DE2165693A1 - Optisches drahtdickenmessgeraet - Google Patents

Optisches drahtdickenmessgeraet

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DE2165693A1
DE2165693A1 DE19712165693 DE2165693A DE2165693A1 DE 2165693 A1 DE2165693 A1 DE 2165693A1 DE 19712165693 DE19712165693 DE 19712165693 DE 2165693 A DE2165693 A DE 2165693A DE 2165693 A1 DE2165693 A1 DE 2165693A1
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filter
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Ulrich Dr Rer Nat Koepf
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/46Systems using spatial filters

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

  • Optisches Drahtdickenmeßgerät Die Erfindung betrifft ein optisches Drahtdickenmeßgerät, bei dem durch kohärentes Licht ein Beugungsbild des zu vermessenden Drahtes erzeugt wird, das zur Messung der Drahtdicke verwendet wird.
  • Es sind Anordnungen zur berührungslosen Drahtdickenmessung bekannt, bei denen ein zu vermessender dünner Draht in den Strahlengang de.s Laserlichtstrahles gebracht wird. Das an diesem Draht gebeugte Licht enthält eine Reihe von X Maxima und Minima, deren Abstände der Drahtdicke umgekehrt proportional sind. us diesen Abständen läßt sich oit die Drahtdicke bestimmen In der OS 1 623 230 wird vorgeschlagen, die Maxima- bzw.
  • Minimsabstände des Beugungsbildes durch eine rotierende Abtastvorrichtung zu ermitteln, welche das am Draht gebeugte Licht in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit der Abtastvorrichtung impulsförmig eine Detektor zufahrt. Die Abstände der Beugungsmaxima bzw. -in1niP.?a er geben sich aus der Folgefrequenz der Impulse, die der Detek tor empfängt.
  • Da die Abstände der Maxima bzw. Minima sehr dicht nebeneinanderliegen, sind zur Auswertung der Drahtdicke emp£indliche elektronische Geräte notwendig.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Drahtdickenmeßgerät anzugeben, das den genannten Nachteil vermeidet.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Raumfrequenzfilter mit dem Beugungsbild eines Drahtes mit Bezugsdurchmesser entsprechenden durchlässigen und undurchlässigen Streifen, wobei die vom Filter durchgelassene vom Beugungsbild abhängige Strahlungsintensität gemessen wird.
  • Ein solches Drahtdickenmeßgerät eignet sich beispielsweise für eine fortlaufende Toleranzüberwachung des Burchmessers des Drahtes bei dessen Herstellung. In diesem Falle sind die durchlässigen und undurchlässigen Streifen des Filters vorteilhafteie'ise von geraden Linien begrenzt und weisen feste Abstände auf, derart, daß die Beugungsminima des Drahtes mit iezugsdurchmesser mit den durchlässigen Streifen des Filters zusammenfallen. Die Abstände müssen so eingestellt werden, daß sie, dem Sollwert der Drahtdicke des zu vermessenden Drahtes, d.h. aber bestimmten Abständen der Beugungsmaxima bzw. -minima entsprechen.
  • Im Strahlengang vor dem Filter ist insbesondere eine Optik zur Abbildung des BeugungsbiUdes auf das Filter angeordnet.
  • Will man eine Toleransüberwachung von Drähten durchführen, die unter verschiedenen Winkeln im Strahlengang des Lichtes vorliegen, so müssen die durchlässigen und undurchlässigen Streifen des Filters vorzugsweise von kreisförmig konzentrischen Linien begrenzt sein und feste Abstände aufweisen, derart, daß die Beugungsminima des Drahtes mit Bezugsdurchmessex mit den durchlässigen Streifen des Filters zusammenfallen, falls der Istwert des zu messenden Drahtdurchmessers mit dem Sollwert übereinstimmt In diesen beiden Fällen rogistriert der Detektor eine minimale Lichtintensität beim Vorliegen eines Drahtes mit der Solldrahtdicke. Abweichungen von der Solldrahtdicke ergeben eine abgeänderte BeugungsfigurS welche sich. in einer erhöhten ransmisaion des Lichtes durch das Filter bemerkbar macht und können von einem geeichten-Detektor auch in der Größe festgehalten werden Das DrChtdickenmeBgerät ist jedoch auch ve;rwendbär'st für einen Dickenmeßbereich zwischen mehreren/um und mehreren Millimetern. Dazu enthält die Optik zur Abbildung des 3eugungsbildes auf das Filter vorteilhafterweise eine Gummilinse mit variabler Brennweite, durch welche die Abstände der Beugungsminima an die Abstände der durchlässigen Streifen angepaßt werden können.
  • Die Drahtdicke in einem größeren Meßbereich läßt sich vorteilhafterweise auch dann bestimmten, wenn die Grenzen der durchlässigen und undurchlässigen Streifen einen Verlauf mit unterschiedlichen Abständen aufweisen und Mittel vorgesehen sind, um, das Filter und das Beugungsbild in Bezug zueinander zu bewegen. Diese Abstände mV.ssen dann der jeweiligen Drahtdleke angepaJ3t werden. Die variablen Abstände lassen sich insbesondere dadurch realisieren, daß die durchlässigen und undurchlässigen Streifen einen y = 1/x-Verlauf aufweisen. Es ist in diesem Falle von Vorteil, das Filter mit dem y = 1/x-VerlauS auf dem Filter fest anzuordnen und das Beugungsbild über das Filter zu bewegen. Zu dem Zeitpunkt, zu dem eine minimal durchgelassene, Intensität gemessen wird, kann an einer am Filter angebrachten Meßskala die Drahtdicke abgelesen werden. Bei Anordnen einer linearen Meßskala am Filter kann, die Bewegung des 3eugungsbildes über das Filter gleichmäßig erfolgen.
  • Von Vorteil ist es auch, wenn der y = 1/x-VerlauS der durchlässigen und undurchlässigen Streifen des Filters auf einemkreisförmigen Filter angeordnet ist und das Filter gedreht wird.
  • Einzelheiten folgen an- Hand der Ausführungsbeispiele in der Figurenbeschreibung.
  • Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Drahtdickenmeßgerätes, Figur 2 eine weitere Ausfahrungsform des Drahtdickenmeßgerätes, Figur 3 ein Smpfangsdiagramm, Figur 4 einen Empfängerteil eines Drahtdickenmeßgerätes für ein Filter mit veränderter Bereichsweite, Figur 5 das zugehörige Filter und-Figur 6 ein Filter auf einer rotierenden Scheibe.
  • In der Figur' 1 ist der prinzipielle Aufbau des Drahtdiekenmeßgerätes dargestellt, bei dem als wesentliches Merkmal ein Filter verwendet wird. Ein Lasersender, z.B. ein Helium-Neon-Laser 1 emittiert einen Laserstrahl 2, der durch eine Optik 3 aufgeweitet wird. In dem aufgeweiteten Strahl 4 ist der Draht 5, dessen Durchmesser zu vermessen ist, in der Brennebene einer Linse 6 angeordnet. Diese Linse 6 bildet die senkrecht zur Zeichnungsebene geradlinig verlaufenden Beugungsmaxima 7 des durch den Draht 5 erzeugten Beugungsbildes auf den undurchlässigen Streifen 8 des Filters 9 ab. Die undurchlässigen Streifen 8 und die dazwischenliegenden durchlässigen Streifen 10 des Filters 9 sind symmetrisch zur optischen Achse der Anordnung ausgebildet. Diese Streifen durchziehen das Filter senkrecht zur Zeichnungsebene und entweder geradlinig oder kreisförmig und konzentrisch mit dem Mittelpunkt in der optischen Achse. Die Geometrie der Streifen des Filters ist so ausgebildet, daß für eine Solldrahtdicke des zu vermessenden Drahtes 5 dessen Beugungsmaxima 7 auf die Mitten der undurchlässigen Streifen 8 des Filters 9 fallen. Sind die durchlässigen und undurchlässigen Streifen des Filters kreisförmig ausgebildet, so lassen sich Vermessungen von Drähten durchführen, die im Strahlengang 4 des Laserlichtes unter beliebigen Winkeln senkrecht zur optischen Achse vorliegen. Im Strahlengang hinter dem Filter 9 ist ein Photomultiplier 11 angeordnet, welcher die gesamte vom Filter 9 transmittierte Lichtintensität, nämlich die Lichtintensität aller transmittierten Minima des Beugungsbildes des Drahtes 5, aufnimmt.
  • Ändert Qich der Durchmesser des Drahtes 5, so verschieben sich auch die Beugungsmaxima 7 auf der Filterebene, wodurch dann eine größere Lichtintensität auf den Photomultiplier gelangt. Da die Minimaabstände dem Durchmesser des Drahtes 5 umgekehrt proportional sind, würde die vom Photomultiplier 11 registrierte Gesamtliehtintensität bei Zunahme des Durchmessers des Drahtes 5 zunächst anwachsen, dann wieder abnehmen und beim Vorliegen des doppelten Durchmessers sowie jeweils bei mehrfachen Durehmessern des Drahtes 5 weitere Minima anzeigen Dieses rRnsmissLonsverhalten ist für zwei Filter, die sich durch verschiedene Abstände der durchlässigen und undurchv lässigen Streifen unterscheiden, in der Figur 3 flin einem Diagramm dargestellt. Sie zeigt die Transmission des Beugungsbildes von Drähten mit zunehmendem Durc'emesser d für zwei ver schiedene Streifenabstande der Filter Die Kurve a gilt für ein Filter mit größeren, die Kurve b für ein Filter mit ger,ingeren Streifenabständen.
  • Im folgenden wird nun an Hand der Figuren 2 und 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, das es gestattet, bei' der Produktion von dünnen Drähten die vorzeichenrichtige Größe der Abweichung von einer Solldrahtdicke festzustellen.
  • Dabei-zeigt die in der Figur 2 dargestellte Anordnung einen speziellen Empfangsteil des Drahtdiekenmeßgerätes. Statt des in der Figur 1 beschriebenen Filters mit seinem symmetrischen Aufbaubezüglich der Abstände der durchlässigen und undurehlässigen Streifen wird hier ein Filter verwendet, das aus zwei Teilen besteht. Die Streifenabstände im unten gezeiehneten Teil des Filters sind geringer als die im oben gezeichneten Teil des Filters. H:nter dlesen beiden Teilen des Filters sind zwei Photomultiplier 12 und 13 angeordnet. Da die Intensitätsmaxima 7 des Beugungsbildes jedoch genau symmetrisch zur optischen Achse verlaufen, werden die beiden Photomultiplier 12 und 13 unterschiedliche Transmissionsintensitäten regiF-trieren. Sind die durchlässigen und undurchlässigen Streifen-so ausgebildet, daß für eine zu überwachende SQ11-drahtdicke do die von den Photomultipliern 12 und 13 regi-« strierten Intensitäten Toa und Tob gleich sind, dann läßt sich die Differenz dieser beiden Intensitäten #T = Tα - Tb als Abweichung vom Sollwert O anzeigen (s. Figur 3). Bei kleineren Drahtdurchmessern d1 bzw.
  • größeren Drahtdurchmessern d2 werden die Abweichungen vorzeiehenrichtig wiedergegeben und können nach einer Eichung des Anzeigegeräts quantitativ bestimmt werden. -¢ Mit dieser Anordnung können beispielsweise Drähte mit Durchmessern von 200/um überwacht werden und Abweichungen von bis zu + 251um von dieser Drahtstärke bestimmt werden.
  • Bei Anpassung der Streifenabstände an eine Solldrahtdicke zeigt eine Erhöhung der Mi'nimalintensität die Abweichung der Drahtdicke an.
  • Wird anstelle der Linse 6 eine Gummilinse gesetzt, mit der die Abstände der Intensitätsminima variiert werden können, dann kann mit der Gummilinse das Beugungsbild solange verändert werden, bis es mit den Streifenabständen des Filters übereinstimmt, d.h. bis der Photomultiplier 11 eine minimale Intensität registriert. Durch einen entsprechenden Antriebläßt sich ein linearer Zusammenhang zwischen der Sinstel, lung der Gummilinse und der Drahtdicke erzielen.
  • Bei Filtern der in den Figuren 5 und 6 gezeigten Art ist eine Drabtdickenmessung innerhalb eines großen Meßbereiches möglich.
  • Das in der Figur 5 gezeigte Filter hat einen symmetrischen y = 1/x-Verlauf der durchlässigen und undurchlässigen Streifen 10 und 8. Es wird im Strahlengang so angeordnet, daß die optische Achse auf der y-Achse zu liegen kommt. Das Beugungsbild des Drahtes muß punktförmig ausgebildet werden, wobei die Intensitätsmaxima 14, die auf einer Geraden parallel zur x-Achse liegen, so lange in y-Richtung bewegt werden, bis die Beugungsmaxima 14 genau mit den undurchlässigen Streifen 8 übereinstimmen. Dann wird nämlich ein hinter dem Filter angeordneter Photomultiplier eine minimale Intensität registrieren. Zu diesem Zeitpunkt kann an einer seitlich des Filters angebrachten Meßskala 15 die Drahtdicke abgelesen werden.
  • Die Meßskala 15 ist linear unterteilt, da der Streifenverlauf des Filters nach einer yv 1/x-Funktion ausgebildet ist und die Abstände der Beugungsmaxima der Drahtdicke umgekehrt proportional sind.
  • Das Beugungsbild des Drahtes kann man beispielsweise mittels eines Spiegels entlang der y-Achse über das Filter verschieben.
  • Die Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungebeispiel eines Empfangsteiles der in der Figur 1 prinzipiell dargestellten Anordnung. Die von der Linse 6 fokussierten Intensitätsmaxima 7 werden durch einen Spiegel 16 durch Drehung um eine Achse 17 auf das Filter 9 geleitet. Der hinter dem Filter 9 angeordnete PhotomultOplser 11registriert dann eine minimale Intensität, wenn die Intensitätsmaxima des Beugungsbildes genau auf die undurchlässigen Streifen des Filters fallen.
  • Die Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Filter, mit dem Drahtdicken in einem größeren Meßbereich vermessen werden können. Dieses Filter ist kreisförmig ausgebildet und hat ebenfalls einen y = 1/X-Verlauf der durchmassigen und undurchlässigen Streifen. Es sind zwei Kurvenscharen der Streifen. auf zwei Hälften des Filters um 1800 versetzt angeordnet. Die wiederum auf einer'Geraden liegenden Intensitätsmaxima 14 der Beugùngsfigur fallen dann für eine bestimmte Drahtdicke genau auf die undurchlässigen Streifen, wenn das Filter um einen bestimmten Winkel um die Achse 18 gedreht worden ist. Die von dieser Winkelstellung abhängige Drahtdicke kann auf einer Meßskala 19 abgelesen oder durch einen angekoppelten Drehmelder angezeigt werden.
  • Die Vorlage der in den Figuren 5 und 6 dargestellten Filter kann auf einer NC-Maschine gezeichnet und das Filter dann durch Verkleinerung in Ätztechnik hergestellt werden. Bei Streifenabständen zwischen 50 um und 5 mm kann dann ein Dickenmeßbereich zwischen etwa 5/11m und einem halben mm vermessen werden.
  • Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung ist auch die Vermessung oder Töleranzüberwachung von anderen einfachen Gegenstasden, wie Blenden, Scheiben oder Drahtwendeln möglich.
  • Die an solchen Gegenständen entstehenden komplizierten Beugungsfiguren erfordern ein Filter, das man durch Belichten einer Photoplatte mit der entsprechenden Beugungsfigur erhält.
  • 6 Figuren 9 Patentansprüche

Claims (9)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Optisches Drahtdiekenmeßgerät, bei dem durch kohärentes Licht ein Beugungsbild des zu vermessenden Drahtes erzeugt wird, das zur Messung der Drahtdicke verwendet wird, g e k e n n æ e i e h n e t durch ein angepaßtes Raumfrequensfil.er mit dem Beugungsbild eines Drahtes mit Bezugsdurchmesser entsprechenden durchlässigen und undurchlässigen Streifen, wobei die vom Filter durchgelassene vom Beugungsbild abhängige Strahlungsintensität gemessen wird.
  2. 2. Optische Drahtdickenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch g e k-e n n z e i c h n e t -, daß die durchlässigen und undurchlässigen Streifen von geraden Linien begrenzt sind und feste abstände voneinander aufweisen, derart, daß die Beugungsminima des Drahtes mit Bezugsdurchmesser mit den durchlässigen Streifen des-Silters zusammenfallen.
  3. 3. Optisches Drahtdickenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h ne t * daß die durchlass gen und undurchlässigen Streifen von kreisförmig konsentrischen Linien begrenzt sind und' feste Abstände voneinander auflsei-'sen, derart, daß die Beugungsminima des Drahtes mit Bezugsdurchmesser mit den durchlässigen Streifen des Filters zusammenfallen.
  4. 4. Optisches Draht di ckenme ß ge rät nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß im Strahlengang vor dem Filter eine Optik zur Abbildung des Beugungsbildes auf dem Filter angeordnet ist.
  5. 5. Optisches Drahtdickenmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Optik eine Gummilinse mit variabler Brennweite enthält, durch welche die Abstände der Beugungsminima an die Abstände der durchlässigen Streifen angepaßt werden können.
  6. 6. Optisches Drahtdickenmeßgerät'nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß-die Grenzen der durchlässigen und undurchlässigen Streifen einen Verlauf mit unterschiedlichen Abständen aufweisen, und daß Mittel vorgesehen sind, um das Filter und das Beugungsbild in Be -zug zueinander zu bewegen.
  7. 7. Optisches Drahtdickenmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch g e ke n n z e i c h n e t , daß die Grenzen der durchlässigen und undurchlässigen Streifen einen y = 1/x-Verlauf aufweisen.
  8. 8. Optisches Drahtdickenmeßgerät nach Anspruch 6 und 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Filter mit dem y = 1/x-Verlauf im Meßgerät fest angeord@e t ist und das Beugungsbild über das Filter bewegt wird.
  9. 9. Optisches Drahtdiekenmeßgerät nach Anspruch 6 und 7, dadurch g e'k e n n z e i c hn e t , daß der'y = 1/x-Verlauf auf einem kreisförmigen Filter fest angeordnet ist und das Filter gedreht wird.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2556837A1 (fr) * 1983-12-19 1985-06-21 Inst Textile De France Procede et dispositif pour analyser les elements emergeant de la surface d'un produit, et applications
EP0439803A2 (de) * 1990-01-31 1991-08-07 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E.V. Vorrichtung zur gleichzeitigen Messung der Positionen und der Durchmesser der Filamente eines Filamentbündels
WO1996002806A1 (en) * 1994-07-20 1996-02-01 Gudmunn Slettemoen Optical two- and three-dimensional measuring of protrusions and convex surfaces

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