DE3824319A1

DE3824319A1 - Distance measuring arrangement

Info

Publication number: DE3824319A1
Application number: DE19883824319
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-01-09
Filing date: 1988-07-18
Publication date: 1990-01-25

Abstract

An arrangement to measure the distance of a test point lying on a specimen surface from a reference plane comprises a semiconductor laser (10), whose power is readjusted so that a constant quantity of light falls on a detector (22), independent of the reflection capability of the specimen surface at the test point, the said detector generating an output signal corresponding to the focal point deviation of the test point. The output signal of a position transmitter (50) which measures the actual position of an optical unit (16), which serves to image the laser beam on the test point and is tracked so that the test point always lies at the focal point, is combined by means of an addition circuit (66) with a correction signal which is derived from a signal assigned to the actual power of the semiconductor laser (10). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen des Ab standes eines auf einer Prüflingsoberfläche liegenden Prüf punktes von einer Bezugsebene gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to an arrangement for measuring the Ab status of a test lying on a test specimen surface point from a reference plane according to the preamble of Claim 1.

Eine derartige Anordnung ist Gegenstand der Hauptanmeldung P 38 00 427.5.Such an arrangement is the subject of Main application P 38 00 427.5.

Es wurde herausgefunden, daß bei derartigen Meßanord nungen dann, wenn eine starke Nachregelung der Laserleistung notwendig wird, weil sich die Reflektivität des ausgemes senen Teiles der Prüflingsoberfläche stark ändert, die Auflösung der Meßanordnung etwas schlechter wird.It has been found that with such a measuring arrangement if a strong readjustment of the laser power becomes necessary because the reflectivity of the measured that part of the test specimen surface changes significantly Resolution of the measuring arrangement becomes somewhat worse.

Durch die vorliegende Erfindung soll eine Meßanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 dahingehend weitergebildet werden, daß auch bei starker Nachregelung der Laserleistung die hohe Auflösung der Meßanordnung erhalten bleibt.By The present invention is intended to be a measuring arrangement according to the The preamble of claim 1 further developed be that even with strong readjustment of the laser power the high resolution of the measuring arrangement is retained.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Meß anordnung gemäß Anspruch 1.This object is achieved by a measurement Arrangement according to claim 1.

Durch die Erfindung wurde erkannt, daß bei einer starken Leistungsnachregelung des Lasers sich auch eine kleine Ver schiebung der Wellenlänge des ausgesandten Lichtes ergibt, was für bisherige Anwendungen irrelevant war, bei der hoch genauen Ausmessung von Prüflingsoberflächen dagegen eine Verfälschung des Meßergebnisses bringt, da der Brennpunkt des Objektives sich mit der Änderung der Wellenlänge des verwendeten Laserlichtes geringfügig verschiebt, so daß man aufgrund der Servonachregelung der Optik eine etwas andere Stellung der Optik erhält, damit auch einen gering fügig verfälschten Abstandsmeßwert. Diese Verfälschung wird erfindungsgemäß durch eine Korrektureinrichtung kompensiert, welche die durch die Wellenlängenänderung bedingte Brenn punktverschiebung vom gemessenen Ist-Stellungssignal der Optik abzieht. Als Maß für die Verschiebung der Wellenlänge wird die Ist-Leistung verwendet, unter welcher der Laser gerade arbeitet.It was recognized by the invention that with a strong Power readjustment of the laser is also a small ver shift in the wavelength of the emitted light, which was irrelevant for previous applications, at the high an exact measurement of test specimen surfaces Falsification of the measurement results because the focus of the lens with the change in the wavelength of the used laser light shifts slightly, so that one due to the servo adjustment of the optics receives another position of the optics, thus also a low Completely falsified distance measurement. This falsification will compensated according to the invention by a correction device, which is the focal caused by the change in wavelength point shift from the measured actual position signal of the Optics subtracts. As a measure of the shift in wavelength the actual power is used, under which the laser is currently working.

Diese Korrektur des Meßsignales läßt sich unter apparativ geringem Aufwand durchführen; man erhält so insgesamt eine Meßanordnung, mit welcher Bereiche der Prüflingsoberfläche mit hohem Reflexionsvermögen und solche mit kleinem Refle xionsvermögen mit gleicher Auflösung ausgemessen werden können.This correction of the measurement signal can be done under apparatus perform little effort; you get a total of one Measuring arrangement with which areas of the test specimen surface with high reflectivity and those with small reflect xions ability be measured with the same resolution can.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unter ansprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are in Unter claims specified.

Die Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen 2 und 3 ermöglichen auf besonders einfache Weise das Ableiten eines elektrischen Signales, welches der Ist-Leistung des Lasers zugeordnet ist.The developments of the invention according to claims 2 and 3 enable the derivation in a particularly simple manner an electrical signal, which is the actual power of the Lasers is assigned.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 ermöglicht es auf einfache Weise, auch nichtlineare Zusammenhänge zwi schen Laserleistung und Wellenlängenverschiebung auf ein fache Weise zu berücksichtigen.The development of the invention according to claim 4 enables it in a simple way, even non-linear relationships between laser power and wavelength shift easy way to consider.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungs beispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläu tert. In dieser zeigt die einzige Figur einen schematischen axialen Schnitt durch einen Meßkopf eines Gerätes zum hoch genauem Ausmessen der Lage und Kontur einer Prüflingsober fläche sowie ein Blockschaltbild der zugeordneten Meß elektronik.The invention based on an embodiment example with reference to the drawing tert. In this shows the only figure a schematic axial section through a measuring head of a device for high exact measurement of the position and contour of a test object area and a block diagram of the assigned measurement electronics.

In der Zeichnung ist mit 10 ein Halbleiterlaser bezeichnet, der Licht im roten Bereich des Spektrums aussendet. Das vom Halbleiterlaser 10 abgegebene Licht wird durch eine Linse 12 in ein Parallelbündel umgesetzt, welches über einen halbdurchlässigen Spiegel 14 zu einem Objektiv 16 gelangt. Letzteres fokussiert den Laserstrahl auf die Oberfläche eines Prüflings 18.In the drawing, 10 denotes a semiconductor laser which emits light in the red region of the spectrum. The light emitted by the semiconductor laser 10 is converted by a lens 12 into a parallel bundle, which reaches a lens 16 via a semi-transparent mirror 14 . The latter focuses the laser beam on the surface of a test specimen 18 .

Das vom Prüfling 18 reflektierte Licht wird von dem Objek tiv 16 wieder in ein Parallelbündel zurückverwandelt und gelangt über den halbdurchsichtigen Spiegel 14 auf eine weitere Linse 20, die das Strahlenbündel auf einen insge samt mit 22 bezeichneten Detektor abbildet. Zwischen der Linse 20 und dem Detektor 22 ist ein Prisma 24 angeordnet.The light reflected by the test specimen 18 is converted back into a parallel bundle by the lens 16 and passes via the semitransparent mirror 14 to a further lens 20 which images the bundle of rays onto a total of 22 designated detector. A prism 24 is arranged between the lens 20 and the detector 22 .

Der Detektor 22 ist in der Zeichnung um 90° aus seiner wirk lichen Lage herausgekippt wiedergegeben, um das Auftreffen des Laserstrahles deutlicher zeigen zu können. In Wirklich keit steht der Detektor 22 senkrecht auf der Achse der Linse 20.The detector 22 is shown in the drawing tilted 90 ° out of its real position to show the impact of the laser beam more clearly. In reality, the detector 22 is perpendicular to the axis of the lens 20th

Der Detektor 22 besteht aus einem Substrat 26, welches zwei lichtempfindliche Elemente 28, 30, z. B. zwei Fotodioden trägt.The detector 22 consists of a substrate 26 , which two light-sensitive elements 28, 30 , z. B. carries two photodiodes.

Steht der ausgeleuchtete Punkt auf der Oberfläche des Prüf linges 18 exakt im Brennpunkt des Objektives 16, so liegt der auf dem Detektor 22 erzeugte Lichtfleck 32 exakt auf der Mittellinie des Detektors 22. Der Lichtfleck 32 ist in der Zeichnung ebenso übertrieben groß wiedergegeben wie der Abstand der beiden lichtempfindlichen Elemente 28, 30. Liegt der ausgeleuchtete Punkt der Prüflingsoberfläche zur einen oder anderen Seite des Brennpunktes des Objektives 16, so wandert der Lichtfleck 32 nach der einen oder ande ren Seite von der Mittellinie des Detektors 22 aus, wie in Fig. 2 durch gestrichelte Linien angedeutet.If the illuminated point on the surface of the test object 18 is exactly in the focal point of the objective 16 , the light spot 32 generated on the detector 22 lies exactly on the center line of the detector 22 . The light spot 32 is shown exaggeratedly large in the drawing, as is the distance between the two light-sensitive elements 28, 30 . If the illuminated point of the test specimen surface lies to one side or the other of the focal point of the objective 16 , the light spot 32 migrates to one side or the other from the center line of the detector 22 , as indicated in FIG. 2 by dashed lines.

Die lichtempfindlichen Elemente 28, 30 sind mit den Ein gängen eines Differenzverstärkers 34 verbunden, dessen Aus gangssignal über einen Verstärker 36 zum Ansteuern einer Magnetspule 38 dient. Diese arbeitet mit einem ringförmigen Permanentmagneten 40 zusammen, der auf einer Halterung 42 für das Objektiv 16 angebracht ist. Die Halterung 42 ist in axialer Richtung frei beweglich im Durchgang der ring förmigen Magnetspule 38 angeordnet und ist über mehrere in Umfangsrichtung verteilte Federn 44 an einer Wand 46 des Meßkopfgehäuses abgestützt oder aufgehängt. Durch Er regen der Magnetspule 38 kann somit das Objektiv 16 in der einen oder anderen Richtung aus der durch sein Gewicht und die Federn 44 vorgegebenen Nullage herausbewegt werden. Aufgrund der oben beschriebenen Erzeugung des Magnetspulen- Speisesignales ist gewährleistet, daß das Auslenken des Objektives 16 so erfolgt, daß der Lichtfleck 32 zur Mitte des Detektors 22 zurückkehrt. Damit ist dann das Objektiv 16 so bewegt worden, daß sein objektseitiger Brennpunkt wieder exakt auf den gerade ausgeleuchteten Punkt der Prüf lingsoberfläche fällt.The photosensitive elements 28, 30 are connected to the inputs of a differential amplifier 34 , the output signal of which is used via an amplifier 36 to control a magnetic coil 38 . This works together with an annular permanent magnet 40 , which is attached to a holder 42 for the lens 16 . The bracket 42 is freely movable in the axial direction in the passage of the ring-shaped magnetic coil 38 and is supported or suspended via a plurality of springs 44 distributed in the circumferential direction on a wall 46 of the measuring head housing. By energizing the magnetic coil 38 , the lens 16 can thus be moved in one direction or the other out of the zero position predetermined by its weight and the springs 44 . The above-described generation of the magnetic coil feed signal ensures that the lens 16 is deflected in such a way that the light spot 32 returns to the center of the detector 22 . So that the lens 16 has been moved so that its object-side focus again falls exactly on the point of the test object surface just illuminated.

An der Halterung 42 ist ein Stößel 48 befestigt, der mit einem Stellungsgeber 50 zusammenarbeitet, der ebenfalls von der Wand 46 getragen ist. Der Stellungsgeber 50 kann ein Potentiometer, ein Differentialtransformator, eine Tauchspulenanordnung oder dergleichen sein. Man erkennt, daß bei der oben beschriebenen Servonachstellung des Objek tives 16 das Ausgangssignal des Stellungsgebers 50 direkt ein Maß für den Abstand des gerade ausgeleuchteten Punktes der Prüflingsoberfläche von einer festen Bezugsebene ist.A plunger 48 is fastened to the holder 42 and cooperates with a position transmitter 50 , which is also carried by the wall 46 . The position transmitter 50 can be a potentiometer, a differential transformer, a moving coil arrangement or the like. It can be seen that in the servo adjustment of the objective 16 described above, the output signal of the position transmitter 50 is directly a measure of the distance of the point of the specimen surface which is just illuminated from a fixed reference plane.

Im Prinzip erhält man zwar die Nachführung des Objektives 16 durch die oben beschriebene Regelschleife auch für ge ringe Gesamtintensität des Lichtfleckes 32, da wegen des Differenzverstärkers 34 der stabile Lagezustand des Objek tives 16 immer dann erreicht wird, wenn die Anteile des Lichtfleckes 32, die auf das lichtempfindliche Element 28 gleich groß sind wie die Anteile, die auf das lichtempfind liche Element 30 fallen. Die Steilheit der Regelkennlinie hängt aber von der Gesamtintensität des Lichtfleckes 32 ab. Die Steilheit der Regelkennlinie bedingt die Schnellig keit des Auffindens der Brennpunktslage des Objektives 16 und in gewissem Ausmaße auch die Genauigkeit der Ausmessung der Prüflingsoberfläche.In principle, you get the tracking of the lens 16 by the control loop described above for ge low overall intensity of the light spot 32 , because due to the differential amplifier 34, the stable position of the objective lens 16 is always achieved when the proportions of the light spot 32 on the photosensitive element 28 are the same size as the proportions that fall on the photosensitive element 30 . However, the steepness of the control characteristic depends on the overall intensity of the light spot 32 . The steepness of the control characteristic causes the speed of finding the focal position of the objective 16 and to a certain extent also the accuracy of the measurement of the specimen surface.

Die Menge des den Detektor 22 nach Reflexion an der Prüf lingsoberfläche wieder erreichenden Lichtes hängt nun vom Reflexionsvermögen der Prüflingsoberfläche ab. Um dies aus zugleichen, wird die Leistung des Halbleiterlasers 10 so nachgeregelt, daß man unabhängig vom Reflexionsvermögen der Prüflingsoberfläche eine konstante auf den Detektor 22 auffallende Lichtmenge hat. Hierzu sind die Ausgänge der lichtempfindlichen Elemente 28, 30 mit den Eingängen eines Summierverstärkers 52 verbunden. Dessen Ausgang ist mit der einen Eingangsklemme eines weiteren Differenzver stärkers 54 verbunden. Dessen zweite Eingangsklemme erhält von einem als einstellbarer Widerstand 56 gezeigten Soll wertgeber ein elektrisches Signal, welches der Lichtmenge entspricht, die im Hinblick auf eine bestimmte Steilheit der Regelkennlinie auf den Detektor 22 fallen soll. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 54 wird auf den Eingang eines Leistungsverstärkers 58 gegeben, der den Halb leiterlaser 10 speist.The amount of light that reaches the detector 22 again after reflection on the specimen surface now depends on the reflectivity of the specimen surface. In order to compensate for this, the power of the semiconductor laser 10 is readjusted so that one has a constant amount of light striking the detector 22 regardless of the reflectivity of the specimen surface. For this purpose, the outputs of the light-sensitive elements 28, 30 are connected to the inputs of a summing amplifier 52 . Its output is connected to an input terminal of a further differential amplifier 54 . Its second input terminal receives an electrical signal from a desired value transmitter, shown as an adjustable resistor 56 , which corresponds to the amount of light that should fall on the detector 22 in view of a certain steepness of the control characteristic. The output signal of the differential amplifier 54 is given to the input of a power amplifier 58 which feeds the semiconductor laser 10 .

An den Halbleiterlaser 10 ist eine Fotodiode 60 angebaut, auf welche ein Teil des Laserlichtes fällt und die somit ein der momentanen Laserleistung zugeordnetes Ausgangssi gnal erzeugt. Dieses Signal wird auf einen Analog/Digital wandler 62 gegeben, und durch dessen Ausgangssignal wird ein Festwertspeicher 64 adressiert. Der Festwertspeicher enthält die Veränderungen der Brennweite des Objektives 16 bei den verschiedenen Laserleistungen. Diese Werte kön nen einmal durch Laborversuch ermittelt sein. Am Ausgang des Festwertspeichers 64 steht somit jeweils ein digitales Korrektursigal, welches der der momentanen Laserleistung entsprechenden Änderung der Objektivbrennweite gegenüber Normal-Arbeitsbedingungen entspricht. Dieses Korrektursi gnal wird in einem digitalen Addierkreis 66 mit dem Aus gangssignal eines zweiten Festwertspeichers 66 zusammen gefaßt, der über einen zweiten Analog/Digitalwandler 68 adressiert wird. Der Eingang des letzteren ist mit dem Ausgang des Stellungsgebers 50 verbunden. Im Festwertspei cher 66 sind Signale abgelegt, die zur Korrektur von Nicht linearitäten des Stellungsgebers 50 dienen.A photodiode 60 is mounted on the semiconductor laser 10 , onto which a portion of the laser light falls and which thus generates an output signal associated with the instantaneous laser power. This signal is given to an analog / digital converter 62 , and a read-only memory 64 is addressed by its output signal. The read-only memory contains the changes in the focal length of the objective 16 with the different laser powers. These values can be determined by laboratory tests. At the output of the read-only memory 64 there is a digital correction signal, which corresponds to the change in the lens focal length corresponding to the current laser power compared to normal working conditions. This correction signal is summarized in a digital adding circuit 66 with the output signal from a second read-only memory 66 , which is addressed via a second analog / digital converter 68 . The input of the latter is connected to the output of the position transmitter 50 . In the fixed value memory 66 , signals are stored which serve to correct non-linearities of the position transmitter 50 .

Das durch Zusammenfassen der Ausgangssignale der Festwert speicher 64 und 66 vom Addierkreis 66 bereitgestellte Signal wird auf einer Anzeigeeinheit 70 dargestellt. Anstelle der Anzeigeeinheit 70 kann man auch eine Standardschnittstelle anschließen, um die Daten einem Rechner zu überstellen.The signal provided by combining the output signals of the read-only memories 64 and 66 from the adding circuit 66 is shown on a display unit 70 . Instead of the display unit 70 , a standard interface can also be connected in order to transfer the data to a computer.

In Abwandlung des vorstehenden Ausführungsbeispieles kann man dem Halbleiterlaser 10 anstelle der Fotodiode 60 einen Temperaturfühler 60 zuordnen, dessen Ausgangssignal analog verarbeitet wird wie das Ausgangssignal der Fotodiode 60.In a modification of the above exemplary embodiment, the semiconductor laser 10 can be assigned a temperature sensor 60 instead of the photodiode 60 , the output signal of which is processed analogously to the output signal of the photodiode 60 .

Da die im Laser aufgebaute Temperatur ein noch direkteres Maß für die genaue Arbeitswellenlänge des Lasers ist als die dem Laser zugeführte elektrische Leistung oder von diesem abgegebene optische Leistung, erhält man auf diese Weise eine noch genauere Abstandsmessung.Since the temperature built up in the laser is an even more direct one The measure for the exact working wavelength of the laser is as the electrical power supplied to the laser or from optical power given to this is obtained on this Way an even more accurate distance measurement.

In weiterer Abwandlung des oben beschriebenen Ausführungs beispieles kann man anstelle eines Halbleiterlasers 10 mit integrierter Fotodiode 60 auch einen Halbleiterlaser ohne Fotodiode verwenden, wobei dann das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 54, welches ebenfalls ein Maß für die Ist-Leistung des Halbleiterlasers 10 ist, über eine in der Zeichnung gestrichelt eingezeichnete Leitung 72 auf den Eingang des Analog/Digital-Wandlers 62 gegeben wird. Diese Variante arbeitet im übrigen genauso wie das zuerst beschrie bene Ausführungsbeispiel.In a further modification of the embodiment described above, one can also use a semiconductor laser without a photodiode instead of a semiconductor laser 10 with an integrated photodiode 60 , in which case the output signal of the differential amplifier 54 , which is also a measure of the actual power of the semiconductor laser 10 , via a of the drawing, dashed line 72 is given to the input of the analog / digital converter 62 . This variant works in the same way as the first described embodiment.

Claims

1. Arrangement for measuring the distance of a test point lying on a specimen surface from a reference plane, with a semiconductor laser as the light source, with axially movable optics for focusing the laser beam on the test point, with a detector unit which is acted upon by the laser light reflected from the test point and generates a position error signal assigned to the focal point deposit of the test point and generates an intensity error signal assigned to the difference between the intensity of the reflected light and a desired intensity value on the detector unit, with a servomotor which operates on the optics and which is controlled in accordance with the position error signal, with one Power control circuit associated with semiconductor lasers, which operates as a function of the intensity error signal, and with a device for determining the actual position of the optics according to patent application P 38 00 427.9, characterized by a correction device ( 62 to 66 ), which modifies the output signal of the device ( 50 ) for determining the position of the optics ( 16 ) as a function of the actual power of the semiconductor laser ( 10 ).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the semiconductor laser ( 10 ) is assigned a temperature sensor or a light detector ( 60 ), the output signal of the correction device ( 62 to 66 ) is supplied.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the correction device ( 62 to 66 ) is acted upon with the intensity error signal.

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the correction device has a correction memory ( 64 ) which is addressed by a signal associated with the actual intensity of the semiconductor laser ( 10 ).