DE4031995A1 - Optischer abstandssensor - Google Patents

Description

Zur optischen Vermessung von Objektabständen werden derzeit unter anderem zwei verschiedene Typen von Abstandssensoren eingesetzt. Für Messungen an rauhen Oberflächen eignen sich sehr gut sogenannte Triangulationstaster, die ein Lichtbündel auf das Objekt aussenden und den Auftreffpunkt des Lichtbündels unter einem Winkel zur Projektionsachse auf einen positionsempfindlichen Detektor abbilden.

Ein solcher Taster ist beispielsweise in der US-PS 49 34 810 beschrieben.

Für gut reflektierende bzw. spiegelnde Oberflächen hingegen werden koaxial arbeitende Abstandssensoren verwendet, die nach dem Autofokusprinzip arbeiten. Bei diesen Sensoren wird der mittels einer Optik auf das Objekt fokussierte Lichtfleck mit der gleichen Optik koaxial zur Beleuchtungsstrahlachse zentrisch auf einen oder mehrere Empfänger abgebildet, die ein der Größe bzw. der Form sowie der Intensität des abgebildeten Lichtflecks entsprechendes Signal abgeben, das anzeigt, wenn sich die angemessene Objektoberfläche "im Fokus" der Optik befindet. Solche Abstandssensoren sind beispielsweise in der US-PS 40 23 033, der DE-OS 28 45 850 sowie der internationalen Patentanmeldung WO 89/04 007 beschrieben.

Aus der genannten DE-OS 28 45 850 ist es außerdem bekannt, den Abstandssensor "Schaltend" zu betreiben, in dem nur an einer ganz bestimmten Stelle im Meßbereich des Sensors ein Triggersignal ausgegeben wird, und zwar im Nulldurchgang des Meßbereichs.

In der Regel geben die optischen Abstandssensoren jedoch ein kontinuierliches Analogsignal in dem Meßbereich ab, in dem die Kennlinie des Sensors vorwiegend linear verläuft. Dieses Signal wird auch sehr oft zur Rauheitsmessung an Oberflächen verwendet.

Wenn mit koaxialen Abstandssensoren rauhe Objektoberflächen vermessen werden, dann bewirken beim Einsatz von Laserlichtquellen der sog. Speckleeffekt und auch andere oberflächenabhängige Effekte wie z. B. lokale Variationen der Reflektivität der Oberfläche Meßwertverfälschungen, die ein Vielfaches der Oberflächenrauhheit ausmachen können. Bisher versuchte man diese Fehlereinflüsse dadurch zu beseitigen, daß die Meßergebnisse an mehreren benachbarten Meßpunkten gemittelt werden, wodurch sich auch die statistischen Fehler auf Grund der genannten Effekte stark reduzieren. Dieses Mitteln geht jedoch entweder auf Kosten der lateralen Auflösung oder auf Kosten der Meßzeit.

Außerdem wandert das Bild des auf den Detektor abgebildeten Lichtflecks aus seiner zentrischen Lage dann aus, wenn gegen die Achse der Abbildungsoptik des Sensors geneigte Oberflächen angemessen werden.

Es ist zwar bekannt, für den in der WO 89/04 007 beschriebenen, schaltenden Abstandssensor ein zweites Signal zu gewinnen, das angibt, ob sich der Sensor im zulässigen linearen Bereich seiner Kennlinie befindet, indem dort einfach die auf den Detektor auffallende Lichtintensität abgefragt und als Kriterium dafür verwendet wird, ob das Triggersignal wirklich beim Nulldurchgang "durch den Fokus" erzeugt worden ist oder nicht.

Mit dieser Maßnahme lassen sich jedoch nicht die vorstehend genannten Fehlerquellen und Meßwertverfälschungen zuverläßig ausschließen, die durch Oberflächeneffekte hervorgerufen werden.

Der optische Abstandssensor gemäß der Erfindung hingegen löst das angesprochene Problem mit folgendem Aufbau:

• - einer Lichtquelle, die ein auf das zu vermessende Objekt gerichtetes Lichtbündel erzeugt,
• - eine Abbildungsoptik, die den auf dem Objekt entstehenden Lichtfleck zentrisch auf einen Detektor abbildet,
• - einer ersten elektronischen Anordnung, die aus den Signalen des Detektors ein Abstandssignal gewinnt, das von der Größe bzw. der Form des auf den Detektor abgebildeten Lichtflecks abgeleitet ist,
• - einer zweiten elektronischen Anordnung, die ein Überwachungssignal gewinnt, das von der Exzentrizität der Position des Bildes des Lichtflecks auf dem Detektor abgeleitet ist.

Indem zusätzlich die Exzentrizität der Position des Bildes des Lichtflecks auf dem Detektor ausgewertet wird, erhält man ein Kriterium, das die Einflüsse geneigter Oberflächen bzw. in Vorzugsrichtung streuender Oberflächen quantitativ erfaßt, und kann durch Setzen einer geeigneten Schwelle sicherstellen, daß nur "gute unverfälschte" Meßwerte festgehalten werden, die von den genannten Fehlereinflüssen frei sind. Hierdurch wird die Zuverlässigkeit von Messungen an Einzelpunkten deutlich gesteigert.

Mit der genannten Maßnahme läßt sich aber nicht nur die Zuverlässigkeit in der sogenannten "messenden Betriebsweise" sicherstellen, in der der Abstandssensor ein der Entfernung proportionales Signal erzeugt. Auch wenn der Sensor in der sog. "schaltenden Betriebsweise" benutzt wird, ergeben sich Vorteile. Zusätzlich lassen sich jetzt eine Vielzahl von einzelnen Meßpunkten schnell hintereinander (Mehrfachdatenübernahme) selbst dann gewinnen wenn der Objektabstand nicht "im Fokus" liegt, sondern an beliebiger anderer Stelle im zulässigen, d. h. im wesentlichen linearen Bereich der Kennlinie des Sensors. Beispielsweise wird immer dann, wenn das Signal der zweiten elektronischen Anordnung, d. h. das Überwachungssignal im gültigen Bereich liegt, der vom Abstandssensor abgegebene analoge Meßwert den Koordinatenmeßwerten des Koordinatenmeßgerätes hinzuaddiert, an dessen Meßarm der Abstandssensor befestigt ist.

Der Detektor des Abstandssensors besteht zweckmäßig aus mehreren Einzeldetektoren, die so angeordnet sind, daß sich sowohl die Form bzw. die Größe des Lichtflecks, als auch ein Abweichen des Bildes des Lichtflecks von der Mittenlage, d. h. seine Exzentrizität erfassen läßt. Das ist beispielsweise mit Hilfe einer sogenannten Vierquadrantendiode möglich.

In einer besonderen Ausführungsform enthält der Sensor eine Optik, die ein astigmatisch verzerrtes Lichtbündel auf das zu vermessende Objekt projiziert und das Abstandsmeßsignal aus der Form des auf den Detektor abgebildeten Lichtflecks ableitet. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die erste elektronische Anordnung die Differenz aus den Summensignalen jeweils paarweise gegenüberliegender Quadranten der Diode bildet. Zur Feststellung der Exzentrizität der Lage des Bildes des Lichtflecks ist die zweite elektronische Anordnung dann so aufgebaut, daß sie die Differenzsignale von paarweise gegenüberliegenden Quadranten der Diode mit Hilfe eines Fensterdiskriminators überwacht, der angibt, ob ein bestimmter zulässiger Bereich für die Exzentrizität überschritten ist oder nicht.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen eines Ausführungsbeispiels anhand der Fig. 1 bis 3 der beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine Prinzipskizze, die den optischen Aufbau und den Strahlengang eines optischen Abstandssensors gemäß der Erfindung wiedergibt:

Fig. 1a-1d sind vergrößerte Ansichten der Oberfläche des Detektors (8) aus Fig. 1 in unterschiedlichen Abständen bzw. unter verschiedenen Meßbedingungen;

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der für die Weiterverarbeitung der Signale des Detektors (8) in Fig. 1 verwendeten Elektronik;

Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Kennlinie des Abstandssensors aus Fig. 1 darstellt.

Der in Fig. 1 dargestellte Abstandssensor besitzt eine Lichtquelle (1), beispielsweise eine Laserdiode, vor die eine aus zwei gekreuzten Zylinderlinsen (2 und 3) bestehende, astigmatische Optik vorgesetzt ist.

Das von dieser Optik geformte, astigmatisch verzerrte Lichtbündel tritt durch einen Strahlteiler (4) hindurch und wird mit Hilfe einer sphärischen Frontoptik (5) auf das zu untersuchende Objekt (O) fokussiert. Auf der Objektoberfläche (O) entsteht ein elliptischer Lichtfleck, der dann rückwärts von der Frontoptik (5) koaxial zum Projektionsstrahlengang nach Ausspiegelung an der Teilerfläche (6) des Strahlteilers (4) mit Hilfe einer weiteren sphärischen Tubuslinse (7) auf die Oberfläche einer Vierquadrantendiode (8) abgebildet wird.

Für den Betrieb der Detektordiode (8) ist eine Schaltung (10) vorgesehen, die den Strom durch die Laserdiode und damit die Intensität des emittierten Lichts mit einer vorbestimmten Frequenz von z. B. 10 kHz moduliert und die integrale Intensität des emittierten Lichts auf vorbestimmte Werte regelt.

Ist die Objektoberfläche (O) senkrecht zur optischen Achse des Sensors ausgerichtet und besitzt sie ideale Reflexionseigenschaften, so hat der auf die Quadrantendiode (8) abgebildete Lichtfleck die Form eines Kreises, wenn sich die Objektoberflächen genau zwischen den beiden durch die Zylinderoptik (2, 3) erzeugten lateralen bzw. saggitalen Fokus (X) bzw. (Y) befindet (siehe Fig. 1a). Verkürzt sich die Entfernung E der Frontoptik (5) zur Objektoberfläche (O), so nimmt der Lichtfleck (9) eine elliptische Form an, wobei die Achsen der Ellipse um 90° gegeneinander verdreht sind bzw. sich das Achsenverhältnis der Ellipse ändert, je nachdem ob die Entfernung (E) zu- oder abnimmt (siehe Fig. 1c und 1d).

Aus dieser Formänderung läßt sich in der in Fig. 2 mit (11) bezeichneten Schaltung in an sich bekannter Weise ein kontinuierliches Entfernungsmeßsignal ableiten. Hierzu sind in einer Verstärkerschaltung (12) zuerst die Summensignale paarweise gegenüberliegender Quadranten (AC und BD) der Diode (8) gebildet und anschließend die Differenz der "über Kreuz" summierten Signale gebildet worden. Dieses Differenzsignal (d) wird anschließend in einem Lock-in-Verstärker (13) im Takte der die Lichtquelle (1) modulierenden Referenzfrequenz gleichgerichtet und in einem Tiefpaß (14) geglättet.

Parallel hierzu werden in einer Schaltung (41) die Ausgangssignale der vier Quadranten (A, B, C, D) in einem Verstärkerbaustein (22) summiert und ebenfalls in einem Lock-in-Verstärker (23) gleichgerichtet und mit Hilfe eines Tiefpasses (24) geglättet. Das Differenzsignal (d) und das Summensignal (s) sind einem Dividiererbaustein (15) zugeführt, der den Quotienten beider Signale bildet. Dieses mit (FFS) bezeichnete Signal ist das analoge Fokusfehlersignal und wird mit Hilfe eines Analog/Digital-Wandlers (16) in ein digitalisiertes Fokusfehlersignal gewandelt, das den eigentlichen Meßwert des in Fig. 1 gezeichneten optischen Sensors darstellt. Dieses digitale Signal (ab) wird mit einer Datenleitung an die Steuerung (17) eines Koordinatenmeßgerätes übergeben, an dessen Meßarm der Sensor befestigt ist. Die Steuerung (17) erhält über eine weitere Datenleitung außerdem die Meßwerte (X, Y, Z) der Maßstäbe aus den verfahrbaren Achsen des Koordinatenmeßgerätes (18), sowie die Winkelmeßwerte α und β eines gegebenenfalls zwischen dem Meßarm des Koordinatenmeßgerätes und dem optischen Abstands­ sensor angeordneten Dreh/Schwenkgelenks.

Der digitale Abstandsmeßwert (ab) wird entsprechend der Ausrichtung des Abstandssensors im Koordinatensystem des Koordinatenmeßgerätes (18) den von den Maßstäben gelieferten Koordinatenmeßwerten (X, Y, Z) überlagert, so daß sich jedem Objektpunkt, auf den der Abstandssensor den astigmatischen Lichtfleck projiziert, eindeutig ein bestimmter Koordinatenmeßwert zuordnen läßt. Entsprechende Rechenvorschriften hierzu sind bekannt und beispielsweise in der US-PS 49 34 810 beschrieben und brauchen deshalb an dieser Stelle nicht wiederholt werden.

Die beschriebene Art der Gewinnung des Meßsignals (FFS) aus den Signalen der vier Quadranten (A, B, C und D) der Diode (8) nach der Formel

ist an sich bekannt.

Bei geneigten oder in bestimmte Vorzugsrichtungen streuenden Oberflächen kann es nun passieren, daß der Lichtfleck (9) aus seiner zentrischen Lage auf der Diode (8) auswandert, wie das in Fig. 1b skizziert ist, das heißt, der Schwerpunkt des abgebildeten Lichtflecks verschiebt sich gegen das durch die Quadranten der Diode (8) gebildete Achsenkreuz.

Diese Verschiebung täuscht dann, wenn die Gewinnung des Fokusfehlersignals nach der oben beschriebenen Formel erfolgt, eine Elliptizität des Lichtflecks bzw. eine Änderung der Entfernung (E) vor, die tatsächlich nicht vorhanden ist. Zur Erkennung dieses Fehlers dient die in Fig. 2 mit (21) bezeichnete Schaltung. Diese Schaltung (21) besteht aus zwei parallelen Zweigen, in denen die Differenzsignale A-C und B-D von über Kreuz gegenüberliegenden Quadranten der Diode (8) jeweils in einer Verstärkerstufe (32) bzw. (42) gebildet und separat über je einen Lock-in-Verstärker (33) bzw. (43) gleichgerichtet und über zwei Tiefpässe (34) bzw. (44) geglättet werden. Anschließend werden die beiden Gleichspannungssignale je einem Dividiererbaustein (35) bzw. (45) zugeführt. Dort werden die Differenzsignale durch das schon beschriebene Summensignal (s) dividiert und somit auf konstante Lichtintensität normiert. Am Ausgang der beiden Dividierer (35) und (45) liegen dann zwei die Exzentrizität der Lage des Lichtflecks (9) auf dem Detektor (8) beschreibende Signale in Richtung je einer Winkelhalbierenden X bzw. Y durch das von den vier Quadranten (A, B, C, D) vorgegebene Achsenkreuz vor.

Die beiden genannten Signale X-pos und Y-pos am Ausgang der Dividierer (35, 45) sind darauffolgend je einem Fensterdiskriminator (36) bzw. (46) zugeführt. Diese Diskriminatoren legen den Bereich fest, innerhalb dessen die Exzentrizität bzw. die Auswanderung des Lichtflecks in eine der beiden genannten Richtung X und Y noch als zulässig erachtet wird. Überschreiten die Signale die eingestellten Schwellen zu größeren positiven oder negativen Werten, so schalten die Fensterdiskriminatoren (36) und (46) durch. Die Ausgänge der Fensterdiskriminatoren (36) und (46) sind mit einer Oder-Schaltung (47) verbunden, beispielsweise einem OR- Gatter, dessen Ausgang dann 1 ist, wenn das Signal X- pos oder Y-pos außerhalb des von den Fensterdiskriminatoren (36) und (46) vorgegebenen gültigen Bereichs liegt. Das Ausgangssignal (OK) des Oder-Bausteins (47) ist ebenfalls mit der Steuerung (17) des Koordinatenmeßgerätes (18) verbunden.

Mit der in Fig. 2 dargestellten Schaltung lassen sich die Meßwerte (ab) des optischen Abstandssensors nach Fig. 1 an jeder Stelle des mit Δ E max bezeichneten, im wesentlichen linearen Bereichs seiner in Fig. 3 dargestellten Kennlinie verifizieren. In der sogenannten messenden Betriebsart werden also permanent Abstandsmeßwerte (ab) gebildet, wenn sich beispielsweise der optische Taster relativ zur Objektoberfläche (O) bewegt, aber es werden nur die Meßwerte abgespeichert, die von der Schaltung (21) als gültig erkannt werden. Für dieses Verfahren ergibt sich der Vorteil, daß Objektoberflächen sehr schnell abgetastet werden können, weil die Datenaufnahme nicht für jeden Objektpunkt, im Fokuspunkt (O) der Kennlinie erfolgen muß, sondern an beliebiger bzw. vielen Stellen im Meßbereich möglich ist.

Im schaltenden Betrieb mit Meßwertüberwachung können an beliebigen vorgegebenen Stellen im Meßbereich Δ E max ein oder auch mehrere Triggerpunkte festgelegt werden, an denen ein Schaltsignal erzeugt wird. Auch in dieser Betriebsweise werden nur die Meßwerte als gültig weiter verarbeitet bzw. abgespeichert, die das in der Schaltung (21) abgefragte Kriterium erfüllen.

Von der hier im Ausführungsbeispiel beschriebenen Lösung kann in verschiedener Weise abgewichen werden. Beispielsweise ist die Analog/Digitalwandlung des Entfernungsmeßsignals (ab) auch an anderer Stelle möglich und die Division durch das Summensignal (s) kann statt auf analogem Wege auch digital erfolgen. Ferner kann anstelle des genannten Vierquadrantendetektors auch ein Empfänger mit einer größeren Zahl von Einzeldetektoren, beispielsweise ein CCD- Flächenarray, zur Formerfassung des abgebildeten Lichtflecks verwendet werden. Es ist dann lediglich eine aufwendigere Signalverarbeitungselektronik erforderlich.

In der Schaltung (21) kann außerdem anstelle der Normierung auf das Summensignal (s) eine Normierung auf die Teil- Summensignale (A + C) bzw. (B + D) erfolgen. Auch damit läßt sich ein formunabhängiges Positionssignal ermitteln, das die Auswanderung (Exzentrizität) des Schwerpunkts des Lichtflecks (9) auf der Diode (8) anzeigt.

Weiterhin kann die Normierung ganz weggelassen werden, wenn die Intensität des von der Laserdiode (1) emittierten Lichtes entsprechend geregelt wird. Eine für diesen Zweck geeignete Regelung ist beispielsweise in dem schon eingangs genannten US-Patent 39 34 810 beschrieben.

Das Meßverfahren ist ferner unabhängig von der gewählten Betriebsart der Lichtquelle, sofern auf der Empfängerseite geeignete Demodulationsverfahren eingesetzt werden.

Claims (12)

1. Optischer Abstandssensor mit

• - einer Lichtquelle, die ein auf das zu vermessende Objekt (O) gerichtetes Lichtbündel erzeugt,
• - einer Abbildungsoptik (5), die den auf dem Objekt (O) entstehenden Lichtfleck zentrisch auf einen Detektor (8) abbildet,
• - einer ersten elektronischen Anordnung (11), die aus den Signalen (A-D) des Detektors (8) ein Abstandssignal (ab) gewinnt, das von der Größe bzw. der Form des auf den Detektor abgebildeten Lichtflecks abgeleitet ist,
• - einer zweiten elektronischen Anordnung (21), die ein Überwachungssignal (OK) gewinnt, das von der Exzentrizität der Position des Bildes (9) des Lichtflecks auf dem Detektor (8) abgeleitet ist.

2. Optischer Tastkopf nach Anspruch 1, wobei die erste elektronische Anordnung (11) ein zumindest in einem Bereich (Δ E max) kontinuierliches, dem Abstand E zu dem zu vermessenden Objekt proportionales Signal (ab) erzeugt.

3. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei die erste elektronische Anordnung ein diskontinuierliches, bei einem vorbestimmten Abstand durchschaltendes Signal erzeugt.

4. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei das Ausgangssignal der zweiten elektronischen Anordnung (21) ein Schaltsignal (OK) ist, das dann ausgegeben wird, wenn eine vorbestimmte Exzentrizität des Bildes (9) des Lichtflecks auf dem Detektor (8) überschritten ist.

5. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei der Abstandssensor an den Meßarm eines Koordinatenmeßgerätes angebaut und die Ausgangssignale der ersten und der zweiten elektronischen Anordnung beide mit der Steuerung (17) des Koordinatenmeßgerätes verbunden sind.

6. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei der Detektor (8) aus mehreren Einzeldetektoren (A-D) besteht und vorzugsweise eine Vier-Quadranten-Diode ist.

7. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei der Sensor eine Optik (2, 3) enthält, die ein astigmatisch verzerrtes Lichtbündel auf das zu vermessende Objekt (O) projiziert.

8. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 6 und 7, wobei die erste elektronische Anordnung die Differenz (A + C)­ (B + D) aus den Summensignalen jeweils paarweise gegenüberliegender Quadranten der Diode (8) und die zweite elektronische Anordnung Diskriminatorschaltungen (36, 46) enthält, denen die Differenzsignale (A-C, B-D) von paarweise gegenüberliegenden Quadranten der Diode zugeführt sind.

9. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 8, wobei das von der ersten elektronischen Anordnung gebildete Signal und/oder das von der zweiten elektronischen Anordnung gebildete Signal auf die Gesamtintensität des auf den Detektor (8) auffallenden Lichts bzw. auf die Intensität des auf das Quadrantenpaar auffallenden Lichts bezogen ist.

10. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei eine Regelschaltung die Helligkeit der Lichtquelle abhängig von der Intensität des auf den Detektor (8) abgebildeten Lichtflecks (9) nachregelt.

11. Verfahren für den Betrieb eines optischen Abstandssensors nach einem der Ansprüche 1 bis 10, der am Meßarm eines Koordinatenmeßgerätes befestigt ist, indem

• a) für den Abstandssensor ein Bereich (Δ E max) festgelegt wird, in dem die Kennlinie des Abstandssensors im wesentlichen linear verläuft
• b) die vom Abstandssensor gelieferten Entfernungsmeßwerte (ab) den von den Längenmeßsystemen des Koordinatenmeßgerätes gelieferten Koordinatenwerten (X, Y, Z) hinzu addiert werden,
• c) festgestellt wird, ob die vom Abstandssensor gelieferten Meßwerte in dem festgelegten Bereich (Δ E max) liegen und ob das Überwachungssignal der zweiten elektronischen Einrichtung unterhalb eines vorbestimmten, maximalen Wertes für die Exzentrizität
• d) Koordinatenmeßwerte nur dann vom Rechner des Koordinatenmeßgerätes übernommen werden, wenn die Abfrage nach Verfahrensschritt c) positiv ist, wobei der Abstandsmeßwert des Abstandssensors an beliebiger Stelle in seinem festgelegten Meßbereich liegen kann.

12. Verfahren für den Betrieb eines am Meßarm eines Koordinatenmeßgerätes befestigten optischen Abstandssensors, der ein der Entfernung (E) zu einem Objekt (O) entsprechendes, analoges erstes Signal in einem vorbestimmten, im wesentlichen linearen Meßbereich des Sensors liefert und zusätzlich ein die Gültigkeit des Meßwertes charakterisierendes, zweites Schaltsignal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß vom Rechner des Koordinatenmeßgerätes aufeinanderfolgend eine Vielzahl von Meßwerten des Abstandssensors übernommen werden, solange die Abstandsmeßwerte an beliebiger Stelle im Meßbereich (Δ E max) des Abstandssensors liegen und das zweite Signal vorliegt.