CH658312A5 - NON-CONTACT ASTIGMATIC OPTICAL PROBE. - Google Patents
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Description
La présente invention se rapporte à une sonde optique utilisée en métrologie dimensionnelle et plus particulièrement à l'établissement sans contact de cartes de surface, à l'aide d'une sonde de mesure optique selon la partie introductive des revendications 1 et 12. The present invention relates to an optical probe used in dimensional metrology and more particularly to the contactless establishment of surface maps, using an optical measurement probe according to the introductory part of claims 1 and 12.
Dans différentes applications scientifiques et techniques, il peut être souhaité d'obtenir le profil de la surface d'un objet. Par exemple, le développement de véhicules de terre, d'air et d'espace nécessite l'établissement de cartes de contour de différentes surfaces des véhicules afin de permettre une analyse correcte des caractéristiques mécaniques et aérodynamiques. Des modifications du projet peuvent ensuite être entreprises et une carte d'un contour amélioré peut être produite en vue de permettre une nouvelle optimisation du projet. De plus, dans certains cas, la description du contour d'un objet est importante pour le contrôle de la fabrication et de la qualité. Les composants soumis à des efforts élevés, tels que les engrenages, les ailettes de turbines et de ventilateurs, etc., doivent être usinés avec des tolérances très élevées. Souvent, on établit une carte détaillée du contour d'un objet en vue de son utilisation comme gabarit et standard de qualité lors d'une production de masse ultérieure. In different scientific and technical applications, it may be desired to obtain the profile of the surface of an object. For example, the development of land, air and space vehicles requires the establishment of contour maps of different vehicle surfaces in order to allow a correct analysis of the mechanical and aerodynamic characteristics. Project modifications can then be undertaken and a map of an improved outline can be produced to allow further optimization of the project. In addition, in some cases, describing the outline of an object is important for manufacturing and quality control. Components subjected to high forces, such as gears, turbine and fan fins, etc., must be machined with very high tolerances. Often, a detailed outline map of an object is drawn up for use as a template and quality standard in subsequent mass production.
Différentes sondes ont été développées pour permettre d'établir une carte du contour d'une surface cible. Par exemple, il existe des sondes de contact à usages multiples, de haute précision et bon marché. Toutefois, les sondes de contact abîment, dans une certaine mesure, la surface contrôlée et leur pointe palpeuse s'use. Si une erreur est commise dans le positionnement de la sonde, la sonde et la surface peuvent être gravement endommagées. De plus, dans certains cas, la surface cible, par exemple une ailette de compresseur, Different probes have been developed to allow a contour map of a target surface to be established. For example, there are inexpensive, high-precision, multipurpose contact probes. However, the contact probes damage, to some extent, the controlled surface and their feeler tip wears out. If an error is made in the positioning of the probe, the probe and the surface can be seriously damaged. In addition, in certain cases, the target surface, for example a compressor fin,
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est tellement mince qu'une sonde à contact peut la déformer et introduire ainsi des erreurs de mesure. is so thin that a contact probe can deform it and introduce measurement errors.
Pour éviter les difficultés rencontrées lors de l'utilisation des sondes de contact pour l'établissement des cartes de contours, on a essayé différentes techniques de traçage sans contact de profils. Un système utilisant l'interférométrie optique ponctuelle conduit à une précision élevée, mais est souvent trop sensible dans certaines applications. Les procédés utilisant l'interférométrie optique ponctuelle nécessitent des composants optiques coûteux, un alignement critique de l'appareillage optique, une bonne résolution contre les vibrations et un traitement électronique sophistiqué. To avoid the difficulties encountered when using contact probes for establishing contour maps, various techniques of contactless profile tracing have been tried. A system using point optical interferometry leads to high precision, but is often too sensitive in certain applications. Processes using point optical interferometry require expensive optical components, critical alignment of the optical apparatus, good resolution against vibration and sophisticated electronic processing.
On a développé d'autres techniques utilisant l'interférométrie optique de surface qui, de même que l'interférométrie ponctuelle, requiert des composants coûteux, une isolation contre les vibrations et un traitement sophistiqué du signal. De plus, l'interférométrie optique de surface s'est révélée très sensible aux défauts d'alignement et doit recourir à des procédés longs et complexes de traitement de l'image pour diminuer les franges obtenues. Cette technique est limitée à l'inspection de cibles dont les surfaces sont hautement polies, réfléchies de façon spectaculaire et sujettes au même alignement critique que celui nécessaire pour le système de mesure. Other techniques have been developed using optical surface interferometry which, like point interferometry, require expensive components, vibration isolation and sophisticated signal processing. In addition, optical surface interferometry has been shown to be very sensitive to misalignments and must use long and complex image processing methods to reduce the fringes obtained. This technique is limited to the inspection of targets with highly polished surfaces, spectacularly reflected and subject to the same critical alignment as that required for the measurement system.
D'autres techniques sans contact sont décrites dans les mémoires des brevets U.S Nos 3 481 672, 3 679 307 et 4 299 491. Other contactless techniques are described in the U.S. patent submissions Nos. 3,481,672, 3,679,307 and 4,299,491.
On voit ainsi que le besoin existe pour une sonde optique sans contact, simple et précise et destinée à être utilisée dans l'établissement de cartes de contours de surfaces et la mesure de petites distances. La présente invention est caractérisée par les parties caractérisantes des revendications 1 et 12. Elle a pour objet une sonde de mesure optique sans contact qui permet l'établissement d'une carte détaillée du contour d'une surface cible et qui n'est pas sujette à un alignement critique et à des problèmes de vibrations tels que ceux rencontrés dans les dispositifs connus. Comme il découlera de la description qui suit, l'invention trouve de nombreuses autres applications en métrologie dimensionnelle, en plus du profilage de surfaces. It is thus seen that the need exists for a contactless optical probe, simple and precise and intended to be used in the establishment of contour maps of surfaces and the measurement of small distances. The present invention is characterized by the characterizing parts of claims 1 and 12. It relates to a non-contact optical measurement probe which allows the establishment of a detailed map of the contour of a target surface and which is not subject critical alignment and vibration problems such as those encountered in known devices. As will follow from the description which follows, the invention finds numerous other applications in dimensional metrology, in addition to the profiling of surfaces.
On va décrire une sonde optique perfectionnée destinée notamment à être utilisée dans l'établissement des cartes de contours de surfaces et les systèmes de jauge à petite distance. La sonde comprend un laser ou autre source de lumière, qui projette un faisceau de lumière à travers des lentilles cylindriques croisées, pour induire artificiellement de l'astigmatisme dans le faisceau. Le faisceau astigmatique est ensuite projeté sur la surface à tracer, en utilisant des moyens direecteurs de lumière appropriés. Le rayonnement rétrodif-fusé, réfléchi depuis la surface cible, est capté par des moyens capteurs et focalisé sur un photodétecteur ou autres moyens appropriés de détection de rayonnement. La forme du faisceau de lumière astigmatique projeté varie en fonction de la distance avec la sonde optique. Un point situé en aval de la sonde optique où le faisceau optique forme un spot de forme générale circulaire est défini comme point focal central «nul» (Z = 0). En amont de ce point vers la sonde optique, le faisceau astigmatique forme un spot elliptique (en Z = Zo) et pareillement en aval du point Zéro le faisceau forme un spot elliptique (en Z = + Zo) qui est tourné sensiblement de 90° relativement au spot aval Zo. Ainsi, la forme de l'image projetée sur le photodétecteur par les moyens capteurs dépend de la distance entre la sonde optique et la surface cible. We will describe an improved optical probe intended in particular to be used in the establishment of contour maps of surfaces and gauge systems at a short distance. The probe includes a laser or other light source, which projects a beam of light through crossed cylindrical lenses, to artificially induce astigmatism in the beam. The astigmatic beam is then projected onto the surface to be traced, using appropriate light-indicating means. The backscattered radiation, reflected from the target surface, is captured by sensor means and focused on a photodetector or other suitable means of detecting radiation. The shape of the projected astigmatic light beam varies depending on the distance from the optical probe. A point located downstream of the optical probe where the optical beam forms a spot of generally circular shape is defined as “zero” central focal point (Z = 0). Upstream from this point towards the optical probe, the astigmatic beam forms an elliptical spot (at Z = Zo) and similarly downstream from point Zero the beam forms an elliptical spot (at Z = + Zo) which is turned substantially by 90 ° relative to the downstream spot Zo. Thus, the shape of the image projected onto the photodetector by the sensor means depends on the distance between the optical probe and the target surface.
En conséquence, en observant la sortie de chaque élément du photodêtecteur, la distance entre la sonde et la surface cible peut être maintenue constante et une carte du contour de la surface peut être établie en utilisant les techniques connues d'établissement de cartes. Consequently, by observing the output of each element of the photodetector, the distance between the probe and the target surface can be kept constant and a map of the outline of the surface can be established using known mapping techniques.
Une autre forme d'exécution est prévue dans laquelle un faisceau de lumière non astigmatique est projeté sur la surface à reproduire. Le rayonnement rétrodiffusé réfléchi par la surface cible est capté et passé à travers des lentilles cylindriques croisées pour induire l'astigmatisme dans le faisceau reçu. Le faisceau astigmatique est ensuite focalisé sur un photodétecteur. Comme dans le cas de la première forme d'exécution, la forme du faisceau reçu est fonction de la distance entre la sonde et la surface cible, ce qui permet d'établir une carte du contour. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, Another embodiment is provided in which a non-astigmatic beam of light is projected onto the surface to be reproduced. Backscattered radiation reflected from the target surface is captured and passed through crossed cylindrical lenses to induce astigmatism in the received beam. The astigmatic beam is then focused on a photodetector. As in the case of the first embodiment, the shape of the received beam is a function of the distance between the probe and the target surface, which makes it possible to establish a map of the contour. The accompanying drawing shows, by way of example,
deux formes d'exécution de la sonde: two embodiments of the probe:
la figure 1 illustre la projection d'un faisceau de lumière astigmatique sur un détecteur à quadrants selon la présente invention; s la figure 2 est une représentation schématique d'une première forme d'exécution; FIG. 1 illustrates the projection of an astigmatic light beam on a quadrant detector according to the present invention; FIG. 2 is a schematic representation of a first embodiment;
la figure 3 est une représentation graphique de l'induction de l'astigmatisme dans un faisceau de lumière en utilisant des lentilles cylindriques croisées; Figure 3 is a graphical representation of the induction of astigmatism in a light beam using crossed cylindrical lenses;
io la figure 4 est un graphique représentant la sortie électrique du détecteur à quadrants de la figure 1 en fonction de la distance entre la sonde selon l'invention et la surface cible; FIG. 4 is a graph representing the electrical output of the quadrant detector of FIG. 1 as a function of the distance between the probe according to the invention and the target surface;
la figure 5 est une variante de la forme d'exécution représentée à la figure 2, et FIG. 5 is a variant of the embodiment shown in FIG. 2, and
15 la figure 6 est une représentation graphique de l'utilisation de la présente invention pour obtenir le tracé du contour de la surface d'un objet cible. Figure 6 is a graphical representation of the use of the present invention to plot the outline of the surface of a target object.
On va décrire une sonde optique sans contact destinée à être utilisée dans l'établissement des cartes de contours de surfaces et le cali-20 brage de petites distances. Dans la description qui suit, on mentionne de nombreux détails tels que nombres spécifiques, lentilles, matériaux et configurations afin de permettre une parfaite compréhension de la présente invention. Toutefois, il est clair pour les hommes du métier que l'invention peut être mise en œuvre sans ces 25 détails spécifiques. Dans d'autres cas, des composants bien connus tels que détecteurs, moyens de traitement électriques, etc., n'ont pas été décrits en détail pour ne pas compliquer inutilement la description. We will describe a contactless optical probe intended to be used in the establishment of surface contour maps and the calibration of short distances. In the description which follows, numerous details are mentioned such as specific numbers, lenses, materials and configurations in order to allow a perfect understanding of the present invention. However, it is clear to those skilled in the art that the invention can be implemented without these specific details. In other cases, well-known components such as detectors, electrical processing means, etc., have not been described in detail so as not to unnecessarily complicate the description.
La figure 1 représente une sonde 10, qui projette un faisceau de 30 lumière astigmatique 12 sur la surface cible dont la carte doit être établie. La forme de la section transversale du faisceau de lumière 12 varie en fonction de la distance de la sonde 10. Comme représenté, la forme du faisceau de lumière astigmatique 12 est sensiblement circulaire en un point défini comme étant le foyer central (CF) du fais-35 ceau (Z = o). En amont (Z = Zo) vers la sonde 10, le faisceau de lumière 12 prend la forme d'une ellipse orientée sensiblement verticalement. La forme en aval (Z = Zo) du faisceau 12 est une ellipse orientée sensiblement de 90° par rapport à la forme en amont. Comme on le discutera plus loin, l'utilisation d'un faisceau astigma-40 tique permet de maintenir avec précision la distance entre la sonde 10 et la surface cible afin d'établir la carte du contour d'une surface cible. FIG. 1 represents a probe 10, which projects a beam of astigmatic light 12 onto the target surface whose map is to be established. The shape of the cross section of the light beam 12 varies as a function of the distance from the probe 10. As shown, the shape of the astigmatic light beam 12 is substantially circular at a point defined as being the central focus (CF) of the beam. -35 skin (Z = o). Upstream (Z = Zo) towards the probe 10, the light beam 12 takes the form of an ellipse oriented substantially vertically. The downstream shape (Z = Zo) of the beam 12 is an ellipse oriented substantially 90 ° relative to the upstream shape. As will be discussed later, the use of an astigma-40 tick beam makes it possible to precisely maintain the distance between the probe 10 and the target surface in order to establish the contour map of a target surface.
On va maintenant décrire la forme d'exécution illustrée à la figure 2. La sonde optique sans contact 10 comprend une source de 45 lumière 14 constituée par un laser, une diode émettrice de lumière ou analogue, et destinée à émettre une lumière de longueur d'onde voulue. La lumière émise 16 est passée à travers une lentille collima-trice 17 afin de former des rayons sensiblement parallèles. The embodiment illustrated in FIG. 2 will now be described. The non-contact optical probe 10 comprises a light source 14 constituted by a laser, a light-emitting diode or the like, and intended to emit light of length d wave wanted. The light emitted 16 is passed through a collimating lens 17 in order to form substantially parallel rays.
De l'astigmatisme est introduit artificiellement dans le faisceau 50 de lumière 16 en utilisant deux lentilles cylindriques croisées 18 et 20. Comme on le voit le mieux à la figure 3, l'utilisation, dans l'invention, de lentilles cylindriques croisées induit l'astigmatisme voulu dans le faisceau 16, de manière à former un spot sensiblement circulaire au foyer central (CF) du faisceau astigmatique. Ce foyer central 55 est défini par Z = 0 le long d'un axe Z passant sensiblement perpendiculairement à travers les lentilles 18 et 20, comme illustré à la figure 3. La forme du faisceau 16 en amont du foyer central (Z = Zo) est une ellipse dont l'axe principal est orienté verticalement et parallèlement à l'axe longitudinal principal de la lentille cylindrique 60 20. En aval du foyer central (Z = + Zo), la forme du faisceau 16 est de nouveau une ellipse, mais dont l'axe principal est tourné d'environ 90° par rapport à l'ellipse amont. Ainsi, la forme du faisceau 16 en Z = + Zo est celle d'une ellipse dont l'axe principal est parallèle à l'axe longitudinal de la lentille cylindrique 18. La section transver-65 sale du faisceau 16 dépend ainsi de la distance depuis les lentilles croisées. On notera que, bien que l'invention utilise des lentilles cylindriques croisées pour induire de l'astigmatisme artificiel, d'autres procédés semblables, faisant usage de combinaisons de lentilles ou Astigmatism is artificially introduced into the beam of light 50 using two crossed cylindrical lenses 18 and 20. As can best be seen in FIG. 3, the use, in the invention, of crossed cylindrical lenses induces the astigmatism desired in the beam 16, so as to form a substantially circular spot at the central focus (CF) of the astigmatic beam. This central focal point 55 is defined by Z = 0 along an axis Z passing substantially perpendicularly through the lenses 18 and 20, as illustrated in FIG. 3. The shape of the beam 16 upstream from the central focal point (Z = Zo) is an ellipse whose main axis is oriented vertically and parallel to the main longitudinal axis of the cylindrical lens 60 20. Downstream of the central focus (Z = + Zo), the shape of the beam 16 is again an ellipse, but whose main axis is rotated about 90 ° relative to the upstream ellipse. Thus, the shape of the beam 16 in Z = + Zo is that of an ellipse whose main axis is parallel to the longitudinal axis of the cylindrical lens 18. The dirty cross-65 section of the beam 16 thus depends on the distance from the crossed lenses. It should be noted that, although the invention uses crossed cylindrical lenses to induce artificial astigmatism, other similar methods, making use of combinations of lenses or
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analogues, peuvent également être utilisés pour obtenir le même résultat. analogues, can also be used to achieve the same result.
En se reportant à nouveau à la figure 2, on voit que le faisceau 16, après avoir passé à travers les lentilles croisées 18 et 20, est envoyé, par exemple par un séparateur de faisceau 28, sur la surface cible 30 dont la carte doit être établie. Referring again to FIG. 2, it can be seen that the beam 16, after having passed through the crossed lenses 18 and 20, is sent, for example by a beam splitter 28, to the target surface 30 whose card must be established.
La surface 30 disperse le faisceau 16 en fonction de la nature de cette surface. Par exemple, si la surface cible 30 est relativement lisse, une partie importante du faisceau 16 sera réfléchie. Si la surface cible 30 est rugueuse, ou piquée et inégale, le faisceau 16 sera plus ou moins dispersé. Comme on le verra plus loin, bien que les caractéristiques de surface de la surface cible 30 fassent varier la quantité de lumière réfléchie, dispersée ou absorbée, la sortie globale obtenue selon l'invention dépend de la distance entre la sonde et la surface 30. The surface 30 disperses the beam 16 as a function of the nature of this surface. For example, if the target surface 30 is relatively smooth, a large part of the beam 16 will be reflected. If the target surface 30 is rough, or pitted and uneven, the beam 16 will be more or less scattered. As will be seen below, although the surface characteristics of the target surface 30 vary the amount of light reflected, dispersed or absorbed, the overall output obtained according to the invention depends on the distance between the probe and the surface 30.
La lumière rétrodiffusée 32, qui a été réfléchie par la surface cible 30, est captée par la lentille d'objectif 34 et focalisée sur un détecteur à quadrants 36 couplé à une électronique appropriée 37. Bien que la présente invention utilise une lentille d'objectif 34 pour capter le rayonnement dispersé du faisceau 16 qui a été projeté sur la surface cible 30, il est clair que d'autres moyens collecteurs peuvent être utilisés pour obtenir le même résultat. The backscattered light 32, which has been reflected from the target surface 30, is picked up by the objective lens 34 and focused on a quadrant detector 36 coupled to appropriate electronics 37. Although the present invention uses an objective lens 34 to capture the scattered radiation of the beam 16 which has been projected onto the target surface 30, it is clear that other collecting means can be used to obtain the same result.
Comme on le voit le mieux à la figure 1, le détecteur à quadrants 36 comprend quatre éléments photosensibles 40, 42, 44 et 46. As best seen in FIG. 1, the quadrant detector 36 comprises four photosensitive elements 40, 42, 44 and 46.
Lorsque la distance entre les lentilles cylindriques croisées 18 et 20 et la surface cible 30 est égale à la distance au foyer central, la radiation rétrodiffusée 32 focalisée sur le détecteur 36 forme un spot sensiblement symétrique et circulaire 35. Ainsi, les sorties des quadrants sont sensiblement égales. Dans le cas où la surface cible 30 tombe à l'intérieur de la partie amont du faisceau astigmatique 16 qui a une forme générale elliptique avec l'axe principal parallèle à l'axe y (voir figure 3), la sortie combinée des quadrants 40 et 44 dépasse celle des quadrants 42 et 44. Inversement, si la surface cible tombe dans la partie aval du faisceau astigmatique qui présente une section transversale elliptique disposée à 90° de la section transversale amont, la sortie des éléments photosensibles 42 et 46 dépasse la sortie des éléments 40 et 44 du détecteur 36. When the distance between the crossed cylindrical lenses 18 and 20 and the target surface 30 is equal to the distance to the central focus, the backscattered radiation 32 focused on the detector 36 forms a substantially symmetrical and circular spot 35. Thus, the outputs of the quadrants are substantially equal. In the case where the target surface 30 falls inside the upstream part of the astigmatic beam 16 which has a generally elliptical shape with the main axis parallel to the y axis (see FIG. 3), the combined output of the quadrants 40 and 44 exceeds that of quadrants 42 and 44. Conversely, if the target surface falls in the downstream part of the astigmatic beam which has an elliptical cross section arranged at 90 ° from the upstream cross section, the exit of the photosensitive elements 42 and 46 exceeds the output of elements 40 and 44 of detector 36.
Les sorties des quatre éléments sont sommées et soustraites pour produire des tensions de la forme: The outputs of the four elements are summed and subtracted to produce tensions of the form:
Vou. = KP You. = KP
Vo = KP+ Vo = KP +
où or
K = Constante de proportionnalité K = Constant of proportionality
P = P42 + P45 P40 P44 P = P42 + P45 P40 P44
P+ = P42 P« + P40 + P44 P + = P42 P «+ P40 + P44
pm = Puissance optique totale venant frapper chacun des éléments détecteurs m où m = 40, 42, 44 ou 46. pm = Total optical power striking each of the detector elements m where m = 40, 42, 44 or 46.
La figure 4 représente la sortie Vout/V„ reportée en fonction de la distance entre la surface cible 30 et le foyer central 16 de la sonde 10. La distance depuis le foyer central du faisceau astigmatique 16 est mesurée le long de l'abscisse de la figure 4, et la sortie du détecteur normalisée par V0Ut/V0 est reportée en ordonnée. FIG. 4 represents the output Vout / V „plotted as a function of the distance between the target surface 30 and the central focus 16 of the probe 10. The distance from the central focus of the astigmatic beam 16 is measured along the abscissa of FIG. 4, and the output of the detector normalized by V0Ut / V0 is reported on the ordinate.
Comme prévu, la sortie du détecteur atteint son maximum lorsque le détecteur 36 est situé au voisinage de l'un de ses foyers (Zo et + Zo). Entre les deux foyers, elle est généralement linéaire et n'a qu'une valeur. A l'extérieur des deux foyers, le signal tend asymptomatiquement vers zéro. As expected, the detector output reaches its maximum when the detector 36 is located in the vicinity of one of its homes (Zo and + Zo). Between the two foci, it is generally linear and has only one value. Outside the two foci, the signal tends asymptomatically towards zero.
Bien que la forme d'exécution actuellement préférée utilise un photodétecteur 36 à quatre quadrants, il est clair que d'autres combinaisons d'éléments détecteurs sont possibles. Par exemple, l'invention peut utiliser de façon satisfaisante un détecteur à deux éléments. Dans ce cas, la sortie de chaque élément est comparée afin d'identifier la position de la sonde 10 relativement à la surface cible 30, cela en se fondant sur la nature du rayonnement rétrodiffusé. Although the presently preferred embodiment uses a four-quadrant photodetector 36, it is clear that other combinations of detector elements are possible. For example, the invention can satisfactorily use a two-element detector. In this case, the output of each element is compared in order to identify the position of the probe 10 relative to the target surface 30, this being based on the nature of the backscattered radiation.
La figure 5 illustre une autre forme d'exécution de l'invention. FIG. 5 illustrates another embodiment of the invention.
Les éléments de la forme d'exécution selon la figure 5, qui sont les mêmes que ceux décrits en regard de la figure 2, sont référencés par les mêmes chiffres, pour simplifier. La source de lumière 14 émet un faisceau de lumière 42 qui traverse une lentille collimatrice 44 afin de projeter le faisceau sur une surface cible 30. Le rayonnement rétrodiffusé 50 réfléchi depuis la surface 30 est dirigé par un séparateur de faisceau 52 ou analogue vers les lentilles cylindriques croisées 54 et 56. Comme dans la forme d'exécution selon la figure 2, les lentilles croisées 54 et 56 induisent artificiellement de l'astigmatisme dans le faisceau capté 50 et focalisent le faisceau sur un détecteur à quadrants 36 couplé à une électronique appropriée 37. Comme décrit précédemment, la sortie du détecteur à quadrants 36 produit des signaux indiquant la position de la sonde 10 relativement à la surface cible 30. On a constaté que l'utilisation du système de réception astigmatique illustré à la figure 5 produit une sortie de détecteur sensiblement la même que celle représentée à la figure 4. Les deux formes d'exécution des figures 2 et 5 utilisent de l'astigmatisme formé artificiellement afin de faire varier la géométrie du faisceau dirigé sur un détecteur à quadrants en fonction de la distance entre la sonde 10 et la surface cible. The elements of the embodiment according to Figure 5, which are the same as those described with reference to Figure 2, are referenced by the same numbers, for simplicity. The light source 14 emits a light beam 42 which passes through a collimating lens 44 in order to project the beam onto a target surface 30. The backscattered radiation 50 reflected from the surface 30 is directed by a beam splitter 52 or the like towards the lenses crossed cylindrical 54 and 56. As in the embodiment according to FIG. 2, the crossed lenses 54 and 56 artificially induce astigmatism in the captured beam 50 and focus the beam on a quadrant detector 36 coupled to appropriate electronics 37. As described above, the output of the quadrant detector 36 produces signals indicating the position of the probe 10 relative to the target surface 30. It has been found that the use of the astigmatic reception system illustrated in FIG. 5 produces an output detector substantially the same as that shown in Figure 4. The two embodiments of Figures 2 and 5 use astigmatism formed artificially cially in order to vary the geometry of the beam directed on a quadrant detector as a function of the distance between the probe 10 and the target surface.
La figure 6 illustre une application possible de la présente invention. La sonde 10 est couplée, par une articulation 60, à une machine 62 pour mesurer les coordonnées. L'articulation 60 comprend des liaisons transductrices 64, 66 et 68 pour permettre au bras 60 de se déplacer dans trois dimensions (X, Y, Z). Pour obtenir une carte du contour de la surface, constituée par les coordonnées X, Y, Z des points d'une cible (par exemple l'avion Zo), le bras articulé 60 est maintenu à une distance de mesure constante «d» de la cible 70. Cette distance d est égale à la distance entre le foyer central du faisceau astigmatique et la sonde 10. Le signal de sortie selon l'invention, pour cette distance de mesure, est défini comme le point «Zéro» (Z = 0). Le signal de sortie de la sonde 10 peut ensuite être utilisé pour contrôler la position de la sonde de manière que le foyer central soit maintenu sur la surface cible. Ainsi, le bras articulé 60 peut être utilisé pour déplacer la sonde sur la surface 70 tout en maintenant une distance de mesure constante. Les coordonnées (X, Y, Z) de chaque point de la cible 70 sur laquelle passe la sonde peuvent être obtenues par un traitement approprié des signaux fournis par les transducteurs 64, 66 et 68, de manière qu'une carte du contour de la surface de la cible soit établie relativement à un point de départ choisi arbitrairement comme origine. Figure 6 illustrates a possible application of the present invention. The probe 10 is coupled, by an articulation 60, to a machine 62 for measuring the coordinates. The articulation 60 includes transducer connections 64, 66 and 68 to allow the arm 60 to move in three dimensions (X, Y, Z). To obtain a map of the contour of the surface, consisting of the X, Y, Z coordinates of the points of a target (for example the plane Zo), the articulated arm 60 is maintained at a constant measurement distance "d" of the target 70. This distance d is equal to the distance between the central focus of the astigmatic beam and the probe 10. The output signal according to the invention, for this measurement distance, is defined as the point "Zero" (Z = 0). The output signal from probe 10 can then be used to control the position of the probe so that the central focus is maintained on the target surface. Thus, the articulated arm 60 can be used to move the probe on the surface 70 while maintaining a constant measurement distance. The coordinates (X, Y, Z) of each point of the target 70 over which the probe passes can be obtained by appropriate processing of the signals supplied by the transducers 64, 66 and 68, so that a map of the contour of the target surface is established relative to a starting point arbitrarily chosen as the origin.
On notera que, bien que la figure 6 illustre une utilisation de l'invention dans laquelle la sonde 10 est utilisée pour maintenir le bras articulé à une distance constante de la surface cible, cette sonde peut également être utilisée pour mesurer directement des variations de la surface cible. La plage de mesure de la sonde 10 sera généralement définie comme étant la distance comprise entre les deux foyers Zo et 4- Zo. Pour autant que la sortie du détecteur 36 est sensiblement linéaire entre chacun des foyers, on peut détecter de petits changements de contour et de distances. Ainsi, la présente invention est utile pour maintenir le contrôle de la qualité pour des objets à tolérances étroites tels par exemple qu'engrenages, milieux d'emmagasinage magnétiques, etc. Pour une plus grande précision, on peut utiliser des moyens de traitement non linéaires pour linéariser le signal sur une gamme de mesure étendue. Note that, although Figure 6 illustrates a use of the invention in which the probe 10 is used to maintain the articulated arm at a constant distance from the target surface, this probe can also be used to directly measure variations in the target area. The measurement range of the probe 10 will generally be defined as the distance between the two focal points Zo and 4- Zo. Provided that the output of the detector 36 is substantially linear between each of the focal points, small changes in outline and distances can be detected. Thus, the present invention is useful for maintaining quality control for objects with close tolerances such as, for example, gears, magnetic storage media, etc. For greater accuracy, non-linear processing means can be used to linearize the signal over a wide measurement range.
Ainsi, on a présenté une sonde optique sans contact, perfectionnée et destinée à être utilisée particulièrement dans l'établissement de cartes de contours et la mesure de petites distances. Thus, an improved contactless optical probe has been presented, intended for use particularly in establishing contour maps and measuring short distances.
La sonde est simple, fiable et peut aisément être interfacée avec des dispositifs mécaniques et électriques existants pour relever les cartes de contours. The probe is simple, reliable and can easily be interfaced with existing mechanical and electrical devices for reading contour maps.
5 5
10 10
15 15
20 20
25 25
30 30
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
R R
4 feuilles dessins 4 sheets of drawings
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