DE3822275A1 - Method and device for automatic focussing on coordinate measuring machines with optoelectronic structure locating - Google Patents
Method and device for automatic focussing on coordinate measuring machines with optoelectronic structure locatingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrich tung zum automatischen Fokussieren an Koordinatenmeßge räten mit optoelektronischer Strukturorterkennung, ins besondere für Messungen bei Durchlichtbeleuchtung.The invention relates to a method and a device device for automatic focusing on coordinate measurement advise with optoelectronic structural location detection, ins especially for measurements with transmitted light illumination.
Es ist eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen zur automatischen Fokussierung für die verschiedensten Ge räte mit optischer Abbildung, wie z. B. Fotoapparate und Mikroskope, bekannt, die sich alle auf eine relativ kleine Anzahl physikalischer Wirkprinzipien zurückführen lassen. So ist für eine aktive Entfernungsmessung aus den "Leitz- Mitteilungen für Wissenschaft und Technik", Bd. VIII, Nr. 8, Nov. 1985, Seiten 228 und 229 sowie aus der Zeit schrift "QZ-Qualität und Zuverlässigkeit" 30 (1985), 7, Seiten 211 und 212 eine Anordnung zur Entfernungsmessung mit Pupillenteilung bekannt. Dabei wird in einer zur Pu pillenebene eines Objektives konjugierten Ebene eine Pu pille durch ein Teilerprisma halbiert, so daß das Licht einer Laserdiode die eine Hälfte der konjugierten Ebene passiert und der Gegenstand halbseitig beleuchtet wird. It is a variety of methods and devices for automatic focusing for various ge councils with optical imaging, such as B. cameras and Microscopes, known to be all on a relatively small scale Have the number of physical principles of action reduced. For an active distance measurement from the "Leitz- Communications for Science and Technology ", Vol. VIII, No. 8, Nov. 1985, pages 228 and 229 and from the period publication "QZ Quality and Reliability" 30 (1985), 7, Pages 211 and 212 an arrangement for distance measurement known with pupil division. It is in a Pu pill level of a lens conjugate level a pu pill cut in half by a divider prism so that the light a laser diode half of the conjugate plane happens and the object is illuminated from one side.
Die von dem Lichtpunkt auf den Gegenstand ausgehende Strah lung gelangt über ein Objektiv, über Linsen und ein Teiler prisma auf eine Differenzdiode. Ist der Gegenstand im Fokus des Objektives, so wird der Lichtpunkt genau auf dem Tei lersteg der Diode abgebildet und das Differenzsignal ist Null. Bei Defokussierung wird ein Differenzsignal Null er zeugt, welches zur Nachfokussierung weiterverarbeitet wird.The beam emanating from the point of light on the object a lens, lenses and a divider prism on a differential diode. Is the object in focus of the lens, so the point of light is exactly on the part first of the diode is shown and the difference signal is Zero. When defocusing, a differential signal becomes zero testifies which further processed for refocusing becomes.
Ferner sind aus der Zeitschrift "QZ", Seiten 210 bis 213, Methoden und Anordnungen bekannt, die zwecks automa tischer Fokussierung aus vielen Sensoren bestehende Empfängeranordnungen (z. B. CCD-Anordnungen) benutzen. Die erforderliche Bildanalyse und Bildverarbeitung erfordert einen relativ hohen technischen Aufwand. Oft besteht er in der Realisierung gesonderter Strahlengänge einschließlich zugehöriger Lichtquellen. Bekannte Verfahren für Auflicht objekte und optische Antastung von Oberflächen erfassen nicht die bei Koordinatenmeßgeräten dominierenden Durch lichtobjekte wie Strukturen (z. B. Kanten und Striche) im Schattenbild, die z. B. mittels Kreis-Kreisring-Detekto ren angetastet werden (DE-PS 31 43 948).Furthermore, from the magazine "QZ", pages 210 to 213, methods and arrangements known in order to automa table focusing consisting of many sensors Use receiver arrangements (e.g. CCD arrangements). The required image analysis and image processing required a relatively high technical effort. It often consists of the implementation of separate beam paths including associated light sources. Known methods for incident light Detect objects and optical probing of surfaces not the dominant through in coordinate measuring machines light objects such as structures (e.g. edges and lines) in the Silhouette z. B. by means of a circular-circular ring detector ren be touched (DE-PS 31 43 948).
Nachteilig bei den bekannten Einrichtungen ist fer ner, daß lediglich Nachfokussierungen oder Antastungen bzw. Entfernungsbestimmungen in einer zu ebenen Meßobjek ten senkrechten Richtung ausgeführt werden können. Zur Strukturorterkennung in der Ebene des Meßobjektes sind ge sonderte fotoelektrische Meßanordnungen erforderlich, die u. a. Differenzfotoempfänger umfassen und mit denen die Lage der anzutastenden Strukturen ermittelt wird.A disadvantage of the known devices is fer ner that only refocusing or probing or distance determinations in a measurement object that is too flat th vertical direction can be executed. To Structure location detection in the plane of the measurement object are ge specified photoelectric measuring arrangements required that u. a. Difference photo receivers include and with which the Location of the structures to be probed is determined.
Es ist das Ziel der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und mit relativ geringem Auf wand an Koordinatenmeßgeräten mit optoelektronischer Strukturorterkennung eine automatische Fokussierung zu realisieren und damit deren Gebrauchswert zu erhöhen.It is the aim of the invention, the disadvantages of the prior art the technology to eliminate and with a relatively low up wall on coordinate measuring machines with optoelectronic Structure location automatic focus realize and thus increase their utility value.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zum automatischen Fokussieren an Koordinatenmeßgeräten mit optoelektronischer Struktur orterkennung, insbesondere von im Durchlicht beleuch teten Meßobjekten zu schaffen, welche es mit relativ geringem technischen Aufwand ermöglichen, unter Verwen dung des für die Strukturorterkennung benutzten Sensors mit zugehöriger elektronischer Auswerteeinheit und des optischen Systems, unabhängig von wechselnder Objekt helligkeit eine automatische Fokussierung auf das Meß objekt zu realisieren.The invention has for its object a method and a device for automatic focusing Coordinate measuring devices with optoelectronic structure location recognition, in particular of transmitted light illumination teten test objects to create, which it with relative enable little technical effort, using of the sensor used for structure location detection with associated electronic evaluation unit and the optical system, regardless of changing object brightness an automatic focus on the measurement realizing object.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Ver fahren zum automatischen Fokussieren an Koordinatenmeß geräten mit optoelektronischer Strukturorterkennung, wobei eine beleuchtete Struktur mit voller Apertur des Objektives und dingseitig telezentrisch auf einen Meß sensor abgebildet wird und durch den Meßsensor beim Ab tasten der Struktur ein Meßsignal erzeugt wird, dadurch gelöst, daß durch mindestens einen mit Teilapertur be leuchteten, fotoelektrischen Fokussiersensor ein bei De fokussierung des Strahlenganges gegenüber dem Meßsignal des Meßsensors verschobenes Fokussiersignal beim Ab tasten der Struktur durch den Fokussiersensor erzeugt wird, und daß in einer Auswerteeinheit aus Meß- und Fo kussiersignal ein Differenzsignal im Fall der Struktur orterkennung durch den Meßsensor oder Fokussiersensor gebildet und einer Ansteuereinheit zur Ansteuerung eines den Strahlengang fokussierenden Stellgliedes zugeführt wird.According to the invention, this task is performed at a ver drive for automatic focusing on coordinate measurement devices with optoelectronic structure location detection, an illuminated structure with full aperture of the Objective and telecentric on one side on one measurement sensor is mapped and by the measuring sensor at Ab feel the structure a measurement signal is generated, thereby solved that be by at least one with partial aperture illuminated, photoelectric focusing sensor at De focusing of the beam path compared to the measurement signal of the measuring sensor shifted focusing signal at Ab buttons of the structure generated by the focusing sensor is, and that in an evaluation unit from measuring and Fo kissing signal a difference signal in the case of structure location detection by the measuring sensor or focusing sensor formed and a control unit for controlling a the actuator focusing beam path fed becomes.
Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem, eine Struktur eines Meßobjektes in eine Zwi schenbildebene abbildendem Objektiv und mit einem, dem Objektiv nachgeordneten, einen Beobachtungs- und einen weiteren Strahlengang erzeugenden Strahlenteiler, wobei im weiteren Strahlengang in einer, zur Zwischenbild ebene konjugierten Ebene ein fotoelektrischer Meßsensor vorgesehen ist, der mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, und daß im Beobachtungsstrahlengang die Zwischen bildebene in die Ebene eines Beobachtungssystems oder einer Bildaufnahmeanordnung abbildende optische Sy steme vorgesehen sind, ist gekennzeichnet dadurch, daß im, dem Strahlenteiler nachgeordneten weiteren Strah lengang ein weiterer, einen Meß- und mindestens einen Fokussierstrahlengang erzeugender Strahlenteiler vorge sehen ist, wobei im Meßstrahlengang der Meßsensor und im Fokussierstrahlengang ein fotoelektrischer Fokussier sensor sowie eine Teilaperturblende, die vor einem Um kehrsystem angeordnet ist, vorgesehen sind, und daß der Fokussiersensor mit der Auswerteeinheit verbunden ist.A facility to carry out the procedure, with a, a structure of a measurement object in a Zwi image-plane imaging lens and with one, the Objectively subordinate, one observation and one Another beam path generating beam splitter, where in the further beam path in one, to the intermediate image plane conjugate plane a photoelectric measuring sensor is provided, which is connected to an evaluation unit and that in the observation beam path the intermediate image level in the level of an observation system or an optical system imaging an image recording arrangement Steme are provided, is characterized in that in the further beam downstream of the beam splitter lengang another, a measuring and at least one Focusing beam path generating beam splitter featured can be seen, the measuring sensor and a photoelectric focusing in the focusing beam path sensor as well as a partial aperture, which is in front of a sweeping system is arranged, are provided, and that the focusing sensor is connected to the evaluation unit is.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Teilapertur blende entsprechend der Richtung der Strukturen ein stellbar ist.It is advantageous if the partial aperture fade in according to the direction of the structures is adjustable.
Ferner ist es vorteilig, wenn im Fokussierstrah lengang zwei Fokussiersensoren mit zugeordneten Teil aperturblenden vorgesehen sind, wobei die Kanten der Teilaperturblenden senkrecht zueinander gerichtet sind.It is also advantageous if in the focusing beam lengang two focusing sensors with assigned part aperture diaphragms are provided, the edges of the Partial aperture diaphragms are directed perpendicular to each other.
Vorteilhaft ist ferner, wenn Meß- und Fokussier sensor gleichen Aufbau besitzen und lagemäßig einander fest zugeordnet sind.It is also advantageous if measuring and focusing Sensor have the same structure and positionally one another are permanently assigned.
Weiterhin ist es vorteilig, wenn im Falle der Strukturorterkennung durch den Fokussiersensor beim Nulldurchgang des Fokussierdifferenzsignals, gebildet in der Auswerteeinheit aus den Signalen der beiden Fotoempfänger des Fokussiersensors, das Meßdifferenz signal des Meßsensors, gebildet aus den Signalen der beiden Fotoempfänger des Meßsensors, zur Ansteuerung eines fokussierenden Stellgliedes benutzt wird.Furthermore, it is advantageous if in the case of Structure location detection by the focusing sensor at Zero crossing of the focus difference signal, formed in the evaluation unit from the signals of the two Photo sensor of the focusing sensor, the measurement difference signal of the measuring sensor, formed from the signals of the two photo receivers of the measuring sensor, for control a focusing actuator is used.
Vorteilhaft ist es auch, den Meß- und Fokussier sensor lagemäßig einander so zuzuordnen, daß bei scharfer Abbildung, d. h. ein fokussierter Zustand, beide Sensoren eine Struktur gleichzeitig erkennen, in der elektronischen Auswerteeinheit gleichzeitig einen Impuls zur Übernahme der Koordinaten des Koordinatenmeßgerätes auslösen und bei unscharfer Abbildung aus der Differenz der Koordiantenwerte, die zu den zeitlich nacheinander ausgelösten Übernahmeimpulsen beider Sensoren gehören, die erforderliche Nachstellgröße der Fokussierung nach Richtung und Betrag abgeleitet wird. Hieraus ergibt sich ein Vorteil der Erfindung, daß die Fokussierung unab hängig von wechselnder Objekthelligkeit, bedingt durch Meßobjekt, Objektivvergrößerung, Netzspannung, Beleuch tungsart und -apertur, ist. Die Unabhängigkeit von wechselnden Lichtverhältnissen wird ferner begünstigt durch die Verwendung von Differenzfotoempfängern als Sensoren, wie z. B. Kreis-Kreisring-Detektoren. Bei Be nutzung von Differenzfotoempfängern wird in der elek tronischen Auswerteeinheit von den beiden Empfängern des Meßsensors ein Meßdifferenzsignal und von denen des Fo kussiersensors ein Fokussierdifferenzsignal erzeugt und es ist vorteilhaft, daß Meßdifferenzsignal zum Zeitpunkt des Nulldurchganges des Fokussierdifferenzsignals zur An steuerung eines fokussierenden Stellgliedes zu benutzen.It is also advantageous to measure and focus position sensor to each other so that at sharp image, d. H. a focused state, both Sensors simultaneously recognize a structure in which electronic evaluation unit simultaneously a pulse to take over the coordinates of the coordinate measuring machine trigger and if the image is out of focus from the difference of the coordinate values that are consecutive in time trigger signals of both sensors triggered, the required adjustment quantity after focusing Direction and amount is derived. It follows from this an advantage of the invention that the focussing dependent on changing object brightness, caused by Object to be measured, magnification of the lens, mains voltage, lighting type and aperture, is. Independence from changing lighting conditions is also favored by using differential photo receivers as Sensors such as B. circular-ring detectors. At Be use of differential photo receivers is in the elek tronic evaluation unit from the two receivers of the Measuring sensor a difference signal and of those of the Fo kissing sensor generates a focus difference signal and it is advantageous that the measurement difference signal at the time the zero crossing of the focusing difference signal to the on control of a focusing actuator to use.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der ent sprechenden Einrichtung ist es erstmals sowohl bei dyna mischen als auch bei statischen Messungen möglich, Struk turen anzutasten und gleichzeitig eine automatische Fo kussierung des Strahlenganges mit geringem Aufwand und unter Beibehaltung des optischen Systems und des Meßsen sors mit elektronischer Auswerteeinheit für die Struk turorterkennung vorzunehmen.With the inventive method and ent speaking facility it is the first time at both dyna mix as well as possible with static measurements, struc buttons and an automatic fo kissing the beam path with little effort and while maintaining the optical system and measuring sors with electronic evaluation unit for the structure tour recognition.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbei spiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt The invention is illustrated below in one embodiment game are explained in more detail. In the drawing shows
Fig. 1 schematisch den optischen Aufbau einer er findungsgemäßen Einrichtung, Fig. 1 shows schematically the structure of an optical he inventive device,
Fig. 2 schematisch den Aufbau einer Einrichtung mit schwenkbarem Reflektor und Fig. 2 shows schematically the structure of a device with a pivotable reflector and
Fig. 3 Objektiv und Hauptstrahl des Fokussierstrah lenganges nach Fig. 2. Fig. 3 lens and the chief ray of the Fokussierstrah lenganges of FIG. 2.
Bei dem Verfahren zum automatischen Fokussieren an Koor dinatenmeßgeräten mit optoelektronischer Strukturorter kennung wird eine beleuchtete Struktur 1 eines Meßobjek tes 2, z. B. eine Kante oder ein Strich mittels einer Abbildungsoptik in Form eines Objektives 3 bei voller Apertur und dingseitig telezentrisch auf einen fotoelek trischenMeßsensor 4, im Beispiel auf einen Differenzfo toempfänger, abgebildet. Durch mindestens einen mit Teil apertur beleuchteten Fokussiersensor 5, der ebenfalls ein Differenzfotoempfänger ist, wird bei Defokussierung des Strahlenganges die Struktur 1 phasenverschoben gegenüber dem Meßsensor 4 auf dem Fokussiersensor 5 abgebildet. Die Signale der beiden Fotoempfänger des Meßsensors 4 und die Signale der beiden Fotoempfänger des Fokussiersensors 5 werden der elektronischen Auswerteeinheit 6 zugeführt. Die Auswerteeinheit bildet aus den Signalen des Meßsen sors 4 ein Meßdifferenzsignal im vorgegebenen Amplituden bereich weitgehend unabhängig von der Helligkeit des Meß objektes 2 und aus den Signalen des Fokussiersensors 5 ein Fokussierdifferenzsignal. Beim Antasten der Struktur 1 des Meßobjektes 2 bei defokussiertem Strahlengang ist der Nulldurchgang des Fokussierdifferenzsignals zeitlich ver setzt gegenüber dem Nulldurchgang des Meßdifferenzsignals. Somit liegt zum Zeitpunkt des Nulldurchganges des Fokus sierdifferenzsignals ein Meßdifferenzsignal vor, das nach Betrag und Vorzeichen verwendet und der Ansteuereinheit zugeführt wird zum Stellen von den Strahlengang fokussie renden Elementen 8; 9 (in Fig. 1 als Schiebelinsen zum Objektiv 3 dargestellt). Eine Fokussierung kann auch durch Verschiebung der gesamten Einrichtung in Richtung der optischen Achse relativ zum Meßobjekt 2 erfolgen. Im Hinblick auf ein schnelles Nachfokussieren bei mini maler Änderung der optischen Achse erweist sich die An wendung von Schiebelinsen als vorteilhaft. Ferner wird bei Anwendung einer bildseitigen Schiebelinse 9 der freie Objektabstand nicht beeinträchtigt.In the method for automatic focusing on coordinate measuring devices with optoelectronic structure location detection, an illuminated structure 1 of a measurement object 2 , for. B. an edge or a line by means of imaging optics in the form of an objective 3 with full aperture and on the telecentric side on a photoelectric measuring sensor 4 , in the example on a differential photo receiver, mapped. By at least one focusing sensor 5 illuminated with partial aperture, which is also a differential photo receiver, when the beam path is defocused, the structure 1 is imaged on the focusing sensor 5 with respect to the measuring sensor 4 . The signals from the two photo receivers of the measuring sensor 4 and the signals from the two photo receivers of the focusing sensor 5 are fed to the electronic evaluation unit 6 . The evaluation unit forms from the signals of the Meßsen sensor 4, a measurement difference signal in the predetermined amplitude range largely independent of the brightness of the measurement object 2 and from the signals of the focusing sensor 5, a focusing difference signal. When probing the structure 1 of the measurement object 2 with a defocused beam path, the zero crossing of the focusing difference signal is temporally compared to the zero crossing of the measuring difference signal. Thus, at the time of the zero crossing of the focusing differential signal, there is a measuring difference signal which is used according to magnitude and sign and is fed to the control unit for setting the beam focusing elements 8; 9 (shown in Fig. 1 as sliding lenses to the lens 3 ). Focusing can also take place by shifting the entire device in the direction of the optical axis relative to the measurement object 2 . With regard to a quick refocusing with mini painterly changing the optical axis, the use of sliding lenses proves to be advantageous. Furthermore, the free object distance is not impaired when an image-side sliding lens 9 is used .
Eine erfindungsgemäße Einrichtung nach Fig. 1 zur Durchführung des Verfahrens umfaßt das Objektiv 3, welches die Struktur 1 des Meßobjektes 2 in eine Zwi schenbildebene 10 abbildet und einen, dem Objektiv 3 nachgeordneten Strahltenteiler 11, welcher einen Beobach tungsstrahlengang 12 und einen weiteren Strahlengang 13 erzeugt, in dem in einer zur Zwischenbildebene 10 kon jugierten Ebene an einer Feldlinse 14 ebenfalls ein Zwi schenbild 20 der Struktur 1 entsteht. An einem, der Feldlinse 14 nachgeordneten, weiteren Strahlenteiler 15, z. B. einem Kösterprisma, wird ein Meßstrahlengang 16 und mindstens ein Fokussierstrahlengang 17 erzeugt, in welchen der Meßsensor 4 und der Fokussiersensor 5 ange ordnet sind. In jedem dieser Strahlengänge 16 und 17 ist ein Umkehrsystem 18; 19 vorgesehen, durch welches das in der Feldlinse 14 liegende Zwischenbild 20 der Struktur 1 auf den Meßsensor 4 und den Fokussiersensor 5 abgebildet wird. Im Fokussierstrahlengang 17 befindet sich vor dem Umkehrsystem 18 eine teilaperturbegrenzende Blende 21, die die Hälfte des abbildenden Lichtbündels im Fokussierstrahlengang 17 abblendet, wodurch der zu gehörige Bildort auf dem Fokussiersensor 5 abhängig von der Fokussierung des Strahlenganges wird. Der Meßsen sor 4 und der Fokussiersensor 5 sind lagemäßig vorzugs weise in einem gemeinsamen Gehäuse, so zueinander ju stiert, daß bei scharfer Abbildung die Bildmitten der Struktur 1 mit den Sensormitteln zusammenfallen und so mit beide Sensoren gleichzeitig eine Struktur erkennen. Vorteilhaft ist dabei, daß Meß- und Fokussiersensor einen gleichen Aufbau besitzen. A device according to the invention according to FIG. 1 for carrying out the method comprises the lens 3 , which maps the structure 1 of the measurement object 2 into an intermediate image plane 10 and a beam splitter 11 arranged downstream of the lens 3 , which generates an observation beam path 12 and a further beam path 13 , in a con to the intermediate image plane 10 conjugate on a field lens 14 also an inter mediate image 20 of the structure 1 is formed. At one, the field lens 14 downstream, further beam splitter 15 , z. B. a Köster prism, a measuring beam path 16 and at least one focusing beam path 17 is generated, in which the measuring sensor 4 and the focusing sensor 5 are arranged. In each of these beam paths 16 and 17 there is a reversal system 18; 19 is provided, by means of which the intermediate image 20 of the structure 1 located in the field lens 14 is imaged on the measuring sensor 4 and the focusing sensor 5 . In Fokussierstrahlengang 17 is located before the reversing system 18 teilaperturbegrenzende a diaphragm 21, which dims the half of the imaging light bundle in Fokussierstrahlengang 17, which is associated to the image location on the Fokussiersensor 5 depending on the focusing of the beam path. The Meßsen sensor 4 and the focusing sensor 5 are position preference, in a common housing, so ju stiert that the center of the image of the structure 1 coincide with the sensor means and thus recognize a structure with both sensors at the same time with sharp imaging. It is advantageous that the measuring and focusing sensor have the same structure.
Im Beobachtungsstrahlengang 12 ist ferner ein optisches System 22 vorgesehen, welches die Zwischenbildebene 10 in die Ebene 23 eines Beobachtungs- oder Bildaufnahme systems 24, z. B. einer Fernsehkamera abbildet.In the observation beam path 12 , an optical system 22 is also provided, which the intermediate image plane 10 in the plane 23 of an observation or image recording system 24 , for. B. maps a television camera.
In Fig. 2 ist das optische Schema eines Meßkopfes eines Koordinatenmeßgerätes für optoelektronische Struk turorterkennung, automatische Fokussierung und Fernseh bildwiedergabe dargestellt. Die Struktur 1 des Meßob jektes 2 wird durch das Objektiv 3 über den nachgeord neten Strahlenteiler 25 in eine Zwischenbildebene 26 und die dazu konjugierte Ebene 27, in welcher ein Meß sensor 28 zur optoelektronischen Strukturorterkennung liegt, abgebildet. Die Zwischenbildebene 26 wird durch Ein- und Ausschalten eines nachgeordneten Reflektors 29 in den Strahlengang wahlweise mit einen Zwischenabbil dungssystem 30 (bei eingeschaltetem Reflektor 29) oder 31 (bei ausgeschaltetem Reflektor 29) über einen nach geordneten weiteren Strahlenteiler 32 auf die Empfän gerfläche 33 einer Fernsehkamera 34 abgebildet, wobei die Zwischenabbildungssysteme 30 und 31 u. a. auch zur Realsierung unterschiedlicher Vergrößerungen des Fern sehbildes dienen. Vor dem Zwischenabbildungssystem 31 ist eine Teilaperturblende 35 angeordnet, welche, wie bei der Einrichtung nach Fig. 1 die Hälfte des abbil denden Lichtbündels abblendet und den zugehörigen Bild ort der Struktur 1 auf dem nachgeschalteten Fokussiersen sor 36 fokussierabhängig macht.In Fig. 2, the optical diagram of a measuring head of a coordinate measuring machine for optoelectronic struc ture recognition, automatic focusing and television image reproduction is shown. The structure 1 of the object 2 Meßob is imaged by the lens 3 on the nachgeord Neten beam splitter 25 in an intermediate image plane 26 and the conjugate plane 27 , in which a measuring sensor 28 for optoelectronic structure location detection. The intermediate image plane 26 is switched on and off by a downstream reflector 29 in the beam path either with an intermediate imaging system 30 (with the reflector 29 switched on ) or 31 (with the reflector 29 switched off) via an ordered further beam splitter 32 onto the receiver surface 33 of a television camera 34 mapped, with the intermediate imaging systems 30 and 31 serving, inter alia, for realizing different magnifications of the television image. Before the intermediate imaging system 31 is a Teilaperturblende 35 is arranged, which dims, half as in the device according to Fig. 1 of the abbil Denden light beam and the corresponding image location of the structure 1 on the downstream Fokussiersen sor 36 makes fokussierabhängig.
Meßsensor 28 und Fokussiersensor 36 sind in fester Lage zueinander, wie oben zu Fig. 1 beschrieben, ange ordnet und mit der elektronischen Auswerteeinheit 6 ver bunden.Measuring sensor 28 and focusing sensor 36 are in a fixed position to each other, as described above for FIG. 1, arranged and ver with the electronic evaluation unit 6 connected.
Bei den Sensoren 28 und 36 (Fig. 2), die wieder Differenzfotoempfänger sind, fallen ebenso wie bei den Sensoren 4 und 5 (Fig. 1) bei Abbildung mit fokussier tem Strahlengang die Bildmitten der Struktur 1 mit den Sensormitten gleichzeitig zusammen. Das in der Auswerte einheit 6 gebildete Meßdifferenzsignal, abgeleitet aus den Signalen der beiden Fotoempfänger des Meßsensors 28 sowie das in der Auswerteeinheit 6 gebildete Fokussier differenzsignal, abgeleitet aus den Signalen der beiden Fotoempfänger des Fokussiersensors 36, sind zueinander nicht phasenverschoben. Bei Antastung (Bewegung) der Struktur 1 fallen Nulldurchgang des Meßdifferenzsignals und des Fokussierdifferenzsignals zeitlich zusammen. Bei Defokussierung des Strahlenganges, d. h. bei un scharfer Abbildung, ist der Signalverlauf des Fokussier differenzsignals phasenverschoben gegenüber dem Signal verlauf des Meßdifferenzsignals während des Antastvor ganges (Bewegung) der Struktur 1. Im Nulldurchgang des Fokussierdifferenzsignals wird ein Impuls erzeugt und zeitlich versetzt wird im Nulldurchgang des Meßdiffe renzsignals ein weiterer Impuls gebildet. Beide Impulse werden zur Bestimmung der zugeordneten Koordinaten eines Koordinatenmeßgerätes verwendet, auf dem sich das Meß objekt 2 befindet. Aus der Koordinatendifferenz wird die erforderliche Nachstellgröße und -richtung für die Fokussierung ermittelt und über die Ansteuereinheit 7 ein Stellglied entsprechend angesteuert.In the sensors 28 and 36 ( FIG. 2), which are differential photo receivers again, as in the case of the sensors 4 and 5 ( FIG. 1), the image centers of the structure 1 coincide with the sensor centers at the same time when the beam path is focused. The Meßdifferenzsignal formed in the evaluation unit 6, derived from the signals of the two photodetectors of the measuring sensor 28 and the focusing formed in the evaluation unit 6 difference signal derived from the signals of the two photodetectors of the Fokussiersensors 36 are mutually not out of phase. When the structure 1 is touched (movement), the zero crossing of the measuring difference signal and the focusing difference signal coincide in time. If the beam path is defocused, ie if the image is not sharp, the signal curve of the focusing difference signal is out of phase with the signal curve of the measurement difference signal during the scanning process (movement) of the structure 1 . A pulse is generated in the zero crossing of the focusing difference signal and another pulse is formed in the zero crossing of the measuring difference signal. Both pulses are used to determine the assigned coordinates of a coordinate measuring machine on which the object 2 is located. The required adjustment quantity and direction for the focusing is determined from the coordinate difference and an actuator is appropriately controlled via the control unit 7 .
Die Signalverarbeitung läßt sich vereinfachen, wenn die Nachstellgröße der Fokussierung unmittelbar aus der Meßsignaldifferenz des Meßsensors zum Zeitpunkt des Nulldurchganges des Fokussierdifferenzsignales des Fokussiersensors abgeleitet wird, wofür das Meßdifferenz signal aufgrund telezentrischer, beschnittfreier Struk turabbildung auf den Meßsensor gut geeignet ist.The signal processing can be simplified if the adjustment quantity of the focus is immediate from the measurement signal difference of the measurement sensor at the time the zero crossing of the focusing difference signal Focusing sensor is derived, for what the measurement difference signal due to telecentric, bleed-free structure door mapping on the measuring sensor is well suited.
In Fig. 3 sind das Objektiv 3 und der Hauptstrahl 37 des Fokussierstrahlenganges bei halbseitiger Abblen dung mittels der Teilaperturblende 35 (entspr. Fig. 2) dargestellt. Dabei ist die Ebene 38 die Einstellebene, die scharf auf den Meßsensor 28 und den Fokussiersensor 36 abgebildet wird. In der gestrichelt dargestellten Ebene 39 befindet sich die scharfzustellende Struktur 1. In Fig. 3, the lens 3 and the main beam 37 of the focusing beam path with half-sided Abblen tion by means of the partial aperture diaphragm 35 (corresponds. Fig. 2). The plane 38 is the setting plane which is imaged sharply on the measuring sensor 28 and the focusing sensor 36 . The structure 1 to be focused is located in the dashed plane 39 .
Bewegt sich eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Struktur, z. B. die Kante eines Meßobjektes, in Richtung der X-Koordinate, so wird sie vom Fokussiersensor 36 er kannt, wenn sie sich im Punkt P F befindet. Vom Meßsensor 28 wird die Struktur erkannt, wenn sie sich im Punkt P M befindet. Die Struktur wird dann von dem jeweiligen Sen sor erkannt, wenn sie den Hauptstrahl des jeweiligen Strahlenganges durchläuft. Für den Meßstrahlengang ist die optische Achse 40 Hauptstrahl. Durch Impulse zur Übernahme der Koordinatenwerte beim Durchlaufen des Hauptstrahles 37 und der optischen Achse 40 werden die zugehörigen Koordinaten X F und X M der Punkte P F und P M festgehalten und aus der folgenden Beziehung die Nach stellgröße Δ z = k · Δ (X M - X F ) berechnet, um welche der Meßkopf zustellen ist. Wobei die Apertur und k eine von der Größe der Teilapertur abhängige Konstante sind.Moves a structure running perpendicular to the plane of the drawing, e.g. B. the edge of a measurement object, in the direction of the X coordinate, it is known by the focusing sensor 36 if it is at point P F. The structure is recognized by the measuring sensor 28 when it is in the point P M. The structure is then recognized by the respective sensor when it passes through the main beam of the respective beam path. The optical axis 40 is the main beam for the measuring beam path. The associated coordinates X F and X M of the points P F and P M are recorded by impulses for taking over the coordinate values when passing through the main beam 37 and the optical axis 40 , and from the following relationship the manipulated variable Δ z = k · Δ (X M - X F ) calculated by which the measuring head is to be delivered. The aperture and k are a constant that depends on the size of the partial aperture.
Im Fokussierstrahlengang (nicht dargestellt) können jedoch im Hinblick auf Fokussierung beliebig gerichteter Strukturen auch zwei Fokussiersensoren mit den zugehörigen Teilaperturblenden vorgesehen werden, wobei die Kanten dieser Blenden vorzugsweise senkrecht zueinander gerich tet sind. Auch ist es vorteilhaft, wenn bei Benutzung eines Fokussiersensors und einer Teilaperturblende die Teilaperturblende entsprechend der Richtung einstellbar ist.In the focusing beam path (not shown) however, in terms of focusing in any direction Structures also two focusing sensors with the associated Partial aperture diaphragms are provided, the edges these screens preferably perpendicular to each other are. It is also advantageous if when in use a focusing sensor and a partial aperture stop Partial aperture diaphragm adjustable according to the direction is.
Claims (6)
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|---|---|---|---|
| DE19883822275 Withdrawn DE3822275A1 (en) | 1987-09-02 | 1988-07-01 | Method and device for automatic focussing on coordinate measuring machines with optoelectronic structure locating |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DD263603A1 (en) | 1989-01-04 |
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