DE2833069A1 - Lasermessystem - Google Patents
LasermessystemInfo
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- DE2833069A1 DE2833069A1 DE19782833069 DE2833069A DE2833069A1 DE 2833069 A1 DE2833069 A1 DE 2833069A1 DE 19782833069 DE19782833069 DE 19782833069 DE 2833069 A DE2833069 A DE 2833069A DE 2833069 A1 DE2833069 A1 DE 2833069A1
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
- G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
- G01B11/254—Projection of a pattern, viewing through a pattern, e.g. moiré
Landscapes
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- General Physics & Mathematics (AREA)
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Description
27. Juli 197 8
78-V-3273 R 284 GM
RECONITION EQUIPMENT INCORPORATED, Dallas, Texas 75222,
V. St.A.
Lasermeßsystem
Die Erfindung bezieht sich auf ein Lasermeßsystem für die industrielle Inspektion, bei. der ein Laserstrahl über die
Oberfläche eines Artikels streicht. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Lasermeßsystem für die industrielle
Inspektion,.bei welchem das Licht eines von der Artikeloberfläche reflektierten Abtaststrahls in einer Abbildlinse
gesammelt wird, die das reflektierte Licht auf ein optisches Gitter reflektiert, um die Form der Oberfläche des Artikels
zu bestimmen.
In US-PS 3 975 102 ist eine Vorrichtung beschrieben, die zur Messung des Oberflächenprofils einiger spezieller Objekte
dient, und zwar unter Verwendung einer kohärenten Lichtquelle und eines zweidimensionalen fotoelektrischen Positionsfühlers.
Der kohärente Lichtstrahl wird auf einen sich drehenden Satz von Spiegeln geleitet, die eine Rasterabtastung vorsehen,
die zu dem abzutastenden Artikel hingeleitet wird. Der Strahl
wird reflektiert und durch einen Polarisationsstrahlenteiler auf den Positionsfühler geleitet. Die Lage des Strahls auf dem
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Positionsfühler wird durch einen Prozessor ausgenutzt, um jegliche
Unregelmäßigkeiten in der Form des Objekts zu bestimmen. Die abgetastete Oberfläche muß konkav oder konvex sein oder
irgendeine andere bekannte Form besitzen, so daß Linsen vorgesehen werden können, welche gestatten, daß der auf die Oberfläche
gerichtete Strahl und der davon reflektierte Strahl zusammenfallen.
Diese bekannte Konstruktion und auch andere Konstruktionen zeigen nicht ein System, bei welchem ein Laserstrahl einen Artikel
abtastet und eine Linse diffuses reflektiertes Licht von der Artikeloberfläche sammelt und das gesammelte Licht auf ein optisches
Gitter fokussiert, welches abwechselnd transparente und opake (undurchsichtige) Balken oder Striche besitzt.
Zusammenfassung der Erfindung. Gemäß der Erfindung erzeugt eine
kohärente Lichtquelle, wie beispielsweise ein Gaslaser, einen schmalen Strahl kohärenten Lichtes, welches durch ein Teleskop,
angeordnet längs des Strahls benachbart zur Lichtquelle, gerichtet wird. Der kohärente Lichtstrahl wird durch das Teleskop auf
eine Abtastvorrichtung, die beispielsweise ein an einem Servomotor befestigter Spiegel sein kann, gerichtet. Der Abtastspiegel
wird durch den Servomotor angetrieben, um durch einen Bogen zu verschwenken. Somit arbeiten die Winkelbeziehung zwischen dem
kohärenten Lichtstrahl und dem Abtajtspiegel zusammen zur Bildung eines Abtaststrahls, wobei der Abtaststrahl das vom Abtastspiegel
reflektierte Licht des kohärenten Lichtstrahls ist. Der Abtaststrahl wird durch den Abtastspiegel über einen Artikel gelenkt,
von dem Information hinsichtlich der Form oder Abmessungen gewünscht wird.
Das durch den Abtaststrahl erzeugte vom Artikel reflektierte diffuse Licht wird durch eine Abbildlinse gesammelt, die so
positioniert ist, daß Licht um eine Mittelachse herum gesammelt wird. Die Abbildlinse ist derart positioniert, daß sie vom Artikel
reflektiertes Licht über den ganzen Bogen der Abtastiuittel
hinweg sammelt. Die Abbildlinse fokussiert das gesammelte Licht
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auf ein optisches Gitter mit abwechselnd transparenten und un durchsichtigen
Strichen oder Streifen. Das gesammelte und entvergrößerte Licht, welches durch die transparenten Streifen
des optischen Gitters läuft, wird durch einen Lichtfühler, wie beispielsweise einen Fotovervielfacherdetektor, empfangen, der
darauf anspricht. Die Beziehung zwischen den Abtastmitteln, dem 'Laserteleskop und dem optischen Gitter ist derart, daß das durch
die Abbildlinse gesammelte Licht das optische Gitter senkrecht zu den Streifen darauf durchläuft, wenn der Abtaststrahl über
den Artikel streicht. Vorzugsweise ist die Winkelbeziehung zwischen der Achse der Abbildlinse und der Lage des Abtaststrahls
am Mittelpunkt der Abtastung, erzeugt durch die Abtastmittel, vorzugsweise annähernd 45°.
Der Ausgang der Lichtabfühlmittel ist mit einem Prozessor verbunden,
der die Ausgangsgröße des Detektors empfängt, um daraus Information hinsichtlich der Form des Artikels abzuleiten.
Der Prozessor identifiziert oder lokalisiert bestimmte spezielle Punkte oder Zustände (Bedingungen) innerhalb der Ausgangsgröße
des Lichtfühlers, beispielsweise die Spitzen des Signals oder den Übergang von niedrig auf hoch beim Wechselstromteil des Signals.
Es wird somit die sich ändernde Ausgangsgröße des Detektors, die das fokussierte,gesammelte, sich über die Striche des optischen
Gitters bewegende Licht repräsentiert, verwendet, um die Länge der Zeit zu bestimmen, die für das fokussierte gesammelte
Licht erforderlich ist, um über einen transparenten Streifen und einen undurchsichtigen Streifen des optischen Gitters zu laufen.
Die für das fokussierte gesammelte Licht erforderliche Zeit, um über das Paar von Strichen zu laufen, ist ihrerseits eine Funktion
der Form des Artikels. Wenn sich beispielsweise der Abtaststrahl nach oben bewegt (Anstieg in der Höhe), so bewegt sich das
gesammelte Licht über das optische Gitter mit einer geringeren Rate oder Geschwindigkeit als sich das fokussierte gesammelte
Licht dann über das Gitter bewegt, wenn die Oberfläche des Artikels (Form) flach ist. Der Prozessor bestimmt die Länge der Zeit
zwischen den identifizierten Punkten innerhalb der Ausgangsgröße des Detektors, und daher die Länge der Zeit, die das auf das optische
Gitter gerichtete gesammelte Licht benötigt, um über ein Paar
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von benachbarten Streifen, d.h. einem transparenten und einem
undurchsichtigen Streifen, des optischen Gitters zu laufen.
Der Prozessor empfängt auch Information vom Positionsfühler angeordnet
am Servomotor oder Abtastspiegel der Abtastvorrichtung.
Die gelieferte Positionsinformation könnte eine Rate der Winkelbewegung sein oder eine augenblickliche Messung des Winkels
zwischen dem Abtaststrahl und irgendeiner Bezugsgröße. Somit kann der Prozessor die gemessenen Zeitintervalle mit dem Winkel des
Abtaststrahls bezüglich irgendeiner Bezugsgröße in Beziehung setzen. Die Ausgangsgröße des Prozessors hinsichtlich der Zeitintervalle
kann in den Speichermitteln gespeichert werden und die durch die Intervalle repräsentierte gespeicherte Kontour oder
Form ,kann später mit einem Modellartikel oder Prototyp verglichen
werden. Die Zeitintervalle für den Prototyp sind in den gleichen Speichermitteln gespeichert. Die aus den Abtastmitteln
erhältliche Positionsinformation kann zusammen mit den Zeitintervallen gespeichert werden, die durch den Prozessor berechnet
wurden, um die Kontour oder Form später aufzeichnen zu können.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird der Artikel mit einer langsamen Geschwindigkeit, verglichen mit der Abtastrate, bewegt,
so daß eine dreidimensionale Messung der Kontour der Oberfläche des Artikels erhalten werden kann.
Wie oben erwähnt, ist die Winkelbeziehung zwischen der Mitte des Bogens des Abtaststrahls ein annähernd 45°-Winkel gegenüber
dem durch die Abbildlinse gesammelten reflektierten Licht. Anders ausgedrückt, wenn der Artikel auf einer Bezugsoberfläche angeordnet
ist, die zur Anordnung von zu messenden Artikeln verwendet wird, so liegt die Mitte des Bogens auf einem 45°-Winkel zum
reflektierten Licht, gesammelt durch die Abbildlinse, für diese spezielle Stelle auf dem Bogen der Abtastung. Das durch die Abbildlinse
für einen speziellen Punkt der Abtastung gesammelte Licht wird zum Zwecke der Sammlung nur einige wenige Grade um
eine Achse von der Bezugsoberfläche der Abbildlinse reflektiert. Diese Achse ist die Mittelachse der Abbildlinse.
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Es sei bemerkt, daß verschiedene Prismen und Spiegel verwendet werden können, um die Lage der Komponenten des erfindungsgemäßen
Lasermeßsystems zu verändern.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung
'von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Lasermeßsystems
für die industrielle Inspektion;
Fig. 2 eine schematische Ansicht des von einem Artikel durch eine Abbildlinse auf ein optisches Gitter erfindungsyemäß
reflektierten Lichts;
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen di in Abtaststrahl, der Bezugsoberfläche, der Oberflächen kontour
des zu messenden Artikels und dem durch die Abbildlinse gesammelten reflektierten Lichts;
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der abgetasteten Oberflächenkontour und der empfangenen
Information und der durch einen Prozessor verarbeiteten Information;
Fig. 5 eine vergrößerte Vorderansicht eines gemäß der Erfindung verwendeten optischen Gitters;
Fig. 6 ein Schematisches Schaltbild der Punkt- und Zeitintervallbestimmungsteile
des Prozessors der Fig.
Das in Fig. 1 gezeigte Lasermeßsystem für industrielle Inspektion weist eine kohärente Lichtquelle oder einen Laser 20, wie
beispielsweise einen Gaslaser, auf. Der Laser leitet einen Lichtstrahl (durch die gestrichelte -Linie 22 angedeutet) nach außen
durch ein Teleskop 24 auf einen Abtastspiegel 27. Der Laser kann
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MO-
ein Laser der Helium-Neon-Bauart sein, der eine kontinuierliche
Ausgangsgröße besitzt. Die Funktion des Teleskops 24 besteht darin, den Laserstrahl auf einen Artikel 30 zu fokussieren und die
Strahlenkonvergenz für maximale Fokussiertiefe bei der gewünschten Punktgröße zu steuern. Der fokussierte Strahl 32 wird durch
einen Abtastspiegel 27 reflektiert,um einen Abtaststrahl 35 zu erzeugen.
Somit wird der fokussierte Strahl 32 durch das Verschwenken des Spiegels abgelenkt oder gerichtet, um den Abtaststrahl zu erzeugen.
Der Abtastspiegel 27 ist über eine Welle 38 (schematisch gezeigt) mit einem Motor 40 verbunden. Der Motor 40 sollte im allgemeinen
ein Motor der Servo-Bauart sein und dient zur Sicherstellung des richtigen Verschwenkens des Abtastspiegels. Der Motor wird durch
eine (nicht gezeigte) bekannte Schaltung angetrieben, um eine Schwenkbewegung des Spiegels mit konstanter Rate über einen bestimmten
gewünschten Gradbereich hinweg zu erzeugen. Der Motor muß natürlich nicht direkt über eine Welle mit dem Abtastspiegel
verbunden sein, sondern könnte durch verschiedene Zahnräder oder andere bekannte Vorrichtungen angetrieben sein. Information hinsichtlich
der Position des Abtastspiegels wird an einen Prozessor 42 über Leitung 45 gegeben. Die Leitung 45 könnte beispielsweise
mit einem an Welle 38 befestigten Potentiometer verbunden sein oder der Ausgang einer logischen Schaltung sein, die einen
Abtaststartimpuls auf einer weiteren (nicht gezeigten) Leitung vorsieht und die Winkelgeschwindigkeit ies Abtastspiegels über
Leitung 45 liefert.
In Fig. 1 sind die ausgezogenen Linien 48 und 50 die Begrenzungen des Bogens, über den hinweg der Abtaststrahl 35 läuft. Der Artikel
30 ruht auf einer Bezugsoberfläche 5 3/und Laser 20, Teleskop 24 und Abtastspiegel 27 sind gegenüber dem Artikel 30
versetzt angeordnet. Linie 48 und Linie 50 bilden einen Winkel von annähernd 30°. Des Teleskop 24 leitet den Strahl auf die
Fläche oder Zone längs der Schwenkachse des Abtastspiegels 27.
Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die durch Linie 4 8 und Linie 50 dargestellten Extrempositionen des Abtaststrahls 35 derart vorgesehen,
daß die durch Linie 48 repräsentierte Extremposition
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die Bezugsoberfläche am Punkt 56 schneidet, während die durch Linie 50 repräsentierte Extremposition die Bezugsoberfläche 53
am Punkt 58 schneidet. Somit muß der Artikel,von dem eine zweidimensionale
Abtastung vorgenommen werden soll, auf der Bezugsoberfläche 53 zwischen den Punkten 56 und 58, wie beispielsweise
der Artikel 30 in Fig. 1, angeordnet sein. Wenn es natürlich
gewünscht ist, nur einen Teil eines Artikels 30 abzutasten, dann
braucht nur ein Teil zwischen den Punkten 56 und 58 angeordnet zu sein.
Ein Teil des diffusen Reflexionslichts vom Artikel 30 wird durch
eine Abbildlinse 62 auf ein optisches Gitter 64 fokussiert. Die diffuse Reflexionsgröße (oder das reflektierte Licht) und nicht
die gerichtete Reflexionsgröße (oder die ^ipiegelreflexionsgröße)
wird gesammelt und durch die Abbildlinse fokussiert. Die Abbildlinse
entvergrößert das reflektierte Licht mit einem Verhältnis von ungefähr 5 zu 1.
Eine Vergrößerung des optischen Gitters 54 ist in Fig. 5 gezeigt.
Kurz gesagt weist das optische Gitter eine Vielzahl von abwechselnd undurchsichtigen (opaken) Streifen 70 und transparenten
Streifen 72 auf. Die Streifen verlaufen in Längsrichtung parallel und mit der gleichen Breite. Die transparenten Streifen
können jedoch eine größere oder kleinere Breite als die undurchsichtigen Streifen besitzen. Ein undurchsichtiger Streifen 75
liegt benachbart zu einem durchsichtigen Streifen 76, der seinerseits benachbart zu einem undurchsichtigen Streifen 77 liegt.
Auf den Streifen 77 folgt ein durchsichtiger Streifen 79, der
seinerseits von einem undurchsichtigen Streifen 80 gefolgt wird. Auf diese Weise sind die undurchsichtigen Streifen 75, 77 und
80 abwechselnd mit den transparenten Streifen 76 und 79 angeordnet. Gemäß Fig. 2 ist ein Fotovervielfacherdetektor 84 hinter
dem optischen Gitter angeordnet und empfängt reflektiertes, durch Abbildlinse 62 fokussiertes Licht nach Durchtritt durch
die transparenten Streifen des optischen Gitters 64. Die undurchsichtigen
Streifen 70 lassen natürlich das durch die Abbildlinse 62 gesammelte Licht nicht durch. Die Abbildlinse 62 entvergrößert
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einen Teil des Lichts des Abtaststrahls 35 reflektiert vom
Artikel 30 und fokussiert dieses Licht auf das optische Gitter 64 de art, daß die Größe des gesammelten Lichtes kleiner ist
als die Breite der undurchsichtigen und transparenten Streifen. Wenn die undurchsichtigen und transparenten Streifen des optischen
Gitters nicht die gleiche Breite besitzen, so sollte der durch die Abbildlinse auf das optische Gitter fokussierte Punkt
einen Durchmesser kleiner als die Breite der undurchsichtigen Streifen besitzen. Das reflektierte Licht, welches durch die
Abbildlinse nach dem Durchtritt durch das optische Gitter 62 gesammelt wird, veranlaßt die Ausgangsgröße des Detektors 84
sich entsprechend der durch das optische Gitter hindurchgehenden Lichtmenge zu verändern. Die Ausgangsgröße des Detektors
84 wird von Prozessor 42 über Leitung 86, wie in Fig. 1 gezeigt, empfangen.
Wie in Fig. 2 gezeigt, bewegt sich dann, wenn der Abtaststrahl sich in der Richtung des Pfeiles 9O bewegt und die Abbildlinse
62 das vom Artikel reflektierte Licht sammelt und entvergrößert, ein Lichtpunkt auf dem optischen Gitter in der Richtung des
Pfeils 92. Der Detektor 84 empfängt das von der Abbildlinse 62 gesammelte Licht, welches durch die transparenten Streifen des
optischen Gitters 64 läuft. Aus im folgenden zu diskutierenden Gründen ist es zweckmäßig, daß der durch die Abbildlinse 62
auf das optische Gitter 64 fokussierte Lichtpunkt sich über das optische Gitter in einer Richtung senkrecht zur Längsorientierung
der undurchsichtigen und transparenten Streifen bewegt oder diese traversiert. Wie in Fig. 5 gezeigt, verläuft der
Pfeil 92 senkrecht zur Längsachse der undurchsichtigen und durchsichtigen Streifen. Andere geometrische Formen und Anordnungen
der undurchsichtigen und transparenten Streifen sind möglich und der Punkt braucht nicht notwendigerweise quer über das optische
Gitter senkrecht zur Anordnung der undurchsichtigen und transparenten Streifen laufen; jedoch wird in einem solchen Fall
die Kompliziertheit des Problems der Verarbeitung des Signals erhöht, welches durch den Fotovervielfacherdetektor erzeugt wird.
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Weil es zweckmäßig ist, den Punkt aus gesammeltem Licht von
der Abbildlinse senkrecht zu den Streifen auf dem optischen Gitter zu bewegen, muß sich der Abtaststrahl quer oder transversal
zu dem Artikel in einer Richtung senkrecht zur Längsachse des optischen Gitters bewegen. Andere Anordnungen sind natürlich
möglich. Beispielsweise könnte ein Spiegel hinter der Abbildlinse angeordnet sein und das optische Gitter könnte derart posi tioniert
sein, daß es das vom Spiegel reflektierte Licht auffängt. Die wesentliche Beziehung zwischen der Bewegungsrichtung des Abtaststrahls
und dem optischen Gitter besteht darin, daß dann, wenn der Abtaststrahl sich quer über den Artikel bewegt, der Punkt
aus gesammeltem Licht von der Abbildlinse sich quer über das optische Gitter bewegt, und zwar senkrecht zu den darauf befindlichen
Streifen.
Die Messung der Höhe des Objekts 30 wird unter Verwendung des Prinzips der Triangulation, wie in Fig. 3 gezeigt, erreicht.
Der Abtaststrahl 35 schneidet, wie gezeigt, die Bezugsoberfläche 53 unter einem Winkel Θ. Der Abtaststrahl bewegt sich mit einer
konstanten Geschwindigkeit V über die Bezugsoberfläche hinweg,
so daß das Zeitintervall At für das Durchlaufen eines bestimmten
Abstandes & durch den Strahl konstant ist. Wenn S den Abstand repräsentiert, um den sich der Abtaststrahl bewegen muß, damit
der Punkt aus gesammeltem Licht auf dem optischen Gitter sich um den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden transparenten
Streifen bewegt, so ist At gleich tT/V das Zeitintervall zwischen
aufeinanderfolgenden Impulsen am Ausgang des Detektors 84. Wenn
eine Kontouroberfläche 95 über der Bezugsoberfläche 53 angeordnet ist, wie dies der Fall wäre, wenn ein Objekt wie beispielsweise
Artikel 30 innerhalb der Spur des Abtaststrahls angeordnet ist, so würde sich die Zeitsteuerung der Impulse ändern. Vor der
Anordnung·der Kontouroberfläche 95 auf der Bezugsoberfläche 53
würde der Abtaststrahl, der an Linie 97 begann, den Abstand S durchschreiten, wenn er an Linie 100 positioniert ist. Nachdem
jedoch die Kontouroberfläche 95 angeordnet ist, durchschreitet der Strahl nicht den beobachteten Abstand 6, bis er sich in der
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durch Linie 102 gezeigten Position befindet. Wenn also die Kontouroberfläche
95 dazwischen, wie gezeigt, angeordnet ist, so wird das Zeitintervall At länger, weil der Strahl über die Kontouroberfläche
95 laufen muß, bis er sich in der durch Linie gezeigten Position befindet, um so den Abstand S zu traversieren.
Somit führt infolge der Geometrie eine Änderung der Höhe der Kontouroberfläche zu einer Änderung des Zeitintervalls zwischen
aufeinanderfolgenden Impulsen am Ausgang des Detektors. Anders ausgedrückt, repräsentieren die Differenzen bei den Zeitintervallen
zwischen Spitzen der Ausgangsgröße des Fotovervielfacherdetektors 84 Änderungen in der Form des Artikels. Dadurch daß
man weiß, wie lange es dauert, bis der Punkt aus gesammeltem Licht zwischen transparenten Streifen des optischen Gitters
traversiert, und durch Kenntnis der Geschwindigkeit der Abtastung, ist es möglich, den Anstieg und den Abfall der Kontour des Artikels
aufzuzeichnen.
Die Höhenänderung Äh zwischen Beobachtungspunkten ist durch
die folgenden Linearbeziehung gegeben: Ah = (VAt-S )tan Θ-Die
Gesamthöhe irgendeines Punktes auf der Kontour bezüglich der Bezugsoberfläche ist die Summe sämtlicher vorheriger Höhen
4h bis zu dem speziellen Punkt: h± = .έ (VAt j ~S) tan Θ. Da
die Oberflächengeschwindigkeit eines ^ Abtaststrahls durch einen Drehspiegel nicht konstant ist, sei hier bemerkt, daß
die berechnete Höhe daher wie folgt kompensiert werden muß
2
V =OCH see cC , wobei H die Höhe des Abtastspiegels oberhalb der Bezugsoberfläche und of die augenblickliche Spiegelwinkelbezugsgröße zur Vertikalen ist, wenn die Bezugsoberfläche horizontal verläuft. Die Achse des reflektierten Lichtstrahls, der durch die Abbildlinse 62 gesammelt und fokussiert ist, ist für die Position des durch Linie 97 gezeigten Abtaststrahls durch Linie 105 repräsentiert, und für die Linien 100 und 102 durch die Linie 107.
V =OCH see cC , wobei H die Höhe des Abtastspiegels oberhalb der Bezugsoberfläche und of die augenblickliche Spiegelwinkelbezugsgröße zur Vertikalen ist, wenn die Bezugsoberfläche horizontal verläuft. Die Achse des reflektierten Lichtstrahls, der durch die Abbildlinse 62 gesammelt und fokussiert ist, ist für die Position des durch Linie 97 gezeigten Abtaststrahls durch Linie 105 repräsentiert, und für die Linien 100 und 102 durch die Linie 107.
Die Fig. 4 zeigt eine geformte oder mit Kontouren versehene
Oberfläche 112 eines Artikels 115 mit sowohl einem dreieckigen
Vorsprung 116 als auch einer ähnlich geformten Vertiefung
118. Wenn der Abtaststrahl die Oberfläche links beginnend (Fig.4) traversiert, so sind die durch die Impulse 121 auf Leitung
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- V-
repräsentierten Detektorspitzen mit gleichem Abstand angeordnet. Wenn der Strahl die sich nach außen streckende Seite 127 des Vorsprungs
116 traversiert, so sind die Impulse 121 mit größerem Abstand
angeordnet. Wenn der Abtaststrahl die sich nach innen erstreckende Kante 130 des Vorsprungs 116 traversiert,so sind die Impulse
121 dichter beieinander. Wenn der Abtaststrahl sich schließlich über den Teil 132 auf der Oberfläche 112 bewegt, der parallel
zum Teil 135 der Oberfläche 112 ist, so sind die Impulse dieser beiden Teile in gleicher Weise mit Abstand angeordnet.
Wenn die Abtastung auf die sich nach innen erstreckende Kante 138
der Vertiefung 118 auftrifft, so werden die Impulse mit dichterem
Abstand angeordnet und wenn der Abtaststrahl die sich nach außen erstreckende Kante 140 der Vertiefung 118 traversiert, so sind
die Impulse weiter voneinander angeordnet. Wenn der Abtaststrahl
den Teil 143 der Oberfläche 142 traversiert, der parallel zum. Teil 135 liegt, so haben die Impulse ähnliche Abstände, verglichen
mit den Abständen der Impulse erzeugt durch die Oberfläche Die Kurve 146 zeigt die Änderungen der Zeitintervalle zwischen
den Impulsen 121 auf Leitung 123. Wenn beispielsweise die Impulse mit größerem Abstand für die sich nach außen erstreckende Kante
des Vorsprungs 116 angeordnet sind, so wird das Zeitintervall At1,
gezeigt durch den Teil 148 der Kurve 146, vergrößert. Entsprechendes
gilt für At2, gezeigt durch Teil 150 der Kurve 146, welcher die sich nach innen erstreckende Kante 130 des Vorsprungs 116
repräsentiert. Die Zeitintervalle können demgemäß als eine genaue elektronische Repräsentation der Oberflächenform interpretiert
oder verarbeitet werden, d.h. der Oberflächenform, wie sie vom
Abtaststrahl angetroffen wird, und zwar geschieht dies durch Analyse
der Differenzen zwischen Zeitintervallen der Impulse 121, die ausgewählte Punkte des Detektorsignals oder der Ausgangsgröße
repräsentieren. Eine erhöhte Genauigkeit wird erhalten, wenn eine große Vielzahl von Zeiterintervallen bestimmt wird bezüglich der
Änderung der Kontour der Oberfläche.
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Der Fachmann erkennt, daß dreidimensionale elektronische Bilder von Artikeln dadurch hergestellt werden können, daß man das obige
Verfahren sowie die obige Vorrichtung verwendet und das Objekt senkrecht zur Bestreichung durch den Abtaststrahl quer zum Objekt
bewegt und wiederholt den Artikel abtastet, während dieser sich senkrecht zur Spur oder Bahn des Abtaststrahls bewegt. Artikel,
■die größer sind als der Abstand zwischen den Punkten 56 und 5 8 (Fig.
1), können dadurch abgetastet werden, daß man einen Teil des Artikels zwischen den Punkten 56 und 58 anordnet und sodann den
Artikel senkreciit zur Spur des Abtaststrahls bewegt, worauf dann
ein Teil des zuvor nicht abgetasteten Artikels angeordnet wird und der Artikel senkrecht zur Spur des Abtaststrahls bewegt wird.
Auf diese Weise kann ein Artikel in Streifen von annähernd der Größe des Abstands zwischen den Punkten 56 und 58 (Fig. 1) unterteilt
werden und wiederholt senkrecht zur Spur des Abtaststrahls bewegt werden. Die Bewegung des Artikels und die Bewegung des
Abtaststrahls bilden gemeinsam eine Rasterabtastung. Jeder Streifen, in den der Artikel unterteilt ist, kann sodann durch die
Spur des Abtaststrahls senkrecht dazu bewegt werden, bis sämtliche Streifen abgetastet sind. Auf diese Weise kann eine vollständige
dreidimensionale Kontour oder Form eines Artikels,der größer ist als die Fläche des Abtaststrahls, zusammengebaut werden. Damit
das dreidimensionale Bild ordnungsgemäß in einer Speichereinheit zusammengebaut wird, muß die Rate oder Geschwindigkeit,
mit der Artikel bezüglich der Spur des Abtaststrahls bewegt wird, bekannt sein.
Wie in Fig. 1 gezeigt, empfängt der Prozessor 42 die Ausgangsgrösse
des Detektors 84 und verwendet die darin enthaltene Information zur Bestimmung des Zeitintervalls zwischen gewissen vorbestimmten
Punkten auf dieser Ausgangsgröße. Diese Punkte könnten die Spitzen
der Ausgangsgröße des Detektors sein oder dort liegen, wo das Zeichen der Wechselstromkomponente zu der Ausgangsgröße das Zeichen
ändert entweder von plus nach minus oder von minus nach plus. Die Ausgangsgröße des Prozessors 42 kann in irgendeiner Speichereinheit
155, wie beispielsweise einem RAM oder in einer Platteneinheit gespeichert werden. Die Speichereinheit könnte dazu dienen,
die Ausgangsgröße des Prozessors zu empfangen, und zwar eine Abtastung zu jeder Zeit bestimmt durch die Ausgangsgröße des Abtast-
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. Al.
spiegeis. Wenn der Artikel 30 bezüglich der Spur des Äbtaststxahls
bewegt wird, so würde ein dreidimensionales Bild konstruiert und innerhalb der Speichereinheit 155 verfügbar sein.
Gleichzeitig mit der Speicherung der Ausgangsgröße des Prozessors 42 oder zu einer späteren Zeit könnte eine CompUtervorrichtung
bestimmte ausgewählte Merkmale der Kontour des Artikels,gespeichert
in einem Speicher 160, auswählen. Fernerkönnte ein dreidimensionales
Bild eines Musterartikels in der Speichereinheit 160 gespeichert sein und mit der Ausgangsgröße des Prozessors
verglichen werden, um festzustellen, ob der abgetastete Artikel oder der Artikel, dessen Bild in der Speichereinheit 155 gespeichert
ist, die gleichen Formen besitzen wie der Musterartikel. Auf diese Weise kann die Vorrichtung einen Artikel inspizieren
und mit einem gespeicherten Musterartikel vergleichen, um festzustellen, ob der abgetastete Artikel und der Musterartikel die
gleichen Kontouren innerhalb vorbestimmter Parameter aufweisen. Eine Ausgangs- oder Anzeigeeinheit 162 kann für die visuelle
Anzeige der Ausgangsgröße des Prozessors 42 vorgesehen sein.
Eine Hauptkonstruktionsbetrachtung ist die Geometrie zwischen dem projizierten Strahl und der Abbildlinse, dem optischen Gitter
und dem Detektorsystem. Der Abtaststrahl muß zu dem Artikel hin projiziert werden, und zwar mit einem Winkel unterschiedlich
vom Winkel, mit dem die Abbildlinse das reflektierte Licht sammelt, um die oben diskutierte Triangulation zu erreichen.
Im allgemeinen muß der Winkel ein Kompromiß sein, der annähernd 45 betragen sollte. Der Winkel, auf den Bezug genommen wurde,
ist der Winkel zwischen dem Mittelwinkel der Abtastung und der
Achse des reflektierten Lichtes, gesammelt durch die Abbildlinse. Der Winkel von 45° ist zweckmäßig, weil kleinere Winkel das Abnehmen der Zeitdifferenz zwischen Impulsen bewirken, was wiederum
die Verarbeitung schwieriger macht, und weil größere Winkel mit sich bringen, daß nur sehr flache Kontouren gemessen werden können.
Wenn somit der Winkel zwischen dem Abtaststrahl und der Achse des reflektierten Lichts,gesammelt durch die Abbildlinse,
abnimmt, so wird das Zeitintervall zwischen diesen gewissen vor-'
bestimmten oben erwähnten Punkten am Ausgang des Detektors schwie-
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riger,mit Genauigkeit zu messen. Wenn der Winkel zwischen dem Abtaststrahl und der Mittelachse des durch die Abbildlinse gesammelten
Lichtes ansteigt, können nur flache Kontouren gemessen werden, weile höhere, dazwischen kommende Merkmale am Artikel
die Kontouren weg von dem dazwischenkommenden Merkmal maskieren oder abdecken· Obwohl die Genauigkeit der Höhenmessungen
mit dem Anstieg des Winkels größer wird, können nur flache Kontouren gemessen werden. Die Höhengenauigkeit ist eine
Tangentialfunktion und wird bei kleinen Winkeln schnell schlechter und ist im Mittelbereich relativ konstant und verbessert
sich für größere Winkel. Es wurde daher festgestellt, daß ein guter Kompromiß darin besteht, den Abtastspiegel derart auszurichten,
daß der Mittelwinkel seine Abtastung (der Winkel halbwegs zwischen den extremen Enden der Abtastung) annähernd 45°
vom Beobachtungswinkel der Abbildlinse beträgt.
Ein Teil des Prozessors 42 istinFig. 6 gezeigt. Die Ausgangsgröße
des Detektors 84 wird von einem Verstärker 166 über Leitung 86 empfangen. Der Ausgang des Verstärkers 166 ist mit Widerständen
169 und 171 verbunden. Der Widerstand 169 ist ebenfalls mit dem Eingang des Verstärkers 166 unter Bildung einer
Rückkopplungsschleife verbunden. Die andere Seite des Widerstands 171 liegt an Kondensatoren 173 und 175. Die andere Seite
des Kondensators 175 liegt an Erde, während die andere Seite des Kondensators 173 mit einem Widerstand 177 und einem
Verstärker 179 verbunden ist. Die andere Seite des Widerstands 177 ist ebenfalls mit Erde verbunden. Die Kondensatoren 173 und
175 und der Widerstand 177 und der Verstärker 179 wirken als
ein .Bandpassfilter mit dem Ergebnis, daß die Ausgangsgröße des Verstärkers 179 an Leitung 182 die Wechselstromkomponente des
Signals auf Leitung 86 mit gedämpften Hochfrequenzkomponenten ist. Eine Leitung 182 verbindet den Ausgang des Verstärkers
mit den negativen Eingängen der Komparatoren 185 und 187. Die positiven Eingänge der Komparatoren 185 und 187 sind mit den
Abnehmerklemmen der Potentiometer 189 bzw. 191 verbunden.
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Das Potentiometer 189 liegt zwischen Widerständen 194 und 195. Die anderen Enden der Widerstände 194 und 195 sind über Klemmen
198 und 200 mit Spannungsquellen verbunden. Die Anordnung der
Schaltung ist derart getroffen, daß es möglich ist, durch Einstellung des Potentiometers 189 einen Wert nahe null Volt zu erhalten.
Beispielsweise könnten die Klemmen 198 und 200 mit +15 V bzw. -15V verbunden sein, wobei die Widerstände 194 und 195 gleiche
Werte besitzen. Die gleiche Anordnung könnte auch in Verbindung mit Potentiometer 191 und dessen zugehörigen Widerständen
203 und 204 getroffen werden.
Die Ausgangsgröße des Komparators 185 ist mit Widerständen 207
und 208 und mit dem vorgesetzten Eingang des D-Flip-Flops 210 verbunden. Die andere Seite des Widerstands 207 liegt am positiven
Eingang des Komparators 185 und die andere Seite des Widerstands 208 ist mit einer positiven 5 V-Gleichspannung an Klemme
213 verbunden. Der Ausgang des Komparators 187 liegt an Widerständen 216 und 219 und am Löscheingang des Flip-Flops 210 über
einen Inverter 220. Das Flip-Flop 210 ist derart aufgebaut, daß dann, wenn dessen Löscheingänge niedrig werden, der Ausgang
zur Leitung 222 hochgeht. Nachdem sein vorgesetzter Eingang, der mit Komparator 185 verbunden ist, niedrig wird, geht die
Ausgangsgröße des Flip-Flops 210 an Leitung 222 niedrig.
Das Potentiometer 189 ist von Hand derart eingestellt, daß die Ausgangsgröße des Komparators 185 dann niedrig ist, wenn die
Eingangsgröße an Leitung 182 gerade unterhalb 0 liegt. Das Potentiometer
191 ist manuell derart eingestellt, daß der Komparator 187 hoch liegt, wenn das Signal auf Leitung 182 gerade unterhalb
Null liegt. Die Schwellenpunkte der Komparatoren 185 und werden nicht auf Null eingestellt, weil dann, wenn sie auf Null
eingestellt wären, ihr Ausgang das Rauschen im System wiedergeben würde und somit unrichtige Anzeigen an das Flip-Flop 210 gegeben
würden. Die Leitung 222 vom Flip-Flop 210 ist mit einem UND-Gatter 225 und mit Latches (Verriegelungsvorrichtung) 22 8-230
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. so-
verbunden. Der Ausgang des UND-Gatters 225 ist mit dem Clock-
oder Takteingang des Flip-Flop 233 verbunden. Die andere Eingangsgröße zum UND-Gatter 225 kommt von einem Ausgang des
Flip-Flops 235. Die Flip-Flops 210 und 233 und 235 sind D-Flip-Flops. Vor dem Betrieb des Prozessors sind die Flip-Flops 233
und 235 mit ihren Ausgangsgrößen an Leitungen 238 bzw. 239 hoch
gesetzt. Die Ausgangsgrößen der Flip-Flops 233 und 235 an die Leitungen 242 bzw. 243 sind niedrig gesetzt. Die Leitung 238 ist
mit dem D-Eingang des Flip-Flops 233 verbunden. Die Leitung ist nicht nur mit dem UND-Gatter 2 25, sondern auch mit dem UND-Gatter
246 verbunden. Die andere Eingangsgröße zum UND-Gatter 246 kommt vom Flip-Flop 233 über Leitung 242. Der Ausgang des
UND-Gatters 246 liegt am D-Eingang des Flip-Flops 235.
Der Ausgang des Flip-Flops 235 ist über Leitung 243 mit den Lösch- oder Cleareingängen von Zählern 250 bis 253 verbunden.
Der Takteingang des Flip-Flops 235 ist mit einem entsprechend schnellen Taktimpuls durch Leitung 255 verbunden, was auch
für den Enable-Eingang des Zählers 250 über Leitung 257 gilt. Der Taktimpuls auf Leitungen 255 und 257 sollte eine höhere
Frequenz besitzen als die Ausgangsgröße des Fotovervielfacherdetektors 84 auf Leitung 86. Der Überlaufausgang des Zählers
250 ist mit dem Enable-Eingang des Zählers 251 verbunden. Die Überlauf- und Enable-Eingänge der Zähler 251-253 sind in ähnli·*·
eher Weise verbunden. Die Ausgänge der Zähler 250 bis 253 sind
mit den Eingängen der Latches 228 bis 230 verbunden* Sechs Eingänge
der Schieberegister 228 sind mit den vier Ausgängen des Zählers 250 und mit den zwei niedrigstwertigsten Bits des Zählers
251 verbunden. Die zwei höchstwertigsten Bits des Zählers
251 sind mit dem Schieberegister 229 verbunden, und die vier Ausgänge des Zählers 252 sind ebenfalls mit dem Schieberegister
229 verbunden. Die Ausgänge des Zählers 253 sind mit den Eingängen des Schieberegisters230 verbunden.
Wenn die Eingangsgröße zum Komparator 187 etwas oberhalb Null
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liegt, so ändert sich die Ausgangsgröße des !Comparators von
O auf + 5V, was den Inverter 220 veranlaßt, seine Ausgangsgröße
von hoch auf niedrig zu ändern. Die Ausgangsgröße des
Flip-Flops 210 an Leitung 222 geht hoch, was das UND-Gatter 225 veranlaßt, hoch zu gehen. Weil der Takteingang des Flip-Flops
232 von niedrig auf hoch geht und das Signal am D-Eingang des Flip-Flops 232 hoch liegt, geht die Ausgangsgröße
zur Leitung 242 hoch und die Ausgangsgröße zur Leitung 238 geht tief. Beide Eingänge zum UND-Gatter 246 slud nunmehr
hoch und der Ausgang des UND-Gatters 246 geht hoch. Während des nächsten Niedrig-zu-Hoch-Übergangs des Taktimpulses auf
Leitung 225 geht die Ausgangsgröße des Flip-Flops 235 zur Leitung 243 hoch. Ebenfalls geht die Ausgangsgröße des Flip-Flops
235 zur Leitung 239 tief. Weil einer der Eingänge zum UND-Gatter 246 tief liegt, geht die Ausgangsgröße des UND-Gatters
246 tief und während des nächsten Niedrig-zu-Hoch-Obergangs
schaltet das Taktimpuls-Flip-Flop 235 seine Ausgänge um und der Ausgang zur Leitung 239 wird hoch und der zur
Leitung243 wird niedrig. Während die Leitung 243 hoch liegt*
werden die Zähler 25o bis 253 auf Null rückgestellt. Die
Taktimpulse auf Leitung 257 werden dann von Null gezählt.
Wenn die Ausgangsgröße des Flip-Flops 235 an Leitung 243
hochgeht und dessen Ausgangsgröße an Leitung 239 tiefgeht, so geht das UND-Gatter 246 tief. Während des nächsten Niedrigzu-Hoch-iibergangs
des Taktimpulses geht die Ausgangsgröße des Flip-Flop 235 zur Leitung 239 hoch. Die hohe Ausgangsgröße
der Leitung 239 und das hohe Signal auf Leitung 222 veranlassen das UND-Gatter 225 hochzugehen und daher geht die Ausgangsgröße
des Flip-Flops 233 an Leitung 238 hoch und dessen Ausgangsgröße
an Leitung 242 geht tief. Nachdem das Signal auf Leitung 182 seine positive Spitze erreicht hat und wiederum
etwas oberhalb Null liegt, geht die Ausgangsgröße des !Comparators; 187 wiederum auf Null, was den Ausgang des Inverters
veranlaßt, hochzugehen, wobei aber die Ausgangsgröße des Flip-Flops an Leitung.222 hoch verbleibt. Wenn das Signal auf Lei-
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tung 182 etwas unterhalb Null geht, so geht der Komparator
185 tief und die Ausgangsgröße des Flip-Flops 210 an Leitung 222 geht tief. Nachdem die Ausgangsgröße auf Leitung 222 tiefgeht,
geht die Ausgangsgröße des UND-Gatters 225 tief und das logische Netzwerk ist wiederum bereit, den Niedrigimpuls von
.Inverter 220 zu empfangen. Nachdem das Signal auf Leitung 182
wiederum ins Positive geht und etwas oberhalb Null liegt, geht der Ausgang des !Comparators 187 wiederum hoch und der Ausgang
des Inverters 220 geht wiederum niedrig. Die Ausgangsgröße des Flip-Flops 210 an Leitung 222 geht hoch. Der im Zähler 250
bis 253 vorhandene Zählerstand ist in Latches 228 bis 230 geladen, wenn die Ausgangsgröße des Flip-Flops 210 an Leitung
222 hochgeht. Der Ausgang des UND-Gatters 225 geht hoch und veranlaßt das Flip-Flop 233, seine Ausgangsgröße, wie oben
diskutiert, umzuschalten.
Der an den Ausgängen der Schieberegister 228 bis 230 verfügbare Zählerstand repräsentiert das Zeitintervall zwischen
Punkten auf dem Signal auf Leitung 182, was wiederum direkt in Beziehung steht mit dem Signal auf Leitung 86 vom Detektor
84. Der Fachmann erkennt, daß es zweckmäßig ist, den Taktimpuls auf Leitung 257 mit einer in signifikanter Weise höheren
Frequenz zu haben als die Frequenz des Signals auf Leitung 86 und 182, so daß Änderungen im Zeitintervall genau festgestellt
werden können durch Überprüfung der Zählerstände, die durch die Schieberegister 22 8 bis 230 verschoben werden.
Somit sieht der Ausgang zum Rest des Prozessors der Schieberegister
228 bis 230 Information betreffend das Zeitintervall zwischen ausgewählten Punkten am Signal vom Detektor 84 vor.
Dies gestattet die genaue Messung der Kontour eines Artikels (wie oben diskutiert). Es sei bemerkt, daß das Zeitintervall
in der Weise gemessen wird, daß es nicht in signifikanter Weise von der Größe der Ausgangsgröße des Detektors abhängt.
Im Betrieb wird beim Meßsystem der Fig. 1 ein Laserstrahl auf einen Abtastspiegel gelenkt. Ein Teleskop ist zwischen der kohärenten
Lichtquelle und dem Abtastspiegel angeordnet, um den
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Laserstrahl auf einen Artikel zu fokussieren. Der Abtastspiegel 27 - vgl; Fig.1- wandelt den fokussierten Strahl 32 in einen
Abtaststrahl 35 um,der über den Artikel spurmäßig läuft oder den Artikel traversiert. Vom Artikel reflektiertes Licht wird
durch eine Abbildlinse gesammelt und auf ein optisches Gitter 64 fokussiert. Ein Detektor hinter dem optischen Gitter empfängt
das durch die transparenten Streifen oder Striche des optischen Gitters laufende Licht. Die Ausgangsgröße des Detektors ändert
sich entsprechend den Änderungen der durch die transparenten Streifen oder Striche des optischen Gitters laufenden Lichtmenge.
Ein Prozessor 42 wandelt die Ausgangsgröße des Detektors 84 in eine digitale Ausgangsgröße um, die sich direkt mit den
Zeitintervallvariationen zwischen ausgewählten Punkten der Ausgangsgröße des Detektors ändert. Wenn sich der Abtaststrahl
eine Kontour hinaufbewegt, so steigen die Zeitintervalle an. Wenn sich der Abtaststrahl eine Kontour hinabbewegt, so nehmen
die Zeitintervalle ab. Es ist somit möglich, genau die Kontour eines Artikels durch Untersuchung der Zeitintervalle zu bestimmen.
Für bestimmte Anwendungsfälle ist es zweckmäßig,eine
Aufzeichnung der Höhenänderungen beizubehalten, so daß die Höhe eines bestimmten Punktes an einer Abtastung bestimmt werden
kann ebenso wie die Neigung der Kontour an irgendeinem Punkt, die die Differenzen im Zeitintervall direkt ergeben.
Das hier beschriebene System hat sich als für einen einzigen Punkt innerhalb 0,002 Zoll als gerilü herausgestellt. Kontouroder
Formänderung in der Größenordnung von 0,001 Zoll/0,025 Zoll
über eine Anzahl von Punkten können genau gemessen werden.
Beim erfindungsgemäßen System tastet ein Laserstrahl einen
Artikel mit bekannter Rate oder Geschwindigkeit ab. Das vom Artikel reflektierte Licht wird durch mindestens eine Abbildlinse
gesammelt und fokussiert. Für bestimmte Anwendungsfälle können, wenn gewünscht, mehr als eine Abbildlinse und optische
Gitter verwendet werden. In einem derartigen Anwendungsfall könnte eine Vielzahl von Abbildlinsen und optischen Gittern
zusammen mit den Ausgangsgrößen der Detektoren verwendet werden, die mit jedem optischen Gitter in Beziehung stehen, wobei
die Ausgangsgrößen dieser Detektoren innerhalb des Prozessors miteinander vereinigt oder verglichen werden.
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Durch die beschriebene bauliche Anordnung ergibt sich ein Kontourmeßsystem,
dessen Genauigkeit relativ unberührt bleibt durch die Reflektivität des Objektes. Das durch die Abbildlinse
gesammelte reflektierte Licht wird dadurch auf ein optisches Gitter mit abwechselnd transparenten und undurchsichtigen Streifen
oder Strichen fokussiert. Wenn sich das Licht über das optische Gitter von einem transparenten Strich auf einen undurchsichtigen
Strich bewegt, usw., so ändert sich die Ausgangsgröße des Detektors, der sich hinter dem optischen Gitter befindet.
Das Zeitintervall zwischen ausgewählten Punkten an der Ausgangsgröße des Detektors wird genau durch einen elektronischen
Zähler bestimmt. Der elektronische Zähler spricht auf bestimmte Punkte an der Ausgangsgröße des Detektors, wie beispielsweise
die positive Spitze, den übergang des Wechselstromteils der Ausgangsgröße vom Negativen ins Positive, usw. an.
Abwandlungen der Erfindung sind möglich.
Zusammenfassend sieht die Erfindung ein Lasermeßsystem für
die industrielle Inspektion vor, wobei ein Laser einen schmalen Strahl kohärenten Lichts erzeugt, der durch ein Teleskop
auf einen Artikel fokussiert wird. Der fokussierte Lichtstrahl vom Teleskop wird durch eine Abtastvorrichtung über den Artikel
mit einer bekannten Rate getastet. Das vom Artikel reflektierte Licht wird durch eine Abbildlinse versetzt gegenüber
den Abtastmittoln auf ein optisches Gitter getastet, welches abwechselnd mit durchsichtigen und nicht durchsichtigen Streifen
ausgestattet ist. Das gesammelte Licht, welches durch die transparenten Streifen des optischen Gitters gelangt, wird durch
einen Fotovervielfacherdetektor abgefühlt. Ein Prozessor empfängt die Ausgangsgröße des Fotovervielfacherdetektors und bestimmt
das Zeitintervall zwischen ausgewählten Punkten des Ausgangssignals des Fotovervielfacherdetektors. Wenn sich der Abtaststrahl
über den Artikel bewegt, so wird bewirkt, daß der Laserpunkt, der durch den Fotovervielfacher beobachtet wird, die Oberfläche
schneller oder langsamer traversiert, und zwar abhängig davon, ob die Abtastung über einen Teil der Artikeloberfläche
hinauf bzw. hinab erfolgt. Das reflektierte Licht traversiert
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somit das optische Gitter mit einer langsameren oder schnelleren Rate und daher steigt das durch den Prozessor zwischen
den ausgewählten Punkten an der Ausgangsgröße des Detektors gemessene Zeitintervall an, wenn sich der Abtaststrahl die
Oberfläche hinaufbewegt, während es abnimmt, wenn sich die Abtastung die Oberfläche hinabbewegt. Der Prozessor sieht eine
direkt mit der Kontour des Artikels in Beziehung stehende Ausgangsgröße
vor, die gespeichert und verglichen werden kann mit der Kontour eines MusterartikeIs oder Prototyps. Die Abtastmittel
sehen auch eine Ausgangsgröße für den Prozessor vor, um die Ausgangsgröße dcd Detektors mit der Bewegung des
abtastenden Strahls über den Artikel hinweg zu synchronisieren, so daß die Ausgangsgröße des Detektors für eine bestimmte
Stelle auf dem Artikel damit synchronisiert werden kann. Das optische Gitter ist derart angeordnet und die Abtastmittel
kollimieren oder sammeln den Abtaststrahl in der Weise, daß das reflektierte Licht nach Durchgang durch die Bildlinse
über das optische Gitter geleitet wird, und zwar im wesentlichen senkrecht zu den opaken und transparenten Strichen darauf.
Der Artikel kann auch langsam bezüglich der Abtastrate, erzeugt
durch die Abtastmittel, bewegt werden, um die Kontour auf der gesamten Oberfläche des Artikels zu messen.
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Le e r s eι
Claims (18)
- 2933069Patentansprüche■' 1 _.j Lasersystem zur Messung der Oberflächenkontouren eines Artikels mit einer einen schmalen Lichtstrahl erzeugenden Lichtquelle, gekennzeichnet durch Abtastmittel (27), um den Strahl zu leiten, um einen sich über den Artikel (30) bewegenden Abtaststrahl zu erzeugen, eine Linse (62) zum Licht des vom Artikel (30) reflektierten Abtaststrahls zu sammeln und das gesammelte Licht auf ein optisches Gitter (64) zu fokussieren, welches abwechselnd durchsichtige und undurchsichtige Streifen besitzt, und einen Lichtfühler (84) zum Empfang gesammelten durch die transparenten Streifen des optischen Gitters gelaufenen Lichts und zur Erzeugung einer Ausgangsgröße, die sich dementsprechend ändert.
- 2. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtfühler ein Fotovervielfacherdetektor (84) ist.
- 3. Lasersystem nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine kohärente Lichtquelle (20) mit einer kontinuierlichen Ausgangsgröße ist.
- 4. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastmittel den Abtaststrahl über den Artikel leiten, um das von der Abbildlinse (62) gesammelte Licht über das optische Gitter im wesentlichen senkrecht zu dessen Strichen zu leiten.
- 5. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transparenten und opaken Streifen bzw. Striche eine gewisse Breite besitzen.8098BS/0970
ORIGINAL INSPECTEO- 25 - - 6. Lasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transparenten Striche eine im wesentlichen identische Breite besitzen und daß die opaken Striche eine im wesentlichen identische Breite besitzen.
- 7. Lasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Artikel auf der Bezugsoberfläche (53) angeordnet ist, und daß sich der Abtaststrahl durch einen Bogen mit einem mittig durch den Bogen verlaufenden Mittelwinkel bewegt, daß der Mittelwinkel unter annähernd 45° bezüglich der Bezugsoberfläche verläuft, und daß die Abbildlinse derart angeordnet ist, daß sie reflektiertes Licht von dem Abtaststrahl über den ganzen Bogen hinweg aufnimmt.
- 8. Lasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildlinse Licht um eine Mittelachse sammelt, die unter annähernd 45 bezüglich des Mittelwinkels verläuft.
- 9. Lasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Prozessor (42), der die Ausgangsgröße des Lichtfühlers empfängt und Information betreffend die Kontouren des Artikels erzeugt.
- 10. Lasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Speichermittel zur Speicherung der die Kontouren des Artikels betreffenden Information, und mit Mitteln zum Vergleich der in den Speichermitteln gespeicherten Artikelkontouren mit den Kontouren eines Musterartikels, der ein Prototyp des Artikels ist.
- 11. Lasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor einen Zähler aufweist, um die Taktimpulse zu809888/0976zählen/ und mit Mitteln zum Empfang der Ausgangsgröße des Lichtfühlers zur Lokalisierung gewisser vorbestimmter Punkte darinnen und verbunden mit dem Zähler zur Rücksetzung des Zählers auf Null.
- 12. Lasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor Mittel in Verbindung mit dem Zähler aufweist, um die Anzahl der Zählerstände zwischen vorbestimmten Punkten zu benutzen, um die Kontouren des Artikels zu bestimmen.
- 13. Lasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastmittel einen schwenkbar gelagerten Spiegel (27) aufweisen, der derart angeordnet ist, daß er den erwähnten Strahl auffängt, und wobei Servomittel (40) den Spiegel mit einer bekannten Rate verschwenken, um den Abtaststrahl über den Artikel zu leiten.
- 14. Lasersystem naeh einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Prozessor in Verbindung mit den Servomitteln zum Erhalt von Positionsinformation und zum Empfang der Ausgangsgröße des Lichtfühlers zur Erzeugung von Information hinsichtlich der Artikelkontouren.
- 15. Lasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein Teleskop, angeordnet zwischen der Lichtquelle und dem Spiegel, um den Strahl auf den Artikel zu fokussieren.
- 16. Verfahren zur Bestimmung der Kontouren eines Artikels unter Verwendung des Systems des Anspruchs 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Abtasten des Artikels mit einer bekannten Rate mit einem schmalen Lichtstrahl; Sammlung des von dem Artikel reflektierten Lichts und Fokussierung des reflektier-809886/0976ten Lichts auf ein optisches Gitter mit abwechselnd transparenten und undurchsichtigen Strichen und Detektieren des reflektierten, durch die transparenten Striche laufenden Lichts in einem Lichtfühler.
- 17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Speicherung der Zeitintervalle bestimmt zwischen ausgewählten Punkten in der Ausgangsgröße des Lichtfühlers; Vergleich der bestimmten Zeitintervalle mit gespeicherten Zeitintervallen, welche die Kontouren eines Prototyps repräsentieren, und Bestimmung, ob die Kontouren des Artikels innerhalb bestimmter Abmessungen der Kontouren des Prototyps liegen.
- 18. Verfahren nach Anspruch 16 und/oder 17, gekennzeichnet durch den Schritt des langsamen Bewegens des Artikels während dessen Abtastung.809886/0976
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