DE3619923C2

DE3619923C2 -

Info

Publication number: DE3619923C2
Application number: DE3619923A
Authority: DE
Inventors: Shigeo Tama Tokio/Tokyo Jp Moriyama; Fumihiko Hachioji Tokio/Tokyo Jp Uchida
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-06-13
Filing date: 1986-06-13
Publication date: 1992-04-30
Also published as: US4739161A; JPH0726806B2; JPS61286703A; DE3619923A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Feinverschie bungen eines Reflektor aufweisenden Meßobjekts, wie sie im einzelnen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Aus US 33 27 584 ist eine Vorrichtung der oben erwähnten Art bekannt, die mit mehreren Lichtleitfaserbündeln arbeitet, innerhalb derer die ein zelnen Lichtleitfasern statistisch verteilt oder nach einem vorgegebenen Schema angeordnet sind. Zur Ausschaltung eines Einflusses von Schwankungen in der Lichtintensität der Lichtquelle oder von Änderungen im Reflexions grad der Reflektoroberfläche des Meßobjekts auf das Meßergebnis sind zu sätzliche Lichtleitfaserwege vorgesehen, auf denen reflektiertes Licht zu entsprechenden Lichtdetektoren geführt wird, um passende Korrektursignale zu gewinnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß sie es gestattet, den Einfluß sowohl von Fluktuationen in der von der Meßlichtquelle abgestrahlten Lichtintensität als auch von Änderungen im Reflexionsgrad der reflektierenden Oberfläche am Meßobjekt zu berücksichtigen und damit auf diese Einflüsse zurückgehen de Meßfehler zu vermeiden, ohne daß es dazu der Anordnung besonderer, für die eigentliche Messung nicht notwendiger Lichtleitfaserwege bedürfte.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Vor richtung, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist; vorteilhafte Ausge staltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe beruht im wesentli chen auf einer geschickten Mehrfachausnutzung von Elementen der einzelnen Lichtleitfaserwege für die Erzeugung der Signale zum Gewinnen eines Ver schiebungsmeßwerts einerseits und zu dessen Korrektur andererseits.

Die Erfindung ermöglicht die Erfassung einer Feinverschiebung mit hoher Genauigkeit, ohne daß sich ungünstige Einflüsse wie eine Veränderung der Lichtintensität der Lichtquelle oder eine Variation des Reflexionsgrads des Reflektors nachteilig auf die Meßgenauigkeit auswirken können. Außer dem kann die interessierende Feinverschiebung mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung durch eine einfache Operation und mit hoher Zuverlässigkeit auch dann erfaßt werden, wenn der Reflexionsgrad des Reflektors unbekannt ist oder wenn sich die in ihrem Abstand zu erfassende Reflexionsebene in einer anderen Richtung als in der Erfassungsrichtung bewegt oder wenn sich der Reflexionsgrad des Reflektors allmählich verändert.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeich nung Bezug genommen; in dieser zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 in einer schematischen Darstellung,

Fig. 2 Kennlinien zur graphischen Veranschaulichung der Beziehungen zwischen drei erfaßten Signalen S₁, S₂ und S₃ einerseits und der Meßgröße d andererseits bei der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Kennlinie für das dem Reflexionsgrad entsprechende Signal S_r in der Vorrichtung von Fig. 1,

Fig. 4 und 5 Schaltbilder für bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 verwendbare Korrekturschaltungen für den Reflexionsgrad,

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Grundprinzips des verwendeten bekannten Meßverfahrens und

Fig. 7 eine im Rahmen des Verfahrens nach Fig. 6 auftretende Verschie bungskennlinie.

Zum besseren Verständnis soll nun zunächst anhand von Fig. 6 das aus "Fiber Optic Lever Displacement Transducer" von R.O. Cook und C.W. Hamm bekannte Meßverfahren für eine berührungslose Erfassung von Feinverschie bungen im Mikrometerbereich kurz erläutert werden, von dem auch bei der Vorrichtung nach dem Pantentanspruch 1 Gebrauch gemacht wird.

In Fig. 6 sind zwei Lichtleitfasern vorgesehen, deren Enden nebeneinander angeordnet sind. Dabei trifft das Licht von einer Lichtquelle 2 auf das eine Ende einer Belichtungsfaser 1, von dem ein kegelförmiger Lichtstrahl 3 auf den Reflektor 5 einstrahlt. Wenn sich der Reflektor 5 in einer gewissen Entfernung von der Belichtungsebene 4 der Faser 1 befindet, wird der einfallende Lichtstrahl 3 reflektiert, und ein Teil des Lichts trifft auf die Endfläche der Lichtempfangsfaser 6. Die Zone 7, die von der lichtemittierenden Endfläche 4 belichtet wird und die Zone 8, von der die Lichtempfangsfaser 6 das vom Ziel 5 reflektierte Licht aufnehmen kann, überdecken sich in einer Zone 9, die in Fig. 6 schraffiert dargestellt ist. Weil sich die Belichtungsintensität und die Größe des schraffiert dargestellten Bereichs 9 mit dem Abstand d ändern, läßt sich der Wert des Abstandes d durch Erfassen der in die Lichtempfangsfaser 6 eintretenden Lichtmenge durch einen Fotodetektor 10, der am anderen Ende der Lichtempfangsfaser 6 angeordnet ist, bestimmen.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen diesem Abstand d und der Intensität Ip des die empfangene Lichtmenge darstellenden Signals. Darin wächst die Lichtintensität Ip im wesentlichen linear mit wachsendem Abstand d, gerät an einem bestimmten Punkt in die Sättigung und nimmt danach invers ab. Derjenige Abstand dm, bei dem die Lichtintensität Ip am größten ist, hängt vom Radius und der numerischen Apertur der Lichtleitfaser ab und ist etwa 1,5 mal so groß wie der Radius der Lichtleitfaser. Wenn der Radius der Lichtleitfaser etwa 50 µm beträgt, kann demnach eine Feinverschiebung von etwa 0 bis 30 µm mit einer Auflösung von etwa 0,1 µm in im wesentlichen linearer Abhängigkeit von der Lichtintensität Ip erfaßt werden.

Wie die gestrichelte Kurve in Fig. 7 zeigt, ändert sich die Abhängig keit der empfangenen Lichtintensität Ip vom Abstand d mit der Intensität des von der Lichtquelle 2 in die Lichtleitfaser 1 eingestrahlten Lichts und mit dem Reflexionsgrad des Reflektors 5. Zur Erzielung einer genauen Messung bedarf es daher einer Korrektur der Erfassungsempfindlichkeit hinsichtlich der Intensität des Meßlichts und des Reflexionsgrades. Eine Neueinstellung beider Einflußgrößen unmittelbar vor jeder Messung, wie sie bei bisher bekannten Meßgeräten vorgesehen ist, macht den Messungsablauf sehr kompliziert. Bei der Vorrichtung nach dem Patentanspruch 1 wird daher für diese Korrektur mit entsprechenden Korrektursignalen gearbeitet, die unter Mitbenutzung der für die eigentliche Messung vorgesehenen Licht wege gewonnen werden.

Die Vorrichtung selbst wird nunmehr in Aufbau und Wirkungsweise anhand der Darstellungen in Fig. 1 bis 5 im einzelnen erläutert.

In Fig. 1 fällt das Licht einer Lichtquelle 2 schräg auf eine licht empfangende Endfläche 12 einer Lichtleitfaser 1. Der Auftreffwinkel des auf die Endfläche 12 auftreffenden Lichts muß kleiner eingestellt werden als der Aperturwinkel der emissionsseitigen Lichtleitfaser 1. Der Lichtstrahl von der Lichtquelle 2 wird parallel geführt und von der Endfläche 12 der Lichtleitfaser 1 aufgenommen, von letzterer geleitet und durch die Endfläche 4 gegenüber dem Reflektor 5 auf diesen als Lichtstrahl 3 eingestrahlt. Der Reflektor 5 reflektiert den Lichtstrahl 3, und ein Teil des reflek tierten Lichts wird wie bei dem anhand Fig. 10 erläuterten Stand der Technik von der zweiten Lichtleitfaser 6 aufge nommen, von dieser geleitet, darauf vom Lichtdetektor 10 erfaßt und in das Signal S₁ entsprechend dem Abstand d umgesetzt.

Außerdem tritt ein Teil des vom Reflektor 5 reflektierten Lichts wieder in die Lichtleitfaser 1 an deren dem Reflektor 5 gegenüberliegenden Endfläche 4 ein, wird von der Lichtleit faser 1 zu der Endfläche 12 geleitet und dann von einem zweiten Lichtdetektor 11 erfaßt und in das Korrektursignal S₂ umgesetzt.

Außerdem wird der von der Lichtquelle 2 ausgesendete und parallel geführte Lichtstrahl, da er von der Endfläche 12 reflektiert wird, von einem dritten Lichtdetektor 13 empfangen und in das Korrektursignal S₃ umgesetzt. Das Signal S₃ ist der Intensität des von der Lichtquelle 2 emittierten Lichts proportional.

Fig. 2 zeigt graphisch Beziehungen zwischen dem Abstand d und der Intensität Ip dieser Signale S₁, S₂ und S₃.

Bei dem anhand der Fig. 6 und 7 erläuterten bekannten Meßverfahren war bei dem Signal S, das der Lichtdetektor 10 liefert, die Intensität Ip so lange proportional dem zu messenden Abstand d, wie dieser Abstand d klein war. Beim Ausführungsbeispiel nimmt das Korrektur signal S₂ ein Maximum an, wenn die erfaßte Distanz d Null ist und nimmt im wesentlichen linear mit wachsender Distanz d ab. Das Korrektursignal S₂ wird jedoch mit unendlich groß werdender Distanz d nicht ganz zu Null, sondern verharrt auf einem Wert, der dem an der Endfläche 12 der Lichtleitfaser reflektierten Intensitätswert enspricht.

Das Korrektursignal S₃ hängt nur von der Intensität der Lichtquelle 2 ab und hat einen konstanten Wert unabhängig von der zu erfassenden Distanz d, solange die Intensität der Lichtquelle 2 konstant bleibt.

Falls die Intensität der Lichtquelle 2 und der Reflexionsgrad des Reflektors 5 jeweils mit I und r bezeichnet werden, können die drei Signale S₁, S₂ und S₃ wie folgt innerhalb des Bereichs, in dem die zu erfassende Distanz d genügend klein ist, ausgedrückt werden:

S₁ = C₁ · I · r · d (1)

S₂ = C₂ · I · r(d₂′ - d) + C₂′ · I (2)
S₃ = C₃ · I (3)

worin C₁, C₂, C₂′ und C₃ jeweils Konstanten sind. Der Term C₂·I·r·d₂′ in der Gleichung (2) bezeichnet die Intensität wenn die zu erfassende Distanz d Null ist.

Das Korrektursignal S₂ enthält gemäß der obigen Gleichung (2) eine Restsignalkomponente C₂′·I, jedoch kann das folgende Signal, das dem Reflexionsgrad proportional ist, durch Subtraktion des durch Multiplikation des Korrektursignals S₃ mit dem Koeffizienten k₃ = C₂′/C₃ erhaltenen Werts ausgerechnet werden:

S₂′ = C₂ · I · r(d₂′ - d) (4)

Falls das so erhaltene Signal S₂′ mit dem Koeffizienten k₂ = C₁/C₂ multipliziert wird und das Signal S_r durch Addition des Signals S₁ zu diesem Wert erzeugt wird, ergibt sich

S_r = S₁ + k₂S₂′ = C₁ · I · r · d₂′ (5)

was, wie Fig. 3 zeigt, nicht mehr von der zu erfassenden Distanz d, sondern lediglich von der Intensität der Lichtquelle 2 und dem Reflexionsgrad r abhängt. Daraus läßt sich der Reflexionsgrad r ermitteln, da sich die Intensität I der Lichtquelle 2 aus dem Korrektursignal S₃ ableiten läßt, falls man das Signal S_r durch das Korrektursignal S₃ dividiert oder die Lichtintensität I der Lichtquelle 2 bekannt ist.

Gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel läßt sich der Reflexionsgrad des Reflektors unabhängig von der zu erfassenden Distanz d durch die zur Distanzerfassung verwendeten Lichtleitfasern erfassen. Dies ist vorteilhaft im Vergleich mit dem herkömmlichen Meßverfahren, bei dem eine separate Bestimmung des Reflexionsgrads nötig war. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ermöglicht demnach eine leichte Korrektur der Erfassungsempfindlichkeit. Außerdem wird durch eine automatische Korrekturschaltung eine Variation des Reflexionsgrads automatisch korrigiert, so daß sich leicht eine konstante Empfindlichkeit des Feinverschiebungsaufnehmers erreichen läßt.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der genannten automatischen Korrekturschaltung. Diese Schaltung ist so ausgebildet, daß das Signal S_r, das dem Reflexionsgrad proportional ist, gemäß dem oben beschriebenen Verfahren aus den drei Signalen S₁, S₂ und S₃ erzeugt und dann mit einem Bezugssignal S_ref verglichen wird. Das Verarbeitungsergebnis wird in einem Integrierglied 14 integriert, und die Intensität der Lichtquelle 2 nach Maßgabe des integrierten Wertes gesteuert.

Gegebenenfalls können Treiber zur Ansteuerung der Lichtquelle 2 zwischen dem Integrator 14 und der Lichtquelle 2 vorgesehen sein. Da der beschriebene Schaltungsaufbau eine geschlossene Schleife bildet, ist deren Funktion so, daß der Wert des Signals S_r konstant mit dem Wert des Signals S_ref übereinstimmt. Die Intensität der Lichtquelle wird nämlich abhängig von der Änderung des Reflexionsgrads des Reflektors variiert, so daß man eine konstante Intensität des vom Reflektor reflektierten Lichts erhält. Als Ergebnis hat das der zu erfassenden Distanz d entsprechende Signal S₁ eine konstante Empfindlichkeit.

Statt die Intensität der Lichtquelle zu regeln, kann auch, wie die automatische Korrekturschaltung gemäß Fig. 5 zeigt, die Verstärkung der Erfassungsschaltung mittels zweier Multiplizierglieder geregelt werden. Wie bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Signal S_r mit dem Bezugssignal S_ref verglichen und die Differenz zwischen beiden Signalen vom Integrierglied 14 integriert. Der integrierte Wert kc wird zwei Multipliziergliedern 15 und 16 zugeführt. Das Integrierglied 14 führt eine Integration so durch, daß der Ausgang kc·S_r des Multiplizierglieds 15 mit dem Bezugssignal S_ref übereinstimmt. Der obige Integrationswert kc ist ein für den Reflexionsgrad relevanter Wert und kc·r bleibt immer konstant. Auf diese Weise wird das Signal S₀, das man durch Multiplikation des Signals S₁ mit kc am Ausgang des Multiplizierglieds 16 erhält, zu einem die zu erfassende Distanz d angebenden Signal, das bezüglich des veränderlichen Reflexionsgrads korrigiert ist.

Statt der Berechnung des Reflexionssignals S_r aus den Signalen S₁, S₂ und S₃, wenn die Intensität der Lichtquelle 2 als veränderlich angenommen ist, kann man auch das Korrektursignal S₃, wenn die Intensität der Lichtquelle 2 stabil ist, auf einen geeigneten festen Wert legen.

Bei dem oben beschriebenen Aus führungsbeispiel dienen für die emissionsseitigen und empfangsseitigen Lichtleitfasern einzelne Stränge oder Fasern. Jedoch können auch ohne daß die Wirkungen und Vorteile der Erfindung beeinträchtigt werden, jeweils Faserbündel verwendet werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Erfassen von Feinverschiebungen eines einen Reflektor aufweisenden Meßobjekts mit

- einer Lichtquelle,
- einem ersten Lichtleiter zum Übertragen von Licht der Lichtquelle zum Reflektor des Meßobjekts,
- einem ersten Lichtdetektor zum Erfassen von am Reflektor des Meßob jekts reflektiertem Licht und zum Umsetzen von dessen Intensität in dem Abstand zwischen dem meßobjektseitigen Ende des Lichtleiters und dem Reflektor des Meßobjekts entsprechende elektrische Signale,
- einem zweiten Lichtleiter zum Übertragen von am Reflektor des Meßob jekts reflektiertem Licht zum ersten Lichtdetektor,
- einem Bezugsreflektor zum Reflektieren eines Teils des von der Licht quelle abgestrahlten Lichts, und
- einem zweiten Lichtdetektor zum Erfassen von am Bezugsreflektor re flektiertem Licht und zu dessen Umsetzen in ein Korrektursignal zum Berücksichtigen des Einflusses von Fluktuationen in der Intensität des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichts,

dadurch gekennzeichnet,
daß der Bezugsreflektor durch das lichtquellenseitige Ende (12) des ersten Lichtleiters (1) gebildet und der zweite Lichtdetektor (13) auf diese Lichtleiterende (12) ausgerichtet ist und
daß ein dritter Lichtdetektor (11) zum Gewinnen eines Korrektursignals (S₂) für eine Berücksichtigung des Einflusses von Änderungen im Reflexionsgrad des Reflektors (5) des Meßobjekts auf das Abstands meßsignal vorgesehen und auf das lichtquellenseitige Ende (12) des ersten Lichtleiters (1) ausgerichtet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Recheneinrichtung den zu bestimmenden Abstand d zwischen dem Reflektor (5) und dem meßobjektseitigen Ende (4) des ersten oder des zweiten Lichtleiters (1, 6) aus dem von dem ersten Lichtdetektor (10) abgegebenen Signal

(A): S₁ = C₁ · I · r · d
in dem
C₁ eine Konstante,
I die Intensität des von der Lichtquelle (2) abgestrahlten Lichts und
r den Reflexionsgrad des Reflektors (5) bezeichnen,
dem vom dritten Lichtdetektor (11) abgegebenen Korrektursignal
(B): S₂ = C₂ · I · r(d₂′ - d) + C₂′ · I
in dem
C₂ und C₂′ zwei Konstante und
der Term C₂ · I · r · d₂′ eine Lichtintensitätskomponente im Signal S₂ für d = 0 sind, und
dem vom zweiten Lichtdetektor (13) abgegebenen Korrektursignal
(C): S₃ = C₃ · I
in dem C₃ eine Konstante ist, berechnet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung zunächst durch Multiplikation des Korrektursignals S₃ mit einem Koeffizienten k₃ = C₂′/C₃ und durch Subtraktion des so erhaltenen Wertes von dem Korrektursignal S₂ ein Signal S₂′ = C₂ · I · r(d₂′-d),sodann durch Multiplikation dieses Signals S₂′ mit einem Koeffizien ten k₂ = C₁/C₂ und durch Addition des so erhaltenen Wertes zu dem Signal S₁ ein SignalS_r = C₁ · I · r · d₂′und schließlich nach Maßgabe dieses Signals den zu bestimmenden Abstand d berechnet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet, durch eine Steuereinrichtung, die

- die Intensität des von der Lichtquelle (2) abgestrahlten Lichts nach Maßgabe des Signals S_r mittels dessen Subtraktion von einem Bezugssignal S_ref, steuert, das auf einem vorgegebenen Signalpe gel gehalten ist, und
- das Resultat dieser Subtraktion in einen Integrator (14) ein gibt, dessen Ausgangssignal die Intensität der Lichtquelle (2) steuert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Signal S_r einem Eingangsanschluß eines ersten Multiplizierglie des (15) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal von einem Bezugssig nal S_ref mit konstantem Signalpegel subtrahiert und einem Integrator (14) zugeführt wird,
daß das Ausgangssignal k_c des Integrators (14) dem anderen Eingangsan schluß des ersten Multipliziergliedes (15) zugeführt wird und
daß das Signal S1 einem Eingangsanschluß eines zweiten Multiplizierglie des (16) zugeführt wird, dessen anderer Eingangsanschluß das Aus gangssignal k_c des Integrators (14) zugeführt erhält.