DE2113522A1

DE2113522A1 - Verfahren zum schnellen beruehrungsfreien Messen eines Oberflaechenprofils

Info

Publication number: DE2113522A1
Application number: DE19712113522
Authority: DE
Inventors: Hans Eschler; Ekkehard Klement; Dieter Roess; Dieter Rosenberger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-03-19
Filing date: 1971-03-19
Publication date: 1972-09-28
Also published as: DE2113522C3; LU64991A1; GB1379769A; IT950195B; SE382687B; FR2129747A5; DE2113522B2; BE780878A; JPS6054605B1; CA969349A; NL7202622A

Description

Verfahren zum schnellen berührungsfreien Messen eines Oberflächenprofils

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schnellen berührung sfr ei en Messen eines Oberflächenprofils.

Es ist bereits mehrfach über berührungsfreie Entfernungsmessung mittels Laserstrahlen berichtet worden. So schreiben z.B. Friedrich Malota (Laser 1 (1969) 4» S, 49 ff) und Horst Heibig (Ortung und Navigation (1969) 4, S. 13 ff) über eine Satellitenortung mittels Triangulation. Dabei 'wurde der Satellit vom Boden aus durch Laserblitze beleuchtet und zusammen mit dem Sternenhimmel als Hintergrund photographiert. Die Entfernung wurde durch Triangulation bestimmt, da die Aufnahme außer dem Satelliten auch die Stellung des Satelliten zu den bekannten Sternorten enthielt. Es wird dort auch eine genaue Entfernungsmessung mittels Impulslaufzeitmessung beschrieben.

In einem Artikel von H."W. Sträub, J.M. Arthaber und A.L. Copeland (Messtechnik 78 (1970) i?. S. 106 ff) wird die ΐίirkäugBV/eise eines Lasergeodiineters beschrieben. Hier erhält man die Entfernung zwischen zwo I Punkten aus der Lichtgeschwindigkeit und der Laufzeit eines hochfrequenzmodulierten Lichtbündels.

Bekannt ist auch ein Artikel von K."W. Bonfig und P. Greis (Arch.Techn. Messen, Ifg 416 (Sept. 1970) S. 193 ff) über die Anwendung des Lasers in der Längenmessung. Es wird beschrieben, daß bei der Längenmessung mit dem Laser der •Laserstrahl moduliert wird und man sich der Lautzeitmethode bedient.

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Diese bekannten Verfahren sind jedoch in der Durchführung langwierig, da Sender und Empfanger auf die zu ermessenden Punkte genau nacheinander einjustiert v/erden müssen. Zur Messung eines Oberflächenprofils sind diese Verfahren daher ungeeignet,

Es besteht also die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, das es gestattet, ein Oberflächenprofil auszumessen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß über einen oberhalb der zu vermessenden Fläche angeordneten akustooptischen Lichtablenker von einem Lasersender ausgehende Laserstrahlen auf die Oberfläche zeilenweise abgelenkt werden, dort diffus reflektiert werden und über eine in einem vorgegebenen Abstand über der Oberfläche angeordnete ausblendende und fokussierende Optik auf einen Detektor fallen und daß das Oberflächenprofil aus den Abstrahlwinkeln (^C) bzw. den Empfangswinkeln (ß ) und/oder den Laufzeiten der Laserstrahlen zwischen Sender und Empfänger elektronisch schnell bestimmt wird.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden der Lasersender und der Laserdetektor auf einer horizontalen Linie angeordnet, mit der die ausgesandten Strahlen die Winkelet und mit der die empfangenen Strahlen die Winkel β bilden und aus diesen ¥inkeln (c/ und β ) und aus der bekannten Entfernung der Scheitel dieser Winkel die Abstände der Profiloberfläche von der Bezugslinie bestimmt. Es entstehen dann nämlich Dreiecke aus den ausgesandten, den zurückgeworfenen Strahlen und der Bezugslinie, wobei die gesuchten Abstände dann die Höhen in den Dreiecken bilden. Diese Höhen, d.h. die gesuchten Abstände lassen sich elektronisch sehr schnell aus den beiden Winkeln (.jC und /S ) und dem Abstand der Scheitel der Winkel bestimmen.· Die Winkelo6 bekommt man nämlich durch Zuordnung

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der Ablenkrichtung der ausgesandten Strahlen zu den Schallfrequenzen, mit denen der Ablenkkristall durchstrahlt wird.

Die Winkel /·' zwischen der horizontalen Bezugslinie und den SmpfangsStrahlrichtungen lassen sich ebenfalls elektronisch sehr schnell ermitteln, wenn man insbesondere einen Detektor mit einer Eingangsblende und einer flächenhaften .Anordnung von lichtempfindlichen Elementen verwen- ■ det, wobei der empfangene Laserstrahl auf ein durch die Strahlrichtung bestimmtes lichtempfindliches Element läuft, das ein die Strahlrichtung kennzeichnendes Signal an eine elektronische Auswertevorrichtung weiterleitet.

Mittels eines elektronischen Rechners können aus diesen Daten die Abstände eines Profils von einer Bezugslinie für alle Ausstrahlrichtungen der Laserstrahlen in kürzester Zeit ermittelt v/erden.

Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird _tieder ausgesandte Strahl zur Identifizierung im Detektor gekennzeichnet und werden die Abstände der Profiloberfläche von der Besugslinie aus diesen Laufzeiten und den Winkeln ;* mittels einer elektronisehen Vorrichtung bestimnt. Zur Laxif zeitin essung aus den Phasendifferensen ist es insbesondere nötig, da£ die ausgesandten Laserstrahlen amplitudenmoduliert werden mit einer Hodulationswellenlänge, die etwa doppelt so groß ist wie die zu messenden Abstände.

Ziir Abstandsmessung aus den Laufseitdifferensen können zur Identifizierung der Strahlen auch vorteilhafterweise axial modengekoppelte Laserstrahlen verwendet v/erden.

Die "^rfindttiif; wird anhand der folgenden Zeichnungen noch näher be schrieb-, η.

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Fig.1 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Oberflächenprofilmessung durch Triangulation,

Pig.2 zeigt eine Anordnung zur Oberflächenprofilmessung durch Laufzeitmessung von amplitudenmodulierten Laserstrahlen,

Fig.3 zeigt Diagramme zur Amplitudenmodulation und Fig.4 zeigt eine Anordnung zur Oberflächenprofilmessung durch Laufzeitmessung von axialmodengekoppelten Laserstrahlen.

In der Fig.1 ist ein Lasersender 1 dargestellt, der einen Laserosziilator 2 enthält mit einem anschließenden Teleskop 3 zur Strahlaufweitung. Vom Ablenkkristall 4 wird der abgelenkte Strahl über ein weiteres Teleskop 5 vom Punkte 6 aus auf einen Punkt 7 des Oberflächenprofils 8 gelenkt. Ton dort wird der Laserstrahl u.a. in der gezeichneten Richtung zu einem Detektor 9 gestreut. Der Detektor 9 enthält am Eingang eine Blende 10 mit einer Öffnung 11, durch die der Laserstrahl hindurchgelangt und von einer optischen Anordnung 12 auf eine rasterförmige Fläche 13 aus lichtempfindlichen Elementen 14 fokussiert wird, wobei das jeweils getroffene Element einen Stromstoß an eine elektronische Vorrichtung weiterleitet. Aus dem signalisierenden Element ermittelt die Elektronik dann den Einfallswinkel / ■> zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und einer horizontalen Bezugslinie 15. Der Winkelo6 zwischen der ausgssandten Laserstrahlrichtung und der gleichen Bezugslinie 15 wird ebenfalls elektronisch festgestellt. Der vom Sender 1 ausgesandte Laserstrahl wird nämlich von dem akustooptischen Lichtablenker 4 entsprechend einer stufenweise variablen ültraschallfrequenz, mit der der Ablenkkristall durchstrahlt wird, in berechenbare Richtungen abgelenkt. Ein ausgesandter und empfangener Laserstrahl bildet zusammen mit der gemeinsamen Bezugslinie 15 ein Dreieck 6, 7, 11 mit den zu bestimmenden Winkeln^ und/3 , und der vorgegebenen Länge der Seite 6, 11. Aus diesen drei

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Daten läßt sich nunmehr elektronisch die Höhe 16 in dem Dreieck 6,' 7, 11 bestimmen. Da der laserstrahl zeilenweise über die gesamte Oberfläche des Profils 8 abgelenkt wird, erhält man eine Matrix von Abständen 16 von der horizontalen Bezugslinie 15. Infolge der elektronischen Auswertung aller Daten und der raschen Ablenkung des auagesandten Laserstrahls läßt sich ein Oberflächenprofil innerhalb weniger Millisekunden bestimmen.

In der Fig.2 ist eine ähnliche Anordnung zur Oberflächenprofilmessung dargestellt. Hier werden allerdings Laufzeiten gemessen.

Es ist wieder ein Lasersender 1 gezeigt, der diesmal einen Laseroszillator 2 enthält und einen darauffolgenden Amplitudenmodulator 17. Zur Vermeidung von Vieldeutigkeiten bei der Messung darf die Modulationswellenlänge nicht kleiner sein als der doppelte Maßabstand. Die amplitudenmoduliorte Laserstrahlung gelangt wieder über ein anschließendes Teleskop 3 auf den akustooptischen Lichtablenker 4 und ein weiteres Teleskop 5 auf einen Punkt 7 der Profiloberfläche 8. Hier wird der Laserstrahl wieder gestreut und gelangt zu einem Detektor 9, der wiederum eine foloissierende Optik 12 enthält, sowie eine elektrooptische Vorrichtung 18, die sowohl den Zeitpunkt des Lichtempfangs als auch die Amplitude der Lichtstrahlung genau registriert. Da der Lasersender 1 und der Empfänger 9 elektrisch, miteinander verbunden sind, läßt sich die Laufzeit des Laserstrahls zwischen Aussendung und Empfang ermitteln. Über den akustooptlschen Lichtablenker 4 kann wiederum der Winkelt zwischen Ausstrahlrichtung und einer horizontalen Bezugslinie bestimmt werden. Es ist hier nicht notwendig, daß der Lasersender und -empfänger auf der gleichen Bezugolinie liegen. Es genügt, die Laufzeit und den Winkel'-""^- zu kennen, um den Abstand 16 des Streupunktes 7 auf der Profiloberiläche 8 von der Bezugslinie 15 zu bestimmen. Ss

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ist übrigens auch gleichgültig in welcher Höhe die horizontale Bezugslinie 15 angenommen wird. Wie in dem in der Fig.1 "beschriebenen Beispiel wird auch hier der Lichtstrahl zellenförmig über die gesamte Oberfläche abgelenkt» wobei das P3?ofii wieder innerhalb von wenigen Millisekunden bestimmt werden kann.

Eine plausible Erklärung zur Laufzeitbestinmmng wird anhand der Fig.3 beschrieben. Sie zeigt zwei Diagramme, in denen die zeitabhängige Intensität der modulierten Laserstrahlung über der Zeit aufgetragen ist. Dabei bezieht sich Fig.3a auf amplitudenmodulierte Wellen zum Zeitpunkt der Aussendung und Fig.3b auf die Wellen zum Zeitpunkt des Empfangs. Es sind jex^eils drei Beispiele aufgeführt, die durch strichpunktierte Linien voneinander getrennt sind. In der linken Zone ist eine Phasendifferenz des Modulationssignals zwischen ausgesandter und empfangener Welle von,D γ = 90°, in der mittleren Zone eine Phasendifferenz von Δ γ =45° und in der rechten Zone eine Phasendifferenz von 4 -f = 0 angenommen. Aus diesen Phasendifferenzen lassen sich dann die Laufzeiten der Wellen zwischen Aussendung und Empfang nach Maßgabe der Amplituden ermitteln.

Die Fig.4 zeigt ein weiteres Beispiel der Profiliaessung mittels der Laufzeitmethode. Es bedeutet hier wieder 1 der Lasersender, der diesmal aus einem axial inodengekoppelten Oszillator 2 besteht, aus einem anschließenden "Teleskop 3, einem Ablenker 4 und einem weiteren Teleskop Dieser axial modengekoppelte Laserstrahl wird nun vom Punkt 6 aus unter einem Winkel o^ , der die Ausstrahlrichtung gegenüber einer horizontalen Bezugslinie 15 angibt, auf den Punkt 7 der Profiloberfläche S gelenkt, wird dort wieder ge"streut in Richtung au einem Detektor 9, bestehend aus einer fokussierenden Optik 12 und einer lichtempfind-

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lichen Registriereinheit 18. Durch die axiale Modenkopplung des Laserstrahls·läßt sich wiader die Laufzeit des Laserstrahls zwischen Aussendung und Empfang eindeutig ermitteln- Die Sende- und Empfangssignale werden wiederum an eine Auswerte elelrtronik we it ergegeben, die sehr rasch das Oberflächenprofil anzeigt, wenn der Laserstrahl wieder über die gesamte Profiloberfläche zeilenweise abgelenkt wird.

Die elektronische Ausgabevorrichtung ermöglicht obendrein eine digitale Anzeige. Die angegebenen Verfahren können z.B. bei rechnergesteuerten !Fertigungsprozessen verwendet werden, bei denen die Standhöhen in Behältern laufend ermittelt v/erden müssen.

6 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

-8-Patentansprüche

©Verfahren zum berührungsfreien Messen eines Oberflächai- profils, dadurch gekennzeichnet , daß von einem Lasersender ausgehende Laserstrahlen über einen akustooptischen Lichtablenker, der oberhalb der zu vermessenden Fläche angeordnet ist, auf der Oberfläche zeilenweise abgelenkt werden, dori; diffus reflektiert v/erden und über eine in einem vorgegebenen Abstand über der Oberfläche angeordnete ausblendende Lind fokussierende Optik auf einen Detektor fallen, und daß das Oberflächa*- profil aus den Abstrahlwinkeln (,J- ) bzw, den Empfangswinkeln ( j ) und/oder den !aufweiten der Laserstrahlen zwischen Sender und Empfänger elektronisch bestimmt werden.
2. Verfahren nach Ymspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Lasersender und -detektor auf einer horizontalen Linie angeordnet sind, mit der die ausgesandten Strahlen die Winkel (oC ) und mit der die empfangenen Strahlen die Winkel ( /j ) bilden und daß aus diesen Winkel (--/ und/J ) und aus der bekannten Entfernung der Scheitel dieser Winkel die Abstände der Pro» filoberflache von der Bezugslinie elektronisch bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Abstände der Punkte der Profiloberfläche von der¹ Pezugslinie aus den Laufzsiteri der Laserstrahlen und den Abstrahlwinkeln C?<^ ) mittels einer elektronischen Vorrichtung bestimmt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die ausgesandten Laserstrahlen amplitudenmoduliert werden mit einer Modulationsweilenlänge, die etwa doppelt so groß ist wie die zu messenden Abstände.

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5. Verfahren nach Anspruch 3 > dadurch g e k e η η zeichnet , daß gepulste Laser, vorzugsweise axial modengekoppelte laser, verwendet verden.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Detektor mit einer Eingangsblende und einer matrixartigen Anordnung von lichtempfindlichen Elementen, v/cbei der empfangene Laserstrahl auf ein durch die Strahlrichtung bestimmtes lichtempfindliches Element läuft, das ein die Strahlrichtung kennzeichnendes Signal an eine elektronische Auowertevcrrichtung weiterleitet.

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