DE3517044A1

DE3517044A1 - Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen optischen messung von entfernungsaenderungen

Info

Publication number: DE3517044A1
Application number: DE19853517044
Authority: DE
Inventors: Karl-Aloys Dipl.-Phys. Dr. 3406 Bovenden Bütefisch
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5300 Bonn; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1985-05-11
Filing date: 1985-05-11
Publication date: 1986-11-13
Also published as: DE3517044C2; DK215086A; US4884888A; DK215086D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen optischen Messung von Ent— fernungsänderungen, wobei von einem Messtisch aus ein Lichtstrahl auf einen Gegenstand in einer bestimmten Entfernung geworfen und das auf der Oberfläche des Gegenstandes entstehende Streulicht von einer Optik auf dem Messtisch auf einen Lichtsensor gelenkt und bei einer Entfernungsänderung des Gegenstandes relativ zum Messtisch dieser solange verfahren wird, bis auf dem Lichtsensor ein Streulichtmaximum auftritt, wobei die Verfahrstrecke des Messtisches der Entfernungs— änderung entspricht.

Derartige Einrichtungen sind seit längerem bekannt und haben den Vorteil, daß die Messungen von der Oberflächenneigung des Gegenstandes unabhängig sind, da das Streulicht zur Messung herangezogen wird. Nachteilig ist jedoch, daß das Streulichtmaximum vergleichsweise schwach ausgebildet und demzufolge nur schwer auszuwerten ist. Dies führt letztlich zu Meßfehlern. Außerdem läßt sich das Streulichtmaximum schwer finden, wenn Fremdlicht, insbesondere Streulicht derselben Lichtfrequenz, vorhanden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher Messungen von Entfernungs— änderungen absolut mit höherer Genauigkeit und unabhängig von äußeren Störeinflüssen möglich sind, wobei zugleich die Vorteile des bekannten Verfahrens erhalten bleiben.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß vom Meßtisch aus zwei Lichtstrahlen mittels einer Optik in einer bestimmten Entfernung auf der Oberfläche des Gegenstandes zur Kreuzung gebracht werden. Das Streulichtmaximum ist dann erreicht, wenn der Kreuzungspunkt und damit die maximale Intensität der beiden

sich kreuzenden Lichtstrahlen genau au-f der Oberfläche liegt. Ändert sich der Abstand des Gegenstandes, so ist auf diesem nicht mehr ein einziges Streuzentrum vorhanden, sondern zwei, was zur Folge hat, daß ein scharf ausgebildetes und demnach einfach festzustellendes Streulichtmaximum auftritt.

Zweckmäßigerweise durchläuft der eine Lichtstrahl einen akustooptischen Wandler, wo er eine Frequenzverschiebung erfährt und der andere Lichtstrahl einen optischen Wegausgleich, so daß ein moduliertes Lichtsignal entsteht, wenn sich die Oberfläche des Segenstandes genau im Kreuzungspunkt beider Lichtstrahlen befindet. Das vom Lichtsensor empfangene Streulichtsignal läßt sich sehr leicht mittels frequenzselektiver Verstärker vom Rauschen und damit von etwa vorhandenen Fremdlichteinflüssen trennen, wobei zugleich das Auftreten der Modulation das Streu— 1 ichtma;;imum kennzeichnet, da die Modulation nur auftritt, wenn sich die Oberfläche im Kreuzungspunkt der Lichtstrahlen befindet. Die Messungen lassen sich damit sehr genau bei hoher Störsicherheit durchführen. Dabei können auch dynamische Vorgänge erfaßt werden, wenn die Modulationsfrequenz genügend hoch, d.h. etwa im MHz Bereich gewählt wird.

Die beiden Lichtstrahlen werden vorzugsweise mit Hilfe eines Strahlteilers aus einem einem Lichtstrahl erzeugt, der aus einer Lichtquelle stammt. Diese ist vorzugsweise ein Laser.

Das Nachführen des Meßtisches, was zur Ermittlung der Ent— fernungsänderung dient, läßt sich vermeiden, wenn eine Optik mit variabler Brennweite verwendet wird, wobei dann die Brennweitenänderung ein Maß für die Entfernungsänderung darstelIt.

Der Lichtsensor ist zweckmäßigerweise eine lichtempfindliche Diode, der eine elektronische Verstärkereinrichtung nachgeschaltet ist. Diese Verstärkereinrichtung beinhaltet

vortei lha-f terweise Anzeigeeinrichtungen, die das Streulichtmaiiimum erkennbar machen. Außerdem können Servoeinrichtungen vorgesehen sein, welche den Meßtisch bzw. die Brennweite der Optik selbsttätig nachführen, so daß die Entfernungsänderung automatisch ermittelt und direkt angezeigt werden kann.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist schematisch in der beiliegenden Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Auf einem Meßtisch 1 ist eine Lichtquelle 2 vorgesehen, die aus einem Laser besteht. Der abgegebene Lichtstrahl 3 trifft auf einen, auf dem Meßtisch 1 vorgesehenen Strahlteil er 4, welcher den Lichtstrahl 3 in zwei Teilstrahlen 5 und 6 zerlegt. Der Teil strahl 5 durchläuft dabei einen akusto- optischen Wandler 7, welcher für eine Frequenzverschiebung des Teilstrahles sorgt. Der Teilstrahl 6 durchläuft einen optischen Wegausgleich B, so daß sichergestellt ist, daß beide Teil strahl en die gleiche Wegstrecke zurücklegen. Die Teil strahl en 5 und 6 werden dann durch eine Optik 9 geleitet, welche die Teilstrahlen in einer vorbestimmten Entfernung X zur Kreuzung bringt. Im Kreuzungspunkt 10 der Teilstrahl en 5 und 6, d.h. in der Entfernung X ist die Oberfläche des Gegenstandes 11 angeordnet. Der Kreuzungspunkt 10 bildet daher das Streulichtzentrum, welches von der Neigung oder Krümmung der Oberfläche unabhängig' ist. Das Streulicht vom Streulichtzentrum wird durch die Optik 9 über einen Umlenkspiegel 12 auf eine Linsen— Blendenanordung

13 geworfen und auf eine Photodiode 14 gelenkt. Die Photodiode

14 ist an eine elektronische Schaltung 15 angeschlossen.

Die Funktionsweise der Einrichtung ist wie folgt.

Der Laserstrahl 3 wird im Strahlteiler 4 in zwei Teilstrahlen 5 und 6 zerlegt, die mit Hilfe der Optik 9 in einer vorbestimmten Entfernung X zur Kreuzung gebracht werden. Im Kreuzungspunkt 10

ist die Oberfläche des Gegenstandes angeordnet. Auf der Photodiode ergibt sich ein Streulichtmaximum, was mit der Elektronik 15 meßbar ist. Da der eine Teilstrahl 5 gegenüber dem anderen Teilstrahl h frequenzverschoben ist, tritt in» Kreu2ungspunkt 10 eine überlagerung auf, falls auch die Oberfläche 11 durch den Kreuzungspunkt verläuft. Durch die überlagerung ergibt sich eine Modulation des Streulichtes, welche mit Hilfe der Photodiode 14 und der Elektronik 15 erfaßbar ist. Zweckmäßigerweise kann die Elektronik Filtereinrichtungen aufweisen, so daß eine frequenzselektive Verstärkung möglich ist. Der besondere Vorteil hierbei ist, daß die Messungen nicht mehr vom Rauschen, welches durch Fremdlicht verursacht wird, beeinflußt werden können. Tritt nunmehr eine Entfernungsänderung des Gegenstandes 11 auf, so liegt der Kreuzungspunkt 10 der Teil strahlen 5 und 6 nicht mehr auf der Oberfläche des Gegenstandes. Vielmehr treffen die Teilstrahlen an unterschiedlichen Stellen auf die Oberfläche auf, was einerseits dazu führt, daß das von der Optik 9 empfangene Streulicht sehr gering ist, was deutlich meßbar ist und andererseits dazu, daß eine überlagerung der Frequenzen der beiden Teilstrahlen nicht mehr stattfinden kann, was ebenfalls deutlich meßbar ist. Um nun die Entfernungsänderung zu bestimmen wird der Meßtisch 1 soweit verschoben, bis der Kreuzungspunkt 10 der Lichtstrahlen erneut auf der Oberfläche des Gegenstandes liegt. Dies ist erkennbar am erneuten auftretenden StreulichtmaKimum auf der Photodiode und am ebenfalls auftretenden Maximums des frequenzselektiv verstärkten Signals, wegen der jetzt wieder einsetzenden Modulation des Streulichtes. Die Verschiebung des Meßtisches 1 stellt dabei ein Maß für die Entfernungsänderung dar.

Der Erfindungsgedanke läßt die verschiedensten Abwandlungen zu. So kann insbesondere die Nachstellung des Meßtisches mittels nicht weiter erläuterter von der Elektronik anzusteuernder Servoeinrichtungen erfolgen. Außerdem läßt sich auch anstelle

einer Verschiebung des Meßtisches eine Brennweitenveränderung der Optik 9 vornehmen, welche ebenfalls ein Maß für die Ent— fernungsänderung darstellt. Andererseits können auch dynamische Messungen vorgenommen werden, insbesondere wenn die Modul at ionsfrequenz des Streulichtes hoch, d.h. im MHz -Bereich liegt. Wird -für die Aufnahme des Streulichts eine zweite Optik unter einem Winkel zur ersten Optik au-f demselben Me(Stisch angebracht, so kann eine größere Genauigkeit erreicht werden, da dann das Schnittvolumen der beiden endlich dicken Teil strahl en am Kreuzungspunkt 10 von der Seite beobachtet wird.

Claims

11.825/BrS

Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V., 5300 Bonn

Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen optischen Messung von Entfernungsänderungen

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur berührungslosen optischen Messung von Entfernungsänderungen, bei welchem von einem Meßtisch aus ein Lichtstrahl auf einen Gegenstand in einer bestimmten Entfernung geworfen und das auf der Oberfläche des Gegenstandes entstehende Streulicht von einer Optik auf dem Meßtisch auf einen Lichtsensor gelenkt und bei einer Entfernungsänderung des Gegenstandes relativ zum Meßtisch dieser solange verfahren wird, bis auf dem Lichtsensor ein Streulichtroaximum auftritt, wobei die Verfahrstrecke des Meßtisches der Entfernungsänderung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß vom Meßtisch (1) aus

zwei Lichtstrahlen (5, 6) derart durch eine Optik (9) geleitet werden, daß sie sich auf der Oberfläche des Begenstandes (11) kreuzen (10), und bei Entfernungsänderungen der Meßtisch (1) in bekannter Weise nachgefahren wird bis wieder ein Streulichtmaximum auf dem Lichtsensor (14) auftritt, wobei die Verfahrstrecke des Meßtisches (1) der Entfernungsänderung entspricht.

2. Verfahren zur Messung von Entfernungsänderungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Lichtstrahl (5) gegenüber dem anderen (6) frequenzverschoben ist und sich die Frequenzen der beiden Lichtstrahlen (5, 6) überlagern, sobald sich die Oberfläche des Gegenstandes (11) in ihrem Kreuzungspunkt (10) befindet, so daß das entstehende Streulicht moduliert ist und von einem frequenzselektiven Lichtsensor (14) aufgefangen werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen (5, 6) mit Hilfe eines Strahlteilers (4) aus einem, aus einer Lichtquelle (2) stammenden Lichtstrahl (3) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 — 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tischbewegung durch eine Brennweitenänderung der auf dem Tisch (1) vorgesehenen Optik (9) ersetzt wird und die Entfernungsänderung der Brennnweitenänderung entspricht.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 — 4, gekennzeichnet durch einen Meßtisch (1) mit ainer Lichtquelle (2) sowie einem Strahlteiler (4) sowie einer Optik (9), die die Lichtstrahlen (5, 6) in einer bestimmten Entfernung X zur Kreuzung (10) bringt und einem Lichtsensor (14) zur Aufnahme des Streulichtes enthält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtisch (1) verfahrbar ist und die Verfahrstrecke der zu

messenden Entfernungsänderung entspricht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtisch (1) fest angeordnet ist und die Optik (9) eine veränderbare Brennweite aufweist und die zu messende Ent— fernungsänderung der Brennweitenänderung entspricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 — 7, dadurch gekennzeichnet, daß für den einen Teilstrahl (5> ein akusta- optischer Wandler (7) und für den anderen Teilstrahl (6) ein optischer Wegausgleich (3) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5 — 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein, der Optik (9) zugeordneter Umlenkspiegel (12) vorgesehen ist, welcher das vom Gegenstand (11) stammende Streulicht auf den Lichtsensor (14) lenkt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtsensor eine lichtempfindliche Diode (14) vorgesehen ist, welche mit einer nachgeschalteten Elektronik (15) in Verbindung steht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5 — 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronik (15) so ausgelegt ist, daß sie bei Ent— fernungsänderungen den Meßtisch (1) bzw. die Brennweiten-Verstellung der Optik (9) selbsttätig nachführt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5 — 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (2) ein Laser ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der Optik (9) eine weitere Optik vorgesehen ist, und das beide Optiken in einem Winkel zueinander auf dem Meßtisch angeordnet sind.