EP0425544A1 - Gerät zum berührungslosen optischen bestimmen von geometrischen abmessungen eines objektes nach der schattenwurfmethode - Google Patents

Gerät zum berührungslosen optischen bestimmen von geometrischen abmessungen eines objektes nach der schattenwurfmethode

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Publication number
EP0425544A1
EP0425544A1 EP19890908153 EP89908153A EP0425544A1 EP 0425544 A1 EP0425544 A1 EP 0425544A1 EP 19890908153 EP19890908153 EP 19890908153 EP 89908153 A EP89908153 A EP 89908153A EP 0425544 A1 EP0425544 A1 EP 0425544A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mirror
sensor
light
prism
mirror prism
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19890908153
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gebhard Birkle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Birkle Sensor GmbH and Co
Original Assignee
Birkle Sensor GmbH and Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Birkle Sensor GmbH and Co filed Critical Birkle Sensor GmbH and Co
Publication of EP0425544A1 publication Critical patent/EP0425544A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/08—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring diameters
    • G01B11/10—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring diameters of objects while moving
    • G01B11/105—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring diameters of objects while moving using photoelectric detection means

Definitions

  • the invention relates to a device for the contactless optical determination of geometric dimensions of an object according to the preamble of claim 1.
  • laser devices for determining the dimensions of objects which work according to the principle of the shadow casting method through the measurement object.
  • the measurement to be determined is derived from the shadow edges which form transitions from light to dark.
  • Such devices have a scanning mechanism that is either a rotating or oscillating mirror element.
  • Such devices achieve a higher accuracy compared to the usual measuring camera, but they are very sensitive and prone to failure due to the moving scanning mechanism.
  • the invention is therefore based on the object to provide a device of the type mentioned, which has a wear-free deflection mechanism, d is not affected by pivoting movements about any axis and allows any position or installation positions, and particularly in relation to the diameter to be measured of the object is minimized.
  • the invention has the salient advantage that it has no light deflecting mechanisms that swing or rotate about an axis, but that the deflecting mechanism is wear-free. A swiveling movement of the device u any axes remains without influence on the deflection mechanism, which is why the invention can be set up or installed as desired.
  • the invention can advantageously be provided in multiple applications in measuring devices to detect different dimensions of an object as it passes through the measuring device.
  • the invention can most advantageously be used as an adjustable measuring tool, e.g. with a robot control.
  • the device due to the inventive radiation doubling in the measuring range and reassembling can be made extremely small compared to the object to be measured; the entrance width or exit width of the two optics, preferably mirror and or roof prisms, is only half or only slightly more than the width of the object or is equal to the width of the same.
  • the sensor can advantageously be a CCD sensor (charged-coupled device), specifically a line or matrix sensor.
  • the invention has a high measuring or sampling frequency, e.g. 2 kHz, which is approximately 10 times higher than in known devices, the sampling frequency of which is typically 200 Hz, in particular also through the use of the CCD sensor.
  • a blanking movement transverse to the measuring line is possible with the invention, for example a swiveling movement by ⁇ 5 angular degrees.
  • the invention advantageously has two classes of measuring accuracy, depending on whether or not the line sensor is controlled by a deflecting mirror that vibrates in the line.
  • the design only with a fixed line sensor without an oscillating deflection mirror enables a simple and robust embodiment of the device according to the invention, the accuracy of which is sufficient for many applications.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a device in plan view of the plane in which the light source, the mirror prisms, the measuring window and the receiving unit are located, which consists of an oscillating element, a reflecting mirror attached to it and a line sensor,
  • FIG. 2 shows a side view of FIG. 1 rotated by 90 ° to demonstrate the narrowness of the device
  • Figure 3 is a view of a device with additional fixed imaging optics and CCD line sensor or matrix as a camera to indicate the position of the object or for measurement offset by 90 ° or for determining the center of the object
  • Figure 5b shows the offset of the H / D transitions by the distance X1
  • Exposure transition from element 22 9 to 22 8 signals the marking for the correction variable X1 for refined measurement determination
  • FIG. 5c after a further offset by the distance X2 when the exposure transition from element 22 4 to 22 is signaled, the correction variable X2
  • Figure 7 the measurement signal of a CCD sensor with the photosensitive Elements P (O) to P (N) in the row and Z a possible comparator threshold in analogy to the light intensity over the light bandwidth.
  • the invention has a laser light source 2, which consists, for example, of a laser diode 3 and an expansion lens 5, which expands the laser light into a light band of the width H of parallel beams.
  • the light band falls on a first mirror prism 8 with at least the entrance width H, which is able to deflect the light band and to double in the direction of its width, for example.
  • the mirror prism 8 consists of a roof prism 9, the light-receiving entry surface is the same or wider than the width H de light band.
  • the roof prism 9 has a flat roof slope 10, which is designed as a semi-transparent mirror surface with 50% reflection.
  • the roof slope 12 is designed as a full, flat mirror surface and the optical entry axis coincides with that of the roof edge prism 9.
  • the optical conditions are such that the width H of the original light band from two roof prisms 9, 11 is doubled in a line next to each other to the width 2H, with a gap S between the two, so that the optical exit axes of the roof prisms 9, 11th run parallel to each other.
  • An object 7 is arranged in the direction of the normal to the adjacent exit faces of the roof prisms 9, 11.
  • the smallest determinable dimension of the object is determined by the distance between the inner boundary rays s1 / s2 or the gap S, the largest by the distance of the outer boundary rays a ⁇ / a2.
  • the mirror prism 8 ' consists of the two roof prisms 9' and 11 ', whereby the roof prism 11' has a sloping roof with a mirror surface with 100% reflection, since the roof prism 9 'has a roof slope with a mirror surface with 50% reflection, the roof prism sets at the same time 9 'the light strips 2H together again to light strip H'.
  • the object 7 between the two mirror prisms 8 thus produces shadowing with the boundary rays 11 and i2 in the direction of the optical entrance surfaces of the mirror prism.
  • An opto-electrical receiver unit 13 connects to the mirror prism in the direction of its optical exit axis.
  • the opto-electrical receiving unit 13 consists e.g. from a piezo oscillator 14, on the oscillating part of which a deflection mirror 15 with an obliquely standing mirror surface is arranged, which deflects the light onto a fixed sensor 1, which is preferably a CCD line sensor with light-sensitive elements in a line 17.
  • the arrangement described is preferably housed in a housing 1, which is of elongated flat design and has at one end two opposing legs 5, 5 ', which include between them an outwardly open measuring window 6, which is centered in the direction of the longitudinal axis of the device 1 extends, which is also the axis of symmetry of the device.
  • a mirror prism 8, 8 is arranged such that the optical exit or entry surface face each other plane-parallel, between which the object 7 to be measured can be placed.
  • the laser light source 2 and the receiving unit 13 are for the purpose small design parallel to each other in front of or behind the respective mirror prism 8, 8 '.
  • FIG. 3 shows a device which additionally has a fixed receiving unit 1, consisting of imaging optics 20 and a line sensor 21, for example a CCD line sensor or CCD matrix as a camera for specifying the position of the object or also for measuring by 90 ° or to determine the center or position of the object.
  • a fixed receiving unit 1 consisting of imaging optics 20 and a line sensor 21, for example a CCD line sensor or CCD matrix as a camera for specifying the position of the object or also for measuring by 90 ° or to determine the center or position of the object.
  • deflecting mirror 15 which can be equated with the presence of only the line sensor 16.
  • the mirror prisms 8, 8 ' guide the light band H of the light source 2 widened through the measuring window 6. If there is no object in this, 50% of the output light power is directed to the line sensor 16. To simplify matters, a constant intensity curve is initially assumed over the light bandwidth H.
  • the effective light bandwidth H for the measurement corresponds to the effective entrance width of the entrance window of the mirror prism 8.
  • the sensor 16 delivers a signal as shown in FIG. 4a.
  • the row of light-emitting diode elements Po to PN provides a constant measuring voltage U2. '
  • An object; 7 in the measuring window 6 causes shadowing with the light beam limit M and ⁇ ' 2, which are also directed to the sensor 16.
  • the mirror prism 8 ' reduces the distance between the limits by an amount of H.
  • Measurement voltage U corresponds to approximately 25% of the output light intensity.
  • the measurement voltage curve then speaks Figure 4b. Object dimensions larger (H + S) and smaller (2H + S) cause this course of the measurement signal.
  • Object dimensions greater than S and smaller cause measurement signals according to FIG. 4c.
  • the overlapping, partially shaded parts of the light band a1-a2 in FIG. 1 cause the measurement voltage U2 (light intensity approx. 50 of the output intensity).
  • U1 and U control the detection of the measurement range to be used. 8th
  • the measurement resolution of the invention is limited on the functional basis described above by the geometric resolution of the diode row. Therefore, the light-dark transitions with the oscillating mirror 15 on the line 17 of the line sensor 16 are shifted by means of the piezo oscillator 14 as a length translator for finer measurement.
  • the logical interconnection of the CCD operation of the line sensor 16 and the mirror adjustment of the deflecting mirror 15 enable the high-resolution dimensional accuracy of the invention.
  • Figure 5b After the H / D transitions have been offset by the distance X1 in the direction of the arrow, element 22 9 is fully illuminated. The exposure transition from element 22 9 to 22 8 signals the marking for the correction variable X1 for refined measurement.
  • Different variants of the described refinement are possible, but all contain the determination of 2 correction values.
  • FIG. 7 shows the technically feasible measurement signal Y in U (V) of the CCD sensor, plotted over the light-sensitive elements P 0 to P N.
  • the comparator threshold Z shown corresponds to a light intensity curve above the dimension H of the light band.
  • the comparator function simply binarizes the primary signal.
  • this device does not have an oscillating deflecting mirror, but the emerging light band from the second mirror prism is applied directly to an electronic line sensor, for example a CCD sensor.
  • an electronic line sensor for example a CCD sensor.
  • the incident light band within the first optics may be sensible to pull the incident light band within the first optics to three or multiple times its * original width and to reassemble it to the original width within the second optics.
  • the invention provides a laser measuring scanner which in particular has a high degree of adaptation flexibility in the combination of the device with the manufacturing process, for example as an deliverable measuring tool in a robot street of the automotive industry, e.g. B. for measuring the diameter of shafts, or in the tool industry, where the diameter of workpieces must be determined.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

Gerät zum berührunαslosen optischen Bestimmen von geometrischen Abmessungen eines Objektes nach der Schattenwurfmethode
Technisches Gebiet:
Die Erfindung betrifft ein Gerät zum berührungslosen optischen Bestimmen vo geometrischen Abmessungen eines Objektes gemäß dem Oberbegriff de Anspruchs 1.
Stand der Technik:
Es sind Laser-Geräte zur Maßbestimmung der Abmessungen von Objekten be kannt, die nach dem Prinzip der Schattenwurf methode durch das Meßobjekt arbei ten. Das zu bestimmende Maß wird von den Schattenkanten, die Hell- Dunkel übergänge bilden, abgeleitet. Derartige Geräte haben einen Scannmechanismus der entweder ein rotierendes oder schwingendes Spiegelelement ist. Derartig Geräte erzielen gegenüber der üblichen Meßkamera wohl eine höhere Genauig keit, sie sind jedoch aufgrund des sich bewegenden Scannmechanismusses seh empfindlich und störanfällig.
Durch die DE 31 11 356 C2 ist ein Verfahren und Vorrichtung zur berührungslose Messung einer Dimension eines Objektes bekannt geworden, wobei ein gebün delter Lichtstrahl wiederholt in Richtung der zu messenden Dimension des Objekt abgelenkt und die Zeitpunkte der Ab- und Aufblendung des Lichtstrahls in da Objekt und beim Austritt aus dem Objekt erfaßt werden. Dabei wird für jedes Auf und Abblenden des Lichtstrahls bezüglich einer Referenzmarke ein Meßdatu gespeichert und nach Ablauf einer bestimmten Anzahl von Strahlendurchgänge alle gespeicherten Daten in einem Arbeitsspeicher unverändert umgespeicher und während eines weiteren Meßzyklusses ausgewertet. Dieses Verfahren is softwaremäßig sehr aufwendig und deshalb ebenfalls störanfällig.
Durch die DE OS 24 48 651 ist eine Anordnung zum berührungslosen Messen de Abmessungen eines bewegten Objektes bekannt geworden, insbesondere de Durchmessers von Drähten, wobei der Umriß des Objektes in zwei zueinande senkrechten Dimensionen auf ein optoelektrisches Bauelement vor einer Sammel linse projiziert wird. Der Strahlengang der Strahluπgsquelle wird in zwei Teil strahlen aufgeteilt, die getrennt das Objekt beleuchten und teilweise davon abge schattet werden, worauf die Teilstrahien mittels eines zweiten optischen System angenähert parallel ausgerichtet werden. Diese Anordnung benötigt Prismen un Linsen, die wenigstens die doppelte Breite des größten zu messenden Durchmes sers des Objektes aufweisen, dazu in exakter Ausrichtung
Technische Aufgabe:
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der genannte Gattung zu schaffen, die einen verschleißfreien Ablenkmechanismus besitzt, d bei Schwenkbewegungen um beliebige Achsen nicht beeinflußt wird und beli bige Aufstellungs- oder Einbaulagen ermöglicht, und die insbesondere in Bezu auf den zu messenden Durchmesser des Objektes minimiert ist.
Darstellung der Erfindung:
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen geken zeichnet.
Die Erfindung besitzt den hervorstechenden Vorteil, daß diese keine um Achs schwingende oder drehende Lichtablenkmechanismen besitzt, sondern daß d Ablenkmechanismus verschleißfrei ist. Eine Schwenkbewegung des Gerätes u beliebige Achsen bleibt ohne Einfluß auf Ablenkmechanismus, weshalb die Erfi dung beliebig aufgestellt oder eingebaut werden kann. Vorteilhaft kann die Erfi dung in Mehrfachanwendung in Meßvorrichtungen vorgesehen werden, u verschiedene Abmessungen eines Objektes beim Durchgang desselben ciurch Meßvorrichtung zu erfassen. Die Erfindung kann höchst vorteilhaft als zustellbar Meßwerkzeug, z.B. mit einer Roboterbedienung, verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Vorrichtung aufgrund der erfindun gemäßen Strahlenverdoppeluπg im Meßbereich und Wiederzusammepsetzu gegenüber dem zu messenden Objekt höchst klein ausgeführt sein kann; die Eingangsbreite bzw. Ausgangsbreite der beiden Optiken, vorzugsweise Spiegel- und oder Dachkantprismen, beträgt querschnittsmäßig nur die Hälfte bzw. nur geringfügig mehr als die Breite des Objektes oder ist gleich der Breite desselben.
In vorteilhafter Weise kann der Sensor ein CCD-Sensor (Charged-Coupled- Device) sein und zwar ein Zeilen- oder Matrix-Sensor. Desweiteren besitzt die Erfindung eine hohe Meß- bzw. Abtastfrequenz, z.B. 2 kHz, die ungefähr um den Faktor 10 höher liegt, als bei bekannten Geräten, deren Abtastfrequenz typischer¬ weise 200 Hz beträgt, insbesonder auch durch den Einsatz des CCD-Sensors.
In vorteilhafter Weise bestimmt zu Beginn der Messung das Spannungs-Meß- signal U-* bez. U2 des Zeilensensors den anzuwendenden Meßbereich der Vorrichtung aufgrund der Beziehungen M=D1 +H+S beziehungsweise M=D1+S. In vorteilhafterweise ist mit der Erfindung eine Austastbewegung quer zur Meßlinie möglich, z.B. eine Schwenkbewegung um ± 5 Winkelgrade.
Desweiteren besitzt die Erfindung in vorteilhafter Weise zwei Klassen der Meßge¬ nauigkeit, je nachdem, ob .der Zeilensensor über einen in der Zeile schwingenden Umlenkspiegel ausgesteuert wird oder nicht. Dadurch wird eine Grob- und eine Feinmaßbestimmung möglich, z.B. mit den Meßgenauigkeiten A = ±0,1 mm; B = ± 0,02 mm. Die Ausführung nur mit feststehendem Zeilensensor ohne schwingen¬ den Umlenkspiegel ermöglicht eine einfache und robuste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, deren Genauigkeit für viele Anwendungszwecke ausreichend ist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Breite des einfallenden Lichtbandes durch die Optik um das Doppelte auseinanderzuziehen. Bei spezifischen Anforderun¬ gen an den Meßbereich kann auch ein Auseinanderziehen des Lichtbandes um das Dreifache oder ein anderes Mehrfache innerhalb der Optik sinnvoll sein. Das Gerät ist unmittelbar nach dem Einschalten meßbereit, wobei ein intermittierender Betrieb des Gerätes möglich ist. Kurzbeschreibung der Zeichnungen: Es zeigen:
Figur 1 eine schematisierte Ansicht eines Gerätes in Draufsicht auf die Ebene, in der sich die Lichtquelle, die Spiegelprismen, das Meßfenster und die Empfangseinheit befinden, die hieraus einem Schwingelement, daran befestigter Umfenkspiegel und Zeilensensor besteht,
Figur 2 eine um 90° gedrehte Seitenansicht der Figur 1 , um die Schmalheit des Gerätes zu demonstrieren,
Figur 3 eine Ansicht eines Gerätes mit zusätzlicher feststehender Abbildungs¬ optik und CCD-Zeilensensor oder -Matrix als Kamera zur Angabe der Position des Objektes oder auch zur Messung um 90° versetzt oder zur Mittenbestimmung des Objektes
Figur 4a-c die Signalverläufe bei stehendem Umlenkspiegel oder nur mit fest¬ stehendem Zeichensensor und zwar
Figur 4a ohne Objekt im Meßfenster
Figur 4b mit Objekt im Meßfenster, wobei das Objektmaß größer als (H+S) M = D1+H+S ist
Figur 4c mit Objekt im Meßfenster, wobei das Objektmaß kleiner als (H+S) M = D1+S ist
Figur 5a-c die Signalverläufe bei Verschiebung d r H/D-Übergänge auf einer Diodenzeile mit 12 Elementen bei bewegtem Umlenkspiegel und einem Objektmaß größer (H+S) M = D1+H+S,
Figur 5a nämlich die H/D-Übergänge mit dem Abstand M1 , die ein Maß M2 signalisieren
Figur 5b den Versatz der H/D-Übergänge um die Strecke X1 , wobei der
Belichtungsübergang von Element 229 auf 228 die Markierung für die Korrekturgröße X1 zur verfeinerten Maßbestimmung signalisiert,
Figur 5c nach weiterem Versatz um die Strecke X2 bei Signalisierung des Be¬ lichtungsüberganges von Element 224 auf 22 die Korrekturgröße X2
Figur 6a-c die analogen Signalverläufe gemäß den Figuren 5a-c mit einem Objektmaß kleiner (H+S) M = D1 +S und
Figur 7 "Y" das Meßsignal eines CCD-Sensors mit den lichtempfindlichen Elementen P (O) bis P (N) in der Zeile und Z eine mögliche Kompa- ratorschwelle in Analogie zur Lichtintensität über der Lichtbandbreite.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung:
Gemäß den Figuren 1 und 2 besitzt die Erfindung eine Laser-Lichtquelle 2, die z.B aus einer Laser-Diode 3 und einer Aufweitungsoptik 5 besteht, die das Laserlich zu einem Lichtband der Breite H paralleler Strahlen aufweitet. Das Lichtband fäll auf ein erstes Spiegelprisma 8 mit mindestens der Eintrittsbreite H, welches da Lichtband umzulenken und in Richtung seiner Breite beispielsweise zu verdop peln imstande ist. Hierfür besteht das Spiegelprisma 8 aus einem Dachkantprism 9, dessen lichtempfangende Eintriffsfläche gleich oder breiter als die Breite H de Lichtbandes ist. Das Dachkantprisma 9 besitzt eine ebene Dachschräge 10, di als halbdurchlässige Spiegelfläche .mit 50% Reflexion ausgebildet ist. An di Dachschräge 10 schließt sich in Richtung der optischen Eintrittsachse des Prisma 9 ein weiteres Dachkantprisma 11 an, dessen Dachschräge 12 als volle, ebene Spiegelfläche gestaltet ist und dessen optische Eintrittsachse mit der des Dach kantprismas 9 zusammenfällt.
Die optischen Verhältnisse sind so beschaffen, daß die Breite H des ursprüng lichen Lichtbandes von beiden Dachkantprismen 9, 11 in einer Linie neben einanderliegend zur Breite 2H verdoppelt wird, wobei zwischen beiden eine Lück S entsteht, so daß die optischen Austrittsachsen der Dachkantprismen 9, 11 parallel zueinander verlaufen.
In Richtung der Normalen der nebeneinanderliegenden Austrittsflächen der Dach kantprismen 9, 11 ist ein Objekt 7 angeordnet. Das kleinste bestimmbare Maß des Objektes ist bedingt durch d|en Abstand der inneren Begrenzungsstrahlen s1/s2 bzw. die Lücke S, das größte durch den Abstand der äußeren Begren zungsstrahlen aι/a2.
Den Austrittsflächen des Spiegelprismas 8 planparallel gegenüberstehend ist ei Spiegelprisma 8' angeordnet, welς'nes spiegelsymmetrisch zum Spiegelprisma 8 aufgebaut ist und deshalb die Lichtbänder 2H umlenkt und wieder zum Lichtban der Breite H' zusammensetzt, wobei vorzugsweise H = H' ist. Das Spiegelprism 8' besteht aus den beiden Dachkantprismen 9' und 11', wobei das Dachkant prisma 11 ' eine Dachschräge mit einer Spiegelfläche mit 100% Reflexion, da Dachkantprisma 9' eine Dachschräge mit einer Spiegelfläche mit 50% Reflexio besitzen, gleichzeitig setzt das Dachkantprisma 9' die Lichtbänder 2H wieder zu Lichtband H' zusammen. Das Objekt 7 zwischen den beiden Spiegelprismen 8, erzeugt somit in Richtung der optischen Eintrittsflächen des Spiegefprismas eine Abschattung mit den Begrenzungsstrahlen 11 und i2. An das Spiegelprisma schließt sich in Richtung seiner optischen Austrittsachse eine opto-elektrisch Empfangseinheit 13 an.
Die opto-elektrische Empfangseinheit 13 besteht z.B. aus einem Piezoschwing 14, an dessen oszillierendes Teil ein Umlenkspiegel 15 mit schräg stehend Spiegelfläche angeordnet ist, der das Licht auf einen feststehenden Sensor 1 umlenkt, der vorzugsweise eine CCD-Zeileπsensor mit lichtempfindlichen Eleme ten in einer Zeile 17 ist. Die Zeile 17 besitzt mindestens eine Länge H", die vo zugsweise gleich der Breite H des Lichtbandes bzw. der Austrittsbreite H' d Spiegelprismas 8' ist; H=H'=H".
Die beschriebene Anordnung ist vorzugsweise in einem Gehäuse 1 unterg bracht, welches länglichflach gestaltet ist und an einem Ende zwei sich gege überstehende Schenkel 5, 5' besitzt, die zwischen sich ein nach außen hin offen Meßfenster 6 einschließen, das mittig sich in Richtung der Gerätelängsachse 1 erstreckt, die gleichzeitig Symmetrieachse des Gerätes ist. In jedem Schenkel 5, ist ein Spiegelprisma 8, 8" dergestalt angeordnet, daß die optischen Austritts- bz Eintrittsfläche sich planparallel gegenüberstehen, zwischen denen das zu me sende Objekt 7 plaziert werden kann. Die Laser-Lichtquelle 2 und die Empfang einheit 13 sind zwecks kleiner Bauweise parallel zueinander jeweils vor bz hinter dem betreffenden Spiegeiprisma 8, 8' angeordnet. Figur 3 zeigt ein Gerät, welches zusätzlich eine feststehende Empfangseinheit 1 besitzt, bestehend aus einer Abbildungsoptik 20 und einem Zeilensensor 21 , z.B ein CCD-Zeilensensor oder CCD-Matrix als Kamera zur Angabe der Position de Objektes oder auch zur Messung um 90° versetzt oder zur Mitten- oder Lagen bestimmung des Objektes.
Anhand der Figuren 4a-c erfolgt nunmehr eine Betrachtung der Gerätefunktion be stehendem Umlenkspiegel 15, was mit dem Vorhandensein nur des Zeilensensor 16 gleichzusetzen ist.
Die Spiegelprismen 8, 8' leiten das Lichtband H der Lichtquelle 2 verbreitert durc das Meßfenster 6. Befindet sich in diesem kein Objekt, so werden 50% der Aus gangs-Lichtleistung auf den Zeilensensor 16 geleitet. Vereinfachenderweise se zunächst ein konstanter Intensitätsverlauf- über der Lichtbandbreite H angenom men. Die für die Messung wirksame Lichtbandbreite H entspricht der wirksame Eintrittsbreite des Eintrittsfensters des Spiegelprismas 8. Der Sensor 16 liefert ei Signal wie es in Figur 4a dargestellt ist. Die Reihe der lichtbeaufschlagten Dioden elemente Po bis PN liefert eine konstante Meßspannung U2.'
Ein Objekt; 7 im Meßfenster 6 bewirkt eine Abschattung mit der Lichtbündelgrenz M und ι'2, die ebenfalls auf den Sensor 16 geleitet werden. Dabei reduziert da Spiegelprisma 8' den Abstand der Grenzen um das Maß H. Der Meßspaπnung U entsprechen ca. 25% der Ausgangslichtintensität. Der Meßspannungsverlauf ent spricht dann Figur 4b. Objektmaße größer (H+S) sowie kleiner (2H+S) verursa chen diesen Verlauf des Meßsignales. Das Objektmaß errechnet sich nach M = D1 +H+S.
Objektmaße größer S sowie kleiner (H+S) verursachen Meßsignale nach Figur 4c Die Überschneidung der sich überlagernden, teilweise abgeschatteten Teile de Lichtbandes a1-a2 in Figur 1 bewirkt die Meßspannung U2 (Lichtintensität ca. 50 der Ausgangsintensität). In der Verarbeitung der Meßsignale steuern U1 bzw. U die Erkennung des anzuwendenden Meßbereiches. 8
Die Meßauflösuπg der Erfindung ist auf der oben beschriebenen Funktionsbasis durch die geometrische Auflösung der Diodenzeile begrenzt. Deshalb werden zur feineren Maßbestimmung die Hell-Dunkel-Übergänge mit dem oszillierenden Spiegel 15 auf der Zeile 17 des Zeilensensors 16 mittels des Piezoschwingers 14 als Längentranslator verschoben. Die logische Verschaltung von CCD-Betrieb des Zeilensensors 16 und der Spiegelverstellung des Umlenkspiegels 15 ermöglichen die hochauflösende Maßgenauigkeit der Erfindung.
Anhand der Figuren 5a-c erfolgt die Betrachtung der Gerätefunktron für Objekt¬ maße größer (H+S) bei oszillierendem Umlenkspiegel, wobei die Verschiebung der H/D-Übergänge auf der Diodenzeile 17 mit zwölf Elementen 22ι-221 2 dargestellt ist. Auf der Achse A-B erfolgen von A nach B drei Belichtungszustände des Zeilen- sensors 16 in den Positionen Figur 5a, Figur 5b und Figur 5c.
Figur 5a: Die H/D-Übergänge mit dem Abstand M1 treffen in die Elemente 22 bzw. 22g und signalisieren im abgeleiteten Binärsignal ein Maß M2 in Analogie zu deren realen Abständen der Elemente 22 und 229.
Figur 5b: Nach Versatz der H/D-Übergänge um die Strecke X1 in Richtung des Pfeils ist Element 229 voll ausgeleuchtet. Der Belichtungsübergang von Element 229 auf 228 signalisiert die Markierung für die Korrekturgröße X1 zur verfeinerten Maßbestimmung.
Figur 5c: Nach weiterem Versatz um die Strecke X2 signalisiert der Belichtungs übergang von Element 224 auf 223 die Korrekturgröße X2.
Die verfeinerte Maßbestimmung berechnet sich aus M=M2+X1 +(T-X2). Es sin verschiedene Varianten der beschriebenen Maßverfeinerung möglich, jedoch ent halten sämtliche die Ermittlung von 2 Korrekturgrößen.
In den Figuren 6a-cόst analog die Gerätefunktion für Objektmaße kleiner (H+S dargestellt. ^ Gegenüber den Signalmodeilen der Figuren 4, 5 und 6 zeigt Figur 7 das technisch realisierbare Meßsignai Y in U(V) des CCD-Sensors, aufgetragen über die licht empfindlichen Elemente P0 bis PN. Die dargestellte Komparatorschwelle Z ent¬ spricht einem Lichtintensitätsverlauf über dem Maß H des Lichtbandes. Mit de Komparatorfunktion erfolgt einfacherweise eine Binarisierung des Primärsignals.
In einer einfachen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besitzt dies keinen schwingenden Umlenkspiegel, sondern das austretende Lichtband de zweiten Spiegelprismas wird direkt einem elektronischen Zeilensensor , zu Beispiel ein CCD-Sensor, aufgegeben. Eine derartige Vorrichtung ist mechanisc und softwaremäßig vereinfacht. Die Meßgenauigkeit dieser Vorrichtung ist für viele Anwendungsbereiche voll ausreichend.
Bei spezifischen Anforderungen an den Meßbereich kann es sinnvoll sein, das einfallende Lichtband innerhalb der ersten Optik auf das Dreifache oder Viel¬ fache seiner* ursprünglichen Breite auseinanderzuziehen und innerhalb de zweiten Optik wieder auf die ursprüngliche Breite zusammenzusetzen.
Gewerbliche Anwendbarkeit:
Die Erfindung stellt einen Laser-Meßscanner zur Verfügung, der insbesonder eine hohe Adaptionsflexibilität in der Kombination des Gerätes mit dem Ferti¬ gungsprozeß besitzt, beispielsweise als zustellbares Meßwerkzeug in einer Robo terstraße der Automobilindustrie, z. B. zum Messen des Durchmessers von Wellen, oder in der Werkzeugindustrie, wo der Durchmesser von Werkstücken bestimmt werden muß.
Liste der Bezugszeichen:

Claims

1 1Patentansprüche:
1. Gerät zum berührungslosen optischen Bestimmen von geometrischen Abmes sungen eines Objektes (7) gemäß der Schattenwurfmethode, das sich im Strah lengang eines Lichtbandes von parallelen Strahlen befindet, mit einer Laser Lichtquelle (2) und einem opto-elektrischen Sensor (16) zum Empfang des Licht bandes und Erzeugen eines elektrischen Meßsignals und mit zwei sich i Abstand gegenüberstehenden, spiegelsymmetrische Spiegelprismen (8,8'), di zwischen sich einen Meßraum (6) begrenzen, in den das Objekt (7) plazierbar ist wobei das der Lichtquelle (2) benachbarte erste Spiegelsprisma (8) das Licht (a1 a2, i1 , i2, s1 , s2) umlenkt und auf das zweite Spiegelprisma (8') wirft, welches da Licht ebenfalls umlenkt und auf den Sensor (16) leitet, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Spiegelprisma (8) die Breite des Lichtbandes auseinanderzieht un dergestalt auf das zweite Spiegelprisma (8') wirft, die das auseinandergezogen Lichtband wieder zur ursprünglichen Breite zusammensetzt, und entsprechend de Abschattung des zweiten Spiegelprismas (8') die Schattenkanten des Objekte eine bestimmte elektrische Spannung des Sensors (16) bewirken, die ein Maß fü die Abmessung (d) des Objektes darstellt.
2. Gerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor nach dem zweiten Spiegelprisma (8') ein Zeilen- oder Matrix sensor, vorzugsweise ein CCD-Zeilensensor oder CCD-Matrixsensor, mit eine Vielzahl von opto-elektrisch empfindlichen Elementen (22) ist.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Spiegelprisma (8,8') aus einem ersten Dachkantprisma (9,9'), dessen Dachkantschräge (10,10') als teildurchlässige Spiegelfläche ausgebildet ist un einem zweiten Dachkantprisma (11 ,11') besteht, dessen Dachschräge eine voll Spiegelfläche (12,12') ist, die das von der halbdurchlässigen Spiegelfläche durch¬ gelassene Licht empfängt und umlenkt, und das erste Spiegelprisma (8) so das Lichtband verdoppelt und die so erzeugten Bänder nebeneinanderliegend auf das gegenüberliegende Spiegelprisma (8') wirft, das die Bänder wieder zum Licht band der ursprünglichen Breite zusammensetzt und auf den Sensor (16) leitet. 1 2
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Spiegelprisma (8') das Licht auf einen Umlenkspiegel (15) le der in Richtung der Zeile (17) des Sensors (16) translatorisch bewegbar ist.
5. Gerät nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (15) an einem Schwingelement (14) befestigt ist, de Schwingungsamplitude in Richtung der Zeile (17) des Zeilensensors (16) we stens der Breite eines opto-elektrischen Elementes (22t-2212) der Zeile entspricht.
6. Gerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelprismen (8, 8') in einem Gehäuse (1) angeordnet sind, das sich gegenüberstehende Schenkel (5, 5') aufweist, die dazwischen den Meßr (6) begrenzen und in jedem Schenkel eines der Spiegelpri'smen sich befi wobei die Lichtquelle (2) und die Empfangseinheit (13) parallel zueina gerichtet hinter den Spiegeiprismen angeordnet sind.
7. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingelement ein Piezo-Schwinger (14) ist.
8. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßraum zwischen den Schenkeln (5, 5') ein nach außen offenes fenster (6) ist, welches sich mittig in Richtung der Längsachse (18) des Ge erstreckt,
9. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs-Meßsignale (U-*, U2) des Zeilensensors (16) die Erken des anzuwendenden Meßbereiches (M=D1+H+S; M=D1 +S) festlegen.
10. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des in das erste Spiegelprisma einfallenden Lichtbandes inne desselben um das Dreifache oder ein Mehrfaches auseinandergezogen ist.
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