DE3517044C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen optischen Messung von Entfernungsänderungen mit den in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 3 angegebenen Merkmalen.

Die DE-OS 33 22 712 zeigt zunächst ein Verfahren zum berührungslosen optischen Messen von Entfernungsänderungen, bei dem ein Lichtstrahl mit einer Optik im Bereich der Oberfläche des zu messenden Gegenstands fokussiert wird. Durch Anlegen einer Spannung an der Optik oder durch Verschieben des Meßgeräts zur Oberfläche wandert der Fokus in Richtung der optischen Achse. Wenn der Fokus die Oberfläche des Gegenstands trifft, ergibt sich ein Intensitätsmaximum des reflektierten Lichts. Es wird auch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art aufgezeigt, bei dem zwei Lichtstrahlen zeitlich nacheinander mit unterschiedlicher Polarisation durch eine doppelt brechende Linse geschickt und damit zwei gegenläufig schwingende Fokusse geschaffen werden. Aus der Gleichheit der Amplituden der reflektierten Teilstrahlen wird auf die Entfernung des Gegenstands von dem Meßgerät geschlossen. Störeinflüsse, insbesondere durch Fremdlicht, gehen in das Meßergebnis ein.

Aus der Druckschrift Pat. Abstr. of Japan, P. 131, July 30, 1982, Vol. 6/No. 141 ist es bekannt, zwei Lichtquellen mit je einem Lichtstrahl so im Winkel zueinander anzuordnen, daß sich die Lichtstrahlen in einem Kreuzungspunkt auf der Oberfläche des Gegenstands kreuzen. Eine Verwendung von zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlicher Frequenz wird auch hier nicht aufgezeigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher Messungen von Entfernungsänderungen unabhängig von äußeren Störeinflüssen und damit mit vergleichsweise höherer Genauigkeit möglich sind.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß für die zwei Lichtstrahlen Licht unterschiedlicher Frequenz gewählt wird, daß die optischen Achsen der zwei Lichtstrahlen derart ausgerichtet werden, daß sie einen Winkel miteinander bilden und sich am Ort ihrer Fokusse in einem Kreuzungspunkt kreuzen, daß dieser Kreuzungspunkt genau auf die Oberfläche des Gegenstands eingestellt wird, und daß von dem Lichtsensor ein frequenzmoduliertes Streulichtmaximum registriert wird. Das Streulichtmaximum ist dann erreicht, wenn der Kreuzungspunkt und damit die maximale Intensität der beiden sich kreuzenden Lichtstrahlen genau auf der Oberfläche des Gegenstands liegt. Ändert sich der Abstand des Gegenstands von dem Meßtisch oder dem Meßgerät, so ist auf der Oberfläche des Gegenstands nicht mehr ein einziges Streuzentrum vorhanden, sondern zwei, was zur Folge hat, daß ein scharf ausgebildetes und demnach einfach festzustellendes Streulichtmaximum nicht auftritt. Es wird mit zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Frequenz gearbeitet, d. h. die Frequenz des Lichts des einen Lichtstrahls ist unterschiedlich zur Frequenz des Lichts des anderen Lichtstrahls. Mit dem Lichtsensor wird ein frequenzmoduliertes Streulichtmaximum registriert, welches sich sehr leicht mittels frequenzselektiver Verstärker von Rauschen und damit von etwa vorhandenen Fremdlichteinflussen trennen läßt, wobei zugleich das Auftreten der Modulation das Streulichtmaximum kennzeichnet, da die Modulation nur auftritt, wenn sich die Oberfläche im Kreuzungspunkt der fokussierten Lichtstrahlen befindet. Die Messungen lassen sich damit sehr genau bei hoher Störsicherheit durchführen. Dabei können auch dynamische Vorgänge erfaßt werden, wenn die Modulationsfrequenz genügend hoch, d. h. etwa im MHz-Bereich, gewählt wird.

Vorzugsweise wird Licht einer einzigen kohärenten Lichtquelle verwendet, welches in die zwei Lichtstrahlen aufgeteilt wird; das Licht des einen Lichtstrahls wird dabei in seiner Frequenz verändert, während die Frequenz des anderen Lichtstrahls beibehalten bleiben kann. Als kohärente Lichtquelle kann insbesondere ein Laser eingesetzt werden.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kennzeichnet sich erfindungsgemäß dadurch, daß zum Zerlegen des Lichts der Lichtquelle in die zwei Lichtstrahlen ein Strahlteiler vorgesehen ist, daß für die Frequenzverschiebung des einen Lichtstrahls ein akusto-optischer Wandler vorgesehen ist, daß eine erste Optik zum Kreuzen der beiden Lichtstrahlen in einem Kreuzungspunk und eine zweite Optik zum Abbilden des Gegenstand reflektierem Streulichts auf dem Lichtsensor vorgesehen ist, und daß der Lichtsensor frequenzselektiv betrieben wird. Damit entsteht ein moduliertes Lichtsignal, wenn sich die Oberfläche des Gegenstands genau im Kreuzungspunkt der beiden fokussierten Lichtstrahlen befindet. Befindet sich die Oberfläche des Gegenstands außerhalb des Kreuzungspunkts der beiden Lichtstrahlen, so tritt das modulierte Streulichtsignal nicht auf.

Weitere Merkmale der Vorrichtung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist schematisch in der beiliegenden Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Auf einem Meßtisch 1 ist eine Lichtquelle 2 vorgesehen, die aus einem Laser besteht. Der abgegebene Lichtstrahl 3 trifft auf einen auf dem Meßtisch 1 vorgesehenen Strahlteiler 4, welcher den Lichtstrahl 3 in zwei Teilstrahlen 5 und 6 zerlegt. Der Teilstrahl 5 durchläuft dabei einen akusto­ optischen Wandler 7, welcher für eine Frequenzverschiebung des Teilstrahls sorgt. Der Teilstrahl 6 durchläuft einen optischen Wegausgleich 8, so daß sichergestellt ist, daß beide Teilstrahlen die gleiche Wegstrecke zurücklegen. Die Teilstrahlen 5 und 6 werden dann durch eine Optik 9 geleitet, welche die Teilstrahlen in einer vorbestimmten Entfernung X zur Kreuzung bringt. Im Kreuzungspunkt 10 der Teilstrahlen 5 und 6, d. h. in der Entfernung X ist die Oberfläche des Gegenstands 11 angeordnet. Der Kreuzungspunkt 10 bildet daher das Streulichtzentrum, welches von der Neigung oder Krümmung der Oberfläche unabhängig ist. Das Streulicht vom Streulichtzentrum wird durch die Optik 9 über einen Umlenkspiegel 12 auf eine Linsen-Blendenanordnung 13 geworfen und auf eine Fotodiode 14 gelenkt. Die Fotodiode 14 ist an eine elektronische Schaltung 15 angeschlossen.

Die Funktionsweise der Einrichtung ist wie folgt:
Der Laserstrahl 3 wird im Strahlteiler 4 in zwei Teilstrahlen 5 und 6 zerlegt, die mit Hilfe der Optik 9 in einer vorbestimmten Entfernung X zur Kreuzung gebracht werden. Im Kreuzungspunkt 10 ist die Oberfläche des Gegenstands angeordnet. Auf der Fotodiode ergibt sich ein Streulichtmaximum, was mit der Elektronik 15 meßbar ist. Da der eine Teilstrahl 5 gegenüber dem anderen Teilstrahl 6 frequenzverschoben ist, tritt im Kreuzungspunkt 10 eine Überlagerung auf, falls auch die Oberfläche 11 durch den Kreuzungspunkt verläuft. Durch die Überlagerung ergibt sich eine Modulation des Streulichts, welche mit Hilfe der Fotodiode 14 und der Elektronik 15 erfaßbar ist. Zweckmäßigerweise kann die Elektronik Filtereinrichtungen aufweisen, so daß eine frequenzselektive Verstärkung möglich ist. Der besondere Vorteil hierbei ist, daß die Messungen nicht mehr vom Rauschen, welches durch Fremdlicht verursacht wird, beeinflußt werden können. Tritt nunmehr eine Entfernungsänderung des Gegenstands 11 auf, so liegt der Kreuzungspunkt 10 der Teilstrahlen 5 und 6 nicht mehr auf der Oberfläche des Gegenstands. Vielmehr treffen die Teilstrahlen an unterschiedlichen Stellen auf die Oberfläche auf, was einerseits dazu führt, daß das von der Optik 9 empfangene Streulicht sehr gering ist, was deutlich meßbar ist, und andererseits dazu, daß eine Überlagerung der Frequenzen der beiden Teilstrahlen nicht mehr stattfinden kann, was ebenfalls deutlich meßbar ist. Um nun die Entfernungsänderung zu bestimmen, wird der Meßtisch 1 soweit verschoben, bis der Kreuzungspunkt 10 der Lichtstrahlen erneut auf der Oberfläche des Gegenstands liegt. Dies ist erkennbar am erneut auftretenden Streulichtmaximum auf der Fotodiode und am ebenfalls auftretenden Maximum des frequenzselektiv verstärkten Signals, wegen der jetzt wieder einsetzenden Modulation des Streulichts. Die Verschiebung des Meßtischs 1 stellt dabei ein Maß für die Entfernungsänderung dar.

Der Erfindungsgedanke läßt die verschiedensten Abwandlungen zu. So kann insbesondere die Nachstellung des Meßtischs mittels nicht weiter erläuterter, von der Elektronik anzusteuernder Servoeinrichtungen erfolgen. Außerdem läßt sich auch anstelle einer Verschiebung des Meßtischs eine Brennweitenveränderung der Optik 9 vornehmen, welche ebenfalls ein Maß für die Entfernungsänderung darstellt. Andererseits können auch dynamische Messungen vorgenommen werden, insbesondere, wenn die Modulationsfrequenz des Streulichts hoch, d. h. im MHz-Bereich liegt. Wird für die Aufnahme des Streulichts eine zweite Optik unter einem Winkel zur ersten Optik auf demselben Meßtisch angebracht, so kann eine größere Genauigkeit erreicht werden, da dann das Schnittvolumen der beiden endlich dicken Teilstrahlen am Kreuzungspunkt 10 von der Seite beobachtet wird.

Claims (10)

1. Verfahren zur berührungslosen optischen Messung von Entfernungsänderungen, bei welchem zwei Lichtstrahlen von einem Meßtisch aus über eine fokussierende erste Optik auf einen Gegenstand mit unbekannter Entfernung zu dem Meßtisch geworfen werden, von dem Gegenstand reflektiertes Streulicht von einer zweiten Optik auf einen Lichtsensor gelenkt wird, der Abstand der Fokusse der Lichtstrahlen zu dem Gegenstand durch Verschieben des Meßtischs oder Änderung der Brennweite der ersten Optik solange verändert wird, bis der Gegenstand im Bereich der Fokusse liegt und aus der Meßtischverschiebung oder der Brennweitenänderung die Entfernungsänderung des Gegenstands bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß für die zwei Lichtstrahlen Licht unterschiedlicher Frequenz gewählt wird, daß die optischen Achsen der zwei Lichtstrahlen derart ausgerichtet werden, daß sie einen Winkel miteinander bilden und sich am Ort ihrer Fokusse in einem Kreuzungspunkt kreuzen, daß dieser Kreuzungspunkt genau auf die Oberfläche des Gegenstands eingestellt wird, und daß von dem Lichtsensor ein frequenzmoduliertes Streulichtmaximum registriert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Licht einer einzigen kohärenten Lichtquelle Verwendung findet, welches in die zwei Lichtstrahlen aufgeteilt wird, und daß das Licht des einen Lichtstrahls in seiner Frequenz verändert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, mit einer Lichtquelle, einem Meßtisch und einer Optik zum Fokussieren der Lichtstrahlen und zum Abbilden des reflektierten Lichts auf einen Lichtsensor, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zerlegen des Lichts der Lichtquelle (2) in die zwei Lichtstrahlen (5, 6) ein Strahlteiler (4) vorgesehen ist, daß für die Frequenzverschiebung des einen Lichtstrahls (5) ein akusto-optischer Wandler (7) vorgesehen ist, daß eine erste Optik (9) zum Kreuzen der beiden Lichtstrahlen in einem Kreuzungspunkt und eine zweite Optik (13) zum Abbilden des vom Gegenstand (11) reflektierten Streulichts auf den Lichtsensor (14) vorgesehen ist, und daß der Lichtsensor (14) frequenzselektiv betreibbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtisch (1) verfahrbar ist, wobei sich die zu messende Entfernungsänderung aus der Verfahrstrecke ergibt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtisch (1) fest angeordnet ist und die erste Optik (9) eine veränderbare Brennweite aufweist, wobei sich die zu messende Entfernungsänderung aus der Brennweitenänderung ergibt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den anderen Teilstrahl (6) ein optischer Wegausgleich (8) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein der ersten Optik (9) zugeordneter Umlenkspiegel (12) vorgesehen ist, welcher das vom Gegenstand (11) stammende Streulicht auf den Lichtsensor (14) lenkt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtsensor eine lichtempfindliche Diode (14) vorgesehen ist, welche mit einer nachgeschalteten Elektronik (15) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronik (15) so ausgelegt ist, daß sie bei Entfernungsänderungen den Meßtisch (1) bzw. die Brennweitenverstellung der ersten Optik (9) selbsttätig nachführt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Optik (9) und die zweite Optik (13) in einem Winkel zueinander auf dem Meßtisch (1) angeordnet sind.