DE2650422C2

DE2650422C2 - AbstandsmeBgerät

Info

Publication number: DE2650422C2
Application number: DE2650422A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dipl.-Ing. 8225 Traunreut Ernst
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1976-11-03
Filing date: 1976-11-03
Publication date: 1979-05-10
Also published as: DE2650422B1; GB1592514A; FR2370261B1; FR2370261A1; US4171160A; CH626720A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Messen des Abstands einer Fläche von einer Bezugsfläche oder der Dicke einer transparenten Schicht od. dgl., unter Verwendung eines auf die Meßfläche gerichteten Strahles kohärenten Lichtes (Laserstrahl), wobei der von der Lichtquelle ausgesendete kohärente Lichtstrahl in einem vorgegebenen konstanten Einfallswinkel auf die Meßfläche gerichtet ist und die von der Meßfläche reflektierten Strahlen einem einen Lichtsensor enthaltenen Empfänger zugeführt werden, welcher den Reflexionswinkel zur Bestimmung des Abstandes oder der Dicke auswertet.

Es ist bekannt (DE-OS 21 57 813, DE-OS 24 48 219), eine Länge berührungsfrei unter Verwendung eines Strahles kohärenten Lichtes (Laserstrahl) dadurch zu messen, daß die bei konstantem Reflexionswinkel unterschiedlichen Auftreffwinkel am Meßobjekt (Meßfiäche) ausgewertet werden. Hierbei wird bei einer bekannten Ausführung der Meßstrahl auf die Meßfläche unter sinusförmig variierendem Winkel gerichtet, wobei aus dem zeitlichen Abstand zwischen der von einem fest angeordneten Sensor empfangenen Reflexion von der Meßfläche und der von einem zweiten feststehenden Sensor empfangenen Reflexion von einer fest eingebauten Referenzfläche die Größe des Winkels, unter welchem der Meßstrahl einfallen muß, um von dem Sensor jeweils empfangen zu werden, ermittelt und zur Bestimmung der gewünschten Länge ausgewertet wird. Eine derartige Anordnung ist verhältnismäßig aufwendig, da sie zur Ablenkung des Lichtstrahls ein aufwendiges Spiegelschwingsystem sowie zur Stabilisierung des Schwingsystems zwei zusätzliche Referenzsignale benötigt Außerdem ist hier der Zusammenhang zwischen der Meßgröße und der Zeit wegen der Sinusform der Schwingungen nicht linear. Ein exaktes Ergebnis ist nur über einen Korrekturrechner zu erhalten. Nach der DE-AS 21 13 522 ist ein Gerät eingangs ge-

'5 nannter Art bekannt, bei dem die von der Meßfläche reflektierten Strahlen je nach ihrem Reflexionswinkel einem von vielen in einer Matrix angeordneten, jeweils einen Lichtsensor enthaltenden Empfängern zugeführt werden. Es ist also eine Vielzahl von Empfängern er-

M forderlich.

Auch eine ähnliche, nach der DE-AS 12 18 169 bekannte Anordnung enthält aus dem gleichen Grunde eine Vielzahl solcher Empfänger und dies gilt auch für eine wiederum ähnliche Anordnung nach der DE-AS 23 25 457.

Nach der DE-OS 18 03 285 ist es bekannt, zur Messung der Dicke einer lichtdurchlässigen Folie das von der Oberseite und der Unterseite der Folie unter einem bestimmten Winkel reflektierte Licht über einen Drehspiegel auf eine Eingangsblende eines einen Lichtsensor enthaltenden Empfängers zu richten. Von der Unterseite und der Oberseite der Folie gelangen also Lichtblitze in den Empfänger. Es wird der zeitliche Abstand dieser Lichtblitze gemessen, da er ein Maß für die Dicke der Folie liefert.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Gerät eingangs genannter Art den Winkel, unter dem die reflektierten Strahlen dem den Lichtsensor enthaltenden Empfänger zugeführt werden, unmittelbar in einen als Maß für den Abstand auszuwertenden Drehwinkel zu überführen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Gerät dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Lichtsensor des Empfängers als ortsveränderlicher Meßspalt eine auf einer rotierenden Scheibe angeordnete evolventenförmige Schlitzblende angeordnet ist, welche an einer fest angeordneten Spaltblende vorbeiläuft und mit welcher der je nach Abstand der Meßfläche unterschiedliche Winkel der von der Meßfläche diffus reflektierten, durch ein Objektiv erfaßten Strahlen zur Achse des optischen Systems bestimmt und zur Ermittlung des Abstandes herangezogen wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Gerät definiert der Schnittpunkt zwischen der umlaufenden Schlitzblende und der ortsfesten Spaltblende die Winkellage der umlaufenden Schlitzblende und dadurch bei Durchtritt eines von der Meßfläche diffus reflektierten, vom Objektiv erfaßten Strahls den Winkel zwischen diesem Strahl und der Achse des optischen Systems und somit den fraglichen Abstand. Die entsprechende Winkellage der umlaufenden Schlitzblende kann in an sich bekannter Weise elektronisch, z. B. durch Abzählung einer zweiten, als Radialgitter ausgebildeten Teilung gemessen werden. Der Drehwinkel kann auch unmittelbar in an sich bekannter Weise angezeigt werden.

Auf einer dritten Spur der rotierenden Teilscheibe ist zweckmäßigerweise eine Referenzmarke angebracht, die der evolventenförmigen Schlitzblende exakt zu-

geordnet und zur Definition einer Referenzfläche angeordnet werden kann.

Einzelheiten des Gerätes nach der Erfindung sowie deren Vorteile werden im folgenden anhand eines schematischen Ausführungsbeispieles in Verbindung ^s mit den Zeichnungen erläutert. In diesen Zeichnungen zeigt

F i g. 1 das Prinzip des Gerätes nach der Erfindung zur Messung eines Abstandes und

Fig.2 schematisch den Aufbau der ortsveränderlichen Blende, v/ie sie vorteilhaft in dem Gerät nach der Erfindung eingesetzt werden kann.

In der F i g. 1 ist mit 1 ein Laser bezeichnet, der einen Lichtstrahl Xa erzeugt Dieser Lichtstrahl ist auf die Oberfläche 2 des Meßobjektes gerichtet, dessen ¹S Abstand χ von einer Bezugsebene gemessen werden soll. Der Laserstrahl la wird auf der Oberfläche des Meßobjektes diffus reflektiert. Ein Teil des reflektierten Lichtes trifft über das Objektiv 3, den beweglichen Meßspalt 4 und den Kondensor 5 auf den Fotosensor 6 und erzeugt dort einen elektronischen Impuls, wenn sich die Blende gerade in der gezeigten Lage befindet.

Der bewegliche Meßspalt wird, wie aus Fig.2 zu ersehen ist, durch eine lichtdurchlässige Kurve 11 auf einer lichtundurchlässigen Scheibe 7 realisiert, welche an einer ortsfesten Blende vorbeigeführt wird. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung, die, wie noch erläutert wird, eine besonders einfache Auswertung des Winkels und damit des Abstandes χ ermöglicht, ist die Kurve 11 eine Evolvente, welche an der ortsfesten Blende 12 vorbeigeführt wird. Auf diese Weise wander? der aus dem entsprechenden Ausschnitt der Evolvente und der ortsfesten Blende gebildete Meßspalt streng proportional zum Drehwinkel entlang der Blende 12. Dabei ist die Krümmung der Evolvente vernachlässigbar, wenn der innere Teil der Evolvente mit der größten Krümmung für die Bildung des Meßspaltes nicht verwendet wird. Die Blende 12 muß tangential zum Grundkreis 13 der Evolvente angeordnet sein. Es empfiehlt sich, auf der lichtundurchlässigen Scheibe 7 mehrere evolventenförmige lichtdurchlässige Kurven, z. B. 8 Kurven, anzuordnen, wie durch eine zweite Kurve 11a angedeutet ist. Dadurch kann bei vertretbaren Umlaufgeschwindigkeiten der lichtundurchlässigen Scheibe eine ausreichend hohe Zahl von Meßzyklen pro Zeiteinheit erreicht werden.

Wie schon anhand der Fig. 1 erläutert, wird die Abstandsmessung auf eine Winkelmessung zurückgeführt, wobei der Winkel zwischen der Lage der Scheibe, in welcher der von der Meßfläche reflektierte Strahl durch den Meßspalt tritt und der Lage, die durch die Abtastung der Referenzmarke 15 auf der Scheibe bestimmt ist, gemessen wird. Für die Winkelmessung wird ein Radialgitter benötigt, welches gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform nach der Erfindung unmittelbar auf der die durchlässigen Evolventenkurve tragenden rotierenden Scheibe aufgebracht ist Wie aus F i g. 2 zu ersehen, trägt hierzu die Scheibe 7 an ihrem äußeren Rand die Radialgitterteilung 14, die in üblicher Weise fotoelektrisch abgetastet wird. Die dadurch entstehenden Signale werden in an sich bekannter Weise vervielfacht und in Rechteckimpulse umgewandelt die in einem elektronischen Zähler gezählt werden, wobei die Zahl der Impulse zwischen dem durch das Auftreten des reflektierten Laserstrahles auf den Fotosensor 6 gewonnenen Impuls und dem durch fotoelektrische Abtastung der Referenzmarke 15 abgeleiteten Impuls unmittelbar ein Maß für die Drehung der Scheibe 7 und für den gesuchten Abstand χ ist.

Eine besonders günstige Ausführung der Erfindung besteht darin, die rotierende Scheibe 7 parallel zur Richtung des auf das Meßobjekt auftreffenden Lichtstrahles la anzuordnen, da in diesem Fall der bemessene Drehwinkel streng proportional zum zu messenden Abstand χ ist.

Die Erfindung wurde anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels schematisch erläutert. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß der Grundgedanke der Erfindung in verschiedenen Abwandlungen realisiert werden kann. So kann beispielsweise die Winkelmessung auch auf andere Weise, beispielsweise mit einem stabilisierten Hochfrequenzgenerator gewonnen werden, der einen genau definierten Taktpuls zur Messung des Zeitintervalles zwischen den beiden Impulsen abgibt. Dies setzt voraus, daß die Drehzahl des Motors durch geeignete Einrichtungen genügend genau konstant gehalten werden kann.

Auch kann im Rahmen der Erfindung anstelle einer Evolventenkurve jede andere Kurve, z. B. auch eine korrigierte Evolvente, herangezogen werden, um die durch Nichtparallelität zwischen Lichtstrahl Xa und Scheibe 7 bedingten Nichtlinearitäten in der Abhängigkeit zwischen Meßspaltverschiebung und Abstand χ auszugleichen. Diese Korrektur kann natürlich auch in einer Recheneinheit durchgeführt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gerät zum Messen des Abstands einer Fläche von einer Bezugsfläche oder der Dicke einer transparenten Schicht od. dgl, unter Verwendung eines auf die Meßfläche gerichteten Strahles kohärenten Lichtes (Laserstrahl), wobei der von der Lichtquelle ausgesendete kohärente Lichtstrahl in einem vorgegebenen konstanten Einfallswinkel auf die Meßfläche gerichtet ist und die von der Meßfläche reflektierten Strahlen einem einen Lichtsensor enthaltenden Empfänger zugeführt werden, welcher den Reflexionswinkel zur Bestimmung des Abstandes oder der Dicke auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Lichtsensor (6) des Empfängers als ortsveränderlicher Meßspalt (4) eine auf einer rotierenden Scheibe angeordnete evolventenförmige Schlitzblende (11) angeordnet ist, welche an einer fest angeordneten Spaltblende (12) vorbeiläuft und mit welcher der je nach Abstand der Meßfläche (2) unterschiedliche Winkel der von der Meßfläche diffus reflektierten, durch ein Objektiv (3) erfaßten Strahlen zur Achse des optischen Systems (3,4,5,6) bestimmt und zur Ermittlung des Abstandes (x) herangezogen wird.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ortsfeste Blende (12) tangential zum Grundkreis der die Form der rotierenden Schlitzblende (11) bestimmenden Evolvente angeordnet ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Scheibe (7) parallel zur Richtung des auf das Meßobjekt (2) auftreffenden Lichtstrahles (la) angeordnet ist.

4. Gerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der rotierenden Scheibe (7) mehrere evolventenförmige Schlitzblenden (11, lla) und ebenso viele, den Evolventen exakt gleich zugeordnete Referenzmarken (15, 15a) angeordnet sind.