WO2010063521A2 - Optische messanordnung und optisches messverfahren - Google Patents

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WO2010063521A2 PCT/EP2009/064293 EP2009064293W WO2010063521A2 WO 2010063521 A2 WO2010063521 A2 WO 2010063521A2 EP 2009064293 W EP2009064293 W EP 2009064293W WO 2010063521 A2 WO2010063521 A2 WO 2010063521A2
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Simon Dietrich
Ralph Hohenstein
Andreas Otto
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Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
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    • G01S7/4812—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver transmitted and received beams following a coaxial path

Definitions

  • the present invention relates to an optical measuring arrangement having the features of the preamble of claim 1. It further relates to a method having the features of the preamble of claim 20.
  • Optical measuring arrangements and measuring methods are known in the most varied embodiments. Particularly in the case of high-precision mechanical and / or optical processing methods, such as, for example, in laser beam material processing processes, there is a need for precise control and monitoring of the processing steps. Also in quality assurance and monitoring, there is a need for optical measurement techniques that enable accurate component detection and measurement. Another useful application for such methods is a process monitoring, eg. In welding processes or other joining and / or manufacturing processes.
  • DE 36 44 866 A1 discloses an optical sensor with a light source, from which a bundle of light beams is coupled into an end face of a light-conducting body.
  • the light rays are totally reflected or coupled out of the body at an interface of the body as a function of its optical properties.
  • the totally reflected light rays hit a second face.
  • a plurality of photosensitive elements are provided for detecting an angular range occupied by the bundle after total reflection or decoupling has taken place.
  • the body is designed as an elongate light guide in which light beams are multiply totally reflected, the optical refractive index of the light guide over its length decreases towards the face.
  • the photosensitive elements are arranged at an axial distance from an end face. They form an incident surface for a bundle of light rays emerging from the end face. The elements are connected in an evaluation circuit with a counter which outputs the number of elements illuminated by the bundle as an output signal in digital form.
  • Another optical sensor is known from DE 37 12 699 A1.
  • This sensor comprises a light-conducting measuring body, which is provided with spatially distributed luminous bodies, which emit light beams in a diffuse distribution. Depending on the optical properties of the measuring body, the light beams exit at interfaces of the measuring body or are totally reflected. The totally reflected light rays are coupled out at an end face of the measuring body and fall on photosensitive elements whose output signal forms an electrical signal.
  • the measuring body has a light-conducting core of a first refractive index and a light-conducting core surrounding a second refractive index, wherein the first refractive index is greater than the second refractive index and this in turn larger is a third refractive index of an outer space surrounding the cladding.
  • the light rays guided in the core by total reflection are coupled out of the end face separately from light rays guided in the cladding by total reflection and supplied to separate photosensitive elements.
  • an optical measuring device for the quantitative, high-resolution measurement of distances, forces, elasticities, pressures and accelerations.
  • the device comprises a light source, a body permeable to its light, an optical waveguide and a light quantity measuring unit.
  • the optical waveguide is attached to a holder in this evanescent field introduced.
  • the surface of the light-transmissive body facing the light entry surface of the optical waveguide is processed so that light from the evanescent field can be coupled into the optical waveguide.
  • the quantity of light coupled into the optical waveguide from the evanescent light field is measured with the light quantity measuring unit.
  • the holder is attached to the optical waveguide so that the portion of the optical waveguide between the tip and the holder can be deflected perpendicular to the longitudinal axis of the optical waveguide and this deflection results in a variation of the amount of light measured by the light quantity measuring unit.
  • EP 0 978 708 A1 discloses a rotational position-measuring device according to an interferential principle of operation, comprising a housing, a scanning unit rigidly connected to the housing, comprising a light source and at least one detector element, a reflection scanning graduation structure arranged flat on the vibration-insensitive housing, which is arranged opposite the scanning assembly, and a dividing disk which is connected to a rotatable shaft and has a radial transmission measuring graduation structure.
  • the indexing disk is rotatably arranged about its axis of symmetry in the housing, so that the measuring graduation structure between the Abtastbautechnik and the Abtastottis- structure is located.
  • the beams emitted by the light source first arrive at the measuring graduation structure, where a splitting into diffracted partial beams of different orders takes place.
  • the diffracted partial beams then impinge on the scanning graduation structure, where under diffraction re-diffraction into different diffraction orders occurs and back reflection of the diffracted TeN beams results in the direction of the measurement split structure where the diffracted partial beams interfere and are detected via the at least one detector element.
  • the object of the invention is to provide an easily manageable and precise measurement result-supplying non-contact measuring arrangement and a correspondingly improved method for the optical measurement and / or monitoring of radiation sources for electromagnetic radiation, in particular of process steps and / or components.
  • the present invention comprises an optical measuring arrangement for non-contact optical scanning and / or detection of surfaces and / or processing zones of workpieces and / or processes, in particular for detecting the position of emission sources of electromagnetic radiation.
  • emission sources may be, in particular, luminous phenomena in the region of processing zones of workpieces such as, for example, laser processing zones or the like.
  • the optical measuring arrangement comprises at least one incident light arranged in the beam path of an electromagnetic radiation emitted by a measuring point or the emission source.
  • angle sensor which is coupled to an evaluation unit for detecting the output signals of the at least one angle of incidence sensor.
  • the incident angle sensor comprises at least one optical body arranged in the beam path of the electromagnetic radiation emitted by the measuring point or radiation emission source and at least partially transparent to the electromagnetic radiation, which has at least one exit point acting as an interface for dividing the electromagnetic radiation into diffracted and reflected portions having.
  • the basic principle of this measuring arrangement is based on the changed transmission and reflection behavior of electromagnetic radiation at an optical interface when radiation emerges from an optically denser region into an optically thinner region.
  • the optically denser region is an at least partially transparent body, while the optically thinner region can be formed, for example, by air.
  • the incident angle sensor can also detect only absolute values of the intensities of the diffracted and / or reflected portions of the electromagnetic radiation emitted at the interface.
  • Such a variant can serve, for example, to measure its position at a constant intensity of the electromagnetic radiation emitted by the radiation source.
  • a preferred embodiment of the invention provides an incident angle sensor which, in addition to the optical body, comprises at least two intensity sensors for detecting the diffracted and reflected portions of the electromagnetic radiation emitted at the interface.
  • the optical body preferably has an approximately perpendicular to the beam path of the emitted from the measuring point or the radiation emission source electromagnetic radiation first interface as entry point and an angled thereto second interface as a point of exit for the electromagnetic radiation.
  • the optical body may have a cylindrical, a cuboid or other regular contour with at the exit point and the second boundary surface formed therefrom for the electromagnetic radiation beveled surface.
  • the diffracted at the second interface portion of the electromagnetic radiation strikes a first intensity sensor whose signals are evaluated and used to determine the proportion of the diffracted portions in relation to the reflected portions of the radiation.
  • the portion of the electromagnetic radiation reflected at the second interface is deflected approximately perpendicular to the longitudinal direction of the optical body and to the beam path of the electromagnetic radiation emitted by the measuring point or radiation emission source, emerges from the optical body approximately perpendicular to its lateral surface functioning as a third interface meets a second intensity sensor whose sensor signals can be compared with those of the first intensity sensor.
  • the optical body has an approximately perpendicular to the beam path of the emitted from the measuring point or the radiation emission source electromagnetic radiation oriented first interface as an entry point. Furthermore, the body according to an embodiment variant of the measuring arrangement according to the invention to the first interface and angled to each other second and fourth interfaces as exit points for the electromagnetic radiation.
  • the optical body come, for example, a cylindrical, cuboid or other regular shape with at the exit point and the second and fourth interfaces formed thereby for the electromagnetic radiation beveled surfaces in question.
  • the second and fourth boundary surfaces are inclined relative to one another and symmetrically to the longitudinal extension direction of the optical body and to the beam path of the electromagnetic radiation emitted by the measuring point or radiation emission source. In this way, the portions of the electromagnetic radiation which are diffracted at the second and at the fourth boundary surface can strike respective first intensity sensors.
  • the portions of the electromagnetic radiation reflected at the second and at the fourth boundary surface can be used Radiation respectively approximately perpendicular to the longitudinal extension direction of the optical body and to the beam path of the electromagnetic radiation emitted by the measuring point or radiation source are deflected so that they emerge from the optical body approximately perpendicular to its acting as a third interface shell surface and in each case to second Can take intensity sensors.
  • a plurality of incident angle sensors can be formed from a plurality of individual optical bodies and their respectively associated first and second intensity sensors.
  • two, three or more incident angle sensors can be grouped into an optical measuring arrangement, which can be used for better spatial resolution of the position of the measuring point or emission source for the electromagnetic radiation.
  • a diaphragm in the beam path between the measuring point or the emission source for electromagnetic radiation and the measuring arrangement formed from at least two angle of incidence sensors, a diaphragm can be arranged, which serves primarily for substantially only parallel electromagnetic beams in the vertical direction to hit the first interface where the electromagnetic rays enter the body.
  • a diaphragm can suitably orient the electromagnetic beams in such a way that they can impinge in each case in a parallel direction on a plurality of grouped incident angle sensors.
  • an optical filter can be arranged in the beam path between the measuring point or the emission source for electromagnetic radiation and the measuring arrangement formed from at least one Einfallswinkelsen- sensor, which can serve the selection or the suppression of certain wavelength ranges.
  • a beam splitter can be arranged in the beam path between the measuring point or the emission source for electromagnetic radiation and the measuring arrangement formed from at least one angle of incidence sensor.
  • the possible uses of the measuring arrangement according to the invention are manifold.
  • the measuring arrangement may be part of a material processing device, in particular a laser processing device.
  • the present invention thus relates to a non-contact sensor concept and to a measuring method for three-dimensional position measurement of the intensity center of gravity of a luminous phenomenon from large working distances and distances. This can be either the diffuse reflection of a measuring light source such as, for example, a pilot laser or a self-emitting source such as process plasma.
  • a plurality of partial beams of the measuring light are imaged via diaphragms and a specially shaped optical element is imaged on a plurality of intensity-sensitive detectors.
  • the incident radiation in the optical element falls at an angle near the critical angle for the total reflection on an optical interface and is there partly reflected and transmitted to the other part.
  • the ratio of the two radiation components shifts.
  • partial beams can be measured in their exact angle of incidence.
  • the basic principle of the present invention is based on the changed transmission / reflection behavior of radiation at an optical interface in the area of total reflection.
  • the variance in total reflection refers to the angle of incidence of the radiation with respect to the optical interface. Neglecting absorption, the reflected and transmitted radiation components complement each other to 100%. If the ratio in the angular range is considered shortly before the total reflection limit, this ratio shifts very clearly. Because a radiation quotient is evaluated, the measured value is independent of the radiation intensity of the incident beam. Thus, an orthogonal incident angle sensor can be designed.
  • the invention relates to an optical measuring arrangement for non-contact detection of surfaces of workpieces and / or processing zones of workpieces or of processes and process areas.
  • a beam splitter for decoupling reflected light from the measuring point can be provided between a measuring point and a light source.
  • a plurality of intensity sensors arranged in the beam path of the light emitted or decoupled from the measuring point and provided with a Evaluation unit for detecting the output signals of the intensity sensors are coupled.
  • the measuring arrangement according to the invention is characterized by an optical interface arranged between the beam splitter and at least two intensity sensors for splitting the decoupled light into reflected and transmitted and / or diffracted components.
  • This optical interface may be formed by a suitable optical body such as a prism or other suitable optical element.
  • a variation of the distance of the optical interface or of the optical body from the object to be measured provides a corresponding change in the proportions of reflected and transmitted light, so that the light intensities measured by the various sensors also change.
  • the detection of these changes can provide a very accurate mapping of the object data, so that the object can be measured very precisely.
  • processing zones for example, in a laser beam processing, can be very accurately measured and monitored, because each variation of the light emission also has effects on the detected light intensities at the various sensors.
  • the optical measuring arrangement according to the invention, several, for example at least two or three intensity or incidence angle sensors are assigned to at least two different boundary surfaces of the optical body.
  • the at least two or three incident angle sensors or intensity sensors are each arranged orthogonally independently of one another. In this way, sufficient measurement accuracy can already be provided by means of three such sensors. Possibly. By using four or more sensors, an even higher resolution can be achieved.
  • a diaphragm can be arranged in the beam path between the optical body and the beam splitter.
  • an optical filter o. The like. Be arranged, whereby a higher measurement resolution can be achieved.
  • An essential aspect of the present invention is the detection of a quotient of transmission and reflection of light components, which are obtained by an optical body having a plurality of optical interfaces from the light emission of a body and / or a process zone to be monitored.
  • the optical body having the plurality of optical interfaces provides beam splitting and thereby enables differential formation. Different optical bodies can be used have different refractive indices.
  • the optical measuring arrangement according to the invention can in particular be part of a laser processing device.
  • the invention further relates to a method for non-contact optical scanning and / or detection of surfaces and / or processing zones of workpieces and / or processes, in particular for detecting the position of emission sources of electromagnetic radiation by means of at least one in the beam path emitted by a measuring point or emission source electromagnetic Radiation arranged incident angle sensor, which is coupled to an evaluation unit for detecting the output signals of the at least one angle of incidence sensor.
  • a measuring point or emission source electromagnetic Radiation arranged incident angle sensor which is coupled to an evaluation unit for detecting the output signals of the at least one angle of incidence sensor.
  • a variant of the method provides that the incident angle sensor arranged in the beam path of the emitted from the measuring point or radiation emission source electromagnetic radiation for the electromagnetic radiation at least partially transmissive optical body with at least one acting as an interface exit point for dividing the electromagnetic radiation in diffracted and comprises reflected shares.
  • the incident angle sensor With the incident angle sensor, a division ratio of the diffracted and reflected components of the electromagnetic radiation emitted at the interface can be detected.
  • absolute values of the intensities of the diffracted and reflected portions of the electromagnetic radiation emitted at the interface can be detected with the incident angle sensor.
  • the incident angle sensor at least the intensities of the portions of the electromagnetic radiation which are diffracted and reflected at the interface of the optical body can be detected.
  • the angle of the boundary surface to the longitudinal direction of the beam path is to be dimensioned as a function of the refractive properties of the optical body such that both diffracted and reflected portions of the electromagnetic radiation are formed.
  • a portion of the electromagnetic radiation diffracted at the interface of the optical body is detected by a first intensity sensor.
  • a fraction of the electromagnetic radiation reflected at the interface can be approximately perpendicular to the longitudinal extension direction of the optical body as well as for irradiation.
  • gear of the electromagnetic radiation emitted by the measuring point or radiation emission source are deflected, after which it emerges from the optical body approximately perpendicularly from its lateral surface and can be detected by a second intensity sensor.
  • two, three, or more incident angle sensors can be grouped into an optical measurement arrangement for spatially resolving the location of the measurement site or emission source for the electromagnetic radiation, whereby the measurement accuracy and resolution can be increased.
  • the inventive method for non-contact detection of surfaces of workpieces and / or processing zones of workpieces and / or process zones provides that reflected or emitted light coupled from the measuring point and by means of several arranged in the beam path of the coupled light intensity sensors with an evaluation is detected for detecting the output signals of the intensity sensors, wherein an evaluation of a quotient of reflected and transmitted radiation is provided at an optical interface by means of at least one pair of intensity sensors.
  • at least one sensor detects a proportion of reflected radiation and at least one further sensor detects a proportion of transmitted radiation.
  • This division of the light into transmitted and reflected portions can be effected, in particular, by means of a suitable optical body having a plurality of optical interfaces, such as, for example, a prism.
  • An advantageous variant of the method provides that at least two or three intensity sensors are provided, which are each arranged orthogonally independently of one another.
  • a particularly useful application for a sensor system according to the invention as well as a corresponding measuring method can be seen in all types of laser processing methods. Also for system integrators and component suppliers in plant construction, there are many useful applications. Particularly advantageous applications also arise for process diagnostics for quality assurance or in a broader sense for process control. Last but not least, a component measurement can also be carried out in the setup mode by measuring a reference light. A potential for further fields of application lies, for example, in a flame measurement in burners or in a surface measurement in testing technology.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section of an embodiment variant of a measuring arrangement according to the invention.
  • Fig. 2 shows a simplified representation of a measuring arrangement.
  • FIG. 3 shows a schematic longitudinal section of an embodiment variant of a measuring arrangement according to the invention.
  • FIG. 4 shows a simplified illustration of a measuring arrangement.
  • FIG. 5 shows a further view of the measuring arrangement according to FIG. 3.
  • Fig. 6 shows a construction variant of a measuring arrangement.
  • FIG. 7 shows a diagram of a relationship between a measuring light position in the x direction and measured value quotients of the sensor pairs of the measuring arrangement.
  • FIG. 8 shows a diagram of a relationship between a measuring light position in the z direction and measured value quotients of the sensor pairs of the measuring arrangement.
  • FIG. 9 shows a diagram of a relationship between a measuring light position in the x direction and individual measured values of the sensor pairs of the measuring arrangement.
  • FIG. 10 shows a diagram of a relationship between a measuring light position in the x direction and measured value sums of the sensor pairs of the measuring arrangement.
  • FIG. 11 shows a nominal / actual comparison of the calibrated measurement of a
  • the basic principle of the measuring arrangement according to the invention and of the measuring method that can be carried out with it is based on the changed transmission and reflec- Lexicon behavior of electromagnetic radiation at an optical interface in the field of total reflection.
  • the principle of total reflection used for the present invention is illustrated with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the described variance relates to the angle of incidence of the radiation with respect to the optical interface. Neglecting absorption, the reflected and transmitted radiation components complement each other to 100%. If one considers the ratio in angular range shortly before the total reflection limit, this ratio shifts very clearly. Because a radiation quotient is evaluated, the measured value is independent of the radiation intensity of the incident beam. Thus, an orthogonal incident angle sensor can be designed.
  • the electromagnetic beams or light beams emanating from a measuring point 2 or a radiation emission source are passed through an optically dense body 4, which, according to the present exemplary embodiment, is formed by a glass body or a prism-like body or the like can.
  • an optically dense body 4 which, according to the present exemplary embodiment, is formed by a glass body or a prism-like body or the like can.
  • the beams are partially diffracted and directed to the outside and partially totally reflected and reflected back into the body 4.
  • i c Depending on the selected refractive index of the body 4 there is a critical angle i c at which a transition from diffraction phenomena to total reflection takes place.
  • this region is particularly interested in the critical angle i c , so that the interface 6 on the body 4 is to be shaped accordingly and tilted with respect to the beam direction, that both diffracted radiation components and totally reflected radiation components are measured and evaluated in their intensities can be.
  • the proportion of the reflected rays near the critical angle suddenly increases sharply, so that these large fluctuations in the ratio between reflected and transmitted portions due to very small changes in the angle of incidence of the rays on the interface for orientation and / or measuring the measuring point or radiation emission source can be used.
  • the essential components of an optical measuring arrangement according to the invention for component and / or process or processing zone measurement will be described with reference to the schematic representations of FIGS. 3 to 6.
  • the same parts in the figures are basically designated by the same reference numerals, which is why a multiple explanation is partially omitted.
  • FIG. 3 shows a section in the illustrated x-z plane through the construction of an embodiment of the optical measuring arrangement 10 according to the invention for non-contact detection of surfaces of workpieces and / or processing zones of workpieces or of processes and process areas.
  • a measuring point 12 is charged with light from an optical waveguide 14.
  • a beam splitter 20 for decoupling reflected light from the measuring point 12 is arranged.
  • the light coupled out perpendicular to the illumination direction of the measuring point 12 passes through an optical filter 22 and a diaphragm 24 before it encounters an optical body 26 to which a total of four differently positioned intensity sensors 28 are assigned in the illustrated embodiment.
  • the intensity sensors 28 are coupled to an evaluation unit for detecting the output signals of the intensity sensors 28.
  • Two intensity sensors 28 each form, together with one of the two oblique interfaces 6 of the optical body 26, at which the light beams exit, an incident angle sensor 30, which enables the measurement of the light emitted by the measuring point 12 and thus positional characteristics of the measuring point 12.
  • the wavefront of the light source to be measured - in this case the measuring point 12 - is measured and thereby closed on its position or its dimensions.
  • the construction shown provides for a measurement of the wavefront behind the focusing lens 18.
  • a collimated beam impinges on the incident angle sensors 30 with their respective two intensity sensors 28. If the luminosity shifts, the collimated beam also changes slightly. This change detects the intensity sensors 28.
  • the arrangement 10 shown is suitable, for example, as a focusing optics for a laser beam material processing.
  • the beam splitter 20 which decouples a certain proportion.
  • the focusing lens 18 thus fulfills the Giving a front lens (see Figures 4 and 5);
  • the measuring range is automatically within the range of the minimum focus radius of the laser radiation.
  • FIGS. 4 and 5 illustrate the behavior of the intensity ratios on the intensity sensors 28.
  • the illumination of the measuring point 12 lies exactly in the focal point of the large lens 18, resulting in a collimated beam behind the conversion lens 18.
  • All sensor pairs 28 of the incident angle sensors 30 detect largely constant quotient values.
  • the luminance is shifted in the Z direction so that the measured value quotients are shifted in the same direction in all sensor pairs 28.
  • a shift in the x direction can be provided. Such a shift causes an opposite shift of the measured value quotients.
  • a two-dimensional model is also shown in FIGS. 3 to 5, a three-dimensional position measurement can be carried out by using a total of four spatially distributed sensor elements 28.
  • FIG. 6 illustrates a possible embodiment of an optical measuring arrangement 10 according to the invention.
  • an optical body 26 After an aperture 24, an optical body 26 with a total of four incident angle sensors 30, i. arranged with four pairs of intensity sensors 28.
  • an optical body 26 After an aperture 24, an optical body 26 with a total of four incident angle sensors 30, i. arranged with four pairs of intensity sensors 28.
  • FIGS. 7 to 10 show characteristic sensor signals in the case of a light source movement in the Z direction or in the X direction. On the one hand, the individual signals of all sensors as well as the quotients of the sensor pairs are shown.
  • a position measurement can be carried out with the sensor.
  • a target / actual comparison of the calibrated measurement of a movement along the Z / X axis is shown in the diagram of FIG.
  • the solid line represents the target Position, while the black crosses represent the measured values from the sensor.
  • a variation of the distance of the optical interface or of the prism from the object to be measured provides a corresponding change in the proportions of reflected and transmitted light, so that the light intensities measured by the various sensors also change.
  • the detection of these changes can provide a very accurate mapping of the object data, so that the object can be measured very precisely.
  • processing zones for example, in a laser beam processing, can be very accurately measured and monitored, because each variation of the light emission also has effects on the detected light intensities at the various sensors.

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Abstract

Es ist eine optische Messanordnung (10) zur berührungslosen optischen Abtastung und/oder Erfassung von Oberflächen und/oder Bearbeitungszonen von Werkstücken und/oder Prozessen offenbart. Die optische Messanordnung (10) umfasst wenigstens einen im Strahlengang einer von einer Messstelle (12) bzw. Emissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung angeordneten Einfallswinkelsensor (30). Der Einfallswinkelsensor (30) ist mit wenigstens einem im Strahlengang von der Messstelle (12) bzw. Strahlungsemissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung angeordneten, für die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässigen optischen Körper (26) versehen. Der optische Einfallswinkelsensor (30) umfasst wenigstens eine als Grenzfläche (6) wirkende Austrittsstelle zur Aufteilung der elektromagnetischen Strahlung in gebeugte und reflektierte Anteile der elektromagnetischen Strahlung.

Description

O p t i s c h e M e s s a n o r d n u n g u n d o p t i s c h e s M e s s v e r f a h r e n
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Messanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 20.
Optische Messanordnungen und Messverfahren sind in den unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt. Besonders bei hochpräzisen mechanischen und/oder optischen Bearbeitungsverfahren wie bspw. bei Laserstrahlmaterialbearbeitungspro- zessen besteht ein Bedürfnis nach exakter Steuerung und Überwachung der Bearbei- tungsschritte. Auch bei der Qualitätssicherung und Überwachung besteht ein Bedarf nach optischen Messverfahren, die eine präzise Bauteilerfassung und -Vermessung ermöglichen. Eine weitere sinnvolle Anwendungsmöglichkeit für derartige Verfahren ist eine Prozessüberwachung, bspw. bei Schweißverfahren oder anderen Füge- und/oder Fertigungsverfahren.
Die DE 36 44 866 A1 offenbart einen optischen Sensor mit einer Lichtquelle, aus der ein Bündel Lichtstrahlen in eine Stirnfläche eines Licht leitenden Körpers eingekoppelt wird. Die Lichtstrahlen werden an einer Grenzfläche des Körpers in Abhängigkeit von dessen optischen Eigenschaften total reflektiert bzw. aus dem Körper ausgekoppelt. Die total reflektierten Lichtstrahlen treffen auf eine zweite Stirnfläche. Eine Mehrzahl lichtempfindlicher Elemente ist zum Erfassen eines von dem Bündel nach erfolgter Totalreflexion bzw. Auskoppelung eingenommenen Winkelbereichs vorgesehen. Um den Sensor an eine Vielzahl von Anwendungsfällen anpassbar zu machen und um reproduzierbare, digitalisierte Ausgangswerte unabhängig von lokalen Störungen und Langzeiterscheinungen zu erzeugen, ist der Körper als lang gestreckter Lichtleiter ausgebildet, in dem Lichtstrahlen mehrfach total reflektiert werden, wobei der optische Brechungsindex des Lichtleiters über seine Länge zur Stirnfläche hin abnimmt. Die lichtempfindlichen Elemente sind in einem axialen Abstand von einer Stirnfläche angeordnet. Sie bilden eine Auftrefffläche für ein aus der Stirnfläche austretendes Bündel Lichtstrahlen. Die Elemente sind in einer Auswerteschaltung mit einem Zähler angeschlossen, der die Anzahl der von dem Bündel beleuchteten Elemente als Ausgangssignal in digitaler Form ausgibt. Ein weiterer optischer Sensor geht aus der DE 37 12 699 A1 hervor. Dieser Sensor umfasst einen Licht leitenden Messkörper, der mit räumlich verteilten Leuchtkörpern versehen ist, von denen in diffuser Verteilung Lichtstrahlen ausgehen. Die Lichtstrahlen treten in Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften des Messkörpers an Grenzflächen des Messkörpers aus oder werden total reflektiert. Die total reflektierten Lichtstrahlen werden an einer Stirnfläche des Messkörpers ausgekoppelt und fallen auf fotoempfindliche Elemente, deren Ausgangssignal ein elektrisches Signal bildet. Um Umwelteinflüsse, insbesondere die Umgebungstemperatur als die Messung verfälschende Größe zu eliminieren, weist der Messkörper einen Licht leitenden Kern eines ersten Brechungsindex sowie einen den Kern umgebenden Licht leitenden Mantel eines zweiten Brechungsindex auf, wobei der erste Brechungsindex größer als der zweite Brechungsindex und dieser wiederum größer als ein dritter Brechungsindex eines den Mantel umgebenden Außenraums ist. Die im Kern durch Totalreflexion geführten Lichtstrahlen werden getrennt von im Mantel durch Totalreflexion geführten Lichtstrah- len aus der Stirnfläche ausgekoppelt und getrennten fotoempfindlichen Elementen zugeführt.
Aus der DE 100 39 094 C1 ist weiterhin eine optische Messvorrichtung zur quantitativen, hoch auflösenden Messung von Abständen, Kräften, Elastizitäten, Drücken und Beschleunigungen bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle, einen für deren Licht durchlässigen Körper, einen Lichtwellenleiter und eine Lichtmengen- messeinheit. Durch die Einkoppelung des Lichts der Lichtquelle in den lichtdurchlässigen Körper entsteht durch innere Totalreflexion an einer der Oberflächen des Körpers im Außenraum längs dieser Oberfläche ein großflächiges, homogenes evaneszentes Feld. Der Lichtwellenleiter wird an einer Halterung befestigt in dieses evaneszente Feld eingebracht. Die der Oberfläche des lichtdurchlässigen Körpers zugewandte Lichteintrittsfläche des Lichtwellenleiters ist so bearbeitet, dass Licht aus dem evaneszenten Feld in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden kann. Die aus dem evaneszenten Lichtfeld in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Lichtmenge wird mit der Lichtmengen- messeinheit gemessen. Die Halterung ist so an dem Lichtwellenleiter befestigt, dass das Teilstück des Lichtwellenleiters zwischen der Spitze und der Halterung senkrecht zur Längsachse des Lichtwellenleiters ausgelenkt werden kann und diese Auslenkung in einer Variation der von der Lichtmengenmesseinheit gemessenen Lichtmenge resultiert. Die EP 0 978 708 A1 offenbart schließlich eine rotatorische Positionsmesseinrichtung nach einem interferentiellen Wirkungsprinzip, bestehend aus einem Gehäuse, einer mit dem Gehäuse starr verbundenen Abtastbaueinheit, die eine Lichtquelle sowie mindestens ein Detektorelement umfasst, einer flächig am schwingungsunempfindli- chen Gehäuse angeordneten Reflexions-Abtastteilungsstruktur, die gegenüber liegend von der Abtastbaueinheit angeordnet ist, sowie einer Teilscheibe, die mit einer drehbaren Welle verbunden ist und eine radiale Transmissions-Messteilungsstruktur aufweist. Die Teilscheibe ist drehbar um ihre Symmetrieachse im Gehäuse angeordnet, so dass sich die Messteilungsstruktur zwischen der Abtastbaueinheit und der Abtastteilungs- Struktur befindet. Hierbei gelangen die von der Lichtquelle emittierten Strahlenbündel zunächst auf die Messteilungsstruktur, wo eine Aufspaltung in gebeugte Teilstrahlenbündel verschiedener Ordnungen erfolgt. Die gebeugten Teilstrahlenbündel treffen dann auf die Abtastteilungsstruktur auf, wo unter Reflexion eine erneute Beugung in verschiedene Beugungsordnungen erfolgt und eine Rückreflexion der gebeugten TeN- Strahlenbündel in Richtung der Messteilungsstruktur resultiert, wo die gebeugten Teilstrahlenbündel interferieren und über das mindestens eine Detektorelement erfasst werden.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine einfach handhabbare und präzise Messergebnis liefernde berührungslose Messanordnung sowie ein entsprechend ver- bessertes Verfahren zur optischen Vermessung und/oder Überwachung von Strahlungsquellen für elektromagnetische Strahlung, insbesondere von Prozessschritten und/oder Bauteilen zur Verfügung zu stellen.
Diese Ziele der Erfindung werden mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die vorliegende Erfindung umfasst eine optische Messanordnung zur berührungslosen optischen Abtastung und/oder Erfassung von Oberflächen und/oder Bearbeitungszonen von Werkstücken und/oder Prozessen, insbesondere zur Erfassung der Lage von Emissionsquellen elektromagnetischer Strahlung. Solche Emissionsquellen können insbesondere Leuchterscheinungen im Bereich von Bearbeitungszonen von Werkstücken wie bspw. Laserbearbeitungszonen o. dgl. sein. Die optische Messanordnung umfasst wenigstens einen im Strahlengang einer von einer Messstelle bzw. der Emissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung angeordneten Einfalls- winkelsensor, der mit einer Auswerteeinheit zur Erfassung der Ausgangssignale des wenigstens einen Einfallswinkelsensors gekoppelt ist. Der Einfallswinkelsensor umfasst wenigstens einen im Strahlengang der von der Messstelle bzw. Strahlungsemissions- quelle emittierten elektromagnetischen Strahlung angeordneten, für die elektromagne- tische Strahlung zumindest teilweise durchlässigen optischen Körper, der wenigstens eine als Grenzfläche wirkende Austrittsstelle zur Aufteilung der elektromagnetischen Strahlung in gebeugte und reflektierte Anteile aufweist. Das Grundprinzip dieser Messanordnung beruht auf dem veränderten Transmissions- und Reflexionsverhalten von elektromagnetischer Strahlung an einer optischen Grenzfläche beim Austritt von Strah- lung aus einem optisch dichteren Bereich in einen optisch dünneren Bereich. Der optisch dichtere Bereich ist im vorliegenden Anwendungsfall ein zumindest teiltransparenter Körper, während der optisch dünnere Bereich z.B. durch Luft gebildet sein kann. Von wesentlicher Bedeutung zur Realisierung der vorliegenden Erfindung sind insbesondere kritische Winkelbereiche, bei denen die durch den optischen Körper geleitete elektromagnetische Strahlung nahe eines Grenzwinkels auf die Grenzfläche trifft, ab dem Totalreflexion erfolgt, so dass keine gebeugten Lichtanteile mehr an der Grenzfläche ausgekoppelt werden.
Wahlweise kann mit dem Einfallswinkelsensor ein Teilungsverhältnis der an der Grenzfläche emittierten gebeugten und reflektierten Anteile der elektromagnetischen Strahlung erfasst werden. In einer einfachsten Ausführungsvariante kann der Einfallswinkelsensor auch lediglich Absolutwerte der Intensitäten der an der Grenzfläche emittierten gebeugten und/oder reflektierten Anteile der elektromagnetischen Strahlung erfassen. Eine solche Variante kann bspw. dazu dienen, bei einer konstanten Intensität der von der Strahlungsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung deren Lage zu vermessen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht einen Einfallswinkelsensor vor, der neben dem optischen Körper mindestens zwei Intensitätssensoren zur Erfassung der an der Grenzfläche emittierten gebeugten und reflektierten Anteile der elektromagnetischen Strahlung umfasst. Zudem weist der optische Körper vorzugswei- se eine annähernd senkrecht zum Strahlengang der von der Messstelle bzw. der Strahlungsemissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung orientierte erste Grenzfläche als Eintrittsstelle sowie eine dazu angewinkelte zweite Grenzfläche als Austrittsstelle für die elektromagnetische Strahlung auf. Im Zusammenhang mit den in geeigneter Weise platzierten Intensitätssensoren kann mit einer solchen Messanord- nung eine sehr exakte Vermessung einer Emissionsquelle für elektromagnetische Strahlung erfolgen. Wahlweise kann der optische Körper eine zylindrische, eine quaderförmige oder andere regelmäßige Kontur mit an der Austrittsstelle und der dadurch gebildeten zweiten Grenzfläche für die elektromagnetische Strahlung abgeschrägten Oberfläche aufweisen. Der an der zweiten Grenzfläche gebeugte Anteil der elektromagnetischen Strahlung trifft auf einen ersten Intensitätssensor, dessen Signale ausgewertet und zur Ermittlung des Anteils der gebeugten Anteile im Verhältnis zu den reflektierten Anteilen der Strahlung herangezogen werden. Zudem wird der an der zweiten Grenzfläche reflektierte Anteil der elektromagnetischen Strahlung annähernd senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des optischen Körpers sowie zum Strahlengang der von der Messstelle bzw. Strahlungsemissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung umgelenkt, tritt aus dem optischen Körper annähernd senkrecht an seiner als dritter Grenzfläche fungierenden Mantelfläche aus und trifft auf einen zweiten Intensitätssensor, dessen Sensorsignale mit denen des ersten Intensitätssen- sor verglichen werden können.
Um störende Effekte durch ungewollte Reflexionen auszuschließen, sollten die Strahlen weitgehend parallel verlaufen und senkrecht zu einer Stirnfläche des optischen Körpers in diesen eintreten. Der optische Körper weist deshalb eine annähernd senkrecht zum Strahlengang der von der Messstelle bzw. der Strahlungsemissions- quelle emittierten elektromagnetischen Strahlung orientierte erste Grenzfläche als Eintrittsstelle auf. Weiterhin kann der Körper gemäß einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Messanordnung zu der ersten Grenzfläche sowie zueinander angewinkelte zweite und vierte Grenzflächen als Austrittsstellen für die elektromagnetische Strahlung aufweisen.
Als Kontur für den optischen Körper kommen bspw. eine zylindrische, quaderförmige oder andere regelmäßige Gestalt mit an den Austrittsstelle und den dadurch gebildeten zweiten und vierten Grenzflächen für die elektromagnetische Strahlung abgeschrägten Oberflächen in Frage. Dabei sind die zweiten und vierten Grenzflächen zueinander und symmetrisch zur Längserstreckungsrichtung des optischen Körpers sowie zum Strahlengang der von der Messstelle bzw. Strahlungsemissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung geneigt. Auf diese Weise können die an der zweiten sowie an der vierten Grenzfläche gebeugten Anteile der elektromagnetischen Strahlung jeweils auf erste Intensitätssensoren treffen. Zudem können die an der zweiten sowie an der vierten Grenzfläche reflektierten Anteile der elektromagnetischen Strahlung jeweils annähernd senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des optischen Körpers sowie zum Strahlengang der von der Messstelle bzw. Strahlungsemissions- quelle emittierten elektromagnetischen Strahlung umgelenkt werden, so dass sie aus dem optischen Körper annähernd senkrecht an seiner als dritter Grenzfläche fungie- renden Mantelfläche austreten und jeweils auf zweite Intensitätssensoren treffen können.
Je nach gewünschter Auflösung der erfindungsgemäßen Messanordnung können mehrere Einfallswinkelsensoren aus mehreren einzelnen optischen Körpern und diesen jeweils zugeordneten ersten und zweiten Intensitätssensoren gebildet sein. Vorzugsweise können zwei, drei oder mehr Einfallswinkelsensoren zu einer optischen Messanordnung gruppiert werden, die zur besseren räumlichen Auflösung der Lage der Messstelle bzw. Emissionsquelle für die elektromagnetische Strahlung genutzt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann im Strahlen- gang zwischen der Messstelle bzw. der Emissionsquelle für elektromagnetische Strahlung und der aus wenigstens zwei Einfallswinkelsensoren gebildeten Messanordnung eine Blende angeordnet sein, die in erster Linie dazu dient, weitgehend nur parallele elektromagnetische Strahlen in senkrechter Richtung auf die erste Grenzfläche auftreffen zu lassen, wo die elektromagnetischen Strahlen in den Körper eintreten. Eine sol- che Blende kann zudem die elektromagnetischen Strahlen in geeigneter Weise ausrichten, dass sie jeweils in paralleler Richtung auf mehrere gruppierte Einfallswinkelsensoren auftreffen können.
Zudem kann im Strahlengang zwischen der Messstelle bzw. der Emissionsquelle für elektromagnetische Strahlung und der aus wenigstens einem Einfallswinkelsen- sor gebildeten Messanordnung ein optisches Filter angeordnet sein, das der Selektion bzw. der Ausblendung bestimmter Wellenlängenbereiche dienen kann.
Je nach gewähltem Messaufbau kann im Strahlengang zwischen der Messstelle bzw. der Emissionsquelle für elektromagnetische Strahlung und der aus wenigstens einem Einfallswinkelsensor gebildeten Messanordnung ein Strahlteiler angeordnet sein. Die Einsatzmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Messanordnung sind vielfältig. So kann die Messanordnung bspw. Teil einer Materialbearbeitungseinrichtung, insbesondere einer Laserbearbeitungseinrichtung sein. Zusammenfassend bezieht sich die vorliegende Erfindung somit auf ein berührungsloses Sensorkonzept sowie auf ein Messverfahren zur dreidimensionalen Lagevermessung des Intensitätsschwerpunktes einer Leuchterscheinung aus großen Ar- beitsabständen und Entfernungen. Dies kann entweder die diffuse Reflexion einer Messlichtquelle wie bspw. eines Pilotlasers oder einer selbst emittierenden Quelle wie bspw. Prozessplasma sein. Bei dem optischen Messprinzip werden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mehrere Teilstrahlenbündel des Messleuch- tens über Blenden und ein speziell geformtes optisches Element auf mehrere intensitätssensitive Detektoren abgebildet. Die in das optische Element einfallende Strahlung fällt unter einem bestimmten Winkel nahe dem Grenzwinkel für die Totalreflexion auf eine optische Grenzfläche und wird dort zum Teil reflektiert und zum anderen Teil transmittiert. Abhängig vom exakten Einfallswinkel verschiebt sich das Verhältnis der beiden Strahlungsanteile. Damit können Teilstrahlenbündel in ihrem exakten Einfallswinkel vermessen werden. Durch Kombination mehrerer dieser Sensorelemente kön- nen linear unabhängige Messwerte generiert und damit eine mehrdimensionale Position erfasst werden. Über die Anpassung des geometrischen Aufbaus und der verwendeten optischen Komponenten kann das erfindungsgemäße Messprinzip an unterschiedlichste Messaufgaben adaptiert werden. Das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung basiert auf dem veränderten Transmissions-/Reflexionsverhalten von Strahlung an einer optischen Grenzfläche im Bereicht der Totalreflexion. Die Varianz bei der Totalreflexion bezieht sich auf den Einfallswinkel der Strahlung bezüglich der optischen Grenzfläche. Unter Vernachlässigung von Absorption ergänzen sich der reflektierte und der transmittierte Strahlungsanteil zu 100%. Wird das Verhältnis im Winkelbereich kurz vor der Totalreflexionsgrenze betrachtet, verschiebt sich dieses Verhältnis sehr deutlich. Dadurch, dass ein Strahlungsquotient ausgewertet wird, ist der Messwert von der Strahlungsintensität des einfallenden Strahls unabhängig. Somit kann ein orthogonaler Einfallswinkelsensor konzipiert werden.
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Messanordnung zur berührungslosen Erfassung von Oberflächen von Werkstücken und/oder Bearbeitungszonen von Werkstücken oder auch von Prozessen und Prozessbereichen. Wahlweise kann zwischen einer Messstelle und einer Lichtquelle ein Strahlteiler zur Auskoppelung von reflektiertem Licht von der Messstelle vorgesehen sein. Es ist jedoch auch eine direkte Erfassung des von der Messstelle emittierten Lichts ohne einen solchen Strahlteiler möglich. Weiterhin sind mehrere im Strahlengang des von der Messstelle emittierten bzw. ausgekoppelten Lichts angeordnete Intensitätssensoren vorgesehen, die mit einer Auswerteeinheit zur Erfassung der Ausgangssignale der Intensitätssensoren gekoppelt sind. Die erfindungsgemäße Messanordnung ist gekennzeichnet durch eine zwischen Strahlteiler und mindestens zwei Intensitätssensoren angeordnete optische Grenzfläche zur Aufteilung des ausgekoppelten Lichts in reflektierte und transmittierte und/oder gebeugte Anteile. Diese optische Grenzfläche kann durch einen geeigneten optischen Körper wie bspw. ein Prisma oder ein anderes geeignetes optisches Element gebildet sein. Eine Variation des Abstandes der optischen Grenzfläche bzw. des optischen Körpers vom zu vermessenden Objekt liefert eine entsprechende Veränderung der Anteile an reflektiertem und an transmittiertem Licht, so dass sich auch die von den verschie- denen Sensoren gemessenen Lichtintensitäten verändern. Die Erfassung dieser Veränderungen kann eine sehr exakte Abbildung der Objektdaten liefern, so dass das Objekt sehr präzise vermessen werden kann. In gleicher Weise können Bearbeitungszonen, bspw. bei einer Laserstrahlbearbeitung, sehr exakt vermessen und überwacht werden, weil jede Variation der Lichtabstrahlung auch Auswirkungen auf die erfassten Lichtintensitäten an den verschiedenen Sensoren hat.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Messanordnung sind mehrere, bspw. mindestens zwei oder drei Intensitäts- bzw.Einfallswinkelsensoren mindestens zwei verschiedenen Grenzflächen des optischen Körpers zugeordnet. Zudem sind die mindestens zwei oder drei Einfallswinkel- sensoren bzw. Intensitätssensoren jeweils orthogonal unabhängig voneinander angeordnet. Auf diese Weise kann bereits mittels dreier solcher Sensoren eine ausreichende Messgenauigkeit geliefert werden. Ggf. kann durch Verwendung von vier oder mehr Sensoren eine noch höhere Auflösung erreicht werden.
Weiterhin kann im Strahlengang zwischen dem optischen Körper und dem Strahlteiler eine Blende angeordnet sein. Zudem kann im Strahlengang zwischen dem optischen Körper und dem Strahlteiler ein optisches Filter o. dgl. angeordnet sein, wodurch eine höhere Messauflösung erreicht werden kann.
Wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Erfassung eines Quotienten aus Transmission und Reflexion von Lichtanteilen, die durch einen optischen Körper mit mehreren optischen Grenzflächen aus der Lichtemission eines Körpers und/oder einer zu überwachenden Prozesszone gewonnen werden. Der optische Körper mit den mehreren optischen Grenzflächen liefert eine Strahlteilung und ermöglicht dadurch eine Differenzialbildung. Verschiedene optische Körper können dabei unter- schiedliche Brechungsindizes aufweisen. Die erfindungsgemäße optische Messanordnung kann insbesondere Teil einer Laserbearbeitungseinrichtung sein.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur berührungslosen optischen Abtastung und/oder Erfassung von Oberflächen und/oder Bearbeitungszonen von Werkstücken und/oder Prozessen, insbesondere zur Erfassung der Lage von Emissionsquellen elektromagnetischer Strahlung mittels wenigstens eines im Strahlengang einer von einer Messstelle bzw. Emissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung angeordneten Einfallswinkelsensors, der mit einer Auswerteeinheit zur Erfassung der Ausgangssignale des wenigstens einen Einfallswinkelsensors gekoppelt ist. Bei dem Verfahren ist eine Auswertung eines Anteils von und/oder eines Quotienten aus reflektierter und/oder gebeugter Strahlung an einer optischen Grenzfläche des Einfallswinkelsensors vorgesehen.
Eine Variante des Verfahrens sieht vor, dass der Einfallswinkelsensor wenigstens einen im Strahlengang der von der Messstelle bzw. Strahlungsemissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung angeordneten, für die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässigen optischen Körper mit wenigstens einer als Grenzfläche wirkenden Austrittsstelle zur Aufteilung der elektromagnetischen Strahlung in gebeugte und reflektierte Anteile umfasst. Mit dem Einfallswinkelsensor kann ein Teilungsverhältnis der an der Grenzfläche emittierten gebeugten und reflektierten An- teile der elektromagnetischen Strahlung erfasst werden. Alternativ hierzu können mit dem Einfallswinkelsensor Absolutwerte der Intensitäten der an der Grenzfläche emittierten gebeugten und reflektierten Anteile der elektromagnetischen Strahlung erfasst werden. Mit dem Einfallswinkelsensor können zumindest die Intensitäten der an der Grenzfläche des optischen Körpers gebeugten und reflektierten Anteile der elektro- magnetischen Strahlung erfasst werden. Der Winkel der Grenzfläche zur Längsrichtung des Strahlengangs ist in Abhängigkeit von den Brechungseigenschaften des optischen Körpers so zu bemessen, dass sowohl gebeugte als auch reflektierte Anteile der elektromagnetischen Strahlung gebildet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfah- rens wird ein an der Grenzfläche des optischen Körpers gebeugter Anteil der elektromagnetischen Strahlung mit einem ersten Intensitätssensor erfasst. Zudem kann ein an der Grenzfläche reflektierter Anteil der elektromagnetischen Strahlung annähernd senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des optischen Körpers sowie zum Strahlen- gang der von der Messstelle bzw. Strahlungsemissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung umgelenkt werden, wonach er aus dem optischen Körper annähernd senkrecht aus seiner Mantelfläche austritt und mit einem zweiten Intensitätssensor erfasst werden kann.
Wahlweise können zwei, drei oder mehr Einfallswinkelsensoren zu einer optischen Messanordnung zur räumlichen Auflösung der Lage der Messstelle bzw. Emissionsquelle für die elektromagnetische Strahlung gruppiert werden, wodurch die Messgenauigkeit und -auflösung erhöht werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur berührungslosen Erfassung von Oberflä- chen von Werkstücken und/oder Bearbeitungszonen von Werkstücken und/oder von Prozesszonen sieht vor, dass reflektiertes oder emittiertes Licht von der Messstelle ausgekoppelt und mittels mehrerer im Strahlengang des ausgekoppelten Lichts angeordneter Intensitätssensoren, die mit einer Auswerteeinheit zur Erfassung der Ausgangssignale der Intensitätssensoren gekoppelt sind, erfasst wird, wobei eine Auswer- tung eines Quotienten aus reflektierter und transmittierter Strahlung an einer optischen Grenzfläche mittels wenigstens eines Paares von Intensitätssensoren vorgesehen ist. Dabei erfasst mindestens ein Sensor einen Anteil an reflektierter Strahlung und mindestens ein weiterer Sensor einen Anteil an transmittierter Strahlung. Diese Aufteilung des Lichts in transmittierte und reflektierte Anteile kann insbesondere durch einen ge- eigneten optischen Körper mit mehreren optischen Grenzflächen wie bspw. ein Prisma erfolgen. Eine vorteilhafte Variante des Verfahrens sieht vor, dass wenigstens zwei oder drei Intensitätssensoren vorgesehen sind, die jeweils orthogonal unabhängig voneinander angeordnet sind.
Eine besonders sinnvolle Anwendung für eine erfindungsgemäße Sensorik so- wie ein entsprechendes Messverfahren kann bei allen Arten von Laserbearbeitungsverfahren gesehen werden. Auch für Systemintegratoren und Komponentenanbieter im Anlagenbau ergeben sich vielfältige sinnvolle Einsatzmöglichkeiten. Besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich zudem für die Prozessdiagnostik zur Qualitätssicherung oder im weiteren Sinne zur Prozessregelung. Nicht zuletzt kann über eine Messung eines Referenzleuchtens auch im Einrichtbetrieb eine Bauteilvermessung durchgeführt werden. Ein Potential für weitere Einsatzgebiete liegt bspw. in einer Flammenvermessung in Brennern oder in einer Oberflächenvermessung in der Prüftechnik. Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nun folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel dient und auf die beigefügte Zeichnung Bezug nimmt.
Fig. 1 zeigt in einem schematischen Längsschnitt eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Messanordnung.
Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Messanordnung.
Fig. 3 zeigt in einem schematischen Längsschnitt eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Messanordnung.
Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Messanordnung.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ansicht der Messanordnung gemäß Fig. 3.
Fig. 6 zeigt eine Aufbauvariante einer Messanordnung.
Fig. 7 zeigt in einem Diagramm einen Zusammenhang zwischen einer Messleuchtenposition in x-Richtung und Messwertquotienten der Sensorpaare der Messanordnung.
Fig. 8 zeigt in einem Diagramm einen Zusammenhang zwischen einer Messleuchtenposition in z-Richtung und Messwertquotienten der Sensorpaare der Messanordnung.
Fig. 9 zeigt in einem Diagramm einen Zusammenhang zwischen einer Messleuchtenposition in x-Richtung und Einzelmesswerten der Sensorpaare der Messanordnung.
Fig. 10 zeigt in einem Diagramm einen Zusammenhang zwischen einer Messleuchtenposition in x-Richtung und Messwertsummen der Sensorpaare der Messanordnung.
Fig. 1 1 zeigt einen Soll/Ist-Vergleich der kalibrierten Messung einer
Verfahrbewegung entlang der Z/X-Achse.
Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Messanordnung sowie des damit durchführbaren Messverfahrens basiert auf dem veränderten Transmissions- und Ref- lexionsverhalten von elektromagnetischer Strahlung an einer optischen Grenzfläche im Bereich der Totalreflexion. Das für die vorliegende Erfindung verwendete Prinzip der Totalreflexion ist anhand der Figuren 1 und 2 verdeutlicht. Die beschriebene Varianz bezieht sich auf den Einfallswinkel der Strahlung bezüglich der optischen Grenzfläche. Unter Vernachlässigung der Absorption ergänzen sich der reflektierte und der transmit- tierte Strahlungsanteil zu 100%. Betrachtet man das Verhältnis in Winkelbereich kurz vor der Totalreflexionsgrenze verschiebt sich dieses Verhältnis sehr deutlich. Dadurch, dass ein Strahlungsquotient ausgewertet wird, ist der Messwert von der Strahlungsintensität des einfallenden Strahls unabhängig. Somit kann ein orthogonaler Einfallswin- kelsensor konzipiert werden.
Wie anhand der Fig. 1 verdeutlicht, werden die von einer Messstelle 2 bzw. einer Strahlungsemissionsquelle ausgehenden elektromagnetischen Strahlen bzw. Lichtstrahlen durch einen optisch dichten Körper 4 geleitet, der gemäß des vorliegenden Ausführungsbeispiels durch einen Glaskörper oder einen prismenähnlichen Körper o. dgl. Gebildet sein kann. An einer Grenzfläche 6 zu Luft 8 werden die Strahlen teilweise gebeugt und nach außen gelenkt und teilweise total reflektiert und in den Körper 4 zurückreflektiert. Je nach dem gewählten Brechungsindex des Körpers 4 existiert ein kritischer Winkel ic, bei dem ein Übergang von Beugungserscheinungen zur Totalreflexion erfolgt. So kann dieser kritische Winkel ic für Glas mit einem Brechungsindex von ca. n = 1 ,5 bei einem Wert von ca. 42 Grad liegen, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist. Für die vorliegende Erfindung interessiert speziell dieser Bereich um den kritischen Winkel ic, so dass die Grenzfläche 6 am Körper 4 entsprechend auszuformen und gegenüber der Strahlrichtung zu neigen ist, dass sowohl gebeugte Strahlungsanteile als auch total reflektierte Strahlungsanteile in ihren Intensitäten gemessen und ausgewer- tet werden können.
Das Diagramm der Fig. 2 verdeutlicht für einen Brechungsindex eines Körpers von n = 2,0 das Transmissions- und Brechungsverhalten nahe des kritischen Winkels von in diesem Fall ca. 30 Grad. Wie anhand der unteren Kurve erkennbar ist, steigt der Anteil der reflektierten Strahlen nahe des kritischen Winkels plötzlich stark an, so dass diese starken Schwankungen des Verhältnisses zwischen reflektierten und transmittier- ten Anteilen aufgrund sehr geringer Änderungen des Auftreffwinkels der Strahlen auf die Grenzfläche zur Lagebestimmung und/oder Vermessung der Messstelle bzw. Strahlungsemissionsquelle genutzt werden können. Anhand der schematischen Darstellungen der Figuren 3 bis 6 werden die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen optischen Messanordnung zur Bauteil- und/oder Prozess- bzw. Bearbeitungszonenvermessung beschrieben. Gleiche Teile in den Figuren sind dabei grundsätzlich mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, weshalb auf eine mehrfache Erläuterung teilweise verzichtet wird.
Die Fig. 3 zeigt einen Schnitt in der dargestellten x-z-Ebene durch den Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Messanordnung 10 zur berührungslosen Erfassung von Oberflächen von Werkstücken und/oder Bearbeitungszonen von Werkstücken oder auch von Prozessen und Prozessbereichen. Eine Mess- stelle 12 wird mit Licht aus einem Lichtwellenleiter 14 beaufschlagt. Zwischen einer Kollimationslinse 16 und einer Fokussierlinse 18 ist ein Strahlteiler 20 zur Auskoppelung von reflektiertem Licht von der Messstelle 12 angeordnet. Das senkrecht zur Beleuchtungsrichtung der Messstelle 12 ausgekoppelte Licht durchläuft einen optischen Filter 22 und eine Blende 24, bevor es auf einen optischen Körper 26 trifft, dem im ge- zeigten Ausführungsbeispiel insgesamt vier unterschiedlich positionierte Intensitätssensoren 28 zugeordnet sind. Die Intensitätssensoren 28 sind mit einer Auswerteeinheit zur Erfassung der Ausgangssignale der Intensitätssensoren 28 gekoppelt. Jeweils zwei Intensitätssensoren 28 bilden zusammen mit einer der beiden schrägen Grenzflächen 6 des optischen Körpers 26, an denen die Lichtstrahlen austreten, einen Einfalls- winkelsensor 30, der die Vermessung des von der Messstelle 12 emittierten Lichts und damit Lageeigenschaften der Messstelle 12 ermöglicht.
Mittels der erfindungsgemäßen Messanordnung 10 wird die Wellenfront der zu messenden Leuchtquelle - hier die Messstelle 12 - vermessen und dadurch auf ihre Lage bzw. ihre Abmessungen geschlossen. Der gezeigte Aufbau sieht eine Vermes- sung der Wellenfront hinter der Fokussierlinse 18 vor. Wenn sich die Lichtquelle 12 direkt im Fokus der Linse 18 befindet, trifft auf die Einfallswinkelsensoren 30 mit ihren jeweils zwei Intensitätssensoren 28 ein kollimierter Strahl. Verschiebt sich das Leuchten, ändert sich auch der kollimierte Strahl leicht. Diese Veränderung detektieren die Intensitätssensoren 28.
Die gezeigte Anordnung 10 eignet sich beispielsweise als Fokussieroptik für eine Laserstrahlmaterialbearbeitung. Im kollimierten Strahlengang sitzt der Strahlteiler 20, der einen bestimmten Anteil auskoppelt. Die Fokussierlinse 18 erfüllt somit die Auf- gabe einer Vorsatzlinse (vgl. Figuren 4 und 5); der Messbereich liegt automatisch im Bereich des minimalen Fokusradius der Laserstrahlung.
Die Figuren 4 und 5 verdeutlichen das Verhalten der Intensitätsverhältnisse auf die Intensitätssensoren 28. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Fall liegt das Leuchten der Messstelle 12 genau im Brennpunkt der großen Linse 18, wodurch ein kollimierter Strahl hinter der Vorsatzlinse 18 entsteht. Alle Sensorpaare 28 der Einfallswinkelsensoren 30 detektieren weitgehend konstante Quotientenwerte. Im zweiten Fall gemäß Fig. 5 ist das Leuchten in Z-Richtung verschoben, so dass sich die Messwertquotienten bei allen Sensorpaaren 28 in die gleiche Richtung verschieben. Die Anteile an reflek- tierter Strahlung, die an der Grenzfläche 6 nicht gebeugt, sondern in den Körper 26 zurückreflektiert und an seiner Mantelfläche ausgekoppelt werden, werden größer, während die gebeugten Lichtanteile, die durch die Grenzfläche 6 hindurch auf den entsprechenden Intensitätssensor 28 treffen, werden kleiner.
In einem hier nicht dargestellten dritten Fall kann eine Verschiebung in x- Richtung vorgesehen sein. Eine solche Verschiebung bewirkt eine gegenläufige Verschiebung der Messwertquotienten. Wenn auch in den Figuren 3 bis 5 ein zweidimensionales Modell gezeigt ist, kann durch den Einsatz von insgesamt vier räumlich verteilt angeordneten Sensorelementen 28 eine dreidimensionale Lagevermessung erfolgen.
Die schematische Darstellung der Fig. 6 verdeutlicht eine mögliche Ausgestal- tung einer erfindungsgemäßen optischen Messanordnung 10. Nach einer Blende 24 ist ein optischer Körper 26 mit insgesamt vier Einfallswinkelsensoren 30, d.h. mit vier Paaren von Intensitätssensoren 28 angeordnet. Mittels einer solchen Anordnung können sehr genaue Messungen der Lageveränderungen von Strahlungsemissionsquellen durchgeführt werden.
Die Diagramme der Figuren 7 bis 10 zeigen charakteristische Sensorsignale bei einer Leuchtquellenbewegung in Z-Richtung bzw. in X-Richtung. Dargestellt sind zum einen die Einzelsignale aller Sensoren als auch die Quotienten der Sensorpaare.
Nach einer Kalibrierung der Übertragungsfunktion im gesamten Arbeitsbereich kann eine Positionsmessung mit dem Sensor durchgeführt werden. Einen Soll/Ist- Vergleich der kalibrierten Messung einer Verfahrbewegung entlang der Z/X-Achse ist im Diagramm der Fig. 1 1 dargestellt. Dabei stellt die ausgezogene Linie die Soll- Position dar, während die schwarzen Kreuze die ermittelten Messwerte aus dem Sensor darstellen.
Eine Variation des Abstandes der optischen Grenzfläche bzw. des Prismas vom zu vermessenden Objekt liefert eine entsprechende Veränderung der Anteile an reflek- tiertem und an transmittiertem Licht, so dass sich auch die von den verschiedenen Sensoren gemessenen Lichtintensitäten verändern. Die Erfassung dieser Veränderungen kann eine sehr exakte Abbildung der Objektdaten liefern, so dass das Objekt sehr präzise vermessen werden kann. In gleicher weise können Bearbeitungszonen, bspw. bei einer Laserstrahlbearbeitung, sehr exakt vermessen und überwacht werden, weil jede Variation der Lichtabstrahlung auch Auswirkungen auf die erfassten Lichtintensitäten an den verschiedenen Sensoren hat.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutz- bereich fallen.
Bezuαszeichenliste
2 Messstelle, Strahlungsemissionsquelle
4 Körper
6 Grenzfläche
8 Luft
10 Messanordnung
12 Messstelle
14 Lichtwellenleiter
16 Kollimationslinse
18 Fokussierlinse
20 Strahlteiler
22 optischer Filter
24 Blende
26 optischer Körper
28 Intensitätssensor
30 Einfallswinkelsensor

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Optische Messanordnung (10) zur berührungslosen optischen Abtastung und/oder Erfassung von Oberflächen und/oder Bearbeitungszonen von Werk- stücken und/oder Prozessen, insbesondere zur Erfassung der Lage von Emissionsquellen elektromagnetischer Strahlung, umfassend wenigstens einen im Strahlengang einer von einer Messstelle (12) bzw. Emissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung angeordneten Einfallswinkelsensor (30), der mit einer Auswerteeinheit zur Erfassung der Ausgangssignale des wenigstens ei- nen Einfallswinkelsensors (30) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkelsensor (30) wenigstens einen im Strahlengang der von der Messstelle (12) bzw. Strahlungsemissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung angeordneten, für die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässigen optischen Körper (26) umfasst, der wenigstens eine als Grenzfläche (6) wirkende Austrittsstelle zur Aufteilung der elektromagnetischen
Strahlung in gebeugte und reflektierte Anteile der elektromagnetischen Strahlung aufweist.
2. Optische Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkelsensor (30) ein Teilungsverhältnis der an der Grenzfläche (6) emittierten gebeugten und reflektierten Anteile der elektromagnetischen Strahlung erfasst.
3. Optische Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkelsensor (30) Absolutwerte der Intensitäten der an der Grenzfläche (6) emittierten gebeugten und reflektierten Anteile der elektromagnetischen Strahlung erfasst.
4. Optische Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkelsensor (30) neben dem optischen Körper (26) mindestens zwei Intensitätssensoren (28) zur Erfassung der an der Grenzfläche (6) emittierten gebeugten und reflektierten Anteile der elektromagnetischen Strahlung umfasst.
5. Optische Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Körper (26) eine annähernd senkrecht zum Strahlengang der von der Messstelle (12) bzw. der Strahlungsemissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung orientierte erste Grenzfläche (6) als Ein- trittssteile sowie eine dazu angewinkelte zweite Grenzfläche (6) als Austrittsstelle für die elektromagnetische Strahlung aufweist.
6. Optische Messanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Körper (26) eine zylindrische, quaderförmige oder andere regelmäßige Kontur mit an der Austrittsstelle und der dadurch gebildeten zweiten Grenzflä- che (6) für die elektromagnetische Strahlung abgeschrägten Oberfläche aufweist.
7. Optische Messanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der an der zweiten Grenzfläche (6) gebeugte Anteil der elektromagnetischen Strahlung auf einen ersten Intensitätssensor (28) trifft.
8. Optische Messanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der an der zweiten Grenzfläche (6) reflektierte Anteil der elektromagnetischen Strahlung annähernd senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des optischen Körpers (26) sowie zum Strahlengang der von der Messstelle (12) bzw. Strahlungsemissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung umgelenkt wird, aus dem optischen Körper (26) annähernd senkrecht an seiner als dritter Grenzfläche fungierenden Mantelfläche austritt und auf einen zweiten Intensitätssensor (28) trifft.
9. Optische Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Körper (26) eine annähernd senkrecht zum Strah- lengang der von der Messstelle (12) bzw. der Strahlungsemissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung orientierte erste Grenzfläche als Eintrittsstelle sowie dazu und untereinander angewinkelte zweite und vierte Grenzflächen als Austrittsstellen für die elektromagnetische Strahlung aufweist.
10. Optische Messanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Körper (26) eine zylindrische, quaderförmige oder andere regelmäßige
Kontur mit an den Austrittsstelle und den dadurch gebildeten zweiten und vier- ten Grenzflächen für die elektromagnetische Strahlung abgeschrägten Oberflächen aufweist.
1 1. Optische Messanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten und vierten Grenzflächen zueinander und symmetrisch zur Längserstreckungsrichtung des optischen Körpers (26) sowie zum Strahlengang der von der Messstelle bzw. Strahlungsemissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung geneigt sind.
12. Optische Messanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die an der zweiten sowie an der vierten Grenzfläche ge- beugten Anteile der elektromagnetischen Strahlung jeweils auf erste Intensitätssensoren (28) treffen.
13. Optische Messanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die an der zweiten sowie an der vierten Grenzfläche reflektierten Anteile der elektromagnetischen Strahlung jeweils annähernd senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des optischen Körpers (26) sowie zum Strahlengang der von der Messstelle (12) bzw. Strahlungsemissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung umgelenkt werden, aus dem optischen Körper (26) annähernd senkrecht an seiner als dritter Grenzfläche fungierenden Mantelfläche austreten und jeweils auf zweite Intensitätssensoren (28) treffen.
14. Optische Messanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einfallswinkelsensoren (30) aus mehreren einzelnen optischen Körpern (26) und diesen jeweils zugeordneten ersten und zweiten Intensitätssensoren (28) gebildet sind.
15. Optische Messanordnung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Grup- pierung von zwei, drei oder mehr Einfallswinkelsensoren (30) zu einer optischen Messanordnung (10) zur räumlichen Auflösung der Lage der Messstelle (12) bzw. Emissionsquelle für die elektromagnetische Strahlung.
16. Optische Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen der Messstelle (12) bzw. der Emissionsquelle für elektromagnetische Strahlung und der aus wenigstens zwei Einfallswinkelsensoren (30) gebildeten Messanordnung (10) eine Blende (24) angeordnet ist.
17. Optische Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen der Messstelle (12) bzw. der Emissionsquelle für elektromagnetische Strahlung und der aus wenigstens einem Einfallswinkelsensor (30) gebildeten Messanordnung (10) ein optisches Filter (22) angeordnet ist.
18. Optische Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen der Messstelle (12) bzw. der Emissionsquelle für elektromagnetische Strahlung und der aus wenigstens einem Einfallswinkelsensor (30) gebildeten Messanordnung ein Strahlteiler (20) angeordnet ist.
19. Optische Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (10) Teil einer Materialbearbeitungsein- richtung, insbesondere einer Laserbearbeitungseinrichtung ist.
20. Verfahren zur berührungslosen optischen Abtastung und/oder Erfassung von Oberflächen und/oder Bearbeitungszonen von Werkstücken und/oder Prozessen, insbesondere zur Erfassung der Lage von Emissionsquellen elektromagnetischer Strahlung mittels wenigstens eines im Strahlengang einer von einer Messstelle (12) bzw. Emissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung angeordneten Einfallswinkelsensors (30), der mit einer Auswerteeinheit zur Erfassung der Ausgangssignale des wenigstens einen Einfallswinkelsensors (30) gekoppelt ist, gekennzeichnet durch eine Auswertung eines Anteils von und/oder eines Quotienten aus reflektierter und/oder gebeugter Strahlung an einer optischen Grenzfläche (6) des Einfallswinkelsensors (30).
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkelsensor (30) wenigstens einen im Strahlengang der von der Messstelle (12) bzw. Strahlungsemissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung angeordneten, für die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässi- gen optischen Körper (26) mit wenigstens einer als Grenzfläche (6) wirkenden
Austrittsstelle zur Aufteilung der elektromagnetischen Strahlung in gebeugte und reflektierte Anteile umfasst.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Einfallswinkelsensor (30) ein Teilungsverhältnis der an der Grenzfläche (6) emittierten gebeugten und reflektierten Anteile der elektromagnetischen Strahlung erfasst wird.
23. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass mit dem
Einfallswinkelsensor (30) Absolutwerte der Intensitäten der an der Grenzfläche (6) emittierten gebeugten und reflektierten Anteile der elektromagnetischen Strahlung erfasst werden.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Einfallswinkelsensor (30) zumindest die Intensitäten der an der Grenzfläche (6) des optischen Körpers (26) gebeugten und reflektierten Anteile der elektromagnetischen Strahlung erfasst werden.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel der Grenzfläche (6) zur Längsrichtung des Strahlengangs in Abhängigkeit von den Brechungseigenschaften des optischen Körpers (26) so bemessen ist, dass sowohl gebeugte als auch reflektierte Anteile der elektromagnetischen Strahlung gebildet werden.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein an der Grenzfläche (6) des optischen Körpers (26) gebeugter Anteil der elektromagne- tischen Strahlung mit einem ersten Intensitätssensor (28) erfasst wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein an der Grenzfläche (6) reflektierter Anteil der elektromagnetischen Strahlung annähernd senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des optischen Körpers (26) sowie zum Strahlengang der von der Messstelle (12) bzw. Strah- lungsemissionsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung umgelenkt wird, aus dem optischen Körper (26) annähernd senkrecht aus seiner Mantelfläche austritt und mit einem zweiten Intensitätssensor (28) erfasst wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, gekennzeichnet durch eine Gruppierung von zwei, drei oder mehr Einfallswinkelsensoren (30) zu einer op- tischen Messanordnung (10) zur räumlichen Auflösung der Lage der Messstelle
(12) bzw. Emissionsquelle für die elektromagnetische Strahlung.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018167215A1 (en) 2017-03-16 2018-09-20 Trinamix Gmbh Detector for optically detecting at least one object
CN110476081A (zh) * 2017-04-06 2019-11-19 罗伯特·博世有限公司 光透射元件、光学接收单元、光学致动器单元、激光雷达系统、工作设备和车辆
US10948567B2 (en) 2016-11-17 2021-03-16 Trinamix Gmbh Detector for optically detecting at least one object
US11448762B2 (en) 2017-08-28 2022-09-20 Trinamix Gmbh Range finder for determining at least one geometric information
US11668828B2 (en) 2017-08-28 2023-06-06 Trinamix Gmbh Detector for determining a position of at least one object
US11860292B2 (en) 2016-11-17 2024-01-02 Trinamix Gmbh Detector and methods for authenticating at least one object

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4514083A (en) * 1981-02-03 1985-04-30 Olympus Optical Company Ltd. Distance measuring apparatus
US5101393A (en) * 1990-07-25 1992-03-31 Hewlett-Packard Company Optical position error detection using complementary steep angle reflections/transmissions
DE3873809T2 (de) * 1987-04-20 1993-03-04 Mitsubishi Electric Corp Fokusdetektor.
DE69803044T2 (de) * 1997-03-21 2002-08-22 Imagine Optic Orsay Optisches gerät zur kontaktlosen messung des abstandes zu einer lichtquelle

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3629966A1 (de) 1986-09-03 1988-03-17 Wolfgang Dr Ruhrmann Sensor
DE3712699A1 (de) 1987-04-14 1988-11-03 Wolfgang Dr Ruhrmann Sensor
US4850712A (en) * 1988-02-01 1989-07-25 Caterpillar Inc. Method and system for determining surface profile information
US4998011A (en) * 1989-11-17 1991-03-05 Applied Magnetics Corporation Flat plate focus sensing apparatus
GB2248989B (en) * 1990-10-15 1995-05-24 Applied Magnetics Corp Focus sensing apparatus and method
EP0978708B1 (de) 1998-08-01 2005-10-05 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Rotatorische Positionsmesseinrichtung
DE10039094C1 (de) 2000-08-07 2002-02-07 Rainer H A Fink Vorrichtung zur quantitativen hochauflösenden Messung von Abständen, Kräften, Elastizitäten, Drücken und Beschleunigungen

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4514083A (en) * 1981-02-03 1985-04-30 Olympus Optical Company Ltd. Distance measuring apparatus
DE3873809T2 (de) * 1987-04-20 1993-03-04 Mitsubishi Electric Corp Fokusdetektor.
US5101393A (en) * 1990-07-25 1992-03-31 Hewlett-Packard Company Optical position error detection using complementary steep angle reflections/transmissions
DE69803044T2 (de) * 1997-03-21 2002-08-22 Imagine Optic Orsay Optisches gerät zur kontaktlosen messung des abstandes zu einer lichtquelle

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10948567B2 (en) 2016-11-17 2021-03-16 Trinamix Gmbh Detector for optically detecting at least one object
US11415661B2 (en) 2016-11-17 2022-08-16 Trinamix Gmbh Detector for optically detecting at least one object
US11635486B2 (en) 2016-11-17 2023-04-25 Trinamix Gmbh Detector for optically detecting at least one object
US11698435B2 (en) 2016-11-17 2023-07-11 Trinamix Gmbh Detector for optically detecting at least one object
US11860292B2 (en) 2016-11-17 2024-01-02 Trinamix Gmbh Detector and methods for authenticating at least one object
WO2018167215A1 (en) 2017-03-16 2018-09-20 Trinamix Gmbh Detector for optically detecting at least one object
US11719818B2 (en) 2017-03-16 2023-08-08 Trinamix Gmbh Detector for optically detecting at least one object
CN110476081A (zh) * 2017-04-06 2019-11-19 罗伯特·博世有限公司 光透射元件、光学接收单元、光学致动器单元、激光雷达系统、工作设备和车辆
CN110476081B (zh) * 2017-04-06 2023-11-14 罗伯特·博世有限公司 光透射元件、光学接收单元、光学致动器单元、激光雷达系统、工作设备和车辆
US11448762B2 (en) 2017-08-28 2022-09-20 Trinamix Gmbh Range finder for determining at least one geometric information
US11668828B2 (en) 2017-08-28 2023-06-06 Trinamix Gmbh Detector for determining a position of at least one object

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Publication number Publication date
DE102008055486A1 (de) 2010-06-24
WO2010063521A3 (de) 2010-11-04

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