DE3786468T2

DE3786468T2 - Verschiebungsmessfühler.

Info

Publication number: DE3786468T2
Application number: DE87102646T
Authority: DE
Inventors: Takashi Miyoshi
Original assignee: KOHGAKUSHA ENG; OKADA Inc
Current assignee: KOHGAKUSHA ENG; OKADA Inc
Priority date: 1986-02-25
Filing date: 1987-02-25
Publication date: 1994-02-17
Anticipated expiration: 2007-02-26
Also published as: JPS62197711A; US4828390A; JPH0652170B2; EP0234562A3; DE3786468D1; EP0234562A2; EP0234562B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verschiebungssensor.
Es sind kürzlich Positionssensor-Vorrichtungen zum Messen der Verschiebung einer Oberfläche entwickelt worden zur Aufnahme numerischer Daten, die eine dreidimensionale beliebig geformte Oberfläche repräsentieren, wobei die Oberfläche eine komplizierte Gestalt hat. Diese Vorrichtungen können in zwei Typen eingeteilt werden. Die erste Type mit den Abstand einer Oberfläche mittels des Prinzips der Triangulation. Die zweite Type hat fotoelektrische Wandler und kann mittels eines Servomechanismus bewegt werden. Der fotoelektrische Wandler detektiert die Verschiebung eines Bildes einer Oberfläche, das auf der Verschiebung der Oberfläche bezüglich eines Bezugspunktes beruht. Die Vorrichtung wird dann mittels eines Servomechanismus solange bewegt, bis die Verschiebung des Bildes kompensiert ist. Damit stellt die Vorrichtung die Position der Oberfläche aus dem Abstand fest, um den sie bewegt worden ist.
Fig. 6 zeigt eine konventionelle Vorrichtung der ersten Type. Die Vorrichtung hat einen Winkeldetektor 12. Der Detektor 12 umfaßt eine Kalibrierungsscheibe 11 und hat ein Teleskop, eine Schlitzplatte und einen fotoelektrischen Wandler, die alle an der Scheibe 11 angebracht sind. Ein von einem nicht dargestellten Laser ausgesandter Laserstrahl wird an dem Punkt P auf der Oberfläche S reflektiert. Der Strahl fällt auf den Winkeldetektor 12. Wenn die Oberfläche S um einen Abstand Δz entlang dem vom Laser ausgesandten Laserstrahl verschoben worden ist, verändert sich der Winkel der Reflexion des Strahles. Die Winkelveränderung ΣR, die vom Detektor 12 festgestellt wird, ist gegeben durch:
ΔR = Δz · sinΦ/R (1)
worin Φ den Winkel des einfallenden Laserstrahls bezüglich einer Linie vor Verschiebung angibt, wobei diese Linie den Punkt P mit der Mitte der Scheibe 11 verbindet. R ist der Abstand zwischen dem Punkt P, vor der Verschiebung, und der Mitte der Scheibe 11.
Wenn eine Veränderung ΔR vom Detektor 12 festgestellt worden ist, läßt sich die Verschiebung Φz der Oberfläche S mit der obigen Gleichung (1) errechnen.
Fig. 7 zeigt einen Positionierungssensor des Typs mit Messerkante, und zwar der zweiten konventionellen Vorrichtung. Der Positionierungssensor 14 hat einen Mikrospiegel 3 zum Reflektieren eines leicht divergierenden Laserstrahls in die optische Achse der Konvexlinse 2, eine abschirmende Platte 15, die eine Messerkante hat, die die optische Achse senkrecht in einem Bildpunkt Q eines Punktes P kreuzt und Fotodetektordioden 16a, 16b, die in Bezug auf eine durch die optische Achse und die Messerkante definierte Ebene symmetrisch positioniert sind. Der Sensor 14 wird mittels eines nicht dargestellten Servomechanismus bewegt. Der Abstand, um den bewegt wird, wird festgestellt.
Die Vorrichtung ist so einjustiert, daß dann, wenn die Oberfläche S in einer den Punkt P (d. h., wenn der Bildpunkt sich im Punkt Q befindet) einschließenden Ebene geneigt ist, ein differentielles Ausgangssignal Ea-Eb der Dioden 16a und 16b gleich Null wird. Wenn die Oberfläche S von der den Punkt P einschließenden Ebene wegbewegt wird, wobei der Bildpunkt von dem Punkt Q (weg-)verschoben wird, wird ein Anteil des auf eine der Dioden 16a und 16b einfallenden Lichtstrahls durch die Platte 15 abgeschirmt, so daß das Ausgangssignal Ea-Eb nicht gleich Null wird. Der Servomechanismus bewegt den Sensor 14 derart, daß das Differenz-Ausgangssignal gleich Null wird. Das Ausmaß der Verschiebung aus der Ebene, die den Punkt P der Oberfläche S einschließt, kann durch Messen des Bewegungsabstandes mittels des Sensors 14 bekannt sein.
Wie dies aus der Gleichung (1) zu verstehen ist, erreicht bei der Vorrichtung nach Fig. 6 ΔR sein Maximum dann, wenn Φ gleich π/2 ist, vorausgesetzt, Δz bleibt unverändert. Deshalb sollte der Detektor 12 so positioniert sein, daß dessen Detektionsfläche senkrecht zum Laserstrahl ist. In diesem Falle kann jedoch ein sogenannter "Schatteneffekt" auftreten, bei dem von der Oberfläche S reflektiertes Licht von einem hervorragenden Vorsprung gegenüber dem Detektor 12 abgeschirmt wird, wenn die Oberfläche S stark verschoben wird, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Es tritt dann ein toter Winkel auf und die Verschiebung der Oberfläche S kann nicht richtig gemessen werden.
Der in Fig. 7 gezeigte Sensor des Messerkanten-Typs hat in Bezug auf dessen Einfügung in ein optisches System und die Signalverarbeitung die folgenden Nachteile.
Die Platte 15 muß im Bildpunkt Q des Punktes P in dem optischen System positioniert sein. Hierzu muß die Position des Punktes Q zunächst definiert sein. Wie dies aus dem Prinzip der Umkehrbarkeit offenbar ist, muß der Mikrospiegel 3 so ausgestaltet und justiert sein, daß er den Lichtstrahl, der von der Lichtquelle zugeführt ist, reflektiert und den Strahl in einen divergierenden Lichtfluß L umwandelt, der durch gestrichelte Linien wiedergegeben ist, die den Punkt Q mit einigen Punkten der Oberfläche des Spiegels 3 verbinden. Mit anderen Worten heißt dies, daß, nämlich da die Position des Punktes Q (und somit des Punktes P) vom optischen System der Lichtquelle abhängt, die Ausgestaltung, die Zusammenstellung und die Einjustierung kompliziert wird. Dies erhöht nicht nur die Kosten für die Vorrichtung, sondern sie ist auch schwierig zu betreiben.
Um diese Nachteile zu beheben, ist in Betracht gezogen, daß der Punkt P von der alleinigen optischen Konstanten abhängt. Wenn z. B. parallele Lichtstrahlen von einer Lichtquelle auf den Spiegel 3 auffallen, wird der Punkt P zum Brennpunkt der Linse 2 und hängt dementsprechend nicht von anderen optischen Konstanten ab. In diesem Falle tritt jedoch ein neues Problem auf, nämlich daß der Bildpunkt Q (und damit die Position der abschirmenden Platte 15) unbestimmt weit entfernt ist.
Wie die Gesetze der geometrischen Optik zeigen, besteht beim System der Fig. 7 keine Linearität zwischen den Positionsänderungen der Oberfläche S und denen des Bildpunktes Q. Es ist daher für einen fotoelektrischen Wandler schwierig, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das der Verschiebung der Oberfläche S quantitativ entspricht. Da die auf die Oberfläche S fallenden Lichtstrahlen nicht parallel sind, verändert sich die lichtaufnehmende Fläche so wie die Oberfläche S von der Ebene wegverschoben wird, die den Punkt P einschließt. Das Ergebnis ist, daß sich die Größe des Bildes verändert, was Anlaß zu dem Nachteil gibt, daß präzise Messung der Verschiebung in einem weiten Bereich verhindert ist.
Da die Position der Oberfläche S, bei welcher Position das Differenzausgangssignal der Dioden 16a und 16b Null wird, der Punkt P ist, stellt der Absolutbetrag des auf die Dioden auffallenden Lichtes nicht notwendigerweise ein Problem mit Bezug auf die Signalverarbeitung dar. Solange wie die Vorrichtung als ein bezuganzeigender Sensor verwendet wird, wird daher weder eine Veränderung der einfallenden Energie der Dioden, erzeugt durch Veränderungen des Reflexionsvermögens der Oberfläche S und der Lumineszenzintensität der Lichtquelle, noch eine äußere Störung, wie z. B. ein optisches Rauschen, zu einem signifikanten Problem. In diesem Sinne ist diese Vorrichtung zu bevorzugen, jedoch liegt ein anderer Nachteil dieser Vorrichtung in deren Benutzung des Servomechanismus. Wenn die Verschiebung der Oberfläche S nur mit der Vorrichtung nach Fig. 7, ohne Servomechanismus, gemessen worden ist, wird die Beziehung zwischen der Verschiebung der Oberfläche S und der Verschiebung des Bildpunktes kompliziert. Da das Meßergebnis von der Differenz der Lichtmengen, die auf die Dioden 16a und 16b auffallen, abhängt, hat diese Vorrichtung solche Nachteile, daß das gemessene Ergebnis keine Reproduzierbarkeit haben kann, und zwar auf dem Unterschied des Reflexionsvermögens der Oberfläche S und äußerer Störungen beruhend.
Der andere Nachteil der Vorrichtung nach Fig. 7 ist weiterhin der, daß dann, wenn die Oberfläche S nicht senkrecht zur optischen Achse ist, die Vorrichtung nicht einwandfrei funktioniert. Da die abschirmende Platte 15 und die Dioden 16a und 16b unter der Voraussetzung korrekt arbeiten, daß die Intensitätsverteilung von Licht(-Mengen), die von der Linse 2 auf die Messerkante auffallen, symmetrisch mit Bezug auf die optische Achse ist, wird die Intensitätsverteilung des reflektierten Lichtes nicht achs-symmetrisch.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verschiebungssensor eines nichtberührenden Typs anzugeben, der zu genauer Messung der Verschiebung einer zu messenden Oberfläche in der Lage ist, wobei die Oberfläche eine komplizierte, dreidimensionale, in weitem Bereich beliebig geformte Gestalt hat, und zwar dies ohne Abschattungseffekt.
Entsprechend dieser Erfindung ist ein Verschiebungssensor vorgesehen, der gekennzeichnet ist durch ein optisches System mit einer ersten Konvexlinse, in der eine Öffnung parallel mit der optischen Achse in der Mitte der Linse gebildet ist, und mit einer zweiten Konvexlinse, die auf der optischen Achse der ersten Konvexlinse positioniert ist, wobei der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Linse f&sub1; + f&sub2; beträgt und f&sub1; die Brennweite der ersten Linse und f&sub2; die Brennweite der zweiten Linse ist, eine Lichtquelle zur Aussendung paralleler Lichtstrahlen durch die Öffnung der ersten Linse hindurch auf eine Oberfläche, deren Verschiebung zu messen ist, wobei die Lichtstrahlen, die von der Oberfläche reflektiert werden, von der zweiten Konvexlinse (4) aufgenommen werden; Mittel zur Detektion der Position des Bildpunktes, in dem ein Bild der Oberfläche, deren Verschiebung zu messen ist, durch das optische System abgebildet wird; und eine Rechnereinrichtung zur Berechnung der Position der Oberfläche aus dem Ausgangssignal dieses Positionsdetektors.
Die vorliegende Erfindung ist noch besser verständlich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung, die in Verbindung mit den beigefügten Figuren gegeben wird. In diesen ist:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verschiebungssensors, der auf einer Technik der optischen Achse beruht;
Fig. 2 eine Detaildarstellung eines Bildpunkt-Positionsdetektors der ersten Ausführungsform;
Fig. 3 eine Wellenform des Ausgangssignals eines CCD-Zeilensensors der ersten Ausführungsform;
Fig. 4 eine Detaildarstellung, die den Bildpunkt-Positionsdetektor einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 5 ein Wellenformdiagramm des Ausgangssignals eines CCD-Zeilensensors der zweiten Ausführungsform;
Fig. 6 eine schematische Seitenansicht einer konventionellen Positions-Meßvorrichtung, die auf einem Prinzip der Triangulation beruht;
Fig. 7 eine Ansicht eines konventionellen Positionsdetektors der Kompensationsmethode; und
Fig. 8 eine Ansicht, die einen Schatteneffekt der Vorrichtung nach Fig. 6 beschreibt.
Es wird nunmehr eine Ausführungsform eines Optische-Achse-Verschiebungssensors der vorliegenden Erfindung im einzelnen mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.
Zunächst wird das Prinzip beschrieben. Wenn eine erste und eine zweite Konvexlinse, die jeweils die Brennpunktsabstände f1 und f2 haben, so angeordnet sind, daß sie einen Abstand d haben und die optischen Achsen derselben zusammenfallend sind, ist ein Objekt (eine zu messende Oberfläche) in einem Punkt der optischen Achse positioniert, der von der ersten Linse den Abstand f1+z1 hat. Das Bild des Objekts entsteht an einem Punkt auf der optischen Achse, der den Abstand f2+z2 von der zweiten Linse hat. Die folgenden Beziehungen sind aus den optogeometrischen Abbildungsbedingungen zu erhalten:
(f1²/z1)-(f2²/z2) = d-(f1+f2) (2)
worin -f1 < z1 < f1²/f2 (3)
ist.
Die Beziehung zwischen z1 und z2 der Gleichung (2) ist kompliziert. Wird jedoch die folgende Gleichung (4) angenommen,
d = f1+f2 (2)
läßt sich die Gleichung (2) vereinfacht ausdrücken wie unten folgt:
z2 = (f2/f1)²z1 (5)
Die obige Gleichung (5) zeigt, daß das optische System mit dem Linsensystem (d=f1+f2) die folgenden Merkmale aufweist:
1. Es besteht eine einfache Proportionalitätsbeziehung zwischen der Position z1 der zu messenden Oberfläche und der Position z2 des Bildpunktes. Wenn die Position z2 des Bildpunktes gemessen wird, ist daher die Position z1 der zu messenden Oberfläche zu erhalten.
2. Die Proportionalitätsbeziehung zwischen z1 und z2 kann durch das Verhältnis von f1 zu f2 beliebig variiert werden. Der weite Bereich der Verschiebung von z1 von Mikrometer bis zu wenigen hundert Millimetern kann daher mit konstanter Verschiebung von z2 gemessen werden.
3. Wenn die Position z1 der zu messenden Oberfläche Null ist, wird die Position z2 des Bildpunktes ebenfalls gleich Null. Spezieller, wenn die zu messende Oberfläche in einem Brennpunkt F1 der ersten Linse positioniert ist, wird der Bildpunkt zum Brennpunkt F2 der zweiten Linse. Wenn der Brennpunkt F1 als Bezug (Fixpunkt) der Position der zu messenden Oberfläche benutzt wird, wird daher der Brennpunkt F2 zu einer Bezugsposition des Bildpunktes. Die Bezugsposition hängt somit allein von einer optischen Konstante (die in diesem Falle der Brennpunkt F1 der ersten Linse ist) ab, und zwar unbeachtlich der Anordnung der Komponente der Vorrichtung. Der Aufbau und die Justierung der Vorrichtung ist somit vereinfacht.
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer ersten Ausführungsform. Die erste Konvexlinse 2 hat die Brennweite f1 (40 mm) und die zweite Konvexlinse 4 (die beiden Linsen 2 und 4 sind in einem Zylinder befestigt) hat die Brennweite f2 (40 mm). Sie sind in einem Abstand d (=f1+f2) mit 80 mm positioniert und die optischen Achsen derselben fallen zusammen. Eine Öffnung mit ungefähr 3 mm Durchmesser befindet sich parallel mit der optischen Achse in der Mitte der Linse 2. Das Ausgangslicht eines He- Ne-Gaslasers 8 wird mittels des Spiegels 9 in die optische Achse des Linsensystems der ersten und der zweiten Linse 2 und 4 reflektiert. Die Mitte des Mikrospiegels 3 liegt auf den optischen Achsen zwischen der ersten und der zweiten Linse 2 und 4. Der Mikrospiegel 3 reflektiert einen vom Spiegel 9 einfallenden Lichtstrahl parallel den optischen Achsen derart, daß die Oberfläche S durch die zentrale Öffnung der Linse 2 hindurch mit parallelen Laserstrahlen bestrahlt wird. Der Abstand zwischen der Linse 2 und der zu messenden Oberfläche S ist mit f1+z1 bezeichnet.
Von der zu messenden Oberfläche S reflektiertes Licht wird in einem Bildpunkt W mittels der Linsen 2 und 4 fokussiert. Der Abstand zwischen der Linse 4 und dem Bildpunkt W ist mit f2+z2 bezeichnet. Der Positionsdetektor des Bildpunktes hat eine lichtabschirmende Platte 5, eine dritte Konvexlinse 6 mit einer Brennweite f3 (30 mm) und einen CCD-Zeilensensor 7 (mit 2592 Elementen). Die Linse 6 ist so positioniert, daß die optische Achse derselben mit derjenigen der ersten und der zweiten Linse 2 und 4 zusammenfällt.
Die zweite und die dritte Linse 4 und 6 sind so positioniert, daß die Brennpunkte derselben zusammenfallen. Die Platte 5 ist unmittelbar vor der Linse 6 senkrecht zur optischen Achse positioniert und sie hat ein Nadelloch oder einen Schlitz mit einem Abstand d&sub0; (20 mm) auf beiden Seiten der optischen Achse. Der Sensor 7 ist parallel der Platte 5 angeordnet. Das Ausgangssignal des Sensors 7 geht an einen nicht dargestellten Rechner, um die Position der zu messenden Oberfläche S zu messen.
Der von dem Spiegel 3 reflektierte Laserstrahl fällt durch die zentrale Öffnung der Linse 2 hindurch auf die Oberfläche S und wird in dem auf der optischen Achse liegenden Punkt U reflektiert. Der reflektierte Strahl wird im Bildpunkt W mittels der Linsen 2 und 4 fokussiert und geht teilweise durch die Nadellöcher der Platte 5 hindurch. Er wird durch die Linse 6 konvergent gemacht und fällt auf den Sensor 7 auf. Wenn das Intervall/der Abstand der Einfallspositionen der Strahlen, die durch die zwei Nadellöcher der Platte 5 auf den Sensor auffallen, mit x gegeben ist, hat die Ausgangsspannung des Sensors 7 zwei in einem Abstand voneinander getrennte Spitzen, der, wie in Fig. 3 gezeigt, der Größe x entspricht. Die Größe x ist somit durch die Nummern derjenigen CCD-Elemente zu erhalten, nämlich entsprechend den Spitzen und der dazwischenliegenden Differenz. Wenn man x erhalten hat, erhält man, da die folgende Beziehung zwischen x und der Position z2 des Bildpunktes besteht, die Position z2 des Bildpunktes aus x. Die Position z1 der zu messenden Oberfläche, ist zu erhalten aus der Gleichung (5).
x = {(f3²+f3z2-l&sub0;z2)d&sub0;}/f3(f3+z2) (6),
worin l&sub0; das Intervall zwischen der Platte 5 und dem Sensor 7 ist.
Entsprechend der Ausführungsform ist das Linsensystem derart aufgebaut, daß die Position der zu messenden Oberfläche S mit Bezug auf den Brennpunkt der Objektivlinse 2 und die Position des Schnittpunktes W mit Bezug auf die Position des Bildpunktes der Oberfläche S, die in dem Brennpunkt positioniert ist, proportional sind. Der Meßbereich und die Auflösung kann daher durch Kombination der Linsen des Linsensystems verändert werden, und zwar ohne daß besondere Korrektur der Messung erforderlich wäre.
Der Meßbereich der Ausführungsform beträgt 20 mm (-3,5 mm bis +16,5 mm mit dem Brennpunkt der ersten Linse 2 als Bezug). Die Auflösung beträgt ungefähr 10 Mikron.
Entsprechend der Ausführungsform ist der Spiegel 3 zwischen der ersten und der zweiten Linse 2 und 4 angeordnet. Eine Öffnung ist (auf der optischen Achse) im Zentrum der ersten Linse 2 ausgebildet. Parallele Lichtstrahlen fallen auf die zu messende Oberfläche S durch den Spiegel 3 und die Öffnung auf. Eine mit dem Laserstrahl bestrahlte Fläche der zu messenden Oberfläche wird konstant unabhängig von der Position der Oberfläche S. Die Messung der Position der Oberfläche S kann somit in einem weiten Bereich ausgeführt werden. Da der Strahl auf der optischen Achse des Meßsystems ausgesandt wird und der reflektierte Strahl auf der optischen Achse oder in der Nähe der Achse gemessen wird, gibt es keinen toten Winkel.
Den Bildpunkt betreffende Information erhält man desweiteren aus der Adresse des CCD-Elementes des Sensors 7 auf den das Licht einfällt. Spezieller gesehen, kann man; da die Information durch die Nummer des CCD-Elements zu erhalten ist, auf dem die Ausgangsspannung ein Maximum wird, gute Reproduzierbarkeit des gemessenen Ergebnisses erhalten, ohne abhängig zu sein von der Intensität des auf den Zeilensensor einfallenden Lichtes oder der Änderung der Strahlmenge, noch des Einflusses des Reflexionsvermögens, der Rauhigkeit, der Krümmung und der Neigung der zu messenden Oberfläche und einem äußeren Störsignal, wie bei einer konventionellen Vorrichtung, die einen analogen fotoelektrischen Wandler (Fotodiode) benutzt. Die Detektion des Bildpunktes durch den Detektor 1 erfolgt nicht auf der Basis der Symmetrie der Intensitätsverteilung des Lichtstrahls auf der optischen Achse der Linse, wie dies bei konventioneller Technik der Fall ist. Sogar wenn die zu messende Oberfläche zur optischen Achse nicht senkrecht ist und die Intensitätsverteilung des Lichtstrahls im Ergebnis asymmetrisch zur optischen Achse ist, ist das Meßergebnis daher nicht beeinflußt.
Da die Messung berührungslos ausgeführt wird, kann die Vorrichtung auch für die Messung der Verschiebung eines Gegenstandes wie eines elastischen Körpers, eines weichen Körpers oder eines Gegenstandes in einem Hochtemperaturbehälter benutzt werden.
Eine zweite Ausführungsform wird beschrieben. Die zweite Ausführungsform ist gleich der ersten Ausführungsform, ausgenommen der Aufbau des Positionsdetektors 1 des Bildpunktes W. Fig. 4 zeigt eine Ansicht des Aufbaues des Positionsdetektors 1 entsprechend der zweiten Ausführungsform der Erfindung und Fig. 5 zeigt das Ausgangssignal des CCD-Zeilensensors 7 der Fig. 4.
In der ersten Ausführungsform ist der Sensor 7 in einer Richtung senkrecht zu den optischen Achsen der ersten und der zweiten Linse 2 und 4 positioniert. Bei der zweiten Ausführungsform ist jedoch der Sensor 7 auf den optischen Achsen der ersten und der zweiten Konvexlinse 2 und 4 positioniert. Wenn die zu messende Oberfläche S im Brennpunkt der Linse 2 positioniert ist, fällt der reflektierte Strahl auf die Mitte des Zeilensensors 7, wie dies mit gestrichelter Linie der Fig. 4 gezeigt ist. Zu dieser Zeit hat das Ausgangssignal des Sensors 7 einen Spitzenwert, entsprechend der Mitte des Sensors 7. Wenn die Position der Oberfläche S verändert wird, wird die Spur des reflektierten Strahls verändert, wie dies mit ausgezogener Linie in Fig. 4 gezeigt ist, und das Ausgangssignal des Sensors 7 hat einen Spitzenwert entsprechend demjenigen Element, das von der Mitte des Sensors 7 einen Abstand z2 hat. Mit anderen Worten, der Bildpunkt wird um z2 aufgrund der Verschiebung der zu messenden Oberfläche verlagert. Der Abstand z2 ist durch Feststellen der Verschiebung der Spitze des Ausgangssignals des Sensors 7 zu erhalten. Z1 erhält man aus z2 aufgrund der Gleichung (5).
Entsprechend der obenbeschriebenen Erfindung ist das optische System derart aufgebaut, daß die Position der zu messenden Oberfläche zu dem Brennpunkt der Objektivlinse als Bezug und der Position des Bildpunktes entsprechend der Bezugsposition der zu messenden Oberfläche als ein Bezug proportional sind. Der Meßbereich und die Auflösung kann damit durch Kombination der Linsen des optischen Systems verändert werden, und zwar ohne die Notwendigkeit spezieller Korrektur in der Messung. Da ein CCD-Zeilensensor als Positionsdetektor verwendet ist, ist der Einfluß des Reflexionsvermögens, der Rauhigkeit, der Krümmung und der Neigung der zu messenden Oberfläche behoben. Da die parallelen Strahlen auf der optischen Achse des optischen Systems ausgesandt werden und das reflektierte Licht nahe der optischen Achse aufgenommen wird, tritt in der Messung kein toter Winkel auf. Da die Messung berührungslos ausgeführt wird, kann die Vorrichtung zur Messung der Verschiebung eines Gegenstandes wie z. B. eines elastischen Körpers, eines weichen Körpers oder eines Gegenstandes in einem Hochtemperaturbehälter benutzt werden, was bei Kontaktmessung ausgeschlossen ist.
Die Erfindung ist nicht auf die speziellen, oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Verschiedene andere Änderungen und Modifikationen können ausgeführt werden und dennoch bleibt man im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Das Intervall d zwischen der ersten und der zweiten Linse 2 und 4 ist z. B. nicht immer die Summe der Brennweiten f1 und f2. Die Position des Spiegels 3 ist desweiteren nicht zwischen der ersten und der zweiten Linse 2 und 4 vorgesehen, sondern kann auch zwischen der Linse 2 und der zu messenden Oberfläche S angeordnet sein. Insgesamt ist es ausreichend, die Oberfläche S mit parallelen Strahlen zu bestrahlen. Bei den obenbeschriebenen Ausführungsformen ist nur die Vorrichtung zum Feststellen der Verschiebung der zu messenden Oberfläche in Richtung der z-Achse entlang des ausgesandten Strahls beschrieben worden. Wenn die Vorrichtung jedoch auf einem in X- und Y-Achsrichtung beweglichen Tisch angeordnet ist und die Verschiebung Δz der zu messenden Oberfläche in x- und y-Achsen-Koordinatenwerten zu erhalten ist, können dreidimensionale Daten der zu messenden Oberfläche vorgesehen sein.

Claims

1. Verschiebungssensor

gekennzeichnet durch

ein optisches System mit einer ersten Konvexlinse (2), in der eine Öffnung parallel mit der optischen Achse in der Mitte der Linse (2) gebildet ist, und mit einer zweiten Konvexlinse (4), die auf der optischen Achse der ersten Konvexlinse (2) positioniert ist, wobei der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Linse (2, 4) f&sub1;+f&sub2; beträgt und f&sub1; die Brennweite der ersten Linse (2) und f&sub2; die Brennweite der zweiten Linse (4) ist;

eine Lichtquelle (3, 8, 9) zur Aussendung parallel er Lichtstrahlen durch die Öffnung der ersten Linse (2) hindurch auf eine Oberfläche, deren Verschiebung zu messen ist, wobei die Lichtstrahlen, die von der Oberfläche reflektiert werden, von der zweiten Konvexlinse (4) aufgenommen werden;

Mittel (1) zur Detektion der Position eines Bildpunktes, in dem ein Bild der Oberfläche, deren Verschiebung zu messen ist, durch das optische System (2, 4) abgebildet wird; und

eine Rechnereinrichtung zur Berechnung der Position der Oberfläche aus dem Ausgangssignal dieses Positionsdetektors.

2. Verschiebungssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Positionsdetektor derart positioniert ist, daß er die von der Oberfläche reflektierten Lichtstrahlen durch die zweite Konvexlinse (4) empfängt und daß dieser Positionsdetektor umfaßt

- eine dritte Konvexlinse (6), die auf der optischen Achse des optischen Systems (2, 4) positioniert ist,

- eine abschirmende Platte (5), die benachbart der dritten Linse (6) zwischen der dritten Linse (6) und der zweiten Linse (4) positioniert ist und zwei (Nadel-)Löcher oder Schlitze parallel zur optischen Achse derart aufweist, daß der reflektierte Strahl, nachdem er durch die Löcher der Platte (5) hindurchgetreten ist, auf die dritte Linse (6) auftrifft und

- einen ladungsgekoppelten (CCD-)Zeilensensor (7), der parallel der abschirmenden Platte (5) positioniert ist, um das Intervall der Auftreffpositionen der Lichtstrahlen zu detektieren, die durch die zwei Löcher oder Schlitze der abschirmenden Platte (5) und die dritte Linse (6) hindurchgetreten sind.

3. Optischer axialer Verschiebungssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Positionsdetektor einen CCD-Zeilensensor (7) hat, der auf der optischen Achse des optischen Systems (2, 4) zur Detektion der Verschiebung des Bildpunktes positioniert ist, die dann auftritt, wenn die zu messende Oberfläche von dem Brennpunkt zur ersten Konvexlinse (2) hin verschoben ist.

4. Optischer axialer Verschiebungssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Lichtquelle Mittel (8) zur Erzeugung eines Laserstrahls und Reflektoren (Spiegel) (3) umfaßt, die auf der optischen Achse des optischen Systems (2, 4) und zwischen der ersten und der zweiten Linse (2, 4) positioniert sind, um den Laserstrahl derart zu reflektieren, daß die zu messende Oberfläche von dem Laserstrahl durch die zentrale Öffnung der ersten Linse (2) hindurch bestrahlt wird.

5. Optischer axialer Verschiebungssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Rechner die Position z1 der zu messenden Oberfläche wie nachfolgend angegeben ermittelt:

z1 = z2/(f2/f1)²,

worin f1 und f2 die Brennpunkte der ersten und der zweiten Linse, f1+f2 der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Linse, f1+z1 der Abstand zwischen der zu messenden Oberfläche und der ersten Linse und f2+z2 der Abstand zwischen dem Bildpunkt und der zweiten Linse sind.

6. Optischer axialer Verschiebungssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch,

daß der Positionsdetektor die Position z2 des Bildpunktes gemäß der folgenden Beziehung ermittelt:

x = {(f3²+f3z2-l&sub0;z2)d&sub0;}/f3(f3+z2)

worin f1, f2 und f3 die Brennpunkte der ersten, der zweiten und der dritten Linse, f1+f2 der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Linse, f1+z1 der Abstand zwischen der zu messenden Oberfläche und der ersten Linse, f2+z2 der Abstand zwischen dem Bildpunkt und der zweiten Linse, d&sub0; das Intervall zwischen den Löchern oder Schlitzen, l&sub0; der Abstand zwischen der abschirmenden Platte und der dritten Linse und x das Intervall der Einfallspositionen der Strahlen sind.