DE3702691C2 - Non-contact distance sensor - Google Patents

Non-contact distance sensor

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    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Description

Die Erfindung betrifft einen berührungslosen Abstandssensor, wobei für die Anordnung aus Projektionsachse, Detektoren und abbildungsoptischen Elementen die Scheimpflugbedingung eingehalten ist. Derartige Abstands­ sensoren sind in folgenden Schriften beschrieben:
DE-A1-28 53 978, DE-A1-33 02 948, EP-A1-01 63 347, EP-A1-01 56 991, US-43 73 805 und US-44 53 083.
The invention relates to a non-contact distance sensor, the Scheimpflug condition being met for the arrangement of the projection axis, detectors and optical imaging elements. Such distance sensors are described in the following documents:
DE-A1-28 53 978, DE-A1-33 02 948, EP-A1-01 63 347, EP-A1-01 56 991, US-43 73 805 and US-44 53 083.

Bei diesen bekannten Abstandssensoren wird ein Lichtbündel in der Regel senkrecht auf die Oberfläche des Objekts projiziert, dessen Abstand ermittelt werden soll. Der projizierte Licht­ punkt wird dann von einem mit seiner optischen Achse gegen die Projektionsachse geneigten Objektiv auf einen linearen, photo­ elektrischen Detektor wie z. B. eine Diodenzeile oder ein soge­ nanntes CCD-Array abgebildet. Dabei entsteht ein von der Position des auffallenden Lichtflecks abhängiges Signal, welches ein Maß für die Objektentfernung darstellt.In these known distance sensors, a light beam is in usually projected perpendicular to the surface of the object, whose distance is to be determined. The projected light point is then from one with its optical axis against the Projection axis inclined lens on a linear, photo electrical detector such as B. a diode row or a so-called named CCD array shown. This creates one of the Position of the striking light spot dependent signal, which is a measure of object distance.

Der nutzbare Meßbereich eines solchen Abstandssensors ist der Teil der Projektionsachse, der auf die photoempfindliche Fläche des Detektors abgebildet wird, und seine Auflösung wird von der Zahl der Einzelelemente des Detektors bestimmt. Für hochgenaue Messungen steht deshalb nur ein relativ kleiner Meßbereich zur Verfügung, der außerdem noch dadurch eingeschränkt ist, daß die Signale der Elemente in den Randbereichen des Detektors oft für andere Aufgaben wie z. B. für die Maschinennachführung benötigt werden und deshalb nicht ohne weiteres für die eigentliche Meßaufgabe genutzt werden können.The usable measuring range of such a distance sensor is Part of the projection axis that is on the photosensitive surface of the detector is mapped, and its resolution is determined by the Number of individual elements of the detector determined. For highly accurate Measurements are therefore only available in a relatively small measuring range Available, which is also limited by the fact that Signals of the elements in the peripheral areas of the detector are often for other tasks such as B. needed for machine tracking and therefore not for the actual Measurement task can be used.

Verwendet man einen Abstandssensor der eingangs genannten Art als optischen Tastkopf in einen Koordinatenmeßgerät, so besteht die Forderung nach möglichst hoher Meßgenauigkeit bzw. Auf­ lösung bei gleichzeitig möglichst großem Meßbereich. Denn wenn der Meßbereich zu klein ist, kann der Fall eintreten, daß beim Scannen des zu vermessenden Werkstücks eine Kante überfahren wird und dabei der Meßbereich abrupt verlassen wird, ohne daß die Maschinensteuerung Daten über die Nachführrichtung enthält. In solchen Fällen müßte der Tastkopf manuell gesteuert mit seinem Meßbereich wieder auf das Werkstück aufgesetzt werden. Derartige Störungen unterbrechen den sonst automatisch ablaufenden Meßvorgang.If you use a distance sensor of the type mentioned as an optical probe in a coordinate measuring machine, there is the demand for the highest possible measurement accuracy or on solution with the largest possible measuring range. Because if the measuring range is too small, the case can occur that at Scan the workpiece to be measured over an edge  and the measurement range is abruptly left without the machine control contains data about the tracking direction. In such cases, the probe would have to be controlled manually its measuring range can be placed back on the workpiece. Such faults interrupt the otherwise automatically ongoing measuring process.

Aus der DE-A1-33 00 333 ist ein Abstandssensor bekannt, für den das Problem der Meßbereichsüberschreitung dadurch gelöst ist, daß entweder das abbildende Objektiv oder ein Ablenkspiegel im Abbildungsstrahlengang verschoben werden, wenn der abgebildete Meßpunkt auf dem Detektor in dessen Randbereiche gelangt. Durch die mechanische Bewegung des betreffenden optischen Bauteils wird der Meßpunkt wieder auf die Detektormitte zurückgeführt, was einer Meßbereichsverschiebung gleichkommt. Nachteilig dabei ist allerdings die Verwendung mechanisch bewegter Teile, die den Regelkreis, mit dem die Meßbereichsverschiebung bewirkt wird, träge machen. Der bekannte Tastkopf ist deshalb für einen schnellen Scanbetrieb nicht geeignet.From DE-A1-33 00 333 a distance sensor is known for which the problem of exceeding the measuring range is solved, that either the imaging lens or a deflecting mirror in Imaging beam path are shifted when the imaged Measuring point on the detector reaches its edge areas. By the mechanical movement of the optical component in question the measuring point is returned to the center of the detector, which equates to a shift in the measuring range. A disadvantage here is, however, the use of mechanically moving parts that the control loop with which the measuring range shift causes will make you lazy. The well-known probe is therefore for one fast scan operation not suitable.

In der EP-A1-013 45 97 ist ein Abstandssensor nach dem Triangulationsprinzip beschrieben (Fig. 4, 5) der zwei Detektoren und zwei Abbildungsoptiken besitzt, die symmetrisch zueinander angeordnet sind. Dadurch wird jeweils ein und derselbe Bereich der Projektionsachse mit gleichem Abbildungsmaßstab auf beide Detektoren abgebildet. Diese symmetrische Anordnung dient dazu, den Störabstand des Meßsignals gegenüber Falschlicht zu verbessern. Das Problem der Meßbereichsüberschreitung ist in dieser Schrift weder angesprochen noch gelöst.EP-A1-013 45 97 describes a distance sensor based on the triangulation principle ( FIGS. 4, 5) which has two detectors and two imaging optics which are arranged symmetrically to one another. As a result, one and the same area of the projection axis is imaged on both detectors with the same imaging scale. This symmetrical arrangement serves to improve the signal-to-noise ratio compared to false light. The problem of exceeding the measuring range is neither addressed nor solved in this document.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen berührungslosen Abstandssensor des eingangs genannten Typs zu schaffen, der als optischer Tastkopf im schnellen Scanbetrieb eingesetzt werden kann.It is the object of the present invention, one non-contact distance sensor of the type mentioned at the beginning create that as an optical probe in fast scan mode can be used.

Diese Aufgabe wird durch eine Ausbildung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. This task is accomplished by training with those in claim 1 specified features solved.  

Im Ergebnis sind dadurch also zwei Abstandssensoren mit unterschiedlichen Meßbereichen und unterschiedlicher Meßgenauigkeit in einem Tastkopf vereinigt. Damit ist ohne mechanisch bewegte Teile ein für den schnellen Scanbetrieb geeigneter optischer Tastkopf geschaffen, der auch über hohe Kanten hinweg geführt werden kann. Denn wenn bei der Messung im Scanbetrieb der kurze aber hochaufglöste Meßbereich verlassen wird, stehen die Signale des dahinterliegenden oder ihn übergreifenden Meßbereichs mit geringerer Auflösung als Steuerdaten für die Rückführung des Tastkopfs in den genaueren Meßbereich zur Verfügung.The result is two distance sensors different measuring ranges and different Measurement accuracy combined in one probe. This is without mechanically moving parts for fast scanning suitable optical probe created, which also over high Edges can be passed. Because when measuring in Scan operation leave the short but high-resolution measuring range the signals of the one behind it or him comprehensive measuring range with lower resolution than Control data for the return of the probe in the more precise Measuring range available.

Da der Projektionsteil des Abstandssensors und auch die Steuerelektronik für die den verschiedenen Meßbereichen zugeordneten Detektoren gemeinsam benutzt werden können, ist die erfindungsgemäße Lösung wenig aufwendig und es kann ein sehr kompakter Tastkopf realisiert werden, der universell einsetzbar ist.Since the projection part of the distance sensor and also the Control electronics for the different measuring ranges assigned detectors can be used together the solution according to the invention is inexpensive and it can be a very compact probe can be realized, the universal can be used.

Das gleichzeitige Vorhandensein zweier unterschiedlicher Meßbereiche ermöglicht außerdem eine Betriebsweise, bei der das Meßobjekt in einem sogenannten Orientierungsscan erst einmal schnell die Meßlinie abfährt, um die Bahndaten für den eigentlichen Meßvorgang zu gewinnen. Bei diesem Orientierungsscan wird der größere Meßbereich mit geringerer Auflösung genutzt, der auch einen größeren Arbeitsabstand besitzt, so daß die Kollisionsgefahr beim Orientierungsscan stark verringert ist. Nach dem Orientierungsscan kann sofort mit dem eigentlichen Feinmeßvorgang begonnen werden, ohne daß ein Tastkopfwechsel vorgenommen werden müßte.The simultaneous presence of two different ones Measuring ranges also allows an operation in which the Measurement object in a so-called orientation scan first quickly leaves the measuring line to get the track data for the to win the actual measuring process. With this Orientation scan becomes the larger measuring range with smaller Resolution used, which also has a larger working distance has, so that the risk of collision during the orientation scan is greatly reduced. After the orientation scan you can immediately be started with the actual precision measuring process without a probe change would have to be made.

Weitere Vorteile der Erfindung sind den Unteransprüchen und der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1 bis 6 der Zeichnung entnehmbar.Further advantages of the invention can be found in the subclaims and the following description of exemplary embodiments with reference to FIGS . 1 to 6 of the drawing.

Fig. 1 ist eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungs­ beispiels der Erfindung; Fig. 1 is a schematic diagram of a first embodiment of the invention;

Fig. 2 ist eine Prinzipskizze eines zweiten Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung; Fig. 2 is a schematic diagram of a second embodiment of the invention;

Fig. 3 ist eine Prinzipskizze eines dritten Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung; Fig. 3 is a schematic diagram of a third embodiment of the invention;

Fig. 4 ist eine Prinzipskizze eines vierten Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung; Fig. 4 is a schematic diagram of a fourth embodiment of the invention;

Fig. 5 ist die Prinzipskizze eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung; Fig. 5 is the schematic diagram of a fifth embodiment of the invention;

Fig. 6 ist die Prinzipskizze eines sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Fig. 6 is the schematic diagram of a sixth embodiment of the invention.

Der in Fig. 1 dargestellte Abstandssensor besteht im Projektionsteil aus einer Leuchtdiode oder Laserdiode (L₁) und einem Projektionsobjekt, das ein Lichtbündel mit eng begrenztem Durchmesser entlang der Projektionsachse (Z₁) etwa senkrecht auf das zu messende Werkstück (W₁) projiziert. Der auf der Werkstückoberfläche entstehende Lichtpunkt (P₁) wird durch ein erstes Objektiv (O₁) auf einen Detektor (D₁) in Form einer Diodenzeile oder eines CCD-Arrays und durch ein zweites Objektiv (O₂) auf einen gleichartigen zweiten Detektor (D₂) abgebildet. Die Anordnung von Projektionsachse (Z₁), der Haupt­ ebenen (H₁) und (H₂) der Objektive (O₁) und (O₂) und der Ebene (E₁), in der die beiden Detektoren (D₁) und (D₂) liegen, ist dabei so gewählt, daß die Scheimpflugbedingung erfüllt ist. Diese Bedingung bedeutet für den in Fig. 1 dargestellten Fall, daß die genannten Ebenen die Projektionsachse in einem Punkt schneiden. Dadurch ist es möglich, den auf die Werkstück­ oberfläche projizierten Punkt (P₁) unabhängig vom Abstand in Richtung der Projektionsachse (Z₁) immer scharf auf die Detektoren (D₁) und (D₂) abzubilden.The distance sensor shown in Fig. 1 consists in the projection part of a light emitting diode or laser diode (L₁) and a projection object, which projects a light beam with a narrow diameter along the projection axis (Z₁) approximately perpendicular to the workpiece to be measured (W₁). The resulting light spot on the workpiece surface (P₁) is imaged by a first lens (O₁) on a detector (D₁) in the form of a diode array or a CCD array and by a second lens (O₂) on a similar second detector (D₂). The arrangement of the projection axis (Z₁), the main planes (H₁) and (H₂) of the lenses (O₁) and (O₂) and the plane (E₁) in which the two detectors (D₁) and (D₂) are located chosen so that the Scheimpflug condition is met. For the case shown in FIG. 1, this condition means that the planes mentioned intersect the projection axis at one point. This makes it possible to always sharply image the point (P₁) projected onto the workpiece surface regardless of the distance in the direction of the projection axis (Z₁) on the detectors (D₁) and (D₂).

Das Objektiv (O₁) ist mit seiner Hauptebene (H₁) um einen Winkel α₁ gleich 30° gegen die Detektorebene (E₁) geneigt, während der Neigungswinkel α₂ des Objektivs (O₂) 45° beträgt. Daraus ergeben sich für beide Objektive unterschiedliche Objekt- und Bildentfernungen, so daß die mittleren Abbildungs­ maßstäbe, unter denen die Projektionsachse (Z₁) auf die beiden Detektoren (D₁) und (D₂) abgebildet wird, selbst bei gleicher Brennweite der Objektive (O₁) und (O₂) unterschiedlich sind, so entstehen zwei verschieden große, übereinander liegende Meßbe­ reiche (₁) und (₂) für die Detektoren (D₁) und (D₂). In der nachstehenden Tabelle ist angegeben, welche Größe die Meßbe­ reiche abhängig von der Brennweite der Objektive (O₁) bzw. (O₂) unter Zugrundelegung einer nutzbaren Zeilenlänge von 12 mm für die Detektoren (D₁) bzw. (D₂) besitzen können:The lens (O₁) with its main plane (H₁) by one Angle α₁ equal to 30 ° inclined to the detector plane (E₁), while the angle of inclination α₂ of the lens (O₂) is 45 °. This results in different for both lenses Object and image distances, so that the middle figure scales under which the projection axis (Z₁) on the two Detectors (D₁) and (D₂) is shown, even with the same Focal length of the lenses (O₁) and (O₂) are different, so two differently sized, superimposed measuring probes are created rich (₁) and (₂) for the detectors (D₁) and (D₂). In the The table below shows the size of the measuring area range depending on the focal length of the lenses (O₁) or (O₂) based on a usable line length of 12 mm for the detectors (D₁) or (D₂) can have:

Tabelle 1 Table 1

Die Werte beziehen sich auf die in Fig. 1 skizzierte Anordnung und setzen voraus, daß die Detektorebene (E₁) und die Projektionsachse (Z₁) einen rechten Winkel miteinander bilden.The values relate to the arrangement sketched in Fig. 1 and assume that the detector plane (E₁) and the projection axis (Z₁) form a right angle with each other.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Länge der beiden Diodenzeilen (D₁ und D₂) und ebenso die Anzahl der licht­ empfindlichen Einzelelemente auf beiden Zeilen gleich (z. B. 512 pixel). Es kann sich aber als vorteilhaft erweisen, wenn z. B. für die dem genaueren Meßbereich (Z₂) zugeordnete Diodenzeile (D₂) ein Exemplar mit einer größeren Anzahl von Einzelelementen (z. B. 1024 pixel) gewählt wird, um damit die Auflösung des Meßbereichs (₂) zusätzlich zu verbessern.In the described embodiment, the length of the two Diode rows (D₁ and D₂) and also the number of light sensitive individual elements on both lines the same (e.g. 512 pixel). However, it can prove to be advantageous if, for. B. for the diode array assigned to the more precise measuring range (Z₂)  (D₂) a copy with a larger number of individual elements (e.g. 1024 pixels) is selected to enable the resolution of the Measuring range (₂) to improve.

Über die Signale der Diodenzeile (D₂) kann der Abstand (Z) zur Werkstückoberfläche (W₁) im Meßbereich (₂) mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Gleichzeitig können die Signale der dem größeren Meßbereich (₁) zugeordneten Diodenzeile (D₁) als Steuerdaten für eine Meßmaschine dienen, an dessen in mehreren Raumrichtungen beweglicher Pinole der Abstandssensor befestigt ist und von der er an der Kontur des Werkstücks (W₁) entlang so verfahren wird, daß die Werkstückoberfläche immer im Meßbereich (₂) bleibt. Wird der Meßbereich (₂) verlassen, indem der Abstandssensor zum Beispiel die Kante (K) des Werk­ stücks (W₁) überfährt, so wird über die Steuersignale der Dio­ denzeile (D₂) der Maschinenantrieb gestoppt und die Kante (K) anschließend mit geringerer Geschwindigkeit abgefahren, bei der die Maschinenantriebe der Werkstückkontur folgen können.About the signals of the diode row (D₂), the distance (Z) to the workpiece surface (W₁) in the measuring range (₂) with high Accuracy can be measured. At the same time, the signals the diode row (D₁) assigned to the larger measuring range (₁) serve as control data for a measuring machine, on the in the distance sensor in several spatial directions is attached and from which he on the contour of the workpiece (W₁) is moved along so that the workpiece surface is always in the Measuring range (₂) remains. If the measuring range (₂) is left, by the distance sensor for example the edge (K) of the work pieces (W₁) runs over, the Dio denzeile (D₂) the machine drive stopped and the edge (K) then traveled at a lower speed at which the machine drives can follow the workpiece contour.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel muß zur Durchführung der vorstehend genannten Betriebsweise die Scanrichtung senkrecht zu der von den Achsen des Projektionssystems und der Abbildungssysteme aufgespannten Ebene gewählt werden, um eine Abschaltung eines der beiden Meßbereiche durch die Kante K zu vermeiden, d. h. der Pfeil A und die Werkstückkontur W₁ erstrecken sich senkrecht zur Papierebene. Diese Einschränkung in Bezug auf die Scanrichtung ist dann nicht mehr erforderlich, wenn der nachstehend beschriebene Aufbau nach Fig. 2 gewählt wird:
Der im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 dargestellte Abstands­ sensor unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 nur dadurch, daß die Ebenen, in denen die beiden Abbildungssysteme bestehend aus den Objektiven (O₁₁) und dem Detektor (D₁₁) bzw. dem Objektiv (O₁₂) und und dem Detektor (D₁₂) liegen, um die Projektions­ achse gedreht sind und einen Winkel β 90° einschließen. In dieser räumlichen Anordnung der beiden Abbildungssysteme in verschiedenen Ebenen läßt sich außerdem ein sehr kompakter mechanischer Aufbau für den Abstandssensor realisieren.
In the embodiment shown in Fig. 1, the scanning direction perpendicular to the plane spanned by the axes of the projection system and the imaging systems must be selected to carry out the above-mentioned mode of operation in order to avoid switching off one of the two measuring ranges by the edge K, ie the arrow A and the workpiece contour W 1 extend perpendicular to the plane of the paper. This restriction with regard to the scanning direction is no longer necessary if the structure described below according to FIG. 2 is selected:
The distance sensor shown in the embodiment of FIG. 2 differs from that of FIG. 1 only in that the planes in which the two imaging systems consisting of the lenses (O₁₁) and the detector (D₁₁) or the lens (O₁₂) and and the detector (D₁₂) lie around the projection axis are rotated and enclose an angle β 90 °. In this spatial arrangement of the two imaging systems in different planes, a very compact mechanical structure for the distance sensor can also be realized.

Es ist noch zu bemerken, daß die beiden Diodenzeilen (D₁₁) und (D₁₂) in diesem Ausführungsbeispiel alternierend von einer gemeinsamen Elektronikeinheit (L) angesteuert werden und auch ein Betrieb möglich ist, bei dem wahlweise nur eine einzige der beiden Diodenzeilen aktiviert ist.It should also be noted that the two diode rows (D₁₁) and (D₁₂) in this embodiment alternating from one common electronics unit (L) can be controlled and also an operation is possible in which only a single one of the two diode rows is activated.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 besitzt der Abstandssensor neben dem Projektionsobjektiv (P₂₁,) das der Lichtquelle (L₂₁) zugeordnet ist, nur ein einziges Abbildungsobjektiv (O₂₁) mit großem Bildwinkel für die beiden hintereinander angeordneten Diodenzeilen (D₂₁) und (D₂₂). Dieses Objektiv ist mit seiner Hauptebene (H₂₁) um einen Winkel α = 45° gegen die Detektorebene (E₂) geneigt, so daß der mittlere Abbildungsmaßstab, unter dem die Projektionsachse abgebildet wird, 1 : 1 beträgt. Da aber für die Abbildung auf die Detektoren (D₂₁) und (D₂₂) unter­ schiedliche Bildwinkelbereiche des Objektivs (021) benutzt werden, sind die auf die Diodenzeilen abgebildeten Meßbereiche (₂₁) und (₂₂) verschieden groß und die Ortsauflösung in den beiden Meßbereichen ist unterschiedlich. Den größeren und in seinem unteren Randbereich deutlich nichtlinearen Meßbereich (Z₂₁) ist ein längerer Arbeitsabstand zugeordnet. Mit diesem Meßbereich kann das zu vermessende Objekt beispielsweise in der eingangs genannten Betriebsweise Orientierungsscan schnell abgefahren werden, wobei die Bahndaten für ein an­ schließendes Vermessen im höher auflösenden Meßbereich (₂₂) gewonnen werden.In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the distance sensor has, in addition to the projection lens (P₂₁,) which is assigned to the light source (L₂₁), only a single imaging lens (O₂₁) with a large image angle for the two diode lines (D₂₁) and (D₂₂) arranged one behind the other. This lens is inclined with its main plane (H₂₁) by an angle α = 45 ° to the detector plane (E₂), so that the average imaging scale, under which the projection axis is imaged, is 1: 1. But since for imaging on the detectors (D₂₁) and (D₂₂) under different image angle ranges of the lens ( 021 ) are used, the measuring ranges (₂₁) and (₂₂) shown on the diode rows are different in size and the spatial resolution in the two measuring ranges differently. The larger and in its lower edge area clearly non-linear measuring range (Z₂₁) is assigned a longer working distance. With this measuring range, the object to be measured can be quickly scanned, for example in the orientation scan operating mode mentioned at the outset, the path data for subsequent measurement in the higher-resolution measuring range (₂₂) being obtained.

Da die mechanischen Abmessungen der Diodenzeilen (D₂₁) und (D₂₂) die ihrer lichtempfindlichen Fläche übersteigen, gibt es zwischen den beiden Meßbereichen (₂₁) und (₂₂) eine tote Zone. Das kann vermieden werden, wenn man wie in Fig. 4 darge­ stellt hinter dem Abbildungsobjektiv (O₃₁) einen geometrischen Strahlteiler in Form einer spiegelnden Schneide (S₃₁) anordnet. Dieser Strahlteiler (S₃₁) lenkt den Abbildungsstrahlengang für den Bildwinkelbereich, unter dem der Meßbereich (₃₁) auf die Diodenzeile (D₃₂) abgebildet wird, um. Somit können die beiden Detektoren (D₃₁) und (D₃₂) in verschiedenen Ebenen montiert werden und die Meßbereiche schließen aneinander an. Die Scheimpflugbedingung ist bei dieser Anordnung ebenfalls einge­ halten, denn der Schnittpunkt der Hauptebene des Objektivs (O₃₁) mit der Projektionsachse liegt in der Ebene des virtuel­ len Bildes (V₃₂).Since the mechanical dimensions of the diode rows (D₂₁) and (D₂₂) exceed their photosensitive surface, there is a dead zone between the two measuring ranges (₂₁) and (₂₂). This can be avoided if, as in Fig. 4 Darge provides behind the imaging lens (O₃₁) a geometric beam splitter in the form of a reflective cutting edge (S₃₁). This beam splitter (S₃₁) deflects the imaging beam path for the angular range under which the measuring range (₃₁) is mapped onto the diode array (D₃₂). Thus, the two detectors (D₃₁) and (D₃₂) can be mounted in different planes and the measuring ranges adjoin one another. The Scheimpflug condition is also kept in this arrangement, because the intersection of the main plane of the lens (O₃₁) with the projection axis lies in the plane of the virtual len image (V₃₂).

Natürlich ist es auch möglich anstelle des geometrischen Strahlteilers (S₃₁) einen physikalischen Strahlteiler einzu­ setzen, wenn der damit verbundene Intensitätsverlust nicht stört.Of course it is also possible instead of the geometric one Beam splitter (S₃₁) a physical beam splitter set if the associated loss of intensity does not disturbs.

Entsprechende Beispiele sind in den Fig. 5 und 6 darge­ stellt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist hinter dem unter einem Winkel von 60° gegen die Projektionsachse geneigten Abbildungsobjektiv (O₄₁) ein physikalischer Strahlteiler (S₄₁) angeordnet, der ähnlich wie der geometrische Strahlteiler (31) aus Fig. 4 den Teilstrahlengang für die Abbildung des Meßbe­ reichs (₄₁) umlenkt. In der Bildebene im abgelenkten Teil­ strahlengang ist die erste Diodenzeile (D₄₁) angeordnet.Corresponding examples are shown in FIGS . 5 and 6 Darge. In the exemplary embodiment according to FIG. 5, a physical beam splitter (S₄₁) is arranged behind the imaging lens (O₄₁) inclined at an angle of 60 ° relative to the projection axis, which, like the geometric beam splitter ( 31 ) from FIG. 4, shows the partial beam path for imaging the Meßbe Reichs (₄₁) deflected. The first diode row (D₄₁) is arranged in the image plane in the deflected part of the beam path.

Im anderen Teilstrahlengang des durch den Strahlteiler (S₄₁) hindurchtretenden Lichtes befindet sich ein optisches Element (O₄₂) in Form einer Negativlinse. Diese Linse bildet zusammen mit dem Objektiv (O₄₁) ein Teleobjektiv, dessen Hauptebenen (H₄₁) und (H₄₂) vor dem Objektiv liegen und das eine längere Brennweite als das Einzelobjektiv (O₄₁) besitzt. Die Bildebene (E₄₂) dieses aus (O₄₁) und (O₄₂) gebildeten Teleobjektivs ist unter einem Winkel α₄₂ von 60° gegen die Hauptebenen (H₄₁) und (H₄₂) geneigt. Diese bezüglich Projektionsachse und Bildebene symmetrische Anordnung läßt sich z. B. erzielen, in dem die Brennweite (f₁) von (O₄₁) zu 16 mm, die Brennweite (f₂) von (O₄₂) zu - 13 mm und ein gegenseitiger Abstand zwischen (O₄₁) und (O₄₂) von d = 13 mm gewählt wird. Mit ihr wird der Meßbe­ reich (Z₄₂) unter einem mittleren Abbildungsmaßstab von 1 : 1 auf die Diodenzeile (D₄₂) abgebildet. Dagegen beträgt der mittlere Abbildungsmaßstab für den auf (D₄₁) ausgespiegelten Strahlen­ gang 3 : 1.In the other partial beam path of the light passing through the beam splitter (S₄₁) there is an optical element (O₄₂) in the form of a negative lens. This lens forms together with the lens (O₄₁) a telephoto lens, the main planes (H₄₁) and (H₄₂) are in front of the lens and which has a longer focal length than the single lens (O₄₁). The image plane (E₄₂) of this (O₄₁) and (O₄₂) telephoto lens is inclined at an angle α₄₂ of 60 ° to the main planes (H₄₁) and (H₄₂). This arrangement, which is symmetrical with respect to the projection axis and image plane, can, for. B. achieve in which the focal length (f₁) of (O₄₁) to 16 mm, the focal length (f₂) of (O₄₂) to - 13 mm and a mutual distance between (O₄₁) and (O₄₂) of d = 13 mm selected becomes. With it, the measuring area (Z₄₂) is mapped onto the diode array (D₄₂) under an average magnification of 1: 1. In contrast, the average imaging scale for the beam reflected on (D₄₁) is 3 : 1.

Auch im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind hinter dem im Abbildungsstrahlengang des Objektivs (O₅₁) angeordneten physikalischen Strahlteiler (S₅₁) zusätzliche optische Elemente (O₅₂) und (O₅₃) angeordnet. Hier handelt es sich um eine Feld­ linse (O₅₂) in der Bildebene (E₅₁) des Objektivs (O₅₁) und eine Relaislinse (O₅₃), die den zentralen Bereich des in der Ebene (E₅₁) abgebildeten Meßbereiches (₅₁) nochmals vergrößert auf die Diodenzeile (D₅₂) abbildet. Für die nochmalige Abbildung durch die Relaislinse (O₅₃) ist ebenfalls wieder die Scheimpflug-Bedingung eingehalten, denn die Ebene (E₅₁) in der das Zwischenbild entsteht, die Hauptebene der Relaislinse (O₅₃) und die Bildebene (E₅₂) schneiden sich in einem Punkt. Im Effekt wird durch die zweistufige Abbildung der Diodenzeile (D₄₂) der kleinere Meßbereich (₄₂) zugeordnet, der entsprechend höher aufgelöst werden kann.Also in the embodiment of Fig. 6 additional behind arranged in the imaging beam path of the objective (O₅₁) physical beam splitter (S₅₁) optical elements (O₅₂) and (O₅₃) are arranged. This is a field lens (O₅₂) in the image plane (E₅₁) of the lens (O₅₁) and a relay lens (O₅₃), the central area of the measuring range (₅₁) shown in the plane (E₅₁) again enlarged on the diode row (D₅₂) maps. For the repeated image through the relay lens (O₅₃) the Scheimpflug condition is also met again, because the plane (E₅₁) in which the intermediate image is created, the main plane of the relay lens (O₅₃) and the image plane (E₅₂) intersect at one point. In effect, the smaller measuring range (₄₂) is assigned by the two-stage mapping of the diode row (D zugeordnet₂), which can be resolved accordingly higher.

In den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 6 sind als positionsempfindliche photoelektrische Detektoren Diodenzeilen genannt worden. Selbstverständlich ist es möglich anstelle von Diodenzeilen auch sogenannte CCD-Arrays oder andere positions­ empfindliche Wandlerelemente einzusetzen. Schließlich ist auch die Zahl der übereinander gelegten oder hintereinanderliegenden Meßbereiche nicht auf zwei beschränkt sondern kann durchaus größer sein.In the exemplary embodiments in FIGS . 1 to 6, diode rows have been mentioned as position-sensitive photoelectric detectors. Of course, it is also possible to use so-called CCD arrays or other position-sensitive transducer elements instead of diode rows. Finally, the number of measuring ranges placed one above the other or lying one behind the other is not limited to two, but may be greater.

Claims (9)

1. Berührungsloser Abstandssensor nach dem Triangulationsprinzip mit
  • - einer Projektionsachse, längs derer ein Lichtbündel ausgesendet wird,
  • - mindestens zwei positionsempfindlichen photoelektrischen Detektoren, und
  • - abbildungsoptischen Elementen, die unter Beachtung der Scheimpflug-Bedingung mindestens zwei aufeinander oder hintereinander liegende Abschnitte der Projektionsachse mit jeweils unterschiedlichem Abbildungsmaßstab und/oder unter unterschiedlichem Bildwinkel als Meßbereiche unterschiedlicher Größe und/oder Ortsauflösung entsprechend zugeordnet auf die mindestens zwei positionsempfindlichen photoelektrischen Detektoren abbilden.
1. Non-contact distance sensor based on the triangulation principle
  • a projection axis along which a light beam is emitted,
  • - At least two position-sensitive photoelectric detectors, and
  • - Optical imaging elements which, taking the Scheimpflug condition into account, map at least two sections of the projection axis lying one on top of the other or one behind the other, each with a different imaging scale and / or at a different image angle, as measuring areas of different sizes and / or spatial resolution, assigned to the at least two position-sensitive photoelectric detectors.
2. Abstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (D₁, D₂) aus einer Mehrzahl von Einzelelementen bestehen, deren Anzahl unterschiedlich ist.2. Distance sensor according to claim 1, characterized in that the detectors (D₁, D₂) from a plurality of Individual elements exist, the number of which varies is. 3. Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Detektor (D₁, D₂) jeweils ein Objektiv (O₁, O₂) zugeordnet ist und der Abbildungsmaßstab der Objektive (O₁, O₂) unterschiedlich ist.3. Distance sensor according to claim 1 or 2, characterized characterized in that each detector (D₁, D₂) has one Objective (O₁, O₂) is assigned and the Image scale of the lenses (O₁, O₂) different is. 4. Abstandssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils aus der Projektionsachse und der optischen Achse eines der Objektive (O₁₁, O₁₂) aufgespannten Ebenen einen Winkel (β) einschließen, der kleiner als 90° ist.4. Distance sensor according to claim 3, characterized in that the each from the projection axis and the optical Axis of one of the objectives (O₁₁, O₁₂) spanned planes include an angle (β) that is less than 90 °. 5. Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Detektoren (D₂₁, D₂₂) ein gemeinsames Objektiv (O₂₁) zugeordnet ist und die Abbildung auf die Detektoren unter verschiedenen Bildwinkeln erfolgt.5. Distance sensor according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the detectors (D₂₁, D₂₂)  common lens (O₂₁) is assigned and the Figure on the detectors under different Image angles are done. 6. Abstandssensor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch mindestens einen Strahlteiler (S₃₁) im bildseitigen Strahlengang des Objektivs (O₃₁).6. Distance sensor according to claim 5, characterized by at least one beam splitter (S₃₁) in the image side Beam path of the lens (O₃₁). 7. Abstandssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Strahlteiler (S₄₁, S₅₁) weitere optische Elemente (O₄₂, O₅₂, O₅₃) angeordnet sind.7. Distance sensor according to claim 6, characterized in that behind the beam splitter (S₄₁, S₅₁) more optical Elements (O₄₂, O₅₂, O₅₃) are arranged. 8. Abstandssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (O₄₁) in Verbindung mit einem weiteren optischen Element (O₄₂) ein Teleobjektiv darstellt.8. Distance sensor according to claim 7, characterized in that the lens (O₄₁) in conjunction with another optical element (O₄₂) represents a telephoto lens. 9. Abstandssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren optischen Elemente (O₅₂, O₅₃) eine nochmalige Abbildung der Bildebene (E₅₁) des Objektivs mit einem von 1 verschiedenen Abbildungsmaßstab erzeugen.9. Distance sensor according to claim 7, characterized in that the other optical elements (O₅₂, O₅₃) one repeated illustration of the image plane (E₅₁) of the lens with generate a reproduction scale different from 1.
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