DE102006000673B4 - Apparatus and method for scanning surfaces - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Abtasten von Oberflächen, insbesondere Messvorrichtung zur Messung von Dicken bahnförmiger Erzeugnisse, mit mindestens einem verfahrbaren Messkopf (1), der zur Lasertriangulation jeweils mindestens eine auf die Oberfläche gerichtete Laserlichtquelle sowie jeweils mindestens einen Sensor zur Erfassung des von der Oberfläche reflektierten Laserlichts aufweist, wobei zur Feststellung von Abweichungen des Messkopfes ein von dem Messkopf oder einer physisch mit dem Messkopf gekoppelten Einrichtung in oder entgegen der Bewegungsrichtung des Messkopfes abgehender Positionsmessstrahl (7) vorgesehen ist, der auf einen Detektor (10) trifft, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (10) derart angeordnet ist, dass die Länge des Positionsmessstrahls (7) über den Verfahrweg des Messkopfes (1) im wesentlichen konstant bleibt.Device for scanning surfaces, in particular measuring device for measuring thicknesses of web-shaped products, comprising at least one laser light source directed at the surface for laser triangulation and at least one sensor for detecting the laser light reflected from the surface, wherein for determining deviations of the measuring head, a position measuring beam (7) originating in or opposite to the direction of movement of the measuring head is provided by the measuring head or a device physically coupled to the measuring head, which hits a detector (10), characterized in that the detector ( 10) is arranged such that the length of the position measuring beam (7) remains substantially constant over the travel path of the measuring head (1).

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Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtasten von Oberflächen, mit mindestens einem Messkopf, der zur Lasertriangulation jeweils mindestens eine auf die Oberfläche gerichtete Laserlichtquelle sowie jeweils mindestens einen Sensor zur Erfassung des von der Oberfläche reflektierten Laserlichts aufweist, wobei zur Feststellung von Abweichungen des Messkopfes ein von dem Messkopf oder einer physisch mit dem Messkopf gekoppelten Einrichtung abgehender Positionsmessstrahl vorgesehen ist, der auf einen Detektor trifft.The The invention relates to a device for scanning surfaces, with at least one measuring head, at least for laser triangulation in each case one on the surface directed laser light source and in each case at least one sensor to capture the from the surface having reflected laser light, wherein for detecting deviations one of the measuring head or one physically with the measuring head Measuring head coupled device outgoing position measuring beam is provided which meets a detector.

Die Erfindung ist insbesondere gerichtet auf eine Messvorrichtung zur Messung von Dicken bahnförmiger Erzeugnisse, wie z. B. Folien aus den unterschiedlichsten Materialien, insbesondere Kunststofffolien.The The invention is particularly directed to a measuring device for Measurement of thicknesses of sheet-like Products, such as B. films made of different materials, in particular plastic films.

Die Lasertriangulation hat sich insoweit als Messverfahren mit einer hohen Messgenauigkeit bewährt. Dabei wird ein Laserstrahl von einer Laserlichtquelle auf die zu prüfende Oberfläche gerichtet und das von der Oberfläche reflektierte Licht mittels eines Sensors erfasst.The Laser triangulation has to this extent as a measurement method with a proven high measurement accuracy. In this case, a laser beam from a laser light source to the tested surface directed and that from the surface reflected light detected by a sensor.

Bei bekannten Messvorrichtungen zur Messung von bahnförmigem Messgut wird das Messgut in aller Regel frei zwischen einem ersten, über dem Messgut angeordneten, und einem zweiten, unter dem Messgut angeordneten Messkopf geführt, wobei die Messköpfe auf einer oberen und einer unteren Führungsschiene quer zur Folie verfahrbar sind und somit die Dicke des Messguts über die Breite des Messguts ermitteln.at known measuring devices for measuring sheet-like material to be measured As a rule, the material to be measured is free between a first, above the material to be measured arranged, and a second, arranged below the material to be measured Guided measuring head, the measuring heads on an upper and a lower guide rail across the film can be moved and thus the thickness of the material to be measured over the Determine the width of the material to be measured.

Die Messgenauigkeit hängt neben der verfahrensbedingten Auflösung unter anderem auch von der Stabilität der Messkopf-Führungsschiene ab. So kann es bei durch große Folienbreiten bedingten großen Längen der Führungsschienen zu zeitlichen Änderungen der Biegungen der Führungsschienen kommen, die als Fehler in das Messergebnis eingehen. Grundsätzlich haben Verformungen, und insbesondere durch thermische Änderungen bedingte zeitliche Änderungen der Verformungen einen negativen Einfluss auf das Messergebnis.The Measurement accuracy depends in addition to the procedural resolution among others also from the stability the measuring head guide rail from. So it can by by large Foil widths caused large lengths the guide rails to temporal changes the bends of the guide rails come which enter as an error in the measurement result. Basically Deformations, and in particular due to thermal changes temporal changes deformations have a negative influence on the measurement result.

Es gilt also das Bestreben, Abweichungen des Messkopfes während der Messung zu ermitteln und aus dem Messergebnis herauszurechnen.It So the effort, deviations of the measuring head during the Determine measurement and calculate out of the measurement result.

Aus der US 4,585,350 A ist eine Vorrichtung zum Abtasten von Oberflächen mit einem verfahrbaren Messkopf bekannt, der zur Lasertriangulation eine auf die Oberfläche gerichtete Laserlichtquelle sowie einen Sensor zur Erfassung des von der Oberfläche reflektierten Laserlichts aufweist. Die bekannte Messvorrichtung eignet sich beispielsweise zum Abtasten von dreidimensionalen Gegenständen. Eine Vorrichtung zur Feststellung von Abweichungen des Messkopfes ist nicht vorgesehen.From the US 4,585,350 A a device for scanning surfaces with a movable measuring head is known, which has for laser triangulation directed to the surface laser light source and a sensor for detecting the surface of the reflected laser light. The known measuring device is suitable, for example, for scanning three-dimensional objects. A device for detecting deviations of the measuring head is not provided.

Aus der EP 0 486 713 B1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Dicke von bahnförmigem Messgut bekannt, bei der das Messgut zwischen zwei in horizontaler Ebene traversierenden Messköpfen geführt ist. Jeder Messkopf ist mit einer Laserlichtquelle zur Lasertriangulation ausgestattet. Für die Feststellung vertikaler Bewegungsabweichungen des jeweiligen Messkopfes weist jeder Messkopf ferner eine zusätzliche Laserlichtquelle auf, deren Strahl auf einen von der zusätzlichen Laserlichtquelle unabhängigen Detektor trifft und somit die vertikale Bewegungsabweichung der beiden Messköpfe feststellt, die als Signal einer an sich bekannten Auswerteelektronik zugeleitet wird.From the EP 0 486 713 B1 is a generic device for measuring the thickness of sheet-like material to be measured, in which the material to be measured is guided between two traversing in a horizontal plane measuring heads. Each measuring head is equipped with a laser light source for laser triangulation. For detecting vertical movement deviations of the respective measuring head, each measuring head also has an additional laser light source whose beam impinges on a detector independent of the additional laser light source and thus detects the vertical deviation of movement of the two measuring heads, which is fed as a signal to a known evaluation electronics.

Aus der DE 42 20 501 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung der Dicke von bahnförmigem Messgut bekannt, bei der das Messgut zwischen zwei in horizontaler Ebene traversierenden Messköpfen geführt ist. Für die Feststellung vertikaler Bewegungsabweichungen des jeweiligen Messkopfes sind sogenannte Ausrichtlaser vorgesehen, die entkoppelt, also unabhängig von der Messvorrichtung, angeordnet sind. Von den Ausrichtlasern gehen Laserstrahlen ab, die jeweils eine Referenzlinie bilden, an welchen sich die Messköpfe ausrichten. Dadurch kann die vertikale Abweichung der Messköpfe bestimmt werden.From the DE 42 20 501 A1 a device for measuring the thickness of sheet-like material to be measured is known in which the material to be measured is guided between two measuring heads traversing in the horizontal plane. For the detection of vertical movement deviations of the respective measuring head so-called alignment lasers are provided which are decoupled, that are arranged independently of the measuring device. From the alignment lasers emit laser beams, each forming a reference line to which the measuring heads align. As a result, the vertical deviation of the measuring heads can be determined.

Weitere Dickenmessverfahren sind aus der US 6,441,905 B1 und der JP 02-134 505 AA bekannt.Further thickness measuring methods are from US 6,441,905 B1 and the JP 02-134 505 AA known.

Das bekannte Prinzip ist zur Ermittlung von Abweichungen grundsätzlich geeignet. Allerdings wurde gefunden, dass das System verbesserungsfähig ist.The known principle is basically suitable for determining deviations. However, it has been found that the system can be improved.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein das Messprinzip der Lasertriangulation anwendendes System zu schaffen, das in der Lage ist, Abweichungen des Messkopfes zu erfassen, und dessen Messergebnisse der Abweichung gegenüber bekannten Lösungen eine höhere Genauigkeit aufweisen.Of the Invention is based on the object, a measuring principle of laser triangulation to create an application system that is capable of deviations of the measuring head, and its measurement results of the deviation across from known solutions a higher one Have accuracy.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor derart angeordnet ist, dass die Länge des Positionsmessstrahls über den Verfahrweg des Messkopfes im wesentlichen konstant bleibt. Vorzugsweise ist der Detektor mit dem Messkopf gekoppelt, insbesondere unmittelbar am Messkopf angeordnet.to solution This object is the device mentioned in the present invention characterized in that the detector is arranged such that the Length of the Position measuring beam over the Travel of the measuring head remains substantially constant. Preferably the detector is coupled to the measuring head, in particular directly on Measuring head arranged.

Es können im Rahmen der Erfindung in bewährter Praxis zwei Messköpfe zum Einsatz kommen, wobei der Positionsmessstrahl von dem einen Messkopf abgeht und auf den mit dem anderen Messkopf gekoppelten Detektor trifft. Dabei trifft der Positionsmessstrahl vorteilhafterweise entgegen der Richtung seiner von dem einen Messkopf abgehenden Orientierung auf den Detektor des anderen Messkopfes. Alternativ ist jedem Messkopf jeweils ein Detektor zugeordnet, der den von dem Messkopf oder der mit dem Messkopf gekoppelten Einrichtung abgehenden Positionsmessstrahl detektiert. Die Länge des Positionsmessstrahls bleibt damit konstant, wobei mit der Formulierung „im wesentlichen” zum Ausdruck kommen soll, dass Winkeländerungen des Positionsmessstrahls geringfügige Änderungen der Strahllänge bedingen, die aber in der Praxis eher vernachlässigbar sind.It can be used in the context of the invention in good practice, two measuring heads, wherein the position measuring beam of the one Leave the measuring head and hit the detector coupled to the other measuring head. In this case, the position measuring beam advantageously hits the detector of the other measuring head counter to the direction of its orientation originating from one measuring head. Alternatively, a respective detector is associated with each measuring head, which detects the position measuring beam originating from the measuring head or the device coupled to the measuring head. The length of the position measuring beam thus remains constant, with the expression "substantially" to express that angle changes of the position measuring beam cause small changes in the beam length, but in practice are rather negligible.

Die Erfindung macht es möglich, dass auch bei bewegten Systemen stets eine gleiche Strahllänge des Positionsmessstrahls gegeben ist, was wiederum den großen Vorteil einer gewünschten konstanten Fokussierung hat. Dies führt zu einem besseren Messergebnis.The Invention makes it possible that even with moving systems always a same beam length of Position measuring beam is given, which in turn is the big advantage a desired one has constant focus. This leads to a better measurement result.

Ermöglicht wird dies dadurch, dass – in Abkehr der herkömmlichen Messmethoden – nicht die (vertikale oder horizontale) Abweichung unmittelbar gemessen wird, sondern der Verfahrweg des Messkopfes und dessen Winkeländerung über den Verfahrweg, wie es im folgenden noch näher ausgeführt wird.This is possible this by the fact that - in Departure from the conventional Measuring methods - not the (vertical or horizontal) deviation measured directly is, but the travel of the measuring head and its angle change over the Traversing, as will be explained in more detail below.

Vorteilhafterweise ist mindestens ein Reflektor vorgesehen, der den Positionsmessstrahl vor seinem Auftreffen auf dem Detektor umlenkt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geht der Positionsmessstrahl in Bewegungsrichtung des Messkopfes im wesentlichen horizontal vom Messkopf ab und wird anschließend mehrfach umgelenkt, bevor er auf den Detektor trifft.advantageously, At least one reflector is provided which the position measuring beam deflects before its impact on the detector. In a preferred embodiment The invention relates to the position measuring beam in the direction of movement of the measuring head substantially horizontally from the measuring head and is subsequently deflected several times before it hits the detector.

Eine Umlenkung des Positionsmessstrahls hat grundsätzlich den Vorteil, dass eine konstante Strahllänge und damit gleichmäßige und saubere Fokussierungsbedingungen geschaffen werden können.A Deflection of the position measuring beam basically has the advantage that a constant beam length and thus even and clean focus conditions can be created.

Darüber hinaus hat eine Umlenkung des Positionsmessstrahls bei bestimmten Messmethoden den erheblichen Vorteil, dass mit fortschreitendem Weg des Strahls die am Detektor gemessene Messgröße zunehmend größer wird. Es kann also mit einem längeren Strahl eine genauere Auflösung erreicht werden.Furthermore has a deflection of the position measuring beam for certain measuring methods considerable advantage that with progressive path of the beam the Increased measured at the detector measured gets bigger. So it can be longer Beam a more accurate resolution be achieved.

Als Reflektoren in Frage kommen beispielsweise Umlenkspiegel. Besonders vorteilhaft sind Reflektionsprismen, insbesondere Tripelprismen. Derartige Tripelprismen sind für Laserstrahlen relativ unempfindlich gegenüber Korrosion und Verunreinigungen sowie Vibrationen oder thermisch bedingten Verdrehungen (Winkeländerungen). Die Richtung des ausfallenden Strahles ist weitgehend unabhängig von der Richtung des Lotes bzw. der optischen Achse. Die Richtung des ausfallenden Strahles hängt also praktisch nur von der Richtung des einfallenden Strahles ab, und nicht, wie bei Spiegeln, auch von der Richtung des Spiegels. Schnelle Variationen der Richtungen der Spiegel durch Vibrationen oder relativ langsame Änderungen der Richtungen der Spiegel aufgrund von thermisch bedingten Verformungen der Messeinrichtung stören also das Messsignal stärker als bei Verwendung von Tripelprismen.When Reflectors in question, for example, deflecting mirror. Especially advantageous are reflection prisms, in particular triple prisms. Such triple prisms are for Laser beams are relatively insensitive to corrosion and contamination as well as vibrations or thermally induced distortions (angle changes). The direction of the outgoing beam is largely independent of the direction of the solder or the optical axis. The direction of the hanging beam depends so practically only from the direction of the incident beam, and not, as with mirrors, also from the direction of the mirror. speed Variations of the directions of the mirror due to vibration or relative slow changes the directions of the mirrors due to thermally induced deformations of the Disturb measuring device So the measurement signal stronger than when using triple prisms.

Die Abweichungen des Strahls haben sich in Tests als außerordentlich gering erwiesen. Alternativ – wenn auch empfindlicher gegenüber Korrosion und Verunreinigungen – können auch Tripelspiegel oder mit den zuvor erläuterten Einschränkungen Spiegel verwendet werden.The Deviations of the beam have proved to be extraordinary in tests low proven. Alternatively - if also more sensitive Corrosion and impurities - can too Tripel mirror or with the previously explained limitations Mirrors are used.

In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein den Messkopf haltender Rahmen vorgesehen ist, an oder in dem der bzw. die Reflektor(en) angeordnet ist/sind. Rahmen kommen insbesondere bei bewegten Systemen zum Einsatz. Sie verleihen dem Gesamt-Meßsystem die erforderliche Steifigkeit. Ein Rahmen kann bei maximalem Strahlengang den bzw. die Reflektor(en) aufnehmen, wobei gleichzeitig ein guter Schutz gewährleistet ist.In appropriate training The invention proposes that a holding the measuring head Frame is provided on or in which the reflector (s) is / are arranged. Frames are used, in particular, for moving systems Commitment. They give the overall measuring system the required rigidity. A frame can record the reflector (s) at maximum beam, while ensuring good protection.

Von besonderer Relevanz ist die Erfassung der Abweichung des Messkopfes in der Richtung parallel zur Flächennormalen der abzutastenden Oberfläche. Bei einer Dickenmessung von im wesentlichen horizontal angeordnetem Messgut führen nicht erfasste vertikale Abweichungen unmittelbar zu Fehlergebnissen.From of particular relevance is the detection of the deviation of the measuring head in the direction parallel to the surface normal the surface to be scanned. In a thickness measurement of substantially horizontally arranged Lead the material to be measured unrecorded vertical deviations directly to error results.

Ebenfalls erwünscht sein kann die Erfassung der Abweichung in der Richtung senkrecht zur Flächennormalen der abzutastenden Oberfläche. Bei bewegten Systemen wird dies die Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Messkopfes sein, da die Bewegung in Richtung der Führungsschiene ohnehin erfasst wird. Hier kommt dann ein zweidimensionaler Positionsdetektor zum Einsatz, wie es in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen wird. In Betracht kommen insbesondere als PSD's (Position Sensitive Detector) bekannte Detektoren oder beispielsweise Vierquadrantendioden oder Bildsensoren wie CCDs oder CMOS Bildsensoren.Also he wishes may be the detection of the deviation in the direction perpendicular to the surface normal the surface to be scanned. For moving systems this becomes the direction perpendicular to the direction of movement be the measuring head, since the movement in the direction of the guide rail anyway is detected. Here comes a two-dimensional position detector used, as in an advantageous embodiment of the invention is proposed. Particularly suitable as PSDs (Position Sensitive Detector) known detectors or for example Vierquadrantendioden or Image sensors such as CCDs or CMOS image sensors.

Der Positionsmessstrahl kann aus einer zusätzlichen Laserlichtquelle stammen. Alternativ kommt ein Strahlteiler zum Einsatz, der den Strahl der Laserlichtquelle derart aufteilt, dass ein ausgekoppelter Teilstrahl den Positionsmessstrahl bildet. Zum Fokussieren des Positionsmessstrahls auf dem Detektor wird hinter dem Strahlteiler und mit dem Messkopf verbunden ein Objektiv bzw. ein Kollimator in den Strahlengang eingefügt. Ein derartiges System ist im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen deutlich leichter und kleiner, was das System gegenüber thermischen Schwankungen und damit verbundenen Verformungen unempfindlicher macht.The position measuring beam can come from an additional laser light source. Alternatively, a beam splitter is used, which splits the beam of the laser light source in such a way that a decoupled partial beam forms the position measuring beam. For focusing the position measuring beam on the Detector is behind the beam splitter and connected to the measuring head, a lens or a collimator inserted into the beam path. Such a system is significantly lighter and smaller than conventional designs, making the system less susceptible to thermal swings and associated deformation.

Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Abtasten von Oberflächen, insbesondere zum Messen von Dicken bahnförmiger Erzeugnisse, unter Verwendung des Lasertriangulationsverfahrens gelöst, bei dem mindestens ein Messkopf innerhalb eines Messintervalls zur Abtastung der Oberfläche über und/oder unter der Oberfläche verfahren wird, von dem Messkopf mindestens ein Laserstrahl auf die Oberfläche gerichtet wird, und zumindest ein Teil des von der Oberfläche zurückgeworfenen Streulichts erfasst wird, und das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass eine orthogonale Positionsabweichung des Messkopfes von der kalibrierten Bahnkurve bestimmt wird, indem fortlaufend der Verfahrweg des Messkopfes und mittels eines einzigen Positionsmessstrahls die Winkelabweichungen des Messkopfes gemessen werden.The The object mentioned at the outset is further achieved by a method for scanning of surfaces, in particular for measuring thicknesses of sheet-like products, solved using the laser triangulation method the at least one measuring head within a measuring interval for sampling the surface over and / or under the surface at least one laser beam from the measuring head the surface is directed, and at least part of the surface thrown back from the surface Scattered light is detected, and which is characterized according to the invention, that an orthogonal positional deviation of the measuring head from the calibrated trajectory is determined by continuously moving of the measuring head and by means of a single position measuring beam the Angular deviations of the measuring head are measured.

Insbesondere kann es sich bei den Abweichungen (des Messkopfes oder eines anderen Referenzpunktes) um vertikale und/oder horizontale Abweichungen handeln.Especially It may be the deviations (of the measuring head or another Reference point) by vertical and / or horizontal deviations act.

Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung liegt auf dem Gebiet von bewegten Systemen, bei denen also der Messkopf vorzugsweise geradlinig bewegt wird.One particular field of application of the invention is in the field of moving systems, where so the measuring head preferably straight is moved.

Insoweit wird zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ferner ein Verfahren zum Abtasten von Oberflächen, insbesondere zum Messen von Dicken bahnförmiger Erzeugnisse, unter Verwendung des Lasertriangulationsverfahrens vorgeschlagen, bei dem mindestens ein Messkopf innerhalb eines Messintervalls zur Abtastung der Oberfläche über und/oder unter der Oberfläche verfahren wird, von dem Messkopf mindestens ein Laserstrahl auf die Oberfläche gerichtet wird, zumindest ein Teil des von der Oberfläche zurückgeworfenen Laserlichts erfasst wird, und bei dem zur Ermittlung der Abweichung des Messkopfes ein von dem Messkopf oder einer physisch mit dem Messkopf gekoppelten Einrichtung in oder entgegen der Bewegungsrichtung des Messkopfes abgehender Positionsmessstrahl eingesetzt wird, und das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass die Länge des Positionsmessstrahls über den Verfahrweg des Messkopfes im wesentlichen konstant bleibt. Vorzugsweise wird die Abweichung des Messkopfes durch einen von dem Messkopf oder einer mit dem Messkopf gekoppelten Einrichtung abgehenden Positionsmessstrahl bestimmt, der an einer mit dem Messkopf gekoppelten Stelle detektiert wird. Dies schafft, wie zuvor erwähnt, hervorragende und insbesondere stets gleiche Fokussierungsbedingungen.in this respect becomes the solution the task mentioned above, a method for scanning of Surfaces, in particular for measuring thicknesses of sheet-like products, using the Laser triangulation method proposed in which at least a measuring head within a measuring interval for scanning the surface and / or over under the surface at least one laser beam from the measuring head the surface is directed, at least part of the reflected from the surface Laser light is detected, and in which to determine the deviation one of the measuring head or one physically with the measuring head Measuring head coupled device in or against the direction of movement the measuring head outgoing position measuring beam is used, and the invention thereby is characterized in that the length of the position measuring beam via the travel of the measuring head remains substantially constant. Preferably is the deviation of the measuring head by one of the measuring head or a position measuring beam emanating from the device coupled to the measuring head determined, which detects at a point coupled to the measuring head becomes. This creates, as previously mentioned, excellent and in particular always the same focusing conditions.

Hierzu wird der Positionsmessstrahl vorzugsweise mindestens zweimal umgelenkt, bevor er detektiert wird. Die Winkeländerung des Messkopfes wird mit Hilfe des Positionsmessstrahls erfasst, der bei Winkeländerung des Messkopfes unter einem anderen Winkel auf den Reflektor auftrifft. Damit nimmt der Positionsmessstrahl einen anderen Weg und trifft an anderer Stelle auf den Detektor. Aus dieser Abweichung wird auf die Winkeländerung der Messeinrichtung zurückgeschlossen.For this the position measuring beam is preferably deflected at least twice, before being detected. The angle change of the measuring head is detected by the position measuring beam, the angle change of the measuring head impinges on the reflector at a different angle. Thus, the position measuring beam takes a different path and hits elsewhere on the detector. From this deviation is on the angle change closed back the measuring device.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, das als geradlinig bewegte Vorrichtung zum Abtasten einer Oberfläche ausgebildet ist.in the The following is the invention with reference to a preferred embodiment in connection with the attached Drawing closer explained. The drawing shows a schematic representation of a side view an embodiment according to the invention, formed as a rectilinear moving device for scanning a surface is.

Die gezeigte Vorrichtung weist einen Messkopf 1 auf. In dem Messkopf 1 ist eine (nicht gezeigte) Laserlichtquelle angeordnet, deren Laserstrahl 2 zur Lasertriangulation auf eine Oberfläche eines Messguts 3 gerichtet ist. An der Oberfläche wird der Laserstrahl gestreut, wobei ein Teil des reflektierten Lichts zurück in Richtung auf den Messkopf 1 geworfen wird und dort über ein Linsensystem auf einen (nicht gezeigten) Sensor trifft. Das Verfahren der Lasertriangulation ist grundsätzlich bekannt.The device shown has a measuring head 1 on. In the measuring head 1 a laser light source (not shown) is arranged, the laser beam 2 for laser triangulation on a surface of a material to be measured 3 is directed. At the surface, the laser beam is scattered, with part of the reflected light back toward the measuring head 1 is thrown and hits there via a lens system on a (not shown) sensor. The method of laser triangulation is known in principle.

Mit der gezeigten Vorrichtung kann allgemein die Oberfläche des Messguts 3 abgetastet werden. Bei Kenntnis eines Referenzpunktes kann bereits mit einem Messkopf 1 die Dicke des Messguts 3 gemessen werden.With the device shown can generally the surface of the material to be measured 3 be scanned. With knowledge of a reference point can already with a measuring head 1 the thickness of the material to be measured 3 be measured.

Bei der Messung der Dicke von frei geführtem Messgut wird man zwei diametral einander gegenüberliegende Messköpfe 1 einsetzen, und zwar vorzugsweise in einer Anordnung mit einem oberen und einem unteren Messkopf, wobei in der Zeichnung nur der obere Messkopf 1 dargestellt ist. Die Dickenmessung ist auch in der EP 0 486 713 B1 beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird.When measuring the thickness of freely guided material to be measured two diametrically opposite measuring heads 1 use, preferably in an arrangement with an upper and a lower measuring head, wherein in the drawing, only the upper measuring head 1 is shown. The thickness measurement is also in the EP 0 486 713 B1 described, which is incorporated herein by reference.

Der Messkopf 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Richtung des Pfeils P1 entlang eines durch Schienen 4 angedeuteten Linearsystems verfahrbar. Dabei wird die Oberfläche des Messguts 3 über dessen Breite abgetastet. Der Messkopf 1 ist durch ein Lager, welches durch vier Rollen 5 schematisch dargestellt ist, mit der Schiene 4 verbunden. Es versteht sich von selbst, dass mehrere (parallele) Schienen vorgesehen sein können.The measuring head 1 the device according to the invention is in the direction of arrow P1 along a through rails 4 indicated linear system movable. At the same time, the surface of the material to be measured becomes 3 scanned across its width. The measuring head 1 is by a bearing, which by four rolls 5 is shown schematically with the rail 4 connected. It goes without saying that a plurality of (parallel) rails can be provided.

Unterhalb des Messkopfes 1 ist ein Strahlteiler 6 angeordnet. Dieser ist mit dem Messkopf 1 verbunden. Bewegt sich also der Messkopf 1, so bewegt sich der Strahlteiler 6 mit. Der Strahlteiler 6 spaltet den Laserstrahl 2 auf, lässt einen Teil des Laserstrahls durch und koppelt einen Teil aus, der als Positionsmessstrahl 7 in Richtung auf ein erstes 90°-Prisma 8 umgelenkt wird. Dort wird der Strahl reflektiert in Richtung auf ein zweites 90°-Prisma 9 und trifft schließlich auf einen Detektor 10. Die beiden Prismen 8, 9 können in oder an einem (nicht dargestellten) Rahmen angeordnet sein.Below the measuring head 1 is a beam splitter 6 arranged. This one is with the measuring head 1 connected. So moves the measuring head 1 , so moves the beam splitter 6 With. The beam splitter 6 splits the laser beam 2 on, passes through a portion of the laser beam and couples out a part that serves as a position measuring beam 7 towards a first 90 ° prism 8th is diverted. There the beam is reflected towards a second 90 ° prism 9 and finally hits a detector 10 , The two prisms 8th . 9 may be arranged in or on a frame (not shown).

Eine mehrfache Umlenkung und damit Verlängerung des Positionsmessstrahls schafft verbesserte Fokussierungsbedingungen. Der Hintergrund liegt darin, dass grundsätzlich für eine genaue Messung der Positionsmessstrahl fokussiert werden muss. Je länger der Positionsmessstrahl (vor dem Auftreffen auf dem Detektor) ist, desto größer ist der Schärfenbereich, desto besser lässt sich also der Positionsmessstrahl fokussieren. Darüber hinaus führt bei entsprechenden Messmethoden ein längerer Positionsmessstrahl zu der bereits erwähnten Vergrößerung der Messgröße.A multiple deflection and thus extension of the position measuring beam creates improved focusing conditions. The background is in that, basically for one accurate measurement of the position measuring beam must be focused. ever longer the position measuring beam (before hitting the detector) is, the bigger the focus area, the better so focus the position measuring beam. Furthermore leads corresponding measurement methods a longer position measuring beam to the already mentioned Magnification of the Measured variable.

Auch der Detektor 10 ist erfindungsgemäß mit dem Messkopf 1 physisch gekoppelt. In der Figur ist dies nur angedeutet. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt darin, dass die effektive Strahllänge des Messstrahls stets konstant ist, und zwar trotz einer Bewegung des Messkopfes 1. Der Fokus kann also durch diese Maßnahme in Strahlrichtung im wesentlichen ortskonstant gehalten werden.Also the detector 10 is according to the invention with the measuring head 1 physically coupled. In the figure, this is only hinted at. A significant advantage of the arrangement according to the invention is that the effective beam length of the measuring beam is always constant, in spite of a movement of the measuring head 1 , The focus can thus be kept substantially stationary by this measure in the beam direction.

Idealerweise bewegt sich das Messsystem parallel zur z-Achse, das heißt senkrecht zur Flächennormalen des Messguts und ggf. senkrecht zur Bewegungsrichtung des Messguts. Gerade bei langen Traversen jedoch kann es schon nach einer kurzen Zeit zu Abweichungen der Bahnkurve des Messkopfes von der Bahnkurve des Messkopfes nach der letzten Kalibrierung kommen. Die Bahnkurve des Messkopfes bei der letzten Kalibrierung ist im Messsystem gespeichert. Die Ursache der Abweichungen kann unter anderem daran liegen, dass sich die Schienen 4 thermisch bedingt verformen. Diese Abweichungen gilt es zu erfassen und aus dem Messergebnis heraus zurechnen.Ideally, the measuring system moves parallel to the z-axis, ie perpendicular to the surface normal of the material to be measured and possibly perpendicular to the direction of movement of the material to be measured. However, even with long traverses, deviations of the trajectory of the measuring head from the trajectory of the measuring head after the last calibration can occur after a short time. The trajectory of the measuring head during the last calibration is stored in the measuring system. The cause of the deviations may be, among other things, that the rails 4 deform thermally. These deviations must be recorded and calculated from the measurement result.

Die Abweichungen des Messkopfes 1 werden grundsätzlich aus dem Verfahrweg in x-Richtung und der Drehung des Messkopfes um einen Drehpunkt D ermittelt, wie sie mit dem Pfeil P2 angedeutet ist. Die Drehung des Messkopfes 1 führt zu einer Veränderung des Positionsmessstrahls 7. Exemplarisch sind gestrichelt zwei abweichende Zustände des Messkopfes dargestellt, wobei dem einen Zustand 11 des Messkopfes 1 der Laserstrahl 12 und der Positionsmessstrahl 13 zugeordnet ist, während dem anderen Zustand 14 des Messkopfes 1 der Laserstrahl 15 und der Positionsmessstrahl 16 zugeordnet ist. Ergänzend sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass auch der Strahlteiler 6 und der Detektor 10 veränderte Stellungen einnehmen, wie dies jeweils strichliniert angedeutet ist.The deviations of the measuring head 1 are basically determined from the travel in the x-direction and the rotation of the measuring head about a pivot point D, as indicated by the arrow P2. The rotation of the measuring head 1 leads to a change in the position measuring beam 7 , By way of example, dashed lines show two deviating states of the measuring head, wherein one state 11 of the measuring head 1 the laser beam 12 and the position measuring beam 13 is assigned while the other state 14 of the measuring head 1 the laser beam 15 and the position measuring beam 16 assigned. In addition, it should be noted at this point that the beam splitter 6 and the detector 10 take changed positions, as indicated by dashed lines.

Die Bahnkurve des in z-Richtung bewegten Messkopfes ist durch x(z) und y(z) gegeben und wird durch eine Integration beschrieben:

Figure 00130001
The trajectory of the measuring head moved in the z-direction is given by x (z) and y (z) and is described by an integration:
Figure 00130001

Δxd(z) und Δyd(z) sind die am Detektor 10 gemessenen orthogonalen Abweichungen des Positionsmessstrahls vom Mitten-Positionsmessstrahl 7 am Detektor. ls ist die doppelte Länge des Laserstrahls zwischen dem Eintrittspunkt am ersten Reflektor 8 und dem Eintrittspunkt am zweiten Reflektor 9.Δx d (z) and Δy d (z) are the ones at the detector 10 measured orthogonal deviations of the position measuring beam from the center position measuring beam 7 at the detector. l s is twice the length of the laser beam between the point of entry at the first reflector 8th and the entry point at the second reflector 9 ,

Die aktuellen orthogonalen Abweichungen Δx(z) und Δy(z) der Bahnkurve des Messkopfes ergeben sich als Differenz aus der aktuellen Bahnkurve des Messkopfes und der Bahnkurve des Messkopfes bei der letzten Kalibrierung.The current orthogonal deviations Δx (z) and Δy (z) of the trajectory of the measuring head arise as a difference from the current trajectory of the measuring head and the trajectory of the measuring head during the last calibration.

Zur Bestimmung der Integrationskonstanten x(z0) und y(z0) werden in regelmäßigen zeitlichen Abständen Referenzmessungen an einem Prüfling durchgeführt, der eine bekannte Dicke aufweist und vorzugsweise an beiden Seiten des Messguts 3 angeordnet ist. Dabei kann es sich beispielsweise um zwei im Messrahmen angeordnete Prüflinge oder um einen schwenkbar am Messkopf 1 angeordneten Prüfling handeln.To determine the integration constants x (z0) and y (z0), reference measurements are carried out at regular intervals on a test specimen which has a known thickness and preferably on both sides of the material to be measured 3 is arranged. This may be, for example, two specimens arranged in the measuring frame or a pivotable one on the measuring head 1 arranged examine act.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind durchaus Abwandlungen möglich. Bei dem Ausführungsbeispiel sind 90°-Prismen 8, 9 gezeigt. Selbstverständlich ist auch der Einsatz anderer Umlenkeinrichtungen denkbar. Ferner ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Strahlteiler 6 vorgesehen. Alternativ kann der Strahlteiler wegfallen und statt dessen eine zusätzlichen Laserlichtquelle eingesetzt werden.Within the scope of the inventive concept modifications are possible. In the embodiment, 90 ° prisms 8th . 9 shown. Of course, the use of other deflection is conceivable. Furthermore, in the embodiment shown, a beam splitter 6 intended. Alternatively, the beam splitter can be omitted and instead an additional laser light source can be used.

Unter dem Begriff der Abweichung wird nicht zwangsläufig eine Fehlabweichung verstanden. Die Erfindung eignet sich ganz allgemein zur Erfassung von Abweichungen, von Bewegungen also im weitesten Sinne. Gleichwohl wird das Haupteinsatzgebiet in der Erfassung von Fehlabweichungen von Messköpfen (oder entsprechenden Referenzpunkten) gesehen, die mit an sich bekannten Auswerteelektroniken das Messergebnis um die Fehlabweichung korrigieren.The term "deviation" does not necessarily mean a wrong deviation. The invention is generally suitable for detecting deviations, ie movements in the broadest sense. Nevertheless, the main area of application is in the detection of incorrect deviations of Meßköp seen (or corresponding reference points), which correct the measurement result by the incorrect deviation with known evaluation electronics.

Es können mehrere Lasertriangulationssensoren eingesetzt werden, z. B. um Fehler durch unterschiedliche Neigung des Messguts zu eliminieren.It can several laser triangulation sensors are used, for. B. order Eliminate errors by different inclination of the material to be measured.

Im übrigen wurde in der Zeichnung lediglich ein Messkopf 1 dargestellt. Es versteht sich von selbst, dass im Rahmen der Erfindung mehrere Messköpfe, insbesondere zwei Messköpfe, vorgesehen sein können, wobei auch eine Positionsmessstrahlführung denkbar ist, bei der der Positionsmessstrahl von dem ersten Messkopf abgeht und – bei stets im wesentlichen konstanter Strahllänge – auf den am zweiten Messkopf angeordneten Detektor trifft, und zwar vorteilhaft nach vier Umlenkungen entgegen seiner anfänglichen Richtung. Alternativ ist jeder Messkopf mit einem Detektor ausgestattet.Incidentally, in the drawing, only a measuring head 1 shown. It goes without saying that in the context of the invention, several measuring heads, in particular two measuring heads, may be provided, wherein a Positionsmessstrahlführung is conceivable in which the position measuring beam from the first measuring head and - at always substantially constant beam length - on the on arranged second detector head, advantageously after four deflections against its initial direction. Alternatively, each measuring head is equipped with a detector.

Als Befestigung des Detektors am Messkopf eignen sich vielfältigste form- und/oder kraftschlüssige Verbindungen, wie beispielsweise Verklebung, Verschraubung oder Verklemmung. Der Detektor kann – wie ausgeführt – mittelbar am Detektor befestigt sein, oder unmittelbar.When Attachment of the detector to the measuring head are most versatile positive and / or non-positive Connections, such as gluing, screwing or Deadlock. The detector can - like executed - indirectly be attached to the detector, or immediately.

11
Messkopfprobe
22
Laserstrahllaser beam
33
Messgutmaterial to be measured
44
Schienenrails
55
Rollenroll
66
Strahlteilerbeamsplitter
77
PositionsmessstrahlPosition measuring beam
88th
Prismaprism
99
Prismaprism
1010
Detektordetector
1111
Zustand 1 des MesskopfesStatus 1 of the measuring head
1212
Laserstrahl beim Zustand 1laser beam at state 1
1313
Positionsmessstrahl beim Zustand 1Position measuring beam at state 1
1414
Zustand 2 des MesskopfesStatus 2 of the measuring head
1515
Laserstrahl beim Zustand 2laser beam at state 2
1616
Positionsmessstrahl beim Zustand 2Position measuring beam at state 2
P1P1
Pfeilarrow
P2P2
Pfeilarrow
DD
Drehpunktpivot point

Claims (12)

Vorrichtung zum Abtasten von Oberflächen, insbesondere Messvorrichtung zur Messung von Dicken bahnförmiger Erzeugnisse, mit mindestens einem verfahrbaren Messkopf (1), der zur Lasertriangulation jeweils mindestens eine auf die Oberfläche gerichtete Laserlichtquelle sowie jeweils mindestens einen Sensor zur Erfassung des von der Oberfläche reflektierten Laserlichts aufweist, wobei zur Feststellung von Abweichungen des Messkopfes ein von dem Messkopf oder einer physisch mit dem Messkopf gekoppelten Einrichtung in oder entgegen der Bewegungsrichtung des Messkopfes abgehender Positionsmessstrahl (7) vorgesehen ist, der auf einen Detektor (10) trifft, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (10) derart angeordnet ist, dass die Länge des Positionsmessstrahls (7) über den Verfahrweg des Messkopfes (1) im wesentlichen konstant bleibt.Device for scanning surfaces, in particular measuring device for measuring thicknesses of web-shaped products, having at least one movable measuring head ( 1 In each case at least one laser light source directed onto the surface for laser triangulation and at least one sensor for detecting the laser light reflected from the surface, a device coupled or otherwise physically coupled to the measuring head for detecting deviations of the measuring head the direction of movement of the measuring head outgoing position measuring beam ( 7 ) provided for a detector ( 10 ), characterized in that the detector ( 10 ) is arranged such that the length of the position measuring beam ( 7 ) over the travel of the measuring head ( 1 ) remains substantially constant. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (10) mit dem Messkopf (1) gekoppelt ist.Device according to claim 1, characterized in that the detector ( 10 ) with the measuring head ( 1 ) is coupled. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens einen Reflektor (8; 9), der den Positionsmessstrahl vor seinem Auftreffen auf dem Detektor (10) umlenkt.Device according to claim 1 or 2, characterized by at least one reflector ( 8th ; 9 ), which detects the position measuring beam before its impact on the detector ( 10 ) redirects. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor ein Tripelprisma ist.Device according to claim 3, characterized in that that the reflector is a triple prism. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2–4, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Messkopf (1) haltender Rahmen vorgesehen ist, an oder in dem der mindestens eine Reflektor (8; 9) angeordnet ist.Device according to one of claims 2-4, characterized in that a measuring head ( 1 ) holding frame is provided on or in which the at least one reflector ( 8th ; 9 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (10) ein zweidimensionaler Positionsdetektor ist.Device according to one of claims 1-5, characterized in that the detector ( 10 ) is a two-dimensional position detector. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, gekennzeichnet durch mindestens einen Strahlteiler (6), der den Strahl (2) der Laserlichtquelle derart aufteilt, dass ein ausgekoppelter Teilstrahl den Positionsmessstrahl (7) bildet.Device according to one of claims 1-6, characterized by at least one beam splitter ( 6 ), the beam ( 2 ) of the laser light source is divided such that a decoupled partial beam the position measuring beam ( 7 ). Verfahren zum Abtasten von Oberflächen, insbesondere zum Messen von Dicken bahnförmiger Erzeugnisse, unter Verwendung des Lasertriangulationsverfahrens, wobei – mindestens ein Messkopf innerhalb eines Messintervalls zur Abtastung der Oberfläche über und/oder unter der Oberfläche verfahren wird, – von dem Messkopf mindestens ein Laserstrahl auf die Oberfläche gerichtet wird, und wobei – zumindest ein Teil des von der Oberfläche zurückgeworfenen Laserlichts erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, – dass eine orthogonale Positionsabweichung des Messkopfes von der kalibrierten Bahnkurve bestimmt wird, indem fortlaufend der Verfahrweg des Messkopfes und mittels eines einzigen Positionsmessstrahls die Winkelabweichungen des Messkopfes gemessen werden.Method for scanning surfaces, in particular for measuring thicknesses of sheet-like products, using the laser triangulation method, wherein - at least a measuring head within a measuring interval for scanning the surface above and / or below the surface the procedure is - from At least one laser beam is directed onto the surface of the measuring head is, and where - at least a part of the surface reflected Laser light is detected, characterized - that one Orthogonal positional deviation of the measuring head from the calibrated one Trajectory is determined by continuously the travel of the measuring head and by means of a single position measuring beam, the angular deviations of the measuring head are measured. Verfahren zum Abtasten von Oberflächen, insbesondere zum Messen von Dicken bahnförmiger Erzeugnisse, unter Verwendung des Lasertriangulationsverfahrens, wobei – mindestens ein Messkopf innerhalb eines Messintervalls zur Abtastung der Oberfläche über und/oder unter der Oberfläche verfahren wird, – von dem Messkopf mindestens ein Laserstrahl auf die Oberfläche gerichtet wird, – zumindest ein Teil des von der Oberfläche zurückgeworfenen Laserlichts erfasst wird, und wobei – zur Ermittlung der Abweichung des Messkopfes ein von dem Messkopf oder einer physisch mit dem Messkopf gekoppelten Einrichtung in oder entgegen der Bewegungsrichtung des Messkopfes abgehender Positionsmessstrahl eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass die Länge des Positionsmessstrahls über den Verfahrweg des Messkopfes im wesentlichen konstant bleibt.Method for scanning surfaces, in particular for measuring thicknesses of web-shaped Products, using the laser triangulation method, wherein - at least one measuring head is moved within a measuring interval for scanning the surface above and / or below the surface, - at least one laser beam is directed onto the surface by the measuring head, - at least part of the surface is returned to the detected laser light, and wherein - is used to determine the deviation of the measuring head from the measuring head or a physically coupled to the measuring head device in or against the direction of movement of the measuring head outgoing position measuring beam, characterized - that the length of the position measuring beam over the travel path the measuring head remains substantially constant. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsmessstrahl an einer mit dem Messkopf gekoppelten Stelle detektiert wird.Method according to claim 9, characterized in that in that the position measuring beam is coupled to a measuring head Location is detected. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsmessstrahl mindestens einmal umgelenkt wird, bevor er detektiert wird.Method according to claim 9 or 10, characterized that the position measuring beam is deflected at least once before he is detected. Verfahren nach einem der Ansprüche 9–11, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl vor dem Auftreffen auf die Oberfläche mindestens einmal geteilt wird, und dass der derart ausgekoppelte Laserstrahl den Positionsmessstrahl bildet.Method according to one of claims 9-11, characterized that the laser beam before hitting the surface at least is divided once, and that the thus decoupled laser beam forms the position measuring beam.
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