DE3724932A1

DE3724932A1 - Anordnung zur interferometrischen abstands- und dickenmessung

Info

Publication number: DE3724932A1
Application number: DE19873724932
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof Dr Sc Tec Riemann; Bernd Dr Ing Kiessling; Peter Dipl Ing Wystup
Original assignee: TECHNISCHES GLAS VEB K
Current assignee: TECHNISCHES GLAS VEB K
Priority date: 1986-07-29
Filing date: 1987-07-28
Publication date: 1988-03-17
Also published as: DD265055A3

Description

Titel der Erfindung

Anordnung zur interferometrischen Abstands- und Dicken messung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung dient zur berührungslosen Abstands- und Dickenmessung an transparenten Materialien.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind bereits eine Vielzahl von Anordnungen zur inter ferometrischen Längenmessung bekannt, die auch bei der Abstands- und Dickenmessung Verwendung finden. Derartige Meßanordnungen beaufschlagen das Meßobjekt mit parallelen Lichtstrahlenbündeln, vorzugsweise Laserlicht. Die am Meßobjekt reflektierten Strahlen werden in der Meßan ordnung überlagert, wobei Interferenzen gleicher Dicken entstehen. Die Interferenzlinien können von einem fotoelektrischen Empfänger erfaßt und bei zeitlicher Änderung gezählt werden.

Eine derartige Meßanordnung wird z. B. in der US-PS 37 20 471 beschrieben. Nachteilig an dieser Meßanordnung ist, daß nur relative Dicken- und Abstandsänderungen und deren Vorzeichen, nicht aber die Dicken und Abstände selbst, gemessen werden können. Zur Behebung dieses Mangels wurde vorgeschlagen, in zeitlicher Aufeinanderfolge mehrere Messungen bei sich änderndem Auftreffwinkel des Meßstrahles vorzunehmen und die Ergebnisse rechnerisch auszuwerten.

Abgesehen von dem zeitlichen Aufwand sind die zur Durch führung dieses Meßprinzips notwendigen Apparaturen technisch aufwendig.

In der DD-PS 26 22 787 wurde ein Verfahren zur interfero metrischen Messung von Dicken und Abständen angegeben, bei dem das Meßobjekt mit einem konvergenten oder divergenten Lichtstrahl beaufschlagt wird, dessen Konvergenzpunkt außer halb des Meßobjektes liegt und das Interferenzlinienfeld, das am Meßobjekt aufgrund der einzelnen, kontinuierlich ineinander übergehenden Strahlrichtungen entsteht, auf eine Ebene projiziert und dort ausgewertet wird.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß die Anwendung auf Meßobjekte mit einer verhältnismäßig geringen Dicke bis zu einigen wenigen zehntel Millimetern und ebenen, plan parallelen Flächen begrenzt ist und daß es des weiteren bei Meßobjekten, deren Dicke sich im Meßbereich um mehr als eine Wellenlänge ändert oder deren Oberfläche eine Rauhigkeit von mehr als ein Viertel der Wellenlänge auf weist, angewendet werden kann.

Ziel der Erfindung

Es ist deshalb Ziel der Erfindung, eine Anordnung zur interferometrischen Abstands- und Dickenmessung an trans parenten Meßobjekten zu entwickeln, welche die Nachteile der bekannten Meßanordnungen nicht mehr besitzt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur berührungs losen interferometrischen Abstands- und Dickenmessung an transparenten Meßobjekten unter Verwendung einer kohärenten optischen Strahlung zu entwickeln, die es ermöglicht, Messungen an Objekten mit gekrümmten, rauhen Oberflächen und Dicken von mehr als einigen zehntel Millimetern durch Verwendung optischer Mittel berührungslos vorzunehmen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Meßobjekt geneigt gegenüber der Oberflächennormalen mit einem konvergierenden Strahlenbündel aus einer Strahlungs quelle für optische kohärente Strahlung so beaufschlagt wird, daß der Konvergenzpunkt in die Nähe des Meßobjektes gelegt und ein Durchmesser des Strahlenbündels am Meß objekt erzeugt wird, der kleiner als dessen Dicke ist und die Interferenzerscheinung im Überlappungsgebiet der beiden reflektierten Strahlenbündel durch eine bilder kennende Auswerteeinheit erfaßt und der Abstand der Inter ferenzstreifen als Maß der Dicke ausgewertet wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist so aufgebaut, daß vor dem Meßobjekt eine optische Strahlungsquelle und zwei Objektive in einer optischen Achse geneigt gegenüber der Oberflächennormalen des Meßobjektes angeordnet sind, wobei der Abstand der beiden Objektive größer als die Summe ihrer beiden Brennweiten ist und ein Objektiv in einem solchen Abstand zum Meßobjekt angordnet ist, daß der Durchmesser des Strahlenbündels am Meßobjekt kleiner als dessen Dicke ist und sich am Überlappungsgebiet der beiden reflektierten Strahlenbündel eine bilderkennende Auswerteeinheit befindet. Die bilderkennende Auswerteeinheit besteht dabei aus einem bildauflösenden optoelektronischen Sensor mit nachgeschalteter Auswerteelektronik, wobei die Dicke des Meßobjektes aus den Intensitätsän derungen des Bildausgangssignals des Sensors mittels der Auswerteelektronik bestimmt wird.

Die zwei Objektive sind dabei so angeordnet, daß durch das erste Objektiv nach der Strahlungsquelle die Strahlung zu einem divergierenden Strahlenbündel aufgeweitet und durch das zweite nachgeordnete Objektiv die Strahlung geneigt gegenüber der Normalen der Oberfläche des Meß objektes zu einer Linie oder einem Fokus auf das betreffende Meßobjekt konvergiert wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß die berührungslose optische Dickenmessung an transparenten Meßobjekten mit beliebig gekrümmter Oberfläche ermöglicht wird, wobei an die Oberflächenqualität keine Anforderungen mehr gestellt werden müssen und keine Einschränkungen hin sichtllich der Dicke der Meßobjekte mehr bestehen.

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Anordnung soll an dem folgenden Beispiel zur Messung der Wanddicke eines transparenten Meßobjektes, z. B. eines Hohlglaserzeugnisses, näher er läutert werden.

In der Fig. 1 ist der Aufbau der Anordnung schematisch dargestellt.

Vor dem Meßobjekt 1 sind die Strahlungsquelle 2 für die kohärente optische Strahlung, beispielsweise ein He-Ne-Laser, und die Objektive 3 a und 3 b so angeordnet, daß der Laserlichtstrahl durch das Objektiv 3 a zu einem diver gierenden Strahlenbündel aufgeweitet und durch das Objektiv 3 b unter einem Winkel β gegenüber der Normalen der Oberfläche des Meßobjektes geneigt auf dieses fokus siert wird.

Im Überlappungsgebiet 6 der beiden Außen- und Innenseiten des Meßobjektes reflektierten Strahlenbündel 4 a bzw. 4 b ist der optoelektronische, bildauflösende Sensor 7, dem die Auswerteelektronik 8 nachgeschaltet ist, im Abstand a vom Meßobjekt angeordnet.

Infolge der Gangunterschiede der beiden reflektierten Strahlenbündel 4 a und 4 b entstehen in deren Überlappungs gebiet Interferenzen gleicher Neigung, wobei zwischen der Wanddicke w des Meßobjektes und dem Abstand x der Inter ferenzlinien folgender Zusammenhang besteht:

Dabei ist λ die Wellenlänge des Laserlichts und n der Brechungsindex des Meßobjektes. Die Interferenzlinien werden von dem Sensor 7 erfaßt, wobei dessen Inhalt durch die Auswerteelektronik 6 ausgelesen und entsprechend dem Zusammenhang zwischen der Wanddicke w und dem Abstand der Interferenzstreifen x aus der Impulsfolge im Bildausgangs signal des Sensors 7 in an sich bekannter Weise die Wand dicke ermittelt wird.

Die visuelle Auswertung des Abstandes der Interferenz streifen sowie die Bestimmung der Dicke des Meßobjektes erfolgt unter Verwendung von Nomogrammen oder Vergleichs mustern.

Claims

Anordnung zur berührungslosen interferometrischen Ab stands- und Dickenmessung an transparenten Meßobjekten unter Verwendung einer kohärenten optischen Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Meßobjekt (1) eine optische Strahlungsquelle (2) und zwei Objektive in einer optischen Achse geneigt gegenüber der Oberflächennormale (5) des Meßobjektes (1) angeordnet sind, wobei der Ab stand der beiden Objektive größer als die Summe ihrer beiden Brennweiten ist und das Objektiv (3 b) in einem solchen Abstand zum Meßobjekt angeordnet ist, daß der Durchmesser des Strahlenbündels am Meßobjekt kleiner als dessen Dicke ist und weiterhin im Überlappungsgebiet (6) der beiden reflektierten Strahlenbündel ein bildauflösender optoelektronischer Sensor (7) mit nachgeschalteter bilderkennender Auswerteelektronik (8) angeordnet ist, wobei die Dicke des Meßobjektes aus den Intensitätsänderungen des Bildausgangssignals des Sensors mittels der Auswerteelektronik bestimmt wird.