DE4304815A1 - Optical sensor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Vermessung von Objekt-Höhenprofilen mit einem Beleuchtungsstrahlengang zur Abbildung einer Lichtquelle auf eine Objektoberfläche und einem Beobachtungsstrahlengang zur Abbildung der von der Objektoberfläche reflektierten Lichtstrahlen auf eine Empfangseinrichtung, wobei die Empfangseinrichtung aus einem ebenen Detektor und einer Abbildungsoptik besteht, deren Hauptebene sich mit der Detektorebene und einer die zu vermessende Profilhöhe enthaltenden Ebene entsprechend der Scheimpflug-Bedingung in einer Geraden schneidet.The invention relates to an optical sensor for Measurement of object height profiles with one Illumination beam path for imaging one Light source on an object surface and one Observation beam path for imaging the of the Light reflected on an object surface Receiving device, the receiving device from a flat detector and imaging optics exists, whose main level is the detector level and a profile height to be measured Level according to the Scheimpflug condition in one Straight line intersects.
Die Abbildungsoptik wird im Zusammenhang mit dem Erfindungsgegenstand vereinfachend als dünne Linse angenommen, deren Hauptebene mit ihrer Mittelebene zusammenfällt. Es liegt im Rahmen fachmännischen Handelns, bei einer realen Abbildungsoptik die der Scheimpflug-Bedingung entsprechenden bild- bzw. objektseitigen Hauptebenen zu bestimmen.The imaging optics is in connection with the Subject of the invention simplifying as a thin lens assumed its main level with its median level coincides. It is within the professional Action, with a real imaging optics that of Scheimpflug condition corresponding image or to determine the main planes on the object side.
Ein Sensor dieser Art mit Triangulationsauswertung ist aus der DE-PS 33 02 948 bekannt. Als Lichtquelle wird ein kollimierter He-Ne-Laser verwendet, dessen Strahlrichtung senkrecht zur Objektoberfläche steht. Das vom Laser abgestrahlte Licht erzeugt auf der anzumessenden Objektoberfläche einen Lichtpunkt. Das aus diesem Lichtpunkt diffus gestreute Licht wird auf einen positionsempfindlichen Detektor abgebildet und beleuchtet dort ein oder mehrere Bildaufnahmeelemente. Bei unterschiedlichen Entfernungen des streuenden Lichtpunktes von der Lichtquelle wird dieser an unterschiedlichen Orten auf dem Bildaufnehmer abgebildet. Die Beziehung zwischen der Abstandsänderung entlang der Strahlrichtung des Lasers und der Lageveränderung der Abbildung auf dem Bildaufnehmer ist trigonometrisch eindeutig bestimmbar und ergibt die aktuelle Profilhöhe. Durch die Einhaltung der Scheimpflug-Bedingung wird erreicht, daß jeder Gegenstand entlang der optischen Achse des Lasers scharf auf die Ebene des Bildaufnehmers abgebildet wird. Das gilt insbesondere für jeden vom Laser entlang seiner Strahlrichtung erzeugten Lichtpunkt, wodurch eine höhere Auflösung des Meßverfahrens erreicht wird.A sensor of this type with triangulation evaluation is known from DE-PS 33 02 948. As a light source uses a collimated He-Ne laser, the Beam direction is perpendicular to the object surface. The light emitted by the laser creates on the object surface to be measured a point of light. The from this point of light diffusely scattered light turns on imaged a position sensitive detector and illuminates one or more image recording elements there. At different distances from the scattering The point of light from the light source turns on different locations on the imager pictured. The relationship between the change in distance along the beam direction of the laser and the Change of position of the image on the image sensor is can be clearly determined by trigonometry and results in the current profile height. By complying with the Scheimpflug condition is achieved that everyone Object along the optical axis of the laser imaged sharply on the plane of the image sensor becomes. This is especially true for everyone along the laser point of light generated by its beam direction, whereby a higher resolution of the measuring method is achieved.
Die Auflösung wird begrenzt durch den Durchmesser des kollimierten Laserstrahls. In der Praxis läßt sich dieser nicht beliebig stark bündeln, und der Strahldurchmesser ist längs der Strahlachse auch nicht konstant, so daß die Abstandsmessung in Abhängigkeit von dem jeweiligen Lichtpunktdurchmesser mit unterschiedlichen Fehlern behaftet ist.The resolution is limited by the diameter of the collimated laser beam. In practice, do not bundle this as much as you like, and the Beam diameter is also not along the beam axis constant, so that the distance measurement is dependent of the respective light spot diameter with different errors.
Die Ausrichtung des Beobachtungsstrahlengangs entsprechend der Scheimpflug-Bedingung bedeutet eine Erweiterung des Schärfentiefen-Bereiches für die Abbildung in diesem Zweig des Sensors. Aus der DE-PS 33 37 251 ist zu entnehmen, daß eine zusätzliche Steigerung des Auflösungsvermögens erreicht werden kann, wenn auch im Beleuchtungsstrahlengang der Schärfentiefen-Bereich erweitert wird. Dazu wird vorgeschlagen, die Lichtquelle mit Hilfe eine Axicons, also einer kegelförmigen Linse, auf die Objektoberfläche abzubilden. Das Axicon erzeugt durch Interferenzen längs der optischen Achse eine enge Lichtverteilung, deren Durchmesser das Auflösungsvermögen bestimmt. Die Ausdehnung der engen Lichtverteilung entlang der optischen Achse entspricht der wirksamen Schärfentiefen-Erweiterung. Über diesen Bereich ist eine genauere Profilhöhenbestimmung möglich.The orientation of the observation beam path according to the Scheimpflug condition means a Extension of the depth of field for the Figure in this branch of the sensor. From the DE-PS 33 37 251 shows that an additional Increase in resolving power can be achieved can, even if in the illumination beam path Depth of field is expanded. This will suggested the light source using an axicon, that is, a conical lens on which Map the object surface. The axicon is created by Interferences along the optical axis are close Light distribution, the diameter of which Resolving power determined. The expansion of the narrow Corresponds to light distribution along the optical axis the effective depth of field extension. About this Area is a more accurate profile height determination possible.
Die Herstellung eines solchen Axicons ist äußerst aufwendig. Der theoretisch erreichbare Strahldurchmesser läßt sich in der Praxis kaum erzielen. Auch die tatsächlich realisierbare Schärfentiefen-Ausdehnung ist durch die erforderlichen optischen Abbildungsmittel begrenzt.The manufacture of such an axicon is extreme complex. The theoretically achievable Beam diameter can hardly be found in practice achieve. Even the actually realizable Depth of field is required by the optical imaging means limited.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor mit weiter verbesserter Meßgenauigkeit, erweiterten Meßmöglichkeiten und technisch besser beherrschbaren und einfacheren Bauelementen zu schaffen.The invention was therefore based on the object optical sensor with further improved Measurement accuracy, expanded measurement options and technically more manageable and simpler To create components.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtquelle aus einer Vielzahl in einer Ebene angeordneter Leuchtpunkte besteht, wobei die Leuchtpunketebene und die Hauptebene der zugeordneten Abbildungsoptik in Bezug auf die die zu vermessende Profilhöhe enthaltende Ebene ebenfalls entsprechend der Scheimpflug-Bedingung ausgerichtet sind und sich in einer Geraden schneiden. Von Vorteil ist es, wenn die Leuchtpunkte eine Zeile bilden, deren Richtung senkrecht auf der dem Beleuchtungsstrahlengang zugehörigen Schnittgeraden steht. Die Leuchtpunkte können aber auch eine nach Zeilen und Spalten ausgerichtete Matrix bilden, deren Zeilenrichtung senkrecht und deren Spaltenrichtung parallel zu der dem Beleuchtungsstrahlengang zugehörigen Schnittgeraden ist. Zur Darstellung der Leuchtpunkte eignen sich insbesondere Leuchtdioden und Laserdioden. Die Emission der einzelnen Leuchtpunkte kann mit einer Kennung versehen sein, wobei eine Kennung nach dem Polarisationszustand, der Wellenlänge oder einer Frequenzmodulation vorteilhaft ist. Besondere Meßmöglichkeiten ergeben sich, wenn die Leuchtpunkte unabhängig voneinander einschaltbar sind. Die eine Spalte bildenden Leuchtpunkte können auch gemeinschaftlich einschaltbar sein. Eine Erweiterung der Auswertungsmöglichkeiten ergibt sich durch die Verwendung eines positionsempfindlichen Detektors.This object is achieved in that the light source from a variety in one plane arranged luminous dots, the Red dot level and the main level of the assigned Imaging optics in relation to the one to be measured The level containing the profile height also corresponds to the Scheimpflug condition are aligned and in to cut a straight line. It is an advantage if the Illuminated dots form a line, their direction perpendicular to that of the illumination beam path associated line of intersection. The luminous dots can also do one by rows and columns align aligned matrix, its row direction perpendicular and their column direction parallel to that Illumination beam path associated line of intersection is. Are suitable for displaying the luminous dots in particular light emitting diodes and laser diodes. The emission The individual red dots can be identified be provided, with an identifier after the Polarization state, wavelength or one Frequency modulation is advantageous. Special Measurements are possible when the luminous dots can be switched on independently. The one Column-forming luminous dots can also can be switched on jointly. An extension the evaluation options result from the Use of a position sensitive detector.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Steuerschaltung zur positionsabhängigen Einschaltung der einzelnen Leuchtpunkte und der Aufnahme des jeweils zugeordneten Detektorsignals, sowie eine Auswerteschaltung zur Ermittlung des maximalen Detektorsignals und der zugehörigen Lage des Leuchtpunktes vorgesehen.In a further development of the invention Control circuit for position-dependent activation of the individual red dots and the recording of each assigned detector signal, and a Evaluation circuit to determine the maximum Detector signal and the associated location of the Illuminated point provided.
Die Auswerteschaltung kann zusätzlich so ausgebildet sein, daß sie zum maximalen Detektorsignal auch die Position des Lichtschwerpunktes auf dem Detektor ermittelt. Da für jeden Leuchtpunkt bekannt ist, an welcher Stelle der Lichtschwerpunkt auf dem Detektor liegt, wenn die Fokusbedingung erfüllt ist, kann so auf den Abstand vom Fokus geschlossen werden.The evaluation circuit can also be designed in this way be that they also the maximum detector signal Position of the center of gravity on the detector determined. As is known for each red dot, on which point the center of light on the detector If the focus condition is met, it can be on the distance from the focus can be closed.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors schematisch dargestellt und wird anhand dieser Darstellung nachfolgend näher beschrieben. Im einzelnen zeigt:In the drawing is an embodiment of the schematically illustrated sensor according to the invention and will be explained in more detail below using this illustration described. In detail shows:
Fig. 1 den optischen Aufbau im Schnitt und Fig. 1 shows the optical structure in section and
Fig. 2 eine Aufsicht. Fig. 2 is a supervision.
Die Lichtquelle 1 besteht aus einer Leuchtdioden-Zeile 2 mit z. B. 256 Elementen. Es kann jedoch auch eine Laserdioden-Zeile oder ein zeilenförmig angeordnetes Lichtleitbündel verwendet werden. Diese Zeile wird durch eine Abbildungsoptik 3 in die Bildebene 4 abgebildet. Die Ebene 5, in der die Leuchdioden-Zeile 2 liegt, und die Hauptebene 6 der Abbildungsoptik 3 sind dabei entsprechend der Scheimpflug-Bedingung so zueinander ausgerichtet, daß sie sich in einer senkrecht zur Zeichenebene stehenden Geraden 7 schneiden. Die Bildebene 4 steht senkrecht auf einer Referenzebene 8, so daß in ihr die zu bestimmende Profilhöhe PH einer Objektoberfläche 9 in Bezug auf die Referenzebene 8 liegt. Die Leuchtdioden-Zeile 2 steht senkrecht auf der Geraden 7. Ihr Bild hat daher die Richtung der Profilhöhe PH. Bei Verwendung einer nach Zeilen und Spalten ausgerichteten Leuchtpunkte-Matrix liegt das Bild der Spalten ebenfalls in der Ebene 4. Die Richtung der Spalten-Bildpunkte steht aber senkrecht auf der Zeichenebene, wenn die Spalten der Leuchtpunkte-Matrix parallel zur Geraden 7 ausgerichtet sind.The light source 1 consists of a light-emitting diode row 2 with z. B. 256 elements. However, a laser diode row or a light guide bundle arranged in a row can also be used. This line is imaged into the image plane 4 by imaging optics 3 . The plane 5, in which the LED row 2 is located, and the main plane 6 of the imaging optics 3 are aligned with one another in accordance with the Scheimpflug condition so that they intersect in a straight line 7 perpendicular to the plane of the drawing. The image plane 4 is perpendicular to a reference plane 8 , so that the profile height PH to be determined of an object surface 9 lies with respect to the reference plane 8 . The LED row 2 is perpendicular to the straight line 7 . Your picture therefore has the direction of the profile height PH. If a red dot matrix aligned according to rows and columns is used, the image of the columns is also in plane 4. However, the direction of the column pixels is perpendicular to the drawing plane if the columns of the red dot matrix are aligned parallel to straight line 7 .
Im dargestellten Beispiel wird nur das Element K der Leuchtdioden-Zeile 2 durch die Abbildungsoptik 3 als Lichtpunkt LK auf die Objektoberfläche 9 scharf abgebildet. Da die Apertur der Abbildungsoptik 3 der Abstrahlcharakteristik der einzelnen Leuchtdioden elemente angepaßt werden kann, enthält der Lichtpunkt LK eine hohe Lichtintensität. Alle übrigen Leuchtdiodenelemente erscheinen in dieser Stellung auf der Objektoberfläche versetzt und diffus. Die für den Lichtpunkt LK beschriebenen Abbildungsverhältnisse gelten bei Betrachtung einer anderen Profilhöhe in gleicher Weise für alle anderen Leuchtdiodenelemente, so daß der wirksame Schärfentiefenbereich allein durch die lineare Ausdehnung x1 bis xN der Vielzahl der Leuchtpunkte K = 1 bis N und den Abbildungsmaßstab der Abbildungsoptik 3 bestimmt wird. Im dargestellten Beispiel erstreckt er sich über den Bereich der Lichtpunkte L1 bis LN.In the example shown, only the element K of the light-emitting diode row 2 is sharply imaged by the imaging optics 3 as light point L K on the object surface 9 . Since the aperture of the imaging optics 3 can be adapted to the emission characteristics of the individual light-emitting diodes, the light point L K contains a high light intensity. In this position, all other light-emitting diode elements appear offset and diffuse on the object surface. The imaging ratios described for the light point L K apply in the same way to all other light-emitting diode elements when considering a different profile height, so that the effective depth-of-field range is due solely to the linear extension x 1 to x N of the large number of illuminated dots K = 1 to N and the imaging scale Imaging optics 3 is determined. In the example shown, it extends over the range of light points L 1 to L N.
Der Beobachtungsstrahlengang enthält einen ebenen Detektor 10, der insbesondere auch positionsempfindlich sein kann. Bekannt sind analoge Detektoren, mit denen die Lage des Intensitätsschwerpunktes der auf treffenden Lichtstrahlen in der Detektorebene ermittelt werden kann. Im dargestellten Beispiel wird ein digitaler Detektor verwendet, der aus einer Fotodioden-Zeile 11 besteht. Eine Abbildungsoptik 12 bildet das diffus an der Objektoberfläche 9 gestreute Licht auf diese Fotodioden-Zeile 11 ab. Die Detektorebene 13 und die Hauptebene 14 der Abbildungsoptik 12 sind zur Bildebene 4 so ausgerichtet, daß sie die Scheimpflug-Bedingung erfüllen und sich in einer Geraden 7′ schneiden, die vorzugsweise parallel zur entsprechenden Gerade 7 des Beleuchtungsstrahlenganges verläuft. Die Apertur und der Abbildungsmaßstab der Abbildungsoptik 12 können entsprechend der Streucharakteristik der Lichtpunkte LK an der Objektoberfläche 9 und der Ausdehnung x′1 bis xN des Detektors 11 gewählt werden.The observation beam path contains a flat detector 10 , which in particular can also be position sensitive. Analog detectors are known with which the position of the center of gravity of the incident light beams in the detector plane can be determined. In the example shown, a digital detector is used which consists of a row of photodiodes 11 . An imaging optics 12 images the light diffusely scattered on the object surface 9 onto this photodiode row 11 . The detector plane 13 and the main plane 14 of the imaging optics 12 are aligned with the image plane 4 so that they meet the Scheimpflug condition and intersect in a straight line 7 ', which preferably runs parallel to the corresponding straight line 7 of the illuminating beam path. The aperture and the imaging scale of the imaging optics 12 can be selected in accordance with the scattering characteristic of the light points L K on the object surface 9 and the extent x ' 1 to x N of the detector 11 .
Aus Fertigungs- und Kostengründen können jedoch auch die Abbildungsoptiken 3 und 12 übereinstimmend sein. Dadurch ergibt sich ein symmetrischer Aufbau des Beleuchtungs- und Beobachtungsstrahlenganges mit übereinstimmender Schnittgeraden der Ebenen, so daß die gerichtete Reflexion an der Objektoberfläche genutzt werden kann und höhere Detektorsignale zur Verfügung stehen. Im Vergleich zu bekannten Anordnungen mit senkrechter Lichteinstrahlung entstehen außerdem bei gleicher Basislänge zwischen Lichtquelle und Detektor deutlich weniger Abschattungsprobleme für das z. B. an Vertiefungen reflektierte Licht. For manufacturing and cost reasons, however, the imaging optics 3 and 12 can also be the same. This results in a symmetrical structure of the illumination and observation beam path with a corresponding intersection line of the planes, so that the directional reflection on the object surface can be used and higher detector signals are available. In comparison to known arrangements with vertical light radiation, there are also significantly fewer shading problems for the z. B. light reflected from depressions.
Bei den bekannten Sensoren, die ausschließlich eine punktförmige Lichtquelle verwenden, führt schräge Einstrahlung zwangsläufig dazu, daß die Höheninformation nicht senkrecht zur Objektoberfläche bestimmt werden kann. Wird der Abstand zur Objektoberfläche verändert, so wird auch an einer anderen Stelle auf der Objektoberfläche gemessen. Beim erfindungsgemäßen Sensor wird dagegen die ausgedehnte, aus vielen Leuchtelementen bestehende Lichtquelle bei schräger Einstrahlung so abgebildet, daß bei verändertem Abstand zur Objektoberfläche an derselben Stelle automatisch ein anderes Leuchtdiodenelement scharf abgebildet wird.In the known sensors, which are only one Use punctiform light source, leads obliquely Irradiation inevitably means that the Height information not perpendicular to the object surface can be determined. If the distance to Object surface changed, so is also one measured elsewhere on the object surface. At the In contrast, the sensor according to the invention is the extensive light source consisting of many lighting elements oblique radiation so that at changed distance to the object surface on the same Automatically place another LED element is shown sharply.
Die grundlegende Idee der Erfindung liegt darin, daß in der Bildebene 4 bei schräger Einstrahlung ein scharf gebündeltes, gleichförmiges Lichtband aus aneinandergereihten Lichtpunkten erzeugt wird. Dabei dient ein übliches Linsensystem zur Abbildung der Lichtquelle, das kostengünstig auch mit geringen Fertigungstoleranzen herstellbar ist. Die Lichtquelle kann für diesen Zweck grundsätzlich auch als beleuchteter Spalt mit geometrisch nicht mehr voneinander trennbaren Leuchtelementen ausgebildet werden. Bei Verwendung einer Leuchtpunkte-Matrix entsteht entsprechend eine dünne Lichtpunkte-Scheibe. Bei Einschaltung einzelner Spalten der Matrix entstehen Lichtpunkte-Bänder parallel zur Richtung der Geraden 7, 7′.The basic idea of the invention lies in the fact that a sharply focused, uniform light band is produced from lined-up light points in the image plane 4 with oblique radiation. A conventional lens system is used to image the light source, which can also be produced inexpensively with low manufacturing tolerances. For this purpose, the light source can in principle also be in the form of an illuminated gap with geometrically no longer separable lighting elements. When using a luminous dot matrix, a thin light dot disk is created accordingly. When individual columns of the matrix are switched on, light point bands arise parallel to the direction of the straight line 7 , 7 '.
Die Anordnung ermöglicht unterschiedliche Auswertungsverfahren zur Ermittlung der Profilhöhe. Alle Verfahren nutzen die Eigenschaft des erfindungsgemäßen Sensors, nahezu senkrecht zur Objektoberfläche 9 ein gleichförmig scharfes Lichtband zwischen den Lichtpunkten L1 und LN zu erzeugen. Im aktuellen Durchstoßpunkt des Lichtbandes durch die Objektoberfläche 9 entsteht ein besonders intensiver Lichtpunkt LK, dessen Abbildung auf dem Detektor 11 an einer bestimmten Stelle x′K ein maximales Signal erzeugt. Aus dem bekannten Abstand der Stelle x′K von der Geraden 7′, den durch die Konstruktion ebenfalls bekannten Winkeln zwischen den Ebenen 13, 14, 4 und dem Abstand der optischen Achse 17 der Abbildungsoptik 12 zur Geraden 7′ läßt sich in üblicher Weise der Abstand der Geraden 7 zur Objektoberfläche 9 bzw. die Profilhöhe PH gegenüber der Referenzebene 8 bestimmen. Insofern ist das Verfahren nicht neu. Es hat jedoch den Vorteil höherer Meßgenauigkeit wegen des genauer definierten Lichtbandes.The arrangement enables different evaluation methods to determine the profile height. All methods use the property of the sensor according to the invention to generate a uniformly sharp light band between the light points L 1 and L N almost perpendicular to the object surface 9 . In the current point of penetration of the light band through the object surface 9 , a particularly intense light point L K is created , the image of which on the detector 11 generates a maximum signal at a specific point x ' K. From the known distance of the point x ' K from the straight line 7 ', the angles also known by the construction between the planes 13 , 14 , 4 and the distance between the optical axis 17 of the imaging optics 12 and the straight line 7 'can be in the usual manner Determine the distance of the straight line 7 from the object surface 9 or the profile height PH with respect to the reference plane 8 . In this respect, the process is not new. However, it has the advantage of higher measuring accuracy because of the more precisely defined light band.
Neue Meßmöglichkeiten ergeben sich bei Verwendung einer Leuchtdioden- oder Laserdioden-Zeile mit unabhängig voneinander einschaltbaren Leuchtelementen als Lichtquelle. Bei dieser können mit Hilfe einer Steuerschaltung 15 nacheinander die einzelnen Elemente K = 1 bis N zum Leuchten angesteuert werden. Nur für ein bestimmtes Leuchtelement K wird das Detektorsignal maximal, da nur dieses Element optimal auf die Objektoberfläche abgebildet wird und ein maximales Streulichtbündel erzeugt. Der Detektor braucht lediglich die Lichtintensität zu messen. Eine Information über die Lage des Lichtschwerpunktes ist nicht erforderlich. Die Steuerschaltung 15 korreliert das jeweilige Detektorsignal mit dem jeweils eingeschalteten Leuchtelement, so daß die Auswerteschaltung 16 den Maximalwert dem bestimmten Leuchtelement K zuordnen kann. Anstatt immer nur ein Leuchtelement einzuschalten, kann die Zuordnung des Detektorsignals zu einem Leuchtelement auch durch den Leuchtpunkten eingeprägte Eigenschaften, wie etwa Polarisation, Wellenlänge oder Modulationsfrequenz realisiert werden, wobei der Detektor für die jeweilige Kennung des Lichts empfindlich ist.New measurement possibilities arise when using a row of light-emitting diodes or lasers with light elements that can be switched on independently of one another as the light source. With this, the individual elements K = 1 to N can be controlled to light up with the help of a control circuit 15 . The detector signal only becomes maximum for a certain luminous element K, since only this element is optimally imaged on the object surface and generates a maximum scattered light beam. The detector only needs to measure the light intensity. Information about the position of the center of gravity is not necessary. The control circuit 15 correlates the respective detector signal with the light element that is switched on, so that the evaluation circuit 16 can assign the maximum value to the specific light element K. Instead of always switching on only one light-emitting element, the assignment of the detector signal to a light-emitting element can also be realized by properties embossed by the light points, such as polarization, wavelength or modulation frequency, the detector being sensitive to the respective identification of the light.
Der Kontrast im Detektorsignal kann noch verbessert werden, wenn vor dem Detektor 10 eine an die Abbildung durch die Abbildungsoptik 12 angepaßte Schlitzblende angeordnet wird. Die Abstandsinformation wird aus dem Abstand xK des durch Auswertung des Detektorsignals ermittelten Leuchtelementes K zur Geraden 7, den bekannten Winkeln zwischen den Ebenen 5, 6, 4, sowie dem Abstand der optischen Achse 18 der Abbildungsoptik 3 von der Geraden 7 berechnet. Der Vorteil des Verfahrens mit nacheinander eingeschalteten Leuchtpunkten liegt darin, daß dem Meßsignal des Lichtpunktes LK kein Streulichthintergrund aus der unscharfen Abbildung der anderen Leuchtelemente überlagert ist.The contrast in the detector signal can be further improved if a slit diaphragm which is adapted to the image by the imaging optics 12 is arranged in front of the detector 10 . The distance information is calculated from the distance x K of the luminous element K determined by evaluating the detector signal to the straight line 7 , the known angles between the planes 5 , 6 , 4 , and the distance of the optical axis 18 of the imaging optics 3 from the straight line 7 . The advantage of the method with illuminated points switched on one after the other is that no stray light background from the blurred image of the other lighting elements is superimposed on the measurement signal of the light point L K.
Zur Aufnahme eines Höhenprofils der Objektoberfläche 9 genügt es, die neben dem Element K liegenden Leuchtelemente im Wechsel anzuschalten und die Veränderung des Detektorsignals zu beobachten. Die Anordnung ermöglicht damit eine direkte Höhenabtastung ohne mechanisch bewegte Elemente und über einen vorwählbaren, der jeweiligen Meßaufgabe angepaßten Abtastbereich.To record a height profile of the object surface 9 , it is sufficient to alternately switch on the lighting elements lying next to the element K and to observe the change in the detector signal. The arrangement thus enables direct height scanning without mechanically moving elements and over a preselectable scanning range adapted to the respective measuring task.
Die Meßgenauigkeit läßt sich wesentlich steigern, wenn man die mit den vorgenannten Verfahren gewinnbaren Informationen miteinander kombiniert. Nutzt man sowohl die Kenntnis aus, daß das Signal des Lichtpunktes LK für das Leuchtelement K und damit für dessen Lage xK maximal wird, als auch die Kenntnis, daß das maximale Signal iK auf dem Detektor seinen Schwerpunkt an der Stelle x′K hat, so kann man die Funktion fK=iK/(xK-x′K) bilden und das Element K suchen, für das diese Funktion maximal wird. Da im Antastpunkt der Zähler groß ist und der Nenner gegen Null geht, gibt diese Funktion ein sehr empfindliches Meßkriterium.The measuring accuracy can be increased significantly if the information that can be obtained with the aforementioned methods is combined with one another. If one uses both the knowledge that the signal of the light point L K for the lighting element K and thus for its position x K becomes maximum, as well as the knowledge that the maximum signal i K on the detector has its center of gravity at the point x ' K has, then one can form the function f K = i K / (x K -x ′ K ) and search for the element K for which this function becomes maximum. Since the numerator is large at the touch point and the denominator approaches zero, this function gives a very sensitive measurement criterion.
Die Verwendung einer nach Zeilen und Spalten geordneten Leuchtpunkte-Matrix bietet den besonderen Vorteil, daß das Höhenprofil der Objektoberfläche 9 zusätzlich in Richtung senkrecht zur Zeichenebene abgetastet werden kann. Dies ist in Fig. 2 dargestellt.The use of an illuminated dot matrix arranged according to rows and columns offers the particular advantage that the height profile of the object surface 9 can additionally be scanned in the direction perpendicular to the plane of the drawing. This is shown in Fig. 2.
Fig. 2 zeigt in einer Aufsicht die Lichtquelle 1, den Detektor 10 und die sich aus der Scheimpflug-Bedingung ergebenden, übereinander liegenden Schnittgeraden 7, 7′ in der Ebene 4. Die Lichtquelle sei eine nach Zeilen und Spalten ausgerichtete Leuchtdiodenmatrix. Der Detektor sei eine CCD-Kamera mit gleicher Ausrichtung der Empfangselemente. Die Spaltenrichtung der Leuchtpunkte xK soll durch den Spalt 19 dargestellt werden. Der Spalt 19 wandert in X-Richtung durch entsprechend gesteuerte Einschaltung der Leuchtpunkte xK. Ein entsprechendes Lichtband wandert dadurch in der Ebene 4 auf und ab und wird je nach Ausbildung des Profils der Objektoberfläche 9 an dieser reflektiert. Das der Stellung des Spaltes 19 entsprechende Bild der Lichtquelle auf dem Detektor 10 ist dort schraffiert dargestellt. Die Detektorfläche wird für jede Leuchtpunktespalte abgetastet, um die Zeile maximaler Helligkeit herauszufiltern. Dazu ist ein Spalt 20 dargestellt, der sich in Zeilenrichtung erstreckt und dessen Abtastbewegung in Y-Richtung angedeutet ist. In dem dargestellten Beispiel liegt eine scharfe Abbildung nur am oberen Rand der Detektorfläche vor. Das dort liegende CCD-Element gibt also ein maximales Signal ab. Fig. 2 shows a top view of the light source 1 , the detector 10 and the result of the Scheimpflug condition, superimposed intersection lines 7 , 7 'in the plane 4. The light source is an aligned according to rows and columns LED matrix. The detector is a CCD camera with the same orientation of the receiving elements. The column direction of the luminous dots x K is to be represented by the gap 19 . The gap 19 travels in the X direction by appropriately controlled switching on of the illuminated points x K. A corresponding light band thus moves up and down in level 4 and is reflected on the object surface 9 , depending on the design of the profile. The image of the light source on the detector 10 corresponding to the position of the gap 19 is shown hatched there. The detector area is scanned for each column of red dot in order to filter out the line of maximum brightness. For this purpose, a gap 20 is shown, which extends in the row direction and whose scanning movement is indicated in the Y direction. In the example shown, there is a sharp image only at the upper edge of the detector surface. The CCD element located there emits a maximum signal.
Claims (13)
Priority Applications (1)
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| DE19934304815 DE4304815A1 (en) | 1993-02-17 | 1993-02-17 | Optical sensor |
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| DE19934304815 DE4304815A1 (en) | 1993-02-17 | 1993-02-17 | Optical sensor |
Publications (1)
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| DE4304815A1 true DE4304815A1 (en) | 1994-08-18 |
Family
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Family Applications (1)
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| DE19934304815 Withdrawn DE4304815A1 (en) | 1993-02-17 | 1993-02-17 | Optical sensor |
Country Status (1)
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|---|---|
| DE (1) | DE4304815A1 (en) |
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