DE3229263A1

DE3229263A1 - Optisch-elektrische messeinrichtung zum messen der lage und/oder der abmessung von gegenstaenden

Info

Publication number: DE3229263A1
Application number: DE19823229263
Authority: DE
Inventors: Bruno Dipl.-Ing. 8602 Stegaurach Richter; Bernhard Dipl.-Ing. Schlapp (FH), 8632 Neustadt
Original assignee: RICHTER BRUNO GmbH
Current assignee: RICHTER BRUNO GmbH
Priority date: 1982-08-05
Filing date: 1982-08-05
Publication date: 1984-02-09
Also published as: GB8321233D0; DE3229263C2; GB2124762B; CH662879A5; GB2124762A

Description

& HUFNAGEL

PATENTANWÄLTE

LANDWEHRSTR. 37 BOOO MÜNCHEN 2 TEL. 0 00/5967 84

München, den 25. Juni 1982 /J Anwaltsaktenz.: 228 - Pat. 5

Dipl.-Ing. Bruno Richter GmbH & Co. Elektronische Betriebskontroll-Geräte KG, Würzburger Straße 26, 8602 Stegaurach

Optisch-elektrische Meßeinrichtung zum Messen der Lage und/oder der Abmessung von Gegenständen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine optisch-elektrische Meßeinrichtung zum Messen der Lage und/oder der Abmessung von Gegenständen, bei welcher ein scharf gebündelter Lichtstrahl mittels eines Drehspiegels in einer Abtastebene verschwenkt wird, die Schwenkbewegung des Lichtstrahls von Kollimationsmitteln in eine Parallel-Verschiebungsbewegung innerhalb eines Meßfeldes umgeformt und der Lichtstrahl jenseits des Meßfeldes von Fokussierungsmitteln auf eine Detektoreinrichtung hin abgelenkt wird, derart, daß der Lichtstrahl von einem im Meßfeld befindlichen Gegenstand während der Parallel-Verschiebungsbewegung für eine bestimmte, von der Größe des Querschnittes in der Abtastrichtung abhängige und am Detektorausgangssignal meßbare Zeit abgeschattet wird.

Meßeinrichtungen dieser Art sind aus der US-Patentschrift 3 765 774 oder der deutschen Offenlegungsschrift 28 49 252 bekannt.

Führt der zu vermessende Gegenstand während der Messung Bewegungen aus, so ergeben sich Meßfehler, da bei Bewegung des zu vermessenden Gegenstandes in Richtung der Parallel-Verschie-

bungsbewegung eine größere Abmessung dieses Gegenstandes in Abtastrichtung vorgetäuscht wird, während bei Bewegung des Gegenstandes entgegen der Parallel-Verschiebungsbewegung das Meßergebnis im Sinne einer geringeren Abmessung des Gegenstandes verfälscht wird.

Die Verfälschung des Meßergebnisses aufgrund einer Bewegung des Gegenstandes tritt auch dann auf, wenn der betreffende Gegenstand Schwingbewegungen ausführt, da sich die Meßfehler bei Mittelwertbildung über eine Vielzahl von Einzelmessungen nicht herausmitteln, wenn die Abtastfrequenz mit der Schwingungsfrequenz des zu vermessenden Gegenstandes oder des Prüflings etwa übereinstimmt oder ein ungeradzahliges Vielfaches der Schwingungsfrequenz ist.

Es ist bereits versucht worden, Meßfehler aufgrund von Bewegungen des zu vermessenden Gegenstandes oder Prüflings bei Meßeinrichtungen der eingangs beschriebenen Art dadurch zu vermeiden, daß beispielsweise durch Verwendung eines Schwingspiegels anstelle eines Drehspiegels der Lichtstrahl im Meßfeld abwechselnd einmal eine Parallel-Verschiebungsbewegung in der einen Richtung und darauffolgend eine Parallel-Verschiebungsbewegung in der entgegengesetzten Richtung ausführt. Bei Übereinstimmung der Schwingungsfrequenz des Prüflings und der Schwingungsfrequenz des Schwingspiegels sowie bei bestimmter Phasenbeziehung treten wiederum Meßfehler auf. Auch ist, wenn diese ungünstigen Bedingungen nicht herrschen, wegen der großen Phasendifferenz zwischen je zwei Abtastvorgängen eine vollkommene Beseitigung der Meßfehler in den bekannten Einrichtungen nicht möglich.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine optischelektrische Meßeinrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, daß Bewegungen des Prüflings in Abtastrichtung nicht zu Meßfehlern führen, auch wenn der Prüfling Schwingbewegungen oder vergleichsweise rasche Bewegungen ausführt.

Ausgehend von einer optisch-elektrischen Meßeinrichtung der ein-

gangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein weiterer, scharf gebündelter Lichtstrahl mittels eines Drehspiegels in einer Abtastebene verschwenkt und die Schwenkbewegung des Lichtstrahls von Kollimationsmitteln in eine Parallel-Verschiebungsbewegung innerhalb des Meßfeldes umgeformt wird, wobei diese Parallel-Verschiebungsbewegung zur Parallel-Verschiebungsbewegung des erstgenannten Lichtstrahls bei parallelem Verlauf aller Lichtstrahlen im Meßfeld gleichzeitig und gegenläufig ist, daß auch der weitere Lichtstrahl jenseits des Meßfeldes von Fokussierungsmitteln auf die Detektoreinrichtung hin abgelenkt wird und daß eine Mittelwertbildung des vom erstgenannten Lichtstrahl erzeugten Detektorausgangssignals und des vom weiteren Lichtstrahl erzeugten Detektorausgangssignals zur Bildung eines die Größe des Querschnittes des Gegenstandes in der Abtastrichtung angebenden Signales erfolgt.

Vorzugsweise sind für beide Lichtstrahlen gemeinsam Drehspiegel, Kollimationsmittel und Fokussierungsmittel vorgesehen. Die Gegenläufigkeit der Parallel-Verschiebungsbewegung der beiden Lichtstrahlen im Meßfeld wird mittels eines im Strahlengang eines der Lichtstrahlen den Kollimationsmitteln nachgeschaltetes Umkehrprisma erzeugt.

Zum Ausgleich der optischen Wege der Lichtstrahlen kann im Strahlengang des nicht durch das Umkehrprisma geführten Lichtstrahls ein Glaskörper mit planparallelen Flächen angeordnet sein.

Gemäß einer Ausführungsform werden beide Lichtstrahlen auf einen Punkt des Drehspiegels im Fokus der Kollimationsmittel fokussiert, derart, daß die Parallel-Verschiebungsbewegungen der beiden Lichtstrahlen in zueinander parallelen Ebenen verlaufen. In diesem Falle werden an einem etwa stabförmigen Gegenstand, welcher den Prüfling bildet, in entsprechendem Abstand voneinander gelegene Querschnitte abgetastet.

Interessiert jedoch ein ganz bestimmter Querschnitt der Prüflings

f j ζ ζ α ζ ο J

in seinen Abmessungen, so werden der erstgenannte und der weiter Lichtstrahl an im Abstand voneinander gelegenen Punkten der Dreh spiegeldrehachse auf den Drehspiegel hingelenkt. Die Ebenen, in denen die Parallel-Verschiebungsbewegungen des erstgenannten und des weiteren Lichtstrahls verlaufen, schneiden sich dann in eine Geraden, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß diese Gerade etwa eine Mittellinie eines interessierenden Querschnittes des ζ untersuchenden Gegenstandes ist.

Die Verwendung ein- und desselben Drehspiegels und auch gemeinsamer Kollimations- und Fokussierungsmittel hat den Vorteil, daß d Abtastbewegungen der beiden Lichtstrahlen streng symmetrisch und gleichzeitig sind. Ein großer apparativer Aufwand für die Synchn nisierung der Abtastbewegungen ist nicht erforderlich.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer optisch-e-"¹ ektrischen Meßeinrichtung der hier vorgeschlagenen Art unter teilweiser Verwendung von Blocksymbolen und

Fig. 2 eine Figur 1 ähnliche Abbildung einer anderen

Ausführungsform einer optisch-elektrischen Meßeinrichtung .

Figur 1 zeigt schematisch zwei Lichtquellen 1 und 2, welche jeweils scharf gebündelte und zueinander parallele Lichtstrahlen 3 und 4 auf eine Linse 5 richten. Die Lichtquellen 1 und 2 können von Lasern gebildet sein. Abweichend von den in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen können die im Abstand voneinander parallel verlaufenden Lichtstrahlen 3 und 4 auch durch Strahl teiler und Spiegel von einem einzigen Laser als Lichtquelle abgeleitet werden.

Die Linse 5 lenkt die Strahlen 3 und 4 auf einen Punkt 6 hin,

der auf der Drehachse 7 eines mittels eines Antriebsmotors 8 in Umdrehung versetzten Drehspiegels 9 gelegen ist.

Der Punkt 6 befindet sich im Fokus einer Kollimationslinse 10, welche bewirkt, daß die mittels des Drehspiegels 9 erzeugten Schwenkbewegungen der Lichtstrahlen 3 und 4 innerhalb eines Meßfeldes 11 in Parallel-Verschiebungsbewegungen umgeformt werden.

Der Kollimationslinse 10 unmittelbar nachgeschaltet sind einerseits ein Umkehrprisma 12 und andererseits ein Glaskörper 13 mit planparallelen Eintritts- bzw. Austrittsflächen, wobei der Glaskörper 13 zum Abgleich im Wege desjenigen Lichtstrahles, welcher nicht durch das Umkehrprisma 12 geführt ist, vorgesehen wird.

Durch das Umkehrprisma 12 wird erreicht, daß die Lichtstrahlen und 4 innerhalb des Meßfeldes 11 Parallel-Verschiebungsbewegungen ausführen, die hochpräzise gleichzeitig und gegenläufig sind, wobei die Richtung sämtlicher Lichtstrahlen innerhalb des Meßfeldes 11 parallel ist und die beiden gegenläufigen Parallel-Verschiebungsbewegungen innerhalb von Ebenen verlaufen, welche einen bestimmten Abstand voneinander haben, derart, daß an dem Prüfling P gleichzeitig Querschnitte vermessen werden, welche einen Abstand D entsprechend dem Abstand der genannten Ebenen voneinander haben.

Durch Fokussierungsmittel 14 werden die Lichtstrahlen auf eine Detektoreinrichtung 15 gelenkt, die ein dem Lichtstrahl 2 entsprechendes Detektorausgangssignal und ein dem Lichtstrahl 4 entsprechendes Detektorausgangssignal erzeugt. Diese beiden Signale werden addiert und das Ergebnis wird halbiert und stellt einen korrigierten Meßwert dar. Durch Inbeziehungsetzen der Drehspiegelbewegung mit dem zeitlichen Verlauf des Ausgangssignal der Detektoreinrichtung 15 wird in der Auswerteinrichtung 16 ein Meßwert entsprechend einer bestimmten Querschnittsabmessung des Prüflings P erhalten. Zu diesem Zwecke ist von dem Drehspiegelantriebsmotor 8 zu der Auswerteinrich-

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tung 16 eine Signalleitung geführt. Diesbezügliche Einzelheiten sind dem Fachmann geläufig und bedürfen keiner näheren Beschreibt

Die Ausführungsform nach Figur 2 besitzt ähnlichen Aufbau wie die Meßeinrichtung nach Figur 1, wobei zur Bezeichnung einander entsprechender Teile auch jeweils gleiche Bezugszahlen gewählt sind.

Unter Weglassung der Linse 5 sind bei der Ausführungsform nach Figur 2 die Lichtstrahlen 3 und 4 auf in bestimmtem Abstand voneinander gelegene Punkte 6a und 6b der Drehachse 7 des Drehspiegels 9 gerichtet und werden bei Antrieb des Drehspiegels zu Schwenkbewegungen in zueinander parallelen, im Abstand voneinander gelegenen Ebenen veranlaßt. Nach Umwandlung der Schwenkbewegung der Lichtstrahlen 3 und 4 in eine Parallel-Verschiebungsbewegung innerhalb des Meßfeldes 11 vermittels einer Kollimatorlinse 10 durchdringt der Lichtstrahl 4 den planparallele Eintritts- bzw. Austrittsflächen aufweisenden Glaskörper 13, während der Lichtstrahl 3 durch das Umkehrprisma 12 tritt, derart, daß die Parallel-Verschiebungsbewegung des Lichtstrahls 4 im Meßfeld 11 beispielsweise bei Antrieb des Drehspiegels 9 im Gegenuhrzeigersinn von unten nach oben und die Parallel-Verschiebungsbewegung des Lichtstrahles 3 gleichzeitig und gegenläufig von oben nach unten verläuft, wie dies in den Figuren 1 und 2 im übrigen durch Schraffurpfeile angedeutet ist.

Der Abstand der Punkte 6a und 6b ist so gewählt, daß sich die Ebenen, in denen die Parallel-Verschiebungsbewegungen der Lichtstrahlen 3 und 4 innerhalb des Meßfeldes 11 verlaufen, in einer Geraden 17 schneiden, welche durch den Prüfling P geht und vornehmlich eine Mittellinie eines bestimmten Querschnittes des Prüflings ist. Während also bei der Ausführungsform nach Figur 1 Prüflingsquerschnitte im Abstand D abgetastet wurden, erfolgt bei der Ausführungsform nach Figur 2 eine Abtastung im wesentlichen ein- und desselben Querschnittes des Prüflings durch die beiden gegenläufig symmetrisch und gleichzeitig bewegten Abtastlichtstrahlen.

Abschließend sei bemerkt, daß sowohl der Glaskörper 13 als auch das Umkehrprisma 12 an den Lichteintrittsflächen und den Lichtaustrittsflächen mit Antireflexionsbelägen versehen sein können, um Störeinflüsse zu vermeiden.

Claims

Patentansprüche

Iy Optisch-elektrische Meßeinrichtung zum Messen der Lage und/ "oder der Abmessung von Gegenständen (P), bei welcher ein scharf gebündelter Lichtstrahl (3) mittels eines Drehspiegels (9) in einer Abtastebene verschwenkt wird, die Schwenkbewegung des Lichtstrahls von Kollimationsmitteln (10) in eine Parallel-Verschiebungsbewegung innerhalb eines Meßfeldes (11) umgeformt und der Lichtstrahl jenseits des Meßfeldes von Fokussierungsmitteln (14) auf eine Detektoreinrichtung (15) hin abgelenkt wird, derart, daß der Lichtstrahl von einem im Meßfeld (11) befindlichen Gegenstand (P) während der Parallel-Verschiebungsbewegung für eine bestimmte, von der Größe des Querschnittes in der Abtastrichtung abhängige und am Detektorausgangssignal meßbare Zeit abgeschattet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer scharf gebündelter Lichtstrahl (4) mittels eines Drehspiegels (9) in einer Abtastebene verschwenkt und die Schwenkbewegung des Lichtstrahls von Kollimationsmitteln (10) in eine Parallel-Verschiebungsbewegung innerhalb des Meßfeldes (11) umgeformt wird, wobei diese Parallel-Verschiebungsbewegung zur Parallel-Verschiebungsbewegung des erstgenannten Lichtstrahls bei parallelem Verlauf aller Lichtstrahlen im Meßfeld gleichzeitig und gegenläufig ist, daß auch der weitere Lichtstrahl (4) jenseits des Meßfeldes (11) von Fokussierungsmitteln auf die Detektoreinrichtung (15) hin abgelenkt wird und daß eine Mittelwertbildung des vom erstgenannten Lichtstrahl (3) erzeugten Detektorausgangssignals und des vom weiteren Lichtstrahl (4) erzeugten Detektorausgangssignals zur Bildung eines die Größe des Querschnittes des Gegenstandes (P) in der Abtastrichtung angebenden Signales erfolgt.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für beide Lichtstrahlen (3, 4) gemeinsam Drehspiegel (9) Kollimationsmittel (10) und Fokussierungsmittel (14) vorgesehen sind

und daß die Gegenläufigkeit der Parallel-Verschiebungsbewegungen der beiden Lichtstrahlen im Meßfeld (11) mittels eines im Strahlengang eines der Lichtstrahlen (3) den Kollimationsmitteln (10) nachgeschaltetes Umkehrprismas (12) erzeugt wird.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der optischen Wege der Lichtstrahlen (3, 4) im Stra lengang des nicht durch das Umkehrprisma (12) geführten Lichtstrahls ein Glaskörper (13) mit planparallelen Flächen angeordnet ist.
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erstgenannte (3) und der weitere Lichtstrahl (4) auf einen Punkt (6) des Drehspiegels im Fokus der Kollimationsmittel (10) fokussiert (5) werden und daß die Parallel-Verschiebungsbewegungen der beiden Lichtstrahlen (3, 4) in zueinander parallelen Ebenen verlaufen (Figur 1).
5. Meßeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erstgenannte (3) und der weitere Lichtstrahl (4) an im Abstand voneinander gelegenen Punkten (6a, 6b) der Drehspiegeldrehachse (7) auf den Drehspiegel (9) treffen und daß die Ebenen, in denen die Parallel-Verschiebungsbewegungen des erstgenannten und des weiteren Lichtstrahls verlaufen, sich in einer Geraden (17) schneiden, welche etwa eine Mittellinie eines Querschnittes des zu untersuchenden Gegenstandes (P) ist.
6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Austrittsfläche des Umkehrprismas (12) und gegebenenfalls die planparallelen Flächen des Ausgleichs-Glaskörpers (13) Antireflexionsbeläge tragen.