DE4339710C2 - Optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung, die in eine vorgegebene Meßeinrichtung mit Objektabbildung integrierbar ist.

Die optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung basiert auf der Grundlage eines objektabbildenden Verfahrens, welches zur Bestimmung der Lage eines Objektpunktes auf der Meßachse, die identisch mit der optischen Achse des Systems ist, geeignet ist, wobei sich die Anordnung relativ einfach in gegebene Strahlengänge von optischen Koordinatenmeßgeräten, Meßprojektoren und Meßmikroskopen integrieren läßt.

Es sind eine Vielzahl von optoelektronischen Abstandssensoren bekannt, die meist nach dem Prinzip der Triangulation oder nach dem Fokusverfahren arbeiten. Sie werden in der Regel in abgeschlossenen, kompakten Meßeinheiten als Abstandsdetektoren (Sollage-Erkennung) oder als messende Systeme kommerziell angeboten.

Meßtechnisch sind insbesondere solche Verfahren interessant, die Vorteile beider Prinzipien in sich vereinen.

In Laser Magazin 1/85, S. 26 ff. wird eine solche Lösung von der Firma Leitz beschrieben, bei der ein Laserstrahlbündel unter einem solchen Winkel in den Auflichtstrahlengang eines Mikroskopes eingespiegelt wird, daß es gerade im Sollabstand der Oberfläche zu einem ausgezeichneten Schnittpunkt mit der optischen Achse des Systems kommt und ein Triangulationseffekt bei einer Abstandsänderung erreicht wird.

Nachteilig ist dabei, daß - wie bei allen herkömmlichen Triangulationsverfahren mit einer festen Triangulationsebene (Ebene, aufgespannt von den optischen Achsen der Beleuchtungs- und Abbildungsoptik) - in der Meßpraxis Einschränkungen durch Abschattungseffekte in Kauf genommen werden müssen.

Bei der in der DE 35 07 445 A1 beschriebenen Lösung wird dieser Nachteil durch eine "richtungsunabhängige" Triangulation umgangen. Der Triangulations­ effekt wird durch eine Ringblende im Abbildungsstrahlengang erreicht. Allerdings können die in der Schrift formulierten Wirkungen nur realisiert werden, wenn der Öffnungsfehler der Optik benutzt wird. Somit können keine optimal korrigierten Objektiv-Optiken eingesetzt werden, wie sie beispielsweise standardmäßig in Meßmikroskopen verwendet werden. Deshalb wurde dort im Anspruch 4 hervorgehoben, daß die Abbildungsoptik als eine Nicht-Gaußsche Optik ausgebildet ist (d. h., die erzeugte leuchtende Marke auf der Objektoberfläche, also auch ein Punkt, wird nicht als Punkt, sondern als ein die optische Achse konzentrisch umgebender Ring in der Bildebene abgebildet). Mit dieser speziellen Optik ist das Verfahren somit als eine eigenständige Meßanordnung ausgebildet und auf Abstandsmessungen festgelegt.

Die EP 0 279 347 A2, DE 35 38 062 A1, EP 0 248 479 A1 sowie Rev. Sci. Instrum. 61 (1990) 12, S. 3722-3725 zeigen Abstandsmeßanordnungen unter Benutzung von Strahlung, die auf den Randbereich der Apertur beschränkt ist. Sofern sie nicht mit einer festen Triangulationsebene arbeiten, eignen sich diese Anordnungen jedoch nicht zur Integration in eine vorgegebene Meßvorrichtung, da beispielsweise der Detektor nach der DE 35 38 062 A1 hierbei großflächig abschatten würde.

Die Erfindung soll unter Zugrundelegung einer vorzugsweise gemeinsamen und optimal korrigierten Optik für den Beleuchtungsstrahlengang und den Abbildungsstrahlengang, ein empfindlich reagierendes Abstandsmeßverfahren realisieren, das neben einer eigenständigen Verwendung auch in vorgegebene optische Strahlengänge von auf Objektabbildung beruhenden Meßvorrichtungen, insbesondere von Koordinatenmeßmaschinen, Meßprojektoren und Meß­ mikroskopen, integriert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abstandsmeßeinrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß im Strahlengang die in den Patentansprüchen 2 bis 4 näher ausgeführten Mittel dafür sorgen, daß nur Randstrahlenbündel zur Erzeugung einer Marke auf der Objektoberfläche genutzt werden, ohne die Integrationsmöglichkeit in die vorgegebene Meßvorrichtung durch Abschattung von deren Strahlengang zunichte zu machen. Eine Änderung des Objektabstandes führt dann zu einer Aufspaltung des Markenbildes, deren Größe als empfindliches Maß einer Abstandsänderung mit einer geeigneten Empfängeranordnung auswertbar ist. Diese Lösung erlaubt eine optimal korrigierte Objektiv-Optik.

Die optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung zur Bestimmung der Lage eines Objektpunktes auf der optischen Achse eines Meßsystems besteht aus einer Strahlungsquelle, aus einer Abbildungsoptik, über welche die Strahlung auf der Objektoberfläche eine Marke erzeugt und welche die Marke in eine Empfängerebene abbildet, sowie aus einem geeigneten optoelektronischen Empfänger in dieser Empfängerebene, der mit einer Auswerteeinheit verbunden ist. Nur Strahlung aus dem Randbereich der Apertur wird, über deren Umfang verteilt, zur Erzeugung der Marke ausgewählt. Bei einer Abstandsänderung des Objektes (also Defokussierung) ist in einer Empfängerebene eine Veränderung des Markenbildes registrierbar, wobei die durch einen Empfänger erfaßbare resultierende Intensitätsverteilung in der Empfängerebene empfindlich vom Objektabstand Δz abhängig ist.

Dazu kann eine Blende im Beleuchtungsstrahlengang zwischen der Strahlungsquelle und der Abbildungsoptik angeordnet sein, die vorzugsweise symmetrisch zur optischen Achse liegende lichtdurchlässige Bereiche hat. Die Blende ist so dimensioniert, daß nur Randstrahlenbündel zur Erzeugung der Marke in der Objektebene beitragen. Diese Marke wird dann in die Empfängerebene abgebildet und von dem Empfänger ausgewertet.

Vorzugsweise ist zwischen der Strahlungsquelle und der Blende eine Kondensoroptik angeordnet, so daß die Blende von parallelem Beleuchtungslicht durchstrahlt wird. Das hat zur Folge, daß im Meßbereich (außerhalb der objektseitigen Brennebene der Abbildungsoptik), also auch im fokussierten Zustand, auswertbare Doppelmarken in den Koordinatenrichtungen der Objektebene entstehen.

Es ist vorteilhaft, wenn die symmetrisch zur optischen Achse angeordneten Bereiche der Blende kreisförmig sind. Vorteilhaft ist weiterhin eine Kreisringblende mit einem Kreisringdurchmesser, der die Nutzung der maximalen Apertur zuläßt.

Der Empfänger kann speziell für den Empfang des als Folge der Blendenform entstehenden Markenbildes in der Empfängerebene und der Meßaufgabe (Sollwertdetektion oder Abstandsmessung) ausgebildet sein. Er wertet Abstands- oder Intensitätsänderungen in der Empfängerebene aus.

Für die Messung der Intensitätsänderung ist der Empfänger vorzugsweise ein Differenzfotoempfänger mit kreis-kreisringförmiger Geometrie.

Über die Abstandsmessung hinaus ist die Erfassung einer Neigung der Objektoberfläche aus der Senkrechten zur Meßachse (optische Achse) möglich. Diese Messung erfordert jedoch den Einsatz von bildgebenden Empfänger­ anordnungen (CCD-Zeile, CCD-Matrix).

Die optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung ermöglicht, daß die erforderlichen zusätzlichen Bauelemente (z. B. Blende, Empfänger, Spiegel) in einem vorgegebenen Aufbau eines Meßmikroskops, eines Meßprojektors oder einer optoelektronischen Koordinatenmeßmaschine vergleichsweise problemlos in dessen Strahlengang einbaubar sind. Diese zusätzlichen Bauelemente können sogar in bereits fertig hergestellte Geräte nachträglich ohne Probleme eingebaut werden. Dazu bedarf es im einfachsten Fall nur des Einschwenkens einer Blende in den Strahlengang des abbildenden Meßsystems.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 1, 3 bis 5, 7 und 8 erläutert. Fig. 2 und 6 zeigen alternative Abstandsmeßanordnungen, die nicht die Merkmale nach dem Patentanspruch 1 aufweisen.

Fig. 1 Prinzipielle Darstellung der Anordnung zur optoelektronischen Abstandsmessung unter Erzeugung von Marken in der Objektebene;

Fig. 2 Prinzipielle Darstellung einer alternativen Anordnung zur optoelektronischen Abstandsmessung unter Abbildung vorhandener Marken;

Fig. 3 Darstellung der Anordnung zur Erzeugung von Marken über Randstrahlenbündel und Abbildung dieser Marken

Fig. 4 Anordnung mit Blende, die von parallelen Lichtbündeln durchsetzt wird;

Fig. 5 Beispiele für Blenden;

Fig. 6 Darstellung einer alternativen Anordnung zur optoelektronischen Abstandsmessung unter Abbildung von Randstrahlenbündeln;

Fig. 7 Kreis-Kreisring-Differenzfotoempfänger mit Detektorsignal;

Fig. 8 Markenbilder bei verkippter Objektoberfläche.

Die Abstandsmeßeinrichtung benutzt nach ihrem prinzipiellen Aufbau das Auflicht-Hellfeld-Verfahren als objektabbildendes Verfahren. Bei diesen lassen sich zwei Grundanordnungen unterscheiden. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann eine symmetrisch zur optischen Achse positionierte Blendenanordnung Randstrahl­ bündel aus einer vollständig ausgeleuchteten Apertur zur Erzeugung einer Marke ausblenden. Dies führt bei Abstandsänderung Δz zu einer charakteristischen, meßbaren Aufspaltung der erzeugten Marke auf der Objektoberfläche 1, 1′, wobei ausschließlich Randstrahlbündel im Beleuchtungsstrahlengang benutzt werden.

Alternativ kann eine Blendenanordnung bei Abstandsänderung Δz des Objektes 1, 1′ mit einer vorhandenen Marke zu einer charakteristischen, meßbaren Aufspaltung des Markenbildes in der Empfängerebene 5 benutzt werden, wobei ausschließlich Randstrahlbündel im Bildraum herangezogen werden. (Fig. 2).

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel mit Randstrahlbündeln auf der Beleuchtungsseite dargestellt. Die in Fig. 5 gezeigten Blendenanordnungen 3 sind so dimensioniert, daß, ausgehend von einer Strahlungsquelle 4 (idealerweise eine Punktlichtquelle, im Beispiel eine Laserdiode 10 mit geeignetem Kollimator), solche Randstrahlbündel mit Hilfe der Blende 4 in Verbindung mit dem Umlenkspiegel 7 und dem Ringspiegel 6 entstehen, deren Neigung zur optischen Achse 8 der maximalen Apertur des Objektivs 2 entsprechen. Im fokussierten Zustand wird bei dieser Anordnung im Idealfall (ohne Öffnungsfehler) ein Punkt in der Objektebene 1 erzeugt. Bei einer Abstandsänderung um Δz (Objektoberfläche in der Lage 1′) tritt durch die eingesetzte Blendenanordnung 3 eine Aufspaltung des Punktes ein, wobei die entstehende Marke der Geometrie der Blendenanordnung 3 ähnlich ist. Bei senkrechter Lage der Objektebene 1, 1′ zur optischen Achse 8 entstehen zu dieser Achse symmetrische Teilmarken.

Der Abstand Δx der Teilmarken von der optischen Achse 8 und damit der entsprechende Abstand Δx′ in der Empfängerebene 5 ist eine Funktion der Abstandsänderung Δz.

Bei verkippter Objektoberfläche 1, 1′ entstehen charakteristische Unsymmetrien, die beispielhaft in Fig. 8 für den Fall gezeigt sind, daß die Kreisring-Blende nach Fig. 5c verwendet wird. Durch Vermessung dieser Marken, z. B. mit dem in Fig. 8 dargestellten Empfängerarray 18 (CCD-Zeilenkreuz), kann damit zusätzlich zum Objektabstand vorteilhaft auch die Neigung der Objektoberfläche zur optischen Achse bestimmt werden.

Stimmt die Lage des CCD-Zeilenkreuzes (Empfängerarray 18) mit dem x-y′-Bild­ koordinatensystem überein, dann kennzeichnen das Markenbild 13a eine Objektkippung um die x-Achse und das Markenbild 13b eine Objektkippung um die y-Achse.

Für den Aufbau nach Fig. 3 ist die Anordnung wie folgt zu dimensionieren:
Der Lochabstand bzw. der Ringdurchmesser a der Blende ergibt sich zu:

mit T, der nutzbaren Öffnung am bildseitigen Linsenscheitel S′, mit b′, dem Blendenabstand zu S′ und der bildseitigen Schnittweite s′, gemessen vom bildseitigen Linsenscheitel S′.

Die Empfindlichkeit Δx/Δz der Abstandsmeßanordnung nach Fig. 3 hängt bei maximaler Ausnutzung der Apertur gemäß obiger Gleichung direkt von der objektseitigen Schnittweite s und dem entsprechend der Apertur nutzbaren Durchmesser der Frontlinse ab. Es gilt:

mit dem nutzbaren Radius der Frontlinse R, der Schnittweite s, der Abstandsänderung von der optischen Achse Δx.

Besonders einfach kann der Triangulationseffekt bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 genutzt werden. Mit der parallelen Strahlenführung durch die Blendenanordnung 3 wird im Idealfall eine Fokussierung der Randstrahlbündel im objektseitigen Brennpunkt des Objektivs erreicht. Folglich liegen für das in Fig. 4 dargestellte optische System in der Objektebene 1 (Schärfenebene) schon getrennt meßbare Teilmarken vor.

Geeignete Blendenanordnungen werden in Fig. 5 dargestellt:

• a) Lochblendenpaar
• b) Symmetrische Anordnung von vier Lochblenden
• c) Ringblende.

In Fig. 6 ist eine alternative Abstandsmeßvorrichtung dargestellt, die das Meßprinzip nach Fig. 2 anwendet und nicht die Merkmale nach dem Patentanspruch 1 aufweist. Eine Punktlichtquelle (Strahlungsquelle 4) wird über den Umlenkspiegel 7 und den Spiegel 12 in die Objektebene 1 abgebildet und erzeugt dort eine punktförmige Marke.

Über die in der bildseitigen Brennebene F′ angeordnete Blende 3 (entsprechend Fig. 5) gelangen nur die von dieser Marke ausgehenden Randstrahlenbündel in der Empfängerebene 5 zur Abbildung. Im beschriebenen Fall erzeugen sie dort wiederum eine punktförmige Lichtmarke. Bei Änderung des Objektabstands um Δz von dieser Sollposition kommt es auch hier zu der bereits beschriebenen charakteristischen Aufspaltung des Markenbildes.

Anordnungen nach Fig. 3 und Fig. 6 sind besonders für die Sollage-Detektion geeignet, weil unabhängig von der Ausführung der Blendenanordnung 3 im fokussierten Zustand (Sollage des Objektes 1) eine punktförmige Marke in der Objektebene 1 oder in der Empfängerebene 5 erzeugt wird. Durch eine Intensitätsmessung in der Empfängerebene 5 am Ort der optischen Achse 8 mit einem Fotoempfänger kann nach bekannten Verfahren empfindlich von der Intensitätsverteilung (Aufspaltung der Marke in Figuren, deren Form der Blende 3 entspricht) bei einem geänderten Abstand (Objektebene 1′) unterschieden werden. Vorteilhaft ist dabei der Einsatz einer kreis-kreisringförmigen Differenzfotodiode wie in Fig. 7a dargestellt. Sie zeigt die Situation für ein um Δz defokussiertes Objekt und bei Verwendung der Kreisring-Blende nach Fig. 5c.

Neben dem Kreisempfänger 14 und dem Separationsring 17, der den Kreisempfänger 14 elektrisch vom Kreisringempfänger 15 isoliert, ist das Markenbild 13 zu erkennen.

Die Differenz D der Signale vom Kreisempfänger 14 und vom Kreisringempfänger 15 liefert ein eindeutiges Kriterium für das Erreichen der Sollage (Fig. 7b).

Die Abstandsmessung, die über eine direkte Ortsbestimmung der Teilmarken im Bild mit Bildsensoren erfolgt, ist durch Einsatz von positionsempfindlichen Empfängern (CCD-Zeile, CCD-Matrix) möglich. Der Einsatz von zeilenförmigen oder matrixförmigen Empfängeranordnungen ist insbesondere für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 vorteilhaft. Wegen der endlichen bildseitigen Schnittweite s′ liegt die Objektebene außerhalb der objektseitigen Brennebene F. Damit liegt im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 schon in der Objektebene eine vollständig geteilte Marke vor, die im Bild direkt vermessen wird, d. h., daß der Abstand vom Ort der optischen Achse bestimmt wird. Mit dem Einsatz von solchen Bildsensoren als Empfänger 9 wird damit eine messende Abstandsmeßeinrichtung realisiert, die zudem in der Lage ist, aus der Geometrie der geteilten Marke im Bild (siehe dazu Fig. 8) auf die Neigung der Objektoberfläche (Objektebene 1, 1′) zu schließen. Die Lage der Marke wird dabei vorteilhaft durch ein Integralkriterium, wie die fotometrische Mitte oder den Lichtschwerpunkt, bestimmt.

Wird für Anordnungen nach Fig. 3 und Fig. 6 eine Objekt-Sollage außerhalb der Objektebene 1 (Schärfenebene) definiert, ist auch für diese Ausführungs­ beispiele eine analoge Abstandsmessung vorteilhaft möglich.

Bezugszeichenliste

1 Objektebene (Schärfenebene) 1′ defokussierte Lage der Objektebene
2 Abbildungsoptik
3 Blendenanordnung (Blende)
4 Strahlungsquelle
5 Empfängerebene (Bildebene im fokussierten Zustand)
6 Ringspiegel
7 Umlenkspiegel
8 optische Achse
9 Empfänger
10 Laserdiode
11 Kondensoroptik
12 Spiegel
13 Markenbild (Marke)
14 Kreisempfänger
15 Kreisringempfänger
16 lichtdurchlässiger Bereich
17 Separationsring
18 CCD-Zeilenkreuz

Formelzeichen

D Differenzsignal
F objektseitige Brennebene
F′ bildseitige Brennebene
R nutzbarer Radius der Frontlinse
S objektseitiger Linsenscheitel
S′ bildseitiger Linsenscheitel
T nutzbare Öffnung am bildseitigem Linsenscheitei
a Abstand der Teilblenden
Δz Abstandsänderung von der optischen Achse
x, x′ x-Koordinate
y, y′ y-Koordinate
Δx Abstandsänderung von der optischen Achse im Objekt
Δx′ Abstandsänderung von der optischen Achse im Bild
s objektseitige Schnittweite
s′ bildseitige Schnittweite
b′ Blendenabstand zu S′

Claims (6)

1. In eine vorgegebene Meßvorrichtung mit Objektabbildung integrierbare optoelektronische Abstandsmeßanordnung mit

• - einer Strahlungsquelle (4),
• - einem optoelektronischen Empfänger (9),
• - einer Abbildungsoptik (2), über welche die Strahlung der Strahlungsquelle (4) zur Bildung einer Marke auf eine Objektoberfläche (1, 1′) gelangt und welche die Marke in einem Grundabstand der Objektoberfläche (1, 1′) in eine Empfängerebene (5) abbildet,
• - Mitteln (3), die den Strahlengang der Strahlung der Strahlungsquelle (4) zur Bildung der Marke auf den Randbereich der Apertur der Abbildungsoptik (2), über deren Umfang verteilt, beschränken, und
• - einer Auswerteeinheit, die bei Abstandsänderungen der Objektoberfläche (1, 1′) gegenüber dem Grundabstand Veränderungen des von der Marke durch die Abbildungsoptik (2) erzeugten Musters am Empfänger (9) als Maß für den Objektabstand registriert.

2. Optoelektronische Abstandsmeßanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, die den Strahlengang der Strahlungsquelle (4) zur Bildung der Marke auf den Randbereich der Apertur der Abbildungsoptik (2) beschränken, aus mindestens einer Blende (3) bestehen, die symmetrisch zur optischen Achse (8) liegende lichtdurchlässige Bereiche (16) aufweist.

3. Optoelektronische Abstandsmeßanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, die den Strahlengang der Strahlungsquelle (4) zur Bildung der Marke auf den Randbereich der Apertur der Abbildungsoptik (2) beschränken, einen Spiegel, vorzugsweise einen Ringspiegel (6) umfassen.

4. Optoelektronische Abstandsmeßanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Mitteln, die den Strahlengang der Strahlungsquelle (4) zur Bildung der Marke auf den Randbereich der Apertur der Abbildungsoptik (2) beschränken, eine Kondensoroptik (11) zur Beeinflussung des Strahlenganges vorgelagert ist.

5. Optoelektronische Abstandsmeßanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese im Strahlengang eines vorgegebenen Aufbaus eines Meßmikroskops, eines Meßprojektors oder eines optoelek­ tronischen Koordinatenmeßgerätes angeordnet ist.

6. Optoelektronische Abstandsmeßanordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dabei die Mittel, die den Strahlengang der Strahlungsquelle (4) zur Bildung der Marke auf den Randbereich der Apertur der Abbildungsoptik (2) beschränken, als in den Strahlengang einschwenkbare Blende oder Ringspiegel ausgeführt sind.