DE2654478A1

DE2654478A1 - Vorrichtung zur beruehrungsfreien dickenmessung

Info

Publication number: DE2654478A1
Application number: DE19762654478
Authority: DE
Inventors: Viktor Dipl Ing Dr Bodlaj
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-12-01
Filing date: 1976-12-01
Publication date: 1978-06-08
Also published as: FR2373034B1; BE861356A; FR2373034A1; NL7713236A; GB1595949A; DK531677A; IT1089106B

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

Berlin und München $ VPA 76 P 7 161 BRD

Vorrichtung zur berührungsfreien Dickenmessung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungsfreien Dickenmessung, wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.

Aus der deutschen Patentschrift 2 501 015 (=VPA 75 P 7005) ist ein entsprechendes Verfahren bekannt, bei dem die Dicke eines Werkstückes mit planparallelen Oberflächen berührungsfrei gemessen wird. Dazu werden Laserstrahlen schrittweise über die gegenüberliegenden Oberflächen des Werkstückes gelenkt, von dort diffus reflektiert, die reflektierten Strahlen werden dann von Detektoren registriert, die nur Licht aus einer bestimmten Richtung aufnehmen können. Die Lage der Öberflächenpunkte, bei denen die reflektierten Lichtstrahlen von den Detektoren registriert werden, werden aus der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Lichtstrahlablenkung und dem Empfang eines Lichtsignals im entsprechenden Detektor bestimmt. Werden mehrere Punkte auf der Werkstückoberfläche abgetastet, so darf das Werkstück während der Messung gegenüber einer virtuellen Bezugsebene verkippt sein. In diesem Falle ist es möglich, die Dicke des Werkstückes unabhäng ig von der Verkippung zu bestimmen.

Gemäß dieser Patentschrift ist vorgesehen, den Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufzuspalten, dabei dient der eine Teilstrahl zur Abtastung der Oberseite des Werkstückes, der andere Teil-"

1.12.1976/ Rtd 17 Htr

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ORIGiMAL INSPECTED

strahl dient zur Abtastung der Unterseite des Werkstückes. Um jeweils mehrere Punkte auf der Ober- bzw. Unterseite des Werkstückes lagemäßig zu bestimmen, werden diese Teilstrahlen durch Prismen in weitere Teilstrahlen aufgespalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, dieses bekannte Verfahren zur vereinfachen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, wie sie eingangs genannt wurde, gelöst, dabei weist diese Vorrichtung erfindungsgemäß die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 auf.

Gemäß der Erfindung ist also die Aufteilung der Teilstrahlen in weitere Teilstrahlen überflüssig.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figur, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt, genauer erläutert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt eine Lichtquelle, die einen scharf gebündelten Lichtstrahl erzeugt. Für eine derartige Lichtquelle ist insbesondere ein Dauerstrichlaser geeignet.

Der von der Lichtquelle 1 erzeugte Lichtstrahl 10 fällt in einen Strahlablenker 2, v/o er periodisch abgelenkt wird, wie durch den Pfeil 11 symbolisiert ist.

Als Lichtablenker ist insbesondere die Ablenkvorrichtung geeignet, die in der deutschen Offenlegungsschrift 2 321 211 (= VPA 73/7056) beschrieben ist. Diese bekannte Vorrichtung erzeugt große Ablenkwinkel, außerdem ist vorteilhaft, daß die Resonanzfrequenz, bei der diese Vorrichtung betrieben wird, verhältnismäßig stabil ist.

Hinter dem'Lichtablenker ist ein Strahlteiler 3 angeordnet. Damit wird der Lichtstrahl 10 in zwei Lichtstrahlen mit etwa gleicher Intensität aufgespalten. Einerseits werden also Lichtstrahlen 100, 101, 102 erzeugt, entsprechend der Ablenk-

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richtung des Lichtstrahles 10, andererseits werden dementsprechend Lichtstrahlen 1000, 1001, 1002 erzeugt. Die Lichtstrahlen 100 und 1000 entsprechen einer vorzugebenden Null-Lage des Lichtablenkers.
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Als Strahlteiler 3 kann beispielsweise ein semipermeabler Spiegel dienen.

Die Lichtstrahlen 100 bis 102 werden durch einen feststehenden Spiegel 4 auf ein Objekt 55 gelenkt, dessen Dicke gemessen werden soll. Die Lichtstrahlen 1000 bis 1002 werden durch einen feststehenden Spiegel 40 auf dieses Objekt gelenkt.

Dieses Objekt muß sich innerhalb des Meßbereiches befinden. Dieser wird einerseits durch die Null-Ebene begrenzt, die mit ZZ bezeichnet ist, andererseits durch eine den Meßbereich begrenzende Ebene, die mit MMbezeichnet ist.

Außerhalb des Meßbereiches sind Photodetektoren 5, 6, 50 und 60 angeordnet, diese Detektoren besitzen Richtungsblenden, so daß sie nur Licht aus einer Richtung aufnehmen können, dies ist durch entsprechende Visierlinien 51, 52, 61 und 62 symbolisiert.

Die Visierlinien der Detektoren 5 und 6 müssen in der gleichen Ebene liegen, wie die vom Spiegel 4 reflektierten Lichtstrahlen 100, 101, 102. Die Visierlinien der Detektoren 50 und 60 müssen in der gleichen Ebene liegen, wie die vom Spiegel 40 reflektierten Lichtstrahlen 1000, 1001, 1002.

Die Visierlinie 51 trifft in einem Punkte A auf das Objekt55, die Visierlinie 61 in einem Punkte B, die Visierlinie 52 in einem Punkte C, die Visierlinie 62 in seinem Punkte D.

Sobald die Punkte, A , B, C und D von einem Lichtstrahl getroffen werden, wird dies von einem der Detektoren 5, 6, 50, 60 registriert. Da jedes Objekt immer einen Anteil des auftreffenden Lichtes diffus reflektiert, ist es nicht erforderlich, daß der Lichtstrahl und die entsprechenden Visierlinien gegenüber dem Einfallslot auf der Oberfläche des Objektes den gleichen Winkel

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aufweisen. Das Objekt kann also innerhalb des Meßbereiches eine beliebige Lage einnehmen, in jedem Falle registrieren die Detektoren den Zeitpunkt, zu dem die Punkte A, B, C, D von Lichtstrahlen getroffen werden.

In einer vorzugebenden Null-Stellung des Lichtablenkers 2 werden die Lichtstrahlen 100 und 1000 erzeugt. Diese Lichtstrahlen treffen sich in einem Punkte 0 auf der Null-Ebene, so lange sich kein Objekt im Meßbereich befindet.

Zu einen späteren Zeitpunkt, entsprechend der Auslenkbewegung des Lichtablenkers, entstehen einerseits die Lichtstrahlen 101, 102 und andererseits die Lichtstrahlen 1001, 1002. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch, entsprechend der periodischen Bewegung des Lichtablenkers.

Die Zeitpunkte, zu denen der Lichtablenker die Null-Stellung einnimmt, werden im folgenden mit t« bezeichnet. Zur Registrierung dieser Zeitpunkte kann in einfacher Weise ein Photodetektor 7 dienen, in den mittels einer Glasplatte 8 ein geringer Anteil des Lichtstrahles 1000 eingeblendet wird. Diese Glasplatte blendet auch aus den späteren Lichtstrahlen 1001 und 1002 einen schwachen Lichtstrahl aus, jedoch wird der Detektor 7 von diesen späteren sclnvachen Lichtstrahlen nicht getroffen.

Der Detektor 7 kann gleichzeitig noch zur Zählung der Ablenkfrequenz der Lichtstrahlen benutzt werden.

Um die Ablenkgeschwindigkeit überprüfen zu können, kann ein weiterer Detektor 9 vorgesehen werden, der zu einem späteren Zeitpunkt, wenn ein Lichtstrahl 1004 erzeugt wird,von einem schwachen Lichtstrahl getroffen wird. Dieser schwache Lichtstrahl kann wiederum mittels der Glasplatte 8 aus dem Lichtstrahl 1004 ausgeblendet werden.

Die Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt t~, der von dem Detektor 7 signalisiert wird, und dem Zeitpunkt, zu dem der Detektor 9 vom Lichtstrahl getroffen wird, ist also ein Maß

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-tr- > 76 P 7 1 6 1 BRD

für die Ablenkgeschwindigkeit des Lichtablenkers. Ist die Ablenkfrequenz bekannt, so ist diese Zeitdifferenz außerdem ein Maß für die Ablenkamplitude dieses Lichtablenkers.

Mittels der Detektoren 7 und 9 kann also die Ablenkbewegung ' des Lichtablenkers überwacht bzw. gemessen werden.

Prinzipiell kann diese Ablenkbewegung auch in anderer Weise gemessen bzv/. überwacht werden. Jedoch ist die dargestellte Weise besonders einfach.

Die Messung der Dicke des Objektes 55 erfolgt nun in der folgenden Weise: Zum Zeitpunkt t , dieser wird durch den Detektor 7 registriert, wird das Objekt auf seiner Oberseite vom Lichtstrahl 100 und auf seiner Unterseite vom Lichtstrahl 1000 getroffen. An den Auftreffpunkten werden die Lichtstrahlen diffus reflektiert, wie- durch Pfeile angedeutet ist. Da sich die Auftreffpunkte außerhalb der Visierlinien 51, 52, 61, 62 der Detektoren 5, 6, 50, 60 befinden, wird von diesen Detektoren kein Signal erzeugt.

Zu einem späteren Zeitpunkt t. wird das Objekt an seiner Oberseite im Punkte A von dem Lichtstrahl'101 getroffen, dieser Lichtstrahl wird vom Objekt diffus reflektiert. Da der Punkt A auf der Visierlinie 51 des Detektors 5 liegt, wird also der Zeitpunkt t. von diesem Detektor registriert. Dabei ist die Zeitdifferenz t_Q - t ein Maß für den Abstand.des Punktes A von der Null-Ebene ZZ.

Zu einem noch späteren Zeitpunkt t_ß. wird das Objekt im Punkte B von dem Lichtstrahl 102 getroffen. Dieser Lichtstrahl v/ird vom Objekt diffus reflektiert. Da der Punkt B auf der Visierlinie 61 des Detektors 6 liegt, wird der Zeitpunkt tg"von diesem Detektor 6 registriert. Dabei ist die Zeitdifferenz t_rt· - t ein Maß für den Abstand des Punktes B von der NuIl-

Kt B

Ebene ZZ.

In entsprechender Weise wird die Unterseite des Objektes 55

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abgetastet. - ο

Zu einem Zeitpunkt t~ wird der Punkt C vom Lichtstrahl 1001 getroffen, dieser Lichtstrahl wird vom Objekt diffus reflektiert. Da der Punkt C auf der Visierlinie 52 des Detektors 50 liegt, wird der Zeitpunkt t~ von diesem Detektor 50 registriert. Die Zeitdifferenz t~ - tp ist dabei ein Maß für den Abstand des Punktes C von der Null-Ebene ZZ.

Zu einem späteren Zeitpunkt t^ wird der Punkt D vom Lichtstrahl 1002 getroffen, dieser Lichtstrahl wird diffus reflektiert. Da der Punkt D auf der Visierlinie 62 des Detektors 60 liegt, wird der Zeitpunkt t von diesem Detektor 60 registriert. Dabei ist die Zeitdifferenz t_Q - t ein Maß für den Abstand des Punktes D von der Null-Ebene ZZ.

Aus der Lage der Punkte A, B, C, D bezüglich der Null-Ebene ZZ kann nun die Dicke des Objektes ermittelt werden. Dabei darf das Objekt (um einen beliebigen Winkel um eine Achse, die senkrecht zur Zeichenebene der Figur steht) gekippt sein.

In der Figur liegen alle Lichtstrahlen und alle Visierlinien in der gleichen Ebene. Sollen bei der Dickenmessung des Objektes beliebige Verkippungen des Objektes um beliebige Achsen erlaubt sein, so muß die Ebene, die durch die vom Spiegel 4 reflektierten Lichtstrahlen 100, 101, 102 und die Visierlinien 51, 61 gebildet wird, gegenüber der Ebene, die von den vom Spiegel 40 reflektierten Lichtstrahlen 1000, 1001, 1002 und den Visierlinien 52, 62 gebildet wird, geneigt sein. Zweckmäßig ist dabei ein Neigungswinkel von 90°, d.h. die Ebenen stehen senkrecht aufeinander. Dies ist durch entsprechende Anordnung des Spiegels 40 und der Detektoren 50, 60 in einfacher Weise möglich.

Auf diese Weise wird erreicht, daß der Weg, den der Auftreffpunkt der Lichtstrahlen auf der Oberseite des Objektes beschreibt, dieser Weg ist durch die Gerade durch die Punkte A und B festgelegt, nicht parallel ist zu dem Weg, der der Auf-

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punkt der Lichtstrahlen auf der Unterseite des Objektes beschreibt. Dieser Weg auf der Unterseite wird durch die Gerade durch die Punkte C und D festgelegt.

Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel sind zur Abtastung des Objektes vier Detektoren 5, 6, 50, 60 vorgesehen. Es ist auch möglich eine größereZahl von Detektoren vorzusehen, die in entsprechender v/eise nacheinander die Zeitpunkte registrieren, zu dem die auf der jeweiligen Visierlinie der Detektoren liegenden Oberflächenpunkte des Objekts vom Lichtstrahl getroffen werden. Dadurch ist es einerseits möglich, die Redundanz der Vorrichtung zu erhöhen, andererseits können auch kompliziertere Objekte, deren Oberflächen nicht planparallel zueinander sind, vermessen werden.

Bsi Objekten mit planparallelen Oberflächen genügen drei der Detektoren 5> 6, 50, 60, um die Dicke des Objekts zu bestimmen, wenn dieses Objekt höchstens um eine vorzugebende Achse gegenüber der Null-Ebene verkippt ist. Für den Fall, daß die Objektoberseite durch zwei Detektoren 5, 6 abgetastet wird, die Unterseite nur durch einen der Detektoren " 50 oder 60, darf diese Verkippungsachse nicht in der Ebene liegen, die durch die Visierlinien 51 und 61 festgelegt ist. Entsprechendes gilt für die Verkippxangsachse und die Ebene, die durch die Visierlinien 52 und 62 festgelegt wird, wenn die Unterseite des Objekts durch zwei Detektoren 50, 60 abgetastet wird und die Oberseite nur durch einen der Detektoren 5 oder 6.

Bei beliebigen Verkippungen eines Objektes mit planparallelen Oberflächen sind für die Ober- und Unterseite des Objekts jeweils zwei Detektoren, d.h. insgesamt vier, erforderlich.

4 Patentansprüche
1 Figur

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to

Leerseite

Claims

2Ü54478 7BP 7 1 6 1 BRD Patentansprüche

1. Vorrichtung zur berührungsfreien Dickenmessung von Objekten, wobei diese Vorrichtung eine Lichtquelle für einen scharf gebündelten Lichtstrahl, einen Lichtablenker und einen Strahlenteiler besitzt, so daß zumindest zwei simultan und periodisch ablenkbare Lichtstrahlen erzeugbar sind, wobei Vorrichtungen vorgesehen sind, mit denen der eine dieser Lichtstrahlen auf eine Oberfläche des Objektes und ein anderer dieser Lichtstrahlen auf die gegenüberliegende Oberfläche des Objektes geworfen werden kann, wobei weiterhin Photodetektoren vorgesehen sind, die Licht nur aus einer bestimmten Richtung (Visierlinie) aufnehmen können, und wobei mit diesen Detektoren Zeitpunkte bestimmt werden können, zu denen auf der jeweiligen Visierlinie liegende Punkte auf den Objektoberflächen von einem dieser Lichtstrahlen getroffen v/erden, dadurch gekennzeichnet , daß beim periodischen Hin- und Herführen der Lichtstrahlen über die Oberflächen des Objekts nach einem Zeitpunkt ±q, zu dem zwei einer Null-Lage des Lichtablenkers (2) entsprechende Strahlen (100, 1000) auf das Objekt (55) fallen, zuerst, ein Lichtstrahl (101) erzeugt wird, der einen Punkt A auf der einen Oberfläche des Objekts trifft, welcher auf der Visierlinie (51) eines ersten Detektors (5) liegt, daß dann ein Lichtstrahl (102) erzeugt wird, welcher auf einem Punkt B auf der gleichen Oberfläche des Objekts auftrifft, welcher auf der Visierlinie (61) eines zweiten Detektors (6) legt,daß auf der anderen Seite des Objekts mindestens ein Detektor (50) mit einer Visierlinie (52) liegt, mit dem der Zeitpunkt registriert werden kann, zu dem ein Lichtstrahl (1001) einen Punkt C trifft, der auf der zuletzt genannten Visierlinie (52) und der anderen Seite des Objekts liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net , daß Zeitmeßschaltungen vorgesehen sind, mit denen die Zeitdifferenzen t~ - t^, t - t_ß und t_ - t~ meßbar sind, wobei t_A der Zeitpunkt ist, zu dem der Punkt A vom Lichtstrahl

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ORtGiNAL INSPEGtED

(101) getroffen wird, wobei t„ der Zeitpunkt ist, zu dem der

Jb

Punkt B vom Lichtstrahl (102) getroffen wird und wobei t_n der Zeitpunkt ist, zu dem der Punkt C vom Lichtstrahl (1001) getroffen wird.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet , daß über der Oberseite des Objekts mindestens zwei Detektoren (5 und 6) vorgesehen sind, und daß über der Unterseite des Objekts ebenfalls mindestens zwei Detektoren (50, 60) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet , daß zur Bestimmung des Zeitpunktes t ein Photodetektor (7) vorgesehen ist, in den von dem Lichtstrahl (1000), welcher der Null-Lage des Lichtablenkers (2) entspricht, ein Teilstrahl eingeblendet werden kann.

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