

Zur Bestimmung des Umrisses der Oberfläche eines Körpers, · beispielsweise des Zylinders 99 von Pig.1 wird die Oberfläche Punkt für Punkt durch Drehen der x-y-und z-Yorschubspindeln und Verschwenken der Sonde 100 abgetastet, bis die Sende auf den abzutastenden Punkt, d.h. den Punkt G in Pig.1, gerichtet ist und der frontale Abstand BO zwischen einem Bezugspunkt B in der Nähe des freien * Endes der Sonde und dem abgetasteten Punkt C gleich

einem vorbestimmten Wert ist. Dies geschieht optisch ohne Berührung mit der Oberfläche in einer später noch zu beschreibenden Weise. Die Drehwinkelstellung der x-, y- und z-Yorschubspindeln gibt die räumliche Lage des SchwenkpunktsA an. Die Strecke AC ist bekannt, und die Koordinaten des Punktes C können aus dem Winkel θ zwischen der optischen Achse der S_onde und einer Bezugsebene, beispielsweise der xz-Ebene bestimmt werden. Der Punkt C kann über die ganze Fläche bewegt werden, damit deren Umriß bestimmt wird.

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Bei einer optischenVorrichtung dieser Art sollte der Abstand BO für jeden abgetasteten Punkt stets auf den gleichen konstanten Bezugswert gebracht werden.

Pig.2 zeigt schematisch eine optische Sonde 100 nach dem Stand der Technik, die es ermöglicht, diesen Abstand BC unter bestimmten idealen Betriebsbedingungen im wesentlichen konstant zu halten. Diese Sonde enthält .eine Lichtquelle 1, eine Blende 2, deren Öffnung den Durchmesser D hat, einen halbäurchlässigen Spiegel 5, der im Winkel von 45° zur optischen Achse der Sonde angeordnet ist, und ein schematisch als Objektiv gezeigtes optisches System 4 mit der Vergrößerung G-. Ein Bild I¹ (hier "Primärbilä* genannt) der lichtquelle mit dem Durchmesser D/G wird auf der abgetasteten Fläche"S gebildet, und ein Teil des Lichtstroms wird durch das optische System 4 und den halbdurchlässigen Spiegel 5 zurückgeführt, so daß er auf einen Strahlenteiler fällt, der durch einen · weiteren, im Winkel von 45° zur optischen Achse angeordneten halbdurchlässigen Spiegel 6 gebildet ist, und zwei Bilder I" (hier "Sekundärbilder" genannt) in den beiden Fokussierebenen P in gleicher optischer Entfernung von der !'lache S liefert. Auf entgegengesetzten Seiten dieser Fokussierebenen P sind zwei Blenden angeordnet, deren Öffnungen den gleichen Durchmesser haben, nämlich eine Blende 7, die in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Lichtes vor einer Fokussierebene liegt, und eine weitere Blende 7A, die' in Bezug auf die ftusbreitungsrichtung des Lichtes hinter einer Fokussierebene liegt.Hinter jeder Blende 7, 7A ist ein photoelektrischer Detektor 8 bzw. 9 angeordnet, der ein elektrisches Ausgangssignal S₁ bzw. Sp liefert. Die Anordnung der Detektoren ist nicht kritisch, doch sollten sie so nahe bei der entsprechenden Blende liegen und groß genug sein,iim das ganze durch die Blenfc gehende Licht zu erfassen. Die elektrischen Ausgangssignale werden einem differenzverstärker 20 zugeführt, der am Ausgang das Signal d =S.. - Sp abgibt.

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Die optische Vorrichtung von Fig.2 ist in ihrer richtigen Abtaststellung gezeigt, so daß das Bild I¹ auf der Fläche S in dem Bezugsabstand BG von der Sonde gebildet wird, wobei der Punkt B beispielsweise die optische Mitte des Objektivs ist. Dieser Bezugsabstand BC ist so gewählt, daß das .auf der Fläche geformte Bild das am besten fokussierte Bild ist, so daß also der Punkt C zu der Lichtquelle konjugiert ist. Für eine Lichtquelle, die sich optisch im Unendlichen befindet, fällt der Punkt G und damit das Bild 1' mit dem Brennpunkt zusammen.

Fig.3 zeigt die Ausgangssignale, die von der S_onde in ™ Abhängigkeit von dem frontalen Abstand f zwischen der Sonde

und der Fläche erzeugt werden, d.h. zwischen der Sonde und dem Gegenstand, der durch das Bild I¹ gebildet ist. Da jedoch eine umkehrbar eindeutige Zuordnung zwischen den Punkten im Gegenstandsraum des optischen Systems 4 und ihren konjugierten Punkten im Bildraum besteht, ist die f-Achse auch dazu verwendet worden, den Ort der Fokussierebenen P( konjugiert zu der Ebene,die das Bild I¹, d.h. den Gegenstand enthält - die wiederum die Fokussierebene - der Lichtquelle auf der Fläche S ist) und auch die Orte der Blenden 7 und 7A darzustellen. Es sind zwei Kurvenscharen gezeigt: Die in vollen Linien gezeichnete Kurvenfc schar entspricht einem Einfallswinkel, im vorliegenden Fall

dem senkrechten Einfall, während die in unterbrochenen Linien gezeichnete Kurvenschar einem anderen Einfallswinkel entspricht, beispielsweise einem Winkel von 13° in Bezug auf den senkrechten Einfall.

Es sei zunächst die in vollen Linien gezeichnete Kurvenschar für den senkrechten Einfall betrachtet. Die von den Detektoren 8 und 9 erzeugten Ausgangssignale S. und S₀ steigen jeweils auf ein Maximum an dem der Lage der Blende bzw. 7A entsprechenden Punkt an und fallen dann wieder ab. Die beiden Kurven S₁ und S« haben im allgemeinen die gleiche Fcrm, sind jedoch entlang der f-Achse gegeneinander versetzt

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und schneiden sich an einem Punkt, der die Fokussierebenen P darstellt.

Es wird die Differenz der Signale S, und Sp gebildet, und dieses Differenzsignal d = S. - Sp ist ebenfalls in Fig.3 in voller Linie für den senkrechten Einfall und in einer unterbrochenen Linie für den nicht senkrechten Einfall dargestellt. Das Differenzsignal d ist am Schnittpunkt der Kurve S₁ und S₂ Null und verläuft in einem begrenzten Bereich zu beiden Seiten des Nullpunkts im wesentlichen linear. Die Vorrichtung wird anfänglich für den senkrechten Einfall so eingestellt, daß der Nullpunkt des Differenzsignals der Bezugsebene entspricht, im vorliegenden Fall der Fokussierebene, die im frontalen Bezugsabstand von der Sonde liegt. Änderungen dieses Abstands werden durch einen proportionalen Wert von d ausgedrückt. Die anfängliche Einstellung erfolgt dadurch,daß die Sonde in den Bezugsabstand von der Fläche eingestellt wird, und die Blenden 7 und 7A mit ihren entsprechenden Detektoren 8 bzw. 9 bewegt werden. bis das Differenzsignal zu Null geworden ist.

Im normalen Betrieb wird, die Sonde für jeden Abtastpunkt solange bewegt, bis das Differenzsignal zu Null wird, damit der frontale Abstand wieder auf den Bezugs wert gebracht wird.

Diese Vorrichtung arbeitet zwar im Fall von vollkommen streuenden Flächen in brauchbarer Weise, doch hat es sich herausgestellt, daß sie bei reflektierenden Flächen nur für Verstellungen parallel zur optischen Achse derSonde brauchbar ist. Sobald eine Änderung im Neigungswinkel der Sonde gegen die Normale am Abtastpunkt eintritt, ist eine Verschiebung der Maxima der Signale S^ und S₂ zu beobachten, die dann den in unterbrochenen Linien gezeichneten Kurven von Fig.3 entsprechen; dementsprechend ergibt sich eine Verschiebung des Nullpunkts des Geräts. Die Verhältnisse liegen mit anderen

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Worten so, als ob eine Änderung Af im frontalen Atfcastabstand in Abhängigkeit vom Einfallswinkel einträte. Dieser Fehler, der auf dem veränderlichen Anteil des reflektierten Lichtstroms beruht, der in dem von der abgetasteten Fläche in das optische System zurückkehrenden Licht enthalten ist, nimmt mit dem Einfallswinkel der Abtastung zu. Dies ist durch die Kurve I in Fig. 8 gezeigt, welche die Vershhiebung Af des Nullpunkts als Funktion des Einfallswinkels i darstellt.

Zur Verringerung dieses Fehlers kann die Sonde gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in der in Fig.4 gezeigten Weise abgeändert werden, wobei die gleichen Teile wie in Fig.2 wieder mit den gleichen Bezugs zeichen versehen sind. Bei dieser Ausführungsform ist jede der Blenden 7, 7A von Fig.2 durch eine entsprechende Feldlinse 17 bzw. 17& ersetzt, auf der oine kreisrunde mittlere Abdeckscheibe 10 bzw. 1OA angebracht ist, wobei die beiden Abdeckscheiben den gleichen Durchmesser haben. Die Umfangslichtstrahlen, die rings ura die mittlere Abdeckscheibe 10 bzw. 1OA durch die Feldlinsen 17, 17A gehen, werden dann auf ihre entsprechenden Detektoren bzw.9 konzentriert, die in den Ebenen angeordnet sind, die zu der Ebene der Austrittspupille de3 Objektivs 4 in Bezug auf die Feldlinsen 17» 17A konjugiert sind; jedoch ist die Lage der Detektoren nicht kritisch. Wie ira Fall von Fig2, wo die Blenden 7 und 7A auf entgegengesetzten Seiten der Fokussierebenen P angeordnet waren, liegen in Fig.4 die Feldlinsen 17, 17A bzw. deren Abdeckscheiben 10, 1OA auf entgegengesetzten Seiten der Fokussierebenen P. Dies ist sowohl in Fig.4 als auch in Fig.5 zuerkennen.

Die Ausgangssignale S^ und S„ und deren Differenz d = S. -^₂ sind in Fig.5 in vollen Linien für den senkrechten Einfall und in unterbrochenen Linien für einen schrägen Einfallswinkel dargestellt, beispielsweise von 13°, wie ImFaIl von Fig.

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Die Kurven S. und Sp von Fj g. 5 haben die gleiche allgemeine Form wie in Pig.3, sie sind jedoch umgekehrt. Dies heißt, daß sie durch ein Miniraum anstatt durch ein Maximum gehen. Die Minima entsprechen der lage der Abdeckscheiben 10 bzw. 10A.

Diese beiden Kurven schneiden sich wiederum in einem Punkt, in dem ihre Differenz d Null ist, und welche der schärfsten Einstellung des Bildes auf der abgetasteten Fläche entspricht. Das Differenzsignal d ist in einem begrenzten Bereich zu beiden Seiten des Nullpunkts ira wesentlichen linear, und sein Wert ist in diesem linearen Abschnitt proportional zu der Differenz zwischen dem wirklichen frontalen Abstand zwischen der Sonde und der Fläche und dem frontalen Bezugsabstand zwischen der Sonde und der Fokuasierebene, d.h. proportional zu den Abweichungen de3 frontalen Abstands von dem Bezugs wert.

Die in gebrochenen Linien gezeichneten Kurven von Fig.5 zeigen die Signale S₁, Sp und d für den Fall, daß die Sonde einen nicht senkrechten Einfallswinkel hat, beispielsweise von 13°. In diesem Fall erleiden wie im Fall von Fig.3 die Kurven S. und Sp und damit auch ihre Differenzkurve d = S.- Sp eine Verschiebung. Insbesondere wird der Nulldurchgang der Differenzkurve d um eine Strecke A.f verschoben, was bedeutet, daß im Betrieb, wenn die Sonde so eingestellt ist, daß das Differenzsignal Null ist, der wirkliche frontale Abstand nicht mehr dem Bezugsabstand entspricht, sondern sich vom Bezugsabstand um den V.'ert A f unterscheidet. Die Größe der Nullpunktsverschiebung ist bei der Ausführungsform von F ig.4 beträchtlich kleiner als bei der dem Stand der Technik entsprechenden Auaführungsform, die in Fig.2 dargestellt ist. Dies ist in Fig. 3 und 5 zu. erkennen, ist aber noch deutlicher in Fig. 8 dargestellt, welche die Nullpunktsverschiebung i\f als Funktion des Einfallswinkels i zeigt. In Fig.8 entspricht die Kurve II dem Auoführungsbeispiel von Fig.4 und 5.

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Obgleich die Ausführungsform von I¹Ig. 4 bereits eine beträchtliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik ergibt, kann die Nullpunktsverschiebung mit der Ausführungsform von Pig.6 noch weiter verringert werden; in Fig.6 sind wieder die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung der Teile verwendet ,welche die Anordnung mit den Ausführungsformeη von Fig.2 und 4 gemeinsam hat. Bei dieser Ausführungsform von Fig.6 ist nur eine der beiden Blenden der bekannten A_usführung, beispielsweise die Blende 7A durch eine Feldlinse 17A ersetzt, die eine kreisrunde mittlere Abdeckscheibe 1OA aufweist, die den gleichen Durchmesser wie die Öffnung der Blende 7 hat. Bei dieser Ausführungsform sind aber sowohl die Blende 7 als W auch die Abdeckscheibe 1OA der Feldlinse 17A auf der gleichen

Seite der Fokussierebenen P angeordnet, nämlich entweder beide hinter diesen Ebenen, wie in Fig.6 und 7 dargestellt ist, oder beide vor diesen Ebenen.

Die A üb gangs signale S₁ und S_? der Detektoren 8 und 9 3ind in Fig. 7 zusammen mit dem Differenzsignal d dargestellt. V/ie in Fig.3 und 5 sind diese Signale in vollen Linien für den senkrechten Einfall der Sonde auf der Fläche und in unterbrochenen Linien für einen Einfallswinkel von beispielsweise 13° dargestellt. Die Kurven Sg» die dem hinter der . Blende 7 liegenden Detektor 8 entsprechen, sind den Kurven L· von Fig.3 ähnlich, und die Kurven S., die dem hinter der

Feldlinse 17A liegenden Detektor 9 entsprechen,sind den in Fig.5 gezeigten Kurven ähnlich, also umgekehrt. Wenn zunächst alle in vollen Linien gezeichneten Kurven betrachtet werden, die den normalen Einfall darstellen, so schneiden sich die itusgangssignale S₁ und S₀ in zwei Punkten, und das Differenzsignal d geht demzufolge an diesen beiden Punkten durch Null. Das Differenzsignal ist in einem begrenzten Bereich zu beiden Seiten der beiden Nullpunkte im wesentlichen linear, und wie bei der vorhergehenden A_usführungsforω ist der Wart des Differenzsignals in diesen linearen.Abschnitten proportional

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zu den Abweichungen des frontalen Abstands von dem Bezugsabstand, der dem Nulldurchgang entspricht. Die beiden Nullstellungen des Differenzsignals d entsprechen einmal dem Fall, in welchem sowohl die Blende 7 als auch die Feldlinse 17A vor ihren Fokussierebenen angeordnet sind, und zum anderen dem !Fall, in dem sie beide hinter ihren Fokussierebenen liegen.

Wenn der Einfallswinkel da? Sonde auf die Fläche von dem senkrechten Einfall abweicht, werden die Kurven S. und S₂ verschoben. Aus Fig.7 ist jedoch zu erkennen, daß diese Verschiebungen in entgegengesetzten Richtungen erfolgen, wobei die Kurve S. nach rechts und die Kurve Sp nach links verschoben werden. Dies bedeutet, daß sich diese beiden Verschiebungen wenigstens teilweise gegenseitig aufheben, so daß die resultierende Verschiebung in der Differenzkurve stets sehr klein ist.

Ferner ist es möglich, die Anordnung so zu treffen, daß in einem (willkürlich gewählten) Nullpunkt der Differenzkurve für einen bestimmten Einfallswinkel außer dem senkrechten Einfall überhaupt keine Verschiebung eintritt; dieser Fall ist in Fig.7 für den linken Nullpunkt dargestellt. Dies ist möglich, weil zwei Parameter vorhanden sind, die eingestellt werden können, nämlich die Lage der Blende 7 (und ihres entsprechenden Detektors 8) und die Lage der Feldlinse 17A mit der Abdeckscheibe 1OA ( und ihr entsprechender Detektor 9). Die anfängliche Einstellung wird dadurch ausgeführt, daß der frontale Abstand zu der Fläche auf den Beaugswert für den senkrechten Einfall eingestellt wird, und daß die Lagen der Blende 7(mit dem Detektor 8) und der au3 Abdeckscheibe 1OA und Feldlinse 17A bestehenden Anordnung ( mit dem Detektor 9) verstellt werden, bis das DiffereriKsignal Null ist; dieser Vorgang wird daran für den gewählten schrägen Einfallswinkel , im vorliegenden

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Fall 13° wiederholt. Dadurch wird die Einstellung für den senkrechten Einfall beeinflußt, die deshalb nachgestellt werden muß, damit das Differenzsignal wieder auf Null gebracht wird. Diese .Folge wird fortgesetzt, bis das Differenzsignal sowohl für den senkrechten Einfall als auch für den schrägen Einfall Null ist.

Pie sich daraus ergebende Nullpunktsverschiebung als Funktion des Einfallswinkels ist in Fjg. 8 durch die Kurve III dargestellt, wobei die beiden Punkte der Nullpunktsverschiebung zu erkennen sind, die dem senkrechten Einfall und dem Einfallswinkel von 13° entsprechen. Der zweite Wert kann will-'kürlich gewählt werden, doch ist es zweckmäßig, ihn etwa gleich zwei Dritteln des höchst zulässigen Einfallswinkels zu wählen, der im vorliegenden Fall etwa 20° beträgt. Dieser maximale Einfallswinkel hängt von der Öffnung de3 Objektivs 4 ab.

In Fig.2, 4 und 6 ist das optische System, durch welches das Licht auf die Fläche übertragen und dann wieder zu den Detektoren zurückgeführt wird, schematisch als einfaches Objektiv 4 dargestellt. Dieses optische System könnte jedoch auch in anderer Weise ausgebildet sein,beispielsweise in Form von zwei Objektiven, die entlang der optischen Achse .im Ateband yonslnander angeordnet sind.

S₀WOhI in Fig. 4 als auch in Fig. 6 i.3t die Lichtquelle 1 jeweils als Elektrolumineszenzdiode dargestellt, weil dies die bevorzugte Ausführung ist. Das emittierte Licht kann durch Modulation des durch die Diode gehenden elektrischen Stroms moduliert werden, und in diesem Fall sind die Detektoren so auszubilden, daß sie die aufgefangenen Signale demodulieren Eine solche Modulation und Demodulation ermöglicht die Verringerung von StöreinfIüs3en, beispielsweise von Änderungen des Umgebungslichtes.

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Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf eine optische Vorrichtung zur Bestimmung des Umrisses einer Fläche, beispielsweise einer Wageηkarosserie oder eines Plugzeugflügels beschrieben worden. Bei diesem Anwendungsfall wird die Stellung der Sonde verändert, bi3 das Differenzsignal Null ist, damit der frontale Abstand zwischen der Sonde und der Fläche kon&tant gehalten wird. Ein anderer ähnlicher Anwendungsfall ist die Messung der Verstellung einer Fläche. Auch hier wird wieder die Stellung der Sonde so verändert, daß der frontale Abstand zu der Fläche konstant gehalten wird, so daß die Sonde der Fläche folgt. Die Verstellung der Sonde entspricht dann der Verstellung der Fläche. Obgleich diese AufreGhterhaltung eines konstanten frontalen Abstandes bevorzugt wird, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt; sie kann auch für die Messung des Abstands zwischen der Sonde und der Fläche durch entsprechende Eichung des erhaltenen Differenzsignals verwendet werden.

Pate nt a na prüche

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Claims

Patentansprüche

Optische Vorrichtung zur Bestimmung des Ortes ehes Punktes auf einer Fläche mit einer Lichtquelle, einem optischen System zur Bildung eines primären Bildes der Lichtquelle auf der Fläche an dem Punkt und zur Rückführung des von dem',primären Bild kommenden Lichtes, einer Einrichtung zur Teilung des von dem optischen System zurückgeführten Lichtes in zwei Licht bündel*,- die jeweils zu einem von zwei sekundären Bildpunkten gerichtet sind, die in zwei verschiedenen Fokussierebenen liegen, zwei optischen Elementen, die W jeweils im Weg eines der beiden Lichtbündel angeordnet sind, wobei jedes optische Element die hindurchgehende Lichtmenge steuert, und mit zwei phötoelektrischen Detektoren, die jeweils hinter einem der beiden optischen Elemente so angeordnet sind, daß sie das durch das betreffende optische Element hindurchgehende Licht empfangen und in elektrische Ausgangssignale umsetzen, die von der Lage der Fläche relativ zu dem optischen System abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente eine Linse, vorzugsweise eine Feldlinse enthalten, die mit einer zentralen Abdeckung versehen ist.
2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, | daß jedes der optischen Elemente eine mit einer zentralen

Abdeckung versehene Feldlinse enthält.
3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die beiden optischen Elemente so angeordnet sind, daß für eine Bezugsfläche und einen Bezugseinfallswinkel des auf die Bezugsfläche einfallenden Lichtes die die Lage der Fläche relativ zu dem optischen System anzeigende Differenz zwischen den beiden Detektorausgangssignalen Null ist, wenn das primäre

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Bild das schärfste Bild der Lichtquelle auf der Fläche ist, und daß die beiden optischen Elemente auf entgegengesetzten Seiten ihrer beiden entsprechenden Fokussierebenen liegen.
4. Optische Torrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur eines der optischen Elemente eine mit einer zentralen Abdeckung versehene Feldlinse enthält, und daß das andere optische Element eine Blende enthält.
5. Optische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden optischen Elemente so angeordnet sind, daß für eine Bezugsfläche und einen Bezugseinfallswinkel des auf die Bezugsfläche einfallenden Lichtes die die Lage der Fläche relativ zu dem optischen System anzeigende Differenz zwischen den beiden Detektorausgangssignalen Null ist, wenn das primäre Bild das schärfste Bild der Lichtquelle auf der Fläche ist, und daß die beiden optischen Elemente auf der gleichen Seite ihrer beiden entsprechenden Fokussierebenen liegen.
6. Optische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichn. ., daß die beiden optischen Elemente so angeordnet sind, daß für die gleiche Bezugsfläche und für die gleiche Scharfeinstellung des primären Bildes auf der Fläche die Differenz für zwei verschiedene Bezugseinfallswinkel des auf die Fläche einfallenden Lichts Null ist.
7. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Abdeckung der Feldlinse und die Öffnung der Blende den gleichen Durchmesser haben.

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