DE3322710A1 - Optische abstandsmessvorrichtung - Google Patents
Optische abstandsmessvorrichtungInfo
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Description
21. Juni 1983
Optische Abstandsmeßvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine optische Abstandsmeßvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise
aus dem Aufsatz MBerührungsfreie Antastung
technischer Oberflächen", A.F. Fercher und H.Hesse,
in der DE-Z Feinwerktechnik und Meßtechnik, 84, 1976, Heft 2 als bekannt hervorgeht.
Zur berührungslos optischen Antastung von Oberflächen können nach dem Fokussierungsmeßverfahren arbeitende
Abstandsmeßvorrichtungen eingesetzt werden. Ein Meßtastkopf der Vorrichtung sendet Primärlicht aus, das im Bereich
der Oberfläche fokussiert wird. Die Intensität des von der Oberfläche reflektierten Sekundärlichts wird gemessen,
un d dadurch eine ausgezeichnete Brennpunktslage relativ zur. Meßobjekt oberfläche festgestellt. Dieser
Brennpunktelage sind zugehörige Einstellungen an der Abstandsmeßvorrichtung, beispielsweise von Brennweiten, zuzuordnen
um daraus eine Abstandsrelation zwischen Meßgerät und Meßobjektoberfläche zu gewinnen. In der Dissert
tation von F.Ertl , Aufbau und Untersuchung eines berührungsIos
optisch arbeitenden Längenmeßverfahrens für den Einsatz in der Fertigung, Darmstadt, 1978» sind Vorrichtungen
zur Abstandsmessung mit einer einen einzigen Brennpunkt erzeugenden Fokussierungseinrlchtung geschildert.
- h -
Daim 15 017/4
Das in der eingangs erwähnten Schrift vorliegende Antastverfahren verwendet jedoch eine doppelbrechende Abbidungsoptik,
die in zwei unterschiedlichen Polarisationsebenen schwingende Primärlichtarten unterschiedlich bricht. Die
beiden Brimärlientarten werden dabei intermittierend
und wechselweis© in einer hochfrequenten Impulsfolge ausgesendet. Und zwar wird die Polarisationsrichtung des von
einer Lichtquelle ausgesendeten, in einer Ebene polarisierten Primärlichts mittels eines Modulators, (elektrooptisch
arbeitende Pockelszelle) zwischen zwei zueinander senkrechten
Polarisationsebenen hin und hergesdaltet. Das derart modulierte Primärlicht wird je nach Polarisationsrichtung
in einer doppelbrechenden Linse mit zwei festen Brennweiten unterschiedlich gebrochen und nach Durchstrahlen
einer weiteren jedoch einfach brechenden Linse in zwei zeitlich und räumlich auseinanderliegende Brennpunkte
fokussiert. Die Brennpunkte sind einander ständig äqui distant; sie lassen sich relativ zur Meßobjektoberfläche
verschieben, wozu der Meßkopf des Meßgeräts beispielsweise mit einem Verschiebeafttrieb versehen ist. Das von der Meßobjektoberfläche
in den Strahlengang des Primärlichtbündeis
reflektierte Sekundärlicht wird auf einen optoelektronischen Wandler fokussiert. Je nach Lage der Brennpunkte
relativ zur Meßobjektoberfläche bzw. nach der Größe der Li eilt fleck e darauf ändert sich die zum optoelektronischen
Wandler gelangende Intensität der einen oder anderen Art des Sekundärlichtströme. Durch laufenden Vergleich der
nacheinander am optoelektronischen Wandler ankommenden Lichtmengen bei gleichzeitiger äquidistanter Verlagerung
der beiden Brennpunktspositionen relativ zur Meßobjekt-
•jc oberfläche läßt sich die Lage der anzutastenden Oberfläche
zur Meßvorrichtung eindeutig feststellen. Bei Intensitäts-
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Daim 15 017
Th
gleiclüieit beider Sekundärlicht ar ten befindet sich die
Meßobjektoberfläche mittig zwischen beiden Brennpunkten. Aus kleinen Intensitätsunterschieden kann eine außermittige
Oberflächenlage ermittelt werden. Der beispielsweise mit einem Nachführantrieb versehene Meßkopf wird
immer so verfahren, daß die Meßobjektoberfläche stets zwischen,
den.beiden !Brennpunkten liegt. Wegen der zu bewegenden
Massen der mechanischen Nachführeinrichtung kann das Nachführen nur langsam vonstattengehen. Dies gilt insbesondere
dann, wenn hohe Auflösungen verlangt sind, beispielsweise für Rauhigkeitsmessungen, wo der Meßkopf sehr feinfühlig
nachführbar sein muß. Hohe Meßgenauigkeit verbunden mit einer schnellen Messung sind unter diesen Meßbedingungen
mit einer mechanisch gesteuerten Nachführung kaum zu leisten. Die Einstellung unterschiedlicher Auflösungen gestaltet sich
ebenfalls eehr umständlich, da dies durch Austausch der doppelbrechenden Linse von Hand erfolgen muß.
Die erwähnte Literaturstelle zeigt Möglichkeiten auf, eine Vielzahl von Primärlichtbrennpunkten hintereinander liegend
auf der optischen Achse des Meßkopfes zu erzeugen; dadurch wird bei hoher Meßgenauigkeit der Meßbereich vergrößert,
innerhalb den der Meßkopf ohne mechanische Nachführung die Meßobjektoberfläche vermessen kann. Jedoch wird das
Meßgerät dadurch sehr aufwendig, schwer, unhandlich und
jQ teuer. Überdies ist bei komplizierten Oberflächenformen
gleichwohl noch mit häufigen Nachführvorgängen zu rechnen, was eine Messung verzögert*
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung ο er der eingangs genannten Art bei einfachem Aufbau für universelle
Verwendung auszugestalten, d.h. ihr Auflösungsvermögen soll rasch'demujeweiligen Anwendungsfall anpaßbar
sein und die Messungen sollen bei allen Genauigkeitsbereichen mit hoher Geschwindigkeit, d.h. ohne mechanische
Nachführung möglich sein.
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- 6 - -.
Daim 15 017/4
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Brechungseigenschaften von elektrooptischen Bauelementen
lassen sich durch elektrische oder magnetische Felder ändern, indem die Feldstärke variiert wird. Mittels eines
doppelbrechenden optischen Bauelements, das von zwei senkrecht zueinander polarisierten Lichtarten durchstrahlt
wird, werden zueinander versetzte, jedoch im Abstand gegensinnig stufenlos veränderbare Brennpunkte erzeugt, wodurch
unterschiedliche Auflösungen eingestellt werden können. Eine äquidistante Brennpunktsverlagerung wird durch
ein weiteres, elektrooptisches jedoch isotropes Bauelement erzielt. Dadurch ist es möglich für auch bei rasch wechselnden
Auflösungen dennoch hohe Meßgeschwindigkeiten zu erzielen, da weitgehend ohne mechanische Nachführung
ausgekommen werden kann.
Vorteilhaft ist, daß die Auflösung damit auch die Meßgenauigkeit auf einfache Weise und schnell von Meßobjekt
zu Meßobjekt anderen geforderten Meßbedingungen angepaßt werden kann und gleichgültig welche Auflösung eingestellt
wird, die äquidistante Brennpunktsverschiebung dennoch mit hoher Geschwindigkeit und gleichbleibender Exaktheit erfolgt.
Vorteilhaft ist auch, daß von unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten
herrührende Einflüsse erkannt werden können, da für ein und denselben Meßpunkt praktisch ohne Aufwand
mehrere Abstandsrelationen für verschiedene Auflösungen ermittelt werden können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einer Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben; es zeigt
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die einzige Figur eine Abstandsmeßvorrichtung und ihre
optischen Bauteile.
Die Abstandsmeßvorrichtung 1 besitzt eine Lichtquelle 2, vorzugsweise eine Laser-Lichtquelle, die ein Lichtbündel
aussendet, das ständig in zwei zueinander senkrecht stehenden Ebenen linear polarisiert ist. Dies kann auch aus einer
linear-polarisierten Lichtquelle durch Vorsetzen einer λ /4-Platte erzeugt werden. In einer Divergenzlinse 3 wird das
Lichtbündel aufgeweitet, bis es auf eine Konvergenzlinse 4 trifft, die das Primärlicht parallelisiert. Zwischen dieser
und einer weiteren Konvergenzlinse 5, ist im Parallellichtbündel genügend Raum für zwei in Richtung einer Meßobjektoberfläche
durchstrahlbare Strahlteiler 6, 7. Zwischen der Konvergenzlinse 5 und der Meßobjektoberfläche 8 sind im konvergenten
Lichtbündel hintereinander zwei elektrooptisch^ Bauelemente 9, 10 in unterschiedlichen elektrischen Feldern angeordnet.
Als Elektroden 11, 12 dienen beispielsweise goldbedampfe Schmalseiten der als Planplatten ausgebildeten
elektrooptischen Bauelemente 9, 1.0. Ein elektrisches Feld wird dann aufgebaut, wenn an den Elektroden 11, 12 Spannung
anliegt. Im elektrischen Feld besitzt das elektrooptische Bauelement 10 doppelbrechende Eigenschaften.. Das heißt, eintretendes
Licht wird je nach Schwingungsrichtung unterschiedlich gebrochen. Die Elektroden 12 der doppelbrechenden Planplatte
sind derart angeordnet, daß die elektrischen Feldlinien orthogonal·
und parallel zu den Polarisationsebenen des sie durchstrahlenden Lichts angeordnet sind. Das elektrooptische Bauelement
9 zeigt isotropes Verhalten, d.h. es tritt keine Doppelbrechung auf. Die unterschiedlich polarisierten Lichtarten.
treffen im Bereich der Meßobjektoberfläche 8 in zwei Brennpunkten
14 und 15 zusammen,die in der optischen Achse 13 dor Maßapparatur hintereinander liegen. Der von der MeßobjcktoberfLache·
-R-
- 8 - Daim 15 017/4
reflektierte Lichtfluß ist abhängig von der Lage der
Brennpunkte 1'+, 15 relativ zur anzutastenden Meßobjektoberfläche
8. Das reflektierte Licht trifft nach Durchstrahlen der zuvor genannten doppelbrechenden und isotropen
Planplatte, sowie der Konvergenzlinse 5 fester Brennweite auf einen ersten Strahlteiler 7>
beispielsweise einen Teilerspiegel, der nur eine der beiden Lichtarten durchläßt,
die andere Lichtart jedoch aus den Beleuchtungsstrahlengang auskoppelt. Das ausgekoppelte Licht fällt
auf eine Linse 16, die das Licht zur Messung seiner Intensität
auf einen optoelektronischen Wandler 17, beispielsweise eine Fotozelle fokussiert. Das im Beleuchtungsstrahlengang
durch den ersten Strahlteiler 7 hindurchtretende Licht fällt auf einen weiteren Strahlteiler 6, der in
der anderen Ebene polarisiertes Licht auf einen weiteren optoelektronischen Wandler I9 fokussiert. Die Ausgangssignale
beider optoelektronischer Wandler 17, 19 werden besonders einfach in einer elektrischen Auswerteschaltung
20 verglichen. Danach sind die beiden optoelektronischen Wandler beispielsweise an eine Differenzbildungsstufe
angeschlossen, welche ein Anzeigeinstrument speist.
Wenn dieses Gerät den Wert Null anzeigt, so sind die beiden Lichtströme an den Wandlern gleich und die Oberfläche befindet
sich mittig zwischen den beiden Brennpunkten.
Durch die im elektrischen Feld ihr Brechungsverhalten ändernden Bauelemente kann die Abstandsmeßvorrichtung universal
verwendet werden. So kann die Meßgeschwindigkeit beträchtlich gesteigert werden, dadurch daß die Brennpunkt
sabstände relativ zur anzutastenden Oberfläche ohne
- 9 -
- 9 - Daim 15 017 A
mechanische, trägheitsbehaftete Stellvorrichtungen für
den Meßtastkopf veränderbar sind, indem einfach die Spannung der Elektroden geändert wird, die der isotropen
Planplatte 9 zugehörig sind. Beide Brennpunkte verschieben sich dann relativ zur Oberfläche, ohne ihren Abstand
zueinander zu ändern. Da für eine AbstandsbeStimmung die
Intensitäten des Sekundärlichts bzw. die Antwortsignale der Wandler gleich sein müssen, müssen die Brennpunkte
äquidistant so lange verschoben werden, bis die Oberfläche des Meßobjekts sich mittig zwischen ihnen befindet.
Dies kann einmal geschehen, indem die Spannung an den Elektroden 11 kontinuierlich linear ansteigt oder
fällt und der Zeitpunkt bzw. die Einstellparameter der Vorrichtung, festgehalten werden, für die das Antwortsignal
an beiden Wandlern gleich ist. Oder es können auch die Antwortsignale der Wandler direkt zvr Spannungssteuerung
verwendet werden. Besonders für hohe Auflösungen, d.h. wenn die Brennpunkte in der optischen Achse sehr
dicht beieinanderliegen, da beispielsweise die Rauhigkeit der Oberfläche vermessen werden soll, muß die Kontür
der Oberfläche sehr feinfühlig nachgefahren werden. Die Nachführwege sind relativ zum Brennpunktsabstand
groß und mit einer mechanischen Nachführrichtung in der erforderlichen Genauigkeit kaum zu steuern.
Die Einstellung der Auflösung, d.h.den Abstand zwischen
den beiden Brennpunkten je nach Anwendungsfall zu verändern, ist durch Aufgabe unterschiedlicher Spannungen an
den Elektroden 12 möglich, zwischen deren elektrischem Feld die doppelbrechende Planplatte oder Linse 10 liegt. Besonders
für eine variable Einsetzbarkeit der Abstnndsmeßvorrichtung ist
diese einer Linse mit festen Brennweiten vorzuziehen.
Venn beispielsweise von Werkstück zu Werkstück oder Meß-
- 10 -
BAD ORIGINAL
- 10 - Daim 15 017 A
punkt zu Meßpunkt die Oberflächenbeschaffenheit des
Meßobjekts sich ändert, oder einfach die Meßgenauigkeit geändert werden soll, so können nach Plan rasch
unterschiedliche Auflösungen eingestellt werden. Bei oft wechselnden Meßbedingungen wird also Meßgeschwindigkeit
und Einsetzbarkeit der Vorrichtung nicht unnötig beschränkt.
Für eine erhöhte Meßsicherheit können für einen Meßpunkt jeweils Abstandsrelationen mit unterschiedlichen
I^ Auflösungen ermittelt worden, wodurch oberflächenbedingte
Meßfehler erkannt werden können. Denn das Reflektionsverhalten
einer Oberfläche ist stark von ihrer Mikrοstruktur abhängig.
An die Elektrode der doppe1brechenden Planplatte oder Linse 10 kann
auch eine Wechselspannung angelegt werden, die bewirkt, daß die Brennpunkte sich gegensinnig zueinander bewegen. Dabei
können sich die Brennpunkte durchdringen oder sich auch nur bis auf einen bestimmten Abstand einander annähern.
Wenn die Brennpunkte genau symmetrisch zur Oberfläche schwingen, zeigen die Antwortschwingungen an den
beiden Wandlern einen übereinstimmenden zeitlichen Verlauf. Zugleich besitzt die Antwortschwingung die doppelte
Frequenz der Brennpunktschwingung. Für dazu benachbarte
Brennpunktslagen zeigen die Antwortschwingungen keine
Übereinstimmung. Durch Vergleich der Amplituden der Antwort
schwingungen ist so ohne weiteres die ausgezeichnete Lage der Brennpunkte auffindbar, in der sie symmetrisch
zur Oberfläche liegen.
- 11 - Palm 15 017A
Für eine Steigerung der Meßgenauigkeit kann die Antwortschwingung auch in ihre harmonische Schwingungen zerlegt
werden. Für die Auswertung ist besonders die Intensität des Oktavanteils der Frequenz der Brennpunktsschwingung
geeignet. Die Vorteile dieses Auswerteverfahrens sind im einzelnen in einer Parallelanmeldung der Anmelderin dargestellt.
Ή;
- Leerseite -
Claims (2)
- Daimler-Benz Aktiengesellschaft DaimStuttgart EPT jw-gro21. Juni 1983Patentansprüchef 1.yOptische Abstandsmeßvorrichtung mit einer Lichtquelle, die in zwei zueinander senkrechten Ebenen polarisiertes Primärlicht aussendet, ferner mit einer Abbildungsoptik, die ein doppelbrechendes und wenigstens ein im Brechungsverhalten isotropes optisches Bauelement enthält, und die das Primärlicht in zwei im Abstand hintereinander liegende in den Bereich einer anzutastenden Oberfläche eines Meßobjekts gebrachte Brennpunkte fokussiert, ferner mit einem die Intensität des von der Oberfläche des Meßobjekts reflektierten Sekundärlichts messenden optoelektronischen Wandler,dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (2) derart ausgebildet ist, daß sie die beiden Primärlichtarten ständig und gleichzeitig aussendet, und daß Mittel zur Trennung des Sekundärlichts entsprechend den Polarisationsrichtungen und für jede Art des Sekundärlichts jeweils ein gesonderter optoelektronischer Wandler (l7, I9) zur Intensitätsmessung vorgesehen sind,und daß das doppelbrechendeisund eines der isotropen optischen Bauelemente der Abbildungsoptik derart ausgebildet sind,daß ihr Brechungsverhalten durch ein elektrisches und/oder magnetisches Feld veränderbar ist.- 2 - Palm 15 017/4
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Bauelement im Brechungsverhalten so beeinflußbar ist, daß die Brennpunkte kontinuierlich periodisch gegenläufig schwingen.
Priority Applications (1)
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DE19833322710 DE3322710C2 (de) | 1983-06-24 | 1983-06-24 | Optische Abstandsmeßvorrichtung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3322710A1 true DE3322710A1 (de) | 1985-01-10 |
DE3322710C2 DE3322710C2 (de) | 1986-05-28 |
Family
ID=6202235
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19833322710 Expired DE3322710C2 (de) | 1983-06-24 | 1983-06-24 | Optische Abstandsmeßvorrichtung |
Country Status (1)
Country | Link |
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