DE3229263C2 - Optisch-elektrische Meßeinrichtung zum Messen der Lage und/oder der Abmessung von Gegenständen - Google Patents

Abstract

Bei einer optisch-elektrischen Meßeinrichtung zum Messen der Lage und/oder der Abmessung von Gegenständen werden diese durch zwei parallel zueinander orientierte Abtastlichtstrahlen abgetastet, welche in ihnen jeweils zugeordneten Ebenen Parallel-Verschiebungsbewegungen ausführen, welche durch das Zusammenwirken eines Drehspiegels mit einer Kollimatorlinse erzeugt werden. Die von der Größe des Querschnittes des zu vermessenden Gegenstandes in Abtast richtung abhängige Abschattung der Abtastlichtstrahlen ist am Ausgangssignal eines Detektors meßbar, auf welchen durch Fokussierungsmittel die Abtaststrahlen nach räumlicher Modulation durch den zu vermessenden Gegenstand hingelenkt werden. Meßfehler aufgrund einer Bewegung des zu vermessenden Gegenstandes werden durch eine gleichzeitige, symmetrische, gegenläufige Parallel-Verschiebungsbewegung der beiden Lichtstrahlen und eine Mittelwertbildung der entsprechenden Detektorausgangssignale beseitigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Optisch-elektrische Meßeinrichtung zum Messen der Lage und/oder der Abmessung von Gegenständen, bei welcher zwei scharf gebündelte Lichtstrahlen mittels einer Ablenkeinrichtung zu Parallel-Verschiebungsbewegungen innerhalb eines Meßfeldes veranlaßt und jenseits des Meßfeldes von Fokussierungsmitteln auf eine Detektoreinrichtung hin abgelenkt werden, derart daß die Lichtstrahlen von dem im Meßfeld befindlichen Gegenstand während der Parallel-Verschiebungsbewegung für eine bestimmte, von der Größe des Querschnitts in der Abtastrichiung abhängige und an Detektorausgangssignalen meßbare Zeit abgeschattet werden, wobei die Parallel-Verschiebungsbewegung eines der Lichtstrahlen zur Parallel-Verschiebungsbewegung des anderen Lichtstrahls bei etwa parallelem Verlauf aller Lichtstrahlen im Meßfeld gleichzeitig und gegenläufig ist und eine Mittelwertbildung des von dem einen Lichtstrahl und des von dem anderen Lichtstrahl erzeugten Detektorausgangssignals zur Bildung eines die Größe des Querschnitts des Gegenstands in der Abtastrichtung angebenden Signals erfolgt.

Eine Meßeinrichtung dieser Art ist aus der DE-OS 23 13 339 bekannt

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Meßeinrichtung so weiterzubilden, daß die gegenläufigen Abtastbewegungen der Lichtstrahlen auch bei hohen Abtastgeschwindigkeiten mit hoher Genauigkeit zeitlich symmetrisch gehalten werden, damit auch bei vergleichsweise raschen Bewegungen Λ» den Prüfling bildenden Gegenstands, etwa aufgrund von Schwingungen, Meßfehler durch die Mittelwertbildung eliminiert werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Ablenkeinrichtung einen für beide Lichtstrahlen gemeinsamen Drehspiegel zur Erzeugung von Schwenkbewegungen der auf den Drehspiegel gerichteten Lichtstrahlen in Abtastebenen sowie einen für beide Lichtstrahlen gemeinsamen Kollimator zur Umformung der Schwenkbewegungen in die Parallel-Verschiebungsbewegungen enthält, daß die Fokussierungsmittel ein für beide Lichtstrahlen gemeinsames Fokussierungsbauteil aufweisen und daß die Gegenläufigkeit der Parallel-Verschiebungsbewegungen der beiden Lichtstrahlen im Meßfeld mittels eines im Strahlengang eines der Lichtstrahlen dem Kollimator nachgeschaltetes Umkehrprisma erzeugt wird.

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

Es ist bei optischen Systemen zwar allgemein üblich, optische Bauteile für zwei getrennte Strahlengänge gemeinsam zu verwenden, bei der Meßeinrichtung gemäß der Erfindung kommt der Maßnahme, für die beiden Abtast-Lichtstrahlen einen gemeinsamen Drehspiegel und einen gemeinsamen Kollimator als Ablenkeinrichtung einzusetzen, ganz besondere Bedeutung im Hinblick auf die oben genannte Aufgabe zu: Verwendet

man nämlich für eine optisch-elektrische Meßeinrichtung der gattungsgemäßen Art getrennte optische Abtast- und Meßsysteme, müssen die Antriebe für die rotierenden Teile der Ablenkeinrichtung zeitlich genauestens synchronisiert und in ihrer Phasenlage so eingestellt sein, daß die am Ausgang der Detektoreinrichtung erscheinenden, die jeweiligen Abtast-Lichtstrahlabschattungen kennzeichnenden Meßsignale genau symmetrisch zu einer zeitlichen Mittellinie liegen. Andernfalls sind Meßfehler unvermeidbar, wenn die Geschwindigkeit des Prüflings nicht während der gesamten Meßdauer konstant ist. Dies kann in der Praxis jedoch nicht vorausgesetzt werden, insbesondere, wenn der Prüfling Erschütterungen und Schwingungen ausgesetzt ist

Bei der Meßeinrichtung gemäß der Erfindung erfolgt ;5 also durch die gemeinsame Verwendung des Drehspiegels und des Kollimators für beide Lichtstrahlen eine Zwangssynchronisierung der gegenläufigen Abtastbewegungen. Außerdem ermöglicht die Erfindung nicht nur eine Vereinfachung und Verbilligung des Aufbaus der Meßeinrichtung sondern auch die Abtretung von Gegenständen mit größeren Querschnitten ohne daß sehr große und damit teure rotierende Ablenk-Prismenblöcke eingesetzt werden müssen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich verwiesen wird.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

F i g. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansieht einer Meßeinrichtung gemäß der Erfindung unter teilweise Verwendung von Blocksymbolen,

F i g. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer F i g. 1 entsprechenden Darstellung.

F i g. 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 Strahlteiler 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 eine;, 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 Paral-Iel-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 3 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- f5 Verschiebungsbewegunryn 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 Ausgangssignals 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 Auswerteinrichtung 16 eine Signalleitung geführt Diesbezügliche Einzelheiten sind dem Fachmann geläufig und bedürfen keiner näheren Beschreibung.

Die Ausführungsform nach Fig./· besitzt ähnlichen Aufbau wie die Meßeinrichtung nach F1 g. 1, wobei zur Bezeichnung einander entsprechender Teile auch jeweils gleiche Bezugszahlen gewählt sind.

Unter Weglassung der Linse 5 sind bei der Ausführungsform nach F i g. 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 Drehsplef eis 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 F i g. 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 F i g. 1 Prüflingsquerschnitte im Abstand D abgetastet wurden, erfolgt bei der Ausführungsform nach F i g. 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 da. Umkehrprisma 12 an den Lichteintrittsflächen und den Lichtaustrittsflächen mit Antireflexionsbelägen versehen sein können, um StoreinPüsse zu vermeiden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Optisch-elektrische Meßeinrichtung zum Messen der Lage und/oder der Abmessung von Gegenständen (P), bei welcher zwei scharf gebündelte Lichtstrahlen (3, 4) mittels einer Ablenkeinrichtung (9,10) zu Parallel-Verschiebungsbewegungen innerhalb eines Meßfeldes (11) veranlaßt und jenseits des Meßfeldes von Fokussierungsmitteln (14) auf eine Detektoreinrichtung (15) hin abgelenkt werden, derart daß die Lichtstrahlen (3,4) von dem im Meßfeld befindlichen Gegenstand (P) während der Parallel-Verschiebungsbewegung für eine bestimmte, von der Größe des Querschnitts in der Abtastrichtung abhängige und an Detektorausgangssignalen meßbare Zeit abgeschattet werden, wobei die Parallel-Verschiebüngsbewegung eines der Lichtstrahlen zur Parallel-Vtischiebungsbewegung des anderen Lichtstrahls bei etwa paralleiem Verlauf aller Lichtstrahlen im Meßfeld (11) gleichzeitig und gegenläufig ist und eine Mittelwertbildung des von dem einen Lichtstrahl (3) und des von dem anderen Lichtstrahl (4) erzeugten Detektorausgangssignals zur Bildung eines die Größe des Querschnitts des Gegenstands in der Abtastrichtung angebenden Signals erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung (9,10) einen für beide Lichtstrahlen (3,4) gemeinsamen Drehspiegel (9) zur Erzeugung von Schwenkbewegungen der auf den Drehspiegel (9) gerichteten Lichtstrahlen in Aotastebenen sowie einen für beide Lichtstrahlen gemeinsamen Kollimator (10) zur Umformung der £ nwenkbewegungen in die Parallel-Verschiebungsbewegungen enthält, daß die Fokussierungsmittel (14) ein für beide Lichtstrahlen gemeinsames Fokussierungsbauteil aufweisen und daß die Gegenläufigkeit der Parallel-Verschiebungsbewegungen der beiden Lichtstrahlen im Meßfeld (11) mittels eines im Strahlengang eines der Lichtstrahlen (3) dem Kollimator (10) nachgeschaltetes Umkehrprisma erzeugt wird.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der optischen Wege der Lichtstrahlen (3,4) im Strahlengang des nicht durch das Umkehrprisma (12) geführten Lichtstrahls ein Glaskörper (13) mit planparallelen Flächen angeordnet ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 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 (F i g. 1).

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 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.

5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Austrittsfläche des Umkehrprismas (12) und gegebenenfalls die planparallelen Flächen des Ausgleichs-Glaskörpers(13) Antireflexionsbeläge tragen.