DE2945251C2

DE2945251C2 -

Info

Publication number: DE2945251C2
Application number: DE19792945251
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. 4000 Duesseldorf De Bohlaender; Heinz-Peter Ing.(Grad.) 4600 Dortmund De Hippler
Original assignee: Betriebsforschungsinstitut Vdeh - Institut fur Angewandte Forschung 4000 Duesseldorf De GmbH
Current assignee: Betriebsforschungsinstitut Vdeh - Institut fur Angewandte Forschung 4000 Duesseldorf De GmbH
Priority date: 1979-11-09
Filing date: 1979-11-09
Publication date: 1991-05-29
Also published as: DE2945251A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage des Auftreffpunktes eines Lichtstrahls auf einer Oberfläche gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher bezeichneten Art.

Eine derartige Vorrichtung wird in der DE-AS 11 35 182 beschrieben. Dabei finden für die Durchführung einer Messung mehrere auf die geometrische Anordnung einwirkende Maßnahmen statt. Eine Verschiebung des erzeugten Markenbildes zum Ort eines Eichbildes wird durch Verschiebung des gesamten Gerätes in der Höhe bewirkt. Statt dessen kann man auch die Objektive oder entsprechende Teile derselben für die Abbildung und die Meßeinrichtung verschieben, wobei es sich um die klassische Art von Scharfstellungen handelt. Auch können optische Elemente im Strahlengang der Abbildung und Meßeinrichtung verschwenkt werden. Schließlich lassen sich noch die fotoelektrischen Empfänger in der Bildebene der Meßeinrichtung verschieben und die Meßeinrichtung parallel zu sich selbst seitlich verstellen.

Ferner ist für einstellungsscharfe Abbildungen in der Fotografie nach Karl Mütze: ABC der Optik, Verlag Werner Dausien, Hanau/Main, 1961, Seiten 235 bis 136, bekannt, daß man eine Entzerrung erreichen kann, wenn sich nach der sogenannten Scheimpflug-Bedingung Bildebene, Objektivmittelebene und Tiefenebene beim Vergrößern in einer Geraden scheiden. Diese Bedingung hat indes keinen Eingang in die Technik der berührungsfreien Abstandsmessung gefunden.

Vom einleitend beschriebenen Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabenstellung zu Grunde, die Einwirkung von Unschärfen bei der Betrachtung des für die Messung ausgewählten Punktes herabzusetzen, ohne dabei im Ausmaß des bekannten Standes der Technik auf die Beweglichkeit von Teilen der Vorrichtung angewiesen zu sein. Diese Unabhängigkeit soll insbesondere im gesamten Verlagerungsbereich der Oberfläche bestehen.

Die Erfindung löst diese Aufgabenstellung durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Somit läßt sich die Erfindung in zwei Weisen ausführen, nämlich einerseits durch Verwendung einer Differentialdiode und andererseits durch Verwendung einer Diodenzeilenkamera. Bei der erstgenannten Wahl kommt man zum Meßergebnis, indem die Beziehung zwischen dem Einstrahlwinkel des Lasers und der Lage der Differentialdiode auf ihrer Geraden veränderlich gewählt wird, so daß die beiden Teile relative Positionen zueinander einnehmen können. Für die vorgeschlagene Orientierung des Laserstrahls in bezug auf die Oberfläche bedarf demnach die Differentialdiode einer Lageveränderung, wobei der konstruktive Aufwand zur Ausführung derartiger Verschiebungen jedoch sehr gering ist. Im Fall der zweiten Ausführungsform der Erfindung entfällt jegliche mechanische Bewegung zwischen den verschiedenen Teilen der Gesamtanordnung, indem die Diodenzeile mittels einer bekannten Scannerschaltung abgetastet wird. Die Geraden, entlang welcher die Differentialdiode verschiebbar bzw. die Diodenzeilenkamera ausgerichtet ist, entspricht der weiter oben beschriebenen Scheimpflugschen Geraden.

Da es im übrigen bei der Erfindung nicht darauf ankommt, ein Bild der Oberfläche scharf abzubilden, sondern lediglich die Lage eines Punktes auf der Oberfläche zu bestimmen ist, ist es auch gleichgültig, in welcher Weise die Oberfläche zur Meßeinrichtung orientiert ist. Der Meßpunkt entspricht der Auftreffstelle des Laserstrahls auf der Oberfläche und bleibt bei Veränderung der Abstandslage entlang seines Weges auf der Scheimpflugschen Geraden, die somit das scharfe Abbild der Laserstrahlachse ist.

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Optik und der Abstand von der Oberfläche auch mit der Maßgabe gewählt sind, daß die Abbildungsunschärfe des bestrahlten Punktes im gesamten Verlagerungsbereich der Oberfläche nicht größer als die Auflösung der fotoelektrischen Wandlereinrichtung ist. Auf diese Weise werden in besonders zuverlässiger Weise Auswirkungen von Unschärfen auf das Meßergebnis vermieden, die sich unter ungünstigen Voraussetzungen ergeben könnten. Im allgemeinen ist dies indes ausgeschlossen, so daß sich die Erfindung mit sehr gutem Ergebnis für problematische Abstandsmessungen eignet, wie z. B. zur Ermittlung des Oberflächenspiegels flüssiger Metalle in einer Gießpfanne. Vor allem beim Stranggießen von Stahl ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit gutem Erfolg einzusetzen, da nicht nur das blanke Metall gemessen werden kann, sondern auch eine Oberfläche der Messung zugänglich wird, die von aufgebrachtem Gießpulver ausgeht.

Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung wird auf die sich auf ein Ausführungsbeispiel beziehende Zeichnung Bezug genommen.

Die Oberfläche 1, deren Lage zu ermitteln ist, kann unterschiedliche Abstände auf der optischen Achse 2 der Optik 3 besitzen. Drei dieser Lagen der Oberfläche 1 sind zeichnerisch dargestellt. Man erkennt den schematisch dargestellten Laser 4, der im Ausführungsbeispiel mit der optischen Achse 2 den Winkel alpha bildet. In der mittleren Lage trifft der Strahl 5 des Lasers 4 am Punkt 6 auf die Oberfläche, welcher Punkt in diesem Fall mit dem Schnittpunkt mit der optischen Achse 2 zusammenfällt. Dies führt zur Abbildung des Punktes 6 auf dem fotoelektrischen Empfänger 7 im Schnittpunkt desselben mit der optischen Achse 2. Bei Ausbildung des fotoelektrischen Empfängers 7 als Diodenzeilenkamera würde also die an dieser Stelle liegende Fotodiode belichtet, wobei für die Bandbreite des auffallenden Lichtes das Interferenzfilter 8 vor der Optik 3 maßgeblich ist. Eine Abtast- und Auswerteschaltung 9 führt zur Ermittlung der jeweiligen Lage des Bildes auf dem fotoelektrischen Empfänger 7, so daß man hiermit eine Aussage über die Lage der Oberfläche 1 bei einer Verschiebung des Auftreffpunktes 10 um den Abstand d gegenüber der optischen Achse 2 erhält. Dieser Verschiebung entspricht eine Verschiebung der belichteten Diode um den Abstand c.

Um hieraus auf die Lage der Oberfläche 1 zu schließen, wird von einer konstant bleibenden Bildweite a und einer bekannten Gegenstandsweite g₀ ausgegangen. Für die gemessene Gegenstandsweite g sind noch die Abschnitte d und b zu beachten, die jeweils die Abstände zwischen den Schnittpunkten der optischen Achse 2 mit den beiden Lagen der Oberfläche 1 einerseits und den Schnittpunkten des Bildstrahls mit den beiden Lagen der Oberfläche 1 andererseits darstellen. Hieraus ergibt sich für die Auswertung des Abstandes c die folgende Beziehung:

Das in dieser Weise auf eine vorgegebene Ausgangsentfernung bezogene Maß des Abstandes läßt sich rechnerisch in der Auswerteelektronik bilden. Wenn man statt mit einer Diodenzeilenkamera nur mit einer Differentialdiode 13 arbeitet, kann man die Fotodiode auf das jeweilige Maß c′ verschieben und letzteres als veränderbar berücksichtigen.

Zur Erhöhung der Abbildungsschärfe ist vorgesehen, daß die Differentialdiode 13 nicht nur senkrecht zur optischen Achse 2 der Optik 3 verschoben wird, sondern entlang einer Geraden 14, deren Verlängerung den Schnittpunkt 11 des Strahls 5 des Lasers 4 mit der Hauptebene 12 der Optik 3 schneidet. Damit folgt die Bahn der Differentialdiode 13 der Scheimpflugschen Regel und ermöglicht stets eine maximale Abbildungsschärfe.

Die Gerade 14 wird auch für die Ausrichtung der Diodenzeilenkamera 7 verwendet und ermöglicht dann auch für diese die maximale Abbildungsschärfe.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Lage des Auftreffpunktes eines Lichtstrahls auf einer Oberfläche mit gegenüber einer Beleuchtungseinrichtung und einer Optik veränderlichem Abstand, wobei die Beleuchtungseinrichtung und die Optik fest zueinander angeordnet sind, die Beleuchtungseinrichtung ein schräg unter einem konstanten Winkel zur Oberfläche ausgerichtetes Lichtbündel abgibt, das einen Abtastlichtfleck auf der Oberfläche hervorruft, die Optik von dem Abtastlichtfleck auf einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung eine Abbildung erzeugt, deren Lage gegenüber der Optik durch die veränderliche Lage des Auftreffpunktes des Lichtstrahls auf die Oberfläche bestimmt ist und wobei die fotoelektrische Wandlereinrichtung entweder aus einem gegenüber der Optik und deren Abbildungsebene entlang einer Geraden verschiebbaren Differenzelement oder als stationär gegenüber der Optik und deren Abbildungsebene entlang der Geraden angeordneten Fotoelementen besteht, dadurch gekennzeichnet,
daß in Verbindung mit einem Laser (4) als Beleuchtungseinrichtung die optische Achse der Optik (3) senkrecht zur Oberfläche orientiert ist,
daß das Differenzelement als Differentialdiode bzw. die stationären Fotoelemente als Diodenzeile einer Diodenzeilenkamera ausgebildet ist bzw. sind und
daß die Gerade (14) durch den Schnittpunkt des vom Laser (4) ausgehenden, strahlenförmigen Lichtbündels mit der Hauptebene (12) der Optik (3) läuft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (3) und ihr Abstand von der Oberfläche (1) derart gewählt sind, daß die Abbildungsunschärfe des bestrahlten Punktes im gesamten Verlagerungsbereich der Oberfläche (1) nicht größer als die Auflösung der fotoelektrischen Wandlereinrichtung (7) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenzeilenkamera eine Abtastschaltung aufweist und daß der Diodenzeilenkamera ein auf die Laserwellenlänge abgestimmtes Interferenzfilter (8) optisch vorgeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Interferenzfilter (8) dicht vor der Optik (3) in Richtung auf die Oberfläche (1) befindet.