DE4339710C2

DE4339710C2 - Optoelectronic distance measuring device

Info

Publication number: DE4339710C2
Application number: DE19934339710
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr Schulze; Rainer Prof Dr Endter
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 1993-11-22
Filing date: 1993-11-22
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2013-11-23
Also published as: DE4339710A1

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung, die in eine vorgegebene Meßeinrichtung mit Objektabbildung integrierbar ist.The invention relates to an optoelectronic distance measuring device, which in a predetermined measuring device with object image can be integrated.

Die optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung basiert auf der Grundlage eines objektabbildenden Verfahrens, welches zur Bestimmung der Lage eines Objektpunktes auf der Meßachse, die identisch mit der optischen Achse des Systems ist, geeignet ist, wobei sich die Anordnung relativ einfach in gegebene Strahlengänge von optischen Koordinatenmeßgeräten, Meßprojektoren und Meßmikroskopen integrieren läßt.The optoelectronic distance measuring device is based on a object imaging process, which is used to determine the position of a Object point on the measuring axis, which is identical to the optical axis of the System is suitable, the arrangement being relatively simple in given Beam paths from optical coordinate measuring machines, measuring projectors and Measurement microscopes can be integrated.

Es sind eine Vielzahl von optoelektronischen Abstandssensoren bekannt, die meist nach dem Prinzip der Triangulation oder nach dem Fokusverfahren arbeiten. Sie werden in der Regel in abgeschlossenen, kompakten Meßeinheiten als Abstandsdetektoren (Sollage-Erkennung) oder als messende Systeme kommerziell angeboten.A large number of optoelectronic distance sensors are known mostly based on the principle of triangulation or the focus method work. They are usually in closed, compact measuring units as distance detectors (target position detection) or as measuring systems offered commercially.

Meßtechnisch sind insbesondere solche Verfahren interessant, die Vorteile beider Prinzipien in sich vereinen.In terms of measurement technology, such methods are particularly interesting, the advantages of both Unite principles.

In Laser Magazin 1/85, S. 26 ff. wird eine solche Lösung von der Firma Leitz beschrieben, bei der ein Laserstrahlbündel unter einem solchen Winkel in den Auflichtstrahlengang eines Mikroskopes eingespiegelt wird, daß es gerade im Sollabstand der Oberfläche zu einem ausgezeichneten Schnittpunkt mit der optischen Achse des Systems kommt und ein Triangulationseffekt bei einer Abstandsänderung erreicht wird.Such a solution is described by Leitz in Laser Magazin 1/85, p. 26 ff described in which a laser beam at such an angle in the Reflected light path of a microscope is reflected that it is just in the Target distance of the surface to an excellent intersection with the optical axis of the system comes and a triangulation effect at a Distance change is achieved.

Nachteilig ist dabei, daß - wie bei allen herkömmlichen Triangulationsverfahren mit einer festen Triangulationsebene (Ebene, aufgespannt von den optischen Achsen der Beleuchtungs- und Abbildungsoptik) - in der Meßpraxis Einschränkungen durch Abschattungseffekte in Kauf genommen werden müssen.The disadvantage here is that - as with all conventional triangulation processes with a fixed triangulation level (level spanned by the optical Axes of lighting and imaging optics) - in measurement practice Restrictions due to shadowing effects have to be accepted.

Bei der in der DE 35 07 445 A1 beschriebenen Lösung wird dieser Nachteil durch eine "richtungsunabhängige" Triangulation umgangen. Der Triangulations effekt wird durch eine Ringblende im Abbildungsstrahlengang erreicht. Allerdings können die in der Schrift formulierten Wirkungen nur realisiert werden, wenn der Öffnungsfehler der Optik benutzt wird. Somit können keine optimal korrigierten Objektiv-Optiken eingesetzt werden, wie sie beispielsweise standardmäßig in Meßmikroskopen verwendet werden. Deshalb wurde dort im Anspruch 4 hervorgehoben, daß die Abbildungsoptik als eine Nicht-Gaußsche Optik ausgebildet ist (d. h., die erzeugte leuchtende Marke auf der Objektoberfläche, also auch ein Punkt, wird nicht als Punkt, sondern als ein die optische Achse konzentrisch umgebender Ring in der Bildebene abgebildet). Mit dieser speziellen Optik ist das Verfahren somit als eine eigenständige Meßanordnung ausgebildet und auf Abstandsmessungen festgelegt.In the solution described in DE 35 07 445 A1, this disadvantage becomes circumvented by a "direction-independent" triangulation. The triangulations effect is achieved by a ring diaphragm in the imaging beam path. Indeed the effects formulated in the writing can only be realized if the Opening error of the optics is used. So no optimally corrected Lens optics are used, such as standard in Measuring microscopes are used. Therefore there was in claim 4 emphasized that the imaging optics as a non-Gaussian optics is formed (i.e., the luminous mark generated on the object surface, So also a point is not considered a point, but rather an optical axis concentrically surrounding ring shown in the image plane). With this special optic, the process is therefore an independent one Measuring arrangement designed and fixed on distance measurements.

Die EP 0 279 347 A2, DE 35 38 062 A1, EP 0 248 479 A1 sowie Rev. Sci. Instrum. 61 (1990) 12, S. 3722-3725 zeigen Abstandsmeßanordnungen unter Benutzung von Strahlung, die auf den Randbereich der Apertur beschränkt ist. Sofern sie nicht mit einer festen Triangulationsebene arbeiten, eignen sich diese Anordnungen jedoch nicht zur Integration in eine vorgegebene Meßvorrichtung, da beispielsweise der Detektor nach der DE 35 38 062 A1 hierbei großflächig abschatten würde.EP 0 279 347 A2, DE 35 38 062 A1, EP 0 248 479 A1 and Rev. Sci. Instrument. 61 (1990) 12, pp. 3722-3725 show distance measuring arrangements below Use of radiation that is restricted to the edge area of the aperture. If you do not work with a fixed triangulation level, these are suitable Arrangements, however, not for integration into a given measuring device, since, for example, the detector according to DE 35 38 062 A1 has a large area would shade.

Die Erfindung soll unter Zugrundelegung einer vorzugsweise gemeinsamen und optimal korrigierten Optik für den Beleuchtungsstrahlengang und den Abbildungsstrahlengang, ein empfindlich reagierendes Abstandsmeßverfahren realisieren, das neben einer eigenständigen Verwendung auch in vorgegebene optische Strahlengänge von auf Objektabbildung beruhenden Meßvorrichtungen, insbesondere von Koordinatenmeßmaschinen, Meßprojektoren und Meß mikroskopen, integriert werden kann.The invention is based on a preferably common and optimally corrected optics for the illumination beam path and the Imaging beam path, a sensitive reaction distance measurement realize that in addition to independent use also in predetermined optical beam paths from measuring devices based on object imaging, especially of coordinate measuring machines, measuring projectors and measuring microscopes, can be integrated.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abstandsmeßeinrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.The object is achieved by a distance measuring device with the Features solved according to claim 1.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß im Strahlengang die in den Patentansprüchen 2 bis 4 näher ausgeführten Mittel dafür sorgen, daß nur Randstrahlenbündel zur Erzeugung einer Marke auf der Objektoberfläche genutzt werden, ohne die Integrationsmöglichkeit in die vorgegebene Meßvorrichtung durch Abschattung von deren Strahlengang zunichte zu machen. Eine Änderung des Objektabstandes führt dann zu einer Aufspaltung des Markenbildes, deren Größe als empfindliches Maß einer Abstandsänderung mit einer geeigneten Empfängeranordnung auswertbar ist. Diese Lösung erlaubt eine optimal korrigierte Objektiv-Optik.The essence of the invention is that in the beam path in the Claims 2 to 4 detailed agents ensure that only Edge ray bundle used to create a mark on the object surface become, without the possibility of integration into the given measuring device by shadowing their beam path. A change of the object distance then leads to a splitting of the brand image, whose Size as a sensitive measure of a change in distance with a suitable one Receiver arrangement is evaluable. This solution allows an optimal corrected lens optics.

Die optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung zur Bestimmung der Lage eines Objektpunktes auf der optischen Achse eines Meßsystems besteht aus einer Strahlungsquelle, aus einer Abbildungsoptik, über welche die Strahlung auf der Objektoberfläche eine Marke erzeugt und welche die Marke in eine Empfängerebene abbildet, sowie aus einem geeigneten optoelektronischen Empfänger in dieser Empfängerebene, der mit einer Auswerteeinheit verbunden ist. Nur Strahlung aus dem Randbereich der Apertur wird, über deren Umfang verteilt, zur Erzeugung der Marke ausgewählt. Bei einer Abstandsänderung des Objektes (also Defokussierung) ist in einer Empfängerebene eine Veränderung des Markenbildes registrierbar, wobei die durch einen Empfänger erfaßbare resultierende Intensitätsverteilung in der Empfängerebene empfindlich vom Objektabstand Δz abhängig ist.The optoelectronic distance measuring device for determining the position of a Object point on the optical axis of a measuring system consists of a Radiation source, from an imaging optics, via which the radiation on the Object surface creates a brand and which the brand into a Maps receiver level, as well as from a suitable optoelectronic Receiver in this receiver level, which is connected to an evaluation unit is. Only radiation from the edge area of the aperture is spread over its circumference distributed, selected to create the brand. If the distance of the Object (i.e. defocusing) is a change in a receiver level of the brand image can be registered, the one detectable by a receiver resulting intensity distribution in the receiver plane sensitive from Object distance Δz is dependent.

Dazu kann eine Blende im Beleuchtungsstrahlengang zwischen der Strahlungsquelle und der Abbildungsoptik angeordnet sein, die vorzugsweise symmetrisch zur optischen Achse liegende lichtdurchlässige Bereiche hat. Die Blende ist so dimensioniert, daß nur Randstrahlenbündel zur Erzeugung der Marke in der Objektebene beitragen. Diese Marke wird dann in die Empfängerebene abgebildet und von dem Empfänger ausgewertet.For this purpose, an aperture in the illumination beam path between the Radiation source and the imaging optics may be arranged, preferably has translucent areas symmetrical to the optical axis. The Aperture is dimensioned so that only marginal rays to generate the Contribute the brand in the object level. This brand will then appear in the Mapped recipient level and evaluated by the recipient.

Vorzugsweise ist zwischen der Strahlungsquelle und der Blende eine Kondensoroptik angeordnet, so daß die Blende von parallelem Beleuchtungslicht durchstrahlt wird. Das hat zur Folge, daß im Meßbereich (außerhalb der objektseitigen Brennebene der Abbildungsoptik), also auch im fokussierten Zustand, auswertbare Doppelmarken in den Koordinatenrichtungen der Objektebene entstehen.There is preferably a between the radiation source and the diaphragm Condenser optics arranged so that the aperture of parallel illuminating light is irradiated. This means that in the measuring range (outside the object-side focal plane of the imaging optics), i.e. also in the focused one Condition, evaluable double marks in the coordinate directions of the Object level arise.

Es ist vorteilhaft, wenn die symmetrisch zur optischen Achse angeordneten Bereiche der Blende kreisförmig sind. Vorteilhaft ist weiterhin eine Kreisringblende mit einem Kreisringdurchmesser, der die Nutzung der maximalen Apertur zuläßt.It is advantageous if they are arranged symmetrically to the optical axis Areas of the aperture are circular. A circular orifice plate with a circular ring diameter is also advantageous, which allows the use of the maximum aperture.

Der Empfänger kann speziell für den Empfang des als Folge der Blendenform entstehenden Markenbildes in der Empfängerebene und der Meßaufgabe (Sollwertdetektion oder Abstandsmessung) ausgebildet sein. Er wertet Abstands- oder Intensitätsänderungen in der Empfängerebene aus.The receiver can be specially designed to receive the as a result of the aperture shape emerging brand image in the receiver level and the measurement task (Setpoint detection or distance measurement). He evaluates Distance or intensity changes in the receiver level.

Für die Messung der Intensitätsänderung ist der Empfänger vorzugsweise ein Differenzfotoempfänger mit kreis-kreisringförmiger Geometrie. The receiver is preferably a for measuring the change in intensity Differential photo receiver with circular-circular geometry.

Über die Abstandsmessung hinaus ist die Erfassung einer Neigung der Objektoberfläche aus der Senkrechten zur Meßachse (optische Achse) möglich. Diese Messung erfordert jedoch den Einsatz von bildgebenden Empfänger anordnungen (CCD-Zeile, CCD-Matrix).In addition to measuring the distance, the inclination of the Object surface from the perpendicular to the measuring axis (optical axis) possible. However, this measurement requires the use of imaging receivers arrangements (CCD line, CCD matrix).

Die optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung ermöglicht, daß die erforderlichen zusätzlichen Bauelemente (z. B. Blende, Empfänger, Spiegel) in einem vorgegebenen Aufbau eines Meßmikroskops, eines Meßprojektors oder einer optoelektronischen Koordinatenmeßmaschine vergleichsweise problemlos in dessen Strahlengang einbaubar sind. Diese zusätzlichen Bauelemente können sogar in bereits fertig hergestellte Geräte nachträglich ohne Probleme eingebaut werden. Dazu bedarf es im einfachsten Fall nur des Einschwenkens einer Blende in den Strahlengang des abbildenden Meßsystems.The optoelectronic distance measuring device enables the required additional components (e.g. aperture, receiver, mirror) in a given structure of a measuring microscope, a measuring projector or an optoelectronic coordinate measuring machine comparatively easily can be installed in its beam path. These additional components can even retrofitted into devices that have already been manufactured without any problems will. In the simplest case, this only requires swiveling in an aperture in the beam path of the imaging measuring system.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 1, 3 bis 5, 7 und 8 erläutert. Fig. 2 und 6 zeigen alternative Abstandsmeßanordnungen, die nicht die Merkmale nach dem Patentanspruch 1 aufweisen.An embodiment of the invention will be explained with reference to FIGS. 1, 3 to 5, 7 and 8. Figs. 2 and 6 show alternative Abstandsmeßanordnungen which do not have the features according to the patent claim 1.

Fig. 1 Prinzipielle Darstellung der Anordnung zur optoelektronischen Abstandsmessung unter Erzeugung von Marken in der Objektebene; Fig. 1 Schematic representation of the arrangement for optoelectronic distance measurement to produce marks in the object plane;

Fig. 2 Prinzipielle Darstellung einer alternativen Anordnung zur optoelektronischen Abstandsmessung unter Abbildung vorhandener Marken; Fig. 2 shows a schematic representation of an alternative arrangement for optoelectronic distance measurement using images of existing marks;

Fig. 3 Darstellung der Anordnung zur Erzeugung von Marken über Randstrahlenbündel und Abbildung dieser Marken Fig. 3 shows the arrangement for generating marks on edge rays and imaging these marks

Fig. 4 Anordnung mit Blende, die von parallelen Lichtbündeln durchsetzt wird; Fig. 4 arrangement with diaphragm, which is penetrated by parallel light beams;

Fig. 5 Beispiele für Blenden; Fig. 5 examples of diaphragms;

Fig. 6 Darstellung einer alternativen Anordnung zur optoelektronischen Abstandsmessung unter Abbildung von Randstrahlenbündeln; Fig. 6 showing an alternative arrangement for the optoelectronic distance measurement figure of the edge beams;

Fig. 7 Kreis-Kreisring-Differenzfotoempfänger mit Detektorsignal; Fig. 7 circular-annulus differential photo receiver with detector signal;

Fig. 8 Markenbilder bei verkippter Objektoberfläche. Fig. 8 brand images with tilted object surface.

Die Abstandsmeßeinrichtung benutzt nach ihrem prinzipiellen Aufbau das Auflicht-Hellfeld-Verfahren als objektabbildendes Verfahren. Bei diesen lassen sich zwei Grundanordnungen unterscheiden. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann eine symmetrisch zur optischen Achse positionierte Blendenanordnung Randstrahl bündel aus einer vollständig ausgeleuchteten Apertur zur Erzeugung einer Marke ausblenden. Dies führt bei Abstandsänderung Δz zu einer charakteristischen, meßbaren Aufspaltung der erzeugten Marke auf der Objektoberfläche 1, 1′, wobei ausschließlich Randstrahlbündel im Beleuchtungsstrahlengang benutzt werden.According to its basic structure, the distance measuring device uses the incident light bright field method as an object imaging method. Two basic arrangements can be distinguished. As shown in FIG. 1, a diaphragm arrangement positioned symmetrically to the optical axis can hide edge beams from a fully illuminated aperture to generate a mark. When the distance Δz changes, this leads to a characteristic, measurable splitting of the mark produced on the object surface 1 , 1 ', only marginal ray bundles being used in the illumination beam path.

Alternativ kann eine Blendenanordnung bei Abstandsänderung Δz des Objektes 1, 1′ mit einer vorhandenen Marke zu einer charakteristischen, meßbaren Aufspaltung des Markenbildes in der Empfängerebene 5 benutzt werden, wobei ausschließlich Randstrahlbündel im Bildraum herangezogen werden. (Fig. 2).Alternatively, a diaphragm arrangement with a change in distance Δz of the object 1 , 1 'with an existing mark can be used for a characteristic, measurable splitting of the mark image in the receiver plane 5 , only marginal ray bundles in the image space being used. ( Fig. 2).

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel mit Randstrahlbündeln auf der Beleuchtungsseite dargestellt. Die in Fig. 5 gezeigten Blendenanordnungen 3 sind so dimensioniert, daß, ausgehend von einer Strahlungsquelle 4 (idealerweise eine Punktlichtquelle, im Beispiel eine Laserdiode 10 mit geeignetem Kollimator), solche Randstrahlbündel mit Hilfe der Blende 4 in Verbindung mit dem Umlenkspiegel 7 und dem Ringspiegel 6 entstehen, deren Neigung zur optischen Achse 8 der maximalen Apertur des Objektivs 2 entsprechen. Im fokussierten Zustand wird bei dieser Anordnung im Idealfall (ohne Öffnungsfehler) ein Punkt in der Objektebene 1 erzeugt. Bei einer Abstandsänderung um Δz (Objektoberfläche in der Lage 1′) tritt durch die eingesetzte Blendenanordnung 3 eine Aufspaltung des Punktes ein, wobei die entstehende Marke der Geometrie der Blendenanordnung 3 ähnlich ist. Bei senkrechter Lage der Objektebene 1, 1′ zur optischen Achse 8 entstehen zu dieser Achse symmetrische Teilmarken.In Fig. 3 an embodiment is shown with edge beams on the lighting side. The aperture arrangements 3 shown in FIG. 5 are dimensioned such that, starting from a radiation source 4 (ideally a point light source, in the example a laser diode 10 with a suitable collimator), such edge ray bundles with the aid of the aperture 4 in connection with the deflecting mirror 7 and the ring mirror 6 arise, the inclination of the optical axis 8 corresponds to the maximum aperture of the objective 2 . In the focused state, a point in the object plane 1 is ideally generated with this arrangement (without an opening error). If the distance changes by Δz (object surface in position 1 '), the aperture arrangement 3 causes the point to split, the resulting mark being similar to the geometry of the aperture arrangement 3 . When the object plane 1 , 1 'is perpendicular to the optical axis 8 , symmetrical partial marks arise about this axis.

Der Abstand Δx der Teilmarken von der optischen Achse 8 und damit der entsprechende Abstand Δx′ in der Empfängerebene 5 ist eine Funktion der Abstandsänderung Δz.The distance .DELTA.x of the partial marks from the optical axis 8 and thus the corresponding distance .DELTA.x 'in the receiver plane 5 is a function of the change in distance .DELTA.z.

Bei verkippter Objektoberfläche 1, 1′ entstehen charakteristische Unsymmetrien, die beispielhaft in Fig. 8 für den Fall gezeigt sind, daß die Kreisring-Blende nach Fig. 5c verwendet wird. Durch Vermessung dieser Marken, z. B. mit dem in Fig. 8 dargestellten Empfängerarray 18 (CCD-Zeilenkreuz), kann damit zusätzlich zum Objektabstand vorteilhaft auch die Neigung der Objektoberfläche zur optischen Achse bestimmt werden.In the case of a tilted object surface 1 , 1 ', characteristic asymmetries arise, which are shown by way of example in FIG. 8 for the case in which the circular aperture diaphragm according to FIG. 5c is used. By measuring these marks, e.g. B. with the receiver array 18 shown in FIG. 8 (CCD line cross), the inclination of the object surface to the optical axis can advantageously be determined in addition to the object distance.

Stimmt die Lage des CCD-Zeilenkreuzes (Empfängerarray 18) mit dem x-y′-Bild koordinatensystem überein, dann kennzeichnen das Markenbild 13a eine Objektkippung um die x-Achse und das Markenbild 13b eine Objektkippung um die y-Achse.If the position of the CCD line cross (receiver array 18 ) matches the xy'-image coordinate system, then the brand image 13 a indicates an object tilt about the x-axis and the brand image 13 b an object tilt about the y-axis.

Für den Aufbau nach Fig. 3 ist die Anordnung wie folgt zu dimensionieren:
Der Lochabstand bzw. der Ringdurchmesser a der Blende ergibt sich zu:For the construction according to FIG. 3, the arrangement is to be dimensioned as follows:
The hole spacing or the ring diameter a of the screen results in:

mit T, der nutzbaren Öffnung am bildseitigen Linsenscheitel S′, mit b′, dem Blendenabstand zu S′ und der bildseitigen Schnittweite s′, gemessen vom bildseitigen Linsenscheitel S′. with T, the usable opening on the image side lens apex S ', with b', the Aperture distance to S 'and the focal length s', measured from lens apex S 'on the image side.

Die Empfindlichkeit Δx/Δz der Abstandsmeßanordnung nach Fig. 3 hängt bei maximaler Ausnutzung der Apertur gemäß obiger Gleichung direkt von der objektseitigen Schnittweite s und dem entsprechend der Apertur nutzbaren Durchmesser der Frontlinse ab. Es gilt:The sensitivity .DELTA.x / .DELTA.z of the distance measuring arrangement according to FIG. 3 depends on the maximum utilization of the aperture according to the above equation directly on the object-side focal length s and the diameter of the front lens that can be used according to the aperture. The following applies:

mit dem nutzbaren Radius der Frontlinse R, der Schnittweite s, der Abstandsänderung von der optischen Achse Δx.with the usable radius of the front lens R, the focal length s, the Distance change from the optical axis Δx.

Besonders einfach kann der Triangulationseffekt bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 genutzt werden. Mit der parallelen Strahlenführung durch die Blendenanordnung 3 wird im Idealfall eine Fokussierung der Randstrahlbündel im objektseitigen Brennpunkt des Objektivs erreicht. Folglich liegen für das in Fig. 4 dargestellte optische System in der Objektebene 1 (Schärfenebene) schon getrennt meßbare Teilmarken vor.The triangulation effect can be used particularly easily in the exemplary embodiment according to FIG. 4. With the parallel beam guidance through the diaphragm arrangement 3 , focusing of the marginal ray bundles in the object-side focal point of the lens is ideally achieved. Consequently, for the optical system shown in FIG. 4, partial marks that can be measured separately are already present in the object plane 1 (focus plane).

Geeignete Blendenanordnungen werden in Fig. 5 dargestellt:Suitable aperture arrangements are shown in Fig. 5:

a) A pair of pinholes
b) Symmetrical arrangement of four pinholes
c) ring diaphragm.

In Fig. 6 ist eine alternative Abstandsmeßvorrichtung dargestellt, die das Meßprinzip nach Fig. 2 anwendet und nicht die Merkmale nach dem Patentanspruch 1 aufweist. Eine Punktlichtquelle (Strahlungsquelle 4) wird über den Umlenkspiegel 7 und den Spiegel 12 in die Objektebene 1 abgebildet und erzeugt dort eine punktförmige Marke. FIG. 6 shows an alternative distance measuring device which uses the measuring principle according to FIG. 2 and does not have the features according to patent claim 1. A point light source (radiation source 4 ) is imaged into the object plane 1 via the deflecting mirror 7 and the mirror 12 and generates a point-shaped mark there.

Über die in der bildseitigen Brennebene F′ angeordnete Blende 3 (entsprechend Fig. 5) gelangen nur die von dieser Marke ausgehenden Randstrahlenbündel in der Empfängerebene 5 zur Abbildung. Im beschriebenen Fall erzeugen sie dort wiederum eine punktförmige Lichtmarke. Bei Änderung des Objektabstands um Δz von dieser Sollposition kommt es auch hier zu der bereits beschriebenen charakteristischen Aufspaltung des Markenbildes.Via the diaphragm 3 arranged in the image-side focal plane F '(corresponding to FIG. 5), only the edge ray bundles emanating from this mark reach the image in the receiver plane 5 . In the case described, they in turn generate a point light mark there. If the object distance changes by Δz from this target position, the characteristic split of the brand image described above also occurs here.

Anordnungen nach Fig. 3 und Fig. 6 sind besonders für die Sollage-Detektion geeignet, weil unabhängig von der Ausführung der Blendenanordnung 3 im fokussierten Zustand (Sollage des Objektes 1) eine punktförmige Marke in der Objektebene 1 oder in der Empfängerebene 5 erzeugt wird. Durch eine Intensitätsmessung in der Empfängerebene 5 am Ort der optischen Achse 8 mit einem Fotoempfänger kann nach bekannten Verfahren empfindlich von der Intensitätsverteilung (Aufspaltung der Marke in Figuren, deren Form der Blende 3 entspricht) bei einem geänderten Abstand (Objektebene 1′) unterschieden werden. Vorteilhaft ist dabei der Einsatz einer kreis-kreisringförmigen Differenzfotodiode wie in Fig. 7a dargestellt. Sie zeigt die Situation für ein um Δz defokussiertes Objekt und bei Verwendung der Kreisring-Blende nach Fig. 5c.Arrangements according to FIG. 3 and FIG. 6 are particularly suitable for the reference position detection, because 3 in the focused state (desired position of the object 1) is created a point-shaped mark in the object plane 1 or in the receiver plane 5 independently of the execution of the diaphragm arrangement. By measuring the intensity in the receiver plane 5 at the location of the optical axis 8 with a photo receiver, a known method can be used to make a sensitive distinction from the intensity distribution (splitting the mark into figures whose shape corresponds to the aperture 3 ) at a changed distance (object plane 1 '). The use of a circular-ring-shaped differential photodiode as shown in FIG. 7a is advantageous. It shows the situation for an object defocused by Δz and when using the circular diaphragm according to FIG. 5c.

Neben dem Kreisempfänger 14 und dem Separationsring 17, der den Kreisempfänger 14 elektrisch vom Kreisringempfänger 15 isoliert, ist das Markenbild 13 zu erkennen.In addition to the circular receiver 14 and the separation ring 17 , which electrically isolates the circular receiver 14 from the circular ring receiver 15 , the brand image 13 can be seen.

Die Differenz D der Signale vom Kreisempfänger 14 und vom Kreisringempfänger 15 liefert ein eindeutiges Kriterium für das Erreichen der Sollage (Fig. 7b). The difference D of the signals from the circular receiver 14 and from the circular ring receiver 15 provides a clear criterion for reaching the desired position ( FIG. 7b).

Die Abstandsmessung, die über eine direkte Ortsbestimmung der Teilmarken im Bild mit Bildsensoren erfolgt, ist durch Einsatz von positionsempfindlichen Empfängern (CCD-Zeile, CCD-Matrix) möglich. Der Einsatz von zeilenförmigen oder matrixförmigen Empfängeranordnungen ist insbesondere für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 vorteilhaft. Wegen der endlichen bildseitigen Schnittweite s′ liegt die Objektebene außerhalb der objektseitigen Brennebene F. Damit liegt im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 schon in der Objektebene eine vollständig geteilte Marke vor, die im Bild direkt vermessen wird, d. h., daß der Abstand vom Ort der optischen Achse bestimmt wird. Mit dem Einsatz von solchen Bildsensoren als Empfänger 9 wird damit eine messende Abstandsmeßeinrichtung realisiert, die zudem in der Lage ist, aus der Geometrie der geteilten Marke im Bild (siehe dazu Fig. 8) auf die Neigung der Objektoberfläche (Objektebene 1, 1′) zu schließen. Die Lage der Marke wird dabei vorteilhaft durch ein Integralkriterium, wie die fotometrische Mitte oder den Lichtschwerpunkt, bestimmt.The distance measurement, which is carried out by directly determining the location of the partial marks in the image with image sensors, is possible by using position-sensitive receivers (CCD line, CCD matrix). The use of line-shaped or matrix-shaped receiver arrangements is particularly advantageous for the exemplary embodiment according to FIG. 4. Because of the finite image-side focal length s', the object plane lies outside the object-side focal plane F. Thus, in contrast to the exemplary embodiment according to FIG. 3, there is already a completely divided mark in the object plane which is measured directly in the image, ie that the distance from the location the optical axis is determined. With the use of such image sensors as receivers 9 , a measuring distance measuring device is thus realized which is also able to determine the inclination of the object surface (object plane 1 , 1 ′) from the geometry of the divided mark in the image (see FIG. 8) . close. The position of the mark is advantageously determined by an integral criterion, such as the photometric center or the light center.

Wird für Anordnungen nach Fig. 3 und Fig. 6 eine Objekt-Sollage außerhalb der Objektebene 1 (Schärfenebene) definiert, ist auch für diese Ausführungs beispiele eine analoge Abstandsmessung vorteilhaft möglich.Is-set position Object 1 (focal plane) defined for arrangements according to FIG. 3 and FIG. 6 is an outside of the object plane, is also for this execution examples analog distance measurement advantageously possible.

BezugszeichenlisteReference list

1 Objektebene (Schärfenebene) 1′ defokussierte Lage der Objektebene
2 Abbildungsoptik
3 Blendenanordnung (Blende)
4 Strahlungsquelle
5 Empfängerebene (Bildebene im fokussierten Zustand)
6 Ringspiegel
7 Umlenkspiegel
8 optische Achse
9 Empfänger
10 Laserdiode
11 Kondensoroptik
12 Spiegel
13 Markenbild (Marke)
14 Kreisempfänger
15 Kreisringempfänger
16 lichtdurchlässiger Bereich
17 Separationsring
18 CCD-Zeilenkreuz 1 object plane (focus plane) 1 ′ defocused position of the object plane
2 imaging optics
3 aperture arrangement (aperture)
4 radiation source
5 receiver level (image level in the focused state)
6 ring mirrors
7 deflecting mirror
8 optical axis
9 recipients
10 laser diode
11 condenser optics
12 mirrors
13 brand image (brand)
14 district receivers
15 circular ring receivers
16 translucent area
17 separation ring
18 CCD cross lines

FormelzeichenFormula symbols

D Differenzsignal
F objektseitige Brennebene
F′ bildseitige Brennebene
R nutzbarer Radius der Frontlinse
S objektseitiger Linsenscheitel
S′ bildseitiger Linsenscheitel
T nutzbare Öffnung am bildseitigem Linsenscheitei
a Abstand der Teilblenden
Δz Abstandsänderung von der optischen Achse
x, x′ x-Koordinate
y, y′ y-Koordinate
Δx Abstandsänderung von der optischen Achse im Objekt
Δx′ Abstandsänderung von der optischen Achse im Bild
s objektseitige Schnittweite
s′ bildseitige Schnittweite
b′ Blendenabstand zu S′D difference signal
F object-side focal plane
F ′ image-side focal plane
R usable radius of the front lens
Objective lens apex
S ′ lens apex on the image side
T usable opening on the lens side on the image side
a Distance between the sub-panels
Δz change in distance from the optical axis
x, x ′ x coordinate
y, y ′ y coordinate
Δx change in distance from the optical axis in the object
Δx ′ change in distance from the optical axis in the image
s Focal length on the object
s ′ focal length on the image side
b ′ aperture distance to S ′

Claims

1. Optoelectronic distance measuring arrangement that can be integrated into a given measuring device with object image

- a radiation source ( 4 ),
- an optoelectronic receiver ( 9 ),
- An imaging optics ( 2 ), via which the radiation from the radiation source ( 4 ) arrives to form a mark on an object surface ( 1 , 1 ') and which the mark at a basic distance of the object surface ( 1 , 1 ') in a receiver plane ( 5th ) depicts
- Means ( 3 ) which limit the beam path of the radiation from the radiation source ( 4 ) to form the mark on the edge region of the aperture of the imaging optics ( 2 ), distributed over its circumference, and
- An evaluation unit that registers changes in the distance from the object surface ( 1 , 1 ') compared to the basic distance changes in the pattern generated by the mark through the imaging optics ( 2 ) on the receiver ( 9 ) as a measure of the object distance.

2. Optoelectronic distance measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the means which limit the beam path of the radiation source ( 4 ) for forming the mark on the edge region of the aperture of the imaging optics ( 2 ) consist of at least one aperture ( 3 ) which are symmetrical has translucent areas ( 16 ) lying to the optical axis ( 8 ).

3. Optoelectronic distance measuring arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the means which limit the beam path of the radiation source ( 4 ) for forming the mark on the edge region of the aperture of the imaging optics ( 2 ), a mirror, preferably an annular mirror ( 6 ) include.

4. Optoelectronic distance measuring arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the means that limit the beam path of the radiation source ( 4 ) for forming the mark on the edge region of the aperture of the imaging optics ( 2 ), a condenser optics ( 11 ) for influencing upstream of the beam path.

5. Optoelectronic distance measuring arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that these are in the beam path of a predetermined Setup of a measuring microscope, a measuring projector or an optoelek tronic coordinate measuring device is arranged.

6. Optoelectronic distance measuring arrangement according to claim 5, characterized in that the means which limit the beam path of the radiation source ( 4 ) for forming the mark on the edge region of the aperture of the imaging optics ( 2 ) are designed as a pivoting aperture or ring mirror in the beam path .