DE4339710A1 - Optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung basiert auf der Grundlage eines objektabbildenden Verfahrens, speziell eines Auflicht-Hellfeld-Verfahrens, welches zur Bestimmung der Lage eines Objektpunktes auf der Meßachse, die identisch mit der optischen Achse des Systems ist, geeignet ist.

Es sind eine Vielzahl von optoelektronischen Abstandssensoren bekannt, die meist nach dem Prinzip der Triangulation oder nach dem Fokusverfahren arbeiten. Sie werden in der Regel in abgeschlossenen, kompakten Meßeinheiten als Abstandsdetektoren (Sollage- Erkennung) oder als messende Systeme kommerziell angeboten.

Meßtechnisch sind insbesondere solche Verfahren interessant, die Vorteile beider Prinzipien in sich vereinen.

In Laser Magazin 1/85, S. 26 ff. wird eine solche Lösung von der Firma Leitz beschrieben, bei der ein Laserstrahlbündel unter einem solchen Winkel in den Auflichtstrahlengang eines Mikroskopes eingespiegelt wird, daß es gerade im Sollabstand der Oberfläche zu einem ausgezeichneten Schnittpunkt mit der optischen Achse des Systems kommt und ein Triangulationseffekt bei einer Abstandsänderung erreicht wird. Nachteilig ist dabei, daß - wie bei allen herkömmlichen Triangulationsverfahren mit einer festen Triangulationsebene (Ebene, aufgespannt von den optischen Achsen der Beleuchtungs- und Abbildungsoptik) - in der Meßpraxis Einschränkungen durch Abschattungseffekte in Kauf genommen werden müssen.

Bei der in DE 35 07 445 beschriebenen Lösung wird dieser Nachteil durch eine "richtungsunabhängige" Triangulation umgangen. Der Triangulationseffekt wird durch eine Ringblende im Abbildungsstrahlengang erreicht. Allerdings können die in der Schrift formulierten Wirkungen nur realisiert werden, wenn der Öffnungsfehler der Optik benutzt wird. Somit können keine optimal korrigierten Objektiv-Optiken eingesetzt werden, wie sie beispielsweise standardmäßig in Meßmikroskopen verwendet werden. Deshalb wurde dort im Anspruch 4 hervorgehoben, daß die Abbildungsoptik als eine Nicht-Gaußsche Optik ausgebildet ist (d. h., die erzeugte leuchtende Marke auf der Objektoberfläche, also auch ein Punkt, wird nicht als Punkt, sondern als ein die optische Achse konzentrisch umgebender Ring in der Bildebene abgebildet).

Mit dieser speziellen Optik ist das Verfahren somit als eine eigenständige Meßanordnung ausgebildet und auf Abstandsmessungen festgelegt.

Die Erfindung soll, ausgehend von einer vorzugsweise gemeinsamen und optimal korrigierten Optik für den Beleuchtungsstrahlengang und den Abbildungsstrahlengang, ein empfindlich reagierendes Abstandsmeßverfahren realisieren, das sowohl als eigenständige Meßanordnung als auch in vorgegebene optische Strahlengänge von Meßmikroskopen oder anderen auf der Objektabbildung beruhenden Meßvorrichtungen, insbesondere Koordinatenmeßmaschinen, integriert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß im gegebenenfalls separaten Auflichtbeleuchtungsstrahlengang bzw. im Abbildungsstrahlengang eine geeignet geteilte Blende dafür sorgt, daß in einem ersten Fall Randstrahlenbündel zur Erzeugung einer Marke (Punkt) auf der Objektoberfläche genutzt werden und in einem zweiten Fall Randstrahlenbündel die Abbildung einer vorhandenen Objekt-Marke in eine feste Empfängerebene bewirken. Eine Änderung des Objektabstandes führt dort zu einer Aufspaltung des Markenbildes, deren Größe als empfindliches Maß einer Abstandsänderung mit einer geeigneten Empfängeranordnung auswertbar ist.

Diese Lösung geht von einer optimal korrigierten Objektiv-Optik aus. Dabei sind entsprechend des Anspruchs 2 und des Anspruchs 4 zwei äquivalente Grundanordnungen möglich.

Die optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung zur Bestimmung der Lage eines Objektpunktes auf der optischen Achse eines Meßsystems besteht aus einer in Lichtrichtung angeordneten Strahlungsquelle, einer Abbildungsoptik, welche nach dem Auflichtverfahren auf der Objektoberfläche eine Marke erzeugt, in eine Bildebene abbildet und einem geeigneten optoelektronischen Empfänger in dieser Bildebene (Empfängerebene), der mit einer Auswerteeinheit verbunden ist. Mindestens ein abgegrenztes Strahlenbündel wird aus dem Randbereich der Apertur zur Erzeugung einer Marke ausgewählt. Bei einer Abstandsänderung des Objektes (also Defokussierung) ist in einer Empfängerebene eine Veränderung des Markenbildes registrierbar, wobei die durch einen Empfänger erfaßbare resultierende Intensitätsverteilung in der Empfängerebene empfindlich vom Objektabstand Δz abhängig ist.

Eine erste Variante ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Blende im Beleuchtungsstrahlengang zwischen der Strahlungsquelle und der Abbildungsoptik angeordnet ist, die vorzugsweise symmetrisch zur optischen Achse liegende lichtdurchlässige Bereiche hat. Die Blende ist so dimensioniert, daß nur Randstrahlenbündel zur Erzeugung der Marke in der Objektebene abbildbar sind. Diese Marke wird dann in die Empfängerebene abgebildet und von dem Empfänger ausgewertet.

Vorzugsweise ist zwischen der Strahlungsquelle und der Blende eine Kondensoroptik angeordnet, so daß die Blende von parallelem Beleuchtungslicht durchstrahlt wird. Das hat zur Folge, daß im Meßbereich (außerhalb der objektseitigen Brennebene der Abbildungsoptik), also auch im fokussierten Zustand, auswertbare Doppelmarken in den Koordinatenrichtungen der Objektebene entstehen.

Eine zweite Variante ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Blende im Abbildungsstrahlengang zwischen der Abbildungsoptik und der Empfängerebene angeordnet ist. Sie hat vorzugsweise symmetrisch zur optischen Achse liegende lichtdurchlässige Bereiche und ist so dimensioniert, daß nur Randstrahlenbündel, d. h. Teilbündel, die die Apertur maximal ausnutzen, der auf dem Objekt erzeugten Marke in der Empfängerebene abbildbar sind.

Für beide Varianten ist es vorteilhaft, wenn symmetrisch zur optischen Achse angeordnete Bereiche der Blende kreisförmig sind. Vorteilhaft ist weiterhin erfindungsgemäß eine Kreisringblende mit einem Kreisringdurchmesser, der die Nutzung der maximalen Apertur zuläßt.

Der Empfänger ist speziell für den Empfang des als Folge der Blendenform entstehenden Markenbildes in der Empfängerebene und der Meßaufgabe (Sollwertdetektion oder Abstandsmessung) ausgebildet. Er wertet Abstands- oder Intensitätsänderungen in der Empfängerebene aus.

Für die Messung der Intensitätsänderung ist der Empfänger vorzugsweise ein Differenzfotoempfänger mit kreis-kreisringförmiger Geometrie.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist mit Anspruch 3 gegeben. Damit wird über die Abstandmessung hinaus die Erfassung einer Neigung der Objektoberfläche aus der Senkrechten zur Meßachse (optische Achse) möglich. Diese Messung erfordert jedoch den Einsatz von bildgebenden Empfängeranordnungen (CCD- Zeile, CCD-Matrix).

Die optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung ermöglicht, daß die erforderlichen zusätzlichen Bauelemente (z. B. Blende, Empfänger, Spiegel) in einem vorgegebenen Aufbau eines Meßmikroskops, eines Meßprojektors oder einer optoelektronischen Koordinatenmeßmaschine vergleichsweise problemlos im Abbildungsstrahlengang und/oder im Beleuchtungsstrahlengang einbaubar sind. Diese zusätzlichen Bauelemente können sogar in bereits fertig hergestellte Geräte nachträglich ohne Probleme eingebaut werden. Dazu bedarf es im einfachsten Fall nur dem Einschwenken einer Blende in den Beleuchtungs- oder Abbildungsstrahlengang des abbildenden Meßsystems.

Die Erfindung wird anhand von Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipielle Darstellung der Anordnung zur optoelektronischen Abstandsmessung bei der Erzeugung von Marken in der Objektebene

Fig. 2 Prinzipielle Darstellung der Anordnung zur optoelektronischen Abstandsmessung bei der Abbildung vorhandener Marken

Fig. 3 Darstellung der Anordnung zur Erzeugung von Marken über Randstrahlenbündel und Abbildung dieser Marken

Fig. 4 Anordnung mit Blende, die von parallelen Lichtbündeln durchsetzt wird

Fig. 5 Beispiele für Blenden

Fig. 6 Darstellung der Anordnung zur optoelektronischen Abstandsmessung bei der Abbildung von Randstrahlenbündeln

Fig. 7 Kreis-Kreisring-Differenzfotoempfänger mit Detektorsignal

Fig. 8 Markenbilder bei verkippter Objektoberfläche.

Die Abstandsmeßeinrichtung benutzt nach ihrem prinzipiellen Aufbau das Auflicht-Hellfeld-Verfahren als objektabbildendes Verfahren. Erfindungsgemäß sind zwei Grundanordnungen zu unterscheiden. Wie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt, zeichnet sich die erfindungsgemäße Abstandsmeßeinrichtung dadurch aus, daß eine symmetrisch zur optischen Achse positionierte Blendenanordnung vorzugsweise Randstrahlbündel aus einer vollständig ausgeleuchteten Apertur ausblendet. Dies führt im ersten Fall (Fig. 1) bei Abstandsänderung Δz zu einer charakteristischen, meßbaren Aufspaltung der erzeugten Marke auf der Objektoberfläche 1, 1′, wobei ausschließlich Randstrahlbündeln im Beleuchtungsstrahlengang benutzt werden.

Die Blendenanordnung führt im zweiten Fall (Fig. 2) bei Abstandsänderung Δz des Objektes 1, 1′ zu einer charakteristischen, meßbaren Aufspaltung des Markenbildes in der Empfängerebene 5, wobei ausschließlich Randstrahlbündel im Bildraum benutzt werden.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel mit Randstrahlbündeln auf der Beleuchtungsseite dargestellt. Die in Fig. 5 dargestellten Blendenanordnungen 3 sind so dimensioniert, daß ausgehend von einer Strahlungsquelle 4 (idealerweise eine Punktlichtquelle, im Beispiel eine Laserdiode 10 mit geeignetem Kollimator), solche Randstrahlbündel mit Hilfe der Blende 4 in Verbindung mit dem Umlenkspiegel 7 und dem Ringspiegel 6 entstehen, deren Neigung zur optischen Achse 8 der maximalen Apertur des Objektivs 2 entsprechen. Im fokussierten Zustand wird bei dieser Anordnung im Idealfall (ohne Öffnungsfehler) ein Punkt in der Objektebene 1 erzeugt. Bei einer Abstandsänderung um Δz (Objektoberfläche in der Lage 1′) tritt durch die eingesetzte Blendenanordnung 3 eine Aufspaltung des Punktes ein, wobei die entstehende Marke der Geometrie der Blendenanordnung 3 ähnlich ist. Bei senkrechter Lage der Objektebene 1, 1′ zur optischen Achse 8 entstehen zu dieser Achse symmetrische Teilmarken.

Der Abstand Δx der Teilmarken von der optischen Achse 8 und damit der entsprechende Abstand Δx′ in der Empfängerebene 5 ist eine Funktion der Abstandsänderung Δz. Bei verkippter Objektoberfläche 1, 1′ entstehen charakteristische Unsymmetrien, die beispielhaft in Fig. 8 für den Fall gezeigt sind, daß die Kreisring-Blende nach Fig. 5c) verwendet wird. Durch Vermessung dieser Marken z. B. mit dem in Fig. 8 dargestellten Empfängerarray 18 (CCD-Zeilenkreuz) kann damit zusätzlich zum Objektabstand vorteilhaft auch die Neigung der Objektoberfläche zur optischen Achse bestimmt werden. Stimmt die Lage des CCD-Zeilenkreuzes (Empfängerarray 18) mit dem x′-y′- Bildkoordinatensystem überein, dann kennzeichnet das Markenbild 13a eine Objektkippung um die x-Achse und das Markenbild 13b eine Objektkippung um die y- Achse.

Für den Aufbau nach Fig. 3 ist die Anordnung wie folgt zu dimensionieren: Der Lochabstand bzw. der Ringdurchmesser a ergibt sich zu:

mit T, der nutzbaren Öffnung am bildseitigen Linsenscheitel S′, mit b′, dem Blendenabstand zu S′ und der bildseitigen Schnittweite s′, gemessen vom bildseitigen Linsenscheitel S′.

Die Empfindlichkeit Δx/Δz der Abstandsmeßanordnung nach Fig. 3 hängt bei maximaler Ausnutzung der Apertur gemäß obiger Gleichung direkt von der objektseitigen Schnittweite s und dem entsprechend der Apertur nutzbaren Durchmesser der Frontlinse ab. Es gilt:

mit dem nutzbaren Radius der Frontlinse R, der Schnittweite s, der Abstandsänderung von der optischen Achse Δx.

Besonders einfach kann der Triangulationseffekt bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 genutzt werden. Mit der parallelen Strahlenführung durch die Blendenanordnung 3 wird im Idealfall eine Fokussierung der Randstrahlbündel im objektseitigen Brennpunkt des Objektivs erreicht. Folglich liegen für das in Fig. 4 dargestellte optische System in der Objektebene 1 (Schärfenebene) schon getrennt meßbare Teilmarken vor.

Geeignete Blendenanordnungen werden in Fig. 5 dargestellt:

• a) Lochblendenpaar
• b) Symmetrische Anordnung von vier Lochblenden
• c) Ringblende.

In Fig. 6 ist eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung nach Anspruch 4 dargestellt. Eine Punktlichtquelle (Strahlungsquelle 4) wird über den Umlenkspiegel 7 und den Spiegel 12 in die Objektebene 1 abgebildet und erzeugt dort eine punktförmige Marke.

Über die in der bildseitigen Brennebene F′ angeordnete Blende 3 (entsprechend Fig. 5) gelangen nur die von dieser Marke ausgehenden Randstrahlenbündel in der Empfängerebene 5 zur Abbildung. Im beschriebenen Fall erzeugen sie dort wiederum eine punktförmige Lichtmarke. Bei Änderung des Objektabstands um Δz von dieser Sollposition kommt es auch hier zu der bereits beschriebenen charakteristischen Aufspaltung des Markenbildes.

Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 3 und Fig. 6 sind besonders für die Sollage- Detektion geeignet, weil unabhängig von der Ausführung der Blendenanordnung 3 im fokussierten Zustand (Sollage des Objektes 1) eine punktförmige Marke in der Objektebene 1 oder in der Empfängerebene 5 erzeugt wird. Durch eine Intensitätsmessung in der Empfängerebene 5 am Ort der optischen Achse 8 mit einem Fotoempfänger kann nach bekannten Verfahren empfindlich von der Intensitätsverteilung (Aufspaltung der Marke in Figuren, deren Form der Blende 3 entspricht) bei einem geänderten Abstand (Objektebene 1′) unterschieden werden.

Vorteilhaft ist dabei der Einsatz einer kreis-kreisringförmigen Differenzfotodiode wie in Fig. 7a) dargestellt. Sie zeigt die Situation für ein um Δz defokussiertes Objekt und bei Verwendung der Kreisring-Blende nach Fig. 5c).

Neben dem Kreisempfänger 14 und dem Sepparationsring 17, der den Kreisempfänger 14 elektrisch vom Kreisringempfänger 15 isoliert, ist das Markenbild 13 zu erkennen. Die Differenz D der Signale vom Kreisempfänger 14 und vom Kreisringempfänger 15 liefert ein eindeutiges Kriterium für das Erreichen der Sollage (Fig. 7b).

Die Abstandsmessung, die über eine direkte Ortsbestimmung der Teilmarken im Bild mit Bildsensoren erfolgt, ist durch Einsatz von positionsempfindlichen Empfängern (CCD- Zeile, CCD-Matrix) möglich.

Der Einsatz von zeilenförmigen bzw. matrixförmigen Empfängeranordnungen ist insbesondere für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 vorteilhaft. Wegen der endlichen bildseitigen Schnittweite s′ liegt die Objektebene außerhalb der objektseitigen Brennebene F. Damit liegt im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 schon in der Objektebene eine vollständig geteilte Marke vor, die im Bild direkt vermessen wird, d. h., daß der Abstand vom Ort der optischen Achse bestimmt wird. Mit dem Einsatz von solchen Bildsensoren als Empfänger 9 wird damit eine messende Abstandsmeßeinrichtung realisiert, die zudem in der Lage ist, aus der Geometrie der geteilten Marke im Bild (siehe dazu Fig. 8) auf die Neigung der Objektoberfläche (Objektebene 1, 1′) zu schließen. Die Lage der Marke wird dabei vorteilhaft durch ein Integralkriterium, wie die fotometrische Mitte bzw. den Lichtschwerpunkt, bestimmt.

Wird für die Ausführungsbeispiele nach Fig. 3 und Fig. 6 eine Objekt-Sollage außerhalb der Objektebene 1 (Schärfenebene) definiert, ist auch für diese Ausführungsbeispiele eine analoge Abstandsmessung vorteilhaft möglich.

Bezugszeichenliste

1 Objektebene (Schärfenebene)
1′ defokussierte Lage der Objektebene
2 Abbildungsoptik
3 Blendenanordnung (Blende)
4 Strahlungsquelle
5 Empfängerebene (Bildebene im fokussierten Zustand)
6 Ringspiegel
7 Umlenkspiegel
8 optische Achse
9 Empfänger
10 Laserdiode
11 Kondensoroptik
12 Spiegel
13 Markenbild (Marke)
14 Kreisempfänger
15 Kreisringempfänger
16 lichtdurchlässiger-Bereich
17 Separationsring
18 CCD-Zeilenkreuz
D Differenzsignal
F objektseitige Brennebene
F′ bildseitige Brennebene
R nutzbarer Radius der Frontlinse
S objektseitiger Linsenscheitel
S′ bildseitiger Linsenscheitel
T nutzbare Öffnung am bildseitigen Linsenscheitel
a Abstand der Teilblenden
Δz Abstandsänderung von der optischen Achse
x, x′ x-Koordinate
y, y′ y-Koordinate
Δx Abstandsänderung von der optischen Achse im Objekt
Δx′ Abstandsänderung von der optischen Achse im Bild
s objektseitige Schnittweite
s′ bildseitige Schnittweite
b′ Blendenabstand zu S′.

Claims (8)

1. Optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung zur Bestimmung der Lage eines Objektpunktes auf der optischen Achse eines Meßsystems, bestehend aus

• - einer in Lichtrichtung angeordneten Strahlungsquelle (4),
• - einer Abbildungsoptik (2), welche nach dem Auflichtverfahren auf der Objektoberfläche (1, 1′) eine Marke erzeugt und/oder abbildet und
• - einem geeigneten optoelektronischen Empfänger (9), der mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß
• - mindestens ein abgegrenztes Strahlenbündel aus dem Randbereich der Apertur zur Erzeugung und/oder Abbildung einer Marke auswählbar ist und
• - bei einer Abstandsänderung (Δz) des Objektes (1, 1′) (also Defokussierung) in einer festen Empfängerebene (5) eine Veränderung des Markenbildes registrierbar ist,
  wobei die durch einen Empfänger (9) erfaßbare resultierende Intensitätsverteilung in der Empfängerebene (5) ein empfindliches Maß für den Objektabstand (Δz) ist.

2. Optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine Blende (3) im Beleuchtungsstrahlengang zwischen Strahlungsquelle (4) und Abbildungsoptik (2) angeordnet ist, die vorzugsweise symmetrisch zur optischen Achse (8) liegende lichtdurchlässige Bereiche (16) hat, so daß Randstrahlenbündel zur Erzeugung der Marke in der Objektebene (1, 1′) abbildbar sind und
• - diese Marke in die Empfängerebene (5) abbildbar ist.

3. Optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Strahlungsquelle (4) und Blende (3) eine Kondensoroptik (11) angeordnet ist, so daß die Blende (3) von parallelem Beleuchtungslicht durchstrahlbar ist.

4. Optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine Blende (3) im Abbildungsstrahlengang zwischen Abbildungsoptik (2) und Empfängerebene (5) angeordnet ist, die vorzugsweise symmetrisch zur optischen Achse (8) liegende lichtdurchlässige Bereiche (16) hat, so daß
• - Randstrahlenbündel der auf dem Objekt erzeugten Marke in der Empfängerebene (5) abbildbar sind.

5. Optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (3) symmetrisch zur optischen Achse angeordnete Bereiche (16) hat, die vorzugsweise kreisförmig sind.

6. Optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger speziell für den Empfang der als Folge der Blendenform entstehenden Markenbildes in der Empfängerebene (5) so ausgebildet ist, daß eine Abstands- oder Intensitätsänderung in der Empfängerebene auswertbar ist.

7. Optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (9) ein Differenzfotoempfänger mit kreis-kreisringförmiger Geometrie ist.

8. Optoelektronische Abstandsmeßeinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese in einem vorgegebenen Aufbau eines Meßmikroskops, eines Meßprojektors oder einer optoelektronischen Koordinatenmeßmaschine im Abbildungsstrahlengang und/oder im Beleuchtungsstrahlengang realisiert ist.