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Optische Abstandsmeßvorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine optische Abstandsmeßvorrichtung, wie sie
beispielsweise aus der Dissertation von F. Ertl, Aufbau und Untersuchung eines berührungslos
optisch arbeitenden Längenmeßverfahrens für den Einsatz in der Fertigung, Darmstadt,
1978, als bekannt hervorgeht.
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Zur optisch berührungslosen Abstandsmessung kann das Fokussierungsmeßverfahren
dienen, nach welchem eine anzutastende Oberfläche im Bereich des Brennpunkts eines
Lichtbündels liegt. Durch Messen der Intensität des reflektierten Lichts kann eine
ausgezeichnete Lage des Brennpunkts eingestellt werden, für die die Intensität ein
Maximum ist. Aus Einstellungen, beispielsweise der Brennweite der optischen Bauteile
einer Fokussierungsvorrichtung, wird der Abstand des Meßgeräts zur Oberfläche ermittelt.
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Aus dem Aufsatz "Berührungsfreie Antastung technischer Oberflachen",
A.F.Fercher und H. Hesse, in der DE-Z Feinwerktechnik und Meßtechnik, 84, 1976,
Heft 2, geht eine optisch berührungslos arbeitende Meßvorrichtung als bekannt hervor,
in deren Strahlengang in einem elektrischen Feld ein elektrooptisches Bauteil (Pockelszelle)
angeordnet ist, mittels welchem die Polarisations-
richtung des
von einer Lichtquelle ausgesendeten Lichtbündels zwischen zwei zueinander senkrechten
Polarisationsebenen hin- und hergeschaltet wird. Je nach der Polarisationsrichtung
wird das Lichtbündel in einer doppelbrechenden Linse mit zwei festen Brennweiten
unterschiedlich gebrochen und dadurch in zwei zeitlich und räumlich auseinanderliegende
Brennpunkte fokussiert. Das elektrooptische Bauteil selbst dient nicht als Fokussierungseinrichtung
zur Brennweitenveränderung.
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Aus der eingangs angeführten Schrift geht ein Ausführunesbeispiel
als bekannt hervor, das mit einer Optik ausgestattet ist, deren einzelne Linsen
am Umfang einer mit hoher Drehzahl rotierenden Scheibe angeordnet sind. Die Linsen
besitzen entweder voneinander abweichende oder untereinander gleiche Brennweiten
und sind dann im letzteren Fall jeweils um einen der zu erreichenden Brennpunktsverschiebung
entsprechenden Weg in der Durchstrahlrichtung im Abstand versetzt angeordnet. Im
Takt von Drehzahl und Linsenanzahl ändert sich die Brennpunktslage relativ zur Meßobjektoberfläche.
Bei kontinuierlicher Messung der Intensität mittels einer Fotozelle des von der
Objektoberfläche in der Beleuchtungsoptik zurückgestrahlten und über einen Strahlteiler
ausgekoppelten Streulichts, kann zu einem bestimmten Zeitpunkt, nämlich wenn der
Brennpunkt genau in der Objektoberfläche liegt, ein Maximum festgestellt werden.Beim
Durchgang durch das Intensitätsmaximum wird die entsprechende Linse und ihre zugehörige
Brennweite erfaßt. Die Meßgeschwindigkeit ist entsprechend dem Takt der Drehscheibe
sehr hoch, so daß auch bewegte Objekte vermeßbar sind. Sie ist
jedoch
wegen der massebehafteten Bauteile begrenzt.
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Es treten für die Meßgenauigkeit nachEeilige Vibrationen der Drehscheibe
und Gehäuseschwingungen auf, die auch eine Verschiebung des Brennpunkts quer zur
Durchstrahlungsrichtung bewirken, so daß der anzutastende Punkt auf der Oberfläche
nicht eindeutig festliegt.
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Neben weiteren Möglichkeiten, die Brennpunktsverschiebung relativ
zur Objektoberfläche zu bewerkstelligen, ist in der Schrift die Möglichkeit angedeutet,
statt obiger Fokussierungseinrichtung eine Linse im Strahlengang anzuordnen, deren
Brechungsverhalten abhängig vom Druck eines Gases veränderbar ist, das in einer
Kammer mit lichtdurchlässigen Wänden eingeschlossen ist, die mit einem Druckerzeuger
in Verbindung steht. Nachteilig an einer Brennpunktsverschiebung mittels einer gasgefüllten
Kammer ist die komplizierte und platzaufwendige Mechanik zur Drucksteuerung. Aufgrund
der auftretenden Massekräfte der mechanisch bewegten Bauteile des Druckerzeugers
sind die Meßfrequenzen nach oben beschränkt.
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Ferner können die pulsierenden Druckänderungen das Meßgerät in Schwingungen
versetzen, was sehr genaue Messungen, wie sie mit dem Fokussierungsmeßverfahren
möglich sein sollten, behindert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne mechanisch bewegte
oder gesteuerte Einrichtungen zu einer periodischen Brennpunktsverschiebung zu kommen
und erschütterungsfrei bei sehr hohen Brennpunktoszillationsfrequenzen sehr hohe
mögliche Meßfrequenzen zu erzielen und dabei nur ein geringes Bauvolumen 7 beanspruchen.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Eine auf elektrooptischen Effekten beruhende Änderung des Brechungsverhaltens
gewisser Materialien in einem elektrischen oder magnetischen Feld mit veränderlicher
Feldstärke wird dazu genutzt, den Brennpunkt relativ zu einer zu vermessenden Objektoberfläche
zu verschieben. Vorteilhaft ist die trägheitslose und phasengleiche Änderung des
Brechungsverhaltens des Materials auch bei rasch wechselnden Feldern. Es genügen
einfache und billige Steuergeräte um unterschiedliche elektrische Felder zu erzeugen
und damit unterschiedliche Brennpunktspositionen zu bewerkstelligen.
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Die Erfindung ist anhand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Abstandsmeßvorrichtung mit einem im Brechungsverhalten
veränderbaren optischen Bauelement in Form einer Konvexlinse, Figur 2 eine andere
Abstandsmeßvorrichtung mit einem elektrooptischen Bauelement mit planparallelen
Wandungen mit transversalem Effekt.
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In den aus den Figuren 1 und 2 ersichtlichen Abstandsmeßvorrichtungen
1, denen das Fokussierungsmeßverfahren zugrundeliegt, ist eine Lichtquelle 2 angeordnet,
die ein
Lichtbündel aussendet, das auf einer Werkstückoberfläche
3 fokussierbar und defokussierbar ist. Die Fokussierungsoptik ist nach Figur 1 eine
Konvexlinse 4, die, in einem elektrischen Feld zwischen zwei Elektroden 5 gelegen,
im Brechungsverhalten veränderbar ist. Im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 übernimmt
die Fokussierung ein im elektrischen Feld im Brechungsverhalten veränderbares optisches
Element mit planparallelen Begrenzungswandungen, beispielsweise eine Planplatte
7, die sich im konvergenten Strahlengang zwischen einer Konvexlinse 6 mit fester
Brennweite und der Werkstückoberfläche 3 befindet. Unterbrochen dargestellte Begrenzungslinien
des konvergenten Lichtkegels deuten Brennpunktlagen 8 an, die unter Einwirkung unterschiedlicher
elektrischer Felder möglich sind. Im Strahlengang zwischen Lichtquelle 2 und Werkstückoberfläche
3 sind außerdem eventuell eine Divergenzlinse 9, die ein von einer Laserlichtquelle
erzeugtes paralleles Lichtbündel aufweitet. Ferner befindet sich zur Strahlauskoppelung
des von der Werkstückoberfläche 3 zurückfallenden Streulichts ein Strahlteiler 10
im Strahlengang, der das ausgekoppelte Licht auf eine Fotozelle 11 wirft. Laserlicht
besitzt dabei den Vorzug, daß einerseits eine sehr kleiner Brennfleckdurchmesser
auf der Werkstückoberfläche 3 erzielbar ist, und andererseits der Störlichtanteil
einfach herausgefiltert werden kann.
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Neben Materialien, die auch im elektrischen Feld isotropes Verhalten,
d.h. keine Doppelbrechung aufweisen und durch Feldstärkeänderungen im Brechungsverhalten
beeinflußbar sind, können vor allem Materialien wie
beispielsweise
Nitrobenzol oder KDP zum Einsatz kommen, die dem Kerr-Effekt folgen. Diese Materialien
sind jedoch doppelbrechend, d.h. in den Ausbreitungsrichtungen des Lichts parallel
und senkrecht zu den Feldlinien eines elektrischen Feldes tritt unterschiedliches
Brechungsverhalten auf. Eintretendes unpolarisiertes Licht würde als elliptisch
po arisiertes Licht austreten, dessen ordentliche und &ußerordentliche Strahlen
in zwei axial in Ausbreitungsrichtung des Lichts zueinander versetzten Brennpunkten
zusammentreffen würde. Da jedoch die Intensität des von der Werkstückoberfläche
3 reflektierten Lichtes, die abhängig vom Durchmesser des dort erzeugten Lichtflecks
ist, zur Abstandsbestimmung herangezogen wird, kann ein zweiter Brennfleck die Bestimmung
des Intensitätsmaximums wesentlich erschweren. Um dies zu vermeiden, ist ein Polarisationsfilter
im Strahlengang vor der Fotozelle 11 zu installieren, der nur polarisiertes Licht
in der einen oder anderen Schwingungshauptebene, die parallel und senkrecht zu den
Feldlinien verlaufen, durchläßt. Dadurch ist gewährleistet, daß die mit einer Feldstärkeänderung
auftretende Phasensprungänderung zwischen dem ordentlichen und außerordentlichen
Strahl nicht von der Fotozelle wahrgenommen wird.
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Statt eines Polarisationsfilters und unpolarisiertes Licht zu verwenden,
ist es besonders einfach, als Beleuchtungslicht linear polarisiertes Licht zu verwenden,
das nur in einer der Schwingungshauptrichtungen schwingt. Dadurch wird ein einziger
Brennpunkt 8 auf der Werkstückoberfläche 3 erzwungen.
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Unpolarisiertes Licht kann auch als Beleuchtungslicht verwendet werden,
wenn beispielsweise (nicht dargestellt) zwei Kerr-Zellen mit planparallelen Außenwänden
hintereinander im Strahlengang eingebracht sind, die in elektrischen Feldern liegen,
deren Feldlinien senkrecht zueinander verlaufen. Die nach der ersten Kerr-Zelle
in senkrecht zueinander stehenden Schwingungsebenen austretenden unterschiedlich
gebrochenen ordentlichen und außerordentlichen Lichtstrahlen würden in der nachfolgenden
Kerr-Zelle so gebrochen, daß sie in einem gemeinsamen Brennpunkt wieder zusammentreffen.
Die Feldstärken der elektrischen Felder müssen dabei entsprechend aufeinander abgestimmt
werden. Gegebenenfalls können auch unterschiedliche Materialien für die Kerr-Zellen
eingesetzt werden.
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Zur Erzeugung der elektrischen Felder werden die Elektroden 5 bevorzugt
so angeordnet,daß die elektrischen Feldlinien ungefähr senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
des Beleuchtungslichts verlaufen. Jedoch ist es auch möglich die Elektroden 5 im
Strahlengang anzuordnen. Als Elektrode 5 dienen dann beispielsweise lichtdurchlässige
goldbedampfte Schichten auf den Linsenoberflächen. Je nach Form des optischen Elements
und Lage der Elektroden kann eine leichte Inhomogenität des elektrischen Feldes
auftreten, die jedoch nur geringen störenden Einfluß besitzt. Optische Elemente
mit planparallelen Flächen besitzen den Vorzug, daß ein elektrisches Feld homogen
anlegbar ist.
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Je nach Größe des anliegenden elektrischen Feldes ist der Lichtfleck
auf der Oberfläche des Werkstücks mehr oder minder groß. Wenn der Brennpunkt 8 genau
in der Oberfläche liegt, entspricht die augenblicklich eingestellte Brennweite dem
Abstand der Objektoberfläche zu einer Bezugsfläche einer Linse und die Intensität
des zurückgestrahlten Lichts einer Fotozelle 11 wird ein Maximum. Da nur relative
Maxima aufgefunden werden müssen, ist das Verfahren auch funktionsfähig, wenn die
Oberfläche im angetasteten Punkt nicht senkrecht zur Mittelachse des Beleuchtungsstrahls
verläuft, sondern geneigt dazu, falls der Streuwinkel des in der Beleuchtungsoptik
zurückgestrahlten Lichtes, wie das bei matten Oberflächen gewährleistet ist, ausreichend
groß und die Intensität bzw. die Empfindlichkeit der Fotozelle 11 genügend hoch
ist. Da sich das Brechungsverhalten der Konvexlinse nach Figur 1 bzw. der Planplatte
nach Figur 2 praktisch trägheitslos mit dem elektrischen Feld ändert und keine mechanischen
Bewegungs- oder Steuervorrichtungen eingesetzt werden müssen, ist (je Zeiteinheit)
eine große Anzahl von Abstandsmessungen möglich. Entsprechend hoch kann beispielsweise
auch die Geschwindigkeit von beweglichen Meßobjekten sein.
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Für eine Abstandsmessung kann beispielsweise an den Elektroden eine
kontinuierlich ansteigende oder abfallende Spannung U angelegt werden, kaseine entsprechende
Änderung des Brechungsverhaltens bewirkt. Bis zum Erreichen des Intensitätsmaximums
kann beispielsweise aus einer Zeitermittlung die Brennweite zugeordnet werden. Es
werden dann in konstanten Zeitinterval-
len vorgegebene Spannungsintervalle
durchfahren, so daß auf eine komplizierte und aufwendige Spannungsmessung verzichtet
werden kann. Mit Beendigung der Messung wird die Spannung auf einen vorgegebenen
Anfangswert zurückgesetzt. Anstatt einer kontinuierlichen Spannungsänderung kann
die Spannung beispielsweise auch sinusförmig periodisch um einen Mittelwert schwankend
geändert werden, wobei jeder Periode eine Messung zugeordnet werden kann, oder für
höhere Genauigkeiten entsprechend viele Wiederholungsmessungen. Liegt das Intensitätsmaximum
nicht in dem Bereich, in dem die Brennpunktsverschiebung durch Variierung der elektrischen
Feldstarke vorgenommen werden kann, so ist dies aus den charakteristischen Intensitätsschwankungen
erkennbar. Eine Bereichsverschiebung kann vorgenommen werden 7 indem die Optik im
Abstand zur Werkstückoberfläche 3 verändert wird, Sofern ausreichend, kann auch
während des Einsatzes mit einer einfachen Spannungsamplitudenänderung der Abstandsmeßbereich
umgeschaltet werden. Das Brechungsverhalten ist proportional und phasengleich zur
Spannungsänderung steuerbar.
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