DE3623318C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum eindimensiona­ len Vermessen eines Objektes, welche eine Lichtquelle auf­ weist, die einen gebündelten Lichtstrahl emittiert, der wenig­ stens zum Teil als ein Meßlichtstrahl durch einen rotierenden Strahlverteiler der Vorrichtung parallel verschoben einen Meß­ bereich, in den das zu vermessende Objekt einbringbar ist, in zeitlicher Abfolge in einer Strahlenebene senkrecht zur Rota­ tionsachse des Strahlverteilers überstreicht und der auf einen Meßlichtempfänger der Vorrichtung fokussiert wird, welche an eine den Lichteinfall im Meßlichtempfänger als Funktion der Zeit registrierende Registriereinrichtung angeschlossen ist und mit einem einen Teillichtstrahl umfassenden Meßstrahlen­ gang für die Position des Meßlichtstrahles im Meßbereich, wo­ bei der Strahlverteiler ein lichtdurchlässiger Körper ist, der in der Strahlenebene einen quadratischen Querschnitt aufweist, zu dem die Rotationsachse zentrisch verläuft und der Licht­ strahl auf das Zentrum dieses Querschnittes gerichtet ist.

Eine Vorrichtung der obengenannten Gattung ist nach der DE-OS 23 13 439 bekannt. Damit kann ein Objekt, welches un­ durchsichtig oder lichtdurchlässig sein kann, nach dem soge­ nannten Scanverfahren eindimensional, d.h. in einer Ausdeh­ nungsrichtung vermessen werden. Der Meßlichtstrahl über­ streicht den Meßbereich, in dem das Objekt angeordnet ist in zeitlicher Abfolge, und es wird der Lichteinfall im Meßlicht­ empfänger als Funktion der Zeit registriert. Der Strahlvertei­ ler und der Meßlichtempfänger können dabei so zueinander ange­ ordnet sein, daß der Meßlichtstrahl durch das Objekt hindurch­ tritt, um in den Meßlichtempfänger zu gelangen oder so, daß der Meßlichtstrahl reflektiert wird, um in den Meßlichtempfän­ ger zu gelangen. In jedem Fall erhält man bei Aufzeichnung des im Meßlichtempfänger einfallenden Lichtes eine nicht konstante Meßkurve, da der Meßlichtstrahl bei Transmission durch das Ob­ jekt abgeschwächt wird, bevor er in den Meßlichtempfänger ein­ tritt, so daß der vom Objekt eingenommene Teil des Meßberei­ ches in der Aufzeichnung als relative Dunkelphase erscheint. Bei Reflexion des Meßlichtstrahles am Objekt tritt nur Licht in den Meßlichtempfänger, wenn der Meßlichtstrahl auf das Ob­ jekt auftrifft, so daß in diesem Falle der vom Objekt eingenom­ mene Teil des Meßbereiches als relative Helligkeitsphase er­ scheint. Aus der Zeitdauer der Dunkel- bzw. Helligkeitsphase kann die Ausdehnung des Objektes bestimmt werden, aus dem Zeit­ punkt des Einsatzes der Dunkel- bzw. Helligkeitsphase läßt sich das örtliche Transmissions- bzw. Reflexionsvermögen des Objektes bestimmen. Ist die Ausdehnung des Meßbereiches in der Strahlenebene bekannt, so sind diese Meßdaten unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der der Meßlichtstrahl den Meßbereich überstreicht, da bei der Bestimmung der interessanten Größen immer zwei Zeitdifferenzen zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. Eine definierte Ausdehnung des Meßbereiches in der Strahlenebene, die insbesondere unabhängig ist vom Abstand zwi­ schen Strahlverteiler und Objekt erhält man aber nur dann, wenn der Meßlichtstrahl beim Überstreichen des Meßbereiches seine Richtung beibehält und quer zu seiner Strahlrichtung wan­ dert, so daß der Meßlichtstrahl in seinen einzelnen zeitlichen Phasen zu sich selbst parallel bleibt.

Der bei der bekannten Vorrichtung verwendete rotierende Körper wirkt auf den Lichtstrahl wie eine planparallele Plat­ te, so daß der Meßlichtstrahl je nach Drehstellung des Körpers zum einfallenden Lichtstrahl eine mehr oder weniger große Pa­ rallelverschiebung aufweist, welche bei Drehstellungen des Körpers, bei denen der einfallende Lichtstrahl lotrecht zu ei­ ner Fläche des Körpers einfällt, Null ist. Der Meßlichtstrahl behält bei der bekannten Vorrichtung also seine Richtung bei, während er den von der Lichtquelle aus gesehen hinter dem Kör­ per befindlichen Meßbereich überstreicht. Dieser Meßbereich besitzt somit unabhängig vom Abstand zum Körper eine definier­ te Ausdehnung, die von der Seitenlänge des Querschnittes des Körpers abhängt und von parallelen Geraden begrenzt wird. Eine Fokussierung des Meßlichtstrahls erfolgt mit einer Sammellin­ se.

Zur Registrierung der Position des Meßlichtstrahls, wird unmittelbar hinter dem rotierenden Strahlverteiler mittels ei­ nes zweiten fest justierten Strahlteilers und mehrere Linsen, zusätzlich ein einen Meßstrahlengang bildender Teillichtstrahl abgezweigt. Die bekannte Vorrichtung benötigt zur Strahlver­ teilung und gleichzeitiger Referenzfeststellung somit eine Vielzahl von optischen Bauelementen, die sämtlich mit höchster Sorgfalt montiert werden müssen. Die Justierung aller Teile der mechanisch aufwendigen Vorrichtung ist demzufolge hochgra­ dig kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vor­ richtung der eingangs angegebenen Gattung den mechanischen Auf­ wand zu verringern und komplizierte Justierungen zu vermeiden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Körper entlang einer Teilungsebene senkrecht zur Strahlenebene in zwei zueinander bezüglich des Zentrums des Querschnittes punktsymmetrische Hälften geteilt ist und daß zur Registrie­ rung eines von der Teilungsebene des Körpers reflektierten Teillichtstrahles, der zur Positionsbestimmung des Meßlicht­ strahles im Meßbereich dient, wenigstens ein Steuerungslicht­ empfänger vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt in vorteilhafter Weise lediglich ein mechanisch-optisches Bauelement, sowohl für die Strahlverteilung als auch für die Erzeugung der für die Position des Meßlichtstrahls benötigten Referenzsignale. Demzufolge ist der Bauaufwand und Justierungsaufwand mininal.

Mit Hilfe des Steuerungslichtempfängers, der eine Infor­ mation über die Stellung des reflektierten Teillichtstrahles gibt, kann auf die Stellung des Meßlichtstrahles rückgeschlos­ sen werden, wodurch mit Vorteil Daten zur Verfügung stehen, die eine Kontrolle der Messung des Meßlichtempfängers ermögli­ chen.

Die Vorrichtung hat mehrere Totphasen, bei der das Meß­ licht nicht in gewollter Weise durch den Körper hindurch­ tritt, nämlich dann, wenn der Lichtstrahl entlang einer Dia­ gonalen in den Körper eintritt, wobei er auf die Ecken des Körpers trifft, und wenn der Lichtstrahl entlang der Teilungs­ ebene in den Körper eintritt. Eine Minimierung dieser Totpha­ sen wird bei einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemä­ ßen Körpers dadurch erreicht, daß die Teilungsebene eine Dia­ gonalebene des Körpers ist, durch die der Körper in zwei Drei­ ecksquerschnitte aufweisende Prismen geteilt ist.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, daß beid­ seitig des Meßbereiches jeweils ein Steuerungslichtempfänger zur Registrierung des reflektierten Teillichtstrahles angeord­ net ist, daß der zeitlich vor Einschwenken des Teillichtstrah­ les vom Teillichtstrahl angestrahlte erste Steuerungslichtem­ pfänger über eine Steuerschaltung hinsichtlich einer Meßaufnah­ me als Stop-Schalter des Meßlichtempfängers ausgebildet ist und daß der zweite Steuerungslichtempfänger als Start-Schalter ausgebildet ist.

Mittels dieser Steuerschaltung wird gewährleistet, daß der reflektierte Teillichtstrahl nicht als Störlicht die Messung stört, denn eine Messung findet aufgrund der Schaltung nur statt, wenn sich der Teillichtstrahl mit Sicherheit außerhalb des Meßbereiches befindet.

Als Steuerschaltung ist eine an sich bekannte, sogenannte Gate-Schaltung, geeignet. Als Steuerungslichtempfänger können, wie für den Meßlichtempfänger, beispielsweise Photodioden ein­ gesetzt werden.

Da die Ausdehnung des Meßbereiches in der Strahlungsebene durch die Abmessungen des als Strahlverteilers ausgebildeten Körpers vorgegeben ist, ist der vom Körper vorgegebene Meßbe­ reich in der Regel zu klein, um auch größere Objekte vollstän­ dig in den Meßbereich einbringen und messen zu können. Zur na­ hezu beliebigen Vergrößerung des Meßbereiches, ohne den als Strahlverteiler ausgebildeten Körper auswechseln zu müssen, ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß zwischen dem Strahlverteiler und dem Meßlichtempfänger eine Aufweitungsoptik zur Aufweitung des durch den bewegten Meß­ lichtstrahl scheinbar gebildeten parallelen Lichtbandes unter Erhaltung der Parallelität des Lichtbandes angeordnet ist.

Bei einer bevorzugten Ausbildung weist die Aufweitungsop­ tik wenigstens zwei optische Bauelemente auf, von denen das erste Bauelement einen virtuellen Brennpunkt und das zweite Bauelement einen reellen Brennpunkt besitzt, ist das erste Bauelement dem zweiten Bauelement optisch vorgeschaltet und sind die Bauelemente derart zueinander angeordnet, daß die beiden Brennpunkte auf der dem zweiten Bauelement abgewandten Seite des ersten Bauelementes zusammenfallen. Beispielsweise kann als erstes Bauelement eine Zerstreuungslinse verwendet werden, die das aus dem als Strahlverteiler ausgebildeten Kör­ per austretende parallele Lichtband aufweitet, und als zweites Bauelement kann eine Sammellinse eingesetzt werden, die daß aufgeweitete Lichtband wieder zu einem parallelen Lichtband bündelt. Zur Verminderung von Abbildungsfehlern bei dieser Auf­ weitungsoptik werden vorzugsweise als erstes Bauelement ein Wölbspiegel und als zweites Bauelement ein Hohlspiegel einge­ setzt, die optisch ähnlich wirken wie eine Zerstreuungslinse und eine Sammellinse, aber gegenüber Linsen eine präzisere Ab­ bildung gewährleisten.

Zur weiteren Verminderung von Abbildungsfehlern zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung nach einer Weiterbildung der Erfindung, für die auch selbständiger Schutz beansprucht wird, aus, durch ein weitgehend plattenförmiges, parallel zur Strahlenebene angeordnetes Grundelement, aus dem die Bauelemen­ te der Aufweitungsoptik derart ausgeformt sind, daß Schnittebe­ nen der optischen Bauelemente reliefartig in die Strahlenebene vorragen.

Da mit Hilfe der Vorrichtung das Objekt nur eindimensional vermessen wird und dabei nur eine Strahlenebene wirksam ist, werden von den optischen Bauelementen auch nur Schnittebenen, die höchstens in der Strahlenebene eindimensional gekrümmt sind, benötigt. Diese Schnittebenen können aus dem Grundele­ ment, welches beispielsweise eine Aluminiumplatte oder eine Plexiglasplatte sein kann, in vorteilhafter Weise, beispiels­ weise mit Hilfe einer Fräsmaschine, ausgeformt werden. Dabei können die optisch wirksamen Flächen in einfacher und kosten­ günstiger Weise zur Verminderung von Abbildungsfehlern prä­ ziser ausgestaltet werden, als dies bei der Ausformung dreidi­ mensionaler optischer Bauelemente, wie gebogener Spiegel oder Linsen oder ähnliches, möglich ist. Beispielsweise können Spie­ gelflächen in einer Aluminiumplatte senkrecht zur Strahlenebe­ ne eingefräst werden, die nachträglich beispielsweise hoch­ glanzpoliert werden können. Aus Plexiglasplatten oder aus Platten aus ähnlichem lichtdurchlässigen Werkstoff, können Lin­ senschnitte ausgeformt werden. Aber auch aus Plexiglasplatten oder ähnlichem können Spiegelflächen ausgeformt werden, indem die senkrecht zur Strahlenebene hervortretenen Flächen nach dem Ausformen verspiegelt, beispielsweise mit Metall bedampft werden. In vorteilhafter Weise ist sogar eine Optik aus einem einzigen Grundelement herstellbar, welche sowohl Linsen als auch Spiegel aufweist. Diese optischen Bauelemente sind zu­ einander bleibend, präzise justiert, was einen weiteren Vor­ teil darstellt.

Bei einer bevorzugten Ausbildung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung ist das Grundelement als Halterungselement für sämtli­ che wesentlichen Bestandteile der Vorrichtung ausgebildet, so daß die Vorrichtung kompakt und in einfacher Weise transpor­ tierbar ist, wobei beim Transport der Vorrichtung sämtliche Bauelemente zueinander justiert bleiben.

Ausführungsbeispiele, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Drauf­ sicht,

Fig. 2 einen als Strahlverteiler ausgebildeten Körper ge­ mäß Fig. 1 in vergrößerndem Maßstab und

Fig. 3 eine Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit Aufweitungsoptik.

In Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung weist eine Lichtquel­ le 1 und einen an eine Registriereinrichtung angeschlossenen Meßlichtempfänger 2 auf, die auf einer optischen Achse 3 angeordnet sind. Die Lichtquelle 1 emittiert einen gebündelten Lichtstrahl 4. Zur Bündelung dieses Lichtstrahles kann eine Blende 5 dienen, vorzugsweise wird aber als Lichtquelle 1 ein Laser eingesetzt.

Zwischen Lichtquelle 1 und Meßlichtempfänger 2 ist ein Strahlverteiler 6 angeordnet, der um eine gedachte Rotations­ achse 7 rotiert, welche senkrecht zur optischen Achse 3 ange­ ordnet ist.

Der Strahlverteiler 6 ist ein Körper mit quadratischem Querschnitt, der entlang einer Teilungsebene 8, die entlang einer Diagonalebene des Körpers verläuft, geteilt ist. Der einfallende Lichtstrahl 4 wird durch den Strahlverteiler ge­ teilt und zwar in einen durch den Körper hindurchtretenden Meß­ lichtstrahl 9 und einen an der Teilungsebene 8 reflektierten Teillichtstrahl 10, die der Übersichtlichkeit halber in Fig. 1 nicht dargestellt sind. Je nach Drehstellung des Strahlvertei­ lers 6 wird der Meßlichtstrahl 9 beim Durchtritt durch den Strahlverteiler 6 wie von einer planparallelen Platte mehr oder weniger stark parallel verschoben und tritt in einem Meßbereich 11 aus, der quer zur optischen Achse 3 zwischen zwei parallelen Grenzgeraden 12, 13 ausgedehnt ist, deren Ab­ stand von der Querschnittsseitenlänge des Strahlverteilers 6 vorgegeben ist. Bei Rotation des Strahlverteilers 6 über­ streicht der Meßlichtstrahl 9 diesen Meßbereich 11 in Richtung des Pfeiles 14, wobei der Meßlichtstrahl 9 stets zu den Grenz­ geraden 12, 13 parallel ist und die Grenzgeraden 12, 13 die äußersten Stellungen des Meßlichtstrahles 9 repräsentieren.

Mittels einer Sammellinse 15, die zwischen Strahlverteiler 6 und Meßlichtempfänger 2 angeordnet ist, wird der Meßlicht­ strahl 9 unabhängig von seiner Stellung innerhalb des Meßbe­ reiches 11 auf den Meßlichtempfänger 2, der in der Darstellung der Fig. 1 eine Photodiode ist, fokussiert. Innerhalb des Meß­ bereiches 11 ist ein Objekt 16 angeordnet, welches vermessen werden soll.

Beidseitig des Meßbereiches 11 sind zwei als Photodioden ausgebildete Steuerungslichtempfänger 17, 18 angeordnet. Diese Steuerungslichtempfänger 17, 18 sind über eine Steuerschaltung 19 derart mit dem Meßlichtempfänger 2 verbunden, daß der erste Steuerungslichtempfänger 17, welcher von dem reflektierten Teillichtstrahl 10 getroffen wird, bevor dieser in den Meßbe­ reich 11 einschwenkt, als Stop-Schalter für den Meßlichtempfän­ ger 2 hinsichtlich einer Meßaufnahme ausgebildet ist und daß der zweite Steuerungslichtempfänger 18 entsprechend als Start-Schalter ausgebildet ist. Eine Meßaufnahme wird also ge­ startet, wenn der reflektierte Teillichtstrahl 10 den Meßbe­ reich 11 verlassen hat, und sie wird gestopt, bevor der Teil­ lichtstrahl 10 wieder in den Meßbereich 11 eintritt, so daß der Teillichtstrahl 10 die Messung nicht stören kann.

In Fig. 2 ist der Strahlverteiler 6 gemäß Fig. 1 in ver­ größerndem Maßstab dargestellt.

In Fig. 2 ist zu erkennen, wie der auf der optischen Achse 3 einfallende Lichtstrahl 4 in einen Meßlichtstrahl 9 und einen reflektierten Teillichtstrahl 10 geteilt wird, wobei der Meßlichtstrahl 9 zweifach gebrochen und parallel verschoben durch den Strahlverteiler 6 hindurchtritt und der Teillicht­ strahl 10 an der Teilungsebene 8 des Strahlverteilers 6 reflek­ tiert wird.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Draufsicht, die sich von der Vorrichtung gemäß Fig. 1 im we­ sentlichen nur durch eine Aufweitungsoptik unterscheidet. Gleiche Bauelemente sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeich­ net wie in Fig. 1. Die Steuerungslichtempfänger 17, 18 sowie die Steuerschaltung 19 wurden in der Fig. 3 der Einfachheit halber fortgelassen.

Die Aufweitungsoptik besitzt ein als Wölbspiegel ausgebil­ detes erstes optisches Bauelement 20 und ein als Hohlspiegel ausgebildetes zweites optisches Bauelement 21. Diese beiden optischen Bauelemente 20, 21 sind derart angeordnet, daß ihre Brennpunkte F zusammenfallen und so der Meßbereich 11 zu einem Meßbereich 11′ aufgeweitet wird, wobei die zueinander paral­ lelen Grenzgeraden 12, 13 in ebenfalls parallele Grenzgeraden 12′, 13′ mit zueinander größerem Abstand übergehen. Auf diese Weise kann ein Objekt 16′ vermessen werden, welches so groß ist, daß es nicht vollständig im Meßbereich 11 untergebracht werden kann.

Vorzugsweise ist die gesamte Vorrichtung gemäß Fig. 3 auf einem weitgehend flächenförmigen Grundelement angeordnet, aus dem die optischen Bauelemente 20, 21 reliefartig ausgeformt sind.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum eindimensionalen Vermessen eines Objek­ tes, welche eine Lichtquelle aufweist, die einen gebündelten Lichtstrahl emittiert, der wenigstens zum Teil als ein Meß­ lichtstrahl durch einen rotierenden Strahlverteiler der Vor­ richtung parallel verschoben einen Meßbereich, in den das zu vermessende Objekt einbringbar ist, in zeitlicher Abfolge in einer Strahlenebene senkrecht zur Rotationsachse des Strahlver­ teilers überstreicht und der auf einen Meßlichtempfänger der Vorrichtung fokussiert wird, welche an eine den Lichteinfall im Meßlichtempfänger als Funktion der Zeit registrierende Regi­ striereinrichtung angeschlossen ist und mit einem einen Teil­ lichtstrahl umfassenden Meßstrahlengang für die Position des Meßlichtstrahles im Meßbereich, wobei der Strahlverteiler ein lichtdurchlässiger Körper ist, der in der Strahlenebene einen quadratischen Querschnitt aufweist, zu dem die Rotationsachse zentrisch verläuft und der Lichtstrahl auf das Zentrum dieses Querschnittes gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper entlang einer Teilungsebene (8) senkrecht zur Strahlenebene in zwei zueinander bezüglich des Zentrums des Querschnittes punktsymmetrische Hälften geteilt ist und daß zur Registrierung eines von der Teilungsebene (8) des Körpers reflektierten Teillichtstrahles (10), der zur Positionsbestim­ mung des Meßlichtstrahles im Meßbereich dient, wenigstens ein Steuerungslichtempfänger (17, 18) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungsebene (8) eine Diagonalebene des Körpers ist, durch die der Körper in zwei Dreiecksquerschnitte aufweisende Prismen geteilt ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig des Meßbereiches (11) jeweils ein Steuerungslichtempfänger (17, 18) zur Registrierung des reflektierten Teillichtstrahles (10) angeordnet ist, daß der zeitlich vor Einschwenken des Teillichtstrahles (10) vom Teil­ lichtstrahl (10) angestrahlte erste Steuerungslichtempfänger (17) über eine Steuerschaltung (19) hinsichtlich einer Meßauf­ nahme als Stop-Schalter des Meßlichtempfängers (2) ausgebildet ist und daß der zweite Steuerungslichtempfänger (18) als Start- Schalter ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen dem Strahlverteiler (6) und dem Meßlichtempfänger (2) eine Aufweitungsoptik zur Aufweitung des durch den bewegten Meßlichtstrahl (10) scheinbar gebilde­ ten parallelen Lichtbandes unter Erhaltung der Parallelität des Lichtbandes vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufweitungsoptik wenigstens zwei optische Bauelemente (20, 21) aufweist, von denen das erste Bauelement (20) einen virtuellen Brennpunkt und das zweite Bauelement (21) einen reellen Brennpunkt besitzt, daß das erste Bauelement (20) dem zweiten Bauelement (21) optisch vorgeschaltet ist und daß die Bauelemente (20, 21) derart zueinander angeordnet sind, daß die beiden Brennpunkte auf der dem zweiten Bauelement abgewand­ ten Seite des ersten Bauelementes zusammenfallen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bauelement (20) der Aufweitungsoptik ein Wölb­ spiegel ist und daß das zweite Bauelement (21) ein Hohlspiegel ist.

7. Vorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch ein weitgehend plattenförmiges, parallel zur Strahlenebene angeordnetes Grundelement, aus dem die optischen Bauelemente (20, 21) der Aufweitungsoptik derart ausgeformt sind, daß Schnittebenen der optischen Bauelemente (20, 21) reliefartig in die Strahlenebene hinein vorragen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundelement als Halterungselement für sämtliche we­ sentlichen Bestandteile der Vorrichtung ausgebildet ist.