DE3407074C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Abstandes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise zum Anta­ sten, d. h. zum Relativpositionieren einer beliebigen Ober­ fläche in bezug auf ein Meßgerät verwendet. Ferner dienen derartige Vorrichtungen beispielsweise in Verbindung mit Wegaufnehmern zur (relativen oder absolu­ ten) Dickenmessung von Werkstücken.

Vorrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sind beispielsweise aus der DE-OS 31 51 800 bekannt. Diese bekannte Vorrichtung erlaubt zwar die Messung der Paral­ lelverschiebung einer Oberfläche in Richtung der Flächen­ normalen, nicht jedoch auch die zusätzliche Feststellung der Verkippung der Oberfläche, deren Lage ermittelt werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß zusätzlich zur Ermittlung der Lage auch die Verkippung der Oberfläche festgestellt werden kann.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird das reflektierte Strahlenbündel mit­ tels einer Einrichtung, beispielsweise eines Strahlteilers in zwei Teilstrahlengänge aufgespalten. Der eine der bei­ den Teilstrahlengänge dient in bekannter Weise zur Ermitt­ lung der Verschiebung der Oberfläche in Richtung der Hauptachse der Vorrichtung, während in dem anderen Teil­ strahlengang ein Detektor vorgesehen ist, der die Ver­ schiebung des Energieschwerpunktes des Strahlenbündels außerhalb der Bildebene erfaßt, die von der Verkippung der anzutastenden Oberfläche gegenüber der Hauptachse der Vorrichtung abhängt.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die im Anspruch 2 gekennzeichneten Maßnahmen stellen eine optische Empfindlichkeitsvergrößerung der Vorrichtung gegenüber Verkippungen der Oberfläche dar.

Die Messung der Verschiebung des Lichtpunktes in der Bild­ ebene sowie der Verschiebung des Energieschwerpunktes des Strahlenbündels außerhalb der Bildebene kann in nahezu beliebiger Weise erfolgen. Beispielsweise können Photode­ tektoren vorgesehen sein, die mittels Stellantrieben nach­ gestellt werden.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn gemäß den Ansprüchen 2 und insbesondere den Ansprüchen 3 und 4 positionsempfindliche Photodetektoren, beispielsweise sogenannte Posicon-Dioden vorgesehen sind.

In den Ansprüchen 5 f. sind ohne Beschränkung der Allgemeinheit typische Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch noch zur Relativ-Dickenmessung in bezug auf einen Anschlag, zur Vermessung von Planparallel-Platten unter Kontrolle eventueller Verkippungen etc. verwendet werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 2 den Strahlengang bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel bei verkippter Oberfläche.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung. Die Vorrichtung weist einen La­ ser 1, beispielsweise einen He-Ne Laser, Linsensysteme L 1, L 2, L 3 und L 4, Spiegel S 1 und S 2, einen teildurchlässigen Spiegel HS sowie positionsempfindliche Photodetektoren 9 und 10 auf.

Das Linsensystem L 1 fokussiert den Strahl 2 des Lasers 1 im Punkt 3. Der beugungsbegrenzte Fokuspunkt des Laserstrahls 2 in dem Punkt 3 hat einen Durchmesser von ca. 0.03 mm. Das optische System L 2 fokussiert den Fokuspunkt auf die Sollage einer anzutastenden Oberfläche 4. Das Linsensystem L 3 fokussiert das reflektierte Lichtbündel 5 in eine Bildebene 6. Das von der Bildebene 6 ausgehende di­ vergente Strahlenbündel wird von dem teildurchlässigen Spie­ gel HS geteilt, wobei auch der durchgehende Strahl (aus Platzgründen) anschließend von dem Spiegel S 2 umgelenkt wird. Das von dem teildurchlässigen Spiegel HS ausgehende Bündel 7 wird von dem optischen System L 4 auf den einachsi­ gen positionsempfindlichen Detektor 9 fokussiert, während das von dem Spiegel S 2 ausgehende Bündel 8 auf den zwei­ achsigen positionsempfindlichen Detektor 10 ohne weitere Abbildung gelenkt wird.

Bei einer Verschiebung der anzutastenden Oberfläche 4, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, wird das fokussierte Strah­ lenbündel in der Bildebene 6 ausgelenkt. Die seitliche Bewegung des Fokuspunktes ist dabei proportional der relativen Lage der Prüflingsoberfläche 4. Die seitliche Verschiebung wird durch das Linsensystem L 4 vergrößert auf den Detektor 9 abgebildet. Die hierdurch erzeugten Span­ nungsänderungen des positionsempfindlichen Detektors werden von der Auswerteschaltung in der gewünschten Weise weiter­ verarbeitet.

Bei einer Verkippung der anzutastenden Oberfläche 4 bei vernachlässigbaren Lageänderungen, wie in Fig. 2 dargestellt, bleibt zwar der Fokuspunkt in der Bildebene ortsfest, es ändert sich jedoch proportional der Verkippung die Richtung des weiterführenden divergen­ ten Strahlenbündels. Dieses Strahlenbündel trifft auf den zweiachsigen Detektor 10 auf. Dieser wandelt die Energie­ schwerpunktslagerung in eine Spannungsänderung um, die von der Auswerteschaltung weiterverarbeitet, z. B. angezeigt wird.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat das Linsensystem L 1 eine Brennweite von 20 mm, die Linsensysteme L 2 und L 3 bestehen aus jeweils zwei Plankonvexlinsen mit einer Brennweite von jeweils 120 mm. Das Linsensystem L 4 hat eine Brennweite von 10 mm. Der Arbeitsabstand beträgt 105 mm, und ist damit außerordentlich groß.

Die Linsensysteme L 2 und L 3 bilden bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel 1 : 1 ab.

Als positionsempfindliche Detektoren können Posicon-Dioden verwendet werden.

Die Reproduzierbarkeit bei der Antastung beträgt dann weniger als 1 µm, die Meßempfindlichkeit für Verkippungen ca. 10 Winkelsekunden.

Die dargestellte Vorrichtung kann z. B. zur Zentrierprüfung von Einzellinsen, Linsensystemen und beim zentriergenauen Verkitten von Kittgliedern Verwendung finden. Darüber hinaus kann sie auch in Verbindung mit externen Weggebern, wie in­ krementalen Meßsystemen zur Dickenmessung, Durchmesserbe­ stimmung von Drehteilen etc. verwendet werden. Dabei kann u. U. auch eine zweite Vorrichtung eingesetzt werden, die auf der gegenüberliegenden Seite des Prüflings angeordnet ist.

In jedem Falle ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine genaue Kontrolle, ob die Vorrichtungshauptsache senk­ recht auf der Tangentialebene des Prüflings im Antastpunkt steht. Dies ist insbesondere beim Prüfen von planparallelen Platten vorteilhaft.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Messung des Abstandes, bei der ein optisches System (L 2) ein Lichtbündel (2) unter einem Winkel ungleich 90° auf eine Oberfläche (4) fokussiert, ein weiteres optisches System (L 3), das reflektierte Lichtbündel (5) in eine Bildebene (6) fokussiert, und eine Auswerteschaltung aus der seitlichen Auslenkung des Lichtpunktes in der Bildebene eine Verschiebung der Oberfläche (4) in Richtung der Hauptachse der Vorrichtung bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen Messung von kleinen Abweichungen von der Sollage und Verkippung ge­ richtet reflektierender Oberflächen eine Einrichtung, die das reflektierte Strahlenbündel (5) in zwei Teilstrahlen­ gänge aufspaltet, und in einem Teilstrahlengang ein Detek­ tor vorgesehen sind, der die Verschiebung des Energie­ schwerpunkts des Strahlenbündels (8) außerhalb der Bild­ ebene (6) erfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein vergrößerndes Linsensystem (L 4) den reflektierten Lichtstrahl in eine zur Bildebene konjugierte Ebene abbildet, in der ein positionsempfindli­ cher Detektor angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung zur Ermittlung der seitlichen Auslenkung des fokussierten Lichtpunktes die Signale eines einachsigen positions­ empfindlichen Photodetektors (9) auswertet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung zur Ermittlung der Verschiebung des Energieschwerpunktes des Divergentenstrahlenbündels die Signale eines zweiachsigen positionsempfindlichen Photodetektors (10) auswertet.

5. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Zentrierprüfung von Einzellinsen in optischen Systemen.

6. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 beim zentriergenauen Verkitten von Kittgliedern.

7. Verwendung zweier über einen Weggeber miteinander verbundenen Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur berührungslosen Dickenmessung von Werkstücken.