DE69622896T2

DE69622896T2 - Verbesserungen an Oberflächenkrümmungsmessungen

Info

Publication number: DE69622896T2
Application number: DE69622896T
Authority: DE
Inventors: Kevin Ross Manning
Original assignee: Roke Manor Research Ltd
Current assignee: Roke Manor Research Ltd
Priority date: 1995-02-11
Filing date: 1996-01-26
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2016-01-27
Also published as: ATE222349T1; DE69622896D1; US5633718A; EP0726446A3; ES2181814T3; JPH08247741A; JP3294985B2; EP0726446B1; EP0726446A2; AU4225796A

Description

Die Erfindung betrifft eine vorrichtung zur Messung des Krümmungsradius mindestens einer teilweise reflektierenden Fläche.
Sie betrifft insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer einfachen, jedoch genauen "Aussage", ob der Krümmungsradius der Fläche eines hergestellten Produkts oder eines in der Herstellung befindlichen Produkts innerhalb der Spezifikation liegt, zusammen mit einem Hinweis darauf, wie weit er von einer erforderlichen Krümmungsradiusspezifikation entfernt ist.
Eine Vorrichtung zum Ausführen einer Messung des Krümmungsradius einer Fläche ist bekannt, und es sei in diesem Zusammenhang zum Erhalten von Hintergrundinformationen die Aufmerksamkeit auf GB-B-2 265 215 gerichtet.
In US-A-5 067 817 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine berührungsfreie, selbst einen Bezug liefernde Messung der Krümmung und des Profils einer Fläche durch gleichzeitige Messung der Neigung an zwei dicht beabstandeten Punkten auf einer Testfläche offenbart. Ein Paar paralleler Lichtstrahlen, die leicht gegeneinander versetzt sind, werden auf die Testfläche gerichtet, und die reflektierten Strahlen werden auf positionsempfindliche Detektoren fokussiert. Die gemessenen Neigungen an den Punkten, an denen die Strahlen die Testfläche schneiden, werden zum Bestimmen der lokalen Krümmung der Testfläche verwendet. Durch Tasten der Vorrichtung über die Testfläche wird ein Krümmungsprofil der ganzen Testfläche bereitgestellt.
In US-A-4 735 508 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Flächenkrümmung einer reflektierenden Fläche offenbart. Ein Paar durch einen Laser erzeugter Strahlen wird auf die Fläche gerichtet, und die Trennung der von der Fläche reflektierten Lichtstrahlbilder wird gemessen, um eine Angabe zur Krümmung der Fläche bereitzustellen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, die den Flächenkrümmungsradius zumindest einer teilweise reflektierenden Fläche wirksam mißt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen des Krümmungsradius einer zumindest teilweise reflektierenden Fläche vorgesehen, wobei die Vorrichtung aufweist:
eine Quelle zum Erzeugen mindestens eines ersten und eines zweiten Strahls elektromagnetischer Strahlung, wobei die Strahlen parallel zueinander verlaufen und einen bekannten Abstand zueinander aufweisen,
eine Strahlteilereinrichtung, die sich zwischen der Quelle und der Fläche befindet, um die Strahlen auf die Fläche zu richten und um von der Fläche reflektierte Strahlen zu empfangen,
eine erste Linseneinrichtung, die sich zwischen der Quelle und der Strahlteilereinrichtung befindet, um die Strahlen zu fokussieren und sie auf die Strahlteilereinrichtung zu richten,
eine zweite Linseneinrichtung, die sich zwischen der Strahlteilereinrichtung und der Fläche befindet, um die Strahlen von der Strahlteilereinrichtung auf die Fläche zu richten und um die von der Fläche reflektierten Strahlen auf die Strahlteilereinrichtung zu richten,
eine Detektoreinrichtung für elektromagnetische Strahlung, die dafür eingerichtet ist, die reflektierten Strahlen von der Strahlteilereinrichtung zu empfangen, und
eine Verarbeitungseinrichtung zum Berechnen des Krümmungsradius der Fläche abhängig von den Positionen der reflektierten Strahlen auf der Detektoreinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie dafür ausgelegt ist, eine Strahltrennungseinrichtung aufzunehmen, die zwischen der zweiten Linseneinrichtung und der Fläche positioniert wird, um die Strahltrennung zu vergrößern oder zu verkleinern.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben, wobei:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Messen des Krümmungsradius einer teilweise reflektierenden Fläche zeigt,
Fig. 2 die Beziehung zwischen den gemessenen Winkeln und dem Abstand zwischen Strahl 1 und Strahl 2 zeigt,
Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Mehrstrahlvariante der Vorrichtung aus Fig. 1 zeigt und
Fig. 4 die Vorrichtung ans Fig. 1 einschließlich einer Strahltrennungsvorrichtung zeigt.
In Fig. 1 kann die dargestellte Vorrichtung tragbar sein, es wird jedoch verständlich sein, daß die Vorrichtung beispielsweise auch an einem Drehbankkörper oder Roboterarm befestigt sein kann.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, weist die tragbare Vorrichtung eine erste Quelle elektromagnetischer Strahlung 2 und eine zweite Quelle elektromagnetischer Strahlung 4 auf, die Laser sind. Die Laser werden durch Lasertreiber 6 angesteuert, die durch eine Steuerungs- und Prozessorschaltung 8 mit einem Eingang einer Mensch-Maschine-Schnittstelle 10 gesteuert werden. Die Laser 2,4 erzeugen jeweils einen Strahl elektromagnetischer Strahlung, der durch eine Fokussierungslinse 12 in einen Strahlteiler 14 geführt wird. Die Strahlen verlaufen parallel zueinander und sind um einen bekannten Abstand voneinander getrennt. Die Strahlen durchlaufen den Strahlteiler und treten in eine Umformungslinse 16 ein, die Strahlen auf eine zu messende Fläche 18 richtet. Diese Fläche kann eine Linse sein, sie könnte jedoch auch jede beliebige reflektierende oder teilweise reflektierende Fläche sein, deren Krümmungsradius gemessen werden muß. Die Fläche reflektiert die Strahlen 1, 2 zur Umformungslinse zurück, und sie treten wiederum in den Strahlteiler ein und werden auf die Oberfläche eines Detektors 20 gelenkt. Diese Strahlen sind als X1, X2 gekennzeichnet. Ein Detektorprozessor 22 ist dafür eingerichtet, den Krümmungsradius der Fläche anhand der Positionen der reflektierten Strahlen X1, X2 auf der Oberfläche des Detektors und anhand der Trennung der zwei Strahlen auf der Fläche 18 zu berechnen. Der Detektor 22 wird durch die Steuerungs- und Prozessorschaltung 8 gesteuert.
Die Laser sind Diodenlaser 2, 4, die im sichtbaren Wellenlängenbereich emittieren, und sie geben einem Bediener daher einen Hinweis darauf, wo die Messungen tatsächlich ausgeführt werden. Die Laser emittieren kollimierte Strahlen, die durch verschiedene Linsen und Prismen auf eine zu messende Oberfläche gerichtet werden, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Die Strahlen sind zueinander parallel, und sie sind um einen bekannten Abstand voneinander getrennt.
Das verwendete Meßverfahren ist berührungsfrei und möglicherweise genauer als ein Verfahren, bei dem ein Sphärometer verwendet wird, das ein Kontaktinstrument ist. Bei dieser Ausführungsform fallen, wie in Fig. 1 dargestellt ist, zwei parallele Strahlen, nämlich ein Strahl 1 und ein Strahl 2 in einem bekannten Abstand voneinander auf eine Fläche. Wenn die zurückkehrenden Strahlen auf den Detektor 20 fallen, werden die Positionen in einem Speicher im Detektorprozessor 22 gespeichert und verwendet, um den Krümmungsradius zu berechnen.
Das in Fig. 2 dargestellte Diagramm und damit in Beziehung stehende Gleichungen (später erörtert) zeigen, daß es eine einfache Beziehung zwischen den zwei gemessenen Winkeln, dem Abstand zwischen den Strahlen und dem erforderlichen Krümmungsradius der Fläche 18 gibt. Um die zurückkehrenden Strahlen von den zwei einfallenden Strahlen zu unterscheiden, ist es erforderlich, jeden Strahl getrennt zu aktivieren, so daß die zurückkehrenden Strahlen eindeutig identifiziert werden, wenn eine Positionserfassungsdiode im Detektor 20 verwendet wird. Ein anderer Weg, dies zu erreichen, besteht darin, polarisiertes Licht und für jede Polarisation getrennte Detektoren zu verwenden. Es sei jedoch bemerkt, daß dieses Verfahren bei weit beabstandeten Strahlen nur bei Kugelflächen genau ist. Falls die Strahlen jedoch dicht beieinander liegen, um eine ausreichend hohe Abtastfrequenz zu erzielen, funktioniert das Verfahren für jedes glatte Oberflächenprofil.
Mit Bezug auf Fig. 3 wird eine Abänderung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung erörtert, und es ist darin eine Mehrstrahlvariante dargestellt. In Fig. 3 wurde Elementen, die denjenigen aus Fig. 1 ähneln, die gleiche Bezeichnung gegeben, und ihre Funktionen gleichen einander. Der Unterschied zwischen Fig. 1 und Fig. 3 besteht darin, daß die elektromagnetischen Quellen 2, 4 in Fig. 1 die Laser waren, durch einen gesonderten Strahlgenerator 24 ersetzt wurden, der durch einen Laser und einen Lasertreiber 26 angesteuert wird. Der gesonderte Strahlgenerator erzeugt mehrere Strahlen, nämlich Strahl 1 bis Strahl N, die alle zueinander parallel sind, wobei der Abstand X zwischen jeweils zwei der Strahlen bekannt ist. Die Strahlen werden durch die Fokussierungslinse 12 geführt und danach exakt genauso behandelt, wie in bezug auf Fig. 1 erörtert wurde.
In diesem Fall wird ein Sondenstrahl über die Fläche getastet, indem beispielsweise ein Ablenkspiegel bzw. ein Ablenkprisma und geeignete Optik oder ein LCD-Lichtverschluß, der sich in einem gesonderten Strahlgenerator 24 in Fig. 3 befindet, bereitgestellt werden, wodurch kontinuierliche oder veränderliche Abtastintervalle bereitgestellt werden, um ein Profil der Fläche bereitzustellen.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm einer ähnlichen Vorrichtung wie in Fig. 1, wobei eine zusätzliche Vorrichtung 28 zwischen der zu messenden Fläche 18 und der Umformungslinse 16 positioniert ist. Identische Elemente weisen die gleichen Bezeichnungen auf wie in Fig. 1, und ihre Arbeitsweise ist die gleiche. Die Vorrichtung 28 kann durch beispielsweise an der Umformungslinse 16 angebrachte Zusatzoptik das Vergrößern oder Verkleinern der Strahltrennung bewirken. Die Vorrichtung 28 ermöglicht das genaue Bestimmen unterschiedlicher Linsengrößen und unterschiedlicher Krümmungsradien.
Die Messungen könnten in Echtzeit ausgeführt werden, so daß während der maschinellen Bearbeitung einer Oberfläche die Ausgabe von der Einheit verwendet wird, um ein Schneidwerkzeug zu steuern, wodurch ein automatisches System bereitgestellt wird, das verwendet werden kann, um die maschinelle Bearbeitung erforderlichenfalls zu modifizieren oder zu unterbrechen, wenn der erforderliche Krümmungsradius oder das erforderliche Profil erreicht wurde.
Wenngleich die dargestellten Einheiten für eine tragbare Konstruktion hervorragend geeignet sind, könnte die Einheit, wenn die Messungen ausgeführt werden, beispielsweise alternativ an einem Drehbankkörper befestigt oder vorübergehend in der Nähe einer zu prüfenden Fläche befestigt werden.
Der folgende Satz mathematischer Gleichungen zeigt, wie der Krümmungsradius r für zwei parallele Strahlen, die einen bekannten Abstand x voneinander entfernt sind, wie in Fig. 2 dargestellt ist, bestimmt werden kann.
wobei:
r = geforderter Krümmungsradius
y = Abstand vom Schnittpunkt der Senkrechten von der oberen Radiusnormalen mit der unteren Radiusnormalen
x = Strahltrennung
∂x = zusätzlicher Abstand zwischen x und dem Schnittpunkt mit der unteren Radiusnormalen
θ = oberer gemessener Winkel der Flächennormalen
φ = unterer gemessener Winkel der Flächennormalen
Es ist weiterhin möglich, die Höhe der Fläche von einer ebenen Fläche folgendermaßen abzuleiten:
Δh = y cosφ
daher:
wobei:
Δh = Höhe zwischen Auftreffpunkten der einfallenden Strahlen.
Unter Verwendung einer Vielzahl von Wellenlängen für jeden der Laser können die Laser durch Wellenlängenfilter isoliert werden und lineare Detektoren für jede Wellenlänge verwendet werden. Es ist unter Verwendung dieser Technik möglich, die Strahlen sehr dicht beieinander anzuordnen (d. h. x ist klein) und dennoch die zurückkehrenden Strahlen aufzulösen. Dies kann für eine mechanisch getastete Meßeinheit vorteilhaft sein, wodurch eine verbesserte Auflösung des Krümmungsradius erhalten wird.
Fachleuten wird klar sein, daß der beschriebene Strahlteiler jede beliebige Einrichtung zum Bewirken einer Strahltrennung, beispielsweise teilweise reflektierende Spiegel, einschließen soll.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen des Krümmungsradius einer Fläche (18), die zumindest teilweise reflektierend ist, wobei die Vorrichtung aufweist:

eine Quelle (2, 4, 6; 24, 26) zum Erzeugen mindestens eines ersten und eines zweiten Strahls elektromagnetischer Strahlung, wobei die Strahlen parallel zueinander verlaufen und einen bekannten Abstand zueinander aufweisen,

eine Strahlteilereinrichtung (14), die sich zwischen der Quelle (2, 4, 6; 24, 26) und der Fläche (18) befindet, um die Strahlen auf die Fläche (18) zu richten und um von der Fläche (18) reflektierte Strahlen zu empfangen;

eine erste Linseneinrichtung (12), die sich zwischen der Quelle (2, 4; 6; 24, 26) und der Strahlteilereinrichtung (14) befindet, um die Strahlen zu fokussieren und sie auf die Strahlteilereinrichtung (14) zu richten,

eine zweite Linseneinrichtung (16), die sich zwischen der Strahlteilereinrichtung (14) und der Fläche (18) befindet, um die Strahlen von der Strahlteilereinrichtung (14) auf die Fläche (18) zu richten und um die von der Fläche (18) reflektierten Strahlen auf die Strahlteilereinrichtung (14) zu richten,

eine Detektoreinrichtung (20) für elektromagnetische Strahlung, die dafür eingerichtet ist, die reflektierten Strahlen von der Strahlteilereinrichtung (14) zu empfangen, und

eine Verarbeitungseinrichtung (22) zum Berechnen des Krümmungsradius der Fläche (18) abhängig von den Positionen der reflektierten Strahlen auf der Detektoreinrichtung, gekennzeichnet durch eine Strahltrennungseinrichtung (28), die zwischen der zweiten Linseneinrichtung (16) und der Fläche (18) positioniert ist, um die Strahltrennung zu vergrößern oder zu verkleinern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungseinrichtung (22) eine Steuereinrichtung zum Steuern der Detektoreinrichtung (20) und der Quelle (2, 4, 6; 24, 26) elektromagnetischer Strahlung aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Quelle (2, 4, 6) einen ersten und einen zweiten Laser (2, 4) aufweist und die Steuereinrichtung die Lasertreibereinrichtung (6) für den ersten und den zweiten Laser (2, 4) steuert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Quelle (24, 26) eine Strahlerzeugungseinrichtung (24) aufweist, die mehrere gesonderte Strahlen erzeugt, die alle parallel zueinander verlaufen, wobei der Abstand zwischen beliebigen zwei Strahlen bekannt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Strahlerzeugungseinrichtung (24) durch eine einzige Laserquelle (26) angesteuert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Strahlerzeugungseinrichtung (24) eine Einrichtung zum Tasten eines Sondenstrahls über die Fläche aufweist, wobei die Strahltrennungseinrichtung (28) zwischen der zweiten Linseneinrichtung (16) und der Fläche (18) positioniert ist, um die Strahltrennung zu vergrößern oder zu verkleinern.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Wobei die Fläche (18) die Oberfläche einer Linse einschließt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung tragbar ist.

9. Verfahren zum Messen des Krümmungsradius einer Fläche, die zumindest teilweise reflektierend ist, bei dem

mindestens ein erster und ein zweiter Strahl elektromagnetischer Strahlung erzeugt werden, die parallel zueinander verlaufen und einen bekannten Abstand aufweisen,

eine Strahlteilereinrichtung zwischen der Quelle und der Fläche angeordnet wird, um die Strahlen auf die Fläche zu richten und reflektierte Strahlen auf der Fläche zu empfangen,

eine erste Linseneinrichtung zwischen der Quelle und der Strahlteilereinrichtung angeordnet wird, um die Strahlen zu fokussieren und auf die Strahlteilereinrichtung zu richten,

eine zweite Linseneinrichtung zwischen der Strahlteilereinrichtung und der Fläche angeordnet wird, um die Strahlen von der Strahlteilereinrichtung auf die Fläche zu richten und die von der Fläche reflektierten. Strahlen auf die Strahlteilereinrichtung zu richten,

eine elektromagnetische Strahlungseinrichtung eingerichtet wird, um die vom Strahlteiler reflektierten Strahlen zu empfangen, und

der Krümmungsradius in Abhängigkeit von den Positionen der reflektierten Strahlen auf der Detektoroberfläche berechnet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß darüber hinaus eine Strahltrennungseinrichtung zwischen der zweiten Linseneinrichtung und der Fläche angeordnet wird, um die Strahltrennung zu ändern.