SE444728B

SE444728B - METHOD DEVICE FOR IDENTIFYING THE SURFACE PROFILE WITH A FORMAL

Info

Publication number: SE444728B
Application number: SE8404376A
Authority: SE
Inventors: E A Byckling; P P Pihlman
Original assignee: Electrolux Ab
Priority date: 1984-08-31
Filing date: 1984-08-31
Publication date: 1986-04-28
Also published as: JPS6165106A; SE8404376L; JPH0658213B2; DE3528684C2; DE3528684A1; SE8404376D0

Description

8404376-9 En annan olägenhet med det kända mätsystemet är att den stora vinkeln -450 mellan strålen från ljuskällan och den reflekterade ljusstrålen gör det omöjligt att detektera exempelvis hål och andra större höjdvariationer i topografin hos den yta som skall identifieras. i i i Huvudändamålet med' uppfinningen är att eliminera de ovan angivna olägenheterna och tillhandahålla ett mätsystem som arbetar med högre hastighetujämfört jmediden kända anordningen och genom vilket det blir möjligt att på ett mycket tillförlitligt sätt mäta avståndet mellan referenspunkten och ett antal punkter på ytan av ett föremål i som skall uppmätas och som uppvisar hål och andra oregelbundenheter, Ändamålet uppnås vid ett mätsystem som har de särdrag som anges i den kännetecknande delen av efterföljande patentkrav l. Föredragna utföringsformer framgår av tillhörande underkrav. i Andra ändamål och fördelar kommer att framgå av efterföljande detaljerade ' beskrivning av ett föredraget utförande med hänvisning till tillhörande ritningar på vilka fig. 1 är ett schematiskt blockdiagram som visar en mätanordning enligt upp- finningen, fig. 2 är ett schematiskt diagram .som illustrerar _mätprincipen enligt upp- finningen, I fig. 3 är ett schematiskt diagram som visar hur reflekterat ljus från de föremål som skall mätas ledes till en detektor, i _ j fig. li är en ujppförstorad vy_ av ett område som innefattar fokuseringspunkten och det föremål som skall uppmätas, såsom visas i fig. 2 och fig. 5. är ett diagram som visar kurvformerna för olika spänningar som uppträder i mätanordningen. I i Med hänvisning till fig. 1 visas ett schematiskt blockdiagram som illustrerar mätprincipen enligt uppfinningen. En ljuskälla 10 av lasertyp genererar en smal ljus- stråle som genom ett första optiskt system, representerat genom en rörlig lins ll, ledes till ytan 12 för ett föremål 13 som skall uppmätas. Linsen ll användes också för att leda ljus som reflekterats från ytan 12 via en halvtransparent spegel 14 till en tvådelad ljusdetektor 15. De två utsignalerna från detektorn jämföras i en komparator 16 för att generera en utsignal som överföres till ett elektronikblock 17, vilket kommer att beskrivas mer i detalj nedan. I I I enlighet med uppfinningens mätprincip utföres avståndsmätningen som en kombination aven snabb och en långsam mätning. Den långsamma mätningen innefattar “ förflyttning fram och tillbaka av den rörliga linsen ll medan den snabba mätningen utföres genom användning av små avböjningar av ljusstrålen vilka orsakar att ljus- fläcken på ytan 12 förflyttas utmed ytan. Avböjningarna genereras av en akusto-optisk avböjningsanordning som är inkluderad i ett block 18. Detta block innefattar också en .w .__ . ., _.. s4o4srs-9 akusto-optisk modulator, genom vilken laserstrålen avböjes för att generera två~ strålar a och b, se också fig. 2, vilka arbetar alternerande och var och en ledesså att den fyller denena respektive den andra halvan av aperturen hos den rörliga linsen ll. Another disadvantage of the known measuring system is that the large angle -450 between the beam from the light source and the reflected light beam makes it impossible to detect, for example, holes and other larger height variations in the topography of the surface to be identified. The main object of the invention is to eliminate the above-mentioned disadvantages and to provide a measuring system which operates with a higher speed compared to the device known and by which it becomes possible to measure in a very reliable manner the distance between the reference point and a number of points on the surface of an object. The object is achieved in a measuring system having the features set out in the characterizing part of the appended claims 1. Preferred embodiments appear from the appended subclaims. Other objects and advantages will become apparent from the following detailed description of a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings in which Fig. 1 is a schematic block diagram showing a measuring device according to the invention, Fig. 2 is a schematic diagram illustrating Fig. 3 is a schematic diagram showing how reflected light from the objects to be measured is conducted to a detector, in Fig. 1 is an enlarged view of an area comprising the focus point and the object being to be measured, as shown in Fig. 2 and Fig. 5. is a diagram showing the waveforms of different voltages appearing in the measuring device. Referring to Fig. 1, a schematic block diagram illustrating the measuring principle according to the invention is shown. A laser-type light source 10 generates a narrow beam of light which, through a first optical system, represented by a movable lens 11, is guided to the surface 12 of an object 13 to be measured. The lens 11 is also used to direct light reflected from the surface 12 via a semi-transparent mirror 14 to a two-part light detector 15. The two output signals from the detector are compared in a comparator 16 to generate an output signal which is transmitted to an electronics block 17, which will be described more in detail below. In accordance with the measuring principle of the invention, the distance measurement is performed as a combination of both a fast and a slow measurement. The slow measurement involves the reciprocating movement of the movable lens 11 while the rapid measurement is performed using small deflections of the light beam which cause the light spot on the surface 12 to move along the surface. The deflections are generated by an acousto-optical deflection device included in a block 18. This block also includes a .w .__. acousto-optical modulator, by which the laser beam is deflected to generate two beams a and b, see also Fig. 2, which operate alternately and each so that it fills these and the other half of the the aperture of the movable lens ll.

Genom att använda två alternerande strålar i kombination Amed de små snabba avböjningarna av varje stråle tillförsäkras att systemet blir okänsligt för monterings- avvikelser, såsom bristande linjering av de i de optiska systemen ingående linserna.By using two alternating beams in combination with the small fast deflections of each beam, it is ensured that the system becomes insensitive to mounting deviations, such as lack of alignment of the lenses included in the optical systems.

Den grundläggande mätprincipenkommer nu att beskrivas med hänvisning till fig. 2, där de olika delarna har fått samma referensnummer som i fig. l. Det optiska systemet, som leder ljusstrålen till ytan 12 på objektet 13, visas schematiskt innefatta den rörliga linsen ll och en ytterligare, fast lins 19 som fokuserar' strålen i en punkt f, som alltid är belägen på den optiska axeln 20 för det optiska systemet och inom mätområdet.The basic measuring principle will now be described with reference to Fig. 2, where the different parts have been given the same reference number as in Fig. 1. The optical system which directs the light beam to the surface 12 of the object 13 is shown schematically to include the movable lens 11 and a further, fixed lens 19 which focuses the beam at a point f, which is always located on the optical axis 20 of the optical system and within the measuring range.

Ljusstrålen från lasern lÜ riktas av en akusto-optiskimodulator i endera av två riktningar. Här visas modulatorn som en separat enhet 25. Halva tiden går strålen i riktningen a, som visas i figuren, och den andra halvan av tiden i riktningen b. Låt oss först studera strålen som utbreder sig i riktningen a. Efter modulatorn 25 passerar strålen a en akusto-optisk avböjningsanordning 21 och därefter linsen ll, som är rörlig under inverkan av en linjär translator, visad som ett-block 22. Som angivits ovan belyses endast halva linsen av strålen a. Därefter går strålen genom ytterligare fokuserande optik, representerad av linsen 19, och även för dessa linser belyses endast halva aperturen. Slutligen fokuseras strålen i en punkt f nära föremålets yta. Då strålen a är en halvstråle inkommer den inte vinkelrätt mot ytan 12 på föremålet utan bildar en vinkel med den vinkelräta infallsriktningen, som uppgår till ungefär halva den numeriska aperturen för linsen. i j V i Antag att fokuseringspunkten f är belägen på avståndet zt från mäthuvudtt, som representeras av linsen 19, och på avståndetzd från föremålets yta. Det totala avstånd som man önskar mäta blir då zt+ zd = z. Systemet mäter separat storheter som är relaterade till zt och zd. En dator som är ansluten till elektronikblocket 17 i fig. l beräknar värdena zt och zd från de mätta storheterna och adderar sedan dessa för att erhålla z.The light beam from the laser lÜ is directed by an acousto-optical modulator in either of two directions. Here the modulator is shown as a separate unit 25. Half the time the beam goes in the direction a, shown in the figure, and the other half of the time in the direction b. Let us first study the beam which propagates in the direction a. After the modulator 25 the beam a passes an acousto-optical deflector 21 and then the lens 11, which is movable under the action of a linear translator, shown as a block 22. As stated above, only half the lens is illuminated by the beam a. Thereafter, the beam passes through further focusing optics, represented by the lens. 19, and even for these lenses only half the aperture is illuminated. Finally, the beam is focused at a point f near the surface of the object. When the beam a is a half-beam, it does not enter perpendicular to the surface 12 of the object, but forms an angle with the perpendicular direction of incidence, which amounts to approximately half the numerical aperture of the lens. i j V i Assume that the focusing point f is located at the distance zt from the measuring head, represented by the lens 19, and at the distance etzd from the surface of the object. The total distance that you want to measure will then be zt + zd = z. The system separately measures quantities that are related to zt and zd. A computer connected to the electronics block 17 in Fig. 1 calculates the values zt and zd from the measured quantities and then adds these to obtain z.

Om positionen för den rörliga linsen är känd, kan avståndet zt beräknas med hjälp av optisk teori. Den linjära translatorn 22 kan kalibreras så att den direkt tillhanda~ håller positionen för linsen ll. I en kommersiellt förekommande translator finns en kapacitiv sensor som mäter vridningsvinkeln och därmed den linjära rörelsen för' translatormekanismen. Positionen indikeras som en utgångsspänning från en sensor; Sålunda kan den formel uppställas som anger avståndet zt som en funktion av spänningen från den kapacitiva sensorn. _ j I Det enklaste alternativet skulle vara att anordna ett återkopplat system, så att linsen ll förflyttas till dess fokuseringspunkten f befinner sig på liöremålets yta 12, www-www 840437649 varefter man direkt avläser avståndet z. Olyckligtvis uppfyller ett sådant återkopplat system inte de krav' på mäthastighet som ställes på den omtalade mätanordningen.If the position of the moving lens is known, the distance zt can be calculated using optical theory. The linear translator 22 can be calibrated so that it directly provides the position of the lens 11. In a commercially available translator there is a capacitive sensor which measures the angle of rotation and thus the linear movement of the 'translator mechanism. The position is indicated as an output voltage from a sensor; Thus, the formula indicating the distance zt can be set up as a function of the voltage from the capacitive sensor. The simplest alternative would be to arrange a feedback system so that the lens 11 is moved until the focal point f is located on the surface of the target 12, www-www 840437649 after which the distance z is read directly. Unfortunately, such a feedback system does not meet the requirements. 'on measuring speed which is set on the mentioned measuring device.

Enligt detta krav skall linsen 'll inom ett område av 200 mm förflyttas med sådan hastighet att den befinner sig ifokuserande position inom 10 millisekunder efter en plötslig förändring av det avstånd som skall uppmätas. Detta svarar mot en mätfrekvens på 100 Hz, och den mätfrekvens som kan erhållas med det återkopplade systemet 'är .endast 20 Hz, delvis beroende på de inställningssvängningar som alltid uppträder innan ett återkopplat system inställer sig i korrekt position.According to this requirement, the lens '1 must be moved within a range of 200 mm at such a speed that it is in the focusing position within 10 milliseconds after a sudden change in the distance to be measured. This corresponds to a measuring frequency of 100 Hz, and the measuring frequency that can be obtained with the feedback system 'is only 20 Hz, partly due to the setting oscillations that always occur before a feedback system sets itself in the correct position.

Mätsystemet enligt uppfinningen ärjmer komplext än det återkopplade- svsël-met som diskuterats ovan. Linsen behöver inte inställas exakt för att ge det korrekt-a avståndet. från föremålets yta utan kan intaga en position som endast approximativt är den rätta. Vid mättillfället kommer både avståndet z och avståndet zd, vilketkan t _ benämnas korrektionsavståndet, att bestämmas tillförlitli :321 Systemet är så konstruerat att mätningen accepteras om avståndet z ligger inom f lamm av det korrekta i: avståndet till föremålet. Detta betyder att z som mest kan vara 4 mm.The measuring system according to the invention is more complex than the feedback cell discussed above. The lens does not need to be set exactly to give the correct distance. from the surface of the object but can assume a position which is only approximately the correct one. At the time of measurement, both the distance z and the distance zd, which can be called the correction distance, will be determined reliably: 321 The system is designed so that the measurement is accepted if the distance z is within the correct distance of the object. This means that z can be at most 4 mm.

Mätningen av zd kommer nu att beskrisas. Det linjära translatorsystemet 22 är så utfört att laserstrålen, oavsett var den rörliga linsen är belägen, alltid är fokuserad på den optiska axeln 20 för systemet. Om 'sålundaiföremålet befinner sig bakom foku- seringspunkten f, såsom i fig. 2, kommer ljusfläcken på föremålets yta inte längre att befinna sig på axeln utan vara något förskjuten åt ena _ sidan. Denna förskjutning utnyttjas för att bestämma zd. _ I fig. 3 visas mer i detalj den tvådelade detektorn 15 enligt fig. 1. Den optik som användes för att samla det ljus som reflekteras från ytan 12 på föremålet 13 utgöres till största delen av samma optik som användes för att belysa föremålet. Optiken innefattar emellertid en ytterligare lins 23 som fokuserar ljuset på den' tvådelade detektorn. Denna detektor består av två dioder Dl och DZ, vilka är åtskilda av en tunn linje. Om nu ljusfläcken S1 på föremålets yta är förskjuten från den optiska axeln, kommer också dess bild S2 på den tvådelade detektorn att bli förskjuten. En jämförelse av spänningar- na som genereras av de två halvorna av den tvådelacie detektorn (dioderna Dl och 02) ger en tillförlitlig detektering av obalansen i intensitetsfördelningen mellan de två halvorna. Följaktligen kan man med stor tillförlitlighet detektera när ljusfläcken befinner sig exakt på den optiska axeln.The measurement of zd will now be described. The linear translator system 22 is designed so that the laser beam, no matter where the movable lens is located, is always focused on the optical axis 20 of the system. Thus, if the object is behind the focal point f, as in Fig. 2, the light spot on the surface of the object will no longer be on the axis but will be slightly offset to one side. This offset is used to determine zd. Fig. 3 shows in more detail the two-part detector 15 according to Fig. 1. The optics used to collect the light reflected from the surface 12 of the object 13 are for the most part constituted by the same optics used to illuminate the object. However, the optics include an additional lens 23 which focuses the light on the two-part detector. This detector consists of two diodes D1 and DZ, which are separated by a thin line. If now the light spot S1 on the surface of the object is displaced from the optical axis, its image S2 on the two-part detector will also be displaced. A comparison of the voltages generated by the two halves of the two-deletion detector (diodes D1 and O2) provides a reliable detection of the imbalance in the intensity distribution between the two halves. Consequently, it is possible to detect with great reliability when the light spot is exactly on the optical axis.

Om nu ljusfläckens förskjutning från den optiska axeln är känd, så kan avståndet zd beräknas ur denna information. Den teknik som användes för att bestämma zd innebär att ljusfläcken på föremålet sveper över den optiska axeln under varje mätning.If the displacement of the light spot from the optical axis is now known, then the distance zd can be calculated from this information. The technique used to determine the zd means that the light spot on the object sweeps over the optical axis during each measurement.

Slveprörelsen, som åstadkommas av -den akusto-optiska avböjningsanordningen 21 (fig.2), ger en avböjning av fläcken som uppgår till Zmm. Detta motsvarar en sveprörelse för strålens skärningspunkt med clan optiska axeln (fokuseringspunkten f) i den optiska axelns riktning som uppgårcill omkring 45 mm. Om föremålets yta befinner us4o4s7s-9 sig tillräckligt nära fokuseringspunkten kommer ljusfläcken på ytan under sin svepnings- rörelse att i någon punkt befinna sig på den 'optiska axeln. Den avböjningsvinkel som kräves för att fläcken skall nå den optiska axeln registreras och användes för att erhålla värdet på zd. i I praktiken kan den ovan omnämnda mätningen av z utföras så att avböjnings- vinkeln svepes över ett; förutbestämt område .genom att drivspänningen för avböjnings- anordningen 21 svepes över ett motsvarande område. Den tvådelade detektorn användes endast för att indikera när intensiteterna för de två halvorna av detektornär lika genom att generera en triggersignal som användes för att vid denna tidpunkt avläsa det exakta värdet på avböjningsanordningens drivspänning._ Denna spänning är relaterad till värdet på zd, somkan beräknas utifrån detta spännningsvärde; i A Skälet till att man använder två strålar a och b kommer nu att kommenteras mer i detalj. Som redan onmärnnts, kommer effekten av linjeringsfel för linserna i det. optiska systemet att elimineras om två strålar användes för att. bestämma zd. I fig. 4 visas en förstorad bild av situationen vid fokuseringspunkten f och vid föremålets yta 12, jämför fig. 4. Denutritade strålen a betyder den centrala linjen för strålen a i det ögonblick när den tvådelade detektorn avger sin triggerpuls. På samma sätt betyder strålen b den centrala linjen för strålenb i det ögonblick av dess sveprörelse när den tvådelade detektorn avger sin triggerpuls. 'De streckade linjerna a', b' betyder de positioner strålarna a och b intager när de inte utsättas för någon avböjning. Den akusto-optiska avböjningen kommer sålunda att åstadkomma .skillnaden mellan a och a' och för strålen b skillnaden mellan b och b”. Avståndet zd kommer sedan att erhållas direkt av värdet på inspänningen till den akusto-optiska avböjningsanordningen. Vidare framgår av fig. 4 att en given avböjning, som kräves för att strålen a skall ge ett bestämt värde på zd, svarar mot ettlika stort-men motsatt värde på avböjningen för strålen b. Sålunda kommer ett värde på zd också att kunna erhållas genom att skillnaden mellan avböjningarna för strålarna a och b divideras med två. Om nu små fel, är inkluderade i mätvärdena på avböjnlngarna för strålarna a och b kommer dessa fel om de är lika stora, att ta ut varandra när skillnaden bestämmas för att beräkna zd. Även eventuella skillnader i strålriktningarna utan avböjning (strålarna a', b') kommeratt ta utvarandra när skillnaden mellan motsvarande spänningsvärden bestämmas, förutsatt att felen är' _ lika för strålarna a och b.The slip movement, which is effected by the acousto-optical deflection device 21 (Fig. 2), gives a deflection of the spot which amounts to Zmm. This corresponds to a sweeping motion of the point of intersection of the beam with the clan optical axis (focusing point f) in the direction of the optical axis which amounts to about 45 mm. If the surface of the object is us4o4s7s-9 is sufficiently close to the focusing point, the light spot on the surface during its sweeping motion will be at some point on the optical axis. The deflection angle required for the spot to reach the optical axis is recorded and used to obtain the value of zd. In practice, the above-mentioned measurement of z can be performed so that the deflection angle is swept over one; predetermined area by sweeping the driving voltage of the deflection device 21 over a corresponding area. The two-part detector is used only to indicate when the intensities of the two halves of the detector are equal by generating a trigger signal which is used to read at this time the exact value of the deflection device's driving voltage. This voltage is related to the value of zd, which can be calculated from this voltage value; i A The reason for using two rays a and b will now be commented on in more detail. As already mentioned, the effect of alignment errors for the lenses comes in it. optical system to be eliminated if two rays were used to. determine zd. Fig. 4 shows an enlarged view of the situation at the focusing point f and at the surface 12 of the object, compare Fig. 4. The drawn beam a means the central line of the beam a at the moment when the two-part detector emits its trigger pulse. In the same way, the beam b means the central line of the beam b at the moment of its sweeping motion when the two-part detector emits its trigger pulse. 'The dashed lines a', b 'mean the positions of the rays a and b when they are not subjected to any deflection. The acousto-optical deflection will thus bring about the difference between a and a 'and for the beam b the difference between b and b'. The distance zd will then be obtained directly from the value of the input voltage to the acousto-optical deflection device. Furthermore, it can be seen from Fig. 4 that a given deflection required for the beam a to give a definite value of zd corresponds to such a large but opposite value of the deflection of the beam b. Thus a value of zd will also be obtainable by that the difference between the deflections of the rays a and b is divided by two. If small errors are now included in the measured values of the deflections of the rays a and b, these errors, if they are equal, will cancel each other out when the difference is determined to calculate zd. Any differences in the beam directions without deflection (beams a ', b') will also take each other out when the difference between the corresponding voltage values is determined, provided that the errors are equal to the beams a and b.

I fig. 5 visas de elektriska signaler som användes i samband med mätningen av zd som beskrivits ovan. Den översta kurvan utgöres av spänningen Um som bestämmer frekvensen för den akusto-optiska modulatorn. Sålunda ger det ena spänningsvärdr strålena och det andra spänningsvärdet ger strålen b. Nästa kurva illustrerarvin- spänningen Ud till en drivkrets för den akusto-optiska avböjningsenheten. Spänningen utgöres av en linjär ramp, som sveper över ett förutbestämt spänningsområde' svarande mot ett bestämt vinkelområde. Den tredje kurvan illustrerar spänningskillnaden U = 'I _' f..- .:, _. .ag ,._...._....___,... « v-»aw-mss-r _ _ ._ _ 1 i i l ~84Û4376~9 UDl ~ UDZ mellan de två halvorna i den tvådelade detektorn. När fläcken av reflekterat ljus sveper över den gränslinje som separerar de två detektorhalvorna, passerar spänningsskillnaden snabbt noll. Denna nollgenomgång ger sålunda en skarp triggersignal. Den understa kurvan illustrerar utsignalen Ut för den i den linjära translatorn anordnade positionsdetektorn, vilken innefattar en galvanometer. I det ögonblick när nollgenomgången uppträder, avläses spänningsvärdet Uda för den akusto-optiska avböjningsanor-dningen och .även spänningen Uta, i som svarar mot positionen för den linjära translatorn. Under den andra hälften av mätcykeln avläsas de motsvarande spänningsvärdena Udb och Utb för strålen b. Dessa fyra spänningsvärden omvandlas till digitala tal i en analog digitalomvandlare. För varje z-mätning inmatas sålunda fyra digitala tal till den dator som användes för beräkning av avstånds- värdena z. j I ' En ytterligare kommentar måste göras beträffande själva mätningen. Det är ett krav att linsen förflyttas så att fokuseringpunktenf blir belägen inom 4mm från föremålets yta 12. Endast då-kan två tillförlitliga nollgenomgångssignaler erhållas, en för varje stråle, så att mätningen blir tillförlitlig. Nu är det just värdet på zd som ger avståndet mellan fokuseringspunkten och föremålets yta. Därför kräves en så färsk information som möjligt om det aktuella värdet på zd. Vidare kräves en så tillförlitlig information som möjligt för detta värde zd också i det fall att zd är större än 4 mm.Fig. 5 shows the electrical signals used in connection with the measurement of zd as described above. The uppermost curve consists of the voltage Um which determines the frequency of the acousto-optical modulator. Thus, one voltage value gives the beams and the other voltage value gives the beam b. The next curve illustrates the wine voltage Ud to a drive circuit for the acousto-optical deflection unit. The voltage consists of a linear ramp, which sweeps over a predetermined voltage range corresponding to a specific angular range. The third curve illustrates the voltage difference U = 'I _' f ..-.:, _. .ag, ._...._....___, ... «v-» aw-mss-r _ _ ._ _ 1 iil ~ 84Û4376 ~ 9 UDl ~ UDZ between the two halves of the two-part detector . When the spot of reflected light sweeps over the boundary line separating the two detector halves, the voltage difference quickly passes zero. This zero crossing thus gives a sharp trigger signal. The bottom curve illustrates the output signal Ut for the position detector arranged in the linear translator, which comprises a galvanometer. At the moment when the zero crossing occurs, the voltage value Uda is read for the acousto-optical deflection device and also the voltage Uta, which corresponds to the position of the linear translator. During the second half of the measurement cycle, the corresponding voltage values Udb and Utb are read for the beam b. These four voltage values are converted into digital numbers in an analog digital converter. Thus, for each z-measurement, four digital numbers are input to the computer used for calculating the distance values z. J I 'A further comment must be made regarding the measurement itself. It is a requirement that the lens be moved so that the focusing point f is located within 4mm of the surface of the object 12. Only then can two reliable zero-crossing signals be obtained, one for each beam, so that the measurement becomes reliable. Now it is precisely the value of zd that gives the distance between the focus point and the surface of the object. Therefore, as fresh information as possible is required about the current value of zd. Furthermore, as reliable information as possible is required for this value zd also in the case that zd is greater than 4 mm.

Värdet på z d behövs sålunda under alla förhållanden, och speciellt är tecknet för zd av intresse för att den linjära translatorn skall startas' i korrekt riktning för att ställa in positionen för den rörliga linsen. _ , Kravet på värdet respektive tecknet på z uppfylles på följande sätt. Den ljuskänsliga ytan på den tvådelade detektorn väljes så stor att även -i de fall den akusto-optiska avböjningen inte förmår föra bilden av ljusfläcken till gränslinjen mellan de två halvorna i detektorn tillräckligt mycket ljus kommer att detekteras av en av halvorne för att ge en tillförlitlig indikation på tecknet på zd. På samma sätt kommer bilden av deniandra strålen att falla på den andra» halvan av den tvådelade detektorn.The value of z d is thus needed in all conditions, and in particular the sign of zd is of interest for the linear translator to be started in the correct direction to set the position of the movable lens. _, The requirement of the value or the sign of z is fulfilled in the following way. The light-sensitive surface of the two-part detector is chosen so large that even in cases where the acousto-optical deflection is unable to bring the image of the light spot to the boundary line between the two halves of the detector, enough light will be detected by one of the halves to provide a reliable indication of the sign on zd. In the same way, the image of the second beam will fall on the other half of the two-part detector.

Sålisnda existerar under mätcykeln för strålen a en obalans i en viss riktning i spännings- skillnaden Vol - VDZ från detektorn och för strålen b uppkommer en obalans i motsatt riktning. Följaktligen kommer tecknen för dessa två obalanser och information om att de två ljusfläckarna inte passerar över gränslinjen mellan' de två halvorna i' den tvådelade detektorn att möjliggöra för elektroniken att fastställa att ett stort värde på z föreligger med ett bestämt tecken. Elektroniken kommer därefter att starta den d linjära translatorn så att denna med maximal hastighet drives i den riktning som korrigerar distansfelet. När sedan linsen har förflyttats tillräckligt för att nollgenom- gång skall uppträda kommer systemet att ha en mer tillförlitlig indikation zd. Värdet “ på z användes därefter för att driva den linjära translatorn och en god servodrivning är d då tillgänglig för att göra zd lika med noll. 8404376-9 För styrning av mätanordningenuär den försedd med en elektronisk utrustning vilken representeras av blocket 17 i fig. l. Detta elektronikblock utnyttjas för kontroll av den akusto-optiska modulatorn, den akusto-optiska avböjningsanordningen och den linjära translatorn. Vidare är detta block anslutet till den tvadelade' detektorn för att därifrån mottaga triggersignaler för nollgenomgàng liksom till datorn, som represen- teras av blocket 24 i fig. l.Thus, during the measuring cycle for the beam a, an imbalance exists in a certain direction in the voltage difference Vol - VDZ from the detector, and for the beam b an imbalance arises in the opposite direction. Consequently, the signs of these two imbalances and information that the two light spots do not cross the boundary line between the 'two halves of' the two-part detector will enable the electronics to determine that a large value of z exists with a certain sign. The electronics will then start the d linear translator so that it is driven at maximum speed in the direction that corrects the distance error. When the lens has been moved enough for zero throughput to occur, the system will have a more reliable indication zd. The value “of z” is then used to drive the linear translator and a good servo drive is then available to make zd equal to zero. 8404376-9 For controlling the measuring device, it is provided with an electronic equipment which is represented by the block 17 in Fig. 1. This electronic block is used for checking the acousto-optical modulator, the acousto-optical deflection device and the linear translator. Furthermore, this block is connected to the two-part detector for receiving from it zero-pass trigger signals as well as to the computer, which is represented by the block 24 in Fig. 1.

Som redan» beskrivits ovan mottager datorn spänningsnivàinformation från driv- anordningen för den akusto-optiska avböjningsanordningen för beräkning av av- liksom spänningsnivàinformation från drivanordningen för den linjära trans- ståndet z d 'Datorn beräknar därefter avståndet z som latorn vilken representerar-avståndet zt. summan av zd och zt. Elektroniken kan konstrueras på olika sätt och en lämplig dator kan utväljas bland de stora antal datorer som finns tillgängliga på marknaden. Någon detaljerad beskrivning av elektronik- och datorblooken kommer inte att ges.As already described above, the computer receives voltage level information from the drive of the acousto-optical deflector for calculating as well as voltage level information from the drive of the linear transistor z d '. The computer then calculates the distance z as the lathe representing the distance zt. the sum of zd and zt. The electronics can be designed in different ways and a suitable computer can be selected from the large number of computers available on the market. No detailed description of the electronics and computer look will be given.

AJ..OUCH..

Claims

s4o4s7e-9 8 Patent claims

Measuring device for identifying the surface profile of an object (13) by measuring the distance between a point on the object and a reference point, which measurement is repeated successively, comprising a light source (10) emitting a narrow light beam, a first optical system ( 11, 19) for directing the light beam to the object (13) to form a light spot (S1) thereon and a second optical system (11, V23) for directing light reflected from said light spot (51) to a light-sensitive detector ( l5; 01.02), characterized by means (ll) included in the first optical system for focusing the light beam on the optical axis (20) of the system, and 'by means (22): for moving the focusing point along said optical axis, deflection means (21) for deflecting, the light beam so that the light spot on the object (13) is moved towards said optical axis (20), means (24) for determining the distance (zt) the intermediate reference point and the focusing point (f) arrow the optical axis (20) for the t first optical system (11, 19), and means (24) for determining the distance (zd) between the object (13) and said focusing point (f) from the deflection distance of the light beam from its point of intersection with said optical axis at the surface of the object and the point of impact on the surface of a light beam passing through said focusing point (f). 'i

Measuring device according to claim 1, characterized in that a light switching device (25) is arranged to generate two alternately activated light beams (a, b), of which one beam (a) is directed so that it meets one half of) the aperture of the lenses included in the first optical system (ll, l9) and the second beam (b) is directed so as to meet the opposite half of said aperture.

Measuring device according to Claim 1 or 2, characterized in that the means (22) for moving the focusing point of the light beam are constituted by a movable lens. i I n _

4. A measuring device according to claim 3, characterized in that means (22) are arranged for moving said movable lens towards and away from the object (13), which means cooperate with a measuring system which emits a voltage whose magnitude corresponds to the position of the movable lens (11).

Measuring device according to any one of the preceding claims, characterized in that the light-sensitive detector (15) consists of a two-part detector consisting of two separate, adjacent light-sensitive parts (01, 02), the detector being so arranged that it emits a zero crossing signal when the light spot consisting of reflected light (S2) equally illuminates the two said light-sensitive parts (01, 02) of the detector corresponding to the deflected light beam passing said optical axis (20) at the surface (12) of the object (13). A

Measuring device according to Claim 5, characterized in that the means (24) for determining the distance zd between the focusing point (f) and the object (13) are connected to the light-sensitive detector (15), the zero-pass signal "from ___, w -------- »« »- = -, s .. H _,“ LM _f -._ r »_r.,.:, <.», ~ «.; ~ Ø-,» av Mia .,;, __, ;;, ___ 1 _____.;, __, r_q_ 'yi i., F, i. I. 8404316-9 the detector is operative, to activate the means (24) to emit a signal corresponding to said distance.

Measuring device according to Claim 5 or 6, characterized in that the deflection means (21) are driven by a sweep voltage (U d), the magnitude of which (U d8, U db) is sensed when the zero crossing signal occurs, this magnitude representing * - .iet zd between the focus point (f) and the object (13).

Measuring device according to Claims 2 to 7, characterized in that a control device (17) is arranged to sample for each beam (a; b) the voltage (Uta, Utb) which corresponds to the movable lens ( 11) position as well as the deflection voltage (Udaßdb), whereby both sampling values are taken when the Anoll passage signal occurs, and calculating means (24) are arranged to calculate the distance (z) between the reference point and the current point on the surface (12) of the object (13) a first value (zt) determined by the two voltage values (Uda ﬂ db), which represent the position of the lens for the respective beam (a, b) and a second value _ (zd) determined by the difference between the two corresponding deflection voltage values (Udapdb). Measuring device according to claim 8, characterized in that position estimating means (24) are arranged which are connected to the light-sensitive detector (15) and to the means (22) for moving the movable lens (11), said position estimating means (24) actuates the drive means (22) for the lens to move it. at high speed until the signal from the detector (15) indicates that the focusing point (f) of the moving lens is within a predetermined range of distances from and near the object (13), the detector signal further influencing the control (17) to start sampling said voltages. (Uta, Utb; Uda, Udb), which represent av-

9. Stand ﬂ dßt (zt) between the focus point (f) and the reference point and the distance (zd) between the focus point (f) and the object (13).

Measuring device according to one of Claims 2 to 9, characterized in that the light switching device (25) consists of an acousto-optical modulator.

Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection means (21) consist of an acousto-optical deflection device.

Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the light source (10) is constituted by a laser. i j

13. Measuring device according to any one of claims 2-12, characterized in that the switching frequency of the light beam is about 1 kHz. _ i _

14. Measuring device according to any one of claims 3-13, characterized in that the movable lens. (11) in the first optical system also forms part of the second optical system, the latter system also comprising a beam splitting device (14) which allows light from the light source (10) to pass through but deflects reflected light. from the object (13) to the light-sensitive detector (15).

Measuring device according to Claim 14, characterized in that the light-splitting device (14) consists of a semi-transparent mirror. _, _._,