DE3322714C2 - Optische Abstandsmeßvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein nach dem Fokussierungs- oder dem Triangulationsmeßverfahren berührungslos optisch arbeitendes Verfahren zur Abstandsmessung. In Richtung auf die zu vermessende Oberfläche wird ein Primärlichtbündel abgestrahlt und das rückgestreute Licht - Sekundärlicht - hinsichtlich seiner Intensitätsverteilung gemessen im Bereich derjenigen Lage der Streulichtkeulenachse, die diese bei bevorzugter Relativlage zwischen Primärlichtbündel und zu vermessender Oberfläche einnimmt. Ein entsprechendes Steuersignal verschwenkt die Anstrahlrichtung so lange, bis die bevorzugte Lage, beispielsweise eine orthogonale Lage, erreicht ist. Im letzteren Falle wird die Intensitätsverteilung des Sekundärlichts um die optische Achse des Primärlichtbündels gemessen. Die Meßgenauigkeit kann bei von Meßpunkt zu Meßpunkt immer gleichbleibender und exakt ausgerichteter Anstrahlrichtung, insbesondere bei ein- oder zweidimensional gekrümmten Oberflächen, optimal gestaltet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Abstandsmeßvorriehtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der JP-OS 57 61 905 als bekannt hervorgeht.

Bei dem dort gezeigten Meßkopf werden zwei symmetrisch angeordnete Lichtquellen benutzt, bei denen die Anstrahlrichtung definiert zur Oberflächennormalen geneigt ist. Die beiden Primärstrahlen werden wechselweise abgedeckt, so daß jeweils nur ein Primärlichtstrahl einen Lichtfleck auf der anzutastenden Oberfläche erzeugt Dieser Lichtfleck wird über eine Abbildungsoptik scharf auf der Oberfläche eines optoelektronischen Wandlers abgebildet Bei einer übereinstimmenden Lage der beiden nacheinander erzeugten Lichtflecke befindet sich der Meßtastkopf in richtiger Abstandslage zur anzutastenden Oberfläche. Fallen die beiden erzeugten Lichtflecke lagemäßig auseinander, so

ίο wird ein entsprechender Verschiebeantrieb in Gang gesetzt, um die richtige Abstandslage des Meßtastkopfes zur Werkstückoberfläche wieder einzufahren. Anders ist es jedoch bei dem Schwenkantrieb, der dazu dient den Meßtastkopf als Ganzes orthogonal zur anzutastenden Oberfläche einzuschwenken. Dieser Schwenkantrieb wird entsprechend einem Intensitätsunterschied der beiden Lichtflecke angesteuert Nachteilig an dieser Abstandsmeßvorrichtung ist nicht nur der relativ hohe Aufwand für die zwei Lichtquellen und deren wechselweise Abdunkelung, sondern vor allem auch die Tatsache, daß aufgrund der schrägen Anstrahlrichtung von zwei Seiten her nicht in engen Bohrungen, an Stufen oder Nuten gemessen werden kann. Darüber hinaus ist die bekannte Meßvorrichtung hinsichtlich derSchwenklage nur eindimensional steuerbar also nur an eindimensional gekrümmten Oberflächen einsetzbar.

Aus der Dissertation von F. Ertl, »Aufbau und Untersuchung eines berührungslos optisch arbeitenden Längenmeßverfahrens für den Einsatz in der Fertigung«, Darmstadt, 1978, geht beispielsweise ein Fokussierungsmeßverfahren als bekannt hervor. In einer vorgewählten Richtung auf eine zu vermessende Oberfläche, vorzugsweise senkrecht zur anzutastenden Oberfläche, wird ein Primärlichtbündel abgestrahlt und zur Ab-Standsbestimmung die Intensität des von der Oberfläche rückgestreuten Lichts gemessen. In einem Ausführungsbeispiel dient eine Fokussierungseinrichtung dazu, das von einer Lichtquelle abgesandte Lichtbündei in einen Brennpunkt im Bereich der Oberfläche zu fokussieren.

Die Intensität des in der Beleuchtimgsoptik zurückfallenden Sekundärlichts hat ein Maximum, wenn der Brennpunkt genau in der Objektoberfläche liegt. Durch Zuordnung von augenblicklichen Einstellungen der Abstandsmeßvorrichtung und deren optischen Bauteile (beispielsweise Linsenbrennweite) zu dem ausgezeichneten Zustand, wenn ein Intensitätsmaximum auftritt, kann eine Abstandsrelation eines Bezugspunkts der Meßvorrichtung zum Meßpunkt auf der Oberfläche des Meßobjekts gefunden werden. Die notwendige Brennpunktsverschiebungerfolgt beispielsweise durch Durchstrahlen einer periodisch in Anstrahlrichtung verschiebbaren Linse oder nacheinander in den Strahlengang geschobenen Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten. Die Intensitätsmessung erfolgt mittels einer Fotodiode, auf welche das von der Oberfläche in der Beleuchtungsoptik rückgestreute und über einen Strahlteiler ausgekoppelte Sekundärlicht fällt. Sofern die Fotodiode eine entsprechende Empfindlichkeit aufweist, kann bei ebenen, glatten Oberflächen die An-Strahlrichtung ohne wesentliche Beeinflussung der Meßgenauigkeit von der orthogonalen Lage in gewissen Grenzen abweichend ausgerichtet sein. Nachteilig ist jedoch, daß die Intensität des in der Beleuchtungsoptik zurückgestreuten Lichtanteils bei schrägem Auftreffen eines Lichtbündels auf eine Oberfläche geringer ist als bei senkrechtem Auftreffen, und damit die Meßgenauigkeit sinkt, da bei schwach ausgeprägtem Maximum die Bestimmung des absoluten Maximums schwie-

riger ist Eine stärkere Lichtquelle oder hochempfindliche Fotodioden können nur teilweise Abhilfe schaffen. Insbesondere bei spiegelnden Oberflächen ist der Streukegelwinkel des rückgestreuten Lichts recht klein, so daß schon bei kleineren Schrägstellungen des Meßgeräts kein ausreichender Lichtanteil in die Beleuchtungsoptik zurückfallen kann. Sind die Oberflächen gekrümmt, also beispielsweise konkav oder konvex ausgebildet, treten deutliche Meßfehler auf, wenn die Antastung schräg zur Oberflächennormalen erfolgt, da das Rückstreuverhalten auch eine Funktion der Oberflächenkrümmung ist Ist die Oberfläche mit Riefen versehen, die außerdem in eine Richtung bevorzugt verlaufen, so ändert sich das Rückstreuverhalten bei schräger Anstrahlung mit der Anstrahirichtung, woraus sich bei von Meßpunkt zu Meßpunkt ändernder Anstrahlrichtung Meßfehler ergeben können.

Eine Meßeinrichtung, der das Triangulationsverfahren zugrundeliegt geht beispielsweise aus dem VDI-Bericht, 448, Dimensionelles Messen und Prüfen in der Fertigung, 1982, Seite 29 bis 30, als bekannt hervor. Bei diesen Meßverfahren wird ein Lichtbündel, vorzugsweise ein Laserstrahl, senkrecht auf die Werkstückoberfläche gerichtet und eine Empfängeroptik in einen/ festen Winkel dazu angeordnet Verschiebt sich beispielsweise die Oberfläche in Richtung des Beleuchtungsstrahls, so ändert sich auch die Intensität und Verteilung des Streulichts, und die Lage dessen Maximum auf einer flächenhaft auflösenden Fotodiode. Diese Ablenkung kann gemessen werden und daraus eine Abstandsrelaiion des Meßgeräts zur Oberfläche gewonnen werden. Nachteilig ist auch hier, daß Abweichungen der Anstrahlrichtung von der Orthogonalen zur Meßobjektoberfläche die Meßgenauigkeit beeinträchtigen, da dadurch die Lage der Streukeule (Linien gleicher Intensität) beeinflußt wird. Bei schräger Anstrahlung rauher Oberflächen mit einer Vorzugsrichtung von Unebenheiten, beispielsweise Riefen, kann die Streukeule in mehrere diskrete Streukeulen zerfallen, das heißt also, für verschiedene Winkel und Abstandseinstellungen des Meßgeräts kann kein Streulicht empfangen werden und es ist deshalb keine Messung möglich. Bei unbekannten Oberflächen ist also ohne weitere Maßnahmen keine sichere Betriebsweise möglich.

Aus der CH-PS 4 47 631 geht eine berührungslos optisch arbeitende Abstandsmeßvorrichtung als bekannt hervor, der ein Triangulationsmeßverfahren zugrundeliegt, nach dem die Oberfläche eines zu vermessenden Objekts in einem definierten schrägen Winkel angestrahlt wird. In Anwendung dieses Verfahrens soll die Winkelhalbierende aus optischer Achse einer Empfängeroptik und des Beleuchtungslichtbündels, deren optische Achsen in einem festen Winkel zueinander angeordnet sind, für eine Messung senkrecht zu einer Werkstückoberfläche im Meßpunkt voreingestellt sein. Dazu ist die Meßeinheit auf einen Meßschlitten montiert, der in der Ebene der beiden Achsen schwenkbar um deren Schnittpunkt angeordnet ist. Eine Nachführsteuerung sorgt für eine translatorische Verschiebung des Meßgeräts, und zwar so lange, bis der mittels eines Laserstrahls auf dem Meßobjekt erzeugte, eng begrenzte Lichtfleck durch eine Linse auf einer Differentialfotozelle der Empfängeroptik abgebildet wird. Die aus wenigstens zwei Einzeldioden aufgebaute Fotozelle übernimmt nunmehr die Steuerung der translatorischen Verschiebung bis die Einzeldioden symmetrisch ausgeleuchtet sind. Dann liegt der Schnittpunkt der optischen Achsen von Beleuchtungslichtbündel und Empfängeroptik genau in der Werkstückoberfläche. Für diese ausgezeichnete Position des Meßgeräts zur Objektoberfläche läßt sich in einfacher Weise eine Abstandsrelation ermittein.

Bei dieser Vorrichtung nach dem Triangulationsmeßverfahren mit schräger Antastung ist es für die Meßgenauigkeit besonders wichtig, die definierte Winkellage der Anstrahlrichtung zur Oberfläche genau voreinzustellen. In der Schrift wird jedoch keine Angabe gemacht, in welcher Art und Weise die exakte Ausrichtung des Meßgeräts erfolgen kann. Die jeweilige Ausrichtung von Hand wäre ungenau und äußerst zeitraubend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abstandsmessung auch bei ein- und zweidimensional gekrümmtem und in ihrer Normalen-Richtung unbekanntem Oberflächenverlauf und unbekannter Oberflächenstruktur schnell und mit größtmöglicher Meßgenauigkeit zu gestalten.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale ans Anspruchs 1 gelöst

Durch in einem Meßpunkt je we i>; automatisches Ausrichten der Anstrahirichtung in eine orthogonale oder sonstige bevorzugte Winkellage, werden ständig optimale Meßbedingungen geschaffen. Bei entsprechender Ausrichtung des Antaststrahls ist die Intensität des Sek'indärlichts maximal und, sofern die Oberflächenbeschaffenheit von Meßpunkt zu Meßpunkt unverändert ist, auch gleichbleibend Daraus ergibt sich eine Steigerung der Meßgenauigkeit insbesondere für gekrümmte Oberflächen. Vorrichtungssekig lösen flächenhaft auflösende optoelektronische Wandler, die die Intensitätsverteilung des rückgestreuten Lichts messen, Steuersignale für Verschwenkantriebe aus. Bei senkrechter Anstrahlung der Oberfläche liegt der optoelektronische Wandler beispielsweise um die optische Achse des Primärlichtbündels herum.

Vorteilhaft ist daß eventuell auch weniger empfindliche, d. h. billigere optoelektronische Wandler zur Anwendung kommen können. Durch automatisches Ausrichten der definierten Meßtastkopfachse in die bevorzugte Lage kann wesentlich schneller, da ohne manuelles Eingreifen, eine Vielzahl von Meßpunkten mit hoher Meßgeschwindigkeit angetastet und vermessen werden. Versagen des Meßgeräts bei Abweichen der Strahlrichtung aus der bevorzugten Lage wird gänzlich vermieden. Ferner kann bei Meßverfahren, bei denen das Antastlichtbündel senkrecht auf der Oberfläche stehen soll, ein Einfluß der Oberflächenbeschaffenheit auf die Meßergebnisse weitgehend reduziert werden. Bei Schräganstrahlung einer Oberfläche können auf unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit beruhende Meßfehler erkannt werden, da bei immer gleichbleibender Antastrichtung fehlerhafte Mescungen aufgrund von Falschaurrid.iuüg des Tastlichtbündels ausgeschlossen werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung iss in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 den Bereich der Pinole eines Koordinatenmeßgeräts, an dem räumlich schwenkbar der Meßtastkopf einer Abstandsmeßvorrichtung aufgehängt ist,

Fi g. 2 die Anordnung der optischen Bauelemente im Meßtastkopf und die Geometrie des Strahlengangs, für ein nach dem Fokussierungsmeßverfahren arbeitendes Meßgerät, mit einer seitlich des Primärlichtbündels angeordneten Fotozelle,

F i g. 3 eine Anordnung der wesentlichen Bauelemente eines nach dem Fokussierungsmeßverfahren arbei-

tenden Meßgeräts nach F i g. 2, jedoch mit seitlich über einen Umlenkspiegel eingeblendetem Primärlichtbündel und hinter dem Umlenkspiegel um die optische Achse des Primärlichtbündels angeordneter Fotozelle,

Fig.4 eine Anordnung der wesentlichen optischen Bauelemente eines nach dem Triangulationsverfahren arbeitenden Meßgeräts, mit einer um die optische Achse des Primärlichtbündels angeordneten durchbohrten Fotodiode,

F i g. 5 eine Frontalansicht der flächenhaft auflösenden Fotodiode der F i g. 2, mit einer einer Schrägstellung des Meßtastkopfs entsprechenden Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts, Intensitäsmaximum außermittig,

Fig.6 eine Ansicht der Fotozelle nach Fig. 2, mit einer einem orthogonal zu einer Werkstückoberfläche ausgerichteten Meßtastkopf entsprechender Intensitätsverteilung des rückgestreuten Lichts, Intensitätsmaximum mittig.

Der Meßtastkopf 1 der berührungslos optischen Abstandsmeßvorrichtung ist, wie aus F i g. 1 ersichtlich, am Ende der Pinole eines Koordinaten-Meßgeräts an einer Halterung 2 angebracht, wobei lediglich deren Endabschnitt dargestellt ist. Zwei Gelenke 3,4 im Verlauf der Halterung 2, mit zueinander senkrecht ausgerichteten Drehachsen, erlauben räumliche Verschwenkbewegungen des Meßtastkopfs 1 zur Ausrichtung einer gemeinsamen optischen Achse der optischen Bauelemente des Meßtastkopfs in eine bevorzugte, hier orthogonale Lage zu einer zu vermessenden Objektoberfläche 5. Den Gelenken 3,4 sind nicht dargestellte Verschwenkantriebe zugeordnet, die durch Ausgangssignale eines in F i g. 2 dargestellten im Meßtastkopf 1 integrierten flächenhaft auflösenden optoelektronischen Wandlers 6 gesteuert werden, der beispielsweise eine Vier-Quadranten-Fotodiode sein kann. Die Größe der relativen Verdrehungen der Gelenke 3,4 der Halterung 2 sind beispielsweise über Winkelschrittgeber meßbar. Die Halterung 2 ist samt Meßtastkopf 1 über geeignete, nicht dargestellte Antriebe in allen drei Raumrichtungen translatorisch bewegbar. Im Raum zwischen Meßtastkopf 1 und der im Abstand A dazu befindlichen Objektoberfläche 5, ist die Geometrie des Strahlengangs außerhalb des Meßtastkopfs eingezeichnet. Im Schnittpunkt des konvergenten Lichtbündels 7 befindet sich der Brennpunkt 8 in der Objektoberfläche 5. Um den Meßtastkopf 1 im Bauvolumen klein zu halten, kann das Primär- oder Beleuchtungslicht über Lichtleitfasern dem Meßtastkopf 1 zugeleitet werden.

F i g. 2 zeigt die wesentlichen optischen Bauelemente im Meßtastkopf 1 eines nach dem Fokussierungsmeßverfahren arbeitenden Meßgeräts und die zugehörige Geometrie des Strahlengangs. Eine Lichtquelle 9, die auch eine Laserlichtquelle oder als Ende einer Lichtleitfaser ausgebildet sein kann, sendet Beleuchtungslicht aus, das in einer ersten Konvexlinse 10 parallel gerichtet wird. Diese kann aus Platzersparnis-ZGewichtsersparnisgründen auch kleiner als die zweite KonvexHnse 12 ausgeführt sein. Nach Durchstrahlen eines halbdurchlässigen Strahlteilers 11, der beispielsweise ein Planspiegel ist, wird das parallel gerichtete Licht auf eine weitere KonvexJinse 12 fokussiert Die Objektoberfläche 5 liegt genau im Brennpunkt 8, wenn zuvor der richtige Abstand A, beispielsweise durch Verfahren der Pinole, eingestellt wurde. Die optische Achse 13 des Primärlichtbündeis ist als strichpunktierte Linie eingetragen. In der dargestellten Lage des Meßtastkopfs 1 steht die optische Achse nicht orthogonal auf der Werkstückoberfläche 5. Die Form und Lage der Streukeule 14 des rückgestreuten Lichts ist abhängig von der Schrägstellung des Meßtastkopfs und Beschaffenheit der Oberfläche. Bei Schräganstrahlung liegt der vom Brennpunkt ausgehende, durch das Maximum der Streukeule verlaufende Lichtstrahl 15 nicht in der optischen Achse 13, sondern in einen Winkel dazu geneigt. Der rückgestreute Lichtanteil fällt zurück auf die Konvexlinse 12, die das rückgestreute Licht parallel ausrichtet. Der halbdurchlässige Spiegel lenkt das Licht auf den optoelektronischen Wandler 6, der seitlich außerhalb des Primärlichtbündels angeordnet ist. Der Lichtstrahl 15 durch das Intensitätsmaximum der Streukeule verdeutlicht repräsentativ einen Strahlenverlauf von der Werkstückoberfläche zum optoelektronischen Wandler 6.

F i g. 3 zeigt ebenfalls wie F i g. 2 eine Vorrichtung, die nach dem Fokussierungsmeßverfahren arbeitet. Im Unterschied zu F i g. 2 ist die Lichtquelle 9 ebenso wie die Konvexlinse 10 zur Flächennormalen in einem Meßpunkt quer abstrahlend angeordnet. Über einen kleinen, im Durchmesser dem Primärlichtbündel entsprechenden Umlenkspiegel W wird das Primärlichtbündel in Richtung auf die Oberfläche gelenkt. Der optoelektronische Wandler 6' ist hinter dem Umlenkspiegel 11' angeordnet. Da der Primärstrahl nur dünn entsprechend dem gewünschten Lichtfleckdurchmesser zu sein braucht, reicht ein kleiner Umlenkspiegel von ca. 2 mm Durchmesser aus. Er kann beispielsweise an radial angeordneten, dürfen Stiften fixiert sein oder es wird eine Phinglasplatte verwendet, bei der nur im mittleren Bereich eine elliptische Fläche als Spiegel durch Bedampfung ausgeführt ist. Durch die umgelenkte Primärstrahlführung wird erreicht, daß das meist nur schwache rückgestreute Streulicht möglichst vollständig, d. h. ohne Umlenkverluste auf die großflächige lageempfindliche Diode gelangt, und es kann stets eine ungelochte Diode verwendet werden. Weiterhin kann dadurch der Gehäuseumriß gegebenenfalls günstiger gestaltet werden.

F i g. 4 zeigt die wesentlichen optischen Bauteile einer optischen Abstandsmeßeinrichtung nach dem Triangulationsverfahren. Die besten Abstandsmeßergebnisse werden hierbei erreicht, wenn das Primärlichtbündel orthogonal auf der Objektoberfläche 5 steht. Dieser Fall ist in Fig.4 schon eingestellt worden durch entsprechendes Schwenken des Meßtastkopfes um zwei Achsen. Der Meßtastkopf enthält eine Lichtquelle 9, die ein Primärlichtbündel aussendet. Ferner die dazu in einem festen Winkel von ca. 45 Grad stehende Empfängeroptik 20, mit einer lageempfindlichen Flächen- oder Zeilendiode 21, die die Lage und Form des Streulicht-Intensitätsverteilungs-Anteils zu ermitteln gestattet. Der für die orthogonale Ausrichtung erforderliche zusä.rfiche lageempfindliche optoelektronische Wandler 6" ist koaxial zum Primärlichtbündel angeordnet und besitzt eine Aussparung zum Durchlaß des Primärlichtbündels.

Selbstverständlich könnte auch der rückgestreute Lichtanteil über einen teiidurchlässigen Umlenkspiegel auf die seitlich außerhalb des Primärstrahls angebrachte lageempfindliche Fotozelle umgelenkt werden, wie es etwa in F i g. 2 für das Fokussierungsmeßverfahren dargestellt ist Statt eines teildurchlässigen Umlenkspiegels könnte im übrigen auch ein durchbohrter VoHspiegel verwendet werden. Ebenfalls auf das Triangulationsmeßverfahren angewendet könnte Lichtquelle und Umlenkspiegel quer zur Normalen im Meßpunkt abstrahlend angeordnet sein und die Fotodiode in Richtung des Sekundärlichts hinter dem Umlenkspiegel. Die Zeilendiode 21 liefert lediglich das Signal zur Abstandsmes-

sung und ist vollkommen von der Steuerung für die Schwenkbewegung entkoppelt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Ansicht auf die angestrahlte Seite des optoelektronischen Wandlers 6, 6' oder 6". Das in der Oberfläche der Fotozelle anfallende Licht ist zur Darstellung in Linien gleicher Intensität aufgetragen. In Fig.5 liegt das Maximum der Intensitätsverteilung exzentrisch zum Fotodiodenmittelpunkt ang/ordnet. Die exzentrische Lage des Intensitätsmaximums würde etwa einer schrägen Anstrahlung der Objektoberfläche nach F i g. 2 entsprechen. Eine konzentrische Anordnung im Mittelpunkt der Fotodiode nach Fig.6 würde eine orthogonal zur Objektoberfläche ausgerichtete Meßtastkopfachse bedeuten.

Berührungslos optisch arbeitende Abstandsmeßvorrichtungen nach dem Triangulations- und dem FokussierungsmeBverfahren können beispielsweise als eindimensionale Meßtaster an Koordinatenmeßgeräten mit kartesischen Verfahrmöglichkeiten oder in Knickarmuäüweisc, wie beispielsweise bei Meßröbuierii eingesetzt werden, um die Koordinatenwerte eines Bauteils Kontur-, punkt- oder linienweise zu bestimmen. Dazu soll der Meßtaster den Abstand zwischen dem gerade angetasteten Oberflächenpunkt und einem Bezugspunkt an einem koordinatenmäßig bewegten Maschinenteil, insbesondere die Pinole eines Koordinatenmeßgeräts oder die Hand eines Roboters, ermitteln. Ist die Richtung der Abstandsmessung bekannt, so können zusammenfassend durch Koordinatentransformation die absoluten Koordinaten des Oberflächenpunktes erreicht werden.

Bei Abstandsmessungen nach dem Fokussierungsmeßverfahren wird der Fokus durch Meßgeräteverschiebung oder Brennweitenänderung in der Antastrichtung relativ zur Werkstückoberfläche periodisch oder kontinuierlich bewegt. Sofern die Winkellage der optischen Achse 13 des Meßtastkopfs 1 während eines Meßvorgangs konstant beibehalten wird, ist die Änderung der Intensität des von der Werkstückoberfläche rückgestreuten Lichts hauptsächlich eine Funktion des Brennpunktsabstands zur Werkstückoberfläche. Die Messung der Intensität ergibt ein relatives Maximum, wenn der Brennpunkt 8 genau in der Oberfläche liegt. Zwar ist es zumeist nicht unbedingt erforderlich, daß die optische Achse 13 des Meßtastkopfs 1 orthogonal zur Meßobjektoberfläche ausgerichtet ist, jedoch sind bei orthogonaler Ausrichtung höhere Meßgenauigkeiten erzielbar, da das in der Beleuchtungsoptik zurückfallende Licht gemessen wird, das dann ein Maximum ist. Der Intensitätsverlauf als Funktion der Brennpunktsverschiebung weist dann auch ein ausgeprägtes Maximum auf, wodurch die Maximumfindung wesentlich erleichtert wird. Bei konvex gekrümmten Oberflächen treten bei schräger Antastung Meßfehler auf, die darin begründet sind, daß sich je nach Brennpunktsabstand zur Objektoberfläche die Winkellage des Intensitätsmaximums des Streukegels des rückgestreuten Lichts ändert.

Zur orthogonalen Ausrichtung der optischen Achse 13 des Meßtastkopfs 1 auf der Objektoberfläche 5, ist eine weitere Fotodiode im rückgestreuten Licht angeordnet, die aus einer Anzahl von Einzeldioden aufgebaut ist, die über eine Fläche verteilt angeordnet sind. Eine solche flächenhaft auflösende Fotodiode läßt sich dazu verwenden, Steuersignale für Verschwenkbewegungen der Drehantriebe an den Gelenken zu erzeugen, wenn eine von einer vorgegebenen Intensitätsverteilung abweichende Helligkeitsverteilung über der Oberfläche der Fotodiode vorliegt. Im Ausführungsbeispiel sind Ausrichtbewegungen abgeschlossen, wenn eine zum Fotodiodenmittelpunkt symmetrische Helligkeitsverteilung vorliegt. Selbstverständlich kann, wie im Ausführungsbeispiel vorgesehen, eine einzige flächenhaft ausgebildete Fotodiode auch zur Messung der Intensität für die Abstandsbestimmung verwendet werden, die von der Brennpunktslage zur Werkstückoberfläche abhängt. Anstatt einer seitlich angeordneten Fotodiode kann eine Fotodiode beispielsweise auch im Strahlengang vor der Objektoberfläche angebracht sein, die zum Durchtritt des Primärlichtbündels, speziell wenn dieses wie in F i g. 2 nur dünn ausgebildet ist, eine entsprechende öffnung besitzt. Ferner kann die Diode hinter einem Umlenkspiegel angeordnet sein, wie im Ausführungsbeispiel nach Fi g. 3 dargestellt. Steuersignale für Verschwenkbewegungen werden dann erzeugt, wenn das außerhalb des Strahlengangs der Beleuchtungsoptik rückgestreute Licht eine unsymmetrische Verteilung besitzt. Die Anordnung der Einzeldioden auf der Fotodiode kann beliebig geschehen, vorzugsweise ist die Anordnung mittelpunktssymmetrisch. Die Dioden können dann radial in Zeilen oder auch in Umfangslinien konstanter Teilung angeordnet sein. Sofern die Ausrichtung des Meßtastkopfs 1 allein durch Schwenkbewegungen der Gestängeabschnitte erfolgt, kann der anfangs angetastete Meßpunkt nicht beibehalten werden. Soll dies dennoch erwünscht sein, so müssen mit jeder Schwenkbewegung der Winkeländerung entsprechend translatorische Bewegungen des Meßtastkopfs 1 und der Halterung einhergehen, die beispielsweise mittels eines Mikroprozessors aus dem Steuersignal der Fotodiode ermittelt werden. Alternativ können die Dreh- und Schwenkbewegungen auch mechanisch als Kugelkulissenführung ausgeführt sein konzentrisch zum Brennpunkt bzw. Nenn-Abstandspunkt der Abstandsmeßeinrichtung.

Die Ausführungen zum Fokussierungsmeßverfahren gehen hinsichtlich der Anordnungen für Umlenkspiegel und Fotodioden in gleicher Weise für das Triangulationsverfahren, insbesondere wenn das Primärlichtbündel orthogonal die Oberfläche anstrahlen soll. Zur Abstandsbestimmung dient jedoch eine im Winkel zur optischen Achse des Primärlichtbündels angeordnete Empfängeroptik. Die Empfängeroptik ist mit einer zeilenförmig oder auch flächenhaft auflösenden Fotodiode zur Abstandsbestimmung ausgestattet. Sie dient der Feststellung der Streulicht-Intensitätsverteilung, die bei einer definierten Verteilung einem bestimmten Abstand des Meßgeräts von der Objektoberfläche entspricht.

Zur Lageausrichtung ist jedoch der lageempfindliche optoelektronische Wandler 6" vorgesehen, der mittelbar oder unmittelbar die Intensitätsverteilung um die optische Achse des Primärlichtbündels mißt Wenn für ein Triangulationsmeßverfahren ein Primärlichtbündel eine Oberfläche in einer bevorzugten Lage schräg anstrahlen soll, so ist der optoelektronische Wandler im Bereich derjenigen Lage der Streulichtkeulenachse anzuordnen, die der bevorzugten Relativlage zwischen Primärlichtbündel und zu vermessender Oberfläche entspricht

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Optische Abstandsmeßvorrichtung mit einem auf eine anzutastende Oberfläche eines Meßobjektes mittels eines Linsensystems fokussiertes Licht abstrahlenden Meßtastkopf, femer mit wenigstens einem flächenhaft auflösenden optoelektronischen Wandler zur Messung des von der Oberfläche zurückgelangenden Lichtes nach Intensität und Lage für die Abstandssteuerung des Meßtastkopfes relativ zur Oberfläche des Meßobjektes sowie für das Einstellen des Meßtastkopfes in eine bevorzugte Schwenklage, wozu von dem oder den Wandlern) aus ein Verschiebeantrieb und ein Verschwenkantrieb des Meßtastkopfes ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärlicht nur von einer einzigen Stelle bevorzugt orthogonal zur anzutastenden Oberfläche ausgesandt wird und daß das gleichachsig zur Anstrahlrichtung von der anzutastenden Oberfläche zurückgestreute Streulicht auf dsn entsprechend der Ausdehnung der Streulichtkeule bemessenen Wandler (6,6', 6") geleitet ist, der entsprechend der örtlichen Lage des Intensitätsmaximums des Streulichtes darauf den Schwenkantrieb des Meßtastkopfes ansteuert

Z Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtastkopv (1) um zwei zueinander senkrechte Achsen schwenkbar ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der flächenhaft auflösende optoelektronische Wandler (6, 6', 6") um die optische Achse des Primärlichtbündels angeordnet ist und zu dessen Durchtritt ein« entsprechende Aussparung aufweist

4. Vorrichtung nach Anspruc: 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der flächenhaft auflösende optoelektronische Wandler (6, 6', 6") seitlich neben dem Primärlichtbündel angeordnet ist und über einen Strahlteiler (11, 11') mit Sekundärlicht beaufschlagbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (9) mit ihrer Strahlrichtung quer zur Oberflächennormaleri und ein das Primärlichtbündel auf die Oberfläche umlenkender Umlenkspiegel (11') im Strahlengang angeordnet sind und daß der optoelektronische Wandler (6') — in Richtung des Sekundärlichts — hinter dem Umlenkspiegel angeordnet ist

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronische Wandler eine Fotodiode ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronische Wandler in mittelpunktssymmetrischen Einzeldiodenanordnungen ausgeführt ist.