DE2716869A1

DE2716869A1 - Verfahren und vorrichtung zum optischen messen einer abmessung eines objekts

Info

Publication number: DE2716869A1
Application number: DE19772716869
Authority: DE
Inventors: Morton Kaye
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-04-19
Filing date: 1977-04-16
Publication date: 1977-10-27
Also published as: DK171677A; NL7704206A; CH615748A5; GB1581948A; CA1088302A; US4113389A; JPS52128170A; AU2425477A; FR2349126A1

Description

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DH. ing. II. NEGENDANK (-1073) · dipping. H. IIAUCK · dipl.-phys. W. SCIIMTTZ DIPL-INO-ILGHAALFS · dipl-ino. W.WEHNERT · dipu-phys. W. CARSTENS Dr. Ing. W. Döring himburo-münchen

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TIUOl. NEGBOAPATENT Β AM BÜRO 8OOO MÜNCHEN 2 · MOZARTSTR. 23

Morton Kaye

122 Third Street tilioi. nkoedapatbnt München

Stamford, Conn. 06905 Hamburg. 13. April 1977

USA

Verfahren und Vorrichtung zum optischen Messen einer Abmessung efcies Objekts

Kurzfassung

Ein Mikroskop-Projektor-System wird verwendet, um einen Übergang zwischen hellen und dunklen Bereichen auf einem Objekt abzubilden und zu betrachten. Die Position des Schattens entspricht der vertikalen Position eines Teils des Objekts, und eine verstellbare Einrichtung wird verwendet, um die Position des Mikroskop-Projektors in bezug auf das Objekt zu verstellen. Eine Fernsehkamera kann an das Mikroskop angeschlossen sein, um das Bild auf einen Monitor zu geben. Vertikales Verstellen der Mikroskop-Projektor-Anordnung ermöglicht die Messung der Dicke, beispielsweise in bezug auf ein Bezugsniveau. Die Abtastzeilen der Fernsehkamera können auch dazu verwendet werden, um die

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Position des Schattens zu bestimmen und die Dicke des Objekts anzuzeigen, und ferner dazu, die Position des Schattens automatisch auf ein Bezugsniveau nachzustellen. Ferner können elektronische Schalteinrichtungen eine Rolle spielen, um aus dem Übergang in Abtastzeilen die horizontalen Abmessungen eines Objekts zu bestimmen.

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Die Erfindung bezieht sich auf optische Meßanlagen und insbesondere a,uf ein Verfahren ujid eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Dicke von Objekten in bestimmten Regionen, wie auch der äußeren Abmessungen von Objekten.

Die Erfindung ist von besonderem Interesse bei der Bestimmung der Dicke von Metall unterhalb einer Reißlinie, beispielsweise in Metallscheiben, die in den Oberseiten von Dosen verwendet werden. Es ist allgemein bekannt, daß es Dosen gibt, die Reißlinien aufweisen, um Bereiche, die durch die Reißlinien definiert' sind, ohne weiteres öffnen zu können. Es ist natürlich von entscheidender Bedeutung, daß die Tiefe der Reißlinien und insbesondere des Dicke des unterhalb der Reißlinien verbleibenden Materials genau kontrolliert wird, so daß die Dose ohne weiteres geöffnet werden kann und eine ausreichende Metalldicke verbleibt, um sicherzustellen, daß der Doseninhalt ordnungsgemäß in der Dose verbbibt.

Bei vorbekannten Meßanlagen, beispielsweise einem Kratztiefenmesser von Bausch & Lomb, wird das Bild eines Drahtes auf einem Objekt entworfen, und das Bild des Drahtes wird durch ein Mikroskop betrachtet. Bei der Betrachtung eines Kratzers ist das Bild des Drahtes im Bereich des Kratzers verschoben, und diese Verschiebung kann mittels einer Skala in dem Mikroskop ausgemessen werden. Die Verschiebung des Bildes eines Drahtes entspricht somit der Tiefe eines Kratzers auf der Oberfläche eines Objekts.

Dieses System hat zwar eine verhältnismäßig gute Genauigkeit, liefert aber nur eine subjektive Messung, da der Bedienungsmann

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das Bild in dem Mikroskop direkt betrachtet. Somit kann der Bedienungsiuann, der Ermüdungserscheinungen unterworfen ist, nicht ständig genaue Messungen ausführen. Hinzu kommt, daß in diesem System keine Einrichtungen zum Messen der Dicke unterhalb des Bodens des Kratzers liegenden Materials vorgesehen sind.

Kurz gesagt, werden nach der vorliegenden Erfindung diese Nachteile dadurch überwunden, daß ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen werden, bei dem ein von einem Projektor entworfenes Schattenbild einer Messerkante durch ein Mikroskop betrachtet wird. Das Schattenbild kann zunächst auf einem Lokalisierstift zentriert werden, und ein Objekt, das einen Kratzer hat, kann betrachtet werden, indem es auf dem Stift angeordnet wird. Dies führt zu einer Verschiebung des Schattenbildes, so daß die Nachstellung der relativen Verschiebung zwischen der Mikroskop-Projektor-Anordnung und dem Lokalisierstift der Dicke des Materials zwischen dem Boden des Kratzers oder der Rißlinie und dem Boden des Objekts entspricht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Fernsehkamera in Kombination mit einem Mikroskop verwendet, so daß das Bild auf einem Monitor dargeboten werden kann, um eine genauere Messung der Position des Schattens zu ermöglichen.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Abtastzeilen des Fernsehsystems verwendet, um Zeitunterschiede zwischen den Hell-Dunkel-Ubergängen zu bestimmen, wobei diese Zeitunterschiede ebenfalls ein Maß der vertikalen Verschiebung der Mikroskop-Projektor-Anordnung darstellen. Eine ziffernmäßige

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Anzeige der Zeitunterschiede der übergänge der Abtastzeilen kann verwendet werden, um eine sichtbare Anzeige der zu bestimmenden Messung zu liefern, und die übergänge der Abtastzeilen können auch dazu verwendet werden, um die Mikroskop-Projektor-Anordnung mit Hilfe eines Servosystems automatisch in ebe Bezugsposition nachzustellen, so daß alle Messungen automatisch ausgeführt werden können.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die übergänge der Abtastzeilen dazu verwendet werden, um den Durchmesser eines Objekts dadurch auszumessen, daß der Zeitunterschied zwischen den Abtastzeilen an den Kanten des Gegenstandes bestimmt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt*:

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine Darstellung des Bildes der Spitze des Stifts der Fig. 1;

Figuren 3 A bis 3 C Darstellungen dreier Positionen des

Stifts der Fig. 1;

Figuren 4 A bis 4 C Draufsichten entsprechend den Figuren

3 A bzw. 3 B bzw. 3 C;

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Fig. 5 eine Darstellung eines Monitors entsprechend Fig. 1, bei welchem der Schatten aus der Mitte des Monitors verschoben ist;

Fig. 6 eine Ansicht des Monitors der Fig. 1 mit Darstellung eines zentrierten Risses;

Fig. 7 eine Darstellung eines Monitors entsprechend Fig. 5, wobei der Riß infolge Verwendung eines abgenutzten Anreißwerkzeuges verzerrt ist;

Figuren 8 A bis 8 C Zeitdiagramme, die Abtastsignale entsprechend den Figuren 4 A bzw. 4 B bzw. 4 C darstellen;

Fig. 9 eine vereinfachte Darstellung einer abgeänderten Ausführungsform einer erfindungsgeinäßen Vorrichtung;

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht der bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 11 eine Ansicht des Monitors der Fig. 1. bei der Messung des Durchmessers eines Niets;

Fig. 12 ein Zeitdiagramm, das verschiedene Abtastzeilensignale des Monitorbildes der Fig. 11 darstellt;

Fig. 13 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfIndungsgemäßen Steuerschaltung; und

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Fig. 14 eine vereinfachte Darstellung einer abgeänderten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die insbesondere zum Gebrauch mit dem System der Fig. 13 anpaßbar ist, in welcher die vertikale Position des Stifts eingestellt ist.

In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 ist ein vereinfachter Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung enthält ein Mikroskop 20 und einen Projektor 21, die auf einem geeigneten gemeinsamen Rahmen 22 angebracht sind, wobei der Projektor 21 direkt im Lichtweg einer geeigneten Lichtquelle 23 unter einem Winkel von etwa 45° zur optischen Achse des Mikroskops angeordnet ist. In dem Projektor ist eine (nicht dargestellte) Messerkante so vorgesehen, daß sie sich auf einem Durchmesser des Projektors erstreckt, und der Lichtstrahl ist auf einen Stift 24 fokussiert, der wie in Fig. 2 dargestellt, auf einer Bühne 25 angebracht ist. Es leuchtet ein, daß der Lichtstrahl somit halbkreisförmig ist, wobei die Messerkante eine gradlinige übergangskante 26 definiert. Die das Mikroskop 20 und den Projektor 21 enthaltende Anordnung ist mit Hilfe irgendwelcher geeigneter Mittel, beispielsweise eines ausziehbaren Supports, der beispielsweise mit Hilfe einer Kurbel 28 einstellbar ist, in bezug auf die Bühne 25 beweglich gelagert. Eine geeignete Meßeinrichtung 29 ist vorgesehen, beispielsweise über übliche Mittel an die Kurbel 28 angekoppelt, um eine Messung der Unterschiede in der vertikalen Einstellung des Mikroskops und des Projektors in bezug auf die Bühne 25 zu ergeben. Man versteht, daß natürlich stattdessen die Bühne in ¹WSk¹Wp^i Aift Zuordnung aus Mikroskop und

Projektor bev/egt werden kann, oder daß der Stift 24 für sich in bezug auf die Mikroskop- und Projektoranordnung bewegt werden kann. Das Mikroskop ist auf das obere Ende des Stifts 24 gerichtet, so daß der Schatten des Lichtstrahls am Ende des Stifts erscheint. Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß der Projektor derart gerichtet sein soll, daß der übergang 26 zwischen den hellen und dunklen Bereichen am Ende des Stifts quer verläuft, d. h. normal zu der durch die optische Achse des Mikroskops und die Achse des Lichtstrahls definierten Ebene.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 kann so betrieben werden, daß der Bedienungsmann das Bild direkt durch das Mikroskop betrachtet; vorzugsweise ist jedoch auf dem Mikroskop eine Fernsehkamera 30 angebracht, die an einen Monitor 31 angeschlossen ist, wodurch ein vergrößertes Bild dargeboten wird. Die Anbringung der Fernsehkamera kann gemäß üblichen Praktiken erfolgen.

Fig. 3 A zeigt in vereinfachter Form eine Seitenansicht des Stifts 24. Die Linie 35 stellt den übergang zwischen den auf dem Stift abgebildeten hellen und dunklen Bereichen dar. In der In Fig. 3 A dargestellten Lage erstreckt sich der übergang 30 zur Mitte des Stifts, wodurch die linke Seite 36 der Stiftoberseite dunkel und die rechte Seite hell ist und der übergang zwischen diesen Breichen sich diagonal über die Oberseite des Stifts erstreckt. Fig. 4 A zeigt das der Position der Fig. 3 A entsprechende Bild auf dem Monitor. Man erkennt somit, daß der übergang zwischen dem betrachteten hellen Bereich 37' und dem betrachteten dunklen Bereich 36' sich dia-

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metral durch das Bild 24' der Oberseite des Stifts 24 erstreckt. Der Schattenbereich 40 erstreckt sich natürlich auch hinter dem Stift und in einem von der diametralen Mitte des Stifts entfernten Bereich der Bühne.

Fig. 3 B zeigt, daß bei Aufwärtsbewegen des Stifts oder Abwärtsbewegen der Mikroskop-Projektor-Anordnung um einen Abstand Δ h der übergang zwischen den dunklen und hellen Bereichen sich über den linken Rand des Stifts erstreckt. Das in diesem Fall auftretende Monitor-Bild ist in Fig. 4 B dargestellt. Ähnlich zeigt Fig. 3 B, daß bei Aufwärtsbewegen des Stifts 24 um einen Abstand Δ h der übergang zwischen den dunklen und hellen Bereichen sich über die rechte Seite der Oberseite des Stifts erstreckt. Das in diesem Fall auftretende Monitor-Bild ist in Fig. 4 C dargestellt. Man erkennt somit, daß die Lage des Überganges zwischen den hellen und dunklen Bereichen auf der Oberseite des Stifts ein Maß für den Abstand zwischen dem Stift und Mikroskopanordnung liefert.

Es sei betont, daß natürlich der Projektor und das Mikroskop sich in genauer Scharfeinstellung zueinander befinden, so daß der übergang zwischen den dunklen und hellen Bereichen scharf ist.

Falls ein MiJooskop genügend hoher Leistungsfähigkeit angewandt wird, können genaue Messungen erfolgen, d. h. es kann die Position des Überganges genau bestimmt v/erden, indem man das Bild unter Verwendung eines Fadenkreuzes im Okular des Mikroskops optisch ketracb>tet. In diesem Fall wäre jedoch das

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Gesichtsfeld klein, ebenso wie auch die Schärfentiefe und der Arbeitsabstand 41 zwischen dem Mikroskop und der Oberseite des Stifts. Eine kleine Tiefenschärfe kann dazu führen, daß der Rand des Schattens nicht mehr im Scharfeinstellungsbereich liegt, so daß es schwierig ist, das gesamte Gesichtsfeld scharf abzubilden. Falls der Arbeitsabstand kurz ist, kann es unmöglich sein, den Lichtstrahl richtig so auszurichten, daß er wie gewünscht in eine Rinne fällt. In ähnlicher Weise kann es unmöglich sein, das Mikroskop so einzustellen, daß man in die Nähe einiger Kratzer eines zu betrachtenden Objekts kommt, die in der Nähe von Höhenänderungen am Ende des betrachteten Objekts liegen, und es kann schwierig sein, festzustellen, wohin der Lichtstrahl gerichtet JSt. In jedem Fall erfordert diese Arbeitsweise eine subjektive Bestimmung der Position des Schattens relativ zum Fadenkreuz.

Wenn jedoch eine Fernsehkamera und -monitor verwendet werden, kann ein Mikroskop mit geringer Leistungsfähigkeit, z. B. mit zehnfacher Vergrößerung, verwendet werden, so daß ein Abstand von 0,00025 cm (0,0001 Zoll) in der Objektebene zu 0,0025 cm (0,001 Zoll) auf dem Bildschirm des Vidicons wird. Falls das Vidicon eine Auflösung von 394 Fernsehzeilen pro Zentimeter (1 000 Zeilen pro Zoll) hat, beträgt dann die indirekte System-Auflösung 0,000254 cm (0,0001 Zoll). Ein gutes Mikroskop mit zehnfacher Vergrößerung kann mit einem Arbeitsabstand von annähernd 5 cm (2 Zoll) verwendet werden, so daß es dem Bedienungsmann einen guten Gesamtüberblick des Objekts ermöglicht. Falls eine Fernsehkamerafläche von 1,27 χ 1,68 cm (0,5 χ 0,66 Zoll) auf dem Monitor abgebildet wird, erscheint ehe in der Objekt-

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ebene liegende Linie von 0,0254 cm (0,010 Zoll) Breite etwa mit einer Breite von 2,5 cm (1 Zoll) auf einem Monitor mit einer Schirmdiagonale von 22,9 cm (9 Zoll).

Wie oben besprochen, ist die vorliegende Erfindung insbesondere auf die Messung des Abstandes zwischen dem Boden einer Rißlinie auf einem Metallblech und dam Boden des Blechs gerichtet. Anders gesagt, ist die Erfindung insbesondere auf die Messung der Dicke des unterhalb des Bodens einer Rißlinie verbleibenden Materials gerichtet. Nach der Erfindung wird zur Ausführung einer derartigen Messung zunächst die Mikroskop-Projektor-Anordnung so positioniert, beispielsweise mit Hilfe der Kurbel 28, daß der Übergang zwischen den hellen und dunklen Bereichen, d. h. der Schatten, sich diametral über die Oberseite des Stifts erstreckt. Sodann wird das zu messende Objekt auf die Oberseite des Stifts gelegt, vorzugsweise so, daß die Rißlinie ihrer Länge nach sich in der durch die optische Achse des Mikroskops und die Achse des projizierten Lichtstrahls definierten Ebene erstreckt. Der Abstand zwischen der Mikroskop-Projektor-Anordnung und dem Stift wird dann so eingestellt, daß der Schatten am Boden der Rißlinie in die Mitte 46 des Bildes zurückkehrt, wodurch der Abstand der Einstellung des Mikroskop-Projektor-Anordnung in bezug auf den Stift der Dicke des Materials unterhalb des Bodens der Rißlinie entspricht.

Wenn eine Fernsehkamer-Monitor-Anordnung verwendet wird, erscheinen die sich ergebenden Anzeigen auf dem Monitor so wie in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Somit zeigt Fig. 5 das Bild, nachdem das Objekt gerade auf die Oberseite des Stifts gelegt

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worden ist. Man sieht, daß in diesem Fall der Schatten sich nach rechts bewegt hat und die Kante 45 des dem Boden der Rißlinie entsprechenden Schattens sich rechts von der Mittellinie 46 des Monitors befindet. Nachdem die relative vertikale Position der Mikroskop-Projektor-Anordnung in der oben beschriebenen Weise eingestellt ist, stimmt der übergang 45 mit der Mitte 46 des betrachteten Bildes überein, wodurch die Einstellung der Dicke des Materials unterhalb der Rißlinie entspricht. Man erkennt, daß natürlich stattdessen die vertikale Position der Oberseite des Stifts verstellt werden kann, entsprechend der Anordnung der Fig. 14.

Es ist zu beachten, daß die vorliegende Erfindung als zusätzlichen Vorteil auch die Bestimmung der Abnutzung eines Anreißwerkzeuges ermöglicht. Somit erläutern Figuren 5 und 6 die Tatsache, daß die Form des Schattens im Bereich des Bildes 47 der Rillen eine Darstellung der Schärfe der Kanten der Rißlinie bietet und dadurch die Schärfe des Anreißwerkzeuges wiedergibt. Wie in Fig. 7 dargestellt, wird jedoch bei Abnutzung des Anreißwerkzeuges ein abgerundetes Bild wiedergegeben, so daß der Bedienungsmann auf die Notwendigkeit des

Auswechselns eines Anreißwerkzeuges hingewiesen wird. Es sei betont, daß natürlich die Erfindung auch zur Messung der Tiefe einer Rißlinie verwendet werden kann. In diesem Fall wird beispielsweise die Mikroskop-Projektor-Anordnung zunächst so eingestellt, daß der Schatten auf dem ungeritzten Teil des Objekts mit der Mitte des Monitor-Bildschirms kdhzidiert, und dann wird bei Abwärts-Verstellung der Mikroskop-Projektor-Anordnung der dem Boden der Rißlinie entsprechende Schatten in die Mitte des

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Monitors gebracht, so daß die vertikale Einstellung des Monitors der Ti,efe der Rißlinie entspricht.

Die Anordnung nach Fig. 1 ist auch für die elektronische Bestimmung der Position des Schattens geeignet, derart, daß es nicht erforderlich ist, die Position des Mikroskops körperlich zu verstellen. Zu diesem Zweck kann eine geeignete elektronische Meßschaltung 50, die im einzelnen im nachfolgenden Absatz beschrieben wird, an den Ausgang der Fernsehkameras angeschlossen werden. Bei dieser Anordnung werden Messungen in bezug auf eine quer durch die Mitte des Bildes verlaufende Abtastzeile in der Fernsehkamera ausgeführt. Diese Zeile 51 ist in den Figuren 4 A bis 4 C dargestellt. Die Amplituden der Signale entlang den entsprechenden Abtastzeilen vom Bildrand 52 aus sind in den Figuren 8 A bzw. 8 B bzw. 8 C dargestellt. Demnach erscheint in Fig. 8 A ein übergang 53 im Signalniveau zu einer Zeit, die als eine Bezugszeit bezeichnet werden kann, d.h. At = O. In Fig. 8 B hat sich der übergang 53 nach links bewegt, so daß der Abstand zwischen der Bezugsposition 0 und dem Übergang 53 Δ t beträgt, wobei diese Zeit ein Maß der Scha ttenver Schiebung bildet. In ähnlicher VIeise zeigt Fig. 8 C einen Zustand, bei dem sich der übergang 53 nach rechts bewegt hat; dies zeigt eine positive Zeitverschiebung von der Bezugsposition aus an. Somit ist es möglich, durch Bestimmung des Zeitpunkts, zu dem der Übergang 53 auftritt, eine Anzeige der relativen Position des Mikroskops in bezug auf das Objekt zu gewinnen. Die Zeitbewegung des Übergangs 53 kann ziffernmäßig angezeigt werden, beispielsv/eise mit Hilfe eines Digitalzählers, der in dem Zeitraum zwischen dem linken Ende der

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. Abtastzeile bis zum Auftreten des Übergangs 53 durch Uhrenimpulse angetrieben wird.

Durch diese Technik kann man die Größenordnung der Auflösung einfach dadurch erhöhen, daß man die betreffende Abtastzeile, d. h. die durch die Mitte des Objekts verlaufende Abtastzeile_/ verlangsamt und dadurch die erforderliche Systembandbreite verringert. Mit einer derartigen Technik können Systeme geschaffen

Auf
werden, die/lösungen in der Größenordnung von 0,5 Mikrometer

(20 Mikrozoll) haben.

Es sei darauf hingewiesen, daß infolge der Tatsache, daß die Messungen auf dan Bildrand bezogen werden, die normale Drift zu Ungenauigkeiten über lange Zeiträume führen kann. Um dieses Problem zu überwinden, können in der elektronischen Schaltung geeignete Einstellmaßnahmen vorgesehen sein. Beispielsweise kann periodisch ein Bezugsschatten betrachtet und auf dem Monitor zentriert werden, wobei die Schaltung dann so eingestellt wird, daß die Position des Bezugsschattens den Bezugszeiten 0 entspricht.

Es muß ferner betont werden, daß natürlich mit der oben beschriebenen Technik auch die Dicke des Materials unter irgendwelchen anderen Teilen des Risses, beispielsweise mit Abstand vom Boden, gemessen werden kann. So kann, wenn die Messungen elektronisch ausgeführt werden, die gemessene Abtastzeile eine solche sein, die einen Abstand von der Mitte des Objekts hat und sich über irgendeinen gewünschten Teil des Risses erstreckt. Gewünschtenfalls kann die Rißlinie, entlang derer die Messung

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vorgenommen wird, auf dem Konitor in geeigneter Weise angezeigt werden.

Weil d_er Detektor der Schattenposition eine Abtastzeile der Fernsehkamera ist, erscheint im Ausgang der Fernsehkamera ein elektrisches Signal, das nach Größe und Richtung automatisch zur Positionierung und Nachstellung der Mikroskop-Projektor-Anordnung verwendet werden kann. So ist nach der Darstellung in Fig. 9 ein geeigneter Servomotor 60 vorgesehen, um die Positioniereinrichtung 27 einzustellen. Eine Steuerschaltung 61, von der Einzelheiten im nächstfolgenden Absatz beschrieben werden, empfängt das Signal aus dem Ausgang der Fernsehkamera zwecks Erzeugung eines Steuersignals für den Servomotor 60. In diesem Fall wird bei Inbetriebsetzen der Steuerschaltung der Servormotor so gesteuert, daß er automatisch die relative Position der Mikroskop-Projektor-Anordnung derart einstellt, daß der Schatten entlang der gemessenen Abtastzeile auf die Bezugs-Nullposition zurückläuft. Gewünschtenfalls kann ein geeigneter Indikator 62 vorgesehen werden, um die Verschiebung des Signals vom Null-Bezugsniveau zu verfolgen. In den vorgeschriebenen Anordnungen entspricht das Null-Bezugsniveau zweckmäßigerweise der Oberseite des Stifts 24. Somit können in der erfindungsgemäßen Anordnung sämtliche Einstellungen des Systems automatisch erfolgen, so daß ein Bedienungsmann lediglich für das Auflegen des Objekts auf den Stift und für das Inbetriebsetzen der automatischen Schaltung erforderlich ist. Die Abbildung der Meßergebnisse kann somit entweder auf dem Monitor oder auf einer separaten digitalen Anzeigeeinrichtung erfolgen. Ein Aufzeichnungssystem mit einer Kassettenscheibe

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...Al

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kann verwendet werden, um alle Meßergebnisse aufzuzeichnen; dies ist in Fig. 9 schematisch als Recorder 63 angedeutet. Das Aufzeichnungssystem kann somit einen Meßwert und eine Zeit, die Art des gemessenen Objekts, und ferner auch eine Anzeige des speziell verwendeten Meßgeräts und irgendwelche ferner gewünschten Informationen aufzeichnen. Sämtliche Daten können somit auf einem Ausdruckformular wiedergegeben werden um entweder direkt ausgewertet oder statistisch analysiert zu weden, ähnlich wie bei Verbund-Wägeeinrichtungen. Die Anlage kann auch Einrichtungen zur Aufzeichnung eines Codes über den Werkzeugzustand enthalten, so daß Werkzeugv/echsel angekündigt, werden können. Falls das Aufzeichnungssystem verwendet wird, kann ein Off-Llne-Betrieb-Schalter vorgesehen werden, um den Benutzern die Möglichkeit zu geben, das System für regelmäßige oder gelegentliche Prüfungen zu benutzen.

Eine besonders praktische körperliche Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 10 dargestellt. Bei dieser Anordnung hat ein Gehäuse 70 eine nach außen vorstehende untere Plattform 71, und der obere Teil des Gehäuses 70 ragt über die Plattform 71, um einen Kanal 72 zu bilden. Der Monitor 73 kann im Oberteil des Gehäuses oberhalb des Kanals vorgesehen sein. Im Inneren enthält das Gehäuse oberhalb des Kanals die Mikroskop-Projektor-Anordnung, ferner die dafür bestimmte Servo-Einstellefarichtung, die Fernsehkamera und alle Teile der oben beschriebenen elektrischen Schaltung. Beim Betrieb dieser Anlage ist es deshalb für einen Bedienungsmann lediglich erforderlich,ein zu messendes Objekt 74 auf die Plattform

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zu legen und die Anlage in Betrieb zu setzen, beispielsweise mittels eines Startschaltknopfs 75 am Gehäuse oder eines ge-

eigneten Fußschalters Die Null-Ausrichtung ist eine zur Wartung gehörende Einstellung und braucht während des Betriebs nicht durchgeführt zu werden. Der Kanal der Plattform soll beispielsweise so ausgebildet sein, daß er die Prüfung der Mitte des größten zu messenden Objekts gestattet.

Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner dazu verwendet werden, um den Durchmesser als Objekt zu bestimmen, beispielsweise den Durchmesser eines in einem Dosen-Oberteil verwendeten Niets. Bei dieser Anordnung wird der Niet auf dem Lokalisierstift angeordnet, so du auf dem Monitor ein Bild erscheint, wie in Fig. 11 dargestellt. In dieser Figur entspricht der Kreis 80 dem äußeren Umfang des Niets,und der erscheinende Schatten ähnelt dem der Fig. 4 A. Anders gesagt, ist die Anordnung so eingestellt, daß der übergang 81 zwischen hellen und dunklen Bereichen diametral über das Bild der Oberseite des Niets verläuft. Fig. 12 erläutert die Signale verschiedener Abtastzeilen der Fernsehkamera. So entspricht die Abtastzeile 82 einer Abtastzeile oberhalb des Niets. Die Abtastzeile 83 entspricht der ersten Abtastzeile über die Oberseite des Niets. Die Abtastzeile 84 entspricht einer Abtastung in der Mitte des Niets, und die Abtastzeile 85 entspricht der Abtastung im untersten Durchmesser des Niets. Abtastzeile 86 entspricht einer Abtastzeile unterhalb des Niets. Es leuchtet ein, daß in bezug auf die Bezugskante 87, die der linken Kante des Bildfeldes entspricht, die Positionen der übergänge der

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Signale der Abtastzeilen 83 bis 85 durch eine gewisse Anzahl von Abtastzeilen von den übergängen der Abtastzeilen 82 und 86 getrennt sind. Es wird dann zur Bestimmung der Anzahl von Abtastzeilen zwischen den Abtastzeilen 82 und 86 eine geeignete elektronische Schaltung verwendet, die im einzelnen in den folgenden Absätzen beschrieben wird, wobei diese Anzahl der Breite W der Oberseite des Niets, d. h. der Durchmesser des Niets, entspricht.

Bei der Ausführung der Messungen des in den Figuren 11 und dargestellten Typs kann das System einen anderen Vergrößerungsbereich erfordern als bei der Messung der Dicke von Material unterhalb einer Kerbe oder Rißlinie. Das Mikroskop kann deshalb mit einem Objektivrevolver versehen sein, der je nach der Art der vorzunehmenden Messung gedreht werden kann. Der Lokalisierstift 24 kann ebenfalls auswechselbar sein, so daß beispielsweise ein Lokalisierstift verwendet v/erden kann, der eine Form der richtigen Größe aufweist, um in die konkave Innenseite eines zu messenden Niets zu passen, so daß der Niet in dem Gesichtsfeld zentriert werden kann. Es kann somit nach der Erfindung auch ein Drehtisch vorgesehen sein, auf dem eine Vielzahl von Lokalisierstiften 24 vorgesehen ist, so daß je nach der Form des Objekts und der vorzunehmenden Art der Messung der richtige Lokalisierstift verwendet werden kann.

In Fig. 13 ist eine Steuerschaltung 61 dargestellt, die Mittel zur Identifizierung der mittleren Zeile des Bildfeldes der von der Fernsehkamera kommenden Videosignale aufweist. Zu diesem Zweck wird, falls es sich bei dem Videosignal von der

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Fernsehkamera um ein übliches Bild mit 512 Zeilen im Zeilensprungverfahren handelt, ein 128-Zeilen-Zähler 90 von den horizontalen Antriebssignalen des Fernsehbildes weitergeschaltet und durch die vertikalen Antriebsignale des Fernsehbildes zurückgestellt. Die horizontalen und vertikalen Antriebssignale können natürlich von der Fernsehkamera erhalten werden. Die vertikalen Antriebssignale speisen ein Bit in die erste Stufe des Zählers, so daß bei der 128. Zeile des Bildes ein Ausgangssignal auf der 128. Zeile, d. h. der mittleren Zeile des Bildes, erscheint. Es leuchtet ein, daß ein Zähler von anderer Kapazität verwendet werden muß, um die mittlere Zeile auszuwählen, falls das Bild von einer Fernsehkamera ehe andere Anzahl von Zeilen hat.

Das Ausgangssignal aus dem Zähler 90 wird einem Vergleicher 91 als Freigabesignal und einem Univibrator 92 zugeleitet.

Der Gleichspannungspegel des Videosignals wird durch einen Gleichspannungspegelhalter 93 wieder hergestellt und auf einen Eingang des Vergleichers 91 gegeben. Der andere Eingang des Vergleichers, bei dem es sich um einen Typ 760 handeln kann, ist an den Schleifer eines Potentiometers 94 angeschlossen. Die Enden des Potentiometers sind an Bezugsmasse bzw. eine Quelle positiver Gleichspannung angeschlossen, und das Potentiometer wird so eingestellt, daß dem Vergleicher 91 eine einem mittleren Pegel zwischen den Schwarz- und Weiß-Pegeln des Videosignals entsprechende Spannung zugeführt wird. Infolgedessen tritt im Ausgangs des Vergleichers 91 ein scharfer übergang auf, wenn das Videosignal die Schwarz-Weiß-Kante passiert.

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Das horizontale Antriebssignal aus der Fernsehkamera wird ferner dem-Univibrator 92 zugeführt, und der Univibrator wird durch übliche Mittel so eingestellt, daß er in der Mitte der Abtastzeilen einen übergang in seinem Ausgangssignal erzeugt. Das heißt, das der Univibrator beim Auftreten des horizontalen Antriebssignals einen Impuls erzeugt, dessen Dauer gleich einer halben Abtastzeile ist.

Die Ausgangssignale des Vergleichers 91 und des Univibrators werden als getrennte Eingänge einem Phasendetektor 95 zugeführt. Der Ausgang des Phasendetektors spricht somit auf die Folge an, in der die beiden eingegebenen Eingangssignale empfangen werden, so daß der Ausgang eine erste Polarität hat, falls zuerst das Ausgangssignal des Vergleichers 91 eingegeben wird, und die entgegengesetzte Polarität hat, falls zuerst das Ausgangssignal des Univibrators eingegeben wird.

Das Ausgangssignal des Phasendetektors 95 in der Steuerschaltung 61 kann auf einen Fortschaltmotor-Antriebskreis 96 gegeben werden, um einen Fortschaltmotor 97 zu steuern, der den Abstand zwischen dem Mikroskopobjektiv und dem Objekt steuert. Der Antrieb des Fortschaltmotor-Antriebskreises 96 erfolgt in einer solchen Rbhtung, daß stets versucht wird, eine Phasendifferenz zwischen den Eingaben der dem. Phasendetektor 95 zugeführten Signale gleich Null zu machen. Die mechanische Äkoppelung an den Motor ist so eingestellt, daß jedes Ausgangssignal aus dem Motor-Antriebskreis 96 einem vorbestimmten Bewegungsabstand zwischen dem Ob-

—4 jekt und dem Mikroskopobjektiv enspricht, wie etwa 2,5 χ 10 cm

(10~⁴ Zoll) .

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-If-

An den Ausgang des Fortschaltmotor-Antriebskreises 96 ist ferner ein.Impulszähler 98, beispielsweise in Form eines Auf- und Ab-Zählers angeschlossen, und eine digitale Anzeigenvorrichtung 99 wird von dem Impulszähler 98 gespeist. Infolgedessen zeigt die Anzeigeeinrichtung 99, falls der Impulszähler bei einem Bezugsabstand auf Null eingestellt wird, den Abstand zwischen dem Mikroskopobjektiv und dem Objekt über oder unter dem Bezugsabstand an. Bei einer besonders vorteilhaften Abstand-Steueranordnung zur Steuerung des Abstandes zwischen dem Lokalisierstift 24 und dem Mikroskopobjektiv 20 unter Verwendung der Steuerschaltung der Fig. 13 ist der Lokalisierstift 24 mit Hilfe eines Mikrometers 100 auf der Bühne 25 angebracht, wie in Fig. 14 dargestellt. Ein Zahnriemen 101 ist vorgesehen, der sich zwischen einem Rad 102 auf der Welle des Fortschaltmotors 97 und einem Rad 103 auf dem Mikrometer 100 erstreckt. Bei dieser Anordnung wird dadurch das Niveau der Oberseite des Stifts 24 durch den Fortschaltmotor 97 um einen Abstand verstellt, der durch die Anzeigeeinrichtung 99 sichtbar gemacht wird, und der Projektor 91 und das Mikroskop 20 werden in einer festen Lage gehalten.

Bei der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist gezeigt, daß der Ausgang der Fernsehkamera direkt auf den Monitor gegeben wird. Bei der in Fig. 13 dargestellten besonders vorteilhaften Anordnung nach der Erfindung wird jedoch der Ausgang der Fernsehkamera über einen Addierer 105 auf den Monitor gegeben. Weiter liegt am Addierer 105 ein Ausgang des Zählers 90, so daß die mittlere Zeile des Bildes aufgehellt

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wird und der Bedienungsmann sehen kann, welche Zeile bei der Messung verwendet wird. Um die Helligkeit der Indikatorzeile einzustellen, kann der Ausgang des Zählers 90 über ein Helligkeitspotentiometer 106 auf den Addierer 105 gegeben werden.

Andere Ausführungsformen sind möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims

Ansprüche:

* 1.1 Vorrichtung zum Messen einer Abmessung eines Objekts, mit einer zur Aufnahme des Objekts dienenden Bühne und einer auf einer ersten optischen Achse angeordneten Mikroskop-Betrachtungseinrichtung zur Betrachtung eines auf der Bühne befindlichen Objekts, gekennzeichnet durch eine auf einer zweiten optischen Achse angebrachte Projektionseinrichtung zur scharfen Abbildung eines Messerkantenbildes auf dem auf der Bühne befindlichen Objekt, wobei der Hell-Dunkel-Übergang des Bildes normal zu der durch die erste und die zweite optische Achse definierten Ebene verläuft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite optische Achse unter einem Winkel von 45° zueinander verlaufen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur relativen Verschiebung der Mikroskop-Betrachtungseinrichtung in bezug auf die Bühne entlang der ersten optischen Achse, Messeinrichtungen zur Angabe der Verschiebung der Mikroskopeinrichtung auf der ersten optischen Achse, und Einrichtungen zum Anbringen der Projektionseinrichtung zur Bewegung mit der Mikroskopeinrichtung.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mit der Mikroskop-Betrachtungseinrichtung gekoppelte Einrichtung zur Erzeugung von Signalen, die zu den Hell-Dunkel-übergängen des Bildes entsprechenden Zei-

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ORIGINAL INSPECTED

ten auftreten, und auf die Signale ansprechende Einrichtungen -zur rdativen Verschiebung der Bühne entlang der ersten optischen Achse in bezug auf die Mikroskop- und Projektionseinrichtungen, um den Hell-Dunkel-Ubergang auf dem Objekt in eine bestimmte Position zu verschieben.
5. Verfahren zum Messen einer Abmessung eines Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß man auf der Oberfläche des Gegenstandes ein scharfes Bild einer Messerkante entlang einer zu der Oberfläche unter einem Winkel verlaufenden optischen Achse entwirft, wodurch der Hell-Dunkel-übergang auf der Oberfläche, falls es sich um eine ebene Oberfläche handeln würde, normal zu der Projektion der optischen Achse auf die Oberfläche verliefe, und daß man die Verschiebung des Hell-Dunkel-überganges auf der Oberfläche in bezug auf eine Bezugsposition bestimmt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Bestimmung der Verschiebung das Bild entlang einer Zeile abtastet, um am Hell-Dunkel-Ubergang ein Signal zu erzeugen, wodurch die Zeit, zu der das Signal bezüglich einer gegebenen Zeit erscheint, ein Maß der Verschiebung ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Bestimmung der Verschiebung das Bild entlang einer Vielzahl von parallelen Zeilen abtastet, um Signale zu erzeugen, die dem Hell-Dunkel-übergang an einer Vielzahl von Positionen auf dem Gegenstand entsprechen, und daß man die Anzahl von Abtastzeilen bestimmt, die Hell-Dunkel-

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übergänge zu von benachbarten Abtastungen in bezug auf Bezugszeiten verschiedenenZeiten haben.
8. Verfahren zum Messen der Dicke eines Gegenstandes unterhalb einer in dem Gegenstand befindlichen Rinne, dadurch gekennzeichnet, daß man auf einer Oberfläche ein scharfes Bild einer Messerkante von einer zu der Oberfläche unter einem spitzen Winkel liegenden Position aus entwirft, wobei der Hell-Dunkel-Ubergang des Bildes normal zu der Projektion des optischen Weges von dieser Position zu dem Bild auf der Oberfläche verläuft und der Hell- Dunkel-Übergang in einer gegebenen Ebene normal zu der Oberfläche liegt, und daß man den Gegenstand mit normal zu der Ebene liegender Rinne auf der Oberfläche anordnet und die Oberfläche bezüglich der genannten Position verschiebt, bis der Hell-Dunkel-Übergang am Boden der Rinne in der genannten Ebene liegt, wodurch die relative Verschiebung ein Maß der Dicke ist.
9. Verfahren zum Messen einer Abmessung eines Objekts mit einer Mikroskopeinrichtung, die eine das Objekt schneidende erste optische Achse hat, dadurch gekennzeichnet, daß man entlang einer zu der ersten optischen Achse unter einem spitzen Winkel verlaufenden zweiten optischen Achse ein scharfes Bild einer Messerkante auf der Oberfläche entwirft, wobei der Hell-Dunkel-Übergang des Bildes normal zu der Ebene der ersten und zweiten optischen Achse verläuft, und daß man das Objekt in bezug auf die Mikroskopeinrichtung der ersten

man optischen Achse verschiebt, während/die relativen Positionen

der ersten und der zweiten optischen Achse beibehält, bis

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sich ein gegebener Punkt auf dem Hell-Dunkel-Ubergang des Bildes zu einer Bezugsposition bewegt.
10. Anordnung zur Bestimmung einer Abmessung eines Objekts, gekennzeichnet durch Mittel zum Fokussieren eines einen Hell-Dunkel-Ubergang aufweisenden Bildes auf den Gegenstand, Mittel zum optischen Abtasten des Bildes zur Erzeu-

in
gung eines Videosignales, wodurch/einer gegebenen Zeile des Videosignals eine Ausbiegung zu einer dem übergang entsprechenden Zeit auftritt, Mittel zum Verstellen der Position des Objekts, bis die Ausbiegung an einer Bezugsposition in der gegebenen Zeile auftritt, und Mittel zur Anzeige des Ausmaßes der Verstellung zur Bestimmung der Abmessung.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur optischen Abtastung eine Fernsehkamera aufweisen, und daß die Mittel zum Verstellen eine zum Bewegen des Objekts entlang der optischen Achse der Fernsehkamera angeordnete Mikrometereinrichtung aufweisen.
12. Anordnung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Quelle eines Bezugssignals, das zu einer bestimmten Zeit nach dem Beginn der gegebenen Zeile auftritt, Mittel, die die Phase des Bezugssignals mit der Ausbiegung des Videosignals vergleichen, um ein Steuersignal zu erzeugen, und auf das Steuersignal ansprechende Mittel zum Verstellen der Mikrometerin

einrichtung /einer Richtung, um den Zeitunterschied zwischen der Ausbiegung und dem Bezugssignal zu verringern.

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