EP2370780A1 - Optical apparatus for non-contact measurement or testing of a body surface - Google Patents

Optical apparatus for non-contact measurement or testing of a body surface

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Publication number
EP2370780A1
EP2370780A1 EP09759965A EP09759965A EP2370780A1 EP 2370780 A1 EP2370780 A1 EP 2370780A1 EP 09759965 A EP09759965 A EP 09759965A EP 09759965 A EP09759965 A EP 09759965A EP 2370780 A1 EP2370780 A1 EP 2370780A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reference edge
body surface
arrangement according
gap
optical arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09759965A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Carsten Glasenapp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss SMT GmbH filed Critical Carl Zeiss SMT GmbH
Publication of EP2370780A1 publication Critical patent/EP2370780A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/08—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring diameters
    • G01B11/12—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring diameters internal diameters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2433—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures for measuring outlines by shadow casting
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/303—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces using photoelectric detection means

Definitions

  • the invention relates to an optical arrangement for non-contact measurement or testing of properties of a body surface, such as curvature, shape, contour, roughness, position.
  • the arrangement according to the invention is suitable both for quality control of technical surfaces by measurement, comparison with reference surfaces and for measuring microstructures on surfaces.
  • the workpiece is mechanically touched, detects the movements of the probe by means of scales and closed from the measured values obtained on the workpiece shape or deviations from the desired shapes.
  • a measuring arrangement described in DD 148 982 B1 assesses the presence of permissible or impermissible gap widths in the testing of rotationally symmetrical components, in particular in connection with piston rings for internal combustion engines or compression rings for compressors.
  • the ring to be tested is clamped in a gauge ring and directed light on the gap between the ring to be tested and the teaching ring.
  • the light penetrating through the gap is converted by means of a photoreceiver into an analog electrical signal and this is based on the evaluation of the gap width.
  • the testing or measuring of body geometries and surface topographies is not possible with this arrangement.
  • the object of the invention is to create an arrangement of the type described at the outset, with which body geometries and surface topographies can be measured or tested in a relatively short time with low technical outlay.
  • an optical arrangement for the contactless determination of the property of a body surface such as curvature, course, contour, position or roughness
  • a body surface such as curvature, course, contour, position or roughness
  • Means for forming a gap between the body surface and a reference edge, the reference edge defining the direction of a tangent to the body surface, and the distances between the body surface and the reference edge, as viewed in the direction of the normal of the tangent, defining gap widths means for imaging the gap onto a spatially resolving detector, an evaluation device connected to the detector for determining gap widths lying next to one another in the direction of the tangent on the basis of the output signals of the detector, and for determining the property of the body surface, such as curvature, course, contour or roughness, based on the gap widths lying next to each other along the tangent line.
  • the optical arrangement according to the invention may be designed to measure the properties on the basis of the gap widths determined as physical variables or to check the characteristic shafts by comparing the determined gap widths with target gap widths.
  • the extension of the reference edge in the direction of the tangent corresponds in a special case to the expansion of the body surface in this direction, that is to say the gap formed between the reference edge and the body surface extends over the entire extent of the body surface in this direction.
  • the gap is overall imaged onto the detector for evaluation.
  • the arrangement according to the invention has a device for displacing the reference edge in this direction. This ensures that the reference edge facing one another temporally successive different portions of the body surface.
  • the gap that forms in each case in the direction of the tangent is imaged onto the detector for evaluation.
  • the one-dimensional contour of the body surface in the direction of the reference edge can be determined.
  • a device for parallel displacement of the reference edge perpendicular to the tangent direction is additionally provided in a corresponding embodiment of the arrangement according to the invention. This ensures that the reference edge in succession facing the most different subregions of the body surface and the time each formed gap is imaged for evaluation on the detector.
  • a forced guidance can be provided, which is designed, for example, as a mechanical straight or curved guide and serves to guide the reference edge during its movement at a constant distance from the body surface, which corresponds to a predetermined gap width. It is conceivable and is also within the scope of the invention, if, as an alternative to a forced operation or in addition to a control device is provided which is designed to maintain the distance between the reference edge and the body surface based on a continuous or periodic distance measurement.
  • the detector consists of a plurality of individual sensors, which are arranged either in one row or in several parallel rows.
  • the electronic output signals of those sensors of the detector, on which the gap is imaged or which are illuminated due to the image, are a measure of the gap width.
  • the gap width and position of the gap is determined by evaluating the intensity distribution as the equivalent of the output signal strengths.
  • To evaluate the intensity distribution subpixel algorithms are advantageously used. Such evaluation are known from the prior art and are therefore not explained here. With the subpixel evaluation, the intensity distribution can be determined more accurately than with the alternatively likewise possible evaluation of the intensity distribution taking into account the distances of individual sensors.
  • the detectors used are, for example, CCD sensors, which generally consist of light-sensitive photodiodes, also referred to as pixels, arranged in rows and columns, more rarely in one row only.
  • the reference edge is assigned a light exit opening from which the light coming from a light source, preferably through focusing optics, is directed onto the body surface opposite the reference edge.
  • the light exit opening is positioned in relation to the detector so that the exiting light serves as illuminating light in the image of the gap on the detector.
  • a light emitting diode may be provided, which preferably emits light of a specific wavelength with homogeneous intensity and is connected, for example, via a light guide to the light exit opening.
  • a broadband light source in combination with a diffractive lens is used in order to produce a different position of the focal line as a function of the wavelength.
  • measurements in the axial direction are possible.
  • the reference edge is formed on a jig, and the light source is integrated into the jig.
  • the detector should be preceded by an imaging optics with a defined magnification.
  • the width of the gap is determined by means of an image evaluation program.
  • the detector and the imaging optics are components of a camera, and the camera and the jig are fixedly connected to each other at a predetermined distance.
  • At least one deflecting mirror can be provided in the beam path between the gap and the imaging optics.
  • the imaging optics may be preceded by a polarizing filter.
  • a polarizing filter especially the reflections are not imaged on the detector, which have a polarization direction parallel to the body surface and could falsify the evaluation result.
  • the reference edge is designed as a straight line.
  • the reference edge is annular and the body surface is the inner surface of the reference edge centric enclosing circular cylinder, wherein between the reference edge and the body surface, an annular gap is formed, and - a device for imaging of the annular Spaltes on a spatially resolving detector is present.
  • the reference edge is formed on a jig, which in this case has the shape of a round gauge.
  • the light exit surface is also annular and assigned to the reference edge.
  • a device for displacing the teaching mandrel including the reference edge and the light exit surface in the direction of the center axis of the cylindrical inner surface is also present here.
  • the optical arrangement according to the invention is particularly suitable for non-contact measuring or checking of the diameter, the position, the position or the shape of boreholes.
  • a three-dimensional surface topography of the bore can be created.
  • a detector here also serves a CCD camera with optics, which is connected at a fixed distance with the teaching mandrel. From the image scale of the optics and the distance of the pixels to each other can thus be concluded from the camera image on the diameter, shape and position of the borehole.
  • reference edge is exchangeable or adjustable in size
  • embodiments in which the determination of course, contour, position or roughness of the body surface from the interpretation of the resulting due to light diffraction camera image is provided.
  • FIG. 2 shows the optical arrangement according to the invention according to FIG. 1 in an embodiment for the contactless measuring or testing of the inner surfaces of recesses, in particular of bores
  • FIG. 3 shows examples for non-contact measuring or testing of outer surfaces or on
  • FIG. 4 shows a first example of an image of the gap on the detector
  • FIG. 5 shows a second example of an image of the gap on the detector
  • FIG. 6 shows the optical arrangement according to FIG. 2 in an embodiment in which it is particularly suitable for non-contact measuring or checking of the diameter, the position, the orientation or shape, the dimensional stability or the roughness of a borehole with a particularly highly reflective inner surface
  • FIG. 7 shows the beam paths in the measurement or testing of a borehole with the embodiment shown in FIG. Detailed description of the drawings
  • FIG. 1 symbolically shows a body 1 for whose body surface 2 the curvature, course, contour or roughness is to be measured or checked. Opposite the body surface 2 is a jig 3 with a reference edge 4. Between the reference edge 4 and the body surface 2 a gap 5 with the gap width a is formed.
  • the teaching 3 is connected via a spacer 6 with a camera 7, which comprises an imaging optics 8 and a spatially resolving detector 9.
  • the body surface 2 which is substantially planar in this embodiment, is extended in the coordinate directions Y, Z of a Cartesian coordinate system X, Y, Z, while the gap width a extends in the direction X.
  • the reference edge 4 then extends in the direction Y or perpendicular to the plane X, Z, and the gap 5 lies in the plane X, Y.
  • a light-emitting diode 10 is integrated, which is preceded by a focused optics 11 in the emission of the outgoing light from her.
  • the light-emitting diode 10 preferably emits light of a specific wavelength, for example 500 nm, with a homogeneous intensity.
  • the reference edge 4 is assigned a light exit opening 12 through which the light of the light-emitting diode 10 illuminates the object under test at the height of the gap 5.
  • the illuminated gap 5 is imaged through a transparent holding plate 13 by means of the imaging optics 8 on the spatially resolving detector 9, wherein the images of the reference edge 4 and the area of the body surface 2, which is the reference edge 4 opposite, form the measuring marks for the gap width.
  • the detector 9 comprises a plurality of individual sensors, also referred to as pixels, which are arranged either in only one row or in a matrix of a plurality of rows and columns.
  • the magnification of the imaging optics 8 is adjusted to the spacings of the pixels in the detector so that the electronic output signals of the illuminated in the image of the gap 5 on the detector 9 pixels are equivalent to the gap width a.
  • the transparent holding plate 13 is designed as a polarizing filter, disturbing reflections which have a polarization direction parallel to the body surface 2 are advantageously not imaged on the detector.
  • the extent of the gap 5 in the direction Y is matched to the number of parallel juxtaposed sensor rows of the detector 9. If the detector 9 has only one sensor line, the reference edge 4 has an extent which corresponds to the reception range of the sensors of this line in the direction Y. If the detector 9 has a plurality of sensor lines lying next to one another in the direction Y, then the reference edge 4 is extended correspondingly to the reception range of these sensors.
  • the detector 9 is followed by an evaluation device, not shown graphically, which is designed to determine a plurality of juxtaposed gap widths a in the direction Y on the basis of the outputs from the detector output signals and to determine the property of the body surface on the basis of the differences in the direction Y adjacent gap widths a.
  • the curvature, course, contour, position or roughness of the body surface 2 in the region which lies opposite the reference edge 4 are determined on the basis of the gap widths a.
  • a device for displacing the arrangement according to the invention and the body 1 relative to one another in the directions Y and / or Z is provided.
  • the body 1 may be arranged fixed, while the arrangement according to the invention is movably connected to the displacement device.
  • the gap width a can be determined for areas of the body surface 2 whose extent is greater than the extent of the reference edge 4.
  • the properties already mentioned become over wide ranges of the body surface 2 such as curvature, shape, contour or roughness.
  • the displacement device is not shown in the drawing, but can be realized with linear guides, which are known per se from the prior art. In this case, a mechanical forced operation can be provided, which ensures that the distance between the body surface 2 and the reference edge 4 remains constant during the displacement.
  • FIG. 1 describes the mode of operation of the arrangement according to the invention in connection with the determination of the properties of a substantially planar body surface 2 lying on a body 1
  • FIG. 2 shows by way of a second exemplary embodiment the mode of operation for non-contact measurement or Checking the Properties of an Internal Body Surface 2.
  • FIG. 2 shows by way of a second exemplary embodiment the mode of operation for non-contact measurement or Checking the Properties of an Internal Body Surface 2.
  • the same reference numerals as in FIG. 1 are used in FIG. 2 for the same components.
  • the body 1 shown here in a cross-section has a recess 14, for example a hole or a slot.
  • the teaching 3 is here, in contrast to the embodiment of Figure 1, designed as a teaching mandrel, which dips into the recess 14.
  • the direction Y also corresponds in this case to the direction of a tangent applied to the body surface 2
  • the direction X corresponds to the direction of the normal to the tangent.
  • the gap widths a are again measured in the direction X.
  • a light-emitting diode 10 is integrated into the teaching 3, wherein in the light path from the light-emitting diode 10 to the gap 5 a focusing optics 11 is provided. Again, a light guide 15 may be provided.
  • a device for displacing the arrangement according to the invention and the body 1 relative to one another in the direction of the tangent and / or in the direction Z can also be provided , advantageous here again in conjunction with a forced operation.
  • FIG. 3 shows various embodiments for positioning and guiding the jig 3 or the arrangement according to the invention relative to different areas of the body surface 2 on the body 1.
  • the teaching 3.1 for non-contact scanning of an outer planar body surface 2.1 is provided and displaced for this purpose in the direction R1.
  • the teaching 3.2 designed as a teaching mandrel as shown in Figure 2, is provided for scanning an inner curved body surface 2.2, for example, introduced into the body 1 bore 16.
  • the teaching 3.2 is moved on a circular path in the direction R2, wherein the Distance between the reference edge 4 and the body surface 2.2 is kept constant by means of forced operation or distance control.
  • the teaching 3.3 is used to scan the inside curved body surface 2.3 introduced into the body 1 long hole 17.
  • the movement of here also trained as a teaching mandrel 3.3 takes place in the direction R3, where also the distance between the reference edge 4 and body surface 3.3 is constant is held.
  • the locomotion directions R1, R2 and R3 always correspond to the direction of the tangents to the respective body surface 2.1, 2.2, 2.3, while the gap width a is measured in the direction of the normal.
  • the scanning of the body surfaces 2.1, 2.2 and 2.3 in the drawing plane i. the curvature, course, contour or roughness of the body surfaces 2.1, 2.2 and 2.3 are determined in the illustration chosen for explanation only in the plane of the drawing.
  • the teachings 3.1, 3.2 and 3.3 are moved into the plane of the drawing or out of the plane of the drawing. By juxtaposing several contour lines, a three-dimensional topography of the body surfaces 2.1, 2.2 and 2.3 to be measured or checked is created.
  • the shape of the gauge should be matched to the contours of the specimen to be measured.
  • round shapes are to be chosen, it being expedient to use gauges with different diameters for different hole diameters, since the measuring error increases with increasing light gap.
  • the invention includes: a set of gauges with different diameters, or a gage with a changeable cover, in which the replacement of a diaphragm disc adapts the outside diameter to the diameter of the borehole to be measured, or a variable gage in which can be varied steplessly according to the principle of an inverse iris diaphragm, the outer diameter.
  • the arrangement according to the invention makes it possible to measure or test both by the light-splitting method and by the principle of triangulation measurement.
  • the reference edge has the function of the measuring edge of a known hair ruler.
  • the teaching is positioned so that the reference edge of the body surface to be measured or examined faces or is placed on this, and the gap thereby forming is imaged as described under illumination in backlight as a light gap on the spatially resolving detector and imaging by image evaluation assessed quantitatively or qualitatively.
  • the light gap sensor becomes a triangulation sensor.
  • the triangulation sensor determines its distance to the center or the reference edge of the gauge from the position of the light intensity distribution of the body surface on the camera chip.
  • the gap and the two rays which on the one hand come from the reference edge and, on the other hand, from the region of the body surface opposite the reference edge form a triangle.
  • the knowledge of the distance between the reference edge and the detector on the gauge and the positions of the images of the illuminated in the backlight reference edge and the reference edge opposite portion of the body surfaces are used on the basis of the known Triangulationsuringen to assess the gap width.
  • the determination of small gap widths according to the principle of the light gap method the determination of larger gap widths according to the principle of the triangulation method without the two methods influence each other in an undesirable manner.
  • the illumination light should be focused on the relevant area of the body surfaces in order to achieve the desired measurement accuracy.
  • the depth measurement accuracy is determined by the size of the focus line.
  • the measuring range can be expressed as a function of the accuracy as a function of the gap width a.
  • the accuracy can be influenced by the shadow of the teaching mandrel.
  • the beam waist of the illumination defines the achievable accuracy.
  • a diffractive illumination optics can be provided with a spectrally tunable light source, whereby the measuring range can be achieved without a reduction in the
  • the tunable light source can be realized in the form of multiple light sources with different wavelengths, a multispectral laser or a white light source in cooperation with a spectral filter.
  • extraneous light influences can be blocked by means of a color filter in front of the imaging optics.
  • a significant advantage of the arrangement according to the invention is the suitability for contact-free checking of the desired geometries or topographical measurement of geometries within seconds.
  • Another field of application is the use in coordinate measuring machines. Since the gap width a can be determined accurately, it is possible to quickly and non-contact determine the position, the position and the surface structure of any workpiece in the coordinate system of a coordinate.
  • the arrangement according to the invention is preferably equipped with a device for measuring and regulating the distance between the jig and the workpiece in the axial direction in order to prevent possible collisions.
  • the already mentioned distance control in the direction of the gap width a can also serve to detect a risk of collision early on.
  • the use of an axial distance sensor expands the possible use of the arrangement described in that measurements in the entire half space +/- x, +/- y and + z of the coordinate system X, Y, Z can be performed.
  • the reference edge is annularly formed on a circular teaching mandrel, and the body surface surrounds the inner surface of a reference edge centrically
  • Circular cylinder wherein between the reference edge and the body surface, an annular gap is formed, and is
  • - 12 - means for imaging the annular gap on a spatially resolving detector, a vertical light distribution within a borehole to be evaluated is imaged on the horizontal plane of the detector.
  • the intensity distribution recorded with the detector on the diameter or the shape of the borehole the light distribution in the borehole and its propagation must be defined.
  • the intensity center of gravity of the light distribution lies on the object plane of the imaging optics
  • the intensity center of gravity in the image on the detector corresponds to the position of the borehole wall. 4 shows an example of this.
  • the intensity focus of the light distribution in the borehole lies below the object plane of the imaging optics.
  • the position of the borehole wall is on the falling edge of the intensity distribution in the figure. 5 shows an example.
  • Figure 6 As far as clarity is concerned, the same reference numerals have been used in Figure 6 for the same components, which can already be seen in Figure 1 or Figure 2.
  • the teaching 3 is here as well as already described above formed as a teaching mandrel, which dips into the bore 18.
  • the camera 7 in turn comprises an imaging optics 8 and a spatially resolving detector 9. Furthermore, a light-emitting diode 10, a focusing optics 11, a light exit opening 12, a holding plate 13 and a light guide 15 are present.
  • the light emitting diode 10 is integrated in the teaching 3
  • the focusing optics 11 is located in the light path between the light emitting diode 10 and the gap 5
  • the reference edge 4 is fixed in the focal plane F of the focused optics 11.
  • the light guide 15 is used to transmit the of the
  • the direction Y in this case corresponds to the direction of a tangent to the inner surface 19 of the bore 18, while the direction X defines the direction of the normal to the tangent.
  • the respective gap width a is measured in the direction X.
  • the reference edge 4 is inserted into the bore 18, wherein the light emitted from the light emitting diode 10 via the light guide 15 homogeneous light illuminates the inner surface 19.
  • the reflective property of the inner surface 19 causes light reflected from the inner surface 19 to strike the reference edge 4 and be scattered therefrom.
  • the light scattered by the reference edge 4 is imaged on the detector 9 of the camera 7 by means of the imaging optics 8, which is fixedly arranged at a defined distance from the gauge 3.
  • annular images of the reference edge 4 are formed on the detector 9: a first annular image is produced via the beam path 20, which, starting from the position 23.3 shown in FIG. 7, the direct path of the light from the circumference of the reference edge 4 to the detector 9 describes; a second annular image is formed via the beam path 21, which, depending on the position 23.1 shown in FIG. 7, describes the path of the light scattered by the reference edge 4 and reflected at the reflecting inner surface 19 to the detector 9.
  • the diameter of the bore 18 is determined in a downstream evaluation device.
  • Fig.7 is for explaining the determination of the positions of the two images on the detector 9. Based on the center of the circular reference edge 4 may be the radius r Le hre the reference edge 4 and the radius r Re FIEX the reflection are determined on the inner surface nineteenth It follows from the laws of reflection that the distance S drawn in FIG. 7 is equal to the distance S '. Consequently, the radius r object of the bore 18 can be determined from the relationship
  • the image resulting from the beam path 22 appears on the detector 9 between the two images of the reference edge 4 and is dependent on the reflectance or roughness of the inner surface 19 with respect to their intensity. Assuming that the inner surface 19 reflects the light 100% or the roughness of the inner surface 19 is equal to "zero", this image is not visible, since the light is completely reflected by the entire inner surface 19. In contrast, depending on the roughness and the wavelength of the light, the proportion of light, the is scattered on the inner surface 19, with the result that the image of this illuminated zone becomes all the more visible.
  • positions 23.1, 23.2 and 23.3 are only positions in the plane of the illustrated cross-section of the teaching 3 and the borehole 18. Since reference edge 4 rotates circular and thus rotate the positions 23.1, 23.2 and 23.3 circular within the borehole 18 , the respective illustrations are circular.
  • a statement about the roughness of the object can be made by comparing the intensities of the images obtained from positions 23.1, 23.2 and 23.3.
  • the embodiment of the optical arrangement according to the invention shown by way of example in FIGS. 6 and 7 is particularly advantageously suitable for non-contact measurement or testing of the diameter, the position, the orientation or the shape retention of holes with surfaces of low roughness.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

The invention relates to an optical apparatus for non-contact measurement or testing of characteristics of a body surface, such as curvature, profile, contour, roughness, position. The apparatus is suitable both for quality control of technical surfaces through measurement or comparison with reference surfaces and for measurement of microstructures on surfaces. Thus, roughnesses can be measured that are smaller than the wavelength of the light illuminating them. According to the invention, an optical apparatus of the above type comprises: - means for forming a gap between the body surface and a reference edge, - a device for depicting the gap on a detector, and - an evaluation unit connected to the detector, said unit adapted to - determine gap widths located next to one another using the output signals of the detector, and - to determine curvature, profile, contour or roughness of the body surface using the adjacent gap widths. From the comparison of the images acquired from two arbitrary positions within a drill hole, a tilting between a measured object and a measuring device can be concluded.

Description

Titel title
Optische Anordnung zum berührungslosen Messen oder Prüfen einer KörperoberflächeOptical arrangement for the contactless measurement or testing of a body surface
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung bezieht sich auf eine Optische Anordnung zum berührungslosen Messen oder Prüfen von Eigenschaften einer Körperoberfläche, wie Krümmung, Verlauf, Kontur, Rauhigkeit, Lage. Die erfindungsgemäße Anordnung ist sowohl zur Qualitätskontrolle von techni- sehen Oberflächen durch Vermessung, Vergleich mit Referenzoberflächen als auch zur Vermessung von Mikrostrukturen an Oberflächen geeignet.The invention relates to an optical arrangement for non-contact measurement or testing of properties of a body surface, such as curvature, shape, contour, roughness, position. The arrangement according to the invention is suitable both for quality control of technical surfaces by measurement, comparison with reference surfaces and for measuring microstructures on surfaces.
Stand der Technik Verfahren zum Vermessen von Geometrien und Oberflächenstrukturen zwecks Überprüfung von Fertigungstoleranzen an Werkstücken sind beispielsweise in Form von taktilen Meßverfahren bekannt.PRIOR ART Methods for measuring geometries and surface structures for checking manufacturing tolerances on workpieces are known, for example, in the form of tactile measuring methods.
Bei diesen Verfahren wird das Werkstück mechanisch angetastet, die Bewegungen des Tasters mittels Maßstäben detektiert und aus den dabei gewonnenen Meßwerten auf die Werkstückform bzw. auf Abweichungen von der Sollformen geschlossen.In this method, the workpiece is mechanically touched, detects the movements of the probe by means of scales and closed from the measured values obtained on the workpiece shape or deviations from the desired shapes.
Zwar haben diese Verfahren einen hohen Entwicklungsstand erreicht und zeichnen sich daher durch vielseitige Variations- und Anwendungsmöglichkeiten aus. Nachteilig sind je- doch zum einen die zwingende Berührung des Tasters mit dem Werkstück, die insbesondere bei weichen Materialien oder bei empfindlichen, wie beispielsweise optischen Oberflächen nicht erwünscht ist, und zum anderen die verhältnismäßig langen Meßzeiten, die den Ablauf industrieller Fertigungsprozesse behindern. Bekannt sind weiterhin Verfahren optischer Art zum berührungsfreien Vermessen von Oberflächenkonturen, zur Bestimmung der Rauhigkeit von Oberflächen oder des Durchmessers von Bohrlöchern.Although these methods have reached a high level of development and are therefore characterized by versatile variations and applications. On the one hand, however, a disadvantage is the compelling contact of the probe with the workpiece, which is undesirable particularly in the case of soft materials or sensitive surfaces such as optical surfaces, and on the other hand the relatively long measuring times which hinder the course of industrial production processes. Also known are methods of an optical type for non-contact measurement of surface contours, for determining the roughness of surfaces or the diameter of boreholes.
Dabei wird Licht auf die zu vermessende oder zu prüfende Oberfläche fokussiert und das von der Oberfläche reflektierte oder gestreute Licht ausgewertet. Um aus den Ergebnissen auf zwei- oder dreidimensionale Konturen schlußfolgern zu können, sind eine Vielzahl wiederholter Punktmessungen in Verbindung mit einer jeweiligen Verschiebung der Meßanordnung erforderlich. Daher sind diese Verfahren ebenfalls in oft unerwünschter Weise zeitauf- wendig.In this case, light is focused on the surface to be measured or tested, and the light reflected or scattered by the surface is evaluated. To be able to conclude from the results on two- or three-dimensional contours, a large number of repeated point measurements in connection with a respective displacement of the measuring arrangement are required. Therefore, these methods are also often time consuming in often undesirable ways.
Eine in DD 148 982 B1 beschriebene Meßanordnung bewertet das Vorhandensein zulässiger oder unzulässiger Spaltbreiten bei der Prüfung von rotationssymmetrischen Bauteilen, insbesondere im Zusammenhang mit Kolbenringen für Verbrennungsmotoren oder Verdich- tungsringen für Kompressoren.A measuring arrangement described in DD 148 982 B1 assesses the presence of permissible or impermissible gap widths in the testing of rotationally symmetrical components, in particular in connection with piston rings for internal combustion engines or compression rings for compressors.
Dabei wird der zu prüfende Ring in einen Lehrring eingespannt und Licht auf den Spalt zwischen dem zu prüfenden Ring und dem Lehrring gerichtet. Das durch den Spalt dringende Licht mittels eines Fotoempfängers in ein analoges elektrisches Signal gewandelt und dieses der Bewertung der Spaltbreite zugrundegelegt. Das Prüfen oder Vermessen von Körpergeometrien und Oberflächentopographien ist mit dieser Anordnung nicht möglich.The ring to be tested is clamped in a gauge ring and directed light on the gap between the ring to be tested and the teaching ring. The light penetrating through the gap is converted by means of a photoreceiver into an analog electrical signal and this is based on the evaluation of the gap width. The testing or measuring of body geometries and surface topographies is not possible with this arrangement.
Beschreibung der Erfindung Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit der in verhältnismäßig kurzer Zeit bei geringem technischem Aufwand Körpergeometrien und Oberflächentopographien vermessen oder geprüft werden können.DESCRIPTION OF THE INVENTION Based on this prior art, the object of the invention is to create an arrangement of the type described at the outset, with which body geometries and surface topographies can be measured or tested in a relatively short time with low technical outlay.
Erfindungsgemäß umfaßt eine optische Anordnung zur berührungslosen Ermittlung der Eigenschaft einer Körperoberfläche, wie Krümmung, Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit:According to the invention, an optical arrangement for the contactless determination of the property of a body surface, such as curvature, course, contour, position or roughness comprises:
Mittel zur Ausbildung eines Spaltes zwischen der Körperoberfläche und einer Referenzkante, wobei die Referenzkante die Richtung einer an die Körperoberfläche gelegten Tangen- te definiert, und die Abstände zwischen der Körperoberfläche und der Referenzkante, in Richtung der Normalen der Tangente betrachtet, Spaltbreiten definieren, eine Einrichtung zur Abbildung des Spaltes auf einen ortsauflösenden Detektor, eine mit dem Detektor verbundene Auswerteeinrichtung, ausgebildet zur Ermittlung von in Richtung der Tangente nebeneinander liegender Spaltbreiten anhand der Ausgangssignale des Detektors, und zur Ermittlung der Eigenschaft der Körperoberfläche, wie Krümmung, Verlauf, Kontur oder Rauhigkeit, anhand der entlang der Tangente nebeneinander lie- genden Spaltbreiten.Means for forming a gap between the body surface and a reference edge, the reference edge defining the direction of a tangent to the body surface, and the distances between the body surface and the reference edge, as viewed in the direction of the normal of the tangent, defining gap widths, means for imaging the gap onto a spatially resolving detector, an evaluation device connected to the detector for determining gap widths lying next to one another in the direction of the tangent on the basis of the output signals of the detector, and for determining the property of the body surface, such as curvature, course, contour or roughness, based on the gap widths lying next to each other along the tangent line.
In alternativen Ausgestaltungen kann die erfindungsgemäße optische Anordnung, je nach Auslegung der Auswerteeinrichtung, ausgebildet sein zum Messen der Eigenschaften auf Basis der als physikalische Größen ermittelten Spaltbreiten oder zum Prüfen der Eigen- Schäften durch Vergleich der ermittelten Spaltbreiten mit Soll-Spaltbreiten.In alternative embodiments, the optical arrangement according to the invention, depending on the design of the evaluation device, may be designed to measure the properties on the basis of the gap widths determined as physical variables or to check the characteristic shafts by comparing the determined gap widths with target gap widths.
Die Ausdehnung der Referenzkante in Richtung der Tangente entspricht im speziellen Fall der Ausdehnung der Körperoberfläche in dieser Richtung, das heißt der zwischen der Referenzkante und der Körperoberfläche ausgebildete Spalt erstreckt sich über die gesamte Ausdehnung der Körperoberfläche in dieser Richtung. Der Spalt wird insgesamt zur Auswertung auf den Detektor abgebildet.The extension of the reference edge in the direction of the tangent corresponds in a special case to the expansion of the body surface in this direction, that is to say the gap formed between the reference edge and the body surface extends over the entire extent of the body surface in this direction. The gap is overall imaged onto the detector for evaluation.
Ist dagegen in Richtung der Tangente gesehen die Ausdehnung der Referenzkante kleiner als die Ausdehnung der Körperoberfläche, weist die erfindungsgemäße Anordnung eine Einrichtung zur Verschiebung der Referenzkante in dieser Richtung auf. Damit wird erreicht, daß die Referenzkante zeitlich nacheinander verschiedenen Teilbereichen der Körperoberfläche gegenübersteht. Der sich dabei jeweils in Richtung der Tangente ausbildende Spalt wird zur Auswertung auf den Detektor abgebildet.If, on the other hand, the extension of the reference edge is smaller than the extent of the body surface in the direction of the tangent, the arrangement according to the invention has a device for displacing the reference edge in this direction. This ensures that the reference edge facing one another temporally successive different portions of the body surface. The gap that forms in each case in the direction of the tangent is imaged onto the detector for evaluation.
In dieser Weise ist die eindimensionale Kontur der Körperoberfläche in Richtung der Referenzkante bestimmbar. Soll darüber hinaus die Struktur auch mehrdimensional in Form einer Topographie der Körperoberfläche bestimmt werden, ist in einer entsprechenden Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung zusätzlich eine Einrichtung zur Parallelverschiebung der Referenzkante senkrecht zur Tangentenrichtung vorgesehen. Damit wird erreicht, daß die Referenzkante zeitlich nacheinander den verschiedensten Teilbereichen der Körperoberfläche gegenübersteht und der dabei jeweils ausgebildete Spalt zur Auswertung auf den Detektor abgebildet wird.In this way, the one-dimensional contour of the body surface in the direction of the reference edge can be determined. If, in addition, the structure is also to be determined multidimensionally in the form of a topography of the body surface, a device for parallel displacement of the reference edge perpendicular to the tangent direction is additionally provided in a corresponding embodiment of the arrangement according to the invention. This ensures that the reference edge in succession facing the most different subregions of the body surface and the time each formed gap is imaged for evaluation on the detector.
Im Zusammenhang mit der Verschiebung der Referenzkante kann eine Zwangsführung vor- gesehen sein, die beispielsweise als mechanische Gerad- oder Kurvenführung ausgebildet ist und dazu dient, die Referenzkante während ihrer Fortbewegung in einem konstanten Abstand zur Körperoberfläche zu führen, der einer vorgegebenen Spaltbreite entspricht. Es ist denkbar und liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, wenn alternativ zu einer Zwangsführung oder auch zusätzlich dazu eine Regeleinrichtung vorhanden ist, die zur Einhaltung des Abstandes zwischen der Referenzkante und der Körperoberfläche auf Basis einer kontinuierlichen oder periodischen Abstandsmessung ausgebildet ist.In connection with the displacement of the reference edge, a forced guidance can be provided, which is designed, for example, as a mechanical straight or curved guide and serves to guide the reference edge during its movement at a constant distance from the body surface, which corresponds to a predetermined gap width. It is conceivable and is also within the scope of the invention, if, as an alternative to a forced operation or in addition to a control device is provided which is designed to maintain the distance between the reference edge and the body surface based on a continuous or periodic distance measurement.
Der Detektor besteht aus einer Vielzahl von Einzelsensoren, die entweder in einer Zeile oder in mehreren parallelen Zeilen angeordnet sind.The detector consists of a plurality of individual sensors, which are arranged either in one row or in several parallel rows.
Die elektronischen Ausgangssignale derjenigen Sensoren des Detektors, auf die der Spalt abgebildet wird bzw. die aufgrund der Abbildung beleuchtet sind, sind ein Maß für die Spaltbreite. Die Spaltbreite und Lage des Spaltes wird dabei durch Auswertung der Intensitätsverteilung als Äquivalent der Ausgangssignalstärken bestimmt. Zur Auswertung der Intensitätsverteilung werden vorteilhaft Subpixel-Algorithmen genutzt. Derartige Auswertung sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden deshalb hier nicht näher erläutert. Mit der Sub- pixelauswertung kann die Intensitätsverteilung genauer bestimmt werden als mit der alternativ ebenfalls möglichen Auswertung der Intensitätsverteilung unter Berücksichtigung der Abstände von Einzelsensoren.The electronic output signals of those sensors of the detector, on which the gap is imaged or which are illuminated due to the image, are a measure of the gap width. The gap width and position of the gap is determined by evaluating the intensity distribution as the equivalent of the output signal strengths. To evaluate the intensity distribution subpixel algorithms are advantageously used. Such evaluation are known from the prior art and are therefore not explained here. With the subpixel evaluation, the intensity distribution can be determined more accurately than with the alternatively likewise possible evaluation of the intensity distribution taking into account the distances of individual sensors.
Als Detektoren kommen beispielsweise CCD-Sensoren zur Anwendung, die in der Regel aus in Zeilen und Spalten, seltener aus nur in einer Zeile angeordneten lichtempfindlichen Fotodioden, auch als Pixel bezeichnet, bestehen.The detectors used are, for example, CCD sensors, which generally consist of light-sensitive photodiodes, also referred to as pixels, arranged in rows and columns, more rarely in one row only.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ist der Referenzkante eine Lichtaustrittsöffnung zugeordnet, von der aus das von einer Lichtquelle kommende Licht, bevorzugt durch eine fokussierende Optik hindurch, auf die der Referenzkante gegenüberliegende Körperoberfläche gerichtet ist. Dabei ist die Lichtaustrittsöffnung in der Relation zu dem Detektor so positioniert, daß das austretende Licht als Beleuchtungslicht bei der Abbildung des Spaltes auf den Detektor dient.In a particularly preferred embodiment of the optical arrangement according to the invention, the reference edge is assigned a light exit opening from which the light coming from a light source, preferably through focusing optics, is directed onto the body surface opposite the reference edge. In this case, the light exit opening is positioned in relation to the detector so that the exiting light serves as illuminating light in the image of the gap on the detector.
Als Lichtquelle kann eine Leuchtdiode vorgesehen sein, die bevorzugt Licht einer bestimmten Wellenlänge mit homogener Intensität abstrahlt und beispielsweise über einen Lichtleiter mit der Lichtaustrittsöffnung verbunden ist.As a light source, a light emitting diode may be provided, which preferably emits light of a specific wavelength with homogeneous intensity and is connected, for example, via a light guide to the light exit opening.
Alternativ kommt jedoch auch eine breitbandige Lichtquelle in Kombination mit einer diffrak- tiven Linse zur Anwendung, um eine in Abhängigkeit von der Wellenlänge verschiedene Lage der Fokuslinie zu erzeugen. Auf dieser Basis sind Messungen in axialer Richtung möglich.Alternatively, however, a broadband light source in combination with a diffractive lens is used in order to produce a different position of the focal line as a function of the wavelength. On this basis, measurements in the axial direction are possible.
- A - Besonders vorteilhaft ist die Referenzkante an einer Lehre ausgebildet, und die Lichtquelle ist in die Lehre integriert.- A - Particularly advantageously, the reference edge is formed on a jig, and the light source is integrated into the jig.
Dem Detektor sollte eine Abbildungsoptik mit definiertem Abbildungsmaßstab vorgeordnet sein. Unter Zugrundelegung dieses Abbildungsmaßstabes einerseits und der Abstände der Pixel auf der Empfangsfläche des Detektors andererseits wird mittels eines Bildauswertungsprogramms die Breite des Spaltes bestimmt.The detector should be preceded by an imaging optics with a defined magnification. On the basis of this magnification on the one hand and the distances of the pixels on the receiving surface of the detector on the other hand, the width of the gap is determined by means of an image evaluation program.
Im bevorzugten Fall sind der Detektor und die Abbildungsoptik Bauteile einer Kamera, und die Kamera und die Lehre sind in einen vorgegebenen Abstand fest miteinander verbunden.In the preferred case, the detector and the imaging optics are components of a camera, and the camera and the jig are fixedly connected to each other at a predetermined distance.
Um die optische Abtastung der Körperoberfläche bei Anwendungsfällen mit erschwerter Zugänglichkeit zu ermöglichen, kann im Strahlenverlauf zwischen dem Spalt und der Abbildungsoptik mindestens ein Umlenkspiegel vorgesehen sein.In order to enable the optical scanning of the body surface in applications with difficult accessibility, at least one deflecting mirror can be provided in the beam path between the gap and the imaging optics.
Um unerwünschte Reflexionen bei der optischen Abtastung der Körperoberfläche zu unterdrücken, kann der Abbildungsoptik ein Polarisationsfilter vorgeordnet sein. So werden vor allem die Reflexionen nicht mit auf den Detektor abgebildet, die eine Polarisationsrichtung parallel zur Körperoberfläche haben und das Auswertungsergebnis verfälschen könnten.In order to suppress unwanted reflections in the optical scanning of the body surface, the imaging optics may be preceded by a polarizing filter. Thus, especially the reflections are not imaged on the detector, which have a polarization direction parallel to the body surface and could falsify the evaluation result.
Zur Bestimmung der Krümmung, des Verlaufs, der Kontur oder der Rauhigkeit von Körperoberflächen oder ausgewählter Bereiche von Körperoberflächen, die im Wesentlichen plan sind, ist die Referenzkante als eine Gerade ausgeführt.To determine the curvature, shape, contour or roughness of body surfaces or selected areas of body surfaces that are substantially planar, the reference edge is designed as a straight line.
Im Rahmen der Erfindung liegt jedoch ebenfalls eine Ausführung, bei welcher die Referenzkante ringförmig ausgebildet und die Körperoberfläche die Innenfläche eines die Referenzkante zentrisch umschließenden Kreiszylinders ist, wobei zwischen der Referenzkante und der Körperoberfläche ein ringförmiger Spalt ausgebildet ist, und - eine Einrichtung zur Abbildung des ringförmigen Spaltes auf einen ortsauflösenden Detektor vorhanden ist.In the context of the invention, however, is also an embodiment in which the reference edge is annular and the body surface is the inner surface of the reference edge centric enclosing circular cylinder, wherein between the reference edge and the body surface, an annular gap is formed, and - a device for imaging of the annular Spaltes on a spatially resolving detector is present.
Dabei ist auch hier die Referenzkante an einer Lehre ausgebildet, die in diesem Fall die Form eines runden Lehrdorns hat. Die Lichtaustrittsfläche ist ebenfalls ringförmig ausgebil- det und der Referenzkante zugeordnet.Here, too, the reference edge is formed on a jig, which in this case has the shape of a round gauge. The light exit surface is also annular and assigned to the reference edge.
Vorteilhafter Weise ist auch hierbei eine Einrichtung zum Verschieben des Lehrdorns einschließlich Referenzkante und Lichtaustrittsfläche in Richtung der Mittenachse der zylindrischen Innenfläche vorhanden. In dieser Ausführungsform ist die erfindungsgemäße optische Anordnung besonders zum berührungsfreien Vermessen oder Prüfen des Durchmessers, der Position, der Lage oder der Form von Bohrlöchern geeignet. Insbesondere kann mit der Verschiebung des Lehr- dorns in Richtung der zylindrischen Innenfläche eine dreidimensionale Oberflächentopographie der Bohrung erstellt werden.Advantageously, a device for displacing the teaching mandrel including the reference edge and the light exit surface in the direction of the center axis of the cylindrical inner surface is also present here. In this embodiment, the optical arrangement according to the invention is particularly suitable for non-contact measuring or checking of the diameter, the position, the position or the shape of boreholes. In particular, with the displacement of the mandrel in the direction of the cylindrical inner surface, a three-dimensional surface topography of the bore can be created.
Als Detektor dient hier ebenfalls eine CCD-Kamera mit Optik, welche im fixen Abstand mit dem Lehrdorn verbunden ist. Aus dem Abbildungsmaßstab der Optik und dem Abstand der Pixel zueinander kann somit aus dem Kamerabild auf den Durchmesser, Form und der Lage des Bohrlochs geschlossen werden.As a detector here also serves a CCD camera with optics, which is connected at a fixed distance with the teaching mandrel. From the image scale of the optics and the distance of the pixels to each other can thus be concluded from the camera image on the diameter, shape and position of the borehole.
In den Erfindungsgedanken eingeschlossen sind auch Ausgestaltungen, bei denen die Referenzkante austauschbar oder in ihrer Größe verstellbar ist und Ausgestaltungen, bei denen die Bestimmung von Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit der Körperoberfläche aus der Interpretation des Aufgrund von Lichtbeugung entstanden Kamerabildes vorgesehen ist.Also included in the concept of the invention are embodiments in which the reference edge is exchangeable or adjustable in size and embodiments in which the determination of course, contour, position or roughness of the body surface from the interpretation of the resulting due to light diffraction camera image is provided.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. In the accompanying drawings show:
Fig.1 die erfindungsgemäße optische Anordnung in einer Prinzipdarstellung,1 shows the optical arrangement according to the invention in a schematic representation,
Fig.2 die erfindungsgemäße optische Anordnung nach Fig.1 in einer Ausgestaltung zum berührungslosen Messen oder Prüfen der Innenflächen von Aussparungen, insbesondere von Bohrungen, Fig.3 Beispiele zum berührungslosen Messen oder Prüfen von Außenflächen oder an2 shows the optical arrangement according to the invention according to FIG. 1 in an embodiment for the contactless measuring or testing of the inner surfaces of recesses, in particular of bores, FIG. 3 shows examples for non-contact measuring or testing of outer surfaces or on
Innenflächen an technischen Körpern,Internal surfaces of technical bodies,
Fig.4 ein erstes Beispiel einer Abbildung des Spaltes auf dem Detektor, Fig.5 ein zweites Beispiel einer Abbildung des Spaltes auf dem Detektor,4 shows a first example of an image of the gap on the detector, FIG. 5 shows a second example of an image of the gap on the detector,
Fig.6 die optische Anordnung nach Fig.2 in einer Ausgestaltung, in der sie insbesondere zum berührungslosen Messen oder Prüfen des Durchmessers, der Position, der Ausrichtung bzw. Lage, der Formhaltigkeit oder der Rauheit eines Bohrlochs mit besonders stark reflektierender Innenfläche geeignet ist, Fig.7 die Strahlengänge bei der Messung oder Prüfen eines Bohrlochs mit der in Fig.6 gezeigten Ausgestaltung. Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenFIG. 6 shows the optical arrangement according to FIG. 2 in an embodiment in which it is particularly suitable for non-contact measuring or checking of the diameter, the position, the orientation or shape, the dimensional stability or the roughness of a borehole with a particularly highly reflective inner surface, FIG. 7 shows the beam paths in the measurement or testing of a borehole with the embodiment shown in FIG. Detailed description of the drawings
Aus Fig.1 ist symbolisch ein Körper 1 dargestellt, für dessen Körperoberfläche 2 die Krümmung, der Verlauf, die Kontur oder Rauhigkeit gemessen oder geprüft werden soll. Der Körperoberfläche 2 gegenüber steht eine Lehre 3 mit einer Referenzkante 4. Zwischen der Re- ferenzkante 4 und der Körperoberfläche 2 ist ein Spalt 5 mit der Spaltbreite a ausgebildet.FIG. 1 symbolically shows a body 1 for whose body surface 2 the curvature, course, contour or roughness is to be measured or checked. Opposite the body surface 2 is a jig 3 with a reference edge 4. Between the reference edge 4 and the body surface 2 a gap 5 with the gap width a is formed.
Die Lehre 3 ist über eine Abstandshalterung 6 mit einer Kamera 7 verbunden, welche eine Abbildungsoptik 8 und einen ortsauflösenden Detektor 9 umfaßt.The teaching 3 is connected via a spacer 6 with a camera 7, which comprises an imaging optics 8 and a spatially resolving detector 9.
Zwecks Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung sei angenommen, daß die Körperoberfläche 2, die in diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen plan ist, in den Koordinatenrichtungen Y,Z eines kartesischen Koordinatensystems X,Y,Z ausgedehnt ist, während sich die Spaltbreite a in Richtung X erstreckt. Die Referenzkante 4 erstreckt sich dann in Richtung Y bzw. senkrecht zur Zeichenebene X,Z, und der Spalt 5 liegt in der Ebene X, Y.To explain the operation of the arrangement according to the invention, it is assumed that the body surface 2, which is substantially planar in this embodiment, is extended in the coordinate directions Y, Z of a Cartesian coordinate system X, Y, Z, while the gap width a extends in the direction X. , The reference edge 4 then extends in the direction Y or perpendicular to the plane X, Z, and the gap 5 lies in the plane X, Y.
In die Lehre 3 ist eine Leuchtdiode 10 integriert, welcher in Abstrahlrichtung des von ihr ausgehenden Lichtes eine fokussierte Optik 11 vorgeordnet ist. Die Leuchtdiode 10 gibt vorzugsweise Licht einer bestimmten Wellenlänge, beispielsweise 500 nm, mit homogener In- tensität ab.In the teaching 3, a light-emitting diode 10 is integrated, which is preceded by a focused optics 11 in the emission of the outgoing light from her. The light-emitting diode 10 preferably emits light of a specific wavelength, for example 500 nm, with a homogeneous intensity.
Weiterhin ist der Referenzkante 4 eine Lichtaustrittsöffnung 12 zugeordnet, durch welche hindurch das Licht der Leuchtdiode 10 das Meßobjekt in der Höhe des Spaltes 5 beleuchtet. Der beleuchtete Spalt 5 wird durch eine transparente Halteplatte 13 hindurch mittels der Abbildungsoptik 8 auf den ortsauflösenden Detektor 9 angebildet, wobei die Abbildungen der Referenzkante 4 und des Bereiches der Körperoberfläche 2, der der Referenzkante 4 gegenüber liegt, die Meßmarken für die Spaltbreite bilden.Furthermore, the reference edge 4 is assigned a light exit opening 12 through which the light of the light-emitting diode 10 illuminates the object under test at the height of the gap 5. The illuminated gap 5 is imaged through a transparent holding plate 13 by means of the imaging optics 8 on the spatially resolving detector 9, wherein the images of the reference edge 4 and the area of the body surface 2, which is the reference edge 4 opposite, form the measuring marks for the gap width.
Der Detektor 9 weist eine Vielzahl von Einzelsensoren auf, auch als Pixel bezeichnet, die entweder in nur einer Zeile oder in einer Matrix aus mehreren Zeilen und Spalten angeordnet sind. Der Abbildungsmaßstab der Abbildungsoptik 8 ist auf die Abstände der Pixel im Detektor so abgestimmt, daß die elektronischen Ausgangssignale der bei der Abbildung des Spaltes 5 auf den Detektor 9 beleuchteten Pixel ein Äquivalent für die Spaltbreite a sind.The detector 9 comprises a plurality of individual sensors, also referred to as pixels, which are arranged either in only one row or in a matrix of a plurality of rows and columns. The magnification of the imaging optics 8 is adjusted to the spacings of the pixels in the detector so that the electronic output signals of the illuminated in the image of the gap 5 on the detector 9 pixels are equivalent to the gap width a.
Ist die transparente Halteplatte 13 als Polarisationsfilter ausgebildet, so werden störende Reflexionen, die eine Polarisationsrichtung parallel zur Körperoberfläche 2 haben, in vorteilhafter Weise nicht mit auf den Detektor abgebildet. Die Ausdehnung des Spaltes 5 in Richtung Y ist auf die Anzahl der parallel nebeneinander liegenden Sensorzeilen des Detektors 9 abgestimmt. Verfügt der Detektor 9 über nur eine Sensorzeile, hat die Referenzkante 4 eine Ausdehnung, die dem Empfangsbereich der Sensoren dieser Zeile in Richtung Y entsprechen. Verfügt der Detektor 9 über mehrere in Rich- tung Y nebeneinander liegende Sensorzeilen, so ist die Referenzkante 4 dem Empfangsbereich dieser Sensoren entsprechend ausgedehnt.If the transparent holding plate 13 is designed as a polarizing filter, disturbing reflections which have a polarization direction parallel to the body surface 2 are advantageously not imaged on the detector. The extent of the gap 5 in the direction Y is matched to the number of parallel juxtaposed sensor rows of the detector 9. If the detector 9 has only one sensor line, the reference edge 4 has an extent which corresponds to the reception range of the sensors of this line in the direction Y. If the detector 9 has a plurality of sensor lines lying next to one another in the direction Y, then the reference edge 4 is extended correspondingly to the reception range of these sensors.
Dem Detektor 9 ist eine zeichnerisch nicht dargestellte Auswerteeinrichtung nachgeordnet, die ausgebildet ist zur Ermittlung einer Vielzahl von in Richtung Y nebeneinander liegender Spaltbreiten a anhand der von dem Detektor abgegebenen Ausgangssignale und zur Ermittlung der Eigenschaft der Körperoberfläche anhand der Differenzen der in Richtung Y nebeneinander liegenden Spaltbreiten a.The detector 9 is followed by an evaluation device, not shown graphically, which is designed to determine a plurality of juxtaposed gap widths a in the direction Y on the basis of the outputs from the detector output signals and to determine the property of the body surface on the basis of the differences in the direction Y adjacent gap widths a.
Mit der Auswerteeinrichtung werden anhand der Spaltbreiten a jeweils Krümmung, Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit der Körperoberfläche 2 in dem Bereich ermittelt, welcher der Referenzkante 4 gegenüberliegt. Um größere Bereiche der Körperoberfläche 2 zum Zweck der Bestimmung der Spaltbreiten a abzutasten, ist eine Einrichtung zur Verschiebung der erfindungsgemäßen Anordnung und des Körpers 1 relativ zueinander in den Richtungen Y und/oder Z vorgesehen.With the evaluation device, the curvature, course, contour, position or roughness of the body surface 2 in the region which lies opposite the reference edge 4 are determined on the basis of the gap widths a. In order to scan larger areas of the body surface 2 for the purpose of determining the gap widths a, a device for displacing the arrangement according to the invention and the body 1 relative to one another in the directions Y and / or Z is provided.
So kann beispielsweise der Körper 1 feststehend angeordnet sein, während die erfindungsgemäße Anordnung beweglich mit der Verschiebeeinrichtung verbunden ist. Mit der Verschiebung in den Richtungen Y und/oder Z läßt sich die Spaltbreite a für Bereiche der Körperoberfläche 2 ermitteln, deren Ausdehnung größer ist als die Ausdehnung der Referenz- kante 4. Auf dieser Basis werden über weite Bereiche der Körperoberfläche 2 die bereits genannten Eigenschaften wie Krümmung, Verlauf, Kontur oder Rauheit bestimmt.Thus, for example, the body 1 may be arranged fixed, while the arrangement according to the invention is movably connected to the displacement device. With the displacement in the directions Y and / or Z, the gap width a can be determined for areas of the body surface 2 whose extent is greater than the extent of the reference edge 4. On this basis, the properties already mentioned become over wide ranges of the body surface 2 such as curvature, shape, contour or roughness.
Die Verschiebeeinrichtung ist zeichnerisch nicht dargestellt, kann jedoch mit Geradführungen realisiert werden, die an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind. Dabei kann eine mechanische Zwangsführung vorgesehen sein, die dafür sorgt, daß der Abstand zwischen der Körperoberfläche 2 und der Referenzkante 4 während der Verschiebung konstant bleibt.The displacement device is not shown in the drawing, but can be realized with linear guides, which are known per se from the prior art. In this case, a mechanical forced operation can be provided, which ensures that the distance between the body surface 2 and the reference edge 4 remains constant during the displacement.
Alternativ zu einer mechanischen Zwangsführung kann jedoch auch eine Regeleinrichtung vorgesehen sein, die zur Einhaltung des Abstandes zwischen der zwischen der Körperober- fläche 2 und der Referenzkante 4 auf Basis einer kontinuierlichen oder periodischen Abstandsmessung ausgebildet ist. Eine erforderliche Korrektur der Spaltbreite a erfolgt durch Nachstellung in Richtung X. Während das Ausführungsbeispiel nach Fig.1 die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung im Zusammenhang mit der Bestimmung der Eigenschaften einer an einem Körper 1 außen liegenden, im wesentlichen planen Körperoberfläche 2 beschreibt, zeigt Fig.2 anhand eines zweiten Ausführungsbeispiels die Wirkungsweise beim berührungslosen Mes- sen oder Prüfen der Eigenschaften einer innen liegenden Körperoberfläche 2. Der Übersichtlichkeit halber werden in Fig.2 für dieselben Baugruppen auch dieselben Bezugszeichen wie in Fig.1 verwendet.As an alternative to a mechanical positive guidance, however, it is also possible to provide a control device which is designed to maintain the distance between the body surface 2 and the reference edge 4 on the basis of a continuous or periodic distance measurement. A required correction of the gap width a is carried out by adjustment in the direction X. While the exemplary embodiment according to FIG. 1 describes the mode of operation of the arrangement according to the invention in connection with the determination of the properties of a substantially planar body surface 2 lying on a body 1, FIG. 2 shows by way of a second exemplary embodiment the mode of operation for non-contact measurement or Checking the Properties of an Internal Body Surface 2. For the sake of clarity, the same reference numerals as in FIG. 1 are used in FIG. 2 for the same components.
Der hier in einem Querschnitt dargestellte Körper 1 weist eine Aussparung 14 auf, bei- spielsweise ein Bohrung oder ein Langloch. Die Lehre 3 ist hier, im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig.1 , als Lehrdorn ausgebildet, der in die Aussparung 14 eintaucht.The body 1 shown here in a cross-section has a recess 14, for example a hole or a slot. The teaching 3 is here, in contrast to the embodiment of Figure 1, designed as a teaching mandrel, which dips into the recess 14.
Die Richtung Y entspricht auch in diesem Fall der Richtung einer an die Körperoberfläche 2 gelegten Tangente, die Richtung X entspricht der Richtung der Normalen zur Tangente. Die Spaltbreiten a werden wiederum in Richtung X gemessen.The direction Y also corresponds in this case to the direction of a tangent applied to the body surface 2, the direction X corresponds to the direction of the normal to the tangent. The gap widths a are again measured in the direction X.
Auch hierbei ist in die Lehre 3 eine Leuchtdiode 10 integriert, wobei im Lichtweg von der Leuchtdiode 10 bis zum Spalt 5 eine fokussierende Optik 11 vorgesehen ist. Auch hier kann ein Lichtleiter 15 vorgesehen sein.Here, too, a light-emitting diode 10 is integrated into the teaching 3, wherein in the light path from the light-emitting diode 10 to the gap 5 a focusing optics 11 is provided. Again, a light guide 15 may be provided.
Um Bereiche der Körperoberfläche 2 abtasten zu können, die in ihrer Ausdehnung größer sind als die Ausdehnung der Referenzkante 4, kann auch hier eine Einrichtung zur Verschiebung der erfindungsgemäßen Anordnung und des Körpers 1 relativ zueinander in Richtung der Tangente und/oder in Richtung Z vorgesehen sein, vorteilhaft auch hier wieder in Verbindung mit einer Zwangsführung.In order to be able to scan regions of the body surface 2 which are larger in extent than the extension of the reference edge 4, a device for displacing the arrangement according to the invention and the body 1 relative to one another in the direction of the tangent and / or in the direction Z can also be provided , advantageous here again in conjunction with a forced operation.
Fig.3 zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele zur Positionierung und Führung der Lehre 3 bzw. der erfindungsgemäßen Anordnung relativ zu verschiedenen Bereichen der Körperoberfläche 2 am Körper 1.3 shows various embodiments for positioning and guiding the jig 3 or the arrangement according to the invention relative to different areas of the body surface 2 on the body 1.
So ist beispielsweise die Lehre 3.1 zur berührungslosen Abtastung einer außen liegenden planen Körperoberfläche 2.1 vorgesehen und zu diesem Zweck in der Richtung R1 verschiebbar.Thus, for example, the teaching 3.1 for non-contact scanning of an outer planar body surface 2.1 is provided and displaced for this purpose in the direction R1.
Die Lehre 3.2, ausgebildet als Lehrdorn wie in Fig.2 gezeigt, ist zur Abtastung einer innen liegenden gekrümmten Körperoberfläche 2.2 vorgesehen, beispielsweise einer in den Körper 1 eingebrachten Bohrung 16. Dazu wird die Lehre 3.2 auf einer Kreisbahn in Richtung R2 bewegt, wobei der Abstand zwischen der Referenzkante 4 und der Körperoberfläche 2.2 mittels Zwangsführung oder Abstandsregelung konstant gehalten wird. Die Lehre 3.3 dient zur Abtastung der innen liegenden gekrümmten Körperoberfläche 2.3 eines in den Körper 1 eingebrachten Langloches 17. Die Fortbewegung der hier ebenfalls als Lehrdorn ausgebildeten Lehre 3.3 erfolgt in der Richtung R3, wobei ebenfalls der Ab- stand zwischen Referenzkante 4 und Körperoberfläche 3.3 konstant gehalten wird.The teaching 3.2, designed as a teaching mandrel as shown in Figure 2, is provided for scanning an inner curved body surface 2.2, for example, introduced into the body 1 bore 16. For this purpose, the teaching 3.2 is moved on a circular path in the direction R2, wherein the Distance between the reference edge 4 and the body surface 2.2 is kept constant by means of forced operation or distance control. The teaching 3.3 is used to scan the inside curved body surface 2.3 introduced into the body 1 long hole 17. The movement of here also trained as a teaching mandrel 3.3 takes place in the direction R3, where also the distance between the reference edge 4 and body surface 3.3 is constant is held.
Die Fortbewegungsrichtungen R1 , R2 und R3 entsprechen dabei stets der Richtung der an die jeweilige Körperoberfläche 2.1 , 2.2, 2.3 gelegten Tangenten, während die Spaltbreite a in Richtung der Normalen gemessen wird.The locomotion directions R1, R2 and R3 always correspond to the direction of the tangents to the respective body surface 2.1, 2.2, 2.3, while the gap width a is measured in the direction of the normal.
In Fig.3 erfolgt die Abtastung der Körperoberflächen 2.1 , 2.2 und 2.3 in der Zeichenebene, d.h. die Krümmung, Verlauf, Kontur oder Rauhigkeit der Körperoberflächen 2.1 , 2.2 und 2.3 werden in der zur Erläuterung gewählten Darstellung lediglich in der Zeichenebene bestimmt. Zur darüber hinaus gehenden Bestimmung auch außerhalb der Zeichenebene bzw. zur Bestimmung der Oberflächentopographien werden die Lehren 3.1 , 3.2 bzw. 3.3 in die Zeichenebene hinein bzw. aus der Zeichenebene heraus verschoben. Durch aneinanderreihen mehrerer Konturlinien wird so eine dreidimensionale Topographie der zu vermessenden oder zu prüfenden Körperoberflächen 2.1 , 2.2 und 2.3 erstellt.In Fig. 3, the scanning of the body surfaces 2.1, 2.2 and 2.3 in the drawing plane, i. the curvature, course, contour or roughness of the body surfaces 2.1, 2.2 and 2.3 are determined in the illustration chosen for explanation only in the plane of the drawing. In addition to the determination beyond the plane of the drawing or for the determination of the surface topographies, the teachings 3.1, 3.2 and 3.3 are moved into the plane of the drawing or out of the plane of the drawing. By juxtaposing several contour lines, a three-dimensional topography of the body surfaces 2.1, 2.2 and 2.3 to be measured or checked is created.
So ist sinngemäß auch das berührungslosen Messen oder Prüfen von Körperoberflächen 2 an Kegelinnen- und Kegelaußenwänden möglich.Thus, mutatis mutandis, the non-contact measuring or testing of body surfaces 2 on inner and outer cone walls is possible.
Generell sollte die Form der Lehre auf die zur vermessenden Konturen des Prüflings abgestimmt sein. Für Bohrlöcher sind runde Formen zu wählen, wobei es zweckmäßig ist, Lehren mit verschiedenen Durchmessern für verschiedene Lochdurchmesser zu verwenden, da der Meßfehler mit steigendem Lichtspalt wächst. Diesbezüglich ist in den Erfindungsgedanken eingeschlossen: ein Set an Lehren mit verschiedenen Durchmessern, oder eine Lehre mit einer Wechselblende, bei welcher durch das Auswechseln einer Blen- denscheibe der Außendurchmesser an den Durchmesser des zu vermessenden Bohrlochs angepaßt wird, oder eine variable Lehre, bei der nach dem Prinzip einer inversen Irisblende der Außendurchmesser stufenlos variiert werden kann.In general, the shape of the gauge should be matched to the contours of the specimen to be measured. For boreholes, round shapes are to be chosen, it being expedient to use gauges with different diameters for different hole diameters, since the measuring error increases with increasing light gap. In this regard, the invention includes: a set of gauges with different diameters, or a gage with a changeable cover, in which the replacement of a diaphragm disc adapts the outside diameter to the diameter of the borehole to be measured, or a variable gage in which can be varied steplessly according to the principle of an inverse iris diaphragm, the outer diameter.
Je nach Ausgestaltung ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung die Messung oder Prüfung sowohl nach der Lichtspaltmethode als auch nach dem Prinzip der Triangulationsmessung.Depending on the configuration, the arrangement according to the invention makes it possible to measure or test both by the light-splitting method and by the principle of triangulation measurement.
- 10 - Bei der Lichtspaltmethode hat die Referenzkante sinngemäß die Funktion der Meßkante eines an sich bekannten Haarlineals. Die Lehre wird so positioniert, daß die Referenzkante der zu vermessenden oder zu prüfenden Körperoberfläche gegenübersteht oder auch auf diese aufgesetzt wird, und der sich dabei ausbildende Spalt wird wie bereits beschrieben unter Beleuchtung im Gegenlicht als Lichtspalt auf den ortsauflösenden Detektor abgebildet und die Abbildung mittels Bildauswerteverfahren quantitativ oder qualitativ bewertet.- 10 - In the light slit method, the reference edge has the function of the measuring edge of a known hair ruler. The teaching is positioned so that the reference edge of the body surface to be measured or examined faces or is placed on this, and the gap thereby forming is imaged as described under illumination in backlight as a light gap on the spatially resolving detector and imaging by image evaluation assessed quantitatively or qualitatively.
Mit anderen Worten: Bei wachsendem Lichtspalt wechselt der Sensor fließend seine Meßmethode. Aus dem Lichtspaltsensor wird ein Triangulationssensor. Der Triangulationssensor bestimmt aus der Lage der Lichtintensitätsverteilung der Körperoberfläche auf dem Kamerachip seinen Abstand zum Mittelpunkt bzw. der Referenzkante der Lehre.In other words, as the light gap increases, the sensor changes its measuring method fluently. The light gap sensor becomes a triangulation sensor. The triangulation sensor determines its distance to the center or the reference edge of the gauge from the position of the light intensity distribution of the body surface on the camera chip.
Beim Triangulationsverfahren bilden der Spalt sowie die beiden Strahlen, die einerseits von der Referenzkante und andererseits von dem der Referenzkante gegenüberliegenden Be- reich der Körperoberflächen kommen, ein Dreieck. Die Kenntnis des Abstandes zwischen der Referenzkante und dem Detektor an der Lehre sowie der Positionen der Abbildungen der im Gegenlicht beleuchteten Referenzkante und des der Referenzkante gegenüberliegenden Bereiches der Körperoberflächen werden anhand der an sich bekannten Triangulationsbeziehungen zur Bewertung der Spaltbreite genutzt.In the triangulation method, the gap and the two rays, which on the one hand come from the reference edge and, on the other hand, from the region of the body surface opposite the reference edge form a triangle. The knowledge of the distance between the reference edge and the detector on the gauge and the positions of the images of the illuminated in the backlight reference edge and the reference edge opposite portion of the body surfaces are used on the basis of the known Triangulationsbeziehungen to assess the gap width.
Durch die Verwendung einer fokussierenden Beleuchtungseinheit kann die Bestimmung kleiner Spaltbreiten nach dem Prinzip der Lichtspaltmethode, die Bestimmung von größeren Spaltbreiten nach dem Prinzip des Triangulationsverfahrens erfolgen ohne daß sich die beiden Methoden in unerwünschter Weise gegenseitig beeinflussen. Das Beleuchtungslicht sollte fokussiert auf den betreffenden Bereich der Körperoberflächen gerichtet sein, um die gewünschte Meßgenauigkeit zu erzielen. Dabei wird die Tiefenmeßgenauigkeit durch die Größe der Fokuslinie bestimmt.By using a focusing illumination unit, the determination of small gap widths according to the principle of the light gap method, the determination of larger gap widths according to the principle of the triangulation method without the two methods influence each other in an undesirable manner. The illumination light should be focused on the relevant area of the body surfaces in order to achieve the desired measurement accuracy. The depth measurement accuracy is determined by the size of the focus line.
Der Meßbereich läßt sich als Funktion der Genauigkeit in Abhängigkeit der Spaltbreite a ausdrücken. Für Spaltbreiten a < 100 μm kann die Meßgenauigkeit durch den Schattenwurf des Lehrdorns beeinflußt sein. Bei Spaltbreiten a > 100 um ist die Strahltaille der Beleuchtung definierend für die erzielbare Genauigkeit. Für die jeweilige Anwendung ist die Lage undThe measuring range can be expressed as a function of the accuracy as a function of the gap width a. For gap widths a <100 microns, the accuracy can be influenced by the shadow of the teaching mandrel. With gap widths a> 100 μm, the beam waist of the illumination defines the achievable accuracy. For each application is the location and
Ausdehnung der Fokuslinie der Beleuchtungsoptik auf die erforderliche Meßgenauigkeit bzw. nötigen Meßbereich anzupassen. So erzielen kurze Brennweiten eine hohe Meßgenau- igkeit mit geringerer Ausdehnung des Meßbereiches, längere Brennweiten einen größerenExtension of the focus line of the illumination optics to the required accuracy of measurement or necessary range to adjust. Thus, short focal lengths achieve a high accuracy of measurement with a smaller extension of the measuring range, longer focal lengths a larger one
Meßbereich mit geringerer Genauigkeit.Measuring range with lower accuracy.
Optional kann eine diffraktive Beleuchtungsoptik mit einer spektral durchstimmbaren Lichtquelle vorgesehen sein, womit sich der Meßbereich ohne eine Verringerung der zu erzielen-Optionally, a diffractive illumination optics can be provided with a spectrally tunable light source, whereby the measuring range can be achieved without a reduction in the
- 1 1 - den Meßgenauigkeit erweitern läßt. Begründet ist dies durch die lineare Abhängigkeit zwischen Wellenlänge und Brennweite bei diffraktiven Linsen. Somit kann die Lage der Fokuslinie durch die Wahl der Wellenlänge bestimmt werden. Die durchstimmbare Lichtquelle kann in Form von mehreren Lichtquellen mit verschiedener Wellenlänge, einem multispektralem Laser oder einer Weißlichtquelle im Zusammenwirken mit einem Spektralfilter realisiert werden.- 1 1 - can extend the measurement accuracy. This is due to the linear dependence between wavelength and focal length in diffractive lenses. Thus, the position of the focus line can be determined by the choice of the wavelength. The tunable light source can be realized in the form of multiple light sources with different wavelengths, a multispectral laser or a white light source in cooperation with a spectral filter.
Mehrere Lichtquellen verschiedener Wellenlängen oder eine spektral durchstimmbare Lichtquelle sind auch deshalb sinnvoll, weil verschiedene Materialien und Oberflächen unter- schiedliche Reflexionseigenschaften bezüglich des Lichts einer Wellenlänge haben.Several light sources of different wavelengths or a spectrally tunable light source are also useful because different materials and surfaces have different reflection properties with respect to the light of one wavelength.
Auch können Fremdlichteinflüsse mittels eines Farbfilters vor der Abbildungsoptik geblockt werden.Also, extraneous light influences can be blocked by means of a color filter in front of the imaging optics.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht in der Eignung zum sekundenschnellen kontaktfreien Überprüfen der Sollgeometrien oder topographischen Vermessung von Geometrien.A significant advantage of the arrangement according to the invention is the suitability for contact-free checking of the desired geometries or topographical measurement of geometries within seconds.
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Einsatz in Koordinatenmeßmaschinen. Da die Spalt- breite a genau ermittelt werden kann, ist es möglich, schnell und berührungsfrei die Position, die Lage und die Oberflächenstruktur eines beliebigen Werkstückes im Koordinatensystem einer Koordinatenmeßmaschine zu bestimmen.Another field of application is the use in coordinate measuring machines. Since the gap width a can be determined accurately, it is possible to quickly and non-contact determine the position, the position and the surface structure of any workpiece in the coordinate system of a coordinate.
In diesem Anwendungsfall ist die erfindungsgemäße Anordnung bevorzugt mit einer Einrich- tung zur Messung und Regelung des Abstandes zwischen der Lehre und dem Werkstück in axialer Richtung ausgestattet, um mögliche Kollisionen zu verhindern. Die bereits erwähnte Abstandsregelung in Richtung der Spaltbreite a kann auch hier dazu dienen, eine Kollisionsgefahr frühzeitig zu erkennen. Die Verwendung eines axialen Abstandsensor erweitert die Einsatzmöglichkeit der beschriebenen Anordnung dahingehend, daß Messungen im gesam- ten Halbraum +/-x, +/-y und +z des Koordinatensystems X, Y, Z durchgeführt werden können.In this application, the arrangement according to the invention is preferably equipped with a device for measuring and regulating the distance between the jig and the workpiece in the axial direction in order to prevent possible collisions. The already mentioned distance control in the direction of the gap width a can also serve to detect a risk of collision early on. The use of an axial distance sensor expands the possible use of the arrangement described in that measurements in the entire half space +/- x, +/- y and + z of the coordinate system X, Y, Z can be performed.
Ist bei einer oben bereits beschriebenen Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung die Referenzkante ringförmig an einem kreisrunden Lehrdorn ausgebildet und die Körperoberfläche die Innenfläche eines die Referenzkante zentrisch umschließendenIn an embodiment of the arrangement according to the invention already described above, the reference edge is annularly formed on a circular teaching mandrel, and the body surface surrounds the inner surface of a reference edge centrically
Kreiszylinders, wobei zwischen der Referenzkante und der Körperoberfläche ein ringförmiger Spalt ausgebildet ist, und istCircular cylinder, wherein between the reference edge and the body surface, an annular gap is formed, and is
- 12 - eine Einrichtung zur Abbildung des ringförmigen Spaltes auf einen ortsauflösenden Detektor vorhanden, wird eine vertikale Lichtverteilung innerhalb eines zu bewertenden Bohrlochs auf der horizontalen Ebene des Detektors abgebildet. Um aus der mit dem Detektor aufgenommenen Intensitätsverteilung auf den Durchmesser bzw. die Form des Bohrlochs schließen zu können, muß die Lichtverteilung im Bohrloch sowie deren Ausbreitung definiert sein.- 12 - means for imaging the annular gap on a spatially resolving detector, a vertical light distribution within a borehole to be evaluated is imaged on the horizontal plane of the detector. In order to be able to conclude from the intensity distribution recorded with the detector on the diameter or the shape of the borehole, the light distribution in the borehole and its propagation must be defined.
Liegt bei einer Beleuchtung der Bohrlochinnenwand der Intensitätsschwerpunkt der Lichtverteilung auf der Objektebene der Abbildungsoptik, entspricht der Intensitätsschwerpunkt in der Abbildung auf dem Detektor der Position der Bohrlochwand. Fig.4 zeigt hierzu ein Beispiel.If, with an illumination of the borehole inner wall, the intensity center of gravity of the light distribution lies on the object plane of the imaging optics, the intensity center of gravity in the image on the detector corresponds to the position of the borehole wall. 4 shows an example of this.
Dieser Fall betrifft vor allem bei Spaltbreiten a > 1 mm und einem Bohrlochdurchmesser von 10 mm zu.This case is especially true for gap widths a> 1 mm and a hole diameter of 10 mm.
Für kleine Spaltbreiten a < 1 mm bei demselben Bohrlochdurchmesser liegt der Intensitätsschwerpunkt der Lichtverteilung im Bohrloch unterhalb der Objektebene der Abbildungsoptik. In diesem Fall liegt die Position der Bohrlochwand auf der abfallenden Flanke der Intensitätsverteilung in der Abbildung. Hierzu zeigt Fig.5 ein Beispiel.For small gap widths a <1 mm for the same borehole diameter, the intensity focus of the light distribution in the borehole lies below the object plane of the imaging optics. In this case, the position of the borehole wall is on the falling edge of the intensity distribution in the figure. 5 shows an example.
In dem nachfolgend anhand Fig.6 beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Anordnung zum berührungslosen Messen oder Prüfen der Oberflächenrauhigkeit, des Durchmessers, der Position oder der Formhaltigkeit eines Bohrlochs 18 mit einer stark reflektierenden Innenfläche 19 dargestellt.In the exemplary embodiment described below with reference to FIG. 6, the arrangement according to the invention for contactless measuring or checking of the surface roughness, the diameter, the position or the shape retention of a borehole 18 with a strongly reflecting inner surface 19 is illustrated.
Soweit es der Übersichtlichkeit dient, wurden in Fig.6 für dieselben Baugruppen, die schon in Fig.1 oder Fig.2 zu sehen sind, auch dieselben Bezugszeichen verwendet. Das betrifft den Körper 1 , hier mit dem Bohrloch 18, die Lehre 3 mit einer kreisförmig gekrümmten Referenzkante 4, einen Spalt 5 mit der Spaltbreite a, in diesem Fall ausgebildet zwischen der Refe- renzkante 4 und der Innenfläche 19 des Bohrlochs 18, sowie eine Abstandshalterung 6, welche die Lehre 3 mit einer Kamera 7 verbindet. Die Lehre 3 ist hier ebenso wie bereits weiter oben beschrieben als Lehrdorn ausgebildet, der in die Bohrung 18 eintaucht.As far as clarity is concerned, the same reference numerals have been used in Figure 6 for the same components, which can already be seen in Figure 1 or Figure 2. This concerns the body 1, here with the borehole 18, the gauge 3 with a circularly curved reference edge 4, a gap 5 with the gap width a, in this case formed between the reference edge 4 and the inner surface 19 of the borehole 18, and a Spacer 6, which connects the teaching 3 with a camera 7. The teaching 3 is here as well as already described above formed as a teaching mandrel, which dips into the bore 18.
Die Kamera 7 umfaßt wiederum eine Abbildungsoptik 8 und einen ortsauflösenden Detektor 9. Weiterhin sind eine Leuchtdiode 10, eine fokussierende Optik 11 , eine Lichtaustrittsöffnung 12, eine Halteplatte 13 sowie einen Lichtleiter 15 vorhanden. Die Leuchtdiode 10 ist in die Lehre 3 integriert, die fokussierende Optik 11 befindet sich im Lichtweg zwischen der Leuchtdiode 10 und dem Spalt 5, die Referenzkante 4 ist fest in der Fokusebene F der fo- kussierten Optik 11 angeordnet. Der Lichtleiter 15 dient zur Übertragung des von derThe camera 7 in turn comprises an imaging optics 8 and a spatially resolving detector 9. Furthermore, a light-emitting diode 10, a focusing optics 11, a light exit opening 12, a holding plate 13 and a light guide 15 are present. The light emitting diode 10 is integrated in the teaching 3, the focusing optics 11 is located in the light path between the light emitting diode 10 and the gap 5, the reference edge 4 is fixed in the focal plane F of the focused optics 11. The light guide 15 is used to transmit the of the
- 13 - Leuchtdiode ausgehenden Meßlichtes und zu dessen Abstrahlung in Richtung auf die Innenfläche 19.- 13 - LED outgoing measuring light and its radiation in the direction of the inner surface 19th
Die Richtung Y entspricht in diesem Fall der Richtung einer an die Innenfläche 19 der Boh- rung 18 gelegten Tangente, während die Richtung X der Richtung der Normalen zur Tangente definiert. Die jeweilige Spaltbreite a wird in Richtung X gemessen. Um die Innenfläche 19 bis in die Tiefe der Bohrung abtasten zu können, ist eine (zeichnerisch nicht dargestellte) Einrichtung zur Verschiebung der erfindungsgemäßen Anordnung einschließlich der Lehre 3 relativ zum Körper 1 in Richtung Z vorhanden.The direction Y in this case corresponds to the direction of a tangent to the inner surface 19 of the bore 18, while the direction X defines the direction of the normal to the tangent. The respective gap width a is measured in the direction X. In order to be able to scan the inner surface 19 down to the depth of the bore, a device (not shown in the drawing) for displacing the arrangement according to the invention including the gage 3 relative to the body 1 in the direction Z is present.
Abweichend von den Ausführungsbeispielen nach Fig.1 und Fig.2 hat hier die Innenfläche 19 stark reflektierende Eigenschaften.Notwithstanding the embodiments of Figure 1 and Figure 2 here has the inner surface 19 highly reflective properties.
Zur Messung wird die Lehre 3 und damit die Referenzkante 4 in die Bohrung 18 eingeführt, wobei das von der Leuchtdiode 10 über den Lichtleiter 15 abgestrahlte homogene Licht die Innenfläche 19 beleuchtet. Die reflektierende Eigenschaft der Innenfläche 19 führt dazu, daß von der Innenfläche 19 reflektiertes Licht auf die Referenzkante 4 trifft und von dieser gestreut wird. Das von der Referenzkante 4 gestreute Licht wird mittels der Abbildungsoptik 8, die in einem definierten Abstand von der Lehre 3 fest angeordnet ist, auf den Detektor 9 der Kamera 7 abgebildet.To measure the gauge 3 and thus the reference edge 4 is inserted into the bore 18, wherein the light emitted from the light emitting diode 10 via the light guide 15 homogeneous light illuminates the inner surface 19. The reflective property of the inner surface 19 causes light reflected from the inner surface 19 to strike the reference edge 4 and be scattered therefrom. The light scattered by the reference edge 4 is imaged on the detector 9 of the camera 7 by means of the imaging optics 8, which is fixedly arranged at a defined distance from the gauge 3.
Dabei entstehen auf dem Detektor 9 zwei ringförmige Abbildungen der Referenzkante 4: eine erste ringförmige Abbildung entsteht über den Strahlengang 20, der, von der in Fig.7 gezeigten Position 23.3 ausgehend, den direkten Weg des Lichtes vom Umfang der Refe- renzkante 4 zum Detektor 9 beschreibt; eine zweite ringförmige Abbildung entsteht über den Strahlengang 21 , der, in Abhängigkeit von der in Fig.7 gezeigten Position 23.1 , den Weg des von der Referenzkante 4 gestreuten und an der spiegelnden Innenfläche 19 reflektierten Lichtes zum Detektor 9 beschreibt.In this case, two annular images of the reference edge 4 are formed on the detector 9: a first annular image is produced via the beam path 20, which, starting from the position 23.3 shown in FIG. 7, the direct path of the light from the circumference of the reference edge 4 to the detector 9 describes; a second annular image is formed via the beam path 21, which, depending on the position 23.1 shown in FIG. 7, describes the path of the light scattered by the reference edge 4 and reflected at the reflecting inner surface 19 to the detector 9.
Aus der Verknüpfung der Positionen der beiden Abbildungen auf dem Detektor 9 mit dem Abbildungsmaßstab der Abbildungsoptik 8 wird in einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung der Durchmesser der Bohrung 18 ermittelt.From the combination of the positions of the two images on the detector 9 with the imaging scale of the imaging optics 8, the diameter of the bore 18 is determined in a downstream evaluation device.
Fig.7 dient zur Erläuterung der Bestimmung der Positionen der beiden Abbildungen auf dem Detektor 9. Bezogen auf das Zentrum der kreisförmigen Referenzkante 4 können der Radius rLehre der Referenzkante 4 und der Radius rRefiex der Reflexion an der Innenfläche 19 bestimmt werden. Aus den Reflexionsgesetzen folgt, dass der in Fig.7 eingezeichnete Abstand S gleich dem Abstand S' ist. Folglich kann der Radius rObjekt der Bohrung 18 aus der Bezie-Fig.7 is for explaining the determination of the positions of the two images on the detector 9. Based on the center of the circular reference edge 4 may be the radius r Le hre the reference edge 4 and the radius r Re FIEX the reflection are determined on the inner surface nineteenth It follows from the laws of reflection that the distance S drawn in FIG. 7 is equal to the distance S '. Consequently, the radius r object of the bore 18 can be determined from the relationship
- 14 - hung rOb]ekt = (fRefiex + rLehre)/2 bestimmt werden. Der Durchmesser d der Bohrung 18 ergibt sich dann aus dOb]ekt = rRefiex + lehre-- 14 - Whether hung r] k e t = (f R e f + r iex Leh re) / 2 are determined. The diameter d of the bore 18 then results from d O b ] e kt = r Re fiex + teaching
Neben den oben genannten beiden Abbildungen der Referenzkante 4 entsteht auf dem De- tektor 9 eine weitere ringförmige Abbildung aufgrund des Strahlenganges 22, der den Weg des Lichtes von der Position 23.2, die an der Innenfläche 19 von dem über den Lichtleiter 15 abgestrahlten Licht beleuchtet ist, zum Detektor 9 beschreibt. Aus dem Vergleich der Lage über die Strahlengänge 21 und 22 gewonnenen Abbildungen werden in einer nachgeordne- ten Auswerteeinrichtung Schlußfolgerungen einerseits auf die Lage der Innenfläche 19 und andererseits auf einen Verkippungswinkel zwischen der Bohrlochmittenachse A relativ zur Fokusebene F gezogen. Aufgrund dieser Information ist es möglich, die Ausrichtung des Meßobjektes bzw. des Bohrlochs 18 relativ zur Lehre 3 bzw. zu der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zu Beeinflussen und unerwünschte Abweichungen zu korrigieren.In addition to the above two images of the reference edge 4, a further annular image due to the beam path 22 is formed on the detector 9, which illuminates the path of the light from the position 23.2 which is illuminated on the inner surface 19 by the light emitted via the light guide 15 , to the detector 9 describes. From a comparison of the position over the beam paths 21 and 22, conclusions are drawn on the one hand on the position of the inner surface 19 and on the other hand on a tilt angle between the borehole center axis A relative to the focal plane F in a downstream evaluation device. Based on this information, it is possible to influence the alignment of the measurement object or of the borehole 18 relative to the gauge 3 or to the optical arrangement according to the invention and to correct undesired deviations.
Die aufgrund des Strahlenganges 22 entstehende Abbildung erscheint auf dem Detektor 9 zwischen den beiden Abbildungen der Referenzkante 4 und ist bezüglich ihrere Intensität abhängig vom Reflexionsvermögen bzw. von der Rauhigkeit der Innenfläche 19. Unter der Annahme, dass die Innenfläche 19 das Licht zu 100% reflektiert bzw. die Rauhigkeit der Innenfläche 19 gleich „null" ist, ist dieses Bild nicht sichtbar, da das Licht komplett von der gesamten Innenfläche 19 reflektiert wird. Dagegen steigt in Abhängigkeit von der Rauhigkeit und von der Wellenlänge des Lichtes der Anteil des Lichtes, der an der Innenfläche 19 gestreut wird, was zur Folge hat, dass das Bild dieser beleuchteten Zone um so deutlicher sichtbar wird.The image resulting from the beam path 22 appears on the detector 9 between the two images of the reference edge 4 and is dependent on the reflectance or roughness of the inner surface 19 with respect to their intensity. Assuming that the inner surface 19 reflects the light 100% or the roughness of the inner surface 19 is equal to "zero", this image is not visible, since the light is completely reflected by the entire inner surface 19. In contrast, depending on the roughness and the wavelength of the light, the proportion of light, the is scattered on the inner surface 19, with the result that the image of this illuminated zone becomes all the more visible.
Die in Fig.7 eingetragenen Positionen 23.1 , 23.2 und 23.3 sind lediglich Positionen in der Zeichenebene des dargestellten Querschnittes der Lehre 3 und des Bohrlochs 18. Da Referenzkante 4 kreisförmig umläuft und damit auch die Positionen 23.1 , 23.2 und 23.3 kreisförmig innerhalb des Bohrlochs 18 umlaufen, sind auch die jeweiligen Abbildungen kreisförmig.The registered in Figure 7 positions 23.1, 23.2 and 23.3 are only positions in the plane of the illustrated cross-section of the teaching 3 and the borehole 18. Since reference edge 4 rotates circular and thus rotate the positions 23.1, 23.2 and 23.3 circular within the borehole 18 , the respective illustrations are circular.
Aus der Anwendung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ergeben sich folgende Vorteile:From the application of the optical arrangement according to the invention, the following advantages result:
1. Es können auch Objekte mit Rauhigkeiten vermessen werden, die in ihrer Ausdehnung kleiner sind als die Wellenlänge des Beleuchtungslichtes.1. It is also possible to measure objects with roughnesses whose size is smaller than the wavelength of the illumination light.
2. Es kann eine Aussage über die Rauhigkeit des Objektes getroffen werden durch Ver- gleich der Intensitäten der von den Positionen 23.1 , 23.2 und 23.3 erhaltenen Abbildungen.2. A statement about the roughness of the object can be made by comparing the intensities of the images obtained from positions 23.1, 23.2 and 23.3.
3. Aus der Integration und dem Vergleich der aus zwei beliebigen Positionen innerhalb des Bohrlochs 18 mittels der Strahlengänge 21 und 22 gewonnenen Abbildungen kann erstens auf die Lage der Innenfläche 19 und zweitens auf einen Verkippungs-3. From the integration and the comparison of the images obtained from any two positions within the borehole 18 by means of the beam paths 21 and 22 can firstly on the position of the inner surface 19 and secondly on a Verkippungs-
- 15 - winkel zwischen der Bohrlochmittenachse A relativ zur Fokusebene F und damit auf eine Verkippung des Meßobjektes relativ zur Lehre 3 bzw. zu der erfindungsgemäßen optischen Anordnung geschlußfolgert werden.- 15 - angle between the borehole center axis A relative to the focal plane F and thus to a tilting of the measurement object relative to the teaching 3 or to the optical arrangement according to the invention are concluded.
Insofern ist die in Fig.6 und Fig.7 beispielhaft gezeigte Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung besonders vorteilhaft zum berührungslosen Messen oder Prüfen des Durchmessers, der Position, der Ausrichtung bzw. Lage und der Formhaltigkeit von Bohrungen mit Oberflächen geringer Rauheit geeignet.In this respect, the embodiment of the optical arrangement according to the invention shown by way of example in FIGS. 6 and 7 is particularly advantageously suitable for non-contact measurement or testing of the diameter, the position, the orientation or the shape retention of holes with surfaces of low roughness.
- 16 - Bezugszeichenliste- 16 - LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Körper1 body
2,2.1,2.2,2.3 Körperoberfläche2,2,1,2,2,2.3 body surface
3,3.1,3.2,3.3 Lehre3,3,1,3,2,3.3 teaching
4 Referenzkante4 reference edge
5 Spalt5 gap
10 6 Abstandshalterung10 6 Spacer
7 Kamera7 camera
8 Abbildungsoptik8 imaging optics
9 Detektor9 detector
10 Leuchtdiode10 light emitting diode
15 11 fokussierende Optik15 11 focusing optics
12 Lichtaustrittsöffnung12 light exit opening
13 Halteplatte13 retaining plate
14 Aussparung14 recess
15 Lichtleiter15 light guides
20 16 Bohrung20 16 bore
17 Langloch17 slot
18 Bohrloch18 borehole
19 Innenflächen19 interior surfaces
20,21,22 Stahlengänge20,21,22 steel gears
25 23.1,23.2,23.3 Positionen25 23.1,23.2,23.3 positions
a Spaltbreitea gap width
A BohrlochmittenachseA borehole center axis
F FokusebeneF focal plane
30 X, Y, Z Richtungen30 X, Y, Z directions
R1, R2, R3 BewegungsrichtungenR1, R2, R3 directions of movement
-17- -17-

Claims

Patentansprüche claims
1. Optische Anordnung zur berührungslosen Ermittlung der Eigenschaft einer Körperoberfläche (2), wie Krümmung, Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit, umfassend: Mittel zur Ausbildung eines Spaltes (5) zwischen der Körperoberfläche (2) und einer Referenzkante (4), wobei die Referenzkante (4) die Richtung einer an die Körperoberfläche (2) gelegten Tangente definiert, und die Abstände zwischen der Körperoberfläche (2) und der Referenzkante (4), in Richtung der Normalen der Tangente betrachtet, Spaltbreiten (a) definieren, eine Einrichtung zur Abbildung des Spaltes (5) auf einen ortsauflösenden DetektorAn optical arrangement for non-contact determination of the property of a body surface (2), such as curvature, shape, contour, position or roughness, comprising: means for forming a gap (5) between the body surface (2) and a reference edge (4) the reference edge (4) defines the direction of a tangent to the body surface (2), and the distances between the body surface (2) and the reference edge (4), as viewed in the direction of the normal of the tangent, define gap widths (a), means for imaging the gap (5) on a spatially resolving detector
(9), - eine mit dem Detektor (9) verbundene Auswerteeinrichtung, ausgebildet zur Ermittlung von in Richtung der Tangente nebeneinander liegender Spaltbreiten (a) anhand der Ausgangssignale des Detektors (9), und zur Ermittlung der Eigenschaft der Körperoberfläche (2), wie Krümmung, Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit, anhand der entlang der Tangente nebenein- ander liegender Spaltbreiten (a).(9), - an evaluation device connected to the detector (9), designed for determining gap widths (a) lying next to one another in the direction of the tangent on the basis of the output signals of the detector (9) and for determining the property of the body surface (2), such as Curvature, course, contour, position or roughness, based on the gap widths (a) lying next to each other along the tangent.
2. Optische Anordnung nach Anspruch 1 , ausgebildet zum Messen der Eigenschaft anhand der als physikalische Größen ermittelten Spaltbreiten (a), oder - zum Prüfen der Eigenschaft durch Vergleich der ermittelten Spaltbreiten (a) mit Soll- Spaltbreiten, jeweils nach der Lichtspaltmethode oder dem Triangulationsverfahren.2. An optical arrangement according to claim 1, designed to measure the property on the basis of the determined physical dimensions gap widths (a), or - for testing the property by comparing the determined gap widths (a) with target gap widths, each according to the light gap method or the triangulation method ,
3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Ausdehnung der Refe- renzkante (4) kleiner ist als die Ausdehnung der Körperoberfläche (2) in Richtung der3. An optical arrangement according to claim 1 or 2, wherein the extension of the reference edge (4) is smaller than the extent of the body surface (2) in the direction of
Referenzkante (4), ausgestattet mit einer Einrichtung zur Längsverschiebung der Referenzkante (4) in Richtung der Tangente.Reference edge (4), equipped with a device for longitudinal displacement of the reference edge (4) in the direction of the tangent.
4. Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, ausgestattet mit einer Einrichtung zur Parallelverschiebung der Referenzkante (4) und damit zur Parallelverschiebung des Spaltes (5) senkrecht zur Tangente.4. Optical arrangement according to one of the preceding claims, equipped with a device for parallel displacement of the reference edge (4) and thus for parallel displacement of the gap (5) perpendicular to the tangent.
5. Optische Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, ausgestattet mit einer Zwangsführung bei der Verschiebung der Referenzkante (4), bevorzugt in Form einer mechanischen5. An optical arrangement according to claim 3 or 4, equipped with a positive guidance in the displacement of the reference edge (4), preferably in the form of a mechanical
- 18 - Gerad- oder Kurvenführung, wobei die Referenzkante (4) in einem vorgegebenen, der Spaltbreite (a) entsprechenden Abstand zur Körperoberfläche (2) verbleibt.- 18 - Straight or curved guide, whereby the reference edge (4) remains at a predetermined distance from the body surface (2) corresponding to the gap width (a).
6. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, mit einer Regeleinrichtung, ausgebildet zur Einhaltung des Abstandes zwischen der Referenzkante (4) und der6. Optical arrangement according to one of claims 3 to 5, with a control device, designed to maintain the distance between the reference edge (4) and the
Körperoberfläche (2) auf Basis einer kontinuierlichen oder periodischen Abstandsmessung.Body surface (2) based on a continuous or periodic distance measurement.
7. Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher der De- tektor (9) mindestens eine Zeile aus einer Vielzahl von Einzelsensoren aufweist und die Verwendung von Subpixelalgorithmen zur Bestimmung der Lage und der Ausdehnung der Intensitätsverteilung auf den Einzelsensoren vorgesehen ist.7. Optical arrangement according to one of the preceding claims, wherein the detector (9) comprises at least one row of a plurality of individual sensors and the use of subpixel algorithms is provided for determining the position and the extent of the intensity distribution on the individual sensors.
8. Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche mit einer Lichtquelle, deren Strahlung, bevorzugt durch eine fokussierende Optik hindurch, auf den der Referenzkante (4) gegenüber liegenden Bereich der Körperoberfläche (2) gerichtet ist.8. An optical arrangement according to one of the preceding claims with a light source whose radiation, preferably by a focusing optics, is directed to the reference edge (4) opposite region of the body surface (2).
9. Optische Anordnung nach Anspruch 8, bei welcher als Lichtquelle eine Leuchtdiode (10) vorgesehen ist, die bevorzugt Licht einer bestimmten Wellenlänge mit homogener Intensität abstrahlt.9. An optical arrangement according to claim 8, wherein as the light source, a light emitting diode (10) is provided which preferably emits light of a specific wavelength with a homogeneous intensity.
10. Optische Anordnung nach Anspruch 8, bei welcher als Lichtquelle eine breitbandige Lichtquelle (10) in Kombination mit einer diffraktiven Linse vorgesehen ist, die eine in Abhängigkeit von der Wellenlänge verschiedene Lage der Fokuslinie erzeugt.10. An optical arrangement according to claim 8, wherein as the light source, a broadband light source (10) is provided in combination with a diffractive lens, which generates a different position depending on the wavelength of the focus line.
11. Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die Referenzkante (4) an einer Lehre (3) ausgebildet ist, die Lichtquelle in die Lehre (3) integriert ist, dem Detektor (9) eine Abbildungsoptik (8) mit definiertem Abbildungsmaßstab vorge- ordnet ist, der Detektor (9) und die Abbildungsoptik (8) Bauteile einer Kamera (7) sind, und die Kamera (7) und die Lehre (3) in einem vorgegebenen Abstand zueinander als11. Optical arrangement according to one of the preceding claims, wherein the reference edge (4) is formed on a jig (3), the light source is integrated into the jig (3), the detector (9) an imaging optics (8) with a defined magnification is pre-arranged, the detector (9) and the imaging optics (8) are components of a camera (7), and the camera (7) and the teaching (3) at a predetermined distance from each other as
Baueinheit verbunden sind.Assembly are connected.
12. Optische Anordnung nach Anspruch 11 , ausgestattet mit einer Einrichtung zur Messung und Regelung des Abstandes zwischen der Lehre und dem Körper, an dem die Körperoberfläche (2) ausgebildet ist.12. An optical arrangement according to claim 11, equipped with a device for measuring and regulating the distance between the gauge and the body on which the body surface (2) is formed.
- 19 - - 19 -
13. Optische Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, bei welcher der Abbildungsoptik (8) ein Polarisationsfilter vorgeordnet ist.13. An optical arrangement according to claim 11 or 12, wherein the imaging optics (8) is arranged upstream of a polarizing filter.
14. Optische Anordnung nach Anspruch 1 1 oder 12, ausgestattet mit einer Einrichtung zur Abstandsmessung, mit welcher Messungen in axialer Richtung im Halbraum +/-x, +/-y,14. Optical arrangement according to claim 1 1 or 12, equipped with a device for distance measurement, with which measurements in the axial direction in the half-space +/- x, +/- y,
+z des Koordinatensystems X,Y,Z vorgesehen sind.+ z of the coordinate system X, Y, Z are provided.
15. Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die Referenzkante austauschbar oder in ihrer Größe verstellbar ist.15. Optical arrangement according to one of the preceding claims, wherein the reference edge is exchangeable or adjustable in size.
16. Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die Bestimmung von Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit der Körperoberfläche (2) aus der Interpretation des Aufgrund von Lichtbeugung entstanden Kamerabildes vorgesehen ist.16. An optical arrangement according to one of the preceding claims, wherein the determination of course, contour, position or roughness of the body surface (2) from the interpretation of the result of light diffraction camera image is provided.
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