DE3331552A1 - Optisches einweg-entfernungsmessverfahren - Google Patents

Optisches einweg-entfernungsmessverfahren

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DE3331552A1
DE3331552A1 DE19833331552 DE3331552A DE3331552A1 DE 3331552 A1 DE3331552 A1 DE 3331552A1 DE 19833331552 DE19833331552 DE 19833331552 DE 3331552 A DE3331552 A DE 3331552A DE 3331552 A1 DE3331552 A1 DE 3331552A1
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optical
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DE19833331552
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Rolf Dipl.-Ing. 7314 Wernau Beck
Stefan Dipl.-Ing. 7252 Ditzingen Dagenbach
Henning Dr.-Ing. 7440 Nürtingen Wolf
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/026—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)

Description

  • Cptlsches 3'inweg-Entf ernungsme ßverfahr en.
  • BESCH1tEIBUNG Der Erfindung liegt die berührungslose Messung des Abstandes von einer Oberfläche zu Grunde.
  • Der Vorteil eines solchen Messverfahrens liegt in der Möglichkeit, empfindliche, leicht verformbare Teile abzutasten. Weiter ist die Geschwindigkeit der Messung auf Grund fehlender träger Massen (im Vergleich zu mechanischen Messtasternl größer.
  • Stand der Technik Zur Zeit werden für die optische Abstandsbestimmung im wesentlichen drei Verfahren angewandt; die Triangulation, die Auswertung der Laufzeit des Lichtes und die Interferometrie.
  • Die Nachteile der triangulativen Verfahren sind unter anderem Abschattungen und unterschiedliche Fehlereinflüsse in und quer zur Meßebene (z.B Antasten einer Kante in Richtung der Meßebene und senkrecht dazu).
  • Wegen der hohen Lichtgeschwindigkeit ist eine Laufzeitmessung für kurze Entfernungen sehr ungenau. Die hier zu messenden Zeitdifferenzen erlauben nur Messungen über große Entfernungen mit Genauigkeiten im cm-Bereich.
  • Die Interferometrie erfordert hohe Ansprüche an die optische Qualität der zu messenden Oberfläche. Meist wird auf der Oberflache ein optischer Spiegel angebracht. Das Verfahren ist nicht für die direkte Messung der Oberflächenkontur geeignet.
  • Demgegenüber erlaubt die Erfindung eine direkte Messung der Obzektoberfläche ohne die Forderung nach optischer Qualtität.
  • Es wird lediglich ein diffuser Anteil der Reflexion gefordert.
  • Abschattungen treten bei dem in der Erfindung beschriebenen Sensor nur in sehr geringem Maß auf, nämlich im Bereich des ffnungswinkels der Beleuchtungsoptik. Weiter ist wegen der weitgehend rotationssymetrischen Anordnung der Einfluß der Orientierung eventueller Hindernisse oder Störungen gering.
  • Die Erfindung besteht aus einer Anordnung, die eine LichtmarXe auf die Oberfläche des Prüflings projiziert und die Objektweite dieser Marke (= Abstand vom Prüfling) durch Auswertung der Bildweite ermittelt.
  • - Leerseite -

Claims (1)

  1. Patentansprüche ==~============ Optische Einweg-Entfernungsmessung zur Bestimmung des Abstandes (0) zwischen einer Meßvorrichtung (1) (im folgenden Sensor genannt) und einem Punkt auf der Oberfläche eines Prüflings (2) mit diffusem Reflexionsanteil Optische Einweg-Entfernungsmessung, dadurch gekennzeichnet, daß - eine Marke (3) auf die Oberfläche des Prüflings projiziert wird - die Marke in dem Sensor optisch abgebildet wird - die optischen Achsen (4) der Projektionsoptik (5) und der empfangenden Optik (6) aufeinanderliegen (Rollimatorprinzip) - die Bildweite (7) der Marke zur Abstandsbestimmung verwendet wird 2 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß - eine optische Baugruppe (8) in einem Abstand (9) beweglich angebracht wird - durch die Bewegung (rotierend oder oszillierend) dieser Baugruppe eine Modulation eines Lichtstroms (10) erfolgt - diese Modulation des Lichtstroms von einem optoelektronischen Wandler (11) in ein elektrisches Signal (i2) umgewandelt wird 3 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennseichnet, daß - die optische Baugruppe (8) eine Blende enthält, deren Form und Größe der Form und Größe des scharfen Bildes der Marke entspricht - diese Blende im Bereich der Bildebene (13) angebracht ist - diese Blende entweder als positive Blende ausgeführt ist, d.h. im Bereich des Bildes der Marke lichtdurchlässig ist, oder * diese Blende als negative Blende ausgeführt -ist, d.h. im Bereich des Bildes der Marke nicht lichtdurchlässig ist, oder * die nicht lichtdurchlässigen Teile der Blende einer der beiden vorangegangenen Ausführungen verspiegelt sind, sodaß der ausgeblendete Teil des Lichtstroms reflektiert wird und gemessen werden kann - sowohl der ausgeblendete als auch der durchgelassene Lichtstrom in einem optoelektronischen Wandler erfaßt wird und somit eine Differenzmessung möglich ist 4 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß Anspruch 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß - der spiegelnde Teil der Blende so gestaltet ist, daß das Licht von der optischen Achse weg gespiegelt wird, z.B. durch Neigung der Blende gegenüber der optischen Achse - der spiegelnde Teil (14) der Blende in mehreren Teilflächen (15) realisiert wird, um seine räumliche Ausdehnung in Richtung der optischen Achse gering zu halten 5 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer anderen Anordnung - eine optoelektronische Baugruppe (16) in einem Abstand (17) beweglich angeordnet ist - durch die Bewegung dieser Baugruppe eine Modulation eines oder mehrerer elektrischer Signale erfolgt - die anderen Teile wie Projektionsoptik (5), Empfangsoptik (6) und eine eventuell vorhandene Blende (8) in dieser Version fest angebracht sind 6 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß - diese optoelektronische Baugruppe (16) entweder so -ausgebildet ist, daß sie im Bereich des Bildes der Marke lichtempfindlich ist, in den anderen Bereichen nicht, oder * so ausgebildet ist, daß sie außerhalb des Bereiches des Bildes der Marke lichtempfindlich ist, innerhalb davon nicht oder * das die optoelektronische Baugruppe aus zwei Bereichen besteht, wovon einer im Bereich des Bildes der Marke, der andere im übrigen Bereich lichtempfindlich ist. Dadurch sind zwei elektrische Signale erzeugbar und können z.B. für eine Differenzmessung verwendet werden 7 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer anderen Anordnung - für die Ermittlung der Bildweite (7) die Helligkeitsverteilung (18) des Bildes der Marke in einem festen Abstand (19) herangezogen wird und keine bewegten Baugruppen benötigt werden 8 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß - für die Ermittlung der Helligkeitsverteilung (18) ein -optoelektronischer Wandler (20) angebracht ist, der aus mehreren Einzelelementen besteht, deren elektrische Signale mit Hilfe einer elektronischen Rechenschaltung (21) ausgewertet werden 9 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer weiteren Anordnung - ein optisches System (22) fest in einem definiertem Abstand (23) angebracht ist, in welches die Marke abgebildet wird - dieses optische System das Bild der Marke in Abhängigkeit von der Objektweite (24) unterschiedlich weit von der optischen Achse (4) entfernt abbildet lU : Optiscne Einweg-Entfernungsmessung gemäß Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß - diese Ablenkung von einem optoelektronischem Wandler (25) und einer Elektronik (26) in ein elektrisches Signal (27) umgewandelt wird 11 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß - dieses System (22) zur Ablenkung aus der optischsen Achse Prismen enthält 12 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß Anspruch 1,9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß - der optoelektronische Wandler (25) eine Differenzdiode oder eine Quadrantendiode etc. ist, oder * der optoelektronische Wandler (25) eine zeilen- oder matrixförmige Anordnung lichtempfindlicher Elemente aufweist 13 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß - mehrere solcher optischen Systeme (22) angebracht sind, die das Bild der Marke in mehrere Teilbilder zerlegen und in unterschiedliche Richtungen ablenken - jedes Teilbild von einem unabhängigen optoelektronischen Wandler erfaßt und in ein elektrisches Signal gewandelt wird 14 . Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß Anspruch 1,9 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß -.eine Verknüpfung der elektrischen Signale der einzelnen Wandler (25) durch eine elektronische Schaltung erfolgt, die ein gemeinsames Messergebnis liefert 15 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß - zu stark geneigte Oberflächen (28), die z.B. zu einem Fehler des Meßergebnises führen würden, erkannt und angezeigt werden 16 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß Anspruch 1 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß - im Bereich der Eintrittspupille (29) des Sensors (1) mehrere optoelektronische Wandler (30) im gleichen Abstand (31) von der optischen Achse (4) angebracht sind, deren elektrische Signale mit Hilfe einer elektronischen Schaltung (32), z.B. einer elektronischen Differenzschaltung, zur Feststellung der Neigung der Oberfläche im Bereich der projizierten Marke (3) ausgenutzt werden 17 : Optiscne Einweg-Entfernungsmessung gemäß vorhergehenden Ansprüchen , dadurch gekennzeichnet, daß - der Aufbau des Sensors (1) weitgehend rotationssymmetrisch ist 18 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß vorhergehenden Ansprüchen , dadurch gekennzeichnet, daß - die Projektion der Marke (3) im achsnahen Bereich erfolgt - der Empfang des reflektierten Lichtes der Marke im achsfernen (z.B. kreisringförmigen) Bereich erfolgt 19 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß vorhergehenden Ansprüchen , dadurch gekennzeichnet, daß - für den Projektions(33)- und den Empfangsstrahlengang (34) getrennte Optiken, z.B. durchbohrte Linsen oder konzentrische Doppellinsen, verwendet werden 20 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß vorhergehenden Ansprüchen , dadurch gekennzeichnet, daß - die optischen Baugruppen für die Projektion (35) und den Empfang (36) hintereinander auf der optischen Achse (4) angeordnet sind 21 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß vorhergehenden Ansprüchen ,dadurch gekennzeichnet, daß - mehrere einzelne oder eine ringförmige (37) Lichtquelle mit Strahlrichtung zur optischen Achse (4) angebracht sind - auf der optischen Achse ein optisches System (38) ist, das diese Strahlen bündelt und als schlankes Bündel (39) in der optischen Achse als Marke (3) projiziert 22 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß vorhergehenden Ansprüchen , dadurch gekennzeichnet, daß - der Sensor auf Meßmaschinen, Robotern oder sonstigen mit einer Positionseinstellung oder -erfassung ausgerüsteten Maschinen zum Einsatz kommt 23 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß vorhergehenden Ansprüchen , dadurch gekennzeichnet, daß - Ort und Orientierung des Sensors durch die Koordinaten der Maschine, auf der der Sensor befestigt ist, bekannt sind 24 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß vorhergehenden Ansprüchen , dadurch gekennzeichnet, daß - zur Bestimmung der Koordinaten der Marke in einem beliebigen Bezugssystem eine vektorielle Addition von Maschinen- und Sensormesswerten bzw. - koordinaten erfolgt 25 : Optische Einweg-Entfernungsmessung gemäß vorhergehenden Ansprüchen , dadurch gekennzeichnet, daß - die Messergebnise des Sensors von dessen Orientierung im Raum unabhängig sind
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