DE3418767A1 - Optisches messgeraet - Google Patents

Optisches messgeraet

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DE3418767A1
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light
optical measuring
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John L. Laguna Niguel Calif. Doty
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Spectron Development Laboratories Inc
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Description

Optisches Meßgerät
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Dimensionsmeßtechnik und insbesondere auf die kontaktlose Oberflächenaufzeichnung mit einem optischen Meßgerät.
Bei vielen wissenschaftlichen und technischen Anwendungen ist es erwünscht, ein genaues Oberflächenprofil eines Objektes zu gewinnen. Z. B. fordert die Entwicklung von Land-, Luft- und Raumfahrzeugen die Erzeugung eines Konturenplanes der verschiedenen Flächen des Fahrzeuges, um eine sachgemäße Analyse der mechanischen und aerodynamischen Charakteristiken durchführen zu können. Danach können Designänderungen vorgenommen und für die weitere Designoptimierung ein Konturplan der veränderten Fläche aufgenommen werden. Zusätzlich ist in manchen Fällen die Beschreibung der Kontur eines Gegenstandes bei der Herstellung und Qualitätskontrolle kritisch. Hoch belastete Komponenten wie Getriebe, Turbinen- und Gebläseschaufeln usw. müssen mit sehr hohen Toleranzen bearbeitet werden. Häufig wird ein Detailkonturenplan des Artikels als Schablone und Qualitätsstandard für nachfolgende Massenartikel benutzt.
Es ist eine Vielzahl von Meßgeräten bzw. -köpfen entwickelt
worden, um einen Konturenplan einer Target-Fläche herstellen zu können. Z. B. sind Kontaktfühler bzw. -meßköpfe vielseitig anwendbar und bedingen bei hoher Genauigkeit relativ geringe Kosten. Kontaktbehaftete Fühler beschädigen jedoch naturgemäß in gewissem Umfang die untersuchte Fläche und zeigen Abnutzungen am Fühlerkopf. Wenn der Fühler bzw. Meßkopf falsch positioniert wird, können Meßkopf und Target-Fläche schwer beschädigt werden. Zusätzlich ist in einigen Fällen die Target-Fläche, z. B. eine Kompressorschaufel, so dünn, daß ein Kontakt mit dem Meßkopf eine Deformierung der Oberfläche und Meßfehler hervorruft.
Bedingt durch die aufgezählten Schwierigkeiten bei der Benutzung von Kontaktmeßgeräten, ist eine Anzahl von kontaktfrei arbeitenden Flächenprofil-Meßmethoden erprobt worden. Ein System, welches die punktoptische Interferometrie benutzt, ergibt eine hohe Genauigkeit, ist jedoch häufig für manche Anwendungen zu empfindlich. Verfahren, die die punktoptische Interferometrie benutzen, erfordern für eine sachgemäße Durchführung der Operation kostenaufwendige optische Elemente, eine kritische Ausrichtung der optischen Apparatur, eine ausgezeichnete Vibrationsisolierung und eine sehr aufwendige elektronische Signalverarbeitung.
Ahnlich verhält es sich bei anderen entwickelten Techniken, die die optische Flacheninterferometrie benutzen. Sie erfordern wie die Verfahren mit der punktoptischen Interferometrie aufwendige Komponenten, eine Vibrationsisolation und einen aufwendigen Signalverarbeitungsprozeß. Außerdem wurde festgestellt, daß die optische Flacheninterferometrie sehr empfindlich auf eine schlechte Ausrichtung anspricht und eine komplexe und zeitaufwendige Bildverarbeitungstechnik benutzen muß, um die erhaltenen Randdaten zu reduzieren. Diese Technik ist begrenzt
auf die Untersuchung von Targets mit hochpolierten und spiegelnd reflektierenden Flächen, die die gleiche kritische Ausrichtung bedingen wie das Meßsystem. Andere kontaktlose Techniken sind in den US-PS'n 3 481 672; 3 679 307 und 4 299 491 beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches, betriebssicheres, jedoch genau arbeitendes und einfach an vorhandene Einrichtungen anpaßbares berührungsfreies optisches Meßgerät zu schaffen, das sich für die Konturabbildung von Target-Oberflächen und die Nahbereichsmessung besonders eignet. Insbesondere stellt die Erfindung einen berührungsfrei arbeitenden optischen Meßfühler bzw. Meßkopf zur Verfügung, der nicht den kritischen Ausrichtungs- und Vibrationsproblemen der vorbekannten Vorrichtungen unterliegt und für zahlreiche Anwendungen in der Dimensionsmeßtechnik neben der Oberflächenprofilbestimmung Anwendung finden kann.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch eine Projektionsvorrichtung zum Projizieren eines astigmatischen Lichtbündels auf die Target-Fläche, eine Kollektoreinrichtung zum Auffangen des von der Target-Fläche rückgestreuten bzw. geworfenen Anteils des astigmatischen Lichts, und eine mit der Kollektoreinrichtung gekoppelte Detektoreinrichtung zur Bestimmung der Position des Meßgerätes bzw. Meßkopfes zur Target-Fläche in Abhängigkeit von der Streuung des astigmatischen Lichts an der Target-Fläche, wobei die Charakteristiken der Target-Fläche durch Überfahren der Fläche mit dem Meßkopf bestimmbar sind.
Ein solches verbessertes optisches Meßgerät kann insbesondere bei Flächenkonturabbildungs- und Nahbereichsmeßsystemen verwendet werden. Das Meßgerät enthält einen Laser oder eine andere Lichtquelle, der bzw. die zur Erzeugung eines künstlich
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induzierten Astigmatismus ein Lichtstrahlenbündel durch gekreuzt angeordnete (teil)zylindrische Linsen projiziert. Das astigmatische Strahlenbündel wird unter Benutzung entsprechender Lichtleitmittel auf die abzubildende Target-Fläche projiziert. Die von der Target-Fläche reflektierte Rückstreustrahlung wird durch eine Kollektoreinrichtung aufgefangen und auf einen Photodetektor oder eine entsprechende Strahlenmeßeinrichtung fokussiert. Naturgemäß variiert die Form des astigmatischen projizierten Lichtstrahlenbündels in Abhängigkeit vom Abstand des optischen Meßgerätes (bzw. Meßkopfes). Ein Punkt in Strahlrichtung hinter dem Meßkopf, in welchem das astigmatische Strahlenbündel einen allgemein kreisförmigen Fleck bildet, wird als Zentralfokus"Null"-Punkt (Z = 0) definiert. Vor diesem Punkt zum Meßkopf hin bildet das astigmatische Strahlenbündel einen allgemein elliptischen Fleck (bei Z = -Z0) und ähnlich hinter dem Nullpunkt einen im wesentlichen elliptischen Fleck (bei Z = +Z0), wobei letzterer im wesentlichen um 90° zum vorderen -Z0 Fleck gedreht ist. Auf diese Weise hängt die Form des auf den Photodetektor durch die Kollektoreinrichtung projizierten Bildes vom Abstand zwischen dem Meßkopf und der Target-Fläche ab. Dadurch kann durch Überwachung des Ausgangssignals jedes Elementes des Photodetektors der Abstand zwischen dem Meßkopf und der Target-Fläche konstant gehalten werden und ein Konturplan der Fläche unter Benutzung bekannter Abbildungsverfahren erzeugt werden.
Eine alternative Ausführung der Erfindung sieht vor, daß ein nicht-astigmatisches Lichtstrahlenbündel auf die abzubildende Oberfläche projiziert wird. Die von der Target-Fläche reflektierte Rückstreustrahlung wird gesammelt und durch gekreuzt angeordnete (teil)zylindrische Linsen geleitet, um einen Astigmatismus in das empfangene Strahlenbündel zu
induzieren. Das astigmatische Strahlenbündel wird dann auf einen Photodetektor fokussiert. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Form des erhaltenen Strahlenbündels eine Funktion des Abstandes zwischen dem Meßkopf und der Target-Fläche, was die Erzeugung eines Konturplanes erlaubt.
In der Zeichnung sind schematisch zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 die Darstellung der Projektion eines astigmatischen Strahlenbündels auf einen Quadrantendetektor gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles gemäß der Erfindung;
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Einführens von Astigmatismus in ein Lichtstrahlenbündel mittels gekreuzt angeordneter (teil)zylindrischer Linsen;
Fig. 4 eine graphische Darstellung des elektrischen Ausgangssignals des Quadrantendetektors der Fig. 1 als Funktion des Abstandes zwischen dem Meßkopf gemäß der Erfindung und einer Target-Fläche;
Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Verwendung der vorliegenden Erfindung zur Erzeugung eines Flächenkonturplans eines Target-Objektes.
Beschrieben wird ein optisches Meßgerät (Meßkopf) zur besonderen Anwendung in Konturflächenabbildungs- und
Nahbereichsmeßsystemen. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche Einzelheiten (spezielle Zahlen, Linsen, Materialien und Zusammenstellungen) zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung angegeben. Für den Fachmann ist klar, daß diese Einzelheiten zur Ausführung der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich sind. In anderen Fällen werden bekannte Komponenten, wie Detektoren, elektrische Prozeßmittel usw. nicht im einzelnen beschrieben, um die Erläuterungen der Erfindung nicht mit überflüssigen Einzelheiten zu belasten.
Im folgenden wird auf die Fig. 1 bezuggenommen. Das erfindungsgemäße Meßgerät enthält einen Fühler bzw. Meßkopf 10, der ein astigmatisches Lichtstrahlenbündel 12 auf eine abzubildende Target-Fläche projiziert. Der Querchnitt des Lichtstrahlenbündels 12 variiert in seiner Form als Funktion des Abstandes vom Meßkopf 10. Es ist dargestellt, daß die Form des astigmatischen Lichtstrahlenbündels 12 an einem als Zentralfokus (CF) des Strahlenbündels (Z = 0) definierten Punkt im wesentlichen kreisförmig ist. Oberhalb (Z = -ZQ) zum Meßkopf 10 hin nimmt das Lichtstrahlenbündel 12 allgemein die Form einer im wesentlichen vertikal orientierten Ellipse an. Unterhalb (Z = +ZQ) vom Meßkopf 10 weg bildet das astigmatische Strahlenbündel 12 allgemein eine um angenähert 90° zur vorgenannten Ellipse orientierte Ellipse. Wie noch erläutert werden wird, erlaubt die Verwendung eines astigmatischen Strahlenbündels, den Abstand zwischen dem Meßkopf 10 und der Target-Fläche genau aufrechtzuerhalten, um einen Konturenplan einer Target-Fläche zu erzeugen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird der Aufbau der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein berührungsfreies optisches Meßgerät 10 enthält eine Lichtquelle 14, die einen Laser, eine lichtemittierende Diode oder ähnliches zur Erzeugung eines Lichtes von gewünschter Wellenlänge aufweist. Um im
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wesentlichen parallele Strahlen zu erhalten, wird das erzeugte Licht 16 durch eine Kollimatorlinse 17 geschickt. Zwei gekreuzt angeordnete (teil)zylindrische Linsen 18 und 20, im folgenden "Zylinderlinsen" genannt, induzieren künstlich einen Astigmatismus in das Lichtstrahlenbündel 16. Wie am deutlichsten in Fig. 3 gezeigt ist, wird durch die erfindungsgemäße Verwendung gekreuzt angeordneter Zylinderlinsen der erforderliche Astigmatismus in das Strahlenbündel 16 induziert, so daß an der zentralen Fokusstelle (CF) des astigmatischen Strahlenbündels ein im wesentlichen symmetrischer und kreisförmiger Fleck erzeugt wird. Dieser Zentralfokus ist mit Z=O auf einer die Linsen 18 und 20 im wesentlichen rechtwinklig durchdringenden Achse Z definiert. Die Form des Strahlenbündels 16 oberhalb des bzw. vor dem Zentralfokus (bei Z = -Zn) ist allgemein eine Ellipse, deren Hauptachse vertikal und parallel zur Hauptlängsachse der Zylinderlinse 20 liegt. Unterhalb des bzw. hinter dem Zentralfokus (bei Z = +ZQ) nimmt das Strahlenbündel 16 wiederum die allgemeine Form einer Ellipse an, die jedoch mit ihrer Hauptachse angenähert um 90° zu der vorgenannten Ellipse gedreht ist. Die Form des Strahlenbündels 16 bei Z = +Zn ist ein Ellipse, deren Hauptachse allgemein parallel zur Längsachse der Zylinderlinsenachse 18 liegt. Die Querschnittsform des Strahlenbündels 16 ist daher vom Abstand zu den gekreuzten Linsen abhängig. Wenn auch die vorliegende Erfindung gekreuzte Zylinderlinsen verwendet, um einen künstlichen Astigmatismus zu induzieren, ist es klar, daß ähnliche Verfahren unter Benutzung von Linsenkombinationen o. dgl. benutzt werden können, um das gleiche Resultat zu erzielen.
Es wird nochmals auf Fig. 2 Bezug genommen. Das Strahlenbündel 16 wird, nachdem es die gekreuzten Zylinderlinsen 18 und 20 passiert hat, z. B. durch einen Strahlenteiler 28 auf die
abzubildende Target-Fläche 30 gerichtet. In Abhängigkeit von deren Oberflächenbeschaffenheit streut die Fläche 30 das Strahlenbündel 16. Wenn z. B. die Target-Fläche 30 relativ glatt ist, wird ein wesentlicher Teil des Strahlenbündels reflektiert. Ist dagegen die Target-Fläche 30 rauh oder auf andere Weise zerklüftet und uneben, wird das Strahlenbündel mehr oder weniger gestreut. Es wird erläutert werden, daß das Summenausgangssignal der vorliegenden Erfindung von dem Abstand zwischen dem Meßkopf 10 und der Fläche 30 abhängt, obwohl durch die Oberflächeneigenschaften der Target-Fläche sich die Menge des reflektierten, gestreuten oder absorbierten Lichtes ändert.
Das von der Target-Fläche 30 reflektierte Rückstreulicht 32 wird durch die Abbildungslinse 3 4 aufgefangen und auf einen Quadrantendetektor 36 fokussiert, der mit einer geeigneten Elektronik 37 gekoppelt ist. Obwohl die vorliegende Erfindung eine Abbildungslinse 34 benutzt, um die Streustrahlung des auf die Target-Fläche 30 projizierten Strahlenbündels 16 aufzufangen, ist es leicht verständlich, daß eine Vielzahl von anderen Sammelvorrichtungen zur Erreichung des gleichen Zieles benutzt werden können.
Wie in Fig. 1 dargestellt, weist der Quadrantendetektor 36 vier lichtempfindliche Elemente 40, 42, 44, 46 auf. Wenn der Abstand zwischen den gekreuzten Zylinderlinsen 18 und 20 und der Target-Fläche 30 dem Abstand zum Zentralfokus entspricht, bildet die auf den Quadrantendetektor 36 fokussierte Rückstreustrahlung 32 einen im wesentlichen symmetrischen und kreisförmigen Fleck 35. Dadurch ist das Ausgangssignal jedes Quadranten des Detektors im wesentlichen gleich. Für den Fall, daß die Target-Fläche 30 in den vorderen Abschnitt des astigmatischen Strahlenbündels 16 fällt, der eine allgemein elliptische Form mit einer Hauptachse parallel zur Y-Achse
(Fig. 3) hat, übersteigt das Summenausgangssignal der Quadranten 40 und 44 dasjenige der Quadranten 42 und 46. Umgekehrt übersteigt das Ausgangssignal der lichtempfindlichen Elemente 42 und 46 das Ausgangssignal der Elemente 4 0 und 4 des Detektors 36, wenn die Target-Fläche in den hinteren Abschnitt des projizierten astigmatischen Strahlenbündels fällt, der einen um allgemein 90° zum vorderen Querschnitt versetzten elliptischen Querschnitt aufweist.
Die Ausgangssignale der vier Detektorelemente werden summiert und subtrahiert, um folgende Spannungsformen zu erzeugen:
V = KP
aus —
V0 - KP +
mit
K = Proportionalkonstante P- * P42 + P46 - P40 - P44
P + - P42 + P46 + P40 + P44 und P = gesamte einfallende Lichtleistung auf jedes
Detektorelement m, wobei m = 40, 42, 44 oder 46 ist.
Es wird jetzt auf die Fig. 4 Bezug genommen. Das Ausgangssignal des Meßkopfes wird als Verhältnis V /V0 genommen, das graphisch als Funktion des Abstandes zwischen der Target-Fläche 30 und dem Zentralfokus CF des Meßkopfes dargestellt ist. Der Abstand vom Zentralfokuspunkt des astigmatischen Strahlenbündels 16 ist entlang der Abszisse der Fig. 4 und das normalisierte Ausgangssignal V /Vn des
äuS U
Quadrantendetektors auf der Ordinate aufgetragen.
Erwartungsgemäß erreicht das Detektorausgangssignal ein Maximum, wenn sich der Detektor 3 6 in der Nähe eines der beiden Brennpunkte ZQ und -ZQ befindet. Zwischen den beiden Brennpunkten ist das Ausgangssignal allgemein linear
und eindeutig. Außerhalb der beiden Brennpunkte nähert sich das Signal asymptotisch der Nullinie.
Obwohl das beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Vierquadranten-Photodetektor 3 6 benutzt, ist es klar, daß andere Detektorelementkombinationen möglich sind. Z. B. kann die vorliegende Erfindung zufriedenstellend auch einen Zweielementendetektor verwenden. In einem solchen Falle werden zur Bestimmung der Position des Meßkopfes 10 relativ zur Target-Fläche 30 in Abhängigkeit von der Beschaffenheit der Rückstreustrahlung die Ausgangssignale der beiden Elemente verglichen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Da viele der im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 enthaltenen Elemente im wesentlichen gleich sind mit denen in Fig. 2, werden zur Vereinfachung die gleichen Bezugszeichen verwendet. Um auf die Target-Fläche 30 ein Strahlenbündel zu projizieren, wird ein von der Lichtquelle 14 erzeugtes Lichtstrahlenbündel 42' durch die Kollimatorlinse 44' geleitet. Die von der Fläche 30 reflektierte Rückstreustrahlung 50 wird durch einen Strahlenteiler 52 oder eine ähnliche Einrichtung auf die gekreuzt angeordneten Zylinderlinsen 54 und 56 gerichtet. Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 induzieren die gekreuzt angeordneten Zylinderlinsen 54 und 56 einen künstlichen Astigmatismus in das aufgefangene Strahlenbündel 50 und fokussieren das Strahlenbündel auf einen mit einer geeigneten Elektronik 37 gekoppelten Quadrantendetektor 36. Wie oben beschrieben, kennzeichnet das Ausgangssignal des Quadrantendetektors 36 die Position des Meßkopfes 10 zur Target-Fläche 30. Es wurde gefunden, daß die Verwendung des "Empfangsastigmatismus"-Systems, wie es in Fig. 5 erläutert ist, im wesentlichen das gleiche Detektorausgangssignal
JA
erzeugt wie das gemäß Fig. 4. Die beiden in Figuren 2 und 5 beschriebenen Ausführungsbeispiele verwenden einen künstlich induzierten Astigmatismus, um die geometrische Form des auf den Quadrantendetektor gerichteten Lichtbündels als Funktion des Abstandes zwischen dem Meßkopf 10 und der Target-Fläche zu variieren.
Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird eine mögliche Anwendung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Meßkopf 10 ist über einen Gelenkarm 60 mit einer Koordinatenmeßvorrichtung 62 gekuppelt. Der Gelenkarm 6 0 weist Wandlerkopplelvorrichtungen 64, 66 und 68 auf, die eine Bewegung des Arms 60 in drei Richtungen (X, Y, Z) ermöglichen. Um einen Flächenkonturplan mit X, Y, Z Koordinaten für Punkte auf einem Target (z. B. eines Flugzeuges 70) zu erhalten, wird der Gelenkarm 6 0 so gehalten, daß er einen konstanten Abstand "d" vom Target 70 einhält. Dieser Abstand d entspricht dem Abstand zum Zentralfokus des astigmatischen Strahlenbündels des Meßkopfes 10. Das Ausgangssignal bei diesem Abstand ist als Nullpunktsignal (Z = 0) definiert. Das Ausgangssignal des Meßkopfes 10 kann dann derart zur Steuerung der Meßkopfposition benutzt werden, daß der Zentralfokus auf der Target-Fläche gehalten wird. Auf diese Weise kann der Gelenkarm 60 benutzt werden, um den Meßkopf 10 unter Beibehaltung eines konstanten Abstands über die Fläche 70 zu bewegen. Die X-, Y-, Z-Koordinaten jedes Punktes des Targets 70, über das der Meßkopf 10 hinwegbewegt wird, können durch Signalverarbeitung der von den Wandlern 64, 66 und 68 gelieferten Signale erhalten werden, so daß ein Flächenkonturplan des Targets relativ zu einem als Ursprung beliebig wählbaren Ausgangspunkt erzeugt wird.
Obwohl zu Fig. 6 erläutert wird, daß bei der vorliegenden Erfindung der Meßkopf 10 über den Gelenkarm 60 in einem
Inkonstanten Abstand zur Target-Fläche gehalten wird, ist es leicht verständlich, daß der Meßkopf 10 auch zur direkten Messung von Änderungen der Target-Fläche benutzt werden kann. Der Meßbereich des Meßkopfes 10 wird allgemein durch den Abstand zwischen den zwei Brennpunkten -Z0 und +ZQ definiert. Da das Ausgangssignal des Quadrantendetektors 3 zwischen den beiden Brennpunkten im wesentlichen linear ist, können geringe Abstände und Konturänderungen bestimmt werden. So kann die vorliegende Erfindung in der Qualitätskontrolle für Gegenstände mit hohen Toleranzen, wie z. B. für Zahnräder, optische und magnetische Speichermedien usw., verwendet werden. Für eine verbesserte Genauigkeit können nicht-lineare Verarbeitungsverfahren benutzt werden, um die Signale über einen breiteren Meßbereich zu linearisieren.
Es wurde eine kontaktloses optisches Meßgerät (Meßkopf) beschrieben, das seine besondere Verwendung in Konturabbildungs- und Nahbereichsmessungen hat. Der Meßkopf ist einfach, betriebssicher und kann einfach an bestehende mechanische oder elektrische Konturabbildungseinrichtungen angepaßt werden. Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 6 beschrieben wurde, versteht es sich, daß die Figuren nur der Erläuterung dienen und keinerlei Beschränkung der Erfindung beinhalten.
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Claims (1)

  1. PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBE«"· D"43OO ESSEN 1 · AM RUHRSTEIN 1 · TEL.: (02 01) 4126 Seite
    S 531 SPECTRON DEVELOPMENT LABORATORIES, INC.
    Ansprüche
    1. Optisches Meßgerät zur Bestimmung von Charakteristiken einer Target-Fläche, gekennzeichnet durch eine Projektionsvorrichtung (17, 18, 20) zum Projizieren eines astigmatischen Lichtbündels auf die Target-Fläche (30), eine Kollektoreinrichtung (34, 36) zum Auffangen des von der Target-Fläche (30) rückgestreuten Anteils (32) des astigmatischen Lichts, und eine mit der Kollektoreinrichtung (34, 3 6) gekoppelte Detektoreinrichtung (36, 37) zur Bestimmung der Position des Meßgerätes bzw. Meßkopfes (10) zur Target-Flache (30) in Abhängigkeit von der Streuung des astigmatischen Lichts an der Target-Fläche (30), wobei die Charakteristiken der Target-Fläche (30) durch überfahren der Fläche mit dem Meßkopf (10) bestimmbar sind.
    2. Optisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung (17, 18, 20) zur Erzeugung des astigmatischen Strahlenbündels zwei um 90° zueinander versetzt angeordnete (teil)zylindrische Linsen (18, 20) enthält.
    3. Optisches Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoreinrichtung (34, 36) eine Abbildungslinse (34) zum Sammeln des durch die Target-Fläche (30) rückgestreuten astigmatischen Strahlenbündels aufweist.
    4. Optisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsvorrichtung eine zwischen einer Lichtquelle (14) und einer zylindrischen Linse (18) angeordnete Kollimatorlinse (17) aufweist.
    5. Optisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Projektionsvorrichtung (17, 18, 20) und der Target-Fläche ein Strahlenteiler (28) angeordnet ist, der das astigmatische Strahlenbündel auf die Target-Fläche (30) lenkt.
    6. Optisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsvorrichtung einen Lichtquelle (14) enthält.
    7. Optisches Meßgerät zur Bestimmung der Charakteristiken einer Target-Fläche, gekennzeichnet durch eine Projektionsrichtung (14, 44') zum Projizieren eines Lichtbündels (42') auf die Target-Fläche (30), eine Kollektoreinrichtung (54, 56) zum Auffangen des von der Target-Fläche (30) rückgestreuten Anteils (50) des Strahlenbündels (42') und zum Induzieren eines Astigmatismus in das aufgefangene Strahlenbündel (50), eine mit der Kollektoreinrichtung (54, 56) gekoppelte Detektoreinrichtung (36, 3 7) zur Bestimmung der Position des Meßgeräts bzw. Meßkopfes (10) relativ zur Target-Fläche (30) in Abhängigkeit von dem festgestellten, in das aufgefangene Strahlenbündel (421) induzierten Astigmatismus, wobei die Charakteristiken der Target-Fläche (30) durch Überfahren der Flache mit dem Meßkopf (10) bestimmbar sind.
    8. Optisches Meßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoreinrichtung zur Induzierung des Astigmatismus in das aufgefangene Strahlenbündel (50) zwei um 90°
    zueinander versetzt angeordnete (teil)zylindrische Linsen (54, 56) enthält.
    9. Optisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsvorrichtung eine Lichtquelle (14) und eine Kollimatorlinse (54) aufweist.
    10. Optisches Meßgerät einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (36, 37) einen lichtempfindlichen Photo-Detektor (36) enthält.
    11. Optisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (3 6) wenigstens zwei, jeweils bei Lichteinfall ein Ausgangssignal erzeugende Detektorelemente aufweist.
    12. Optisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des astigmatischen Strahlenbündels (16; 50) als Funktion des Abstandes des Meßkopfes (10) von der Target-Fläche (30) verändert ist.
    13. Optisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das astigmatische Strahlenbündel (32) im Zentralfokus (CF) einen allgemein kreisförmigen Querschnitt aufweist.
    14. Optisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung einen Photodetektor (36) mit vier, jeweils bei Lichteinfall ein Ausgangssignal erzeugenden, lichtempfindlichen Elementen (40, 42, 44, 46) aufweist.
    15. Optisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung vier
    lichtempfindliche Quadranten (40, 42, 44, 46) mit allgemein gleicher Lichtempfindlichkeit aufweist, deren Ausgangssignale jeweils ein Maß für die in den Quadranten anfallende Lichtmenge sind.
    ■16. Optisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (36) vier lichtempfindliche Elemente (40, 42, 44, 46) aufweist, deren Ausgangsleistung durch folgende Beziehung definiert ist:
    V = KP
    aus —
    V0 - KP +
    wobei bedeuten:
    V = Gesamtausgangsspannung des Detektors K = Proportionalitätskonstante
    p — ρ +ρ — ρ — ρ
    - ~ 42 + 46 40 44
    P + - P42 + P46 + P40 + P44
    P40 = auf Element 40 auftreffende optische Leistung P42 = auf Element 42 auftreffende optische Leistung P44 = auf Element 44 auftreffende opitsche Leistung P46 = auf Element 46 auftreffende optische Leistung.
    17. Verwendung eines optischen Meßgerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Ableitung von Konturinformationen einer Target-Fläche (30) durch berührungsloses Überstreichen der Target-Fläche mit dem Meßkopf (10).
DE19843418767 1984-05-05 1984-05-19 Optisches messgeraet Withdrawn DE3418767A1 (de)

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GB08411592A GB2158228A (en) 1984-05-05 1984-05-05 Astigmatic non-contact optical probe

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GB (1) GB2158228A (de)
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