SE429162B - Anordning for att beroringsfritt och artificiellt fasthalla ett objekts tva- eller tredimensionella form jemte anvendning av anordningen i en kontroll- eller styrutrustning - Google Patents

Description

8107765-3 _ 2 _ a) Två koherenta belysningspunkter (t.ex. projicerade in- terferenslinjer). b) Två koherenta observationspunkter (t.ex. ett mikroskops upplösning beror på vinkeln från objektet till två diame- trala punkter på objektivet. cl En belysningspunkt och en därmed koherent observations- punkt (t.ex. holografiskt interferometri där referens- strâlen gör observationen koherent).

REDDGURELSE FöR UPPFINNINGEN.

' Teknxskr PRoßLEM.

Det har visat sig att vid tidigare kända anordningar för att beröringsfritt och artificiellt kunna fastställa ett objekts två- eller tredimensionella form, genom att objektet belyses med en ljuskälla, som kan anses vara alstrad från två koherenta något separerade belysnings- . punkter, har det varit svårt att kunna erhålla en valfri inpassning av känsligheten från låg känslighet, lämplig för utvärdering av nivålinjer goch planhetsmätningar, till hög känslighet, lämplig vid noggrann mät- ning, där hög upplösning erfordras, i ett och samma instrument.

Det är uppenbart att mycket stora problem föreligger att med enkla medel skapa sådana förutsättningar att mätningar skall kunna ske .med en hög upplösning. Det är stora tekniska problem förknippade med att skapa sådana förutsättningar att varken den projicerande optiken eller den observerande optiken behöver innehålla linser, som kan upplösa de linjer som projiceras på objektet.

Sålunda är det ett tekniskt problem att skapa en mätanord- ning med en känslighet som är mindre än den konventionella interfero- metrins extremt höga känslighet men större än den konventionella Moire- teknikens relativt låga känslighet.

Det är vidare ett kvalificerat tekniskt problem att skapa så- dana förutsättningar att den erhållna informationen om objektets arti- ficiella form skall vara lätt utvärderbar via elektriska och elektro- niska kretsar och att dessa kretsar kan med enkla signaljämförande kretsar jämföra ett objekts form med ett annat objekts artificiella form. 8107765-3 _ 3 _ Slutligen är det ett tekniskt problem att i anslutning till ovan angivna mätningar jämväl kunna göra en bedömning och mätning av ett objekts vibration.

LUSNINGEN.

Föreliggande uppfinning avser således att skapa en anordning för att beröringsfritt och artificiellt fastställa ett objekts tvâ- eller tredimensionella form, där de ovan angivna tekniska problemen lösts genom att objektet på känt sätt belyses med en ljuskälla, som alstras av två koherenta och från varandra separerade belysningspunkter, varvid bildas i ljusstralens riktning primära reella interferensmönster eller -linjer.

Med utgångspunkt från denna ljuskälla, som skall belysa objekten, _anvisar nu föreliggande uppfinning att objektet skall observeras med hjälp av ett primärt imaginärt interferensmönster, erhållet via tva simultant kopplade koherenta från varandra separerade observations- punkter, varvid kombinationen av de två interferensmönstren ger ett sekundärt Moirë-linjemönster, utgörande en artificiell bild signifikativ för objektets form.

Enligt föreliggande uppfinning föreslas att den belysande ljus- källan, som alstras av två koherenta och från varandra separerade belys- ningspunkter, utgöres av en laser och en interferometer. Som ett lämp- ligt utföringsexempel anvisar uppfinningen en s.k. Michelson-inter- ferometer. De tvâ simultant kopplade koherenta, från varandra separera- de, observationspunkterna kan med fördel vara anordnade i en interfero- meter. Som ett lämpligt utföringsexempel anvisar uppfinningen en s.k.

Mach-Zehnder-interferometer.

Enär de primära reella interferensmönstren och de primära ima- ginära interferensmönstren kan anses vara alstrade alt. bildade av tvâ från varandra separerade punkter och då avståndet mellan punkterna blir ett mått på upplösningen, föreslås att avståndet mellan punkterna skall vara reglerbart, för att därigenom kunna öka eller minska upplösningen.

Avstândsregleringen kan ske genom vridning av två vridbara planparal- lella glasplattor.

För att få en visuell bild av den artificiella formen föreslås att det sekundära Moirë-linjemönstret överföres till en bildvisande utrustning, exempelvis en TV-apparat. Givetvis kan överföring ske till 8107765-3 _ 4 _ en bildbehandlande utrustning, d.v.s. en utrustning där bilden omvandlas till olika signaler eller till en bildbevarande utrustning, d.v.s. en- minnesanordning, där ett referensmönster skulle kunna vara lagrat.

I den senare applikationen kan en mot ett aktuellt objekt svarande artificiell bild jämföras med referensmönstret och vid överskridandet av I en på förhand bestämd skillnad alstras en signal.

Enligt uppfinningen kan en ovan beskriven anordning med fördel utnyttjas i en produktionslinje av objekt och i denna produktionslinje kan anordningen utföra en kvalitetskontroll avseende den yttre formen.

Enligt uppfinningen kan även en ovan beskriven anordning med fördel utnyttjas i en produktionslinje av objekt och i beroende av objektets yttre form styra produktionen för att vid behov ändra objek- tets form mot ett referensmönster eller standardmönster.

Det som främst kan få anses vara kännetecknande för en anordning enligt föreliggande uppfinning anges i det efterföljande patentkravets 1 kännetecknande del.

KORT FIGURBESKRIVNING.

En för närvarande föreslagen utföringsform uppvisande de för föreliggande uppfinning signifikativa kännetecknen skall närmare be- skrivas med hänvisning till bifogad ritning där; figur 1 visar den principiella uppbyggnaden av en anord- ning enligt föreliggande uppfinning, figur 2 visar schematiskt grundprincipen för föreliggande uppfinning, a figur 3 visar i blockschemaform en anordning för att jäm- föra ett erhållet sekundärt linjemönster med ett standardmönster, figur 4 visar tre olika bilder med olika avstånd mellan sekundära Moirë-linjer, 8107765-3 -5- figur 5 visar i stark förenkling en produktionslinje utnyttjande en anordning enligt uppfinningen för kvalitetskontroll av den yttre formen av framställda objektet och figur 6 visar i stark förenkling en produktionslinje utnyttjande en anordning enligt uppfinningen för att vid behov ändra objektets form mot ett standardmöns- ter.

BESKRIVNING UVER NU FURESLAGEN UTFURINGSFDRM.

Med hänvisning till figur 1 visas således den principiella upp- byggnaden av en anordning enligt föreliggande uppfinning.

Anordningen är avsedd att beröringsfritt och artificiellt kunna fastställa ett objekts två- eller tredimensionella form och där objektet 1 har i utföringsexemplet illustrerats som en kalottyta, men det är uppenbart att många två- eller tredimensionelluformer är utvärderbara enligt föreliggande uppfinning.

Objektet 1 blir belyst av en ljuskälla, som kan anses vara alstrad från tvâ koherenta och från varandra separerade belysnings- punkter, för att i ljusstrålens riktning bilda primära reella inter- ferensmönster.

Utföringsexemplet anvisar för detta ändamål en s.k. Michelsen- interferometer, vilken tilldelats hänvisningsbeteckningen 2.

Objektet 1 skall observeras och detta sker med hjälp av ett primärt imaginärt interferensmönster. Detta mönster erhålles genom en observation från två simultant kopplade koherenta, från varandra sepa- rerade, observationspunkter. Detta kan även ske i en interferometer.

Utföringsexemplet anvisar för detta ändamål en s.k. Mach-Zehnder- interferometer, vilken tilldelats hänvisningsbeteckningen 3.

Kombinationen av dessa två interferensmönster ger ett sekundärt Moirë-linjemönster, vilket utgöres av en artificiell bild signifikativ för objektets form. För en kalottyta blir den artificiella bilden ett antal koncentriskt formade ringar med i från centrum och utåt avtagande linjetjocklekar, vilket illustreras med hänvisningsbeteckningen 4.

I figur 1 visas en för närvarande föreslagen utföringsform och som genom praktiska prov visat sig fungera. Denna utföringsform ut- 8107765-'3 _ 5 _ nyttjar en laseranordning 5 av i och för sig tidigare känd typ, vars ljusstrâle passerar genom en strâlvidgare 6, varefter strâlen Sa (egent- ligen strålknippet) passerar genom en strâldelare 7.

Strålen Sa passerar nu genom stråldelaren 7 och reflekteras mot en spegel 8, vars reflektrande stråle ånyo reflekteras mot stråldelaren och då dess baksida, där strålen reflekteras ånyo för att passera genom en spridande lins 10 och bildar därefter ett strålknippe 5b. Detta tillåtas bli reflekterat i en spegel 11 för att rikta strålknippet mot objektet 1.

En andra del av strålen Sa reflekteras i stråldelarens 7 framsida mot en spegel 9, varvid detta strålknippe reflekteras för att passerar genom strâldelaren 7 och den spridande linsen 10, och därigenom förenar sig med strålknippet 5b. Genom detta arrangemang kommer strâlknippet 5b att bestå utav ett ljusflöde härrörande från tvâ koherenta något separe- rade belysningspunkter.

Objektet 1 observeras genom att det från objektet 1 reflekterande ljusflödet från strâlknippet 5b uppfångas av en strâldelare 13, varvid en del 12a passerar till en spegel 14 och en annan del 12b passerar till en annan spegel 15.

Andelen 12a bryts i spegeln 14 och passerar genom en planparallell glasplatta 16 till en stråldelare 17. I 7 Andelen 12b reflekteras i spegeln 15, passerar genom en plan- parallell glasplatta 18 samt strâldelaren 17 och de två andelarna 12a och 12b sammanställes i stråldelaren 17 och observeras av en TV-kamera 19. Denna TV-kamera 19 är kopplad till en i en TV-apparat ingående bildskärm 20, på vilken uppträder den artificiella bilden 4 av objektet 1.

Enligt utföringsformen illustrerad i figur 1, bör speciellt ob- serveras att spegeln 8 är vridbar. Genom en vridning av denna spegel erhålles en reglering och anpassning av avståndet mellan de tvâ separe- rade ljuspunkterna. Ju större avståndet är desto större upplösning.

Spegeln 14; tillika med glasplattorna 16 och 18, är jämväl vrid- * bara för att därigenom kunna erhålla en reglering och anpassning av avståndet mellan de två separerade observationspunkterna.

Avståndet mellan ljuspunkterna och avståndet mellan observations- punkterna bör hållas lika. 8107765-3 _ 7 _ Den med uppfinningen förknippade tekniska effekten skall närmare beskrivas med hänvisning till figur 2.

Den belysande delen 2 skall alltså utgöras av tvâ koherenta, något separerade belysningspunkter (erhållna t.ex. av en laser och en Michelson-interferometer). De två koherenta belysningspunkterna gene- rerar interferenslinjer s.k. Youngs fringes, i rymden i form av rota- tionshyperboloider, vars två gemensama fokus utgöres av de två punk- terna, vilka antages vara separerade ett avstånd hi. Ett avstånd d1, d.v.s avståndet mellan två intilliggande hyperboloidskal, är a1 = Ä 2 sina! . där Ä är ljusets våglängd och 251, är vinkeln mellan de två belysnings- punkterna sedd från objektet. J Den observerande delen 3 utgöres av två simultant kopplade, ko- herenta ett avstånd från varandra separerande observationspunkter som betraktar objektet 1. Sådan observation kan åstadkommas i en interfero- meter (t.ex. av Mach-Zehnder typ). Ett imaginärt interferenslinje-system erhålles i form av rotationshyperboloider vars tvâ fokus utgöres av de tvâ koherenta observationspunkterna, separerade ett avstånd hz.

Ett avståndet dz, d.v.s. avståndet mellan två intilliggande hyper- boloidskal, är /k 2 sin"{ där 2)' är vinkeln mellan de två observationspunkterna sedd från ob- jektet.

De belysande respektive observerande linjesystemen har i denna beskrivning benämnts primära interferenslinjer eller -mönster.

I observationsdelen 3 åstadkommas förskjutningen hz lämpligast genom att två stycken planparallella glasplattor 16, 18 vickas i de båda delarna av Mach-Zehnder-interferometern. För att förlägga skärnings- punkten mellan de förskjutna observationsstrålarna till objektytan måste den ena av de ytförsilvrade speglarna 14 i interferometern vickas. s1o7iss%3 _ 3 _ Om den planparallella glasplattan 16, 18 vickas en vinkel ø blir förskjutningen hz mellan observationspunkterna t . sin 9 h = .________.__._.______ 2(n2 - sin2ø)°*5 där "t" är glasplattans tjocklek och "n" är glasets brytningsindex.

Mellan det belysande, primära interferenslinjemönstret och det observerande, primära interferenslinjemönstret bildas ett tredje se- kundärt Moirë-linjemönster 4. Detta mönster är det som utnyttjas för mätningarna.

Om avståndet är så stort från interferometern 2 till objektet 1 att de primära interferenslinjemönstren kan approximeras till plana, parallella ytor med lika delning gäller följande för ett avstånd (y) pmellan de sekundära Moire-linjerna; (af + då - z a, az :asp _)°'5 där _är avståndet mellan den primära belysande linjerna är avståndet mellan de primära observerande linjerna och är vinkeln mellan belysnings- och observationsrikt- ning i förhållande till objektet.

QO- A3- Skärningen med objektet av de sekundära Moirë-linjerna är ett mått på objektets kontur eller planhet.

Det framgår av den ovan gjorda beskrivningen att med mycket enkla medel kan en varierande upplösningsgrad av den artificiella bilden 4 av ebjektets 1 form erhållas. Den artificiella bilden är-bestämd av objek- Ä tets 1 form.

Den praktiska användningen av föreliggande uppfinning kan då ivara att låta anordningen beröringsfritt och artificiellt Fastställa ett objekts två- eller tredimensionella form vid produktkontroll. För detta 8107765-3 ändamål kan det vara lämpligt, vilket figur 3 visar, att en tv-kamera 19 är anordnad att via en omkopplare 21 överföra den artificiella bilden till ett minne 22, där alltså bilden 4 är lagrad i form av ett referens- mönster eller standardmönster. Omkopplaren 21 kan därefter intaga ett läge där varje efterföljande objekts artificiella form överföres till ett minne 23 och där standardmönstrets artificiella form 22 kan jämföres med den aktuella artificiella formen i minnet 23, i en signaljämförare 24. Jämföraren 24 aktiveras av en signal på ledningen 25.

Det kan då vara lämpligt att utforma jämföraren 24 så, att så snart det momentant uppträdande mönstret i minnet 23 avviker med en på förhand bestämd diskrepans mot standardmönstret i minnet i minnet 22 uppträder en utsignal på ledningen 26, som indikation på att objektet icke har befunnits vara felfritt.

I figur 4 visas vid avbildningen "a" den artificiella bilden 4 erhållen från en kalottyta för ett objekt 1 och där avbildning "a" är inreglerad med 1 linje per mm. Avbildning "b" är avbildad med 3,5 linjer per mm, medan avbildning "c" är avbildad med 10 linjer per mm.

Med hänvisning till figur 5 visas i stark förenkling en produk- tionslinje för objekt 30, 31, 32 transporterade på en transportbana 35 och där en kontrollutrustning utnyttjar en avkänningsanordning av ovan beskriven konstruktion. Varje objekts, exempelvis objektet 31, tvä- eller tredimensionella form utvärderas. Den av TV-kameran 19 utvärder- bara artificiella bilden av objektet 1 jämföres, vilket illustreras i figur 3, med ett standardmönster lagrat i ett minne 22. Vid överensstäm- melse, eller överensstämmelse inom pâ förhand uppställda gränser, god- kännes objektet och transporteras vidare av transportbanan eller -bandet 35.

Vid en bristande överensstämmelse överstigande på förhand upp- ställda gränser och krav underkännes objektets form och utsignalen 26 kommer då att aktivera en utlösningsmekanism 36, vilken förskjutes uppåt och tippar objektet från transportbanan 35 vid avsnittet 37. Signalen på ledningen 26 bör vara något fördröjd i beroende av transportbanans 35 hastighet.

Med hänvisning till figur 6 visas i stark förenkling en produk- tionslinje för objektet, i vilken inplacerats en styrutrustning, utnytt- 8107765-*3 _ .__...._..,__..__ - _- -1Q.. jande en avkänningsanordning av ovan beskriven konstruktion. Varje objekts, exempelvis objektets 31, tvâ- eller tredimensionella form utvärderas. Den av TV-kameran 19 utvärderbara artificiella bilden av objektet 31 jämföres, vilket illustreras i figur 3, med ett standard- mönster lagrat i minnet 22. _ Vid en diskrepans, beroende på den utskjutande delen 31a, alstras i styrutrustningen en mot diskrepansens storlek och läge svarande utsig- nal. Denna signal är anordnad för att styra produktionen av objektet så att antingen efterföljande objekt eller själva objekten därefter till- delas en mot standardmönstret mera anpassad form.

Den senare varianten visas i figur 6 där TV-kameran 19 utvär- derar objektets 31 form med den ytterligare fliken 31a. Den artificiella formen föres över till minnet 23 och i en scanningskrets 28, som akti- veras via en signalledare 28a, fastställes diskrepansen. Via en krets 29 kan diskrepansens storlek och läge utvärderas och vid en diskrepans beroende av en utstickande flik 31a erhålles en signal på ledning 29a, vilken signal aktiverar en i figuren ej visad stansanordning, som av- lägsnar fliken 31a för att bilda objektet 32, vilket därefter tilldelats ett mot standardmönstret mera anpassad form.

Intet hindrar att i en och samma produktionslinje utnyttja anord- ningarna enligt figur 5 såväl som anordningen enligt figur 6.

D Uppfinningen är givetvis inte begränsad till den ovan såsom exem- pel angivna utföringsformen utan kan genomgå modifikationer inom ramen för efterföljande patentkrav.i Med artificiellt fastställande av ett objekts form menas att objek- tets verkliga form avviker från den erhållna bilden efter utvärderingen.

Det är uppenbart att denna bild å ena sidan är beroende av objek- tets verkliga form men å andra sidan kan bilden från ett enda objekt " betraktat under en enda vinkel få olika skepnader genom att välja mer eller mindre täta interferenslinjer, olika elektriska eller elektroniska kretsar för behandling av erhållna signaler och liknande.

Claims (9)

81077654 _ 11 _ PATENTKRAV.

1. Anordning för att beröringsfritt och artificiellt fastställa ett objekts (1) två- eller tredimensionella form genom att objektet blir belyst från ett organ alstrande två koherenta och från varandra separe- rade belysningspunkter, varvid bildas i ljusstrâlarnas (5b) riktning primära reella interferensmönster, k ä n n e t e c k n a d därav, att objektet (1) är via ytterligare organ observerat med hjälp av ett pri- märt imaginärt interferensmönster, erhållet via två simultant kopplade koherenta från varandra separerade observationspunkter (3), varvid kombinationen av de två interferensmönstren ger ett sekundärt Moirë- linjemönster, vilket utgör en artificiell bild (4) signifikativ för objektets form.

2. Z. Anordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att en belysande ljuskälla (2), alstrar två koherenta belysningspunkter och utgöres av en laser och en interferometer, exempelvis Michelsen- interferometer.

3. Anordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att de två simultant kopplade koherenta observationspunkterna är anord- nade i en interferometer, exempelvis en Mach-Zehnder-interferometer.

4. Anordning enligt patentkravet 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d därav, att det primära reella interferensmönstret (5b) och det primära imaginära interferensmönstret (12) är alstrade resp. betraktade av från varandra separerade (hi, h2) punkter, vars avstånd mellan varandra är reglerbart för att öka eller minska upplösningen.

5. Anordning enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a d därav, att avståndet är reglerbart bl.a. via tvâ vridbara planparallella glas- plattor (16, 18).

6. Anordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att det av en ljuskälla i förening med interferometer alstrade primära \reella interferensmönstret (Sb) och det via en interferometer obser- verade primära imaginära interferensmönstret (12), kombineras till ett 81Û7765f3 _12.. sekundärt Moirë-ïinjemönster, och att detta mönster är överfört tili en biidbehandiande utrustning (20) aiternativt ti 11 en biïdbevarande ut- rustning.

7. Anordning eniigt patentkravet 6, k ä n n e t e c k n a d därav, att det sekundära Moirë-iinjemönstret är utvärderbart och anordnat att jämföras med ett standardmönster och att vid en på förhand bestämd skiilnad erhålïes en signaï.

8. Användning av en anordning (19 i fig. 5) eniigt något av före- gående patentkrav i en kontroiiutrustning inpiacerad i en produktions- iinje för objekt.

9. J Användning av en anordning (19 i fig. 6) enligt något av före- gående patentkrav i en styrutrustning inplacerad i en produktionsïinje för objekt.