DE3300333A1

DE3300333A1 - Einrichtung zur optischen abstandsmessung von oberflaechen zu einem bezugspunkt

Info

Publication number: DE3300333A1
Application number: DE19833300333
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Phys. Dr. 7730 Schwenningen Breitmeier
Original assignee: Hommelwerke GmbH
Current assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Priority date: 1983-01-07
Filing date: 1983-01-07
Publication date: 1984-07-12
Also published as: DE3300333C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur optischen Abstandsmessung von Oberflächen zu einem Bezugspunkt der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Durch die DE-OS 25 13 389 ist eine Einrichtung der betreffenden Art bekannt, bei der sich bei Änderungen des Abstandes der gemessenen Oberfläche zu der Meßeinrichtung der Ort des auf der optoelektronischen Empfangseinrichtung abgebildeten Lichtflecks ändert. Ist dabei die Änderung des Ortes sehr groß im Verhältnis zur Änderung des gemessenen Abstandes, ist also die Vergrößerung sehr groß, so kommt die optoelektronische Empfangseinrichtung sehr schnell an die Grenzen Ihres Arbeitsbereichs. Dadurch ist auch der Meßbereich für die Abstandsänderung begrenzt. Zur Vermeidung dieses Nachteils wäre es zwar möglich, die gesamte Meßeinrichtung in bezug zu der gemessenen Oberfläche zu verstellen, jedoch ist dies aufwendig und darüber hinaus ungenau, vor allen Dingen dann, wenn die Verstellung von Hand erfolgt.

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Darüber hinaus ist bei diesem wie auch allen anderen bekannten, auf Triangulation beruhenden Meßsystemen die Leistungsfähigkeit unter anderem durch das Verhältnis Meßbereich zu Auflösung gekennzeichnet. Um eine möglichst hohe Meßgenauigkeit zu erzielen, ist es notwendig, den Lichtfleck auf der zu messenden Oberfläche möglichst kleinzuhalten, damit die Integrationswirkung des Lichtfleckdurchmessers gering bleibt. Um den auf die optoelektronische Empfangseinrichtung abgebildeten Lichtfleck erfassen und seine Position gut ermitteln zu können, wird der Lichtfleck durch eine vor der optoelektronischen Empfangseinrichtung liegende Optik vergrößert, so daß er hier auf der Empfangseinrichtung, z.B. einer Fotodiodenzeile, einen nicht unbeträchtlichen Teil der Gesamtlänge bedeckt. Dadurch wird der zur Verfügung stehende Meßbereich aber eingeengt. Eine Meßbereichsvergrößerung durch längere Potodiodenzeilen ergibt hierbei nur eine mangelhafte Abhilfe, weil mit der Verlängerung der Fotodiodenzeile auch eine Verlängerung der Auslesezeit und eine Erhöhung der Kosten verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile dieser bekannten Einrichtung zu vermeiden und eine Einrichtung zur optischen Abstandsmessung von Oberflächen zu einem Bezugspunkt zu schaffen, die eine hohe Meßgenauigkeit bei vergrößertem Meßbereich hat und darüber hinaus billig ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die'im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebene Lehre gelöst.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Meßbereich

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bei im Grunde gleichbleibender Genauigkeit dadurch zu erweitern, daß der auf die optoelektronische Empfangseinrichtung abgebildete Lichtfleck in seiner Lage veränderbar ist, so daß es möglich ist, den Fleck um bekannte Strecken zu verschieben, so daß er immer im Arbeitsbereich der optoelektronischen Empfangseinrichtung liegt. Es ist dann lediglich erforderlich, die genannten Verschiebungen, die natürlich einem entsprechenden elektrischen Abstandssignal entsprechen, dem auf der Messung beruhenden Abstandssignal hinzuzufügen oder davon abzuziehen, um so den richtigen Meßwert zu erhalten.

Das Prinzip der Meßbereichsverschiebung oder -erweiterung durch Auslenkung der Abbildung des Lichtflecks auf der optoelektronischen Empfangseinrichtung läßt sich in verschiedener Weise technisch realisieren. Eine zweckmäßige Möglichkeit besteht darin, eines oder mehrere Elemente der Abbildungsoptik in einer bewegbaren Halterung anzubringen. Durch Bewegung dieser Halterung läßt sich dann auch das entsprechende Element bewegen, wodurch die Verschiebung des Lichtflecks bewirkt wird.

Eine zweckmäßige Weiterbildung dieser technischen Lehre ist im Anspruch 3 angegeben. Danach wird eine Linse verschoben oder senkrecht zur Auslenkebene des Lichtflecks verdreht. Eine andere Möglichkeit der Weiterbildung der genannten Lehre ist im Anspruch 4 angegeben, wonach die Abbildungsoptik einen Spiegel aufweist, der die Strahlen ab- bzw. umlenkt und entweder parallel zu sich selbst verschiebbar oder um eine Achse senkrecht zur Auslenkebene des Lichtflecks verschwenkbar ist.

Grundsätzlich kann der Antrieb für die Verschwenkung in beliebiger Weise erfolgen. Grundsätzlich ist auch eine Ver-

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stellung von Hand über entsprechende Hilfsmittel möglich, jedoch kommt die Lehre nach der Erfindung dann voll zum Tragen, wenn die Verschiebung oder Verschwenkung durch ein elektrisch verstellbares Element, insbesondere ein Piezokristall, erfolgt. Bei einem Piezokristall ist lediglich die Anbringung z.B. des Spiegels an dem Piezokristall erforderlich/ das selbst ortsfest z.B. an dem Gehäuse, gehalten ist. Durch Anlegen einer passenden Gleichspannung an die Elektroden des Piezokristall ändert dieser derart seine Ausdehnung, daß dadurch die Verschiebung des zu verstellenden Elements, beispielsweise des Spiegels, erzielt wird. Im einfachsten Fall ist dies eine Parallelverschiebung. Ist der Spiegel um eine zur Auslenkebene des Lichtflecks senkrechte Achse verschwenkbar gehalten, so braucht der Piezokristall lediglich im Abstand zum Drehpunkt an dem Spiegel anzugreifen, um so ein Verschwenken des Spiegels in Abhängigkeit von der angelegten Spannung zu bewirken.

Nach der Lehre des Anspruchs 6 ist die die Verstellung bewirkende elektrische Gleichspannung in Stufen änderbar. Diese Stufen sind dabei zweckmäßigerweise so bemessen, daß der Licht- ■ fleck über den gesamten Arbeitsbereich der optoelektronischen Empfangseinrichtung bewegt wird. Auf diese Weise ist es möglich, den jeweiligen Meßbereich zu verschieben, also im Ergebnis mehrere durch den Arbeitsbereich der optoelektronischen Empfangseinrichtung vorgegebene Feinmeßbereiche nebeneinanderzulegen. Nach der Lehre des Anspruchs 7 kann das Nebeneinanderlegen bzw. die Umschaltung auf einen benachbarten Meßbereich automatisch jedesmal dann erfolgen, wenn sich der Fleck auf der optoelektronischen Empfangseinrichtung dem oberen bzw.

unteren Endwert des Meßbereichs der optoelektronischen Empfangseinrichtung nähert bzw. diesen Wert erreicht. Die Zahl der Umschaltungen läßt sich dann anzeigen und als höherstelliger Meßwert dem jeweils gemessenen Feinwert vorordnen. Bei gleichbleibend hoher Meßgenauigkeit läßt sich auf diese Weise der Gesamtmeßbereich beträchtlich erweitern.

Die Verschiebung oder Verdrehung des optischen Elements in der Abbildungsoptik mittels eines elektrisch verstellbaren Elements ermöglicht die Beseitigung eines Nachteils, der sich bei Verwendung eines Lasers als Lichtquelle ergibt und in der Bildung eines sogenannten Speckle-Musters besteht. Dieses Speckle-Muster erschwert die Auswertung des abgebildeten Lichtflecks, weil die beim Abtasten der optoelektronischen Empfangseinrichtung, z.B. einer Fotodiodenzeile, normalerweise entstehende glockenförmige Kurve mit einer Welligkeit behaftet ist. Erfind\--gsgemäß wird dieser Nachteil dadurch vermieden, daß an das elektrisch verstellbare Element eine Wechselspannung angelegt wird, die bewirkt, daß sich der Lichtfleck schnell hin- und herbewegt, so daß das Speckle-Muster verwaschen wird und eine im wesentlichen kontinuierliche Kurve als Ausgangssignal abgenommen werden kann. Diese Lehre hat für sich allgemeine Bedeutung.

Anhand eines, in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden.

Die Einrichtung zur optischen Abstandsmessung weist einen Laser 1 auf, dessen Licht über eine Pockel-Zelle 2 geregelt und mittels einer Fokussiereinrichtung 3 mit einer

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Fokussierlinse auf der zu messenden Oberfläche eines Gegenstandes 4 fokussiert wird. Auf der Oberfläche des Gegenstandes

4 entsteht so ein Lichtfleck 2A, der zwar auch durch irgendeine andere passende Beleuchtungseinrichtung erzeugt werden kann, der jedoch wegen der Verwendung eines Lasers in erwünschter Weise besonders klein ist und der mittels einer Abbildungsoptik

5 und eines Spiegels 6 auf eine optoelektronische Empfangseinrichtung 7 abgebildet wird. Die optoelektronische Empfangseinrichtung 7 besteht aus einem linearen Fotodiodenfeld und ist zur Achse der abbildenden Strahlen von dem Spiegel 6 her geneigt

Der Spiegel 6 ist auf der einen Seite mittels einer Blattfeder 8 an einem Gehäuse 9 der Meßeinrichtung gehalten und entfernt von der Blattfeder 8 über einen Piezokristall 10 mit dem Gehäuse 9 verbunden. Der Piezokristall 10 ist in bekannter Weise mit Elektroden belegt, an die eine Spannung anlegbar ist, derart, daß in Abhängigkeit von der Spannung sich die Ausdehnung des Piezokristall 10 ändert.

Der zu messende Gegenstand 4 befindet sich auf einem Drehtisch, der bei der Messung gedreht wird. Während der Drehung ändert sich der Abstand der Oberfläche des zu messenden Gegenstandes 4 von der Meßeinrichtung, und entsprechend wandert der auf der Empfangseinrichtung 7 abgebildete Lichtfleck auf dieser seitlich a.us. Die Ablenkung ist ein Maß für den Abstand der Oberfläche des Gegenstandes 4 von der Meßeinrichtung. Auf diese Weise kann die Kontur des Gegenstandes 4 bei Drehung des Drehtisches abgetastet und durch die optoelektronische Empfangseinrichtung 7 in entsprechende Abstandssignale umgewandelt werden, die - dann z.B. mit den von einem auf dem Drehtisch pla-

zierten Meistergegenstand abgeleiteten Signalen verglichen werden können.

Erreicht bei der Messung der Lichtfleck auf der Empfangseinrichtung 7 beispielsweise die obere Grenze des Arbeitsbereichs der Empfangseinrichtung 7, so läßt sich der Spiegel 6 durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden des Piezokristalls 10 so verschwenken, daß er an das andere Ende des Arbeitsbereichs der Empfangseinrichtung 7 wandert, so daß von dort aus eine Erweiterung des Abstandsbereichs erfolgt. In umgekehrter Richtung ist es dann lediglich erforderlich, die genannte Spannung von den Elektroden des Piezokristalls 10 abzuschalten.

Die Blattfeder 8 kann auch weggelassen werden, wobei sich der Piezokristall 10 vorzugsweise über die gesamte Ausdehnung des Spiegels 9 erstreckt. In diesem Fall erfolgt durch Anlegen ■ Lner Gleichspannung an die Elektroden des Piezokristalls 10 eine Parallelverschiebung des Spiegels 9, die ebenfalls eine Verschiebung des Lichtflecks auf der Empfangseinrichtung 7 im Sinne einer Meßbereichserweiterung zur Folge hat.

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Claims

Ansprüche :

1./Einrichtung zur optischen Abstandsmessung von Oberflächen zu einem Bezugspunkt, mit einer Lichtquelle, insbesondere einem Laser, mit einer Fokussiereinrichtung zur Fokussierung des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts auf die zu bestimmende Oberfläche und mit einer Abbildungsoptik zur Abbildung des von dem fokussierten Licht auf der Oberfläche erzeugten Lichtflecks auf eine optoelektronische Empfangseinrichtung, an die eine elektronische Auswerteeinrichtung zur Erzeugung eines von dem Ort des Lichtflecks auf der optoelektronischen Empfangseinrichtung abhängigen elektrischen Abstandssignals angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Veränderung der Abbildungsoptik (5, 6) zum Zwecke der Änderung der Auslenkung der Abbildung des Lichtflecks auf der optoelektronischen Empfangseinrichtung (7) vorgesehen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Veränderung der Abbildungs optik in einer bewegbaren Halterung für eines oder mehrere

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Elemente der Abbildungsoptik bestehen.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbar gehalterte Element der Abbildungsoptik eine Linse ist, die in Linsenachse verschiebbar oder um eine zur Auslenkebene des Lichtflecks senkrechte Achse verdrehbar gehalten ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbar gehaltene Element der Abbildungsoptik ein Spiegel (6) ist, der parallel zu sich selbst verschiebbar oder um eine zur Auslenkebene des Lichtflecks senkrechte Achse (8) verdrehbar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e kenr zeichnet, daß zur Verschiebung oder Verdrehung ein elektrisch verstellbares Element, insbesondere ein Piezokristall (10) vorgesehen ist, dessen Elektroden an eine Spannungsquelle anschließbar sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle ist, die in Stufen veränderbar ist, die jeweils so groß bemessen sind, daß die durch eine Spannungsstufe bewirkte Änderung des Piezokristalls (10) eine solche Änderung der Verschiebe- oder Drehlage bewirkt, daß der Fleck auf der optoelektronischen Empfangseinrichtung (7) jeweils über den gesamten

Meßbereich derselben verschoben wird.

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7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung einer Spannungsstufe automatisch jeweils dann erfolgt, wenn der Fleck auf der optoelektronischen Empfangseinrichtung (7) den oberen bzw. unteren Endwert des Meßbereichs der optoelektronischen Empfangseinrichtung (7) erreicht oder überschreitet.

8. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn-

z eichnet/ daß zur Verschiebung des Spiegels (7) dieser auf der einen Seite des Piezokristalls (10) befestigt ist, während die andere Seite des Piezokristalls (10) ortsfest (9) gehalten ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Lasers (1) als Lichtquelle dem elektrisch verstellbaren Element (10) eine Wechselspannung angelegt ist, die den Lichtfleck auf der optoelektronischen Empfangseinrichtung (7) schnell hin- und herbewegt, derart, daß das Speckle-Muster verwaschen wird.

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