DE3934744A1 - Non-contact thickness determn. - by moving focusing lens for laser beam - Google Patents
Non-contact thickness determn. - by moving focusing lens for laser beamInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Ermittlung der Dicke transparenter Werkstoffe, bei dem ein auf den Werkstoff gerichteter Laserstrahl durch Bewegen der Verstellinse einer Fokusverstelleinheit fokussiert, der Reflexionsstrahl in Richtung auf einen Fokus-Detektor abgelenkt und über eine Wegmessung die Stellung der Werkstofffläche bestimmt wird, bei welcher der Laserstrahl-Fokus mit dieser zusammenfällt. Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung mit einer einen Laserstrahl aussendenden Lasereinheit, einer Kollimator-Linse und einer Fokusverstelleinheit mit einer Verstellinse, deren optische Achse mit derjenigen der Kollimator-Linse zusammenfällt und die mittels eines Verstellantriebs in Richtung der optischen Achse verschiebbar ist, mit einem Wegaufnehmer, über den die jeweilige Stellung der Verstellinse bezüglich eines Bezugswertes feststellbar ist, und mit einem vor der Verstellinse angeordneten Strahlteiler mit nachgeschalteter Hilfslinse, über den ein etwa zurücklaufender Reflexionsstrahl in Richtung auf einen Fokus-Detektor ablenkbar ist.The invention relates to a method for non-contact determination of the thickness more transparent Materials, in which a directed towards the material Laser beam by moving the adjusting lens Focus adjustment unit that focuses Reflecting beam towards a focus detector distracted and the position of the Material area is determined at which the Laser beam focus coincides with this. The invention also relates to Implementation of the method with suitable device a laser unit emitting a laser beam, a collimator lens and a focus adjustment unit with an adjusting lens, the optical axis with that of the collimator lens coincides and that by means of an adjustment drive in the direction of is movable with an optical axis Displacement sensor, via which the respective position of the Adjustment lens with respect to a reference value is noticeable, and with one in front of the adjustment lens arranged beam splitter with downstream Auxiliary lens over which a retracting Reflecting beam towards a focus detector is distractible.
Bei der Ermittlung der Dicke - d. h. der Wandstärke oder Schichtdicke - transparenter Werkstoffe (beispielsweise Glas oder Kunststoff) kommen bisher mechanisch, induktiv, kapazitiv oder unter Ausnutzung der Infrarot-Absorpion arbeitende Verfahren und Vorrichtungen zur Anwendung, die allerdings eine Zugänglichkeit auf beiden Seiten des Werkstoffs voraussetzen.When determining the thickness - d. H. the wall thickness or layer thickness - transparent materials (for example glass or plastic) have so far come mechanical, inductive, capacitive or under utilization the infrared absorption process and Devices for use, but one Accessibility on both sides of the material presuppose.
Mechanisch arbeitende Verfahren und Vorrichtungen weisen darüber hinaus den Nachteil auf, daß mit Rücksicht auf die beiderseitige Zugänglichkeit beispielsweise ein zu überprüfender Hohlkörper entweder zerstört oder mit zusätzlichem Aufwand die Hohlkörper-Innenfläche abgetastet werden muß, ggf. durch Einführen eines Gegentasters in den Innenraum des Hohlkörpers.Mechanically operating methods and devices also have the disadvantage that with Respect for mutual accessibility for example a hollow body to be checked either destroyed or with additional effort Hollow body inner surface must be scanned, if necessary by inserting a push button in the interior of the hollow body.
Bei allen Verfahren und Vorrichtungen, welche die Wandstärke oder Schichtdicke über beiderseitige Meßpunkte aufgrund eines Abstandsunterschiedes ermitteln, besteht außerdem die Schwierigkeit, die Meßpunkte mit möglichst großer Genauigkeit gegeneinder festzulegen.In all processes and devices that the Wall thickness or layer thickness on both sides Measuring points due to a difference in distance there is also the difficulty that Measuring points with the greatest possible accuracy against each other.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Gattung - allerdings zur Vermessung der Oberflächenstruktur bzw. der Rauhigkeit von Werkstoffen - sind aus den Veröffentlichungen "Technische Rundschau" 39/88, Seite 22/23 bzw. "Elektronik" 10/12.5.1989, Seiten 124 bis 126 bzw. "Rodenstock RM 600 Laser Stylus", 3/88 (543 490 515 113) bekannt. Der in Rede stehende Stand der Technik arbeitet dabei nach dem Prinzip der dynamischen Fokussierung: Die Meßanordnung besteht aus einer Fokusverstelleinheit mit einer federnd aufgehängten Verstellinse, die einen von einer Lasereinheit ausgesandten Laserstrahl fein fokussiert, sowie einem Fokus-Detektor, der es gestattet, die Ablage des Laserstrahl-Fokus von einer bestrahlten Werkstofffläche zu ermitteln. Über einen Regelkreis wird die Verstellinse derart nachgeführt, daß der Laserstrahl-Fokus ständig auf der Werkstofffläche liegt; durch Bewegen der Meßanordnung über die Werkstofffläche und Aufzeichnung des Verstellweges der Verstellinse kann somit die Oberflächenstruktur vermessen werden.A method and an apparatus of the beginning mentioned genus - however for measuring the Surface structure or the roughness of Materials - are from the publications "Technical Review" 39/88, page 22/23 or "Electronics" 10 / 12.5.1989, pages 124 to 126 or "Rodenstock RM 600 Laser Stylus", 3/88 (543 490 515 113) known. The state of the art in question works on the principle of dynamic Focusing: The measuring arrangement consists of a Focus adjustment unit with a spring suspension Adjustment lens, one from a laser unit emitted laser beam finely focused, as well as one Focus detector, which allows the storage of the Laser beam focus from an irradiated one Determine material area. Via a control loop the adjustment lens is adjusted in such a way that the Laser beam focus constantly on the material surface lies; by moving the measuring arrangement over the Material surface and recording of the adjustment path the adjustment lens can thus change the surface structure be measured.
Der Verstellantrieb für die Verstellinse besteht aus einem an dieser befestigten ferromagnetischen Tauchkörper, der von einer ihn antreibenden Spule umschlossen ist. Die augenblickliche Stellung der Verstellinse wird mittels eines induktiv arbeitenden Wegaufnehmers festgestellt.The adjustment drive for the adjustment lens consists of a ferromagnetic attached to it Immersion body, from a coil driving it is enclosed. The current position of the Adjustment lens is made by means of an inductive one Displacement sensor determined.
Bei der Meßanordnung gemäß der zweitgenannten Veröffentlichung wird der Reflexionsstrahl mittels eines Doppelkeilprismas in den Bereich des Fokus- Detektors abgelenkt; dieser weist dementsprechend zwei als Photodioden ausgebildete Empfänger auf. Im Unterschied zu dieser Ausführungsform ist bei der Meßanordnung nach der an dritter Stelle genannten Veröffentlichung der Strahlteiler nicht zwischen der Verstellinse und der Kollimator-Linse, sondern zwischen dieser und der Lasereinheit angeordnet.In the measuring arrangement according to the second The reflection beam is published by means of a double wedge prism in the area of the focus Detector deflected; this points accordingly two receivers designed as photodiodes. in the The difference to this embodiment is in the Measuring arrangement after the third mentioned Release of the beam splitter between the Adjusting lens and the collimator lens, but arranged between this and the laser unit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung anzugeben, die es ermöglichen, ohne zusätzlichen Aufwand - d. h. ohne den in der erstgenannten Vorveröffentlichung angesprochenen zweiten Meßtaster (vgl. Seite 23, rechte Spalte, Absatz 2) - die Dicke (also die Wandstärke oder Schichtdicke) transparenter Werkstoffe auch dann zu ermitteln, wenn diese lediglich von einer Seite her zugänglich sind.The invention is based on the object Procedure and one for performing the procedure specify suitable devices that make it possible without additional effort - d. H. without that in the mentioned first publication second probe (see page 23, right column, Paragraph 2) - the thickness (i.e. the wall thickness or Layer thickness) of transparent materials determine if this is only from one side are accessible.
Vor allem soll auch die Vermessung der Wandstärke von Hohlkörpern wie Flaschen oder dergleichen ermöglicht werden, insbesondere die Vermessung von Kunststoffflaschen aus Polyäthylenterephtalat oder vergleichbaren Werkstoffen mit Wandstärken im Bereich zwischen 0,2 bis 0,5 mm.Above all, the measurement of the wall thickness of Allows hollow bodies such as bottles or the like , especially the measurement of Plastic bottles made of polyethylene terephthalate or comparable materials with wall thicknesses in the area between 0.2 to 0.5 mm.
Schließlich sollen das Verfahren und die Vorrichtung auch geeignet sein, transparente Werkstoffe hinsichtlich ihrer Dicke zu überprüfen, die sich aus mehreren Schichten zusammensetzen. Finally, the method and the device also be suitable transparent materials to check for their thickness, which is made up of put together several layers.
Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.The task is accomplished through a process solved, which has the features of claim 1 having.
Der der Erfindung zugrundeliegende Lösungsgedanke besteht darin, den Laserstrahl-Fokus nicht in der bekannten Weise einer Werkstofffläche nachzuführen, also während des Meßvorgangs ständig mit dieser zusammenfallen zu lassen, sondern darin, die Verstellinse über den in Frage kommenden Verstellbereich in der Weise hin und her zu bewegen, daß der Laserstrahl-Fokus im Laufe dieser Bewegung wechselweise auf den Werkstoffflächen (also beispielsweise auf der Vorder- und Rückseite des Werkstoffs) liegt; der Verstellbereich ist dabei an die Dicke des zu vermessenden Werkstoffs angepaßt. Die Ablenkung des zurücklaufenden Reflexionsstrahls erfolgt nach der Lehre der Erfindung in der Weise, daß jeweils nur in den Fällen über den Fokus-Detektor ein Signal ausgelöst wird, in denen der Laserstrahl- Fokus wie bereits erwähnt mit einer der in Frage kommenden Werkstoffflächen, also beispielsweise mit der Vorder- oder Rückseite zusammenfällt. Der Fokus- Detektor erzeugt dabei im Gegensatz zum Stand der Technik kein stetiges Fokus-Ablagesignal, sondern zeigt aussschließlich die Übereinstimmung zwischen dem Laserstrahl-Fokus und der jeweils zugehörigen Werkstofffläche an. Durch diese Ausgestaltung wird die gegenseitige Überlagerung mehrerer Reflexionsstrahlen und der sich daraus ergebenden Signale verhindert, die eine sichere Zuordnung eines am Fokus-Detektor anliegenden Signals zur Stellung der Verstellinse infragestellen würde.The solution underlying the invention is not to focus the laser beam in the track a material surface in a known manner, So constantly with this during the measuring process to collapse, but in that Adjusting lens over the one in question To move the adjustment range back and forth in the way that the laser beam focus in the course of this movement alternately on the material surfaces (ie for example on the front and back of the Material); the adjustment range is on adjusted the thickness of the material to be measured. The deflection of the returning reflection beam takes place according to the teaching of the invention in such a way that only in each case via the focus detector a signal is triggered in which the laser beam Focus as mentioned with one of the in question upcoming material surfaces, for example with the front or back collapses. The focus- In contrast to the state of the art Technology not a steady focus drop signal, but shows only the correspondence between the laser beam focus and the corresponding one Material surface. This configuration will the mutual superposition of several Reflection rays and the resulting ones Prevents signals that a safe assignment of a position signal applied to the focus detector the adjustment lens would question.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung hat zur Folge, daß im Verlauf der Verstellbewegung der Verstellinse einzelne scharfe Signale ausgelöst werden, bei deren Auftreten die jeweils zugehörige Verstellinsen- Stellung und daraus durch Meßwertvergleich die Größe des diesen Stellungen entsprechenden Wegunterschieds bestimmt wird.The configuration according to the invention has the consequence that in the course of the adjustment movement of the adjustment lens single sharp signals are triggered at their Occur the associated adjustment lens Position and from it the size by comparison of the measured values of the path difference corresponding to these positions is determined.
Der mit der Hin- und Her-Bewegung der Verstellinse und des Laserstrahl-Fokus erzielte Vorteil besteht auch darin, daß der hinsichtlich seiner Dicke zu vermessende transparente Werkstoff lediglich grob innerhalb des insgesamt zur Verfügung stehenden Verstellbereichs angeordnet werden muß.The one with the back and forth movement of the adjustment lens and the advantage of the laser beam focus is obtained also in that in terms of its thickness too measuring transparent material only rough within the total available Adjustment range must be arranged.
Bei hohen Anforderungen an die Meßgenauigkeit kann eine rechnerische Korrektur des durch die Brechung im Werkstoff hervorgerufenen Meßfehlers durchgeführt werden, sofern der Brechungsindex des Werkstoffs bekannt ist. Darüber hinaus ist zur Korrektur dieses Meßfehlers eine Kalibrierung durch Verwendung von Werkstoffen möglich, deren Dicke (Wandstärke bzw. Schichtdicke) bekannt ist.With high demands on the measuring accuracy can a mathematical correction of the refraction in the Material caused measurement error carried out provided the refractive index of the material is known. It is also used to correct this Measurement error a calibration by using Possible materials whose thickness (wall thickness or Layer thickness) is known.
Insbesondere bei Ausführungsformen, bei denen die Verstellinse sich mit hoher Frequenz bewegt, wird die Wegmessung bei Anliegen eines vom Fokus-Detektor erzeugten Signals selbsttätig in der Weise angesteuert, daß die jeweils zugehörige Stellung der Verstellinse festgestellt und aus dem Wegunterschied, der zwei aufeinanderfolgenden Signalen zugeordnet ist, die Werkstoff-Dicke ermittelt wird.In particular in embodiments in which the Adjustment lens moves at a high frequency, the Distance measurement when one is from the focus detector generated signal automatically in the way controlled that the respective associated position of the Adjustment lens determined and from the path difference, assigned to the two successive signals is the material thickness is determined.
Abhängig von den Meßbedingungen und von der geforderten Meßgenauigkeit ist ggf. bereits die Ausführung eines Bewegungszyklus ausreichend. Das Verfahren kann jedoch auch in der Weise ausgestaltet sein, daß die Verstellinse jeweils mehrfach hin und her bewegt und aus den dabei gewonnenen Werten der jeweils zugehörigen Wegunterschiede ein Durchschnittswert gebildet wird (Anspruch 2).Depending on the measurement conditions and the required measurement accuracy may already be the Execution of a movement cycle sufficient. However, the procedure can also be done in this way be designed that the adjusting lens in each case moved back and forth several times and from there obtained values of the respective associated An average value is formed (Claim 2).
Vorzugsweise wird das Verfahren in der Weise ausgeführt, daß die Verstellinse periodisch hin und her bewegt wird (Anspruch 3).Preferably the method is in the manner explained that the adjusting lens periodically every now and then is moved here (claim 3).
Das Verfahren läßt sich weiterhin dadurch vorteilhaft ausgestalten, daß die Verstellinse bezüglich einer als Objektlinse wirksamen Festlinse der Fokusverstelleinheit hin und her bewegt wird (Anspruch 4). The method can also be advantageous in this way design that the adjusting lens with respect to a as an objective lens effective fixed lens Focus adjustment unit is moved back and forth (Claim 4).
Das Verfahren kann dabei in der Weise ausgeführt werden, daß die Festlinse vor der Verstellinse eine Zwischenabbildung des Laserstrahl-Fokus erzeugt (Anspruch 5).The method can be carried out in this way be that the fixed lens in front of the lens Intermediate image of the laser beam focus generated (Claim 5).
Die zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung weist die Merkmale des Anspruchs 6 auf. Diese ist im einzelnen so beschaffen, daß der Verstellantrieb für die Verstellinse eine Hin- und Her-Bewegung des Laserstrahl-Fokus mit einer einstellbaren Amplitude erzeugt, welche - die Vorder- und Rückseite des Werkstoffs einschließend - größer ist als die Werkstoffdicke. Der Fokus-Detektor weist eine Ausbildung auf, die jeweils nur dann ein Signal auslöst, wenn der Laserstrahl-Fokus mit der Vorder- oder der Rückseite zusammenfällt. Der Fokus-Detektor ist dabei derart meßtechnisch mit dem Wegaufnehmer verknüpft, daß aufgrund der Meßwerte, die bei Anliegen eines der Signale vorliegen, die diesem jeweils zugeordnete Verstellinsen-Stellung und der sich daraus ergebende Wegunterschied zwischen den betreffenden Stellungen feststellbar ist.The one suitable for performing the procedure Device has the features of claim 6. In detail, this is such that the Adjustment drive for the adjustment lens one way Her movement of the laser beam focus with one adjustable amplitude, which - the front including and back of the material - larger is than the material thickness. The focus detector points an apprenticeship that only gives a signal triggers when the laser beam focus with the front or the back collapses. The focus detector is so metrologically with the displacement sensor linked that due to the measured values at Concern any of the signals present that this each assigned adjustment lens position and resulting path difference between the relevant positions can be determined.
Eine besonders einfache Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist dadurch gekennzeichnet, daß der Fokus-Detektor lediglich einen Empfänger aufweist (Anspruch 7).A particularly simple embodiment of the The subject of the invention is characterized in that that the focus detector is just a receiver has (claim 7).
Falls zwischen der Hilfslinse und dem Fokus-Detektor ein Keilprisma (Einfach- oder auch Doppelkeilsprisma) angeordnet ist, umfaßt der Fokus-Detektor eine der Anzahl Keilflächen des Keilprismas entsprechende Anzahl Empfänger (Anspruch 8).If between the auxiliary lens and the focus detector a wedge prism (single or double wedge prism) is arranged, the focus detector comprises one of the Corresponding number of wedge surfaces of the wedge prism Number of recipients (claim 8).
Vorteilhaft weist der Fokus-Detektor eine Ausbildung auf, bei welcher bereits geringfügige Lageabweichungen des Laserstrahl-Fokus dazu führen, daß kein Signal ausgelöst wird.The focus detector advantageously has a design on which already minor Position deviations of the laser beam focus lead to that no signal is triggered.
Dies läßt sich dadurch erreichen, daß jeder Empfänger als Punkt- oder Spalt-Empfänger ausgebildet ist (Anspruch 8). This can be achieved by having each recipient is designed as a point or gap receiver (Claim 8).
Es ist jedoch auch möglich, jeden Empfänger mit einer Blende auszustatten, die eine punkt- oder spaltförmige Blendenöffnung aufweist (Anspruch 9). Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen (Anspruch 8 und 9) haben zur Folge, daß unerwünschte Signale bzw. Signalbeiträge von Flächen bzw. Grenzflächen stark unterdrückt werden, die nicht unmittelbar mit dem Laserstrahl-Fokus zusammenfallen.However, it is also possible to have each recipient with a Equip aperture that a point or has a slit-shaped aperture (claim 9). The embodiments described above (claim 8 and 9) result in unwanted signals or Signal contributions from areas or interfaces are strong be suppressed that are not directly related to the Laser beam focus collapse.
Die Ausstattung der Vorrichtung mit einem Keilprisma (Anspruch 8) ist insofern von Vorteil, als der Laserstrahl auch eine seitliche Ablenkung in Abhängigkeit von der Lage des Laserstrahl-Fokus relativ zur reflektierenden Fläche bzw. Grenzfläche erfährt.Equipping the device with a wedge prism (Claim 8) is advantageous in that the Laser beam also has a side deflection Dependence on the location of the laser beam focus relative to the reflective surface or interface experiences.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist die Fokusverstelleinheit mit einem Linsensystem ausgestattet, d. h. sie weist zusätzlich eine bezüglich der Verstellinse unbewegliche Festlinse auf, welche der Verstellinse in Richtung auf den Werkstoff vorgelagert ist (Anspruch 11).In an advantageous development of the The subject of the invention is the focus adjustment unit equipped with a lens system, d. H. she points additionally one regarding the adjustment lens fixed fixed lens, which of the adjustable lens is upstream in the direction of the material (Claim 11).
Bei einer lediglich mit einer Linse ausgestatteten Fokusverstelleinheit bildet die Verstellinse gleichzeitig die Objektlinse; im Gegensatz dazu wird diese bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 11 von der Festlinse verkörpert.With a lens only The focus adjustment unit forms the adjustment lens at the same time the object lens; in contrast to that this in the embodiment according to claim 11 of the fixed lens embodies.
Die mit der Verwendung einer zusätzlichen Festlinse verkörperten Vorteile bestehen darin, daß der Abstand zum Werkstoff feststeht, wodurch sich Schwierigkeiten infolge unsachgemäßer Anordnung des zu untersuchenden Gegenstandes vermeiden lassen. Die Wegerfassung und die Laserstrahl-Ablenkung lassen sich darüber hinaus günstiger anordnen.The one with the use of an additional fixed lens embodied advantages are that the distance is fixed to the material, causing difficulties due to improper arrangement of the item to be examined Have the object avoided. The path detection and the laser beam deflection can also be used arrange cheaper.
Durch Austausch der als Objektlinse wirksamen Festlinse kann im übrigen auf einfache Weise eine Änderung des Fokusverstellbereichs zur Anpassung an die Dicke des zu untersuchenden Gegenstandes herbeigeführt werden. By replacing the ones that are effective as object lenses Fixed lens can also be a simple Change the focus adjustment range to adapt to the thickness of the object to be examined be brought about.
Bei Ausstattung der Fokusverstelleinheit mit einem Linsensystem kann die gegenseitige Anordnung und die Ausbildung der zusammenwirkenden Linsen derart getroffen sein, daß sich kein gesonderter Zwischenfokus bildet.If the focus adjustment unit is equipped with a Lens system can mutual arrangement and the Formation of the interacting lenses in this way be taken that there is no separate Intermediate focus forms.
Im Rahmen der Erfindung kann jedoch auch ein aus Verstellinse und Festlinse bestehendes Linsensystem zur Anwendung kommen, welches die Erzeugung einer Zwischenabbildung des Laserstrahl-Fokus zwischen den betreffenden Linsen zur Folge hat (Anspruch 12). Die Lage dieser Zwischenabbildung wandert dabei mit der Bewegung der Verstellinse bezüglich der Festlinse.Within the scope of the invention, however, one can also Adjusting lens and fixed lens existing lens system are used, which the generation of a Intermediate image of the laser beam focus between the lenses in question (claim 12). The The location of this intermediate image moves with the Movement of the adjustment lens with respect to the fixed lens.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert, in der stark schematisiert mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen:The invention is described below with reference to the drawing explained in detail, in the highly schematic several embodiments are shown. Show it:
Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer Meßanordnung zur Ermittlung der Dicke einer transparenten Schicht, Fig. 1 shows the basic construction of a measuring arrangement for determining the thickness of a transparent layer,
Fig. 2 in gegenüber Fig. 1 vergrößertem Maßstab den Bereich zwischen dem Strahlteiler und dem mit einem punktförmigen Empfänger ausgestatteten Fokus-Detektor, Fig. 2 in an enlarged compared to FIG. 1 scale, the area between the beam splitter and the receiver equipped with a point-shaped focus detector,
Fig. 3 in gegenüber Fig. 1 vergrößertem Maßstab den Bereich zwischen dem Strahlteiler und einem Fokus-Detektor, dessen Empfänger mit einer Lochblende ausgestattet ist, Fig. 3 in an enlarged compared to FIG. 1 scale the region between the beam splitter and a focus detector, the receiver is provided with an aperture plate,
Fig. 4 in gegen Fig. 1 vergrößertem Maßstab den Bereich zwischen dem Strahlteiler und dem Fokus-Detektor, welcher zwei mit einer Lochblende ausgestattete Empfänger aufweist, Fig. 4 in an enlarged compared to FIG. 1 scale, the area between the beam splitter and the focus detector, which has two with a pinhole-equipped receiver,
Fig. 5 in gegenüber Fig. 1 vergrößertem Maßstab einen Teil einer Meßanordnung mit einer Fokusverstelleinheit, die mit einem Linsensystem bestehend aus beweglicher Verstellinse und ortsfester, als Objektlinse wirksamer Festlinse ausgestattet ist, und Fig. 5 on an enlarged scale compared to Fig. 1 a part of a measuring arrangement with a focus adjustment unit, which is equipped with a lens system consisting of a movable adjusting lens and a fixed, effective as an objective lens, and
Fig. 6 eine der Fig. 5 ähnliche Anordnung mit einer Fokusverstelleinheit, zwischen deren Verstell- und Festlinse eine Zwischenabbildung des Laserstrahl-Fokus erzeugt wird. FIG. 6 shows an arrangement similar to FIG. 5 with a focus adjustment unit, between the adjustment lens and the fixed lens of which an intermediate image of the laser beam focus is generated.
Die Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung der Dicke S einer transparenten Schicht 1 weist eine einen Laserstrahl 2 aussendende Lasereinheit 3, eine Kollimator-Linse 4, einen Strahlteiler 5 und eine Fokusverstelleinheit 8 mit einer in Richtung des Doppelpfeiles 6 beweglichen, an einem ferromagnetischen Tauchkörper 7 befestigten Verstellinse 8a auf; letztere ist in an sich bekannter Weise an einem nicht dargestellten Federelement (Feder bzw. Membran) aufgehängt. Im Umgebungsbereich der Verstellinse 8a ist der Tauchkörper von einem Verstellantrieb in Form einer elektromagnetischen Spule 9 umschlossen. Diese ist in der Weise ausgebildet und geschaltet, daß sie die Verstellinse 8a während des Meßvorgangs in eine periodische Hin- und Her-Bewegung (angedeutet durch den Doppelpfeil 6) versetzt.The device for the contactless determination of the thickness S of a transparent layer 1 has a laser unit 3 emitting a laser beam 2 , a collimator lens 4 , a beam splitter 5 and a focus adjustment unit 8 with an adjustment lens which is movable in the direction of the double arrow 6 and is attached to a ferromagnetic immersion body 7 8 a on; the latter is suspended in a manner known per se from a spring element (spring or membrane), not shown. In the area surrounding the adjustment lens 8 a, the immersion body is enclosed by an adjustment drive in the form of an electromagnetic coil 9 . This is designed and switched in such a way that it sets the adjusting lens 8 a during the measuring process in a periodic back and forth movement (indicated by the double arrow 6 ).
Die Amplitude dieser Bewegung ist dabei in der Weise an die Meßbedingungen angepaßt, daß der Laserstrahl- Fokus 2a, welcher vorzugsweise einen Brennpunkt- Durchmesser unterhalb von zwei Mikrometer aufweist, bezüglich der zu vermessenden Schicht 1 einen Weg zurücklegt, der - die Vorder- und Rückseite V bzw. R der Schicht einschließend - größer ist als deren Dicke S.The amplitude of this movement is adapted to the measuring conditions in such a way that the laser beam focus 2 a, which preferably has a focal point diameter below two micrometers, covers a path with respect to the layer 1 to be measured, which - the front and Including back V or R of the layer - is greater than its thickness S.
Unter der Voraussetzung, daß der Verstellbereich der Verstellinse 8 - die im vorliegenden Fall gleichzeitig die Objektlinse darstellt - ausreichend groß bemessen ist, braucht die Schicht 1 bezüglich der Meßanordnung lediglich grob ausgerichtet zu werden.Provided that the adjustment range of the adjustment lens 8 - which in the present case also represents the object lens - is dimensioned sufficiently large, the layer 1 need only be roughly aligned with respect to the measuring arrangement.
Auf der rechten Seite weist der Tauchkörper 7 eine Verlängerung 7a auf, welche sich nach oben hin über die Spule 9 hinaus erstreckt. Diese Verlängerung gestattet es im Zusammenwirken mit einem induktiv arbeitenden Wegaufnehmer 10, die augenblickliche Stellung der Verstellinse 8a und damit des Laserstrahl-Fokus 2a während der Hin- und Her- Bewegung im Sinne des Doppelpfeils 6 festzustellen. Die vom Wegaufnehmer 10 gelieferten Meßwerte, bei denen der Laserstrahl-Fokus 2a mit der Vorder- bzw. Rückseite der Schicht 1 zusammenfällt (also auf der Vorder- bzw. Rückseite liegt), sind durch die Bezeichnung WV bzw. WR angedeutet.On the right side, the immersion body 7 has an extension 7 a, which extends upwards beyond the coil 9 . In cooperation with an inductive displacement transducer 10 , this extension makes it possible to determine the instantaneous position of the adjusting lens 8 a and thus the laser beam focus 2 a during the back and forth movement in the direction of the double arrow 6 . The measured values supplied by the displacement transducer 10 , in which the laser beam focus 2 a coincides with the front or rear of the layer 1 (that is to say lies on the front or rear), are indicated by the designation WV or WR.
Der von der Schicht 1 zurückgeworfene Reflexionsstrahl 2b wird unter Einwirkung des Strahlteilers 5 in den Bereich eines Fokus-Detektors 11 abgelenkt, der über eine Signalleitung 12 mit dem Wegaufnehmer 10 in Verbindung steht. Diesem ist über eine Meßleitung 13 eine Anzeigeeinheit 14 nachgeschaltet, welche durch Vergleich zwischen den Meßwerten WV und WR die Dicke S der Schicht 1 ermittelt.The reflection beam 2 b reflected by the layer 1 is deflected under the action of the beam splitter 5 into the region of a focus detector 11 which is connected to the displacement sensor 10 via a signal line 12 . This is connected via a measuring line 13 to a display unit 14 which determines the thickness S of the layer 1 by comparison between the measured values WV and WR.
Der Fokus-Detektor 11 und der Wegaufnehmer 10 sind über die Signalleitung 12 derart meßtechnisch miteinander verknüpft, daß jeweils dann, wenn der Laserstrahl-Fokus 2a mit der Vorderseite V oder der Rückseite R zusammenfällt, die jeweils zugeordnete Verstellinsenstellung WV bzw. WR festgestellt und von der Anzeigeeinheit 14 abgerufen wird. Ausgelöst wird die erwähnte Wegmessung dadurch, daß der Reflexionsstrahl 2b - abhängig von der augenblicklichen Stellung des Laserstrahl-Fokus 2a auf der Vorderseite V bzw. Rückseite R - im Fokus- Detektor 11 ein zugehöriges Signal SV bzw. SR erzeugt, über welches der Wegaufnehmer 10 in der bereits erwähnten Weise angesteuert wird.The focus detector 11 and the displacement transducer 10 are linked to one another via the signal line 12 in such a way that whenever the laser beam focus 2 a coincides with the front V or the rear R, the respectively assigned adjustment lens position WV or WR is determined and is called up by the display unit 14 . The path measurement mentioned is triggered in that the reflection beam 2 b - depending on the instantaneous position of the laser beam focus 2 a on the front V or rear R - generates an associated signal SV or SR in the focus detector 11 , via which the Travel sensor 10 is controlled in the manner already mentioned.
Nach der Lehre der Erfindung ist der Fokus-Detektor 11 also in der Weise ausgebildet, daß er lediglich dann ein scharfes Signal auslöst, wenn der Laserstrahl-Fokus mit einer der beiden interessierenden Flächen zusammenfällt (und dabei einen vorgegebenen Soll-Durchmesser aufweist).According to the teaching of the invention, the focus detector 11 is thus designed in such a way that it only triggers a sharp signal when the laser beam focus coincides with one of the two surfaces of interest (and has a predetermined nominal diameter).
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist zwischen dem Strahlteiler 5 und dem Fokus-Detektor 11 eine Hilfslinse 15 angeordnet, über welche der unter Einwirkung des Strahlteilers 5 abgelenkte Reflexionsstrahl 2b gebündelt wird.In the embodiment according to FIG. 2, an auxiliary lens 15 is arranged between the beam splitter 5 and the focus detector 11 , via which the reflection beam 2 b deflected under the action of the beam splitter 5 is focused.
Um sicherzustellen, daß der Reflexionsstrahl lediglich dann ein Signal SV bzw. SR (vgl. dazu Fig. 1) auslöst, wenn der Laserstrahl-Fokus 2a mit einer der interessierenden Flächen zusammenfällt, weist der Fokus-Detektor 11 einen punktförmigen Empfänger 11a in Form einer Photodiode auf.In order to ensure that the reflection beam only triggers a signal SV or SR (cf. FIG. 1) when the laser beam focus 2 a coincides with one of the areas of interest, the focus detector 11 has a point-shaped receiver 11 a Shape of a photodiode.
Diese Ausbildung hat zur Folge, daß der Reflexionsstrahl 2b bereits bei einer geringfügigen Lageabweichung des Laserstrahl-Fokus 2a von einer der Flächen V bzw. R (vgl. dazu Fig. 1) nicht mehr auf den punktförmigen Empfänger 11a auftrifft und das zur Erfassung des Signals des Wegaufnehmers 10 benötigte Signal SV bzw. SR auslöst.This design has the consequence that the reflection beam 2 b no longer strikes the point receiver 11 a even with a slight positional deviation of the laser beam focus 2 a from one of the surfaces V or R (cf. FIG. 1) Detection of the signal of the displacement transducer 10 triggers the required signal SV or SR.
Die Meßanordnung gemäß Fig. 3 unterscheidet sich lediglich dadurch von der zuvor erläuterten Ausführungsform, daß der Fokus-Detektor 11 einen großflächigeren Empfänger 11b aufweist, dem jedoch eine Blende 16 mit einer punktförmigen Blendenöffnung 16a (d. h. eine Lochblende) vorgeschaltet ist. Der Reflexionsstrahl 2b kann den Emfpänger 11b dementsprechend nur dann erreichen und ein Signal auslösen, falls er exakt auf die Blendenöffnung 16a ausgerichtet ist.The measuring arrangement shown in FIG. 3 only differs from the aforementioned embodiment in that the focus detector 11 has a larger area receiver 11 b, which, however, a diaphragm 16 having a dot-shaped aperture 16 a (that is, a pinhole) is connected upstream. Accordingly, the reflection beam 2 b can only reach the receiver 11 b and trigger a signal if it is exactly aligned with the aperture 16 a.
Die Wirksamkeit des Fokus-Detektors 12 läßt sich ggf. dadurch weiterverbessern, daß ihm in Richtung auf die Hilfslinse 15 ein Doppelkeilprisma 17 vorgeschaltet ist, über welches der Reflexionsstrahl 2b zusätzlich eine seitliche Ablenkung in Abhängigkeit von der Lage des Laser-Fokus 2a bezüglich der reflektierenden Fläche V bzw. R (vgl. dazu Fig. 1) erfährt. Bedingt durch die Zwischenschaltung des Doppelkeilprismas 17 weist der Fokus-Detektor 12 zwei Empfänger 11b auf, denen jeweils eine Blende 16 mit einer punktförmigen Blendenöffnung 16a vorgelagert ist. Anstelle des dargestellten Doppelkeilprismas kann auch ein Einfachkeilprisma zur Anwendung kommen, dem lediglich ein Empfänger zugeordnet ist.The effectiveness of the focus detector 12 can possibly be further improved by the fact that it has a double wedge prism 17 connected in front of it in the direction of the auxiliary lens 15 , via which the reflection beam 2 b additionally causes a lateral deflection depending on the position of the laser focus 2 a of the reflecting surface V or R (cf. FIG. 1). Due to the interposition of the double wedge prism 17 , the focus detector 12 has two receivers 11 b, each of which has an aperture 16 with a punctiform aperture 16 a upstream. Instead of the double wedge prism shown, a single wedge prism can also be used, to which only one receiver is assigned.
Abweichend von den bisher beschriebenen Ausführungsformen kann die Fokusverstelleinheit 8 auch mit einem Linsensystem ausgestattet sein, welches zusätzlich zu der bereits beschriebenen Verstellinse 8a eine im Gegensatz dazu unbewegliche, als Objektlinse wirksame Festlinse 18 aufweist (Fig. 5).Notwithstanding the previously described embodiments, the Fokusverstelleinheit 8 can also be equipped with a lens system having in addition to the already described Verstellinse 8 a is an immovable in contrast, effective as an object lens fixed lens 18 (Fig. 5).
Die beiden Linsen 8a und 18 bilden ein Linsensystem mit entsprechend der Bewegung der Verstellinse 8a veränderlicher Fokuslage. Die Anordnung und Ausbildung der beiden Linsen ist so gewählt, daß sie ohne Bildung eines Zwischenfokus zusammenwirken.The two lenses 8 a and 18 form a lens system with a focus position that varies according to the movement of the adjusting lens 8 a. The arrangement and design of the two lenses is chosen so that they interact without forming an intermediate focus.
Auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist die Fokusverstelleinheit mit einer beweglichen Verstellinse 8a und einer ortsfesten Festlinse 18 ausgestattet.Also in the embodiment according to FIG. 6, the focus adjustment unit is equipped with a movable adjustment lens 8 a and a fixed lens 18 .
Die als Objektlinse wirksame Festlinse bildet den Zwischenfokus 2c in einem Abstand vor der Verstellinse 8a ab, der sich mit deren Bewegung (Doppelpfeil 6) ändert. The fixed lens, which acts as an object lens, forms the intermediate focus 2 c at a distance in front of the adjusting lens 8 a, which changes with its movement (double arrow 6 ).
Selbstverständlich kann das in Fig. 5 und 6 dargestellte Linsensystem auch dann zur Anwendung kommen, wenn die Meßanordnung im Anschluß an den Strahlteiler 5 andersartig - also insbesondere auch gemäß Fig. 3 oder 4 - ausgebildet ist.Of course, the lens system shown in FIGS. 5 and 6 can also be used if the measuring arrangement following the beam splitter 5 is designed differently - in particular also according to FIGS. 3 or 4.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß sich ohne ins Gewicht fallenden Mehraufwand die Dicke (d. h. Wandstärke oder auch Schichtdicke) transparenter Werkstoffe auch dann ermitteln läßt, wenn diese lediglich von einer Seite her zugänglich sind.The advantage achieved by the invention is that the without Thickness (i.e. wall thickness or layer thickness) transparent materials can also be determined, if this is only accessible from one side are.
Die Erfindung ermöglicht daher insbesondere auch die Vermessung der Dicke von Hohlkörpern, insbesondere Behältern oder Flaschen aus Kunststoff, und zwar auch dann, wenn diese - beispielsweise auf einer Transporteinrichtung mitgeführt - bezüglich der Meßanordnung (also quer zum auftreffenden Laserstrahl) bewegt werden.The invention therefore enables in particular Measuring the thickness of hollow bodies, in particular Plastic containers or bottles, and indeed then when this - for example on a Transport device carried - with respect to Measuring arrangement (that is, transverse to the incident Laser beam) are moved.
Claims (12)
- - daß die Verstellinse derart hin und her bewegt wird, daß der vom Laserstrahl-Fokus zurückgelegte Verstellweg größer ist als die Dicke des Werkstoffs und dessen Vorder- und Rückseite innerhalb des Verstellweges liegen;
- - daß die Ablenkung in der Weise erfolgt, daß jeweils nur der Reflexionsstrahl bei mit der Vorder- und Rückseite zusammenfallendem Laserstrahl-Fokus ein Signal auslöst, und
- - daß bei Auftreten eines Signals die jeweils zugehörige Verstellinsenstellung und daraus durch Meßwertvergleich die Größe des diesen Stellungen entsprechenden Wegunterschieds bestimmt wird.
- - That the adjusting lens is moved back and forth in such a way that the adjustment path covered by the laser beam focus is greater than the thickness of the material and its front and back lie within the adjustment path;
- - That the deflection takes place in such a way that only the reflection beam triggers a signal when the laser beam focus coincides with the front and back, and
- - That when a signal occurs, the associated adjustment lens position and the size of the path difference corresponding to these positions is determined by comparing the measured values.
- - daß der Fokus-Detektor (11) in der Weise ausgebildet ist, daß er jeweils nur dann ein Signal (SV bzw. SR) auslöst, wenn der Laserstrahl-Fokus (2a) mit der Vorder- oder der Rückseite (V bzw. R) zusammenfällt, und
- daß der Fokus-Detektor (11) derart meßtechnisch mit dem Wegaufnehmer (10) verknüpft ist, daß aufgrund der Meßwerte (WV bzw. WR), die bei Anliegen eines der Signale (SV bzw. SR) vorliegen, die diesem jeweils zugeordnete Verstellinsenstellung (WV bzw. WR) und damit der sich daraus ergebende Wegunterschied (S) zwischen den betreffenden Stellungen feststellbar ist.
- - That the focus detector ( 11 ) is designed in such a way that it only triggers a signal (SV or SR) when the laser beam focus ( 2 a) with the front or the back (V or R) coincides, and
- that the focus detector ( 11 ) is linked to the displacement sensor ( 10 ) in such a way that, based on the measured values (WV or WR) that are present when one of the signals (SV or SR) is present, the adjustment lens position ( WV or WR) and thus the resulting path difference (S) between the positions in question can be determined.
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