DE3507445C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruches 1 aufweist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 33 31 552.3 ist ein derartiges Verfahren beschrieben, bei dem die auf die Oberfläche des Prüflings projizierte Marke in der der Projektionsoptik und der empfangenden Optik gemein­ samen optischen Achse auf der Meßvorrichtung abgebildet wird. Die Realisierungsmöglichkeiten für die Bestimmung der Bildweite sind jedoch nicht in jeder Hinsicht zufriedenstellend.

Es ist ferner ein opto-elektronischer Abstandstaster bekannt (DE-OS 28 45 850), bei dem durch den zentralen Bereich der empfangenden Optik ein deren optische Achse enthaltendes, aus parallelen Strahlen bestehendes Lichtbündel auf die Oberfläche des Prüflinges geworfen wird. Für die Abbildung des dort erzeug­ ten Lichtpunktes wird wegen einer zentralen Blende nur der Randbereich der Abbildungsoptik ausgenutzt. In zwei Bildebenen, in denen bei minimalem bzw. maximalem Abstand des Prüflings der auf ihm erzeugte Lichtpunkt abgebildet wird, sind die Emp­ fangsflächen je einer lichtelektrischen Wandlereinrichtung angeordnet. Ein zwischen diesen beiden Wandlereinrichtungen in der optischen Achse lotrecht zu dieser angeordneter Planspie­ gel läßt bei minimalem Abstand die Abbildungslichtstrahlen ausschließlich auf die eine Wandlereinrichtung fallen. Bei maximalem Abstand des Prüflings reflektiert dieser Planspiegel alle Abbildungsstrahlen zu anderen Wandlereinrichtungen hin. Aufgrund der elektrischen Signale der beiden Wandlereinrichtungen wird der Abstand des Prüflings bestimmt. Dieses Verfahren ist mit den gleichen Ungenauigkeiten wie das nicht vorveröffent­ lichte Verfahren behaftet, weil auch bei ihm die Abstandsmes­ sung auf der Ermittlung der Schnittstelle der Abbildungsstrah­ len mit der optischen Achse beruht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Ver­ fahren zu verbessern. Diese Aufgabe löst ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Der Ausschluß des achsnahen Strahlenganges bedeutet hierbei, daß das Paraxialgebiet (Schröder, G: Technische Optik, Vogel- Verlag, Würzburg 1974, Seiten 18 und 19, ISBN 3-8023-0067-x) der Abbildungsoptik für die Abbildung nicht genutzt wird. Ferner ist unter der Lage der Ringzone nicht nur dessen Position in Längsrichtung der optischen Achse zu verstehen, sondern auch dessen Lage in radialer Richtung. Das Sammeln der von einem punktförmigen Bereich der Marke, bei dem es sich auch um den gesamten Bereich einer punktförmigen Marke handeln kann, ausge­ henden Strahlen in einer die optische Achse der Abbildungs­ optik konzentrisch umgebenden Ringzone ergibt nicht nur den Vorteil, daß die zu bestimmende Entfernung auch aus dem Durch­ messer des Ringes ermittelt werden kann. In Verbindung mit der Lichtintensitätsmessung in der durch den Schnitt der Strah­ len gebildeten Ringzone erhält man auch eine maximale Empfangs­ helligkeit sowie eine maximale Änderung der Empfangshelligkeit bei Änderungen der Meßentfernung, was für die Genauigkeit der Entfernungsbestimmung von großer Bedeutung ist. Hinzu kommt noch der Vorteil der Unempfindlichkeit gegen unterschiedliche Lichtdichte in den verschiedenen Bereichen der Abbildungsoptik, die beispielsweise auf einer ungleichen Helligkeitsverteilung infolge einer partiellen Abschattung oder einer glänzenden Oberfläche des Prüflings im Bereich der Marke beruhen kann. Abschattungen führen deshalb nur zu einer Reduzierung der Hel­ ligkeit. Das Meßergebnis können sie nicht beeinflussen. Weiterhin ist von Vorteil, daß die Anforderungen an die Qualität der Abbildungsoptik wesentlich niedriger sind als bei dem bekannten Verfahren. Schließlich wird dadurch, daß der achsnahe Strahlen­ gang ausgeschlossen und vorzugsweise nur die Randstrahlen des aus der Abbildungsoptik austretenden Lichtes gesammelt werden, eine möglichst große Helligkeitsänderung bei Änderung der Meß­ entfernung begünstigt.

Im Hinblick auf die Unempfindlichkeit gegen unterschiedliche Helligkeiten infolge von partiellen Abschattungen oder Glanz werden bei einer bevorzugten Ausführungsform die von der Marke ausgehenden Strahlen in einem zur optischen Achse der Abbildungs­ optik konzentrischen Bündel der Abbildungsoptik zugeführt.

Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zu schaffen, mittels deren in vorteilhafter Weise das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Diese Aufgabe löst eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspru­ ches 1.

Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß die Abbildungsoptik sehr kostengünstig ist, da sie nur sphärische Linsen benötigt. Allerdings braucht es sich bei der Linse oder den Linsen, aus denen die Abbildungsoptik gebildet ist, nicht um massive Linsen zu handeln. Es können Fresnel-Linsen oder sogar nur Segmente von massiven Linsen oder Fresnel-Linsen verwendet werden, die konzentrisch um die optische Achse der Abbildungsoptik herum angeordnet sind. Es ist bekannt (Firmenschift: Optics Guide 1985, Seiten 25, 26, ISBN 0-93 39 93-00-5, Melles Griot), daß zwei plankonvexe Linsen eine weitgehend aberrationsfreie Ab­ bildungsoptik ergeben können und damit für die erfindungsgemäße Vorrichtung weniger geeignet sind.

Die der Abbildungsoptik zugeordnete Lichtempfangsfläche, also diejenige Fläche, auf welche die von der Abbildungsoptik kom­ menden Lichtstrahlen auftreffen, kann ortsveränderlich sein, um sie jeweils in diejenige Position bringen zu können, in welcher die durch die Strahlenschnittpunkte gebildete Ringzone oder "Taille" liegt. Bei bevorzugten Ausführungsformen erstreckt sich jedoch die Lichtempfangsfläche, die durch eine Sensorfläche der lichtelektrischen Wandlereinrichtung oder durch eine Emp­ fangsfläche einer Lichtleiteinrichtung gebildet sein kann, über denjenigen Flächenbereich, in dem bei unterschiedlichen Bildweiten innerhalb des Meßbereiches die Ringzone liegt.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der lichtelektrischen Wandlereinrichtung und/oder der Lichtleiteinrichtung sind Gegen­ stand der Ansprüche 8 bis 17.

Die Beleuchtungseinrichtung kann in der optischen Achse der Pro­ jektionsoptik angeordnet sein, und zwar vor oder hinter der Ab­ bildungsoptik. Im letztgenannten Falle ist es nur erforderlich, daß die Abbildungsoptik eine zentrale Durchgangsöffnung für den Beleuchtungsstrahl hat. Es ist sogar möglich, die lichtelektri­ schen Wandlereinrichtung und/oder die Lichtleiteinrichtung mit einer solchen zentralen Durchgangsöffnung zu versehen. Dann kann das Licht der Beleuchtungseinrichtung, welche beispielsweise durch eine Leuchtdiode oder einen Laser gebildet sein kann, auch durch diese Bauteile hindurch geführt werden. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, die Beleuchtungseinrichtung außerhalb der optischen Achse der Projektionsoptik anzuordnen und den von ihr erzeugten Lichtstrahl in die optische Achse einzuspiegeln, und zwar vor oder hinter der Abbildungsoptik.

Im folgenden ist die Erfindung anhand in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der prinzipiellen Ausbil­ dung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, jedoch ohne die lichtelektrische Wandlereinrichtung,

Fig. 2 eine Darstellung in Diagrammform der funktionalen Zusam­ menhänge zwischen der zu bestimmenden Entfernung, der Bildweite und dem Durchmesser der Abbildung einer punkt­ förmigen Marke,

Fig. 3 einen schematisch dargestellten Längsschnitt eines Aus­ führungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Meßposition,

Fig. 4 und 5 je eine perspektivisch dargestellte Ansicht unterschied­ lich ausgebildeter lichtelektrischer Wandlereinrichtun­ gen,

Fig. 6 eine schematisch und unvollständig dargestellte Seiten­ ansicht einer anderen Ausführungsform der lichtelektri­ schen Wandlereinrichtung,

Fig. 7 bis 11 je eine schematische Darstellung verschiedener Ausfüh­ rungsformen der lichtelektrischen Wandlereinrichtung und der zugehörigen Lichtleiteinrichtung,

Fig. 12 eine schematisch dargestellte Seitenansicht der Abbildungsoptik und der lichtelektrischen Wandlereinrichtung einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 13 eine Draufsicht auf die lichtelektrische Wandlereinrich­ tung gemäß Fig. 12,

Fig. 14 eine Draufsicht entsprechend Fig. 13 auf eine abgewan­ delte Ausführungsform einer lichtelektrischen Wandler­ einrichtung,

Fig. 15 einen unvollständig dargestellten Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Lichtleiteinrichtung,

Fig. 16 eine Stirnansicht der Lichtleiteinrichtung gemäß Fig. 15,

Fig. 17 eine Seitenansicht des Endabschnittes der Lichtleitein­ richtung gemäß den Fig. 15 und 16 sowie der zugeord­ neten lichtelektrischen Wandlereinrichtung,

Fig. 18 eine perspektivisch dargestellte Ansicht des Endab­ schnittes einer anderen Ausführungsform einer Lichtleit­ einrichtung mit zugehöriger lichtelektrischer Wandler­ einrichtung,

Fig. 19 eine unvollständige schematische Darstellung einer wei­ teren Ausführungsform einer Lichtleiteinrichtung und der zugehörigen lichtelektrischen Wandlereinrichtung,

Fig. 20 eine Draufsicht auf die Empfangsfläche der Lichtleit­ einrichtung gemäß Fig. 19,

Fig. 21 ein Längsschnitt einer anderen Ausführungsform der Lichtleiteinrichtung und der zugeordneten lichtelektri­ schen Wandlereinrichtung,

Fig. 22 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der Lichtleiteinrichtung,

Fig. 23 eine Stirnansicht der Lichtleiteinrichtung gemäß Fig. 22,

Fig. 24 eine schematische Darstellung der Abbildungsoptik und einer sich in Längsrichtung der optischen Achse erstrek­ kenden lichtelektrischen Wandlereinrichtung mit ebener Empfangsfläche,

Fig. 25 eine schematische Darstellung einer Abwandlung des Aus­ führungsbeispiels gemäß Fig. 24 durch die Anordnung ei­ nes rotierenden Prismas zwischen der Abbildungsoptik und der lichtelektrischen Wandlereinrichtung,

Fig. 26 eine schematische Darstellung einer lichtelektrischen Wandlereinrichtung für eine analoge Positionsbestimmung der Abbildung der Marke,

Fig. 27 eine schematische Darstellung einer möglichen Anordnung der Abbildungsoptik der lichtlelektrischen Wandlerein­ richtung und der zugehörigen Beleuchtungseinrichtung,

Fig. 28 eine schematische Darstellung einer anderen möglichen Anordnung der Abbildungsoptik der lichtelektrischen Wandlereinrichtung und der Beleuchtungseinrichtung.

Wie Fig. 1 zeigt, weist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung zur Bestimmung der Entfernung zwischen ihr und einer wählbaren Stelle auf der Oberfläche eines Prüflings eine Beleuchtungseinrichtung 01 sowie eine Projektionsoptik 02 auf, mittels deren auf der aus­ gewählten Stelle der Oberfläche des Prüflings eine punktförmige Marke 03 erzeugt wird. Der Abstand zwischen der Projektionsoptik 02 und der punktförmigen Marke 03 ist mit x 1 bezeichnet. Durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise eine Ringblende 04, ist si­ chergestellt, daß die von der punktförmigen Marke 03 ausgehenden Lichtstrahlen 05 nur den äußeren Randbereich einer Abbildungsop­ tik 06 beaufschlagen, die gleichachsig zur Projektionsoptik 02 angeordnet ist. Durch eine nicht-gaußsche Ausbildung der Abbil­ dungsoptik 06 wird erreicht, daß die aus der Abbildungsoptik 06 austretenden Lichtstrahlen 05 sich in einer zur optischen Achse konzentrischen Ringzone schneiden, die auch als Taille des Strah­ lenbündels bezeichnet werden kann. Der Abstand dieser Ringzone von der Abbildungsoptik stellt die Bildweite dar, die mit x 2 be­ zeichnet ist. Die Bildweite x 2 ist abhängig von der zu ermitteln­ den Entfernung x 1. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist aber auch der Radius y der Ringzone eine Funktion der Bildweite x 2 und der Ent­ fernung x 1. Deshalb kann die Entfernung nicht nur aus der Bild­ weite x 2 ermittelt werden, sondern auch dem Radius y der die Ab­ bildung der Marke 03 darstellenden Ringzone oder Taille des Strahlenbündels.

Die Abbildungsoptik 06 braucht nicht, wie in Fig. 1 dargestellt, aus einer oder mehreren massiven Linsen zu bestehen. Es könnten auch Linsensegmente oder beispielsweise FRESNEL-Linsen verwendet werden, was vor allem bei großen Durchmessern kostengünstiger ist als massive Linsen. Allerdings ist auch in diesem Falle eine ro­ tationssymetrische Anordnung der Abbildungsoptik um die optische Achse herum von Vorteil, um Vorzugsrichtungen zu vermeiden, d.h. beispielsweise bei einer glänzenden Oberfläche des Prüfling und partiellen Abschattungen eine ungleiche Strahlenverteilung zu vermeiden.

Eine Realisierungsmöglichkeit des in Fig. 1 dargestellten Prin­ zips der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zeigt Fig. 3. Diese Meßvorrichtung weist ein hohlzylindrisches Außengehäuse 2 auf, dessen eines, bei der Messung der Oberfläche 1 zugewandtes Ende als Fassung für eine erste Linse 3 ausgebildet ist, die eine plankonvexe Form hat. Im Inneren dieses Außengehäuses 2 ist ein zylindrisches Gehäuse 4 angeordnet, dessen Längsachse mit derje­ nigen des Außengehäuses 3 zusammenfällt. Das eine, offene Ende des zylindrischen Gehäuses 4 liegt an der konvex gekrümmten Flä­ che der ersten Linse 3 an. An das andere Ende schließt sich ein einstückig mit dem zylindrischen Gehäuse 4 ausgebildeter Träger 5 an.

Das zylindrische Gehäuse 4 enthält in dem sich an den konischen Träger 5 anschließenden Endabschnitt eine Halterung 6, welche eine vorzentrierte Lichtquelle 7, bei der es sich im Ausführungs­ beispiel um eine LED handelt, auf die Längsachse des zylindri­ schen Gehäuses 4 ausrichtet. Der sich an die erste Linse 3 an­ schließende Endabschnitt des zylindrischen Gehäuses 4 ist als Fassung für eine plankonvexe Linse 8 ausgebildet, deren konvexe Seite an der konvexen Seite der ersten Linse 3 anliegt. Beide Linsen 3 und 8 bilen eine Projektionsoptik, deren optische Achse in der Längsachse des zylindrischen Gehäuses 4 liegt, auf die auch exakt der aus der Lichtquelle 7 austretende Strahl ausge­ richtet ist. Die Projektionsoptik, die durch eine von der Halte­ rung 6 getragene dritte Linse ergänzt sein kann, projiziert eine rotationssymmetrische Marke auf diejenige Stelle der Oberfläche 1, deren Abstand von der Meßvorrichtung ermittelt werden soll. Da die Meßvorrichtung auf einer definierten Bahn bewegt werden kann, kann mit ihrer Hilfe auch das abgetastete Profil der Oberfläche 1 bestimmt verden.

Der zwischen der Innenwandfläche des Außengehäuses 2 und der Außenmantelfläche des zylindrischen Gehäuses 4 liegende Ringbe­ reich der ersten Linse 3 gibt den Randstrahlen des Strahlenbün­ dels, das die Oberfläche 1 infolge der Projektion der Marke re­ flektiert, einen Verlauf, der zumindest annähernd parallel ist zur Längsachse des Außengehäuses 2. Es entsteht deshalb im Zwi­ schenraum zwischen dem zylindrischen Gehäuse 4 und dem Außenge­ häuse 2 ein ringförmiges Strahlenbündel, das auf die konvexe Oberfläche einer ringförmigen, plankonvexen Linse 9 fällt, die das sich an den Träger 5 anschließende Ende des zylindrischen Ge­ häuses 4 umgibt und im Außengehäuse 2 zentriert ist. Dadurch zen­ triert die Linse 9 auch das zylindrische Gehäuse 4. Eine in ge­ ringem Abstand vor der konvexen Oberfläche 9 angeordnete Ring­ blende 10 blendet die Randstrahlen des ringförmigen Strahlenbün­ dels aus.

Die ringförmige Linse 9, welche zusammen mit der ersten Linse 3 eine nicht-gaußsche Abbildungsoptik bildet, schafft durch ihren Abstand von der Linse 3 den erforderlichen Einbauraum für die Projektionsoptik und deren Lichtquelle.

Die ringförmige Linse 9 gibt den aus ihr auf der der Linse 3 ab­ gekehrten Seite austretenden Strahlen einen konvergierenden Ver­ lauf, wobei der Winkel, den diese Strahlen mit der optischen Ach­ se einschließen, vom Abstand zwischen der Meßvorrichtung und der­ jenigen Stelle der Oberfläche 1 abhängt, auf die die Marke proji­ ziert wird, weil dieser Abstand die Bildweite festlegt, die ihrerseits von dem genannten Winkel abhängt.

Wie Fig. 3 zeigt, ist in dem konvergierenden Abschnitt der die Marke abbildenden Strahlen dort, wo das Stahlenbündel seine Taille hat, eine Spiegellochblende 11 konzentrisch zur optischen Achse und in einer von der optischen Achse lotrecht durchstoßenen Ebene im Außengehäuse 2 angeordnet. Die Spiegelschicht liegt auf der der ringförmigen Linse 9 zugekehrten Seite. An die der Linse 9 abgekehrte Seite schließt sich eine im Außengehäuse 2 festge­ legte Halterung 12 für eine Photodiode 13 an, auf deren lichtem­ pfindliche Fläche diejenigen Strahlen fallen, welche durch das Loch der Spiegellochblende 11 hindurchfallen. Eine zweite Photo­ diode 14 ist im konischen Träger 5 gehaltert, und zwar in der Art, daß ihre lichtempfindliche Fläche der Spiegellochblende 11 zugekehrt ist. Beide Photodioden 13 und 14 liegen in der Längs­ achse des Außengehäuses 2 und damit in der optischen Achse der Abbildungsoptik. Die Photodiode 14 wird von denjenigen Strahlen beaufschlagt, welche von der Spiegellochblende 11 reflektiert werden.

Der Abstand der Spiegellochblende 11 von der ringförmigen Linse 9 und die Größe ihres Loches sowie die Positionen der Photodioden 13 und 14 bezüglich der Spiegellochblende 11 sind so gewählt, daß bei einem Abstand der Meßvorrichtung von der Oberfläche 1, der in der Mitte des Meßbereichs liegt, die Hälfte des aus der ringför­ migen Linse 9 austretenden Lichts auf die Photodiode 13 und die andere Hälfte auf die Photodiode 14 fällt. Bei größeren Abständen zwischen der Meßvorrichtung und der Oberfläche 1 ist der auf die Photodiode 13 fallende Teil des Strahlenbündels entsprechend kleiner, während der reflektierte und auf die Photodiode 14 fal­ lende Teil entsprechend größer ist. Sind die Abstände hingegen kleiner, dann erhöht sich die Beleuchtungsintensität der Photodi­ ode 13 auf Kosten der Beleuchtungsintensität der Photodiode 14.

Durch eine Differenzbildung der beiden von den Photodioden 13 und 14 erzeugten Signale kann deshalb ein Signal erzeugt werden, des­ sen Größe ein Maß für den Abstand zwischen der Meßvorrichtung und der Meßstelle auf der Oberfläche 1 darstellt, wobei durch die Differenzbildung sich unterschiedliche Intensitäten des Projekti­ onslichtstrahls und unterschiedliche Reflexionsbedingungen nicht auf das Meßergebnis auswirken können.

Statt einer Aufteilung des aus der Abbildungsoptik austretenden Strahlenbündels, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3 der Fall ist, kann man aber auch die aus der Abbildungs­ optik austretenden Strahlen direkt auf die lichtelektrische Wand­ lereinrichtung fallen lassen. Letztere kann, wie Fig. 4 zeigt, eine rotationssymetrische Ausbildung haben und dort koaxial zur optischen Achse der Abbildungsoptik angeordnet sein, wo die aus ihr austretenden Strahlen sich schneiden und die punktförmige Marke in einem Ring abbilden. Da sich diese Ringzone bei einer Änderung der Entfernung zwischen der Meßvorrichtung und der Ober­ fläche des Prüflings in Richtung der optischen Achse verschiebt und außerdem ihren Durchmesser verändert, besteht die in Fig. 4 dargestellte lichtelektrische Wandlereinrichtung 20 aus einem rotationssymetrischen Trägerkörper 21, dessen Länge mindestens gleich der Länge des Verschiebebereichs der Ringzone innerhalb des Meßbereiches ist und dessen sich in Richtung seiner Längsach­ se ändernder Durchmesser zumindest annähernd auf den Durchmesser der die Abbildung der Marke darstellenden Ringzone bei unter­ schiedlichen Bildweiten abgestimmt ist. Der Trägerkörper 21 trägt auf seiner Oberfläche in axialer Richtung nebeneinander separate, ringförmige Photosensoren 22 der im übrigen nicht dargestellten lichtelektrischen Wandlereinrichtung. Da die Signalgröße der Pho­ tosensoren 21 von der Beleuchtungsintensität abhängt, erzeugt derjenige Photosensor das größte elektrische Signal, der in der durch die Schnittpunkte der Lichtstrahlen gebildeten Ringzone liegt. Da jeder der Photosensoren 22 einer bestimmten Bildweite und damit auch einer bestimmten Entfernung zwischen der Meßvor­ richtung und der Oberfläche entspricht, kann diese Entfernung mit einer von der axialen Erstreckung der Photosensoren 22 abhängigen Genauigkeit ermittelt werden.

Wie Fig. 5 zeigt, kann der lichtelektrische Wandler auch eine kreiszylindrische Mantelfläche haben. Weiterhin zeigt Fig. 5, daß anstelle der ringförmigen Photosensoren 22 auf den Träger 23 auch in Richtung einer Mantellinie sich erstreckende Reihen von einzelnen Photosensoren 24 aufgebracht sein können, wobei es sich bei diesen Photosensoren 24 auch um Photosensoren mit ebener Em­ pfangsfläche handeln kann. Es wäre sogar möglich, wie noch in Verbindung mit Fig. 26 erläutert werden wird, die Photosensoren als sich über die gesamte Trägerlänge erstreckende Streifen aus­ zubilden.

Eine andere Ausbildung der konzentrisch zur optischen Achse der Abbildungsoptik angeordneten und sich über den Variationsbereich der Bildweite in Richtung der optischen Achse erstreckenden lichtelektrischen Wandlereinrichtung 25 zeigt Fig. 6. Der zylin­ drische, massive oder rohrförmige Träger 26 trägt im Abstand von­ einander Scheiben 27, die auf der der Abbildungsoptik zugekehrten Seite in ihrem äußeren Randbereich je einen ringförmigen Photo­ sensor 28 tragen. Innerhalb des Photosensors 28 kann auf jeder Scheibe 27 eine Elektronik angeordnet sein, welche beispielsweise den erforderlichen Verstärker, einen Speicher und andere erfor­ derlichen Komponenten aufhält. Ferner kann, wie Fig. 6 zeigt, der Träger 26 die erforderlichen Anschlüsse 29 tragen.

Wie die Fig. 7 bis 11 zeigen, kann man, wie dies auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 der Fall ist, in den Strahlen­ gang zwischen der Abbildungsoptik und der lichtelektrischen Wand­ lereinrichtung eine Lichtleiteinrichtung anordnen. Bei dem Aus­ führungsbeispiel gemäß Fig. 7 besteht diese Lichtleiteinrichtung 30 aus koaxial zur optischen Achse und in deren Richtung nebenei­ nander angeordneten, scheibenförmigen Prismen, welche die von der Abbildungsoptik 31 kommenden Strahlen reflektieren und auf eine ebene Sensorfläche der lichtelektrischen Wandlereinrichtung 32 werfen, die zwischen Abbildungsoptik 31 und Lichtleiteinrichtung 30 so angeordnet ist, daß die optische Achse lotrecht zur Emp­ fangsfläche verläuft. Welches der Prismen die Strahlen reflek­ tiert, hängt von der Bildweite ab. Aufgrund des Durchmessers des auf der Empfangsfläche der lichtelektrischen Wandlereinrichtung 32 abgebildeten Ringes der von der Bildweite abhängt, kann die zu bestimmenden Entfernung ermittelt werden. Hierzu kann, wie die Fig. 13 und 14 zeigen, die Empfangsfläche der lichtelek­ trischen Wandlereinrichtungen 32 aus einem Raster einzelner Pho­ tosensoren oder aus konzentrisch angeordneten, ringförmigen Pho­ tosensoren bestehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 besteht die Lichtleit­ einrichtung aus einzelnen, konzentrisch zur optischen Achse und in deren Längsrichtung versetzt angeordneten, ringförmigen Spie­ geln 32 deren Spiegelfläche einen sehr flachen Kegelstumpf defi­ niert, um optimale Reflektionsverhältnisse zu erzielen. Der Außendurchmesser der Spiegel 33 ist dabei so gewählt, daß dann, wenn die Bildweite gleich dem Abstand einer der Spiegel von der Abbildungsoptik ist, der benachbarte, der Abbildungsoptik näher­ liegende Spiegel keine oder möglichst wenige Strahlen des Strah­ lenbündels ablenkt. Jedem der Spiegel 33 ist ein auf der op­ tischen Achse angeordneter, scheibenförmiger Photosensor 34 zuge­ ordnet, der an der der Abbildungsoptik abgekehrten Seite des be­ nachbarten Spiegels angeordnet sein kann und dadurch keinen sepa­ raten Träger benötigt.

Wie Fig. 9 zeigt ist es auch möglich, einen hohlzylindrischen Träger 35 hoher Lichtdurchlässigkeit vorzusehen, der auf seiner Außenmantelfläche in axialer Richtung nebeneinander ringförmige Prismen 36 trägt, die auch an den Trägern 35 angeformt sein kön­ nen. Diese Prismen 36 haben eine von den aus der Abbildungsoptik kommenden Strahlen zumindest annähernd lotrecht beaufschlagte Fläche, und sie lenken die Strahlen radial nach innen durch den Träger 35 hindurch zu den dort in axialem Abstand voneinander an­ geordneten scheibenförmigen Photosensoren 37. Auch hier kann wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 die Bildweite und damit die zu bestimmende Entfernung aufgrund desjenigen Photosensors 37 ermittelt werden, welcher mit der größten Beleuchtungsintensität beaufschlagt wird. Analog zu der möglichen Ausbildung der Licht­ leiteinrichtung 30 als FRESNEL-Spiegel können die Prismen 36 durch FRESNEL-Linsen gebildet sein.

Die Fig. 11 und 10 zeigen, daß die ringförmigen Spiegel 38 bzw. die ringförmigen Prismen 39 unmittelbar auf der lichtelek­ trischen Wandlereinrichtung angeordnet sein können, die in diesem Falle aus einem rotationssymetrischen Träger und ringförmige Pho­ tosensoren 40 besteht, deren Sensorfläche die Außenmantelfläche des rotationssymetrischen Körpers zumindest teilweise bildet. Ge­ genüber einer unmittelbaren Beaufschlagung der Sensorfläche, die an sich auch möglich wäre, wie dies die Fig. 4 und 5 zeigen, erreicht man durch die Spiegelung oder Brechung eines günstigeren Einfallswinkels und damit eine höhere Beleuchtungsintensität der Photosensoren.

Anstatt die Bildweite aufgrund des Abstandes des Bildes von der Abbildungsoptik zu ermitteln, kann man die zu messende Entfer­ nung auch aufgrund des Durchmessers bestimmen, welchen die die Abbildung der Marke darstellende Ringzone oder Taille des Strah­ lenbündels hat. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12 und 13 weist deshalb die lichtelektrische Wandlereinrichtung 41 eine ebene Sensorfläche auf, zu der die optische Achse der Abbildungs­ optik 42 lotrecht verläuft. Die Sensorfläche ist aus einzelnen Photosensoren 43 zusammengesetzt, welche rechtwinklig zueinander verlaufende Zeilen und Reihen, also eine Matrix, bilden. Mittels einer Elektronik läßt sich aufgrund der Signale der einzelnen Photosensoren 43 der Durchmesser des Strahlenbündels ohne Schwie­ rigkeiten ermitteln.

Wie Fig. 14 zeigt, wäre es selbstverständlich auch möglich, Pho­ tosensoren 44 in Form konzentrischer Ringe anzuordnen. Die Er­ mittlung des Durchmessers des auf dieser Sensorfläche abgebilde­ ten Ringes ist hier einfacher als bei einer Matrix.

Sofern beispielsweise außer Raumgründen die lichtelektrische Wandlereinrichtung nicht direkt mit den von der Abbildungsoptik kommenden Strahlen beaufschlagt werden kann, kann man eine Licht­ leiteinrichtung 45 verwenden, die aus koaxial angeordneten rohr­ förmigen Lichtleitern 46 besteht. Diese Lichtleiter 46 sind, wie Fig. 15 zeigt, an ihrem einen Ende in Achsrichtung versetzt so angeordnet, daß das jeweils im Durchmesser kleinere Rohr über das im Durchmesser größere Rohr ein Stück weit übersteht. Dieses ge­ stufte Ende der Lichtleiteinrichtung 45 wird in der optischen Achse der Abbildungsoptik in demjenigen Bereich angeordnet, in dem die Taille des Strahlenbündels bei unterschiedlichen Entfer­ nungen liegt. Abhängig von der Entfernung werden dann die Stirn­ flächen der Lichtleiter 46 mit stark unterschiedlicher Intensität beleuchtet, wobei die größte Beleuchtungsintensität derjenigen Stelle entspricht, an der die Marke abgebildet wird, das Strah­ lenbündel also seine Taille hat. Am anderen Ende der Lichtleiter 46 läßt sich dann mittels einer lichtelektrischen Wandlereinrich­ tung 41 oder einer lichtelektrischen Wandlereinrichtung gemäß Fi­ gur 14 aus dem Durchmesser der Ringzone die gesuchte Entfernung bestimmen.

Um trotz einer rotationssymetrischen Lichtleiteinrichtung 47, welche wie die Lichtleiteinrichtung 45 ausgebildet sein kann, ei­ ne einfache lichtelektrische Wandlereinrichtung 48 verwenden zu können, die von allen von der Lichtleiteinrichtung weitergeleite­ ten Strahlen beaufschlagt wird, kann man das für den Lichtaus­ tritt vorgesehene Ende der rotationssymetrischen Lichtleitein­ richtung abschrägen, wobei die Winkel dieser Abschrägung so ge­ wählt werden müssen, daß ein Lichtaustritt nur in einer einzigen, vom Zentrum zum äußeren Rand sich erstreckenden Zone erfolgt, im übrigen jedoch das Licht so von der Schrägfläche reflektiert wird, daß es zu dieser Zone gelangt. Die lichtelektrische Wand­ lereinrichtung 48 kann dann als Linearsensor ausgebildet sein.

Sofern man die rohrförmigen Lichtleiter aus einer schneidfähigen Folie oder dergleichen herstellt, kann man, wie Fig. 18 zeigt, das Lichtaustrittsende durch Schnitte, die in Richtung je einer Mantellinie verlaufen, in Streifen 49 unterteilen, welche an ih­ rem freien Ende gebündelt sind. Auch hier genügt dann die Verwen­ dung eines Linearsensors 50.

Die gleiche Möglichkeit bildet eine Lichtleiteinrichtung 51 die aus einzelnen, strangförmigen Lichtleitern 52 kombiniert ist. Das eine Ende der einzelnen Lichtleiter 52 kann hier, wie Fig. 20 zeigt, in einer Ringzone angeordnet sein. Sofern zwei konzen­ trische Bündel genügen, was bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 19 und 20 angenommen ist, hat man in diesem Falle auch die Möglichkeit, alle Lichtleiter des äußeren Bündels und ande­ rerseits alle Lichtleiter des anderen Bündels zu bündeln und das von ihnen weitergeleitete Licht zwei Photosensoren 53 zuzuleiten, bei denen es sich um einfache Photosensoren mit ebener Empfangs­ fläche handeln kann.

Eine andere Ausführungsform einer Lichtleiteinrichtung 61, welche in der Lage ist, das Licht verschiedener Ringzonen zu bündeln, zeigt Fig. 21. Die Lichtleiteinrichtung 61 besteht aus mehreren, ineinander gesteckten Lichtleitern 62 in Form je eines Kegels, wobei die einzelnen Kegel aneinander anliegen können. Der Kegel­ winkel ist so gewählt, daß die der Abbildungsoptik zugekehrte, ringförmige Stirnfläche am offenen Ende der Kegel zumindest nahe­ zu lotrecht von den auftreffenden Strahlen beaufschlagt wird. Zweckmäßigerweise wird die Kegelhöhe so gewählt, daß die vom Licht beaufschlagte Außenmantelfläche der Lichtleiteinrichtung 61 Stufen bildet. Hierdurch liegen die der Abbildungsoptik zugekehr­ ten Enden der Lichtleiter in unterschiedlichen Abständen von der Abbildungsoptik, so daß sich die Bildweite unmittelbar daraus er­ gibt, welcher der Lichtleiter 62 mit der höchsten Beleuchtungsin­ tensität beaufschlagt wird. Die Lichtleiter 62 weisen statt einer Kegelspitze eine Abflachung auf, an der je ein Photosensor 63 an­ liegt.

Eine Lichtleiteinrichtung, welche in ihrer Wirkung mit derjenigen gemäß den Fig. 15 und 16 vergleichbar ist, die jedoch wesent­ lich einfacher herzustellen ist, zeigen die Fig. 22 und 23. Diese Lichtleiteinrichtung 64 ist aus einer dreieckförmigen oder trapezförmigen Folie gewickelt. Hierdurch erhält das eine Ende der Lichtleiteinrichtung 64 eine Kegelstumpfform mit Stufen, an denen die von der Abbildungsoptik kommenden Strahlen in die Lichtleiteinrichtung eintreten können. Am anderen Ende erhält man dann einen ringähnlichen Bereich maximaler Helligkeit, aus dem der Durchmesser der Abbildung der Marke und die Entfernung zwi­ schen der Vorrichtung und der Marke ermittelt werden können.

Sofern die lichtelektrische Wandlereinrichtung nur aus einem ebe­ nen Linearsensor 65 bestehen würde, würde sie, wie Fig. 24 zeigt, nur von einem Teil von der Abbildungsoptik 66 kommenden Strahlen beaufschlagt. Die Ermittlung der Bildweite ist aber hier besonders einfach, da der Linearsensor 65 aus einer Reihe einzel­ ner Sensoren gebildet sein könnte. Eine bessere Ausnutzung der von der Abbildungsoptik 66 kommenden Strahlen erhält man dann, wenn man einen zweiten Linearsensor oder mehr als zwei Linearsen­ soren so bezüglich der optischen Achse anordnet, daß die Em­ pfangsflächen jeweils von Teilen des Strahlenbündels beaufschlagt werden. Man kann jedoch, wenn auch zeitlich versetzt, alle von der Abbildungsoptik kommenden Strahlen auf eine lichtelektrische Wandlereinrichtung 68 mit ebener Sensorfläche lenken. Diese lichtelektrische Wandlereinrichtung 68 besteht wie der Linearsen­ sor 63 beispielsweise aus einer Reihe einzelner Photosensoren. Eine Realisierung einer solchen Reihe von Photosensoren ist mit einem CCD-Lineararray möglich. Im Strahlengang zwischen der lichtelektrischen Wandlereinrichtung 68 und der Abbildungsoptik ist in diesem Falle ein Dove-Prisma 69 anzuordnen, das um die op­ tische Achse rotiert, wie dies durch den Pfeil 70 angedeutet ist.

Sofern ein Linearsensor Anwendung findet, ist es nicht notwendig, diesen aus einer Reihe einzelner Photosensoren zu bilden. Die Stelle größter Beleuchtungsintensität kann auch, wie Fig. 26 zeigt, nach einer analogen Meßmethode ermittelt werden. Es kann dann eine handelsübliche, ebene Photodiode 71 mit Substrat und zwei weiteren elektrischen Anschlüssen verwendet werden. Die Be­ stimmung der Stelle größter Beleuchtungsintensität läßt sich hier aus der Aufteilung des der Diode auf halber Länge zugeführten Stromes I in die an den beiden Enden abnehmbaren Ströme I 1 und I 2 bestimmen. Das Verhältnis von I 2 zu I 1 gleicht dem Verhältnis von x 1 zu x 2, wobei x 1 der Abstand der Stelle größter Beleuchtungsin­ tensität von der Austrittstelle des Stromes I 1 und x 2 der ent­ sprechende Abstand von der Austrittstelle des Stromes I 2 bedeu­ tet.

Die Beleuchtungseinrichtung 72 braucht nicht, wie in den Fig. 1 und 3 dargestellt, zwischen den Linsen der Projektionsoptik und der Abbildungsoptik angeordnet zu sein. Sofern die Beleuchtungs­ einrichtung 72 in der optischen Achse liegt und die lichtelek­ trische Wandlereinrichtung 73 einen in der optischen Achse lie­ genden Durchlaßkanal für den Strahl der Beleuchtungseinrichtung 72 hat, kann mit die lichtelektrische Wandlereinrichtung 73 auch zwischen der Abbildungsoptik 74 und der Beleuchtungseinrichtung 72 anordnen.

Wie Fig. 28 zeigt, ist es aber auch möglich, das Licht der Be­ leuchtungseinrichtung 75, bei der es sich wie bei der Beleuch­ tungseinrichtung 72 um einen Laser handeln kann, in die optische Achse einzuspiegeln. Die Beleuchtungseinrichtung 75 ist daher aus der optischen Achse heraus versetzt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 28 wird das Licht der Beleuchtungseinrichtung 75 mit­ tels zweier Spiegel 76 zwischen der Abbildungsoptik 75 und der lichtelektrischen Wandlereinrichtung 78 eingespiegelt. Der Ein­ spiegelungspunkt könnte aber auch an einer anderen Stelle der op­ tischen Achse liegen, also beispielsweise vor der Abbildungsop­ tik.

Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind als wei­ tere Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht in den Ansprüchen erwähnt sind.

Claims (18)

1. Verfahren zur optischen Bestimmung der Entfernung zwischen einer Meßvorrichtung und wählbaren Stellen auf der Oberfläche eines Prüflings, bei dem eine Marke auf die ausgewählte Stelle projiziert, diese Marke mittels einer Abbildungsoptik auf der Meßvor­ richtung abgebildet und aus der Bildweite der Marke die zu bestimmende Entfernung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die von einem punktförmigen Bereich von der Marke ausgehenden Strahlen unter Verwendung einer Abbil­ dungsoptik mit sphärischer Aberration und unter Ausschluß des achsnahen Strahlengangs in einer die optische Achse der Abbildungsoptik konzen­ trisch umgebenden Ringzone gesammelt werden und
• b) die Lage dieser Ringzone als Maß für die Bildweite bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Marke ausgehenden Strahlen in einem zur optischen Achse der Abbildungsoptik konzentrischen Bündel der Abbildungsoptik zugeführt werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 mit einer Lichtquelle, einer Projektions­ optik für die Projektion einer Marke auf eine auswähl­ bare Stelle der Oberfläche eines Prüflings, einer Abbildungsoptik und einer von den von der Marke kommen­ den Strahlen ohne solche des achsnahen Bereiches beaufschlagbaren lichtelektrischen Wandlereinrichtung einer die Entfernung aufgrund der von der Position der Abbildung der Marke abhängigen Ausgangssignalen der lichtelektrischen Wandlereinrichtung bestimmenden Meßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbil­ dungsoptik eine solche mit sphärischer Aberration ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik eine zur optischen Achse der Projektionsoptik koaxiale Anordnung hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik in einem zur optischen Achse konzentrischen Ringbereich angeordnet oder nur im dem ihrer Randzone entsprechende Ringbereich für die Beeinflussung der Strahlen freigegeben ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der Abbildungsoptik zugeordnete Lichtempfangsfläche im Bereich der durch die Strahlenschnittpunkte gebildeten Ringzone angeordnet oder durch die Empfangsfläche einer die Strahlen zu der Sensorfläche der lichtelektrischen Wandlereinrichtung führenden Lichtleiteinrichtung gebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangsfläche sich über denjenigen Flächenbereich erstreckt, in dem bei unterschiedlichen Bildweiten innerhalb des Meßbereiches die Schnittpunkte der von der Marke kommenden Strahlen liegen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangsfläche aus den Empfangsflächen einzelner Photosensoren oder einzelner Elemente der Lichtleiteinrichtung gebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangsfläche eine zur optischen Achse der Abbildungsoptik rotationssymmetrische Form hat.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangsfläche in wenigstens einer vorzugsweise zur optischen Achse der Abbildungsoptik parallelen Ebene liegt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangsfläche in einer Ebene liegt, zu der die optische Achse der Abbildungsoptik lotrecht verläuft.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangsfläche durch die eine Stirnfläche von koaxial angeordneten, rohrförmigen Lichtleitern gebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende der rohrförmigen Lichtleiter in einer allen gemeinsamen Schrägfläche liegt, auf die eine ebene Sensorfläche der lichtelektrischen Wandlereinrichtung ausgerichtet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangsfläche durch Stirnflächen hohlkegelförmiger, koaxial angeordneter Lichtleiter gebildet ist, an deren abgestumpftem, die Lichtaustrittfläche bildendem Ende je ein Photosensor angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiteinrichtung ein konzentrisch zur optischen Achse der Abbildungsoptik angeordneter Wickel aus einer lichtleitenden Folie ist, dessen schraubenlinienförmig verlaufende, durch den einen Rand der Folie gebildete Randfläche die Lichtempfangsfläche bildet.

16. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiteinrichtung aus einem oder mehreren in Richtung der optischen Achse der Abbildungsoptik versetzt angeordneten, die von der Abbildungsoptik kommenden Strahlen reflektierenden oder brechenden Elementen besteht.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Element als konzentrisch zur optischen Achse der Abbildungsoptik im konvergierenden Bereich der gegen die Lichtempfangsfläche gerichteten Strahlen zwischen zwei Photosensoren angeordnete Lochblende ausgebildet ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung eine außerhalb der optischen Achse der Projektionsoptik liegende Lichtquelle und eine deren Licht in die optische Achse ausführende Lichtleiteinrichtung aufweist.