SE444728B - Metanordning for identifiering av ytprofilen hos ett foremal - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

AJ..

Claims (15)

s4o4s7e-9 8 Patentkrav

1. l._ Mätanordning för identifiering av ytprofilen hiosett föremål (13) genom mätning av avståndet mellan en punkt på föremålet och en referenspunkt, vilken mätning upprepas successivt, omfattande en ljuskälla (10) vilken avger en smal ljusstrale, ett första optiskt system (11,l9) för att leda ljusstrålen till föremålet (13) för att bilda en ljusfläck (S1) på detta och ett andra optiskt system (1l,V23) för att leda ljus som reflekteras från nämnda ljusfläck (51) till en ljuskänslig detektor (l5; 01,02), k ä n- n e t e c k n a d av organ (ll) som ingår i det första optiska systemet för fokusering av ljusstralen på den optiska axeln (20) för systemet, och 'av organ (22): för att förflytta fokuseríngspunkten utmed nämnda optiska axel, avböjningsorgan (21) för avböjning av, ljusstrålen så att ljusfläcken pa föremålet (13) förflyttas mot nämnda optiska axel (20), organ (24) för bestämning av avståndet (zt) mellanreferenspunkten och fokuserings- punkten (f) pil den optiska axeln (20) för det första optiska systemet (1l,19), och organ (24) för bestämning av avståndet (zd) mellan föremålet (13) och den nämnda foku- seríngspunkten (f) utifrån avböjningssträckan för ljusstrålen frän dess skärningspunkt med nämnda optiska axel vid föremalets yta och träffpunkten pâ ytan för en ljusstråle som passerar genom nämnda fokuseringspunkt (f). ' i

2. Mätanordning enligt .patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att en ljus- omkopplingsanordning (25) är anordnad att generera två omväxlande aktiverade ljus- stralar (a,b), av vilka den ena strålen (a) är riktad så att den uppfyller ena halvan av) aperturen för de linser som ingar i det första optiska systemet (ll,l9) och den andra stralen (b) är riktad så att den uppfyller den motsatta halvan av nämnda apertur.

3. Mätanordning enligt patentkravet 1 eller 2, k n n e t e ck n a d därav, att organen (22) för förflyttning av fokuseringspunkten för ljusstrålen utgöres av en rörlig lins. i I n _

4. i Mätanordning enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c kn a d därav, att organ (22) är anordnade för förflyttning av nämnda rörliga lins mot och från föremålet (13), vilka organ samverkar med ett mätsystem, som avger en spänning vars storlek motsvarar den , rörliga linsens (11) position.

5. Mätanordning enligt .något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, att den ljuskänsliga detektorn (15) utgöres-av en tvådelad detektor som består av tvâ separata, intill varandrabelägna ljuskänsliga delar (01, 02), varvid detektorn är så anordnad att den avger en nollgenomgångssignal när den av reflekterat ljus bestående ljusfläckeri (S2) i lika grad belyser de två nämnda ljuskänsliga delarna (0l,02) hos detektorn svarande mot att den avböjde ljusstràlen passerar nämnda optiska axel (20) vid ytan (12) hos föremålet (13). A

6. Mätanordning enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k nad därav, att organen (24) för bestämning av avståndet zd mellan fokuseringspunkten (f) och föremålet (13) är anslutna till den ljuskänsliga detektorn (15), varvid nollgenomgângssignalen "fran ___, w--------» «»-=-- , s.. H _, “LM _f-._r»_r.,.:,<.»,~«.;~ø-, »av Mia., ;,__,;;,___1_____.;,__,r_q_' y i i., f, i . i. 8404316-9 detektorn är verksam, för att aktivera organen (24) att avge en signal som motsvarar nämnda avstånd.

7. Mätanordning enligt Vpatentkravet 5 eller 6, k ä n n e t e c k n a d därav, att av- i böjningsorganen (21) drives av en svepspänning (U d), vars storlek (U d8,U db) avkännes när nollgenomgängssignalen uppträder, varvid denna storlek representerar avstår*- .iet zd mellan fokuseringspunkten (f) och föremålet (13).

8. Mätanordning enligt patentkraven 2 - 7, k ä n n e t e c I' n a d därav, att en styr- anordning (17) är anordnad att för varje stråle (a;b) sampla spänningen (Uta,Utb) som svarar mot den rörliga linsens (11) position liksom avböjningsspänningen (Udaßdb), varvid båda samplingsvärdena tages när Anollgenomgàngssignalen uppträder, varjämte beräkningsorgan (24) är anordnade att beräkna avståndet (z) mellan referenspunkten och den aktuella punkten pà ytan (12) hos föremålet (13) utifrån sumrr in av ett första värde (zt) som bestämmas av de tvâ spänningsvärdena (Udafldb), vilka representerar linsens position för respektive strale (a,b) och ett andra värde _ (zd) som bestämmes av skillnaden mellan de tvâ motsvarande avböjningsspänningsvärdena (Udapdb). _ 9. Mätanordning enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a d därav, att positions- uppskattningsorgan (24) är anordnade vilka är anslutna till den ljuskänsliga detektorn (15) och till organen (22) för förflyttning av den rörliga linsen (ll), varvid nämnda positionsuppskattningsorgan (24) påverkar drivorganen (22) för linsen att förflytta denna. med hög hastighet till dess signalen från detektorn (15) indikerar att fokuseringspunkten (f) för den rörliga linsen befinner sig inom ett förutbestämt avståndsomrâde från och nära föremålet (13), 'varvid detektorsignalen vidare påverkar styranoydningen (17) att starta samplingen av nämnda spänningar (Uta,Utb;Uda,Udb), vilka representerar av-

9. Ståfldßt (zt) mellan fokuseringspunkten (f) och referenspunkten respektive avståndet (zd) mellan fokuseringspunkten (f) och föremålet (13).

10. Mätanordning enligt något av patentkraven 2-9, k n n e t e c k n a d därav, att ljusomkopplingsanordningen (25) utgöres av en akusto-optisk modulator.

11. Mätanordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, att avböjningsorganen (21) utgöres av en akusto-optisk avböjningsanordning.

12. Mätanordning _ enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, att ljuskällan (10) utgöres, av en laser. i j

13. Mätanordning enligt nagot av patentkraven 2-12, k ä n n e t e c k n a d därav, att omkopplingaf-rekvensen för ljusstrålen är omkring l kHz. _ i _

14. Mätanordning\ enligt något av patentkraven 3-13, k ä n n e t e, c k n a d därav, att den rörliga linsen. (11) i det första optiska systemet också utgör en del av det andra optiska systemet, vilket sistnämnda system också innefattar en stràluppdelnings- ' anordning (14), som medger att ljus från ljuskällan (10) kan passera genom men avböjer _ ljus som reflekterats från föremålet (13) till den ljuskänsliga detektorn (15).

15. Mätanordning enligt patentkravet 14, k ä n n e t e c k n a d därav, att ljusupp- delningsanordningen (14) utgöres av en halvtransparent spegel. _,_._,