DE3322714C2

DE3322714C2 - Optical distance measuring device

Info

Publication number: DE3322714C2
Application number: DE19833322714
Authority: DE
Inventors: Hans-H. Dr.-Ing. 7054 Korb Schüßler
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1983-06-24
Filing date: 1983-06-24
Publication date: 1986-05-15
Also published as: DE3322714A1

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.The invention relates to a non-contacting optical method for distance measurement using the focusing or triangulation measuring method. A primary light bundle is emitted in the direction of the surface to be measured and the backscattered light - secondary light - is measured in terms of its intensity distribution in the area of that position of the scattered light beam axis which it assumes with a preferred relative position between the primary light bundle and the surface to be measured. A corresponding control signal swivels the irradiation direction until the preferred position, for example an orthogonal position, is reached. In the latter case, the intensity distribution of the secondary light is measured around the optical axis of the primary light beam. The measuring accuracy can be optimally designed with an always constant and exactly aligned beam direction from measuring point to measuring point, in particular with one- or two-dimensionally curved surfaces.

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.The invention relates to an optical distance measuring device according to the preamble of claim 1, such as they are known, for example, from JP-OS 57 61 905 emerges.

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, soIn the measuring head shown there, two symmetrically arranged light sources are used, in which the direction of illumination is inclined in a defined manner to the surface normal. The two primary rays become alternate covered so that only one primary light beam a light spot on the surface to be touched This light spot is generated sharply on the surface of an optoelectronic via imaging optics Transducer shown with a matching position of the two light spots generated one after the other the probe head is at the correct distance from the surface to be scanned. Fall the both generated light spots apart in terms of position, see above

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.ίο a corresponding shift drive is set in motion, in order to retract the correct distance between the probe head and the workpiece surface. Different However, it is in the case of the swivel drive that the probe head as a whole is used orthogonally to the probe to be scanned Swivel in the surface. This swivel drive is corresponding to a difference in intensity of the two light spots controlled. A disadvantage of this distance measuring device is not only the relatively high one Effort for the two light sources and their alternating darkening, but above all the fact that due to the oblique direction of illumination from two sides, not in narrow bores, on steps or grooves can be measured. In addition, the known measuring device is in terms of the pivot position Can only be controlled one-dimensionally, i.e. can only be used on one-dimensionally curved surfaces.

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.From the dissertation by F. Ertl, “Structure and investigation a non-contact optical length measurement method for use in manufacturing «, Darmstadt, 1978, for example, shows a focus measurement method as known. In a selected Direction towards a surface to be measured, preferably perpendicular to the surface to be scanned, A primary light beam is emitted and used to determine the distance the intensity of the light backscattered from the surface is measured. In one embodiment, a focusing device is used to to focus light bundles emitted by a light source into a focal point in the area of the surface.

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-The intensity of the falling back in the lighting optics Secondary light has a maximum when the focal point lies exactly in the object surface. By Assignment of current settings of the distance measuring device and its optical components (for example lens focal length) to the excellent condition when an intensity maximum occurs, can be a distance relation of a reference point of the measuring device to the measuring point on the surface of the DUT can be found. The necessary focus shift occurs for example by irradiating a periodically displaceable in the direction of illumination Lens or lenses with different focal lengths pushed into the beam path one after the other. The intensity is measured by means of a photodiode onto which the from the surface in the Backscattered lighting optics and secondary light decoupled via a beam splitter falls. Unless the If the photodiode has a corresponding sensitivity, the beam direction can be used for flat, smooth surfaces without significant influence on the measurement accuracy of the orthogonal position in certain Boundaries may be aligned differently. The disadvantage, however, is that the intensity of the in the lighting optics backscattered light is lower when a light beam hits a surface at an angle than with vertical impingement, and thus the measurement accuracy decreases, since with a weak maximum the determination of the absolute maximum is difficult

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.A stronger light source or highly sensitive photodiodes can only partially help. Especially with reflective surfaces, the angle of the scattering cone of the backscattered light is quite small, see above that even with smaller inclinations of the measuring device, a sufficient portion of the light cannot fall back into the lighting optics. Are the surfaces curved thus, for example, concave or convex, significant measurement errors occur when probing takes place obliquely to the surface normal, since the backscatter behavior is also a function of the surface curvature Is the surface provided with grooves, which also run preferentially in one direction, so the backscatter behavior changes with oblique illumination with the illumination direction, which results in From measuring point to measuring point changing exposure direction can result in measurement errors.

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.A measuring device based on the triangulation method can be found in the VDI report, for example, 448, Dimensional measurement and testing in the Fabrication, 1982, pages 29 to 30, as known. at In this measuring process, a light beam, preferably a laser beam, is perpendicular to the workpiece surface directed and a receiver optics arranged at a / fixed angle to it, for example, shifts the surface in the direction of the illuminating beam changes the intensity and distribution of the scattered light, and the position of its maximum on a two-dimensionally resolving photodiode. This distraction can be measured and from this a distance relay of the measuring device to the surface can be obtained. Disadvantageous is also here that deviations in the direction of the beam from the orthogonal to the surface of the object to be measured affect the measurement accuracy, as this affects the position of the scattering lobe (lines of equal intensity) will. For inclined illumination of rough surfaces with a preferred direction of unevenness, for example Grooves, the scattering lobe can break down into several discrete scattering lobes, that is to say for different ones Angle and distance settings of the meter cannot receive scattered light and so it is no measurement possible. With unknown surfaces, there is no safe mode of operation without further measures possible.

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.From CH-PS 4 47 631 one is optically contactless working distance measuring device as known, which is based on a triangulation measuring method, after which the surface of an object to be measured is illuminated at a defined oblique angle will. When using this method, the bisector of the optical axis of a receiver optics should be and the illuminating light beam, the optical axes of which are arranged at a fixed angle to one another are preset for a measurement perpendicular to a workpiece surface at the measuring point. In addition the measuring unit is mounted on a measuring slide, which can be pivoted about their axes in the plane of the two axes Intersection is arranged. A tracking control ensures a translational shift of the measuring device, until the narrowly delimited light spot generated on the measurement object by means of a laser beam is imaged through a lens on a differential photocell of the receiver optics. At least the ones from Two single diodes built up photo cell now takes over the control of the translational shift until the individual diodes are symmetrically illuminated. Then the point of intersection of the optical axes lies of illuminating light bundle and receiver optics exactly in the workpiece surface. For this excellent Position of the measuring device to the object surface can be determined in a simple manner, a distance relation.

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.In this device according to the triangulation measuring method with angled probing, it is important for the measuring accuracy It is particularly important to pre-set the defined angular position of the beam direction to the surface. In the scripture, however, no information is given as to the way in which the exact alignment is carried out of the measuring device can be done. Manual alignment would be imprecise and extremely time-consuming.

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.The invention is based on the object of measuring the distance even with one- and two-dimensional curved and in their normal direction unknown surface course and unknown surface structure quickly and with the greatest possible accuracy.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale ans Anspruchs 1 gelöstThis object is achieved according to the invention in a generic method by the characterizing features of claim 1 ans

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.By in a measuring point each we i>; automatic Alignment of the illumination direction in an orthogonal or other preferred angular position are constant created optimal measurement conditions. With the appropriate alignment of the scanning beam, the intensity is of secondary light maximum and, provided the surface texture is unchanged from measuring point to measuring point, also remains the same Increased measurement accuracy, especially for curved surfaces. Fixture secrets solve areally resolving optoelectronic converters that measure the intensity distribution of the backscattered light, Control signals for swivel drives off. If the surface is illuminated vertically, the optoelectronic is located Converter, for example, around the optical axis of the primary light beam.

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.It is advantageous that less sensitive, d. H. cheaper optoelectronic converters can be used. With automatic alignment the defined measuring probe axis in the preferred position can be much faster, since without manual Intervene, a large number of measuring points are probed and measured at high measuring speed. Failure of the measuring device when the beam direction deviates from the preferred position is completely avoided. Furthermore, in measuring methods in which the probe light bundle should be perpendicular to the surface, an influence of the surface properties on the measurement results can be largely reduced. In the case of oblique radiation on a surface, different Measurement errors based on surface properties can be detected, since the probing direction always remains the same incorrect measurements due to false aurid of the probe light beam can be excluded.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung iss in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigtAn embodiment of the invention is shown in the drawings and will be described in more detail below described. It shows

F i g. 1 den Bereich der Pinole eines Koordinatenmeßgeräts, an dem räumlich schwenkbar der Meßtastkopf einer Abstandsmeßvorrichtung aufgehängt ist,F i g. 1 the area of the quill of a coordinate measuring machine, on which the probe head of a distance measuring device is suspended in a spatially pivotable manner,

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,Fi g. 2 the arrangement of the optical components in Probe head and the geometry of the beam path for a focusing measuring method Measuring device with a photocell arranged to the side of the primary light beam,

F i g. 3 eine Anordnung der wesentlichen Bauelemente eines nach dem Fokussierungsmeßverfahren arbei-F i g. 3 an arrangement of the essential components of a working according to the focusing measurement method

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,trending measuring device according to FIG. 2, but with over the side a deflecting mirror faded in and around the optical axis behind the deflecting mirror the photocell arranged in the primary light beam,

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,4 shows an arrangement of the essential optical Components of a measuring device working according to the triangulation method, with one around the optical axis the pierced photodiode arranged in the primary light beam,

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, F i g. 5 is a front view of the planar resolving photodiode of FIG. 2, with an angled position intensity distribution of the reflected light corresponding to the probe head, intensity maximum eccentric,

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.6 shows a view of the photocell according to FIG. 2, with an intensity distribution corresponding to a probe head aligned orthogonally to a workpiece surface of the backscattered light, intensity maximum in the middle.

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.The probe head 1 of the contactless optical distance measuring device is, as shown in FIG. 1 can be seen, attached to a holder 2 at the end of the quill of a coordinate measuring device, only the end portion of which is shown. Two joints 3, 4 in the course of the holder 2, with mutually perpendicular axes of rotation, allow spatial pivoting movements of the probe head 1 to align a common optical axis of the optical components of the probe head in a preferred, here orthogonal position to an object surface to be measured 5. The joints 3, 4 are assigned swivel drives, not shown, which are driven by output signals from a device shown in FIG. 2 shown in the probe head 1 integrated planar resolving optoelectronic transducer 6 can be controlled, which can be, for example, a four-quadrant photodiode. The size of the relative rotations of the joints 3, 4 of the holder 2 can be measured, for example, by means of angular increments. The holder 2 together with the probe head 1 can be moved translationally in all three spatial directions by means of suitable drives (not shown). In the space between the probe head 1 and the object surface 5 located at a distance A therefrom, the geometry of the beam path outside the probe head is shown. The focal point 8 is located in the object surface 5 at the point of intersection of the convergent light bundle 7.

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. 2 shows the essential optical components in the probe head 1 of a measuring device operating according to the focusing measuring method and the associated geometry of the beam path. A light source 9, which can also be designed as a laser light source or as the end of an optical fiber, emits illuminating light which is directed parallel in a first convex lens 10. This can also be made smaller than the second convex nose 12 to save space and weight. After shining through a semitransparent beam splitter 11, which is for example a plane mirror, the parallel light is focused on a further convex lens 12. The object surface 5 is exactly at the focal point 8 if the correct distance A has been set beforehand, for example by moving the quill. The optical axis 13 of the primary light bundle is shown as a dash-dotted line. In the position of the probe head 1 shown, the optical axis is not orthogonal to the workpiece surface 5. The shape and position of the scattering lobe 14 of the backscattered light depends on the inclination of the probe head and the nature of the surface. In the case of oblique radiation, the light beam 15 emanating from the focal point and running through the maximum of the scattering lobe does not lie in the optical axis 13, but rather is inclined to it at an angle. The backscattered light component falls back onto the convex lens 12, which aligns the backscattered light in parallel. The semitransparent mirror directs the light onto the optoelectronic converter 6, which is arranged laterally outside the primary light beam. The light beam 15 through the maximum intensity of the scattering lobe illustrates a beam path from the workpiece surface to the optoelectronic converter 6 in a representative manner.

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. 3 shows like FIG. 2 shows a device which operates according to the focus measuring method. In contrast to FIG. 2, the light source 9, like the convex lens 10, is arranged so as to radiate transversely to the surface normal at a measuring point. The primary light bundle is directed in the direction of the surface via a small deflecting mirror W corresponding in diameter to the primary light bundle. The optoelectronic converter 6 'is arranged behind the deflecting mirror 11'. Since the primary beam only needs to be thin according to the desired light spot diameter, a small deflecting mirror with a diameter of approx. 2 mm is sufficient. For example, it can be fixed to radially arranged pins, or a phing glass plate is used in which an elliptical surface is designed as a mirror by vapor deposition only in the central area. The deflected primary beam guidance ensures that the mostly only weak backscattered light reaches the large-area, position-sensitive diode as completely as possible, ie without deflection losses, and an unperforated diode can always be used. Furthermore, the housing outline can be designed more favorably as a result.

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.F i g. 4 shows the essential optical components of an optical distance measuring device based on the triangulation method. The best distance measurement results are achieved when the primary light beam is orthogonal is on the object surface 5. This case has already been set in FIG Swiveling the probe head around two axes. The probe head contains a light source 9, which is a Emits primary light beam. In addition, the receiver optics are set at a fixed angle of approx. 45 degrees 20, with a position-sensitive area or line diode 21, which shows the position and shape of the scattered light intensity distribution component allowed to determine. The additional required for orthogonal alignment position-sensitive optoelectronic transducer 6 ″ is arranged coaxially to the primary light beam and has a Recess for the passage of the primary light beam.

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-Of course, the backscattered light component could also be transmitted via a partially transparent deflecting mirror can be deflected onto the position-sensitive photocell attached to the side outside of the primary beam, as is for example in FIG. 2 for the focusing measurement method is shown instead of a partially transparent deflecting mirror a pierced front mirror could also be used. The light source and deflecting mirror could also be applied to the triangulation measurement method be arranged transversely to the normal in the measuring point and the photodiode in the direction of the Secondary light behind the deflecting mirror. The line diode 21 only supplies the signal for distance measurement

sung und ist vollkommen von der Steuerung für die Schwenkbewegung entkoppelt.sung and is perfectly out of control for that Swivel movement decoupled.

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.5 and 6 show a view of the illuminated Side of the optoelectronic transducer 6, 6 'or 6 ". That which occurs in the surface of the photocell Light is plotted in lines of equal intensity for representation. The maximum of the intensity distribution lies in FIG eccentric to the center of the photodiode. The eccentric position of the intensity maximum an oblique illumination of the object surface according to FIG. 2 correspond. A concentric one Arrangement in the center of the photodiode according to Figure 6 would be orthogonal to the object surface mean aligned probe head axis.

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.Non-contact, optical distance measuring devices based on the triangulation and focusing method can, for example, be used as a one-dimensional probe on coordinate measuring machines Cartesian traversing options or in articulated arms as used, for example, at Meßröbuierii to determine the coordinate values of a component by contour, point or line. In addition the probe should measure the distance between the surface point just probed and a reference point on a machine part moving in terms of coordinates, in particular the quill of a coordinate measuring device or the hand of a robot. If the direction of the distance measurement is known, you can summarize reached the absolute coordinates of the surface point by coordinate transformation will.

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.For distance measurements using the focusing measurement method the focus is set by shifting the measuring device or changing the focal length in the scanning direction periodically or continuously moved relative to the workpiece surface. If the angular position of the optical axis 13 of the probe head 1 is maintained constant during a measuring process, is the change the intensity of the light backscattered from the workpiece surface is mainly a function of the Focus distance to the workpiece surface. The measurement of the intensity gives a relative maximum, when the focal point 8 lies exactly in the surface. In most cases it is not absolutely necessary that the optical axis 13 of the probe head 1 is aligned orthogonally to the test object surface, but are at orthogonal alignment, higher measuring accuracies can be achieved, since that which falls back in the lighting optics Light is measured, which is then a maximum. The intensity curve as a function of the focus shift then also has a pronounced maximum, which makes it much easier to find the maximum will. In the case of convexly curved surfaces, measurement errors occur when probing at an angle, which is the result of this are that depending on the focal distance to the object surface, the angular position of the intensity maximum of the scattering cone of the backscattered light changes.

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. For the orthogonal alignment of the optical axis 13 of the probe head 1 on the object surface 5, is another photodiode arranged in the backscattered light, which is made up of a number of individual diodes which are arranged distributed over an area. Such a two-dimensionally resolving photodiode can be use to generate control signals for pivoting movements of the rotary drives on the joints, if a brightness distribution over the surface that deviates from a given intensity distribution the photodiode is present. In the exemplary embodiment, alignment movements are completed when a The brightness distribution is symmetrical to the center of the photodiode. Of course, as in the exemplary embodiment provided, a single planar photodiode also for measuring the intensity can be used to determine the distance, which depends on the focal position to the workpiece surface. Instead of a laterally arranged photodiode, a photodiode can, for example, also be in the beam path be attached in front of the object surface for the passage of the primary light beam, especially if this as in Fig. 2 is only thin, has a corresponding opening. Furthermore, the diode behind a Deflecting mirror be arranged, as in the embodiment according to Fi g. 3 shown. Control signals for pivoting movements are generated when the light backscattered outside the beam path of the illumination optics has an asymmetrical distribution owns. The arrangement of the individual diodes on the photodiode can be done in any way, the arrangement is preferred center symmetrical. The diodes can then be more constant radially in rows or also in circumferential lines Be arranged division. Provided that the alignment of the probe head 1 solely by pivoting movements the rod sections takes place, the measuring point touched at the beginning cannot be retained. Should this be nevertheless desired, with each pivoting movement the angle change must be correspondingly translational Movements of the probe head 1 and the holder go hand in hand, for example by means of a microprocessor can be determined from the control signal of the photodiode. Alternatively, the rotary and Pivoting movements can also be performed mechanically as a ball link guide concentric to the focal point or nominal distance point of the distance measuring device.

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.The remarks on the focusing measurement process apply to the arrangements for deflecting mirrors and photodiodes in the same way for the triangulation method, especially when the primary light beam should illuminate the surface orthogonally. To determine the distance, however, an angle to the optical one is used Receiver optics arranged on the axis of the primary light beam. The receiver optics are linear with a or also equipped with extensive photodiode for determining the distance. It is used to determine the scattered light intensity distribution, which in the case of a defined distribution is a certain distance of the measuring device from the object surface.

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 However, the position-sensitive optoelectronic transducer 6 ″ is provided for position alignment, the indirect or directly measures the intensity distribution around the optical axis of the primary light beam If for a triangulation measuring method illuminates a primary light beam obliquely onto a surface in a preferred position should, the optoelectronic converter is to be arranged in the area of that position of the light beam axis, which corresponds to the preferred relative position between the primary light beam and the surface to be measured

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Optical distance measuring device with a surface of a measurement object to be touched by means of a lens system focused light emitting probe head, further with at least a planar resolving optoelectronic transducer to measure the amount returned from the surface Light according to intensity and position for the distance control of the probe head relative to the surface of the measurement object and for setting the probe head in a preferred Pivot position, including a displacement drive and a pivot drive from the converter (s) of the probe head are controllable, characterized in that the primary light is preferably sent from a single point orthogonally to the surface to be touched and that the stray light that is coaxially scattered back from the surface to be touched to the beam direction on dsn according to the extent of the scattered light beam sized transducer (6,6 ', 6 ") is that according to the local position of the maximum intensity of the scattered light on it Actuates the swivel drive of the probe head

Z device according to claim 1, characterized in that the measuring probe head (1) is two to one another vertical axes is pivotable

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the planar resolving optoelectronic Converter (6, 6 ', 6 ") is arranged around the optical axis of the primary light beam and to the passage of which has a corresponding recess

4. Device according to claims: 1, 2 or 3, thereby characterized in that the planar resolving optoelectronic transducer (6, 6 ', 6 ") is next to the side The primary light bundle is arranged and can be acted upon by secondary light via a beam splitter (11, 11 ') is.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the light source (9) with their beam direction transverse to the surface normal and a primary light beam on the surface deflecting deflecting mirror (11 ') are arranged in the beam path and that the optoelectronic Converter (6 ') - in the direction of the secondary light - is arranged behind the deflecting mirror

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the optoelectronic Converter is a photodiode.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the optoelectronic Converter is designed in center-symmetrical single diode arrangements.