DE3219388C2 - Optisch-elektrische Meßeinrichtung zum Messen der Lage und/oder der Abmessung von Gegenständen - Google Patents

Abstract

Bei einer optisch-elektrischen Meßeinrichtung, bei der ein Meßwert entsprechend einer Abmessung eines Prüflings aus der Dauer der Abschattung eines mit vorbestimmter Geschwindigkeit in einer Parallel-Verschiebungsbewegung durch ein Meßfeld geführten Abtaststrahles abgeleitet wird, kann mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand eine Vergrößerung des Meßfeldes dadurch erreicht werden, daß als Kollimationsmittel zur Erzeugung der zueinander parallelen Abtaststrahlen mindestens zwei in Abtastrichtung mit ihren Zentren beabstandete Kollimatoren vorgesehen sind, welche so ausgerichtet sind, daß ein mit seinen Abtaststrahlen die Kollimatoren nacheinander überstreichender Drehspiegel im wesentlichen in ihrem jeweiligen Fokus gelegen ist und die parallel gerichteten Abtaststrahlen der Kollimatoren sämtlich zueinander parallel sind und daß auf der vom Drehspiegel abliegenden Seite des den zu messenden Gegenstand enthaltenden Meßfeldes die Abtaststrahlen sämtlicher Kollimatoren von Fokussierungsmitteln auf einen Detektor hin lenkbar sind.

Description

tür oder eine Mehrzahl vollständiger Meßsysteme erforderlich sind, deren Ausgangssignale ausgewertet werden müssen.

Bei einer Meßeinrichtung der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens zwei in Abtastrichtung mit ihren Zentren beabstandete Kollimatoren vorgesehen sind, welche so ausgerichtet sind, daß der mit seinen Abtaststrahlen die Kollimatoren nacheinander überstreichende Drehspiegel in ihrem jeweiligen Fokus gelegen ist und die parallel gerichteten Abtaststrahlen der Kollimatoren sämtlich zueinander parallel sind und daß auf der vom Drehspiegel abliegenden Seite des den zu messenden Gegenstand enthaltenden Meßfeldes die Abtaststrahlen von der Fokussierungsoptik auf einen einzigen Detektor hin lenkbar sind.

Aus der nachveröffentlichten deutschen Offenlegungsschrift 31 25 189 ist eine Einrichtung entnehmbar, bei der ein scbarfgebündelter Lichtstrahl mittels einer Anordnung von Drehspiegeln in einer Abtastebene verschwenkt und die Schwenkbewegung der von den Drehspiegeln reflektierten Lichtstrahlen von einer Anzahl von Kollimatoren innerhalb eines Untersuchungsfeldes in eine Parallel- Verschiebungsbewegung umgeformt und die Lichtstrahlen jenseits des Untersuchungsfeldes von einer Fokussierungsoptik auf einen Lichtleiter hingelenkt werden, der zu einem optischen Detektor führt, wobei sich der Lichtleiter in Richtung der Parallel-Vcrschiebungsbewegung der Abtastlichtstrahlen über die gesamte Ausdehnung des Untersuchungsfeldes erstreckt. Diese bekannte Einrichtung dient zum Suchen von Fehlern in breiten Materialbahnen und ist zur Messung der Lage und/oder der Abmessung von Gegenständen nicht geeignet.

Die Kollimatoren, welche als Sendeoptik bezeichnet werden können und die Fokussierungsoptik, welche als Empfangsoptik bezeichnet werden kann, sind also bei der hier vorgeschlagenen Meßeinrichtung aus einer Mehrzahl kleiner Einzeloptiken zusammengesetzt, so daß sich ein großes Meßfeld in wirtschaftlicher Weise ergibt, während der Drehspiegel und der Detektor für die Optiken gemeinsam vorgesehen sind. Hierdurch ergibt sich eine wesentliche Einsparung an Bauteilen und damit eine Verbilligung der gesamten Meßeinrichtung.

Vorzugsweise enthält auch die Fokussierungsoptik einzelne, in Abtastrichtung mit ihren Zentren beabstandete Fokussierjngsabschnitte. so daß eine der Anordnung der Kollimatoren entsprechende Anordnung von Fokussierungsabschnitten vorliegt.

Sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Kollimatoren und gegebenenfalls die Fokussierungsabschnitte in Richtung senkrecht zur Abtastnchtung und senkrecht zur Abtaststrahlrichtung nebeneinander angeordnet, so können sich die Kollimatoren und gegebenenfalls die Fokussierungsabschnitte in Abtastrichtung überlappen, derart, daß eine kontinuierliche Abtastung über das gesamte große Meßfeld hinweg möglich ist, ohne daß bestimmte Bereiche im Meßfeld vorliegen, welche nicht abgetastet werden.

Die Kollimatoren können außer der Parallelrichtung der Abtaststrahlen eine derartige Ablenkung der Abtaststrahlen vornehmen, daß sich die von den Abtaststrahlen der einzelnen Kollimatoren aufgespannten Ebenen in einer Geraden schneiden, die durch den zu untersuchenden oder zu vermessenden Gegenstand geht, so daß trotz des zuvor erwähnten Versatzes der einzelnen Kollimatoren in Richtung senkrecht zur Abtastrichtung und senkrecht zur Abtaststrahlrichtung Durchmesser oder Schattenmaße des betreffenden Gegenstandes ermittelt werden, welche im wesentlichen in derselben Querschnittsebene des Gegenstandes gelegen sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind im übrigen Gegenstand der anliegenden Ansprüche, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen. Nachfolgend werden

ίο einige Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen stellen dar

F i g. 1 eine schematische Abbildung einer optischelektrischen Meßeinrichtung bekannter Art,

Fig.2 eine Ausführungsform einer optisch-elektrischen Meßeinrichtung, wobei nur der senderseitige Teil wiedergegeben ist

F i g. 3 eine schematische perspektivische Ansicht einer der Ausführungsform nach F i g. 2 ähnlichen Meßeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Kollimationsmittel und

F i g. 4 eine schematische Aufsicht auf ein Meßfeld, einem darin befindlichen Prüfling sowie den Kollirnations- und Fokussierungsmitteln.

Einer Beschreibung von Meßeinrichtungen der hier vorgeschlagenen Art sei eine kurze Betrachtung über bekannte Meßeinrichtungen vorausgeschickt, welche, wie aus F i g. 1 erkennbar, zwei in einem festen Abstand D voneinander angeordnete, gleichzeitig arbeitende Meßsysteme A und Saufweist. Jedes der Meßsysteme A und B enthält in einem in F i g. 1 jeweils linksiiegend gezeichneten Sendeabschnitt eine Quelle für einen scharfgebündelten Lichtstrahl, einen Drehspiegel zur Erzeugung einer Schwenkbewegung des Lichtstrahls, einen Kollimator zur Umformung der Schwenkbewegung in eine Parallel-Verschiebungsbewegung oder Abtastbewegung des Lichtstrahls, ferner in einem in F i g. 1 jeweils linksliegend gezeichneten Empfangsteil eine Fokussierungsoptik zur Fokussierung der parallelen Abtaststrahlen auf einen Detektor sowie dem Detektor nachgeschaltete Auswerteinrichtungen. Diese können so ausgebildet sein, daß sie Ausgangssignale entsprechend der nicht abgeschatteten Abmessung a bzw. b des abgetasteten Meßfeldes der einzelnen Meßsysteme A bzw. B abgeben. Ist D der Abstand der jeweils voneinander abliegenden Begrenzungen der einzelnen Meßfelder der Meßsysteme A und B, so kann in einem Rechenwerk C, welches den Meßsystemen A und B zugeordnet ist, die Abmessung eines Prüflings P, welcher in beide Meßfelder eintaucht, zu D — a — b berechnet werden. Diese Größe kann dann in einer Anzeigeeinrichtung Z angezeigt oder aufgezeichnet werden. Es ergibt sich, daß eine präzise Bestimmunmg der Größe D in der Anordnung nach F i g. 1 Schwierigkeiten bereitet, daß ferner ein beträchtlicher technischer Aufwand erforderlich ist, um sicherzustellen, daß bei der Messung der Prüfling fin die Meßfelder beider Meßsysteme A und B eintaucht und daß schließlich die jeweils in jedem Meßsystem vorzusehenden Drehspiegel und Detektoren die gesamte Anordnung verteuern.

Die optisch-elektrische Meßeinrichtung nach Fig.2 enthält zwei Kollimatoren 1 und 2, etwa in Gestalt je eines Linsensatzes, wobei die Kollimatoren mit Bezug auf die durch den Pfeil 5 angedeutete Abtastrichtung innerhalb des Meßfeldes 3 nebeneinander angeordnet sind. Ein für die beiden Kollimatoren 1 und 2 gemeinsam vorgesehener Drehspiegel 4, dessen Antrieb zur Vereinfachung der Darstellung nicht wiedergegeben ist, befin-

det sich im Brennpunkt sowohl der Linse oder des Linsensatzes des Kollimators 1 als auch der Linse oder des Linsensatzes des Kollimators 2. Zur Verkürzung des Strahlenganges zwischen Drehspiegel und Kollimator dienen jeweils Spiegelpaare 5 und 6 bzw. 7 und 8, welche den Strahlengang zwischen Drehspiegel und Kollimator falten, um die gesamte Anordnung auf der Senderseite des Meßfeldes 3 zu verkürzen. Die Spiegel 6 und 8 haben solchen Abstand voneinander, daß der Ausgangsstrahl 9 eines Lasers iC zwischen den Spiegeln hindurch auf den Drehspiegel 4 gerichtet werden kann. Wird der Drehspiegel 4 in Umdrehung versetzt, so reflektiert er den Ausgangsstrahl des Lasers 9 derart, daß zunächst der Kollimator 1 und dann der Kollimator 2 abgetastet wird und insgesamt zueinander parallele Abtaststrahlen in einer Parallel-Verschiebungsbewegung ein durch beide Aperturen der Kollimatoren 1 und 2 bestimmtes Meßfeld 3 überstreichen.
Auf der Empfangsseite befinden sich als Fokussieeinander versetzten Abtastebenen geführt. Nachdem aber die Linsenstreifen 1 und 2, wie in F i g. 4 dargestellt, Ausschnitte einer sphärischen Linse sind, kreuzen sich innerhalb des Meßfeldes 3 die Abtastebenen und verschneiden sich in einer Geraden, welche durch den zu vermessenden Querschnitt des Prüflings P verläuft. Auf diese Weise wird erreicht, daß sich die Abtastung durch die Abtaststrahlen der Ebenen 12 und 13 im wesentlichen auf ein und denselben Querschnitt des Prüflings

ίο bezieht.

Auf der Empfangsseite treffen die Abtaststrahlen auf den Linsenstreifen der Kollimatoren 1 und 2 entsprechende Fokussierungsmittel in Gestalt von Linsenstreifen 16 und 17, welche sämtliche Abtaststrahlen auf einen Detektor 18 fokussieren. Die Abschattung der Abtaststrahlen und damit das Ausbleiben von den Detektor 18 beaufschlagenden Stahlen wird zeitlich in an sich bekannter Weise mit der Drehgeschwindigkeit des Drehspiegels 4 in Beziehung gesetzt und hieraus die Abmes-

rungsoptik vorzugsweise den einzelnen Kollimatoren 20 sung des Prüflings in Abtastrichtung bestimmt.

jeweils entsprechende Fokussierungsabschnitte, welche sich in Abtastrichtung aneinander reihen. Die Fokussierungsabschnitte lenken die Abtaststrahlen auf einen Detektor hin, von dem die Ausgangssignale einer Auswert-Man erkennt aus F i g. 3, daß der Drehspiegel 4 vorteilhaft eine Abmessung in Richtung einer Drehachse bzw. der Drehachse seines Antriebsmotors 19 besitzt,

_ _ _ welche dem Abstand der Linsenstreifen der Kollimatoreinrichtung zugeführt werden, die auch der Drehge- 25 optik in Richtung senkrecht zur Abtastrichtung und schwindigkeit des Drehspiegels entsprechende Signale senkrecht zur Abtaststrahlrichtung gleich ist. Soll jeempfängt. doch die erwähnte Ausdehnung des Drehspiegels 4 be-

Man erkennt aus F i g. 2, daß innerhalb des Meßfeldes grenzt werden, so kann eine Fokussierung einer Anzahl 3 ein nicht abgetasteter Bereich 11 liegt, der dadurch von Strahlen, welche der Zahl der in Abtastrichtung verursacht ist, daß die Kollimatoren 1 und 2 nicht unmit- 30 aufgereihten Kollimatoren entspricht, beispielsweise telbar aneinander grenzen. In das Meßfeld 3 einge- durch eine Linse auf den Drehspiegel erfolgen. Die fobrachte, zu vermessende Gegenstände müssen also eine zu bestimmende Abmessung haben, welche jedenfalls größer als der Bereich 11 ist, soll die Gefahr von Fehlmessungen ausgeschlossen werden. Außerdem müssen die zu vermessenden Gegenstände den Bereich 11 überdecken und in die Aperturen der Optiken 1 und 2 eintau-

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Die Beschränkungen werden bei Ausführungsformen der in Fig.3 gezeigten Art vermieden. Man erkennt, 40 daß die Kollimatoren 1 und 2 der in F i g. 3 gezeigten Meßeinrichtung die Gestalt von Linsenstreifen haben, welche sich mit Bezug auf die Abtastrichtung entsprechend dem Pfeil S überlappen. Die Linsenstreifen werden von mittels des Drehspiegels 4 verschwenkten Ab- 45 in der in F i g. 4 gezeigten Art und Weise fokussiert taststrahlen überstrichen, welche Ebenen 12 und 13 auf- werden können.

kussierten Strahlen divergieren nach Reflexion an dem Drehspiegel 4 auf entsprechende Sätze von zur Faltung des Strahlenganges dienenden Spiegeln entsprechend den Spiegelpaaren 5 und 6 sowie 7 und 8 hin und überstreichen bei Verdrehung des Drehspiegels in einer Schwenkbewegung die jeweils zugehörigen Linsenstreifen. Auf diese Weise läßt sich mit vergleichsweise geringem Aufwand ein in Abtasirichtung sehr großes Meßfeld 3 erzeugen, wobei die einzelnen Abtastebenen, welche von den Abtaststrahlen und von der Abtastrichtung aufgespannt werden, geringen Abstand voneinander in Richtung senkrecht zur Strahlrichtung und senkrecht zur Abtastrichtung voneinander haben oder aber

spannen, die einen durch die Breite der Linsenstreifen bestimmten Abstand in Richtung senkrecht zu den Abtaststrahlen und senkrecht zur Abtastrichtung voneinander hüben *■**

Die Abtaststrahlung geht von dem Laser 10 aus, dessen Ausgangsstrahlung durch Strahlteilungsmittel 14 geleitet ist, derart, daß eine Hälfte der Strahlungsenergie im Winkel in Richtung auf den Drehspiegel 4 reflektiert wird, während die zweite Hälfte der Strahlungsenergie auf einen Spiegel 15 fällt und von dort auf einem zu dem Weg der ersten Strahlungsenergiehälfte parallelen Weg schließlich auf den Drehspiegel 4 trifft Zur Faltung des Strahlenganges dienende Spiegelpaare 5 und 6 sowie 7 und 8 reflektieren die Strahlen in die vorerwähnten Abtastebenen 12 und 13 in solchem seitlichen Versatz längs der Drehspiegeldrehachse, daß die Linsenstreifen der Kollimatoren 1 und 2 überstrichen werden.

Würde es sich bei den Linsenstreifen 1 und 2 um einfach gekrümmte Zylinderlinsen handeln, so wurden die Abtaststrahlen im Meßfeld 3 in zwei senkrecht zur Abtastrichtung und senkrecht zur Stahlrichtung gegen-Werden als Kollimatoren vollrunde Linsen verwendet so ist selbstverständlich der erwähnte Abstand bedeutend größer, wenn die Forderung erfüllt werden soll, daß aufgrund einer Überlappung in Abiastrichtung kein unabgetasteter Bereich entsprechend dem Bereich 11 von F i g. 2 im Meßfeld verbleibt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1 2 von Hohlspiegeln gebildet sind. Patentansprüche: 9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Kollimatoren (1,

1. Optisch-elektrische Meßeinrichtung zum Mes- 2) in Abtastrichtung (S) aneinander angrenzen.

sen der Lage und/oder der Abmessung von Gegen- 5 10. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1

ständen, bei welcher ein scharf gebündelter Licht- bis 8 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

strahl mittels eines Drehspiegels (4) in einer Abtast- die Kollimatoren (1, 2) in Abtastrichtung einander

ebene verschwenkt wird, die Schwenkbewegung des überlappend angeordnet sind.

Lichtstrahls von einer Kollimatoroptik (1, 2) inner- 11. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1

halb eines Meßfeldes (3) in eine Parallel-Verschie- 10 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlen-

bungsbewegung umgeformt und der Lichtstrahl jen- gang zwischen dem Drehspiegel (4) und den Kolli-

seits des Meßfeldes (3) von einer Fokussierungsoptik matoren (1, 2) Spiegel (5, 6; 7, 8) zur Faltung des

(16,17) auf einen Detektor (18) hin abgelenkt wird, Strahlenganges angeordnet sind,
derart, daß der Lichtstrahl von einem im Meßfeld (3)

befindlichen Gegenstand (P) während der Prallel- 15

Verschiebungsbewegung für eine bestimmte, von
der Größe des Querschnittes in der Abtastrichtung

föj abhängige und am Detektorausgangssignal meß- Die Erfindung bezieht sich auf eine optisch-elektri-

bare Zeit abgeschattet wird, dadurch gekenn- sehe Meßeinrichtung zum Messen der Lage und/oder

zeichnet, daß mindestens zwei in Abtastrichtung 20 der Abmessung von Gegenständen, bei welcher ein

mit ihrem Zentrum beabstandete Kollimatoren (1,2) scharf gebündelter Lichtstrahl mittels eines Drehspie-

vorgesehen sind, welche so ausgerichtet sind, daß gels in einer Abtastebene verschwenkt wird, die

der mit seinen Abtaststrahlen die Kollimatoren Schwenkbewegung des Lichtstrahls von einer Kollima-

nacheinander überstreichende Drehspiegel (4) in ih- toroptik innerhalb eines Meßfeldes in eine Parallel-Ver-

rem jeweiligen Fokus gelegen ist und die parallelge- 25 Schiebungsbewegung umgeformt und der Lichtstrahl

richteten Abtaststrahlen der Kollimatoren (1,2) stets jenseits des Meßfeldes von einer Fokussierungsoptik

sämtlich in zueinander parallelen, zur Abtastrich- auf einen Detektor hin abgelenkt wird, derart, daß der

tung senkrechten Ebenen liegen und daß auf der Lichtstrahl von einem im Meßfeld befindlichen Gegen-

vom Drehspiegel (4) abliegenden Seite des den zu stand während der Parallel-Verschiebungsbewegung

messenden Gegenstand (P) enthaltenden Meßfeldes 30 für eine bestimmte, von der Größe des Querschnittes in

(3) die Abtaststrahlen von der Fokussierungsoptik der Abtastrichtung abhängige und am Detektoraus-

(16,17) auf einen einzigen Detektor (18) hin lenkbar gangssignal meßbare Zeit abgeschattet wird,

sind. Meßeinrichtungen dieser Art sind aus der US-Patent-

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- schrift 37 65 774 sowie aus der deutschen Patentschrift kennzeichnet, daß die Fokussierungsoptik (16, 17) 35 28 49 252 bekannt. Die Höhe des Meßfeldes wird durch einzelne, in Abtastrichtung (S) mit ihrem Zentrum die Apertur der Kollimatoroptik, also beispielsweise beabstandete Fokussierungsabschnitte aufweist. durch die Größe einer Kollimationslinse, begrenzt. Für

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- sehr große Prüflinge, z. B. von 200 mm und darüber, sind durch gekennzeichnet, daß die Kollimatoren (1, 2) Linsen entsprechend großen Durchmessers wirtschaft- und gegebenenfalls die Fokussierungsabschnitte (16, 40 Hch nicht mehr herstellbar. Auch Hohlspiegel als KoIIi-17) senkrecht zur Abtastrichtung (S) und senkrecht matoroptik lassen sich in dieser Größe nurmehr mit zur Abtaststrahlrichtung nebeneinander angeordnet beträchtlichem Kostenaufwand herstellen und bereiten sind. bei der Justierung und beim Einbau Schwierigkeiten.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- Es ist bereits versucht worden, für die Messung von kennzeichnet, daß von der Strahlquelle (10) aus auf 45 großen Durchmessern zwei Meßeinrichtungen der zuden Drehspiegel (4) mehrere Strahlen auf Punkte im vor bechriebenen bekannten Art einzusetzen, welche im Abstand längs der Drehspiegeldrehachse hinlenkbar Abstand voneinander derart relativ zu dem Prüfling ansind und von dort zu den Kollimatoren (1, 2) reflek- geordnet sind, daß der Prüfling gleichzeitig in beide tiert werden. Meßfelder der Meßeinrichtungen eintaucht. Nachdem

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- 50 der Abstand zwischen den einzelnen Meßeinrichtungen kennzeichnet, daß auf den Drehspiegel (4) minde- bekannt und gegebenenfalls einstellbar ist, erhält man stens zwei Strahlen fokussiert werden, die vom als gesuchtes Maß des Prüflings den Abstand der Meß-Drehspiegel reflektiert sich zu den Kollimatoren 81, einrichtungen, vermehrt oder vermindert um die Ab-2) hin wieder aufteilen. schattung in den einzelnen Meßfeldern aufgrund des

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 55 Eintauchens eines Teil des Prüflings in das betreffende bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimatoren Meßfeld. Ein Nachteil dieser Anordnung ist darin zu (1,2) außer der Parallel; ichtung eine Ablenkung der sehen, daß zwei vollständige elektronische Auswert-Abtaststrahlen derart vornehmen, daß sich die von schaltungen für jede einzelne Meßeinrichtung vorgeseden Abtaststrahlen der einzelnen Kollimatoren auf- hen sein müssen und daß zusätzlich ein Rechenwerk mit gespannten Ebenen in einer Geraden schneiden, die 60 beiden Meßeinrichtungen verbunden werden muß. Weidurch den zu untersuchenden Gegenstand geht ter sind Überwachungseinrichtungen erforderlich, wel-(F i g. 4). ehe feststellen, ob der Prüfling in beide Meßfelder ein-

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 taucht, da anderenfalls eine fehlerhafte Messung zustanbis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimatoren de kommt.

von Linsen oder Linsensystemen oder Linsenstrei- 65 Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden,

fen gebildet sind. ein großes Meßfeld zur Durchführung von Messungen

8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 der Lage oder einer Abmessung eines Prüflings zu verbis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimatoren wirklichen, ohne daß eine einzelne Optik großer Aper-