DE4142702A1 - Einrichtung zum abtasten dreidimensionaler objekte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Einrichtung ist durch die DE 30 44 831 C2 bekannt. Hierbei soll durch eine zweidimensionale Lichtablenkvorrichtung in Form eines Polygon­ spiegels die Oberfläche des Objekts periodisch abgetastet werden. Ein dahinge­ hender Hinweis, wie der Polygonspiegel für diesen Zweck beschaffen sein soll, ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen. Es ist auch nicht ersichtlich, wie mit Hilfe des Lichtdetektors sowohl die Oberfläche des Objekts als auch die Licht­ laufzeitdifferenz zur Bestimmung des Abstandes des abgetasteten Objektpunkts signalmäßig erfaßt werden sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem Geringsmaß an Aufwand eine Einrichtung zum Abtasten dreidimensionaler Objekte mit einem vergleichs­ weise hohen Auflösungsvermögen und einfacher Änderungsmöglichkeit der Abtastfrequenzen zu schaffen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen charakterisiert. Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung, die ein Aus­ führungsbeispiel schematisch veranschaulicht, erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Abtasteinrich­ tung mit teilweise perspektivisch dargestelltem Objekt und einer Anordnung zur Messung der Höhenerstreckung des Objekts in Blockdarstellung,

Fig. 2 ein in den Strahlengang des Polygonspiegels eingefügter Umlenkspiegel zur Auskopplung des Sende- und Emp­ fangslichtstrahls zur Laufzeitmessung des Abtastlicht­ strahls.

In Fig. 1 ist die beispielsweise als Helium-Neon-Laser ausgebildete Lichtquelle mit 10 und die diesem nachgeordnete Fokussierungsoptik mit 11, 12 und 13 be­ zeichnet, wobei der Laserstrahl mittels der Linse 11 auf einen Umlenkspiegel 15 fokussiert wird und nach diesem Spiegel über das Objektiv 12 auf ein im Ver­ hältnis zur Empfangsoptik kleines Prisma 13 gelenkt wird, von dem es auf eine Facette 16 des Polygonspiegels 17 fällt, der mittels eines nicht dargestellten Antriebsmotors angetrieben wird.

Das Prisma 13 ist im Zentrum der Linse 18 der Empfangsoptik auf dieser bei­ spielsweise durch Klebung befestigt. Die Facetten 16 des Polygonspiegels 17 können dabei parallel zu dessen Drehachse 19 verlaufen. Die Flächennormale der Facetten 16 kann, wie dargestellt, auch einen Winkel Φ ungleich 90° mit der Drehachse 19 einschließen. Eine optische Abtastung dieser Art ist durch die DE 34 44 106 bekannt.

Das vom Prisma 13 auf eine der Facetten 16 des Polygonspiegels 17 gelenkte, durch einen Modulator 21 z. B. intensitätsmodulierte Sendelichtbündel 20 wird von dieser Facette spiegelnd auf einen als Schwingspiegel 22 ausgebildeten Spiegelbaustein reflektiert und von diesem auf das Objekt 23 umgelenkt. Die Drehachse 24 des Schwingspiegels 22 ist gegenüber der Drehachse 19 des Poly­ gonspiegels 17 räumlich um 90° versetzt angeordnet, das heißt, sie erstreckt sich in Richtung senkrecht zur Ebene der Drehachse 19 des Polygonspiegels 17.

Der Schwingspiegel 22 kann beispielsweise mittels eines Exzenterantriebs 25 betätigt werden. Als Antrieb für den Schwingspiegel 22 eignet sich insbesondere auch ein Schrittmotor, der gleichmäßige Abtastbewegungen gewährleistet.

Bei rotierendem Polygonspiegel 17 tastet der vom Schwingspiegel 22 auf das Objekt 23 gelenkte Sendestrahl 20′ (Abtastlichtstrahl) die Objektoberfläche fortlaufend in X-Richtung ab. Durch die vorzugsweise periodische Schwenkbe­ wegung des Schwingspiegels 22 um dessen Achse 24 wird die Oberfläche auch in Y-Richtung abgetastet, so daß zwei Dimensionen des Objekts 23 erfaßt sind.

Das vom Objekt 23 je nach dessen Oberflächenbeschaffenheit diffus, autokolli­ mativ, spiegelnd oder aus einer Mischart hiervon reflektierte Strahlenbündel 26, 27 gelangt über den Schwingspiegel 22 zurück zum Polygonspiegel 17 und wird von dessen Facetten 16 über die Empfangsoptik 18, 33 auf den Fotoempfänger 28 fokussiert, dem ein Verstärker 29, ein Bandpaß 30 und ein Schwellwertschalter 31 zur Signalauswertung nachgeschaltet sind.

Das Licht des Lasers 10 wird mittels des Modulators 21, der von einem Oszilla­ tor 32 gespeist wird, z. B. in seiner Intensität sinusförmig mit einer bestimmten Wellenlänge moduliert.

Die Höhe bzw. Stärke des Objekts 23 (Erstreckung in Z-Richtung) ergibt sich aus der Phasendifferenz zwischen der Oszillatorspannung und dem Wechsel­ spannungssignal des Lichtempfängers 28, das von dem vom Objekt 23 über den Schwingspiegel 22 auf den Polygonspiegel 17 reflektierten und von diesem auf die Linsen 18, 33 der Empfangsoptik gelenkten Anteil des Abtastlichtstrahls, der auf den beispielsweise als PIN-Diode ausgebildeten Lichtempfänger 28 fokus­ siert wird, in diesem generiert wird.

Der Lichtempfänger 28 ist über den Verstärker 29 an eine Phasenanzeige 35 angeschlossen, der auch die Oszillatorspannung zugeführt wird. Die Ausgänge der Phasenanzeige 35 und des Schwellwertschalters 31 sind mit einer Auswerte­ einheit 36 verbunden.

Bei der in Fig. 2 schematisch veranschaulichten Anordnung zur Messung der Laufzeit des das Objekt 23 abtastenden Lichtbündels 20, 20′ und des vom Ob­ jekt reflektierten Lichtbündels 26, 27 ist in den Strahlengang des Abtastlicht­ bündels 20 ein teildurchlässiger Spiegel 37 eingefügt, der einen Anteil 20′′ des Abtastlichtbündels 20 als Referenzlicht auf einen Lichtempfänger 38 (PIN- Diode) lenkt, dessen Ausgangssignal über einen Verstärker 39 einer Vergleichs­ schaltung 40 zugeführt wird (Startsignal).

Der vom hier nicht dargestellten Objekt auf den Schwingspiegel zurückreflek­ tierte und von diesem zum Polygonspiegel hin umgelenkte Anteil 26, 27; des Abtastlichtbündels 20′ wird von dem sich auch in diesen Strahlengang hineiner­ streckenden teildurchlässigen Spiegel 37 auf einen weiteren Lichtempfänger 41 gelenkt, dessen Ausgangssignal nach Verstärkung in einem Verstärker 42 eben­ falls der Vergleichsschaltung 40 zugeführt wird, die mittels eines Oszillators 44 gespeist wird.

Auf diese Weise wird die Laufzeit des Lichts vom teildurchlässigen Spiegel 37 zum Objekt 23 und von diesem zurück zum photosensitiven Element 41 im Verhältnis zur Laufzeit des auf das photosensitive Element 38 auftreffenden, aus dem Sendelichtbündel 20 ausgespiegelten Referenzlichtstrahls 20′′ ermittelt, wo­ bei die Laufzeitdifferenz ein Maß für die Höhe bzw. Tiefe Z des Objekts 23 darstellt. Der Vergleichsschaltung 40 ist eine Auswerteschaltung 45 nachgeord­ net.

Beim speziellen Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind zwei konzentrisch zuein­ ander angeordnete, vorzugsweise eine Baueinhalt bildende teildurchlässige Spiegel 37′, 37′′ vorgesehen, von denen der eine, 37′, dem Abtastlichtstrahl 20 zugeordnet ist und der andere 37′′, im Strahlengang des vom Objekt 23 zurück­ reflektierten Lichts (Lichtbündel 26 und 27) liegt. Die beiden Spiegel 37′ und 37′′ können dabei durch eine lichtundurchlässige Übergangszone 48 vonein­ ander getrennt sein.

Im Strahlengang vom teildurchlässigen Spiegel 37 bzw. 37′, 37′′ zu den Licht­ empfängern 38 und 41 ist jeweils eine Fokussierungsoptik 46, 47 angeordnet.

Zur Koordinierung der Bewegungsabläufe des Schwingspiegels 22 und des Polygonspiegels 17 erweist sich die Verwendung von Schrittmotoren als zweck­ mäßig. Damit läßt sich problemlos eine zeilenmaßige Abtastung des Objekts 22 in X- und Y-Richtung erzielen.

Anstelle des Schwingspiegels 22 kann auch ein Polygonspiegel mit gegenüber dem sendeseitigen Polygonspiegel 17 räumlich um 90° versetzter Achse ver­ wendet werden.

Die Abtastfrequenz des sendeseitigen Polygonspiegels 17 wird zweckmäßiger­ weise um ein Vielfaches höher gewählt als diejenige des Schwingspiegels 22 bzw. eines an dessen Stelle verwendeten Polygonspiegels. Beispielsweise kann die Scanrate des Schwingspiegels 3 Hz und die Scanrate des sendeseitigen Polygonspiegels 400 Hz betragen.

Im Bedarfsfall kann dem sendeseitigen Polygonspiegel 17 ein Drehwinkelbe­ grenzer zugeordnet sein, desgleichen dem Umlenkpolygonspiegel, sofern ein solcher anstelle des Schwingspiegels 22 benutzt wird.

Claims (10)

1. Einrichtung zum Abtasten dreidimensionaler Objekte mit Hilfe eines Licht­ senders und einer diesem räumlich nachgeordneten Fokussierungsoptik, mit­ tels der über einen rotierenden Polygonspiegel ein Abtastlichtstrahl als Licht­ fleck auf eine Ebene des Objekts ausgerichtet und das von der Oberfläche des abgebildeten Objekts zurückreflektierte Licht über den Polygonspiegel und eine Empfangsoptik als Meßstrahl zu einem Lichtempfänger mit diesem nachgeschalteter Auswerteinheit gelangt, und wobei die Höhenerstreckung des Objekts durch Messung der Laufzeit des Lichts vom Lichtsender über das Objekt zum Lichtempfänger ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein im Strahlengang vom Polygonspiegel (17) zum Objekt (23) ange­ ordnetes bewegtes Spiegelbauteil der vom Polygonspiegel (17) ausgehende Abtastlichtstrahl (20) auf das Objekt (23) umgelenkt und quer zu der dem Polygonspiegel (17) immanenten Abtastrichtung abgelenkt wird und zur Hö­ hen-/ Tiefenbestimmung des Objekts (23) oder Zonen hiervon der Abtast­ lichtstrahl (20, 20′) und der Reflexionslichtstrahl (26, 27) hinsichtlich ihrer Laufzeitdifferenz miteinander verglichen werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Spiegelbauteil als Schwingspiegel (22) mit senkrecht zur Ebene der Dreh­ achse (19) des Polygonspiegels (17) verlaufender Schwenkachse (24) ausge­ bildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Spiegelbauteil durch einen Polygonspiegel verkörpert ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der sendeseitige Polygonspiegel (17) und das bewegte Spiegel­ bauteil jeweils mittels eines Schrittmotors angetrieben sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingspiegel (22) mittels eines Exzenters (25) angetrieben ist.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abtastfrequenz des sendeseitigen Polygonspiegels (17) um ein Vielfaches höher ist als die Schwing- oder Drehfrequenz des diesem zu­ geordneten bewegten Spiegelbauteils.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bewegungsabläufe des sendeseitigen Polygonspiegels (17) und des diesem zugeordneten bewegten Spiegelbauteils so aufeinander abgestimmt sind, daß jeweils beim Übergang einer Polygonfacette (16) vom wirksamen in den unwirksamen Zustand das Spiegelbauteil den Abtastlicht­ strahl (20′) in Querrichtung verschiebt.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Lichtsender (10) ein von einem Oszillator (32) gespeister Modulator (21) vorgeordnet ist und die Phasendifferenz zwischen der Oszil­ latorspannung und dem Wechselspannungssignal des Lichtempfängers (28) ermittelt wird.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang des Abtastbündels (20) ein teildurchlässiger Spiegel (37) eingefügt ist, der einen Anteil (20′) des Abtastlichtbündels (20) als Refe­ renzlicht auf einen Lichtempfänger (38) lenkt, der über einen Verstärker (39) an eine mittels eines Oszillators (44) gespeiste Vergleichsschaltung (40) an­ geschlossen ist, der das Ausgangssignal eines weiteren Lichtempfängers (41) zugeführt wird, das in diesem vom Objekt (23) reflektierten Anteil (26, 27) des Abtastlichtbündels (20′) generiert wird.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der teildurch­ lässige Spiegel aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Spiegeln 37′ und 37′′ gebildet ist.