DE3322714A1 - Method for contactless optical measurement of distances, and appropriate device - Google Patents
Method for contactless optical measurement of distances, and appropriate deviceInfo
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Abstract
Description
Verfahren zum berührungslos optischen Messen Method for non-contact optical measurement
von Abständen und entsprechende Vorrichtung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslos optischen Messen von Abständen und entsprechende Vorrichtungen nach dem Oberbegriff von Anspruch 2 oder dem von Anspruch 3. Das Verfahren kann nämlich nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 nach zweierlei unterschiedlichen Methoden, dem Fokussierungsmeßverfahren und dem Triangulationsmeßverfahren verwirklicht werden. of distances and corresponding device The invention relates to a method for contactless optical measurement of distances and corresponding Devices according to the preamble of claim 2 or that of claim 3. The method can namely according to the preamble of claim 1 according to two different Methods, the focus measurement method and the triangulation measurement method realized will.
Beispielsweise aus der Dissertation von F. Ertl, Aufbau und Untersuchung eines berührungslos optisch arbeitenden Längenmeßverfahrens für den Einsatz in der Fertigung, Darmstadt, 1978, geht das Fokussierungsmeßverfahren als bekannt hervor. In einer vorgewählten Richtung auf eine zu vermessende Oberfläche, vorzugsweise senkrecht zur anzutastenden Oberfläche, wird ein Primärlichtbündel abgestrahlt und zur Abstandsbestimmung die Intensität des von der Oberfläche rückgestreuten Lichts gemessen.For example from the dissertation by F. Ertl, structure and investigation a non-contact optical length measuring method for use in the Manufacturing, Darmstadt, 1978, the focusing measurement method emerges as known. In a preselected direction onto a surface to be measured, preferably perpendicular to the surface to be touched, a primary light beam is emitted and to determine the distance, the intensity of the light backscattered from the surface measured.
In einem Ausführungsbeispiel dient eine Fokussierungseinrichtung dazu, das von einer Lichtquelle abgesandte Lichtbündel in einen Brennpunkt im Bereich der Oberfläche zu fokussieren. Die Intensität des in der Beleuchtungsoptik zurückfallenden Sekundärlichts hat ein Maximum, wenn der Brennpunkt genau in der Objektoberfläche liegt.In one embodiment, a focusing device is used to the light beam emitted by a light source into a focal point in the area focus on the surface. The intensity of the falling back in the lighting optics Secondary light has a maximum, if the focus is exactly in the Object surface lies.
Durch Zuordnung von augenblicklichen Einstellungen der Abstandsmeßvorrichtung und deren optischen Bauteile (beispielsweise Linsenbrennweite) zu dem ausgezeichneten Zustand, wenn ein Intensitätsmaximum auftritt, kann eine Abstandsrelation eines Bezugspunkts der Meßvorrichtung zum Meßpunkt auf der Oberfläche des Meßobjekts gefunden werden. Die notwendige Brennpunktsverschiebung erfolgt beispielsweise durch Durchstrahlen einer periodischfin Anstrahlrichtung verschiebbaren Linse oder nacheinander in den Strahlengang geschobenen Linsen mit unterschiedlichen Brennweitene Die Intensitätsmessung erfolgt mittels einer Fotodiode, auf welche das von der Oberfläche in der Bleuchtungsoptik rückgestreute und über einen Strahlteiler ausgekoppelte Sekundärlicht fällt. Sofern die Fotodiode eine entsprechende Empfindlichkeit aufweist, kann bei ebenen, glatten Oberflächen die Anstrahlrichtung ohne wesentliche Beeinflussung der Meßgenauigkeit von der orthogonalen Lage in gewissen Grenzen abweichend-au.sgerichtet sein. Nachteilig ist jedoch, daß die Intensität des in der Beleuchtungsoptik zurückgestreuten Lichtanteils bei schrägem Auftreffen eines Lichtbündels auf eine Oberfläche geringer ist als beitsenkrechtem Auftreffen, und damit die Meßgenauigkeit sinkt, da bei schwach ausgeprägtem Maximum die Bestimmung des absoluten Maximums schwieriger ist. Eine stärkere Lichtquelle oder hochempfindliche Fotodioden können nur teilweise Abhilfe schaffen. Insbesondere bei spiegelnden Oberflächen ist der Streukegelwinkel des rückgestreuten Lichts recht klein, so daß schon bei kleineren Schrägstellungen des Meßgeräts kein ausreichender Lichtanteil in die Beleuchtungsoptik zurückfallen kann. Sind die Oberflächen gekrümmt, also beispielsweise konkav oder konvex ausgebildet, treten deutliche Meßfehler auf, wenn die Antastung schräg zur Oberflächennormalen erfolgt, da das Rückstreuverhalten auch eine Funktion der Oberflächenkrümmung ist. Ist die Oberfläche mit Riefen versehen, die außerdem in eine Richtung bevorzugt verlaufen, so ändeit sich das Rückstreuverhalten bei schräger Anstrahlung mit der Anstrahlrichtung, woraus sich bei von Meßpunkt zu Meßpunkt ändernder Anstrahlrichtung Meßfehler ergeben können.By assigning current settings of the distance measuring device and their optical components (e.g. lens focal length) to the excellent State, when an intensity maximum occurs, can be a distance relation of a Found reference point of the measuring device to the measuring point on the surface of the measurement object will. The necessary shift of the focal point takes place, for example, by irradiation a lens that can be shifted periodically in the direction of illumination or one after the other in the Beam path pushed lenses with different focal lengths The intensity measurement takes place by means of a photodiode, onto which the from the surface in the illumination optics secondary light that is backscattered and decoupled via a beam splitter falls. Provided the photodiode has a corresponding sensitivity, can be flat, smooth Surfaces the direction of the beam without significantly influencing the measurement accuracy be aligned deviating from the orthogonal position within certain limits. Disadvantageous is, however, that the intensity of the light component backscattered in the illumination optics when a light beam hits a surface at an angle is less than at vertical impact, and thus the measuring accuracy decreases, since at weakly pronounced Maximum it is more difficult to determine the absolute maximum. A stronger light source or highly sensitive photodiodes can only partially help. In particular with reflective surfaces, the scattering cone angle of the backscattered light is right small, so that even with smaller inclinations of the measuring device, there is not a sufficient proportion of light can fall back into the lighting optics. Are the surfaces curved, so for example concave or convex, significant measurement errors occur when the probing takes place at an angle to the surface normal, as the backscatter behavior is also a function of surface curvature. If the surface is grooved, which also run preferentially in one direction, the backscatter behavior changes in the case of oblique illumination with the direction of illumination, which results in from measuring point to the measuring point changing exposure direction can result in measurement errors.
Eine Meßeinrichtung, der das Triangulationsverfahren zugrundeliegt, geht beispielsweise aus dem VDI-Bericht, 448, Dimensionelles Messen und Prüfen in der Fertigung, 1982, Seite 29 bis 30, als bekannt hervor. Bei diesen Meßverfahren wird ein Lichtbündel, vorzugsweise ein Laserstrahl, senkrebht auf die Werkstückoberfläche gerichtet und eine Empfängeroptik in einem festen Winkel dazu angeordnet. Verschiebt sich beispielsweise die Oberfläche in Richtung des Beleuchtungsstrahls, so ändert sich auch die Intensität und Verteilung des Streulichts und die Lage dessen Maximum auf einer flächenhaft auflösenden Fotodiode. Diese Ablenkung kann gemessen werden und daraus eine Abstandsrelation des Meßgeräts zur Oberfläche gewonnen werden. Nachteilig ist auch hier, daß Abweichungen der Anstrahlrichtung von der Orthogonalen zur Meßobjektoberfläche die Meßgenauigkeit beeinträchtigen, da dadurch die Lage der Streukeule (Linien gleicher Intensität) beeinflußt wird. Bei schräger An- strahlung rauher Oberflächen mit einer Vorzugsrichtung von Unebenheiten, beispielsweise Riefen, kann die Streukeule in mehrere diskrete Streukeulen zerfallen, das heißt also, für verschiedene Winkel und Abstandseinstellungen des Meßgeräts kann kein Streulicht er¢pfangen werden und es ist deshalb keine Messung möglich Bei unbekannten Oberflächen ist also ohne weitere Maßnahmen keine sichere Betriebsweise möglich.A measuring device based on the triangulation method, goes, for example, from the VDI report, 448, Dimensional measurement and testing in der production, 1982, pages 29 to 30, as known. With these measuring methods a light beam, preferably a laser beam, is perpendicular to the workpiece surface directed and a receiver optics arranged at a fixed angle to it. Moves for example, if the surface changes in the direction of the illuminating beam also the intensity and distribution of the scattered light and the position of its maximum on a two-dimensionally resolving photodiode. This distraction can be measured and a distance relation between the measuring device and the surface can be obtained therefrom. Disadvantageous is also here that deviations in the direction of the beam from the orthogonal to the surface of the object to be measured impair the measurement accuracy, since this results in the position of the scattering lobe (lines being equal Intensity) is influenced. At an inclined radiation of rough surfaces with a preferred direction of unevenness, for example grooves, the scattering lobe decay into several discrete scattering lobes, that is, for different angles and distance settings of the measuring device, no stray light can be received and therefore no measurement is possible. In the case of unknown surfaces, no further measurements are possible Measures no safe operation possible.
Aus der CH-PS 447 631 geht eine berührungslos optisch arbeitende Abstandsmeßvorrichtung als bekannt hervor, der ein Triangulationsmeßverfahren zugrundeliegt, nach dem die Oberfläche eines zu vermessenden Objekts in einem definierten schrägen Winkel angestrahlt wird. In Anwendung dieses Verfahrens soll die Winkelhalbierende aus optischer Achse einer Empfängeroptik und des Beleuchtungslichtbündels, deren optische Achsen in einem festen Winkel zueinander angeordnet sind, für eine Messung senkrecht zu einer Werkstückoberfläche im Meßpunkt voreingestellt sein. Dazu ist die Meßeinheit auf einen Meßschlitten montiert, der in der Ebene der beiden Achsen schwenkbar um deren Schnittpunkt angeordnet ist. Eine Nachführsteuerung sorgt für eine translatorische Verschiebung des Meßgeräts, und zwar so lange, bis der mittels eines Laserstrahls auf dem Meßobjekt erzeugte, eng begrenzte Lichtfleck durch eine Linse auf einer Differentialfotozelle der Empfängeroptik abgebildet wird. Die aus wenigstens zwei Einzeldioden aufgebaute Fotozelle übernimmt nunmehr die Steuerung der translatorischen Verschiebung*Dis die Einzeldioden symmetrisch ausgeleuchtet sind. Dann liegt der Schnittpunkt der optischen Achsen von Beleuchtungslichtbündel und Empfängeroptik genau in der Werkstückoberfläche.- Für diese ausgezeichnete Position des Meßgeräts zur Obejektoberfläche läßt sich in einfacher Weise eine Abstandsrelation ermitteln.From CH-PS 447 631 a contactless optically working distance measuring device goes as known, which is based on a triangulation measurement method, according to which the The surface of an object to be measured is illuminated at a defined oblique angle will. When using this method, the bisector of the optical axis should be a receiver optics and the illuminating light beam, the optical axes of which in are arranged at a fixed angle to each other, for a measurement perpendicular to a Workpiece surface must be preset in the measuring point. The measuring unit is open for this purpose a measuring slide mounted, which can be pivoted about their axes in the plane of the two axes Intersection is arranged. A tracking control ensures a translational one Displacement of the measuring device until the by means of a laser beam Narrowly defined light spot generated on the measurement object by a lens on a Differential photocell of the receiver optics is imaged. The one from at least two The photocell made up of individual diodes now takes over the control of the translatory Shift * Dis the individual diodes are illuminated symmetrically. Then it lies Intersection of the optical axes of the illuminating light beam and the receiver optics exactly in the workpiece surface. For this excellent position of the measuring device to the object surface can be a distance relation in a simple manner determine.
Bei dieser Vorrichtung nach dem Triangulationsmeßverfahren mit schräger Antastung ist es für die Meßgenauigkeit besonders wichtig, die definierte Winkellage der Anstrahlrichtung zur Oberfläche genau voreinzustellen, In der Schrift wird jedoch keine Angabe gemacht, in welcher Art und Weise die exakte Ausrichtung des Meßgeräts erfolgen kann. Die jeweilige Ausrichtung von Hand wäre ungenau und äußerst zeitraubend.In this device according to the triangulation measuring method with oblique Probing it is particularly important for the measuring accuracy, the defined angular position the direction of the beam to the surface must be precisely set in advance, however, in the script no information given as to the exact alignment of the measuring device can be done. Manual alignment would be imprecise and extremely time-consuming.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abstandsmessung auch bei ein- und zweidimensional gekrümmten und in ihrer Normalen-Richtung unbekanntem Oberflächenverlauf und unbekannter Oberflächenstruktur schnell und mit größtmöglicher Meßgenauigkeit zu gestalten.The invention is based on the object of measuring the distance as well with one- and two-dimensionally curved and unknown in their normal direction Surface course and unknown surface structure quickly and with the greatest possible Shape measurement accuracy.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved according to the invention in a method of the generic type solved by the characterizing features of claim 1.
Durch in einem Meßpunkt jeweils automatisches Ausrichten der Anstrahlrichtung in eine frthogonale oder sonstige bevorzugte Winkellage, werden ständig optimale Meßbedingungen geschaffen. Bei entsprechender Ausrichtung des Antaststrahls ist die Intensität des Sekundärlichts maximal und, sofern die Oberflächenbeschaffenheit von Meßpunkt zu Meßpunkt unverändert ist, auch gleichbleibend.By automatically aligning the direction of light at a measuring point in a frthogonal or other preferred angular position are always optimal Measurement conditions created. With the appropriate alignment of the scanning beam the intensity of the secondary light maximum and, provided the surface texture is unchanged from measuring point to measuring point, also constant.
Daraus ergibt sich eine Steigerung der Meßgenauigkeit ins- besondere für gekrümmte Oberflächen. Vorrichtungsseitig lösen flächenhaft auflösende optoelektronische Wandler, die die Intensitätsverteilung des rückgestreuten Lichts messen, Steuersignale für Verschwenkantriebe aus.This results in an increase in the measurement accuracy special for curved surfaces. On the device side, optoelectronic resolving over a large area solve Converters that measure the intensity distribution of the backscattered light, control signals for swivel drives.
Bei senkrechter Anstrahlung der Oberfläche liegt der optoelektronische Wandler beispielsweise um die optische Achse des Primärlichtbündels herum.If the surface is illuminated vertically, the optoelectronic is located Converter, for example, around the optical axis of the primary light beam.
Vorteilhaft ist, daß eventuell auch weniger empfindliche, d.h. billigere optoelektronische Wandler zur Anwendung kommen können. Durch automatisches Ausrichten der definierten Meßtastkopfachse in die bevorzugte Lage kann wesentlich schneller, da ohne manuelles Eingreifen, eine Vielzahl von Meßpunkten mit hoher Meßgeschwindigkeit angetastet und vermessen werden. Versagen des Meßgeräts bei Abweichen der Strahlrichtung aus der bevorzugten Lage wird gänzlich vermieden. Ferner kann bei Meßverfahren, bei denen das Antastlichtbündel senkrecht auf der Oberfläche stehen SOlli ein Einfluß der Oberflächenbeschaffenheit auf die Meßergebnisse weitgehend reduziert werden. Bei. Schräganstrahlung einer Oberfläche können auf unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit beruhende Meßfehler erkannt werden, da bei immer gleichbleibender Antastrichtung fehlerhafte Messungen aufgrund von Falschausrichtung des Tastlichtbündes ausgeschlossen werden kann.It is advantageous that less sensitive, i.e. cheaper optoelectronic converters can be used. With automatic alignment the defined probe head axis in the preferred position can be much faster, since there is no manual intervention, a large number of measuring points at high measuring speed be touched and measured. Failure of the measuring device if the beam direction deviates from the preferred location is avoided entirely. Furthermore, in the case of measuring methods in which the probe light bundle is perpendicular to the surface, SOlli have an influence the surface properties can be largely reduced to the measurement results. At. Oblique radiation of a surface can be applied to different surface properties based measurement errors are recognized, since the probing direction always remains the same incorrect measurements due to misalignment of the probe light beam excluded can be.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben; Es zeigen: Figur 1 den Bereich der Pinole eines Koordinatenmeßgeräts, an dem räumlich schwenkbar der Meßtastkopf einer Abstandsmeßvorrichtung aufgehängt ist, Figur 2 die Anordnung der optischen Bauelemente im Meßtastkopf und die Geometrie des Strahlengangs, für ein nah dem Fokussierungsmeßverfahren arbeitendes Meßgerät, mit einer seitlich des Primärlichtbündels angeordneten Fotozelle, Figur 3 eine Anordnung der wesentlichen Bauelemente eines nach dem Fokussierungsmeßverfahren arbeitenden Meßgerats nach Figur 2, jedoch mit seitlich über einen Umlenkspiegel eingeblendetem Primärlichtbündel und hinter dem Umlenkspiegel um die optische Achse des Primärlichtbündels angeordneter Fotozelle, Figur 4 eine Anordnung der wesentlichen optischen Baulmente eines nach dem Triangulationsverfahren arbeitenden Meßgeräts, mit einer um die optische Achse des Primärlichtbündels angeordneten durchbohrten Fotodiode, Figur 5 eine Frontalansicht der flächenhaft auflösenden Fotodiode der Figur 2, mit einer einer Schrägstellung des Meßtastkopfs entsprechenden Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts, Intensitäsmaximum außermittig, Figur 6 eine Ansicht der Fotozelle nach Figur 2, mit einer einem orthogonal zu einer Werkstückoberfläche ausgerichteten Meßtastkopf entsprechender Intensitätsverteilung des rückgestreuten Lichts, Intensitätsmaximum mittig.An embodiment of the invention is shown in the drawings and is described in more detail below; They show: FIG. 1 den Area of the quill of a coordinate measuring machine on which the probe head can be swiveled spatially a distance measuring device is suspended, Figure 2 shows the arrangement of the optical Components in the probe head and the geometry of the beam path, for a close to the Focusing measuring device working measuring device, with one to the side of the primary light beam arranged photocell, Figure 3 shows an arrangement of the essential components of a measuring device according to FIG. 2 operating according to the focusing measuring process, but with Primary light beam faded in laterally via a deflecting mirror and behind the Deflecting mirror arranged around the optical axis of the primary light beam photocell, FIG. 4 shows an arrangement of the essential optical building elements according to the triangulation method working measuring device, with a arranged around the optical axis of the primary light beam pierced photodiode, Figure 5 is a front view of the planar resolving Photodiode of Figure 2, with a one Inclination of the probe head corresponding intensity distribution of the reflected light, intensity maximum off-center, Figure 6 is a view of the photocell according to Figure 2, with an orthogonal Probe head aligned to a workpiece surface with a corresponding intensity distribution of the backscattered light, intensity maximum in the middle.
Der Meßtastkopf 1 der berührungslos optischen Abstandsmeßvorrichtung ist, wie aus Figur 1 ersichtlich, am Ende der Pinole eines Koordinaten-Meßgeräts an einer Halterung 2 angebracht, wobei lediglich deren Endabschnitt dargestellt ist.The probe head 1 of the contactless optical distance measuring device is, as can be seen from Figure 1, at the end of the quill of a coordinate measuring device attached to a bracket 2, only the end portion being shown is.
Zwei Gelenke 3, 4 im Verlauf der Halterung 2, mit zueinander senkrecht ausgerichteten Drehachsen, erlauben räumliche Verschwenkbewegungen des Meßtastkopfs 1 zur Ausrichtung einer gemeinsamen optischen Achse der optischen Bauelemente des Meßtastkopfs in eine bevorzugte., hier orthogonale Lage zu einer zu vermessenden Objektoberfläche 5. Den Gelenken 3, 4 sind nicht dargestellte Verschwenkantriebe zugeordnet, die durch Ausgangssignale eines in Figur 2 dargestellten im Meßtastkopf 1 integrierten flächenhaft auflösenden optoelektronischen Wandlers 6 gesteuert werden, der beispielsweise eine Vier-Quadranten-Fotodiode sein kann. Die Größe der relativen Verdrehungen der Gelenke 3,4 der Halterung 2 sind beispielsweise über Winkelschrittgeber meßbar. Die Halterung 2 ist samt Meßtastkopf 1 über geeignete, nicht dargestellte Antriebe in allen drei Raumrichtungen translatorisch bewegbar. Im Raum zwischen Meß- tastkopf 1 und der im Abstand A dazu befindlichen Objektoberfläche 5, ist die Geometrie des Strahlengangs außerhalb des Meßtastkopfs eingezeichnet. Im Schnittpunkt des konvergenten Lichtbündels 7 befindet sich der Brennpunkt 8 in der Objektoberfläche 5. Um den Meßtastkopf 1 im Bauvolumen klein zu halten, kann das Primär- oder Beleuchtungslicht über Lichtleitfasern dem Meßtastkopf 1 zugeleitet werden.Two joints 3, 4 in the course of the bracket 2, with each other perpendicular aligned axes of rotation, allow spatial pivoting movements of the probe head 1 for aligning a common optical axis of the optical components of the Probe head in a preferred., Here orthogonal position to one to be measured Object surface 5. The joints 3, 4 are pivot drives, not shown assigned by output signals of a shown in Figure 2 in the probe 1 integrated planar resolving optoelectronic converter 6 can be controlled, which can be, for example, a four-quadrant photodiode. The size of the relative Rotations of the joints 3, 4 of the holder 2 are, for example, via angular encoders measurable. The holder 2 is together with the probe head 1 via suitable, not shown Drives can be moved translationally in all three spatial directions. In the space between Measuring probe 1 and the object surface located at a distance A from it 5, the geometry of the beam path outside of the probe head is shown. The focal point 8 is located at the intersection of the convergent light bundle 7 the object surface 5. In order to keep the probe head 1 small in terms of volume, can the primary or illuminating light is fed to the probe head 1 via optical fibers will.
Figur 2 zeigt die wesentlichen optischen Bauelemente im Meßtastkopf 1 eines nach dem Fokussierungsmeßverfahren arbeitenden Meßgeräts und die zugehörige Geometrie des Strahlengangs. Eine Lichtquelle 9, die auch eine Laserlichtquelle oder als Ende einer Lichtleitfaser ausgebildet sein kann, sendet Beleuchtungslicht aus, das in einer ersten Konvexlinse 10 parallel gerichtet wird. Diese kann aus Platzersparnis-/Gewichtsersparnisgründen auch kleiner als die zweite Konvexlinse 12 ausgeführt sein. Nach Durchstrahlen eines halbdurchlässigen Strahlteilers. 11, der beispielsweise eine Planspiegel ist, wird das parallel gerichtete Licht auf eine weitere Konvexlinse 12 fokussiert. Die Objektoberfläche 5 liegt genau im Brennpunkt 8, wenn zuvor der richtige Abstand A, beispielsweise durch Verfahren der Pinole; veingestellt wurde. Die optische Achse 13 des Primärlichtbündels ist als strichpunktierte Linie eingetragen. In der dargestellten Lage des Meßtastkopfs 1 steht die optische Achse nicht orthogonal auf der Werkstückoberfläche 5. Die Form und Lage der Streukeule 14 des rückgestreuten Lichts ist abhängig von der Schrägstellung des Meßtastkopfs und Beschaffenheit der Oberfläche. Bei Schräganstrahlung liegt der vom Brennpunkt ausgehende, durch das Maximum der Streukeule verlaufende Lichtstrahl 15 nicht in der optischen Achse 13) sondern in einen Winkel dazu geneigt. Der rückgestreute Lichtanteil fällt zurück auf die Konvexlinse 12, die das rückgestreute Licht parallel ausrichtet. Der halbdurchlässige Spiegel lenkt das Licht auf den optoelektronischen Wandler 6, der seitlich außerhalb des Primärlichtbündels angeordnet ist. Der Lichtstrahl 15 durch das Intensitätsmaximum der Streukeule verdeutlicht repräsentativ einen Strahlenverlauf von der Werkstückoberfläche zum optoelektronischen Wandler 6.FIG. 2 shows the essential optical components in the probe head 1 of a measuring device operating according to the focus measuring method and the associated Geometry of the beam path. A light source 9, which is also a laser light source or can be designed as the end of an optical fiber, emits illuminating light which is directed parallel in a first convex lens 10. This can be done To save space / weight, it is also smaller than the second convex lens 12 be executed. After radiating through a semi-transparent beam splitter. 11 which is, for example, a plane mirror, the parallel light is on another convex lens 12 is focused. The object surface 5 lies exactly in the focal point 8, if the correct distance A beforehand, for example by moving the quill; has been set. The optical axis 13 of the primary light beam is shown as a dash-dotted line Line entered. In the illustrated position of the probe head 1 is the optical Axis not orthogonal to the workpiece surface 5. The shape and position of the scattering lobe 14 of the backscattered light depends on the inclination of the probe head and texture of the surface. In the case of oblique radiation, that is from the focal point outgoing light beam 15 running through the maximum of the scattering lobe not in the optical axis 13) but inclined at an angle to it. The backscattered light component falls back onto the convex lens 12, which aligns the backscattered light in parallel. The semi-transparent mirror directs the light onto the optoelectronic converter 6, which is arranged laterally outside the primary light beam. The ray of light 15 by the intensity maximum of the scattering lobe illustrates a representative Beam path from the workpiece surface to the optoelectronic converter 6.
Figur 3 zeigt ebenfalls wie Figur 2 eine Vorrichtung, die nach dem Fokussierungsmeßverfahren arbeitet. Im Unterschied zu Figur 2 ist die Lichtquelle 9 ebenso wie die Konvexlinse 10 zur Flächennormalen in einem Meßpunkt quer abstrahlend angeordnet. Über einen kleinen, im Durchmesser dem Primärlichtbündel entsprechenden Umlenkspiegel 11 t wird das Primärlichtbündel in Richtung auf die Oberfläche gelenkt. Der optoelektronische Wandler 6' ist hinter dem Umlenkspiegel 11' angeordnet. Da der Primärstrahl nur dünn entsprechend dem gewünschten Lichtfleckdurchmesser zu sein braucht, reicht ein kleiner Umlenkspiegel von ca. 2 mm Durchmesser aus. Er kann beispielsweise an radial angeordneten, dünnen Stiften fixiert sein oder es wird eine Planglasplatte verwendet, bei der nur im mittleren Bereich eine elliptische Fläche als Spiegel durch Bedampfung ausgeführt ist. Durch die umgelenkte Primärstrahlführung wird erreicht, daß das meist nur schwache rückgestreute Streulicht möglichst vollständig, d.h. ohne Umlenkverluste auf die großflächige lageempeindliche Diode gelangt, und es kann stets eine ungelochte Diode verwendet werden. Weiterhin kann dadurch der Gehäuseumriß gegebenenfalls günstiger gestaltet werden.FIG. 3 also shows, like FIG. 2, a device which, according to the Focus measurement works. In contrast to Figure 2, the light source 9 as well as the convex lens 10 radiating transversely to the surface normal at a measuring point arranged. Via a small, diameter corresponding to the primary light beam Deflecting mirror 11 t, the primary light beam is directed towards the surface. The optoelectronic converter 6 'is arranged behind the deflecting mirror 11'. There the primary beam only becomes thin according to the desired light spot diameter a small deflecting mirror with a diameter of approx. 2 mm is sufficient. He can for example be fixed to radially arranged, thin pins or it a flat glass plate is used with an elliptical one only in the middle area Surface is designed as a mirror by vapor deposition. Due to the deflected primary beam guidance it is achieved that the mostly weak backscattered light is as complete as possible, i.e. reaches the large area sensitive diode without deflection losses, and an unperforated diode can always be used. Furthermore, the Housing outline can be made cheaper if necessary.
Figur 4 zeigt die wesentlichen optischen Bauteile einer optischen Abstandsmeßeinrichtung nach dem Triangulationsverfahren. Die besten Abstandsmeßergebnisse werden hierbei erreicht, wenn das Primärlichtbündel orthogonal auf der Objektoberfläche 5 steht. Dieser Fall ist in Figur 4 schon eingestellt worden durch entsprechendes Schwenken des Meßtastkopfes um zwei Achsen. Der Meßtastkopf enthält eine Lichtquelle 9, die ein Primärlichtbündel aussendet. Ferner die dazu in einem festen Winkel von ca. 45 Grad stehende Empfängeroptik 20, mit einer lageempfindlichen Flächen-oder Zeilendiode.21, die die Lage und Form des Streulicht-Intensitätsverteilungs-Anteils zu ermitteln gestattet. Der für die orthogonale Ausrichtung erforderliche zusätzliche lageempfindliche optoelektronische Wandler 6" ist koaxial zum Primärlichtbündel angeordnet und besitzt eine Aussparung zum Durchlaß des Primärlichtbündels.Figure 4 shows the essential optical components of an optical Distance measuring device based on the triangulation method. The best distance measurement results are achieved when the primary light beam is orthogonal to the object surface 5 stands. This case has already been set in FIG. 4 by a corresponding one Swiveling the probe head around two axes. The probe head contains a light source 9, which emits a primary light beam. Furthermore, this is done at a fixed angle of about 45 degrees standing receiver optics 20, with a position-sensitive surface or Line diode. 21 showing the position and shape of the scattered light intensity distribution component allowed to determine. The additional required for orthogonal alignment position-sensitive optoelectronic converter 6 ″ is coaxial with the primary light beam arranged and has a recess for the passage of the primary light beam.
Selbstverständlich könnte auch der rückgestreute Lichtanteil über einen teildurchlässigen Umlenkspiegel auf die seitlich außerhalb des Primärstrahls angebrachte lageempfindliche Fotozelle umgelenkt werden, wie es etwa in Figur 2 für das Fokussierungsmeßverfahren dargestellt ist.Of course, the backscattered light component could also be over a partially transparent deflecting mirror on the side outside of the primary beam attached position-sensitive photocell are deflected, as shown in Figure 2 for the focus measurement method is shown.
Statt eines teildurchlässigen Umlenkspiegels könnte im übrigen auch ein durchbohrter Vollspiegel verwendet werden. Ebenfalls auf das Triangulationsmeßverfahren angewendet, könnte Lichtquelle und Umlenkspiegel quer zur Normalen im Meßpunkt abstrahlend angeordnet sein und die Fotodiode in Richtung des Sekundärlichts hinter dem Umlenkspiegel. Die Zeilendiode 21 liefert lediglich das Signal zur Abstandsmessung und ist vollkommen von der Steuerung für die Schwenkbewegung entkoppelt.Instead of a partially transparent deflecting mirror, it could also be used a full pierced mirror can be used. Also on the triangulation measurement method applied, the light source and deflecting mirror could emit transversely to the normal in the measuring point be arranged and the photodiode in the direction of the secondary light behind the deflecting mirror. The line diode 21 only supplies the signal for distance measurement and is perfect decoupled from the control for the swivel movement.
Die Figuren 5 und 6 zeigen eine Ansicht auf die angestrahlte Seite des optoelektronischen Wandlers 6, 6' oder 6".Figures 5 and 6 show a view of the illuminated side of the optoelectronic converter 6, 6 'or 6 ".
Das in der Oberfläche der Fotozelle anfallende Licht ist zur Darstellung in Linien gleicher Intensität aufgetragen.The light falling on the surface of the photocell is for display purposes applied in lines of equal intensity.
In Figur 5 liegt das Maximum der Intensitätsverteilung exzentrisch zum Fotodiodenmittelpunkt angeordnet. Die exzentrische Lage des Intensitätsmaximums würde etwa einer schrägen Anstrahlung der Obejektoberfläche nach Figur 2 entsprechen. Eine konzentrische Anordnung im Mittelpunkt der Fotodiode nach Figur 6 würde eine orthogonal zur Objektoberfläche ausgerichtete Meßtastkopfachse bedeuten.In FIG. 5, the maximum of the intensity distribution is eccentric arranged to the center of the photodiode. The eccentric position of the intensity maximum would roughly correspond to an oblique illumination of the object surface according to FIG. A concentric arrangement in the center of the photodiode according to Figure 6 would be a mean measuring probe axis aligned orthogonally to the object surface.
Berührungslos optisch arbeitende Abstandsmeßvorrichtungen nach dem Triangulations- und dem Fokussierungsmeßverfahren können beispielsweise als eindimensionale Meßtaster an Koordinatenmeßgeräten mit kartesischen Verfahrmöglichkeiten oder in Knickarmbauweise, wie beispielsweise bei Meßrobotern eingesetzt werden, um die Koordinatenwerte eines Bauteils Kontur-, punkt- oder linienweise zu be.stimmen.Dazu soll der Meßtaster den Abstand zwischen dem gerade angetasteten Oberflächenpunkt und einem Bezugspunkt an einem koordinatenmäßig bewegten Maschinenteil, insbesondere die Pinole eines Koordinatenmeßgeräts oder die Hand eines Roboters, ermitteln. Ist die Richtung der Abstandsmessung bekannt, so können zusammenfassend durch Koordinatentransformation die absoluten Koordinaten des Oberflächenpunktes erreicht werden -Bei Abstandsmessungen nach dem Fokussierungsmeßverfahren wird der Fokus durch Meßgeräteverschiebung oder Brennweitenänderung in der Antastrichtung relativ zur Werkstück- oberfläche periodisch oder kontinuierlich bewegt. Sofern die Winkellage der optischen Achse 13 des Meßtastkopfs 1 während eines Meßvorgangs konstant beibehalten wird, ist die Änderung der Intensität des von der Werkstückoberfläche rückgestreuten Lichts hauptsächlich eine Funktion des Brennpunktsabstands zur Werkstückoberfläche. Die Messung der Intensität ergibt ein relatives Maximum, wenn der Brennpunkt 8 genau in der Oberfläche liegt. Zwar ist es zumeist nicht unbedingt erforderlich, daß die optische Achse 13 des Meßtastkopfs 1 orthogonal zur Meßobjektoberfläche ausgerichtet ist, jedoch sind bei orthogonaler Ausrichtung höhere Meßgenauigkeiten erzielbar, da das in der Beleuchtungsoptik zurückfallende Licht gemessen wird, das dann eine Maximum ist. Der Intensitätsverlauf als Funktion der Brennpunktsverschiebung weist dann auch ein ausgeprägtes Maximum auf, wodurch die Maximumfindung wesentlich erleichtert wird. Bei konvex gekrümmten Oberflächen treten bei schräger Antastung Meßfehler auf, die darin begründet sind, daß sich je nach Brennpunktsabstand zur Objektoberfläche die Winkellage des Intensitätsmaximums des Streukegels des rückgestreuten Lichts ändert.Contactless optical distance measuring devices according to the Triangulation and the focusing measurement method can, for example, be one-dimensional Probe on coordinate measuring machines with Cartesian travel options or in Articulated arm construction, as used for example in measuring robots, to the coordinate values of a component to be determined by contour, point or line the distance between the surface point just probed and a reference point on a machine part moving in terms of coordinates, in particular the quill of a Coordinate measuring machine or the hand of a robot. Is the direction of the Distance measurement is known, so can be summarized by coordinate transformation the absolute coordinates of the surface point are reached - for distance measurements after the focus measuring method, the focus is set by shifting the measuring device or Focal length change in the scanning direction relative to the workpiece surface moved periodically or continuously. Provided the angular position of the optical axis 13 of the probe head 1 is maintained constant during a measuring process, is the Mainly changing the intensity of the light backscattered from the workpiece surface a function of the focal distance to the workpiece surface. The measurement of the intensity gives a relative maximum when the focal point 8 lies exactly in the surface. Although it is usually not absolutely necessary that the optical axis 13 of the Probe head 1 is aligned orthogonally to the surface of the measurement object, but are higher measuring accuracies can be achieved with orthogonal alignment, since this is achieved in the lighting optics reflected light is measured, which is then a maximum. The intensity curve as a function of the focus shift then also has a pronounced maximum which makes it much easier to find the maximum. With convex curved ones Measurement errors occur when probing surfaces at an angle, which are based on that depending on the focal distance to the object surface, the angular position of the intensity maximum of the scattering cone of the backscattered light changes.
Zur orthogonalen Ausrichtung der optischen Achse 13 des Meßtastkopfs 1 auf der«Objektoberfläche 5,ist eine weitere Fotodiode im r)ückgestrehten- :Lic-angordnet, die aus einer Anzahl von.inzeldiodn aufgebaut ist, die über -eine Fläche verteilt. angeordnet'sind. Eine solche flächenhaft auflösende Fotodiode.läßt sich dazu verwenden, Steuersignale für Verschwenkbewegungen der Drehantriebe an den Gelenken zu erzeugen, wenn eine von einer vorgegebenen Intensitätsverteilung abweichende Helligkeitsverteilung über der Oberfläche der Fotodiode vorliegt. Im Ausführungsbeispiel sind Ausrichtbewegungen abgeschlossen, wenn eine zum Fotodiodenmittelpunkt symmetrische Helligkeitsverteilung vorliegt. Selbstverständlich kann, wie im Ausführungsbeispiel vorgesehen, eine einzige flächenhaft ausgebildete Fotodiode auch zur Messung der Intensität für die Abstandsbestimmung verwendet werden, die von der Brennpunktslage zur Werkstückoberfläche abhängt. Anstatt einer seitlich angeordneten Fotodiode kann eine Fotodiode beispielsweise auch im Strahlengang vor der Objektoberfläche angebracht sein, die zum Durchtritt des Primärlichtbündels, speziell wenn dieses wie in Figur 2 nur dünn ausgebildet ist, eine entsprechende Uffnung besitzt. Ferner kann die Diode hinter einem Umlenkspiegel angeordnet sein, wie im Ausführungsbeispiel nach Figur 3 dargestellt. Steuersignale für Verschwenkbewegungen werden dann erzeugt, wenn das außerhalb des Strahlengangs der Beleuchtungsoptik rückgestreute Licht eine unsymmetrische Verteilung besitzt. Die Anordnung der Einzeldioden auf der Fotodiode kann beliebig geschehen, vorzugsweise ist die Anordnung mittelpunktssymmetrisch.For the orthogonal alignment of the optical axis 13 of the probe head 1 on the object surface 5, there is another photodiode in the r) ückgestrehten-: Lic-arranged, which is made up of a number of individual diodes that are distributed over an area. are arranged. Such a surface-resolving photodiode can be used to Generate control signals for pivoting movements of the rotary drives at the joints, if a brightness distribution deviating from a given intensity distribution is present above the surface of the photodiode. In the exemplary embodiment, there are alignment movements closed, if one is symmetrical to the center of the photodiode Brightness distribution is present. Of course, as in the exemplary embodiment provided, a single planar photodiode also for measuring the Intensity used for determining the distance from the focal position depends on the workpiece surface. Instead of a laterally arranged photodiode a photodiode, for example, also attached in the beam path in front of the object surface be necessary for the passage of the primary light beam, especially if this is as shown in Figure 2 is only thin, has a corresponding opening. Furthermore, the Diode can be arranged behind a deflection mirror, as in the embodiment according to Figure 3 shown. Control signals for pivoting movements are then generated if the light backscattered outside the beam path of the illumination optics a has asymmetrical distribution. The arrangement of the individual diodes on the photodiode can be done in any way, preferably the arrangement is center-point symmetrical.
Die Dioden können dann radial in Zeilen oder auch in Umfangslinien konstanter Teilung angeordnet sein. Sofern die Ausrichtung des Meßtastkopfs 1 allein durch Schwenkbewegungen der Gestängeabschnitte erfolgt, kann der anfangs angetastete Meßpunkt nicht beibehalten werden.The diodes can then be arranged radially in rows or in circumferential lines be arranged constant pitch. If the alignment of the probe head 1 alone takes place by pivoting movements of the rod sections, the initially touched Measuring point cannot be retained.
Soll dies dennoch erwünscht sein, so müssen mit jeder Schwenkbewegung der Winkeländerung entsprechend translatorische Bewegungen des Meßtastkopfs 1 und der Halterung einhergehen, die beispielsweise mittels eines Mikroprozessors aus dem Steuersignal der Fotodiode ermittelt werden. Alternativ können die Dreh- und Schwenkbewegungen auch mechanisch als Kugelkulissenführung aus- geführt sein konzentrisch zum Brennpunkt bzw. Nenn-Abstandspunkt der Abstandsmeßeinrichtung.If this is nevertheless to be desired, each swivel movement must the change in angle corresponding to translational movements of the probe head 1 and go hand in hand with the bracket, for example by means of a microprocessor the control signal of the photodiode can be determined. Alternatively, the rotary and Pivoting movements can also be performed mechanically as a ball link guide. guided be concentric to the focal point or nominal distance point of the distance measuring device.
Die Ausführungen zum Fokussierungsmeßverfahren gelten hinsichtlich der Anordnungen für Umlenkspiegel und Fotodioden in gleicher Weise für das Triangulationsverfahren, insbesondere wenn das Primärlichtbündel orthogonal die Oberfläche anstrahlen soll. Zur Abstandsbestimmung dient jedoch eine im Winkel zur optischen Achse des Primärlichtbündels angeordnete Empfängeroptik. Die Empfängeroptik ist mit einer zeilenförmig oder auch flächenhaft auflösenden Fotodiode zur Abstandsbestimmung ausgestattet.The statements on the focusing measurement method apply with regard to the arrangements for deflection mirrors and photodiodes in the same way for the triangulation method, especially if the primary light beam is to illuminate the surface orthogonally. However, an angle to the optical axis of the primary light bundle is used to determine the distance arranged receiver optics. The receiver optics are linear or with a Large-area resolving photodiode for determining the distance.
Sie dient der Feststellung der Streulicht-Intensitätsverteilung, die bei einer definierten Verteilung einem bestimmten Abstand des Meßgeräts von der Objektoberfläche entspricht. Zur Lageausrichtung ist jedoch der lageempfindliche optoelektronische Wandler 6" vorgesehen, der mittelbar oder unmittelbar die Intensitätsverteilung um die optische Achse des Primärlichtbündels mißt.It is used to determine the scattered light intensity distribution that with a defined distribution a certain distance of the measuring device from the Object surface corresponds. However, the position-sensitive one is used to align the position optoelectronic converter 6 ″ is provided, which directly or indirectly controls the intensity distribution measures around the optical axis of the primary light beam.
Wenn für ein Triangulatiosnmeßverfahren ein Primärlichtbündel eine Oberfläche in einer bevorzugten Lage schräg anstrahlen soll, so ist der optoelektronische Wandler im Bereich derjenigen Lage der Streulichtkeulenachse anzuordnen, die der bevorzugten Relativlage zwischen Primärlichtbündel und zu vermessender Oberfläche entspricht.If for a Triangulatiosnmeßverfahren a primary light beam a If the surface is to illuminate obliquely in a preferred position, then the optoelectronic To arrange transducers in the area of that position of the stray light beam axis, which the preferred relative position between the primary light beam and the surface to be measured is equivalent to.
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