DE3322710C2 - Optische Abstandsmeßvorrichtung - Google Patents

Abstract

Optisch berührungslos arbeitende Abstandsmeßvorrichtung, die eine Meßobjektoberfläche mit Meßlicht antastet, das in zwei zueinander senkrechten Ebenen polarisiert ist. In veränderbaren magnetischen oder elektrischen Feldern gelegene elektrooptische Bauelemente, die vom Meßlicht durchstrahlt werden, ändern abhängig von der Feldstärke ihre Brechungseigenschaften. Mittels eines doppelbrechenden Bauelements werden in der optischen Achse hintereinanderliegende jedoch im Abstand gegensinnig stufenlos veränderbare Brennpunkte erzeugt, wodurch unterschiedliche Auflösungen erzielbar sind. Eine äquidistante Brennpunktsverlagerung wird durch ein weiteres elektrooptisches, jedoch isotropes Bauelement erzielt. Durch laufenden Vergleich der Intensitäten des reflektierten Lichts der beiden unterschiedlich polarisierten Lichtarten in zwei optoelektronischen Wandlern kann eine ausgezeichnete Lage der Brennpunkte relativ zur Meßobjektoberfläche gefunden werden. Sowohl äquidistante als auch gegensinnige Brennpunktslageveränderungen sind einfach und rasch durchführbar. Dadurch ist die Abstandsmeßvorrichtung universell anwendbar, d. h. ihr Auflösungsvermögen ist rasch veränderbar und die Messungen bei hohen Geschwindigkeiten ohne mechanische Nachführung möglich.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Abstandsmeßvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus dem Aufsatz »Berührungsfreie Antastung technischer Oberflächen«, A. F. Fercher und H. Hesse, in der DE-Z Feinwerktechnik und Meßtechnik, 84, 1976, Heft 2 als bekannt hervorgeht.

Zur berührungslos optischen Antastung von Oberflächen können nach dem Fokussierungsmeßverfahren arbeitende Abstandsmeßvorrichtungen eingesetzt werden. Ein Meßtastkopf der Vorrichtung sendet Primärlicht aus. das im Bereich der Oberfläche fokussiert wird. Die Intensität des von der Oberfläche reflektierten Sekundärlichts wird gemessen, und dadurch eine ausgezeichnete Brennpunktslage relativ zur Meßobjektoberfläche festgestellt. Dieser Brennpunktslage sind zugehörige Einstellungen an der Abstandsmeßvorrielitung. beispielsweise von Brennweiten, zuzuordnen um daraus eine Abstandsrelation zwischen Meßgerät und Meßobjektoberfläche zu gewinnen, in der Dissertation von F. Ertl, Aufbau und Untersuchung eines berührungslos optisch arbeitenden Längenmeßverfahrens für den Einsatz in der Fertigung, Darmstadt, 1978, sind Vorrichtungen zur Abstandsmessung mit einer einen einzigen Brennpunkt erzeugenden Fokussierungseinrichtung geschildert.

Das in der eingangs erwähnten Schrift vorliegende Antastverfahren verwendet jedoch eine doppelbrechende Abbildungsoptik, die in zwei unterschiedlichen Polarisationsebenen schwingende Primärlichtarten unterschiedlich bricht Die beiden Primärlichtarten werden dabei intermittierend und wechselweise in einer hochfrequenten Impulsfolge ausgesendet Und zwar wird die Polarisationsrichtung des von einer Lichtquelle ausgesendeten, in einer Ebene polarisierten Primärlichts mittels eines Modulators (elektrooptisch arbeitende Pockelszelle) zwischen zwei zueinander senkrechten Polarisationsebenen hin und hergeschaltet Das derart modulierte Primärlicht wird je nach Polarisationsrichtung in einer doppelbrechenden Linse mit zwei festen Brennweiten unterschiedlich gebrochen und nach Durchstrahlen einer weiteren jedoch einfach brechenden Linse in zwei zeitlich und räumlich auseinanderliegende Brennpunkte fokussiert Die Brennpunkte sind einander ständig äqddistant; sie lassen sich relativ zur Meßobjektoberfläche verschieben, wozu der Meßkopf des Meßgeräts beispielsweise mit einem Verschiebeantrieb versehen ist Das von der Meßobjektoberfläche in den Strahlengang des Primärlichtbündels reflektierte Sekundärlicht wird auf einen optoelektronischen Wandler fokussiert Je nach Lage der Brennpunkte relativ zur Meßobjektoberfläche bzw. nach der Größe der Lichtflecke darauf ändert sich die zum optoelektronischen Wandler gelangende Intensität der einen oder anderen Art des Sekundärlichtstroms. Durch laufender. Vergleich der nacheinander am optoelektronischen Wandler ankommenden Lichtmengen br^: gleichzeitiger äquidistanter Verlagerung der beiden Brennpunktpositionen relativ zur Meßobjektoberfläche läßt sich die Lage der anzutastenden Oberfläche zur Meßvorrichtung eindeutig feststellen. Bei Intensitätsgleichheit beider Sekundärlichtarten befindet sich die Meßobjektoberfläche mittig zwischen beiden Brennpunkten. Aus kleinen Intensitätsunterschieden kann eine außermittige Oberflächenlage ermittelt werden. Der beispielsweise mit einem Nachführantrieb versehene Meßkopf wird immer so verfahren, daß die Meßobjektoberfläche stets zwischen den beiden Brennpunkten liegt. Wegen der zu bewegenden Massen der mechanischen Nachführeinrichtung kann das Nachführen nur langsam vonstattengehen. Dies gilt insbesondere dann, wenn hohe Auflösungen verlangt sind, beispielsweise für Rauhigkeitsmessungen, wo der Meßkopf sehr feinfühlig nachführbar sein muß. Hohe Meßgenauigkeit verbunden mit einer schnellen Messung sind unter diesen Meßbedingungen mit einer mechanisch gesteuerten Nachführung kaum zu leisten. Die Einstellung unterschiedlicher Auflösungen gestaltet sich ebenfalls sehr umständlich, da dies durch Austausch der doppelbrechenden Linse von Hand erfolgen muß.

Die erwähnte Literaturstelle zeigt Möglichkeiten auf, eine Vielzahl von Primärlichtbrennpunkten hintereinander liegend auf der optischen Achse des Meßkopfes zu erzeugen; dadurch wird bei hoher Meßgenauigkeit der Meßbereich vergrößert, innerhalb dem der Meßkopf ohne mechanische Nachführung die Mcßobjcktoberflü-

ehe vermessen kann. Jedoch wird das Meßgerät dadurch sehr aufwendig, schwer, unhandlich und teuer. Überdies ist bei komplizierten Oberflächenformen gieichwohl noch mit häufigen Nachführvorgängen zu rechnen, was eine Messung verzögert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Art bei einfachem Aufbau für universelle Vei wendung auszugestalten, d. h. ihr Auflösungsvermögen soll rasch dem jeweiligen Anwendungsfall anpaßbar sein und die Messungen sollen bei allen Genauigkeitsbereichen mit hoher Geschwindigkeit d.h. ohne mechanische Nachführung möglich sein.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Die Brechungseigenschaften von elektrooptisch oder magnetooptisch im Brechungsverhalten variablen Bauelementen lassen sich durch elektrische oder magnetische Felder ändern, indem die Feldstärke variiert wird. Mittels eines doppelbrechenden optischen Bauelements, das von zwei senkrecht zueinander polarisierten Lichtarten durchstrahlt wird, werden zueinander versetzte, jedoch im Abstand gegensinnig stufenlos veränderbare Brennpunkte erzeugt, wodurch unterschiedliche Auflösungen eingestellt werden können. Eine äquidistante Brennpunktsverlagerung wird durch ein weiteres, elektrooptisches jedoch isotropes Bauelement erzielt Hiermit ist es möglich wechselnde Auflösungen und dennoch hohe Meßgeschwindigkeiten zu erzielen, da weitgehend ohne mechanische Nachführung ausgekommen werden kann.

Vorteilhaft ist daß die Auflösung damit auch die Meßgenauigkeit auf einfache Weise und schnell von Meßobjekt zu Meßobjekt anderen geforderten Meßbedingungen angepaßt werden kann und gleichgültig welche Auflösung eingestellt wird, die äquidistante Brennpunktsverschiebung dennoch mit hoher Geschwindigkeit und gleichbleibender Exaktheit erfolgt. Vorteilhaft ist auch, daß von unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten herrührende Einflüsse erkannt werden können, da für ein und denselben Meßpunkt praktisch ohne Aufwand mehrere Abstandsrelationen für verschiedene Auflösungen ermittelt werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einer Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben; es zeigt

die einzige Figur eine Abstandsmeßvorrichtung und ihre optischen Bauteile.

Die Abstandsmeßverrichtung 1 besitzt eine Lichtquelle 2, vorzugsweise eine Laser-Lichtquelle, die ein Lichtbündel aussendet, das ständig in zwei zueinander senkrecht stehenden Ebenen linear polarisiert ist. Auch elliptisch oder zirkulär polarisiertes Licht kann verwendet werden. Letzteres kann mit einer linear-polarisiertes Licht aussendenden Lichtquelle durch Vorsetzen einer /ί/4-Platte erzeugt werden. In einer Divergenzlinse 3 wird das Lichtbündel aufgeweitet bis es auf eine Konvergenzlinse 4 trifft, die das Primärlicht parallelisiert. Zwischen dieser und einer weiteren Konvergenzlinse 5, ist im Parallellichtbündel genügend Raum für zwei in Richtung einer Meßobjektoberfläche durchstrahlbare Strahlteiler 6, 7. Zwischen der Konvergenzlinse 5 und der Meßobjektoberfläche 8 sind im konvergenten Lichtbündel hintereinander zwei elektrooptische Bauelemente 9, 10 in unterschiedlichen elektrischen Feldern angeordnet. Als Elektrode.". 11, 12 dienen beispielsweise goldbedampfte Schmalseiten der als Planplatten ausgebildeten elektrooptischen Bauelemente 9, 10. Ein elektrisches Feld wird dann aufgebaut, wenn an den Elektroden 11, 12 Spannung anliegt. Im elektrischen Feld teesitzt das elektrooptische Bauelement 10 doppelbrechende Eigenschaften. Das heißt eintretendes Licht wird je nach Schwingungsrichtung unterschiedlich gebrochen. Die Elektroden 12 der doppelbrechenden Planplatte sind derart angeordnet, daß die elektrischen Feldlinien orthogonal und parallel zu den Polarisationsebenen des sie durchstrahlenden Lichts angeordnet sind Das elektrooptische Bauelement 9 zeigt isotropes Verhalten, d. h. es triti keine Doppelbrechung auf. Die unterschiedlich polarisierten Lichtarten treffen im Bereich der Meßobjektoberfläche 8 in zwei Brennpunkten 14 und 15 zusammen, die in der optischen Achse 13 der Meßapparatur hintereinander liegen. Der von der Meßobjektoberfläche reflektierte Lichtfluß ist abhängig von der Lage der Brennpunkte 14,15 relativ zur anzutastenden Meßobjektoberfläche 8. Das reflektierte Licht trifft nach Durchstrahlen der zuvor genannten doppelbrechenden und isotropen Planplatte, >;owie der Konvergenzlinse 5 fester Brennweite auf einen ersten Strahkeiler 7, beispielsweise einen Teilerspiegel, der nur eine der beiden Lichtarten durchläßt, die andere Lichtart jedoch aus den Beleuchtungsstrahlengang auskoppelt. Das ausgekoppelte Licht fällt auf eine Linse 16, die das Licht zur Messung seiner Intensität auf einen optoelektronischen Wandler 17, beispielsweise eine Fotozelle fokussiert. Das im Beleuchtungsstrahlengang durch den ersten Strahlteiler 7 hindurchtretende Licht fällt auf einen weiteren Strahlteiler 6, der in der anderen Ebene polarisiertes Licht auf einen weiteren optoelektronischen Wandler 19 fokussiert. Die Ausgangssignale beider optoelektronischer Wandler 17,19 werden besonders einfach in einer elektrischen Auswerteschaltung 20 verglichen. Danach sind die beiden optoelektronischen Wandler beispielsweise an eine Differenzbildungsstufe angeschlossen, welche ein Anzeigeinstrument speist. Wenn dieses Gerät den Wert Null anzeigt, so sind die beiden Lichtströme an den Wandlern gleich und die Oberfläche befindet sich mittig zwischen der. beiden Brennpunkten. Durch die im elektrischen Feld ihr Brechungsverhalten ändernden Bauelemente kann die Abstandsmeßvorrichtung universell verwendet werden. So kann die Meßgeschwindigkeit beträchtlich gesteigert werden, dadurch daß die Brennpunktsabstände relativ zur anzutastenden Oberfläche ohne mechanische, trägheitsbehaftete Stellvorrichtungen für den Meßtastkopf veränderbar sind, indem einfach die Spannung der Elektroden geändert wird, die der isotropen Planplatte 9 zugehörig sind. Beide Brennpunkte verschieben sich dann relativ zur Oberfläche, ohne ihren Abstand zueinander zu ändern. Da für eine Abstandsbestimmung die Intensitäten des Sekundärlichts bzw. die Antwortsignale der Wandler gleich sein müssen, müssen die Brennpunkte äquidistant so lange verschoben werden, bis die· Oberfläche des Meßobjekts sich mittig zwischen ihnen befindet. Dies kann einmal geschehen, indem die Spannung an den Elektroden ti kontinuierlich linear ansteigt oder fällt und der Zeitpunkt bzw. die Einstellparameter der Vorrichtung, festgehalten werden, für die das Antwortsignal an beiden Wandlern gleich ist. Oder es können auch die Antwortsignale der Wandler direkt zur Spannungssteuerung verwendet werden. Besonders für hohe Auflösungen, d. h. wenn die Brennpunkte in der optischen Achse sehr dicht beieinanderliegen, da beispielsweise die Rauhigkeit der Oberfläche vermessen werden soll, muß die Kontur der Oberfläche sehr feinfühlig

nachgefahren werden. Die Nachführwege sind relativ zum Brennpunktsabstand groß und mit einer mechanischen Nachführrichtung in der erforderlichen Genauigkeit kaum zu steuern.

Die Einstellung der Auflösung, d. h. den Abstand zwisehen den beiden Brennpunkten je nach Anwendungsfall zu verändern, ist durch Aufgabe unterschiedlicher Spannungen an den Elektroden 12 möglich, zwischen deren elektrischem Feld die doppelbrechende Planplatte oder Linse 10 liegt. Besonders für eine variable Einsetzbarkeit der Abstandsmeßvorrichtung ist diese einer Linse mit festen Brennweiten vorzuziehen. Wenn beispielsweise von Werkstück zu Werkstück oder Meßpunkt zu Meßpunkt die Oberflächenbeschaffenheit des Meßobjekts sich ändert, oder einfach die Meßgenauigkeit geändert werden soll, so können nach Plan rasch unterschiedliche Auflösungen eingestellt werden. Bei oft wechselnden Meßbedingungen wird also Meßgeschu'indigkftit und F.insetzbarkeit der Vorrichtung nicht unnötig beschränkt.

Für eine erhöhte Meßsicherheit können für einen Meßpunkt jeweils Abstandsrelationen mit unterschiedlichen Auflösungen ermittelt werden, wodurch oberflächenbedingte Meßfehler erkannt werden können. Denn das Reflektionsverhalten einer Oberfläche ist stark von ihrer MikroStruktur abhängig.

An die Elektrode der doppelbrechenden Planplatte oder Linse 10 kann auch eine Wechselspannung angelegt werden, die bewirkt, daß die Brennpunkte sich gegensinnig zueinander bewegen. Dabei können sich die Brennpunkte durchdringen oder sich auch nur bis auf einen bestimmten Abstand einander annähern. Wenn die Brennpunkte genau symmetrisch zur Oberfläche schwingen, zeigen die Antwortschwingungen an den beiden Wandlern einen übereinstimmenden zeitlichen Verlauf. Zugleich besitzt die Antwortschwingung die doppelte Frequenz der Brennpunktschwingung. Für dazu benachbarte Brennpunktslagen zeigen die Antwortschwingungen keine Übereinstimmung. Durch Vergleich der Amplituden der Antwortschwingungen ist so ohne weiteres die ausgezeichnete Lage der Brennpunkte auffindbar, in der sie symmetrisch zur Oberfläche liegen.

Für eine Steigerung der Meßgenauigkeit kann die Antwortschwingung auch in ihre harmonischen Schwin- 45 gungen zerlegt werden. Für die Auswertung ist besonders die intensität des Oktavanteils der Frequenz der Brennpunktsschwingung geeignet. Die Vorteile dieses Auswerteverfahrens sind im einzelnen in einer Parallelanmeldung der Anmelderin dargestellt. 50

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

Patentansprüche :

1. Optische Abstandsmeßvorrichtung nach dem Fokusverfahren, die mit in zwei zueinander senkrechten Ebenen polarisiertem Primärlicht arbeitet, und eine Abbildungsoptik besitzt, die ein doppelbrechendes und ein. im Brechungsverhalten isotropes optisches Bauelement enthält, wobei durch das doppelbrechende Bauelement aufgrund unterschiedlicher Brechung der Primärlichtarten zwei im Abstand hintereinander liegende Brennpunkte im Bereich einer anzutastenden Oberfläche eines Meßobjektes erzeugbar sind, ferner mit einem die Intensität des von der Oberfläche des Meßobjekts reflektierten Sekundärlichts messenden optoelektronischen Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Primärltchtarten ständig und gleichzeitig zur Verfügung stehen, und daß die Bauelemente (9 ureJ 10) derartige Materialien enthalten, die auf Veränderungen dtr elektrischen oder magnetischen Felder, in denen sie angeordnet sind, mit Änderungen des Brechungsverhaltens reagieren, und zwar derart, daß das isotrope Bauelement (9) äquidistante Verschiebungen und das doppelbrechende Bauelement (10) gegenläufige Verschiebungen der beiden Brennpunkte erzeugt, und daß Mittel zur Trennung des Sekundärlichts entsprechend den Polarisationsrichtungen und für jede Art des Sekundärlichts jeweils ein gesonderter optoelektronischer Wandler (17 13) zur Intensitätsmessung vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbi echende Bauelement (10) im Brechungsverhalten durch ein sich entsprechend änderndes Feld so beeinflußbar ist, daß die Brennpunkte kontinuierlich periodisch gegenläufig schwingen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Bauelemente (9, 10) jeweils als Planplatte ausgebildet und im Strahlbereich zwischen Abbildungsoptik und Oberfläche des Meßobjektes angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der optischen Bauelemente mit einer Linse der Abbildungsoptik baulich integriert ist.