DE4211875A1

DE4211875A1 - Optischer Abstandssensor

Info

Publication number: DE4211875A1
Application number: DE19924211875
Authority: DE
Inventors: Robert Maag
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1990-10-09
Filing date: 1992-04-09
Publication date: 1993-10-14

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 89/04007 beschrieben.

Aus der genannten DE-OS 28 45 850 ist es außerdem bekannt, den Abstandssensor "Schaltend" zu betreiben, indem 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 das 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 89/04007 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.

In der älteren Hauptpatentanmeldung mit dem Aktenzeichen P 40 31 995.4 ist bereits vorgeschlagen worden, das geschilderte Problem z. B. für einen nach dem Astigmatismusprinzip arbeitenden Abstandssensor mit Hilfe einer zweiten elektronischen Anordnung zu lösen, die ein Überwachungssignal gewinnt, welches von der Exzentrizität der Position des Lichtflecks auf dem Detektor abgeleitet ist. Der vorliegenden Zusatzanmeldung liegt nun die Aufgabe zugrunde, in Weiterbildung dieses Prinzips das geschilderte Problem für zusätzliche Typen von koaxialen Abstandssensoren, insbesondere für solche Abstandssensoren zu lösen, die nach der sogenannten Focault′schen Schneidenmethode arbeiten.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch folgende Merkmale gelöst

- eine Lichtquelle, die ein auf das zu vermessende Objekt gerichtetes Lichtbündel erzeugt,
- eine Abbildungsoptik, die den auf, dem Objekt entstehenden Lichtfleck auf einen ersten Detektor abbildet,
- eine ersten elektronischen Anordnung, die aus Signalen des Detektors ein Abstandssignal gewinnt, das von der Lage des auf den Detektor abgebildeten Licht flecks abgeleitet ist,
- einer zweiten elektronischen Anordnung, die ein Überwachungs- oder Korrektursignal gewinnt, das von der Exzentrizität der Position des auf einen zweiten Detektor projizierten Lichtflecks abgeleitet ist.

Demgemäß wird also auch hier zusätzlich die Exzentrizität der Position des auf einen Detektor projizierten Lichtflecks ausgewertet und als ein Kriterium herangezogen, welches die Einflüsse geneigter Oberflächen und in Vorzugsrichtung streuender Oberflächen erfaßt und man 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 Zuverläßlichkeit in der sogenannten "messenden Betriebsweise" sicherstellen, in der der Abstandssensor ein der Entfernung zum angemessenen Objekt proportionales Signal erzeugt. Auch wenn der Sensor in der sogenannten "schaltenden Betriebsweise" benutzt wird, ergibt sich dieser Vorteil.

Zusätzlich zu der vorgenannten dualen Überprüfung des Meßergebnisses kann das von dem zweiten Detektor gelieferte Kontrollsignal jedoch auch zur Online-Korrektur von Neigungsfehlern eingesetzt werden. Hierfür muß der Abstandssensor dann zwar an einer bekannten, geneigten Meßoberfläche kalibriert werden. Es können jedoch danach auch beliebig geneigte Flächen angemessen werden, was die Einsatzbreite des Abstandssensors ganz beträchtlich erhöht.

Der erste Detektor des Abstandssensors besteht zweckmäßig aus mehreren Einzeldetektoren, die so angeordnet sind, daß sich die Lage des Bildes des Lichtflecks in einem vorgegebenen Meßbereich zuverlässig erfassen läßt. Das ist beispielsweise mit Hilfe einer sogenannten Differenzdiode möglich. Der zweite Detektor des Abstandssensors hingegen besteht vorteilhaft aus einer Vierquadrantendiode. Denn dann können Neigungen der angemessenen Objektoberfläche in den beiden zur optischen Achse senkrechten Richtungen gleichzeitig gemessen werden.

In einer besonderen Ausführungsform enthält der Sensor eine Optik, die ein unter einem Neigungswinkel α eingestrahltes, durch eine Schneide einseitig begrenztes Lichtbündel auf das zu vermessende Objekt projiziert. Dieser Typ eines Abstandssensors basierend auf einer Kombination der soge nannten Focault′schen Schneide und der Triangulation, ist in besonderer Weise für das Messen von gestörten Objektober flächen geeignet und reagiert unempfindlicher auf Fehlerein flüsse der Objektoberfläche als andere koaxiale Abstands sensoren. Er zeigt auch ein besseres Verhalten als ein ko axialer Abstandssensor nach dem Astigmatismusprinzip.

Bei diesem Typ Abstandssensor, der sowohl fokussiert als auch defokussiert aufgebaut werden kann, ist es zweckmäßig, wenn der zweite Detektor, der sog. "Kontrollsensor" in einer anderen Ebene, d. h. in anderer Entfernung von der Abbildungs optik angeordnet ist als der erste Detektor, der das Ab standssignal liefert. Denn über den Abstand der Detektor ebenen läßt sich erreichen, daß der Einfluß von Neigungen der Objektoberfläche auf die Lage des Lichtflecks auf dem Detektor verglichen mit dem Einfluß von Änderungen des Ab stands zur Objektoberfläche in beiden Ebenen jeweils in einem anderen Verhältnis steht, d. h. sich auf dem zweiten Detektor anders auswirken als auf dem ersten Detektor, der das Ab standssignal generiert. Auf diese Weise ist es dann möglich, die Einflüsse von Neigung und Abstand auf die Detektorsignale voneinander zu separieren und damit auch die Neigung der Objektoberfläche quantitativ zu erfassen.

Die Ableitung des eigentlichen Abstandsmeßsignals aus der Lage des auf den ersten Detektor abgebildeten Lichtflecks kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die erste elektronische Anordnung die Differenz aus den Signalen der beiden Sektoren des als Differenzdiode ausgebildeten ersten Detektors bildet. Zur Feststellung der Exzentrizität der Lage des Bildes des Lichtflecks auf dem zweiten Detektor ist die zweite elektro nische Anordnung dann so aufgebaut, daß sie die Differenzen der Summensignale von nebeneinanderliegenden Quadranten des zweiten, als Vierquadrantendiode ausgeführten Detektors (7) bildet. In einer ersten Betriebsweise kann dann beispiels weise mit Hilfe von Fensterdiskriminatoren überwacht werden, ob ein bestimmter zulässiger Bereich für die Exzentrizität des auf den zweiten Detektor projizierten Lichtflecks über schritten ist oder nicht, d. h. ob die Neigungen der ange messenen Objektoberflächen bzw. deren Oberflächeneigen schaften in einem für das vom ersten Detektor abgeleitete Meßergebnis noch tolerierbaren Rahmen liegen oder nicht.

Es ist weiterhin von besonderem Vorteil, wenn die Optik des Sensors zwei um 90° um die optische Achse gegeneinander verdrehte einseitig begrenzte Lichtbündel auf das zu vermessende Objekt projiziert und der erste Detektor zwei Signale liefert, die die Lage des auf ihn abgebildeten Licht flecks des ersten und des zweiten Lichtbündels in zueinander senkrechten Richtungen charakterisieren. Denn dann ist es möglich, die Objektoberfläche in jeder beliebigen Richtung zu vermessen, bzw. den Einfluß ausgeprägt gerichteter Ober flächeneffekte sicher zu erkennen und daraus resultierende Meßfehler zu vermeiden.

Hierbei kann die Trennung der den beiden Neigungs-Richtungen zugeordneten Signale beispielsweise dadurch erfolgen, daß das erste und das zweite Lichtbündel zeitlich alternierend auf einanderfolgend oder in verschiedenen Farben projiziert werden, wobei im letzteren Falle der erste Detektor aus zwei Detektoren bestehen muß, die mittels entsprechender Filter auf die beiden unterschiedlichen Wellenlängenbereiche empfindlich gemacht sind.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen eines Ausführungsbeispieles anhand der Fig. 1-7 der beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine Prinzipskizze, die den optischen Aufbau und den Strahlengang eines optischen Abstands sensors gemäß der Erfindung wiedergibt;

Fig. 2 und 3 sind vergrößerte Ansichten der Oberfläche des De tektors (8) aus Fig. 1 bzw. des Detektors (7) aus Fig. 1 unter verschiedenen Meßbedingungen;

Fig. 4a und 4b sind im Vergleich zu Fig. 1 im vergrößerten Maßstab gezeichnete Prinzipskizzen, die den Strahl verlauf zwischen der Frontoptik (5), des Abstands sensors aus Fig. 1 und der Objektoberfläche für verschiedene Abstände bzw. Neigungen der Objekt oberfläche darstellen;

Fig. 5 und 6 sind ebenfalls wieder vergrößerte Ansichten der Oberfläche der Detektoren (8) (Fig. 5) und (7) (Fig. 6), unter verschiedenen Meßbedingungen;

Fig. 7 ist ein Blockschaltbild der die Signale der De tektoren (7) und (8) verarbeitenden Elektronik des Abstandssensors aus Fig. 1;

Fig. 8 ist ein Blockschaltbild der die Signale der Detektoren verarbeitenden Elektronik eines weiteren Ausführungsbeispiels des Abstandsensors.

Der in Fig. 1 dargestellte Abstandssensor besitzt eine Lichtquelle (1), beispielsweise eine kollimierte Laserdiode, vor die eine aus zwei gekreuzten Zylinderlinsen (2) und (3) bestehende Optik vorgesetzt ist. Die Zylinderlinsen (2) und (3) fokussieren die Laserstrahlung in den beiden Schnittebenen und passen den Bündeldurchmesser an die numerische Apertur des Frontobjektivs (5) an.

Die Laserdiode (1) ist zusätzlich mit ihrer Achse gegenüber der optischen Achse des Objektivs (5) um den bildseitigen Fokuspunkt des Objektivs (5) verkippt. Der Kippwinkel ist mit α bezeichnet.

Zwischen der Zylinderlinse (3) und dem Frontobjektiv (5) ist eine spiegelnde Schneide (4) angeordnet, die den Strahlengang des von der Laserdiode (1) kommenden Lichts einseitig begrenzt und das vom Objekt (O) zurückgestreute Licht aus dem Beleuchtungsstrahlengang ausspiegelt.

Im Meßlichtstrahlengang hinter der spiegelnden Schneide (4) ist sodann ein Strahlteiler (6) angeordnet, der das Meßlichtbündel in zwei Teilstrahlen aufspaltet. Auf ihn folgt im ersten Teilstrahl ein erster photoelektrischer Detektor (8) in Form einer Differenzdiode. Dieser Detektor (8) ist in einer zur Ebene (X) konjugierten Ebene angeordnet. Hierbei ist (K) die Ebene, die entsteht, wenn der Fokus des Projektionsstrahlenganges an der Fokalebene des Objektivs (5) gespiegelt wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt die Objektoberfläche (O) in der Fokalebene des Objektivs (5).

Der Projektionsstrahlengang ist mit Bezug auf die Fokalebene des Objektivs (5) defokussiert ausgelegt, d. h. die von der Laserdiode (1) ausgehende Strahlung wird durch die ent sprechende Bemessung der Zylinderlinsen (2) und (3) um einen kleinen Betrag hinter der Fokalebene (O) des Objektivs (5) fokussiert, so daß dann, wenn sich das anzumessende Objekt in einer Stellung befindet, bei der der vom Objekt rückge spiegelte Fokus des Projektionsstrahlenganges in die Ebene (K) fällt, der Meßspot auf der Detektoroberfläche zentrisch als Lichtfleck S 3 mit relativ kleinen Abmessungen abgebildet wird. In dem Maße, wie sich die Objektentfernung ändert und die Objektebene in Richtung auf das Objektiv (5) verschiebt, wandert der Meßspot aus seiner zentrischen Lage aus, wobei er seine Form vergrößert und sich mehr und mehr der halbseitig beschnittenen Form des Projektionsstrahlenbündels annähert. Diese Situation ist durch die mit (S2) und (S1) bezeichneten Halbkreise verdeutlicht. In gleicher Weise wandert der Meßspot auf dem Detektor (8) in die andere Richtung aus und nimmt die mit (S4) und (S5) bezeichnete Gestalt an, wenn sich die Objektoberfläche (O) vom Objektiv (5) entfernt.

Bei geeigneter Beschaltung liefert deshalb die Differenzdiode (8) ein der Entfernung zum Objekt (O) proportionales Signal.

Das Signal kann jedoch durch Neigungseinflüsse der Objektoberfläche (O) verfälscht sein. Diese Situation ist in Fig. 4a und Fig. 4b in Verbindung mit Fig. 5 dargestellt. Befindet sich die Objektoberfläche senkrecht zur optischen Achse in der in Fig. 4a mit (O) bezeichneten Stellung, so entsteht auf dem Detektor (8) der mit (S) bezeichnete zentrische Meßspot. Ist hingegen die Objektoberfläche leicht verkippt, wie das durch die gestrichelte und mit (O′) bezeichnete Linie in Fig. 4a skizziert ist, so wandert der Meßspot auf der Oberfläche des Detektors (8) aus und zwar in die mit (S′) bezeichnete Stellung. Entsprechend liefert die Differenzdiode (8) ein anderes bzw. ein auf eine andere Objektentfernung bezogenes Signal. Der Fehler in der Objektentfernung, der durch die Verkippung hervorgerufen wird, ist in Fig. 4b mit (ΔF) bezeichnet. Demzufolge ergibt sich dann, wenn sich die Objektoberfläche in der gestrichelt skizzierten und mit (O′′) bezeichneten Stellung befindet auf der Oberfläche des Detektors (8) der mit (S′′) bezeichnete Meßspot. Dieser hat das gleiche Ausgangssignal des Detektors (8) zur Folge wie der zentrische Meßspot (S), der in der mit (O) bezeichneten Stellung der Objektoberfläche erzeugt ist.

Zur Erkennung bzw. nachträglichen Beseitigung dieses Meßfehlers ist in dem durch den Strahlteiler (6) ausge spiegelten zweiten Teilstrahlengang des Meßlichtstrahls ein zweiter Detektor (7) in Form einer Vierquadrantendiode ange ordnet und zwar in eine Ebene, die in Richtung der optischen Achse gegenüber der Ebene versetzt ist, in der sich der erste Detektor (8) befindet. Der zweite Detektor (7) ist außerdem lateral bezogen auf die optische Achse des Abbildungs strahlenganges versetzt angeordnet. Die auf diesem auch als "Kontrollsensor" bezeichneten zweiten Detektor (7) proji zierten Spots erfahren verglichen mit denen, die auf dem Detektor (8) entstehen, abhängig von der Entfernung der Objektoberfläche vom Objektiv eine etwas andere Form- und Lageänderung. Das geht aus der Skizze nach Fig. 3 hervor, wo die den Meßspots (S1-S5) in Fig. 2 entsprechenden Spots auf der Oberfläche des zweiten Detektors (7) ebenfalls einge zeichnet und dort mit (K1-K5) bezeichnet sind. Die den beiden in Fig. 4a und 4b skizzierten Fällen entsprechenden Spots auf dem zweiten Detektor (7) sind in Fig. 6 mit (K, K′ und K′′) bezeichnet. Man sieht, daß der Detektor (7) die mit (O) und (O′′) bezeichneten Fälle unterschiedlicher Entfernung und Neigung des Objekts unterscheiden kann und demzufolge bei Verkippungen des Objekts andere Meßwerte liefert als der Detektor (8). Es läßt sich daher durch eine Beschaltung der vier Sektoren der Quadrantendiode (7) gemäß der Formel (A+B)-(C+D) ein die Neigung charakterisierendes Über wachungssignal gewinnen. Zusätzlich werden auch Neigungen senkrecht zu der in Fig. 1 aufgespannten Ebene erkannt, die einen Versatz des Meßspots in die in Fig. 6 gestrichelt ge zeichnete Stellung zur Folge hätten. Diese Neigungen können durch eine Beschaltung gemäß der Formel (A+C)-(B+D) erkannt werden.

Diese vorstehend beschriebene Funktion der Neigungsüber wachung wird durch die in Fig. 7 dargestellte elektronische Schaltungsanordnung realisiert.

Der Schaltungsteil zur Gewinnung des Abstandssignals ist in Fig. 7 mit (11) bezeichnet. Diese Schaltung enthält einen Verstärker (12), der die Differenz der Signale der beiden photoempfindlichen Flächen des Detektors (8) bildet. Dieses Differenzsignal 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 zwei photoempfindlichen Flächen 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 (s₁) sind einem Dividierer-Baustein (15) zugeführt, der den Quotienten beider Signale bildet. Das resultierende mit FFS bezeichnete Signal ist das analoge Abstands-Signal und wird mit Hilfe eines Analog/Digital/ Wandlers (16) in ein digitalisiertes Abstands-Signal ge wandelt, das den eigentlichen Meßwert des in Fig. 1 ge zeichneten 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 Koordinatenmeßge rätes (18), sowie die Winkelmeßwerte α und β eines ge gebenenfalls zwischen dem Meßarm des Koordinatenmeßgerätes und dem optischen Abstandssensor angeordneten Dreh-Schwenk-Gelenks.

Die beschriebene Art der Gewinnung des Meßsignales FFS aus den Signalen der zwei photoempfindlichen Flächen (A) und (B) des Detektors (8) nach der Formel

ist an sich bekannt. Um den Abstandssensor schaltend zu betreiben ist es lediglich erforderlich, die von den Maßstäben des Koordinatenmeßgerätes gelieferten Positions meßwerte zu dem Zeitpunkt festzuhalten, zu dem das Meßsignal FFS einen festgelegten Wert annimmt, beispielsweise den Wert 0.

Zur Erkennung der Neigung der angemessenen Fläche dient die in Fig. 7 mit (21) bezeichnete Schaltungsanordnung. Diese Schaltung bildet das Differenzsignal (A+B)-(C+D) der einzelnen Quadranten des zweiten Detektors (7) in der Verstärkerstufe (42). Über einen Lock-in-Verstärker (43) wird das Signal gleichgerichtet und über einen Tiefpaß (44) ge glättet. Anschließend wird das Gleichspannungssignal dem Dividierer-Baustein (45) zugeführt.

Parallel hierzu werden in der Schaltung (51), ähnlich wie in der Schaltung (41), die Ausgangssignale der vier Quadranten (A, B, C, D) des zweiten Detektors (7) in einem Verstär ker-Baustein (52) summiert und ebenfalls in einem Lock-in-Ver stärker (53) gleichgerichtet und mit Hilfe eines Tiefpasses (54) geglättet. Das entstehende Summensignal (s₂) wird dem zweiten Eingang des Dividierers (45) zugeführt.

Im Dividierer-Baustein (45) wird nun das beschriebene Differenzsignal durch das Summensignal (s₂) dividiert und demzufolge das die Neigung charakterisierende Signal auf konstante Lichtintensität normiert.

Am Ausgang des Dividierers (45) liegt dann das die Lage des Lichtflecks auf dem Detektor (7) beschreibende Signal NKS in der Triangulationsebene vor.

Dieses Signal NKS ist darauffolgend einem Fensterdiskrimina tor (46) zugeführt. Der Fensterdiskriminator (46) legt den Bereich fest, innerhalb dessen die Exzentrizität bzw. Aus wanderung des Lichtflecks aufgrund der Neigung der ange messenen Objektoberfläche noch als zulässig erachtet wird. Überschreitet das Signal die eingestellten Schwellen zu größeren positiven oder negativen Werten hin, so schaltet der Fensterdiskriminator durch und der Computer (17) erkennt anhand dieses Überwachungssignales (Ü1), daß eine fehlerhafte Messung durchgeführt wurde, die eventuell wiederholt werden muß.

Anhand der Fig. 7 wurde eine Ausführungsbeispiel be schrieben, bei dem der "Kontrollsensor", d. h. der zweite Detektor (7) lediglich zur dualen Überprüfung des Meßergeb nisses auf "gültig" oder "ungültig" dient. Es ist jedoch auch möglich, die Signale der beiden Detektoren (7) und (8) so miteinander zu kombinieren, daß die Objektentfernung und die Neigung der Objektebene als Meßwerte ausgegeben werden. Hier für muß der Sensor gegen eine Fläche bekannter Neigung kali briert werden. Man kann hier so vorgehen, daß mit dem Meßsystem einmal eine senkrecht ausgerichtete Meßoberfläche und dann eine unter bekannten Winkeln geneigte Meßoberfläche in verschiedenen Abständen und für verschiedene Neigungen angemessen werden, wobei durch den ersten Detektor (8) die gemessene z-Positionen mit den bekannten z-Positionen ver glichen werden und die Signalwerte des zweiten Detektors (7), d. h. des Kontrollsensors gleichzeitig mit aufgenommen werden. Aus der Rückrechnung der Sollwerte zu den Istwerten des Ab standssensors können dann den Signalwerten das "Kontrollsen sors" Korrekturwerte zugewiesen werden.

Eine hierfür geeignete elektronische Schaltung ist in Fig. 8 dargestellt. Dort sind im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 gleiche Bauteile mit einer um hundert höheren Bezugsziffer versehen und werden an dieser Stelle nicht nochmals erläutert. Gegenüber der Schaltung nach Fig. 7 bestehen jedoch folgende Unterschiede:

Zuerst einmal enthält die Schaltung (121) eine zweiten Sig nalverarbeitungskanal (132-135), in dem die vier Signale der Quadranten des zweiten Detektors (7) nach der Formel (A+C)-(B+D) ausgewertet sind. Auch in diesem Signalpfad wird das nun die Auswanderung des Lichtflecks auf dem Detektor (8) in der zweiten Richtung senkrecht zur Triangula tionsebene charakterisierende Signal mit Hilfe des Summen signals (s₂) im Dividierer-Baustein (135) auf konstante Lichtintensität normiert.

Jedoch werden für die Online-Korrektur der Neigungseinflüsse anstelle von Fensterdiskriminatoren nun in den beiden ge nannten Signalpfaden zwei Analog/Digital-Wandler (138) und (148) eingesetzt. Deren digitalen Ausgangssignale sind zwei Controller-Bausteinen (139) und (149) zugeführt. Diese Controller-Bausteine sind außerdem an einen Speicher-Baustein (150) angeschlossen, der die mit Hilfe des vorstehend be schriebenen Kalibriervorganges ermittelten Solldaten enthält. Die Controller (139) und (149) vergleichen die von den A/D-Wandlern (138) und (148) erhaltenen digitalen Signale mit den Solldaten und bilden hieraus zwei Signale (Ü1) und (Ü2), wobei (Ü1) ein Korrektursignal darstellt, um das das eigent liche Meßsignal (ab) des ersten Abstandssensor (8) aufgrund der Neigung der Objektoberfläche in der Triangulationsebene korrigiert werden muß und (Ü2) ein die Verkippung der Ober fläche des angemessenen Objekts senkrecht zur Triangualitions ebene anzeigendes Signal ist.

Von den hier in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 7 und 8 beschriebenen Lösungen kann in verschiedener Weise abgewichen werden. Beispielsweise ist die Analog/Digital-Wandlung des Entfernungsmeßsignals (ab) auch an anderer Stelle möglich und die Division des Summensignals (s₁, s₂) kann anstatt auf analogem Wege auch digital erfolgen. Ferner kann anstelle der genannten Vierquadrantendiode für den zweiten Detektor (7) auch ein Empfänger mit einer größeren Zahl von Einzel detektoren, beispielsweise ein CCD-Flächenarray zur Erfassung der Exzentrizität des abgebildeten Lichtflecks verwendet werden. Es ist dann lediglich eine aufwendigere Signalver arbeitungselektronik erforderlich.

Weiterhin kann die Normierung auf das Summensignal 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

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 auf einen ersten Detektor (8) abbildet,
- einer ersten elektronischen Anordnung (11), die aus Signalen (A, B) des Detektors (8) ein Abstandssignal (a, b) gewinnt, das von der Lage des auf den Detektor abgebildeten Lichtflecks abgeleitet ist,
- einer zweiten elektronischen Anordnung (21), die ein Überwachungs- oder Korrektursignal (OK) gewinnt, das von der Exzentrizität der Position des auf einen zweiten Detektor (7) projizierten Lichtflecks abgeleitet ist.

2. Optischer Tastkopf nach Anspruch 1, wobei die erste elektronische Anordnung (11) ein zumindest in einem Bereich 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 Lichtflecks auf dem Detektor (7) überschritten ist.

5. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei das Ausgangssignal der zweiten elektronischen Anordnung ein zumindest in einem Bereich kontinuierliches, die Neigung der Objektoberfläche charakterisierendes Signal ist.

6. 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.

7. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei der erste Detektor (8) aus mehreren Einzeldetektoren (A, B) besteht und vorzugsweise eine Differenzdiode ist.

8. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei der Sensor eine Optik enthält, die ein unter einem Neigungswinkel α eingestrahltes, durch eine Schneide (4) einseitig begrenztes Lichtbündel auf das zu vermessende Objekt (O) projiziert.

9. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei der zweite Detektor (7) in einer verglichen mit dem ersten Detektor (8) anderen Entfernung von der Abbildungsoptik (5) angeordnet ist.

10. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei der zweite Detektor (7) aus mehreren Einzeldetektoren (A, B, C, D) besteht und vorzugsweise eine Vierquadrantendiode ist.

11. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 7 und 10, wobei die erste elektronische Anordnung die Differenz (A-B) aus den Signalen gegenüberliegender Sektoren (A, B) des ersten Detektors (8) und die zweite elektronische Anordnung die Differenzen ((A+B)-(C+D) bzw. (A+C)-(B+D)) der Summensignale von nebeneinanderliegenden Quadranten des zweiten Detektors (7) bildet.

12. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 11, 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 ersten Detektor (8) bzw. den zweiten Detektor (7) auf fallenden Lichts bezogen ist.

13. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 8, wobei die Optik des Sensors zwei um 90° um die optische Achse gegeneinander verdrehte, einseitig begrenzte Lichtbündel auf das zu vermessende Objekt (O) projiziert und der erste Detektor zwei Signale liefert, die die Lage des auf ihn abgebildeten Lichtflecks des ersten und des zweiten Lichtbündels in zwei zueinander senkrechten Richtungen charakterisieren.

14. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 13, wobei das erste und das zweite Lichtbündel zeitlich alternierend projiziert werden.

15. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 13, wobei das erste und das zweite Lichtbündel in verschiedenen Farben projiziert werden und der erste Detektor aus zwei hinter Farbfiltern angeordneten Einzeldetektoren besteht.

16. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 13, wobei der zweite Detektor (7) aus zwei Detektoren besteht, die bezogen auf die optische Achse des Abbildungsstrahlen ganges lateral in zwei verschiedenen, zueinander orthogo nalen Richtungen versetzt sind.