DE3814487A1 - Verfahren zur durchfuehrung von beruehrungslosen optischen messungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von berührungslosen optischen Messungen, z. B. zum Zwecke der Positions- oder Konturbestimmung, an einem Meßobjekt mit Hilfe eines Laserstrahls, wobei auf dem Meßobjekt ein Leucht­ fleck erzeugt und dieser auf einem Detektor abgebildet wird und wobei der Detektor nach Maßgabe der Leuchtfleckabbildung Detektorsignale erzeugt, die elektronisch ausgewertet und als Meßwert der Positions- oder Konturbestimmung zugrundegelegt werden. Bei einem solchen Verfahren wird bei der Abstands­ messung grundsätzlich so gearbeitet, wie es z. B. in "Elek­ tronik 5 / 06.03.1987, Seiten 68 bis 77" beschrieben ist. Bei der Konturmessung arbeitet man ähnlich. Stets und unvermeidbar treten statistische und/oder durch die Detektorstruktur be­ dingte Schwankungen auf. Im einzelnen ist in diesem Zusammen­ hang folgendes zu bemerken:.

Die Abbildung eines auf einem Meßobjekt durch eine monochro­ matische Laserlichtquelle erzeugten Leuchtflecks auf einem Detektor wird im allgemeinen zur Positions- oder Konturbe­ stimmung des Meßobjektes ausgenutzt. Hierbei erfolgt die Ab­ bildung optisch konform, d. h. unter Erhalt der vorliegenden Übersetzungsverhältnisse der eingesetzten optischen Bauteile. Lage und Größe des auf dem Detektor abgebildeten Leuchtflecks sind ein Maß zur Lösung der Meßaufgaben. Eindeutige und re­ produzierbare Meßverhältnisse setzen voraus, daß die Ähnlich­ keit zwischen der räumlichen Intensitätsverteilung des ab­ strahlenden und des abgebildeten Leuchtflecks konstant bleiben. Bei vielen Meßaufgaben ist das mit ausreichender Genauigkeit der Fall. Das Auftreten der beschriebenen Schwankungen be­ einflußt insoweit das Meßergebnis nicht zu sehr störend. Bei­ spielsweise gilt bei der Triangulation die Lage des arith­ metischen Mittelpunktes des Detektorsignals als Maß für die Abstandslage des Objektes. Bei nicht symmetrischer Anordnung der Meßgerätekomponenten oder bei der Forderung höherer Ge­ nauigkeit muß die exakte Schwerpunktslage des abgebildeten Leuchtflecks ermittelt werden. Das alles geschieht rechner­ gestützt mit elektronischen Hilfsmitteln. Wenn die Genauig­ keitsforderung das Auflösungsvermögen des Detektors erreicht, z. B. durch die Forderung eines großen Meßabstandes bei hoher Meßgenauigkeit, dann gehen die Mikrostrukturen des Detektors und des Leuchtflecks störend in die Auswertung ein. Sie be­ grenzen die Brauchbarkeit des Verfahrens. Beim Detektor sind dies die über Länge und/oder Breite unterschiedlichen Ansprech­ wellen einzelner Diodenpunkte oder Flächenbereiche in Folge der Herstellungstoleranzen des Diodenbasismaterials und seiner mechanischen Abmessungen. Dieser als Diodenflimmern bekannte Einfluß äußert sich in einem Springen des sogenannten Pixel­ bildes bei Detektoren mit in Zeilen angeordneten Dioden bzw. in einem sich ändernden Teilungsverhältnis bei sogenannten Lateraleffektdioden. Der Einfluß des Leuchtflecks wiederum entsteht durch die hohe Auflösung seines sogenannten "Speckle"- Musters. Diese bei zeitlich und räumlich kohärentem Licht auf­ tretende Erscheinung ist wellenoptisch verständlich, denn jeder Punkt des von einer monochromatischen Lichtquelle auf einer diffusen Oberfläche erzeugten Leuchtflecks reflektiert Teile des kohärenten Lichtstrahls in eine jeweils andere Richtung, wobei diese reflektierten Strahlen jedoch kohärente Teilstrahlen des den Leuchtfleck erzeugenden Strahls bleiben. Durch Superposition solcher Reflexionsstrahlen entstehen Interferenzmaxima und -minima, die das beschriebene Speckle- Muster, eine statistische Verteilung scharf abgegrenzter Hell­ zonen und Dunkelzonen innerhalb des Leuchtflecks, erzeugen. Bei hoher Auflösung wird dieses Muster ebenfalls noch aufge­ löst, und es entsteht durch Abbildung ein optisches Gebirge des Empfängersignals, welches keine eindeutige Ähnlichkeits­ konstanz der beschriebenen Intensitätsverteilungen mehr zu­ läßt und somit die Auflösungsgrenze darstellt. Zusätzlich wird durch in Praxis nicht vermeidbare, wenn auch gleichsam mikroskopische Schwingungen des Meßobjektes und/oder der Meß­ apparatur die Lage des Leuchtflecks zum Detektor stetig ver­ ändert, und es entsteht überlagernd ein optisches Rauschen, d. h. eine stetige Veränderung des Detektorsignals. Erhöht wird dieser Effekt an besonders diffusen Oberflächen, die bei­ spielsweise abgeschmirgelt sind. Die beschriebenen Mängel be­ einträchtigen und begrenzen nicht nur die Meßgenauigkeit von Meßvorrichtungen, die nach dem eingangs beschriebenen Ver­ fahren arbeiten, es kommt hinzu, daß wegen dieser Mängel der Einsatz preiswerter Laserlichtquellen mit undefinierter Polari­ sationsrichtung nicht mehr möglich ist, da bei diesen Lasern das Speckle-Muster durch die Änderung der Polarisationsrichtung zusätzlich springt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem eingangs beschriebenen Verfahren auf einfache Weise die statistisch bedingten und/oder durch die Detektorstruktur bedingten Schwankungen zu kompensieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß aus den Detektorsignalen durch eine Relativbewegung zwischen Meß­ objekt und Detektor ein Mittelwert der Leuchtfleckabbildung mechanisch erzeugt und dieser ausgewertet wird. Dabei kann der Mittelwert z. B. durch eine periodische Bewegung des Meß­ objektes erzeugt werden. Der Mittelwert kann aber auch durch eine periodische Bewegung des Detektors erzeugt werden. End­ lich liegt es im Rahmen der Erfindung, den Mittelwert durch einen Spiegel zu erzeugen, der im Lichtweg zwischen Meßobjekt und Detektor angeordnet und periodisch bewegt wird. Arbeitet man mit einer periodischen Bewegung, so empfiehlt es sich, so zu verfahren, daß die Amplitude der periodischen Bewegung auf dem Detektor solche hin- und hergehende Bewegungen der Leuchtfleckabbildung erzeugt, die klein sind in bezug auf den Leuchtfleckdurchmesser und/oder die Struktur der Schwankungen. - Die Mittelwertbildung, mit der erfindungsgemäß gearbeitet wird, beruht gleichsam auf einem Verwischen. Das Signalgebirge auf dem Detektor wird auf diese Weise vergleichmäßigt, was die Ähnlichkeitskonstanz der Intensitäten wieder herstellt und exakt auswertbar ist, und zwar selbst bei hohen Anfor­ derungen an die Genauigkeit. Eine entsprechende Mittelschwert­ bildung könnte theoretisch auch mit elektronischen Hilfsmitteln und computergestützt erreichen, jedoch nur mit wesentlich größerem Aufwand.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die grafische Darstellung eines Detektorsignals mit statistisch und/oder durch die Detektorstruktur be­ dingte Schwankungen,

Fig. 2 die grafische Darstellung der Fig. 1 nach der erfin­ dungsgemäßen Mittelwertbildung.

Die Fig. 1 zeigt über dem Durchmesser eines Leuchtflecks als Abszisse die Intensität des Detektorsignals als Ordinate. Man erkennt die extremen Schwankungen, die, wie eingangs erläutert statistisch und/oder durch die Detektorstruktur bedingt sind.

Kommt es für die Auswertung der Messungen auf das Maximum des Detektorsignals an, so ist dieses bei einem Detektorsignal entsprechend Fig. 1 mit ausreichender Genauigkeit nicht mehr möglich.

Fig. 2 zeigt das Detektorsignal des gleichen Leuchtfleckes und darin eingezeichnet die Ausgleichskurve, die sich durch die mechanische, gleichsam verwischende Mittelwertbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens elektronisch auswertbar ergibt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Durchführung von berührungslosen optischen Messungen, z. B. zum Zwecke der Positions- oder Konturbe­ stimmung, an einem Meßobjekt
mit Hilfe eines Laserstrahls,
wobei auf dem Meßobjekt ein Leuchtfleck erzeugt und dieser auf einem Detektor abgebildet wird und wobei der Detektor nach Maßgabe der Leuchtfleckabbildung Detektorsignale erzeugt, die elektronisch ausgewertet und als Meßwert der Positions­ und Konturbestimmung zugrundegelegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Detektorsignalen durch eine Relativbewegung zwischen Meßobjekt und Detektor ein Mittelwert der Leuchtfleckabbildung mechanisch erzeugt und dieser ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert durch eine periodische Bewegung des Meßob­ jektes erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert durch eine periodische Bewegung des Detektors er­ zeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert durch einen Spiegel erzeugt wird, der im Lichtweg zwischen Meßobjekt und Detektor angeordnet und periodisch bewegt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Amplitude der periodischen Bewegung auf dem Detektor hin- und hergehende Bewegungen der Leuchtfleck­ abbildung erzeugt, die klein sind in bezug auf den Leucht­ fleckdurchmesser und/oder die Struktur der Schwankungen.