DE2101689A1 - Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens zum berühungslosen optischen Prüfen und Messen von Oberflächen - Google Patents

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 8. Januar 1971 hz-rz- fr

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung (^s atz anm el dung zu Aktenzeichen der Anmelderin: Docket GE 970 032; GE 870 1Ol

Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens zum berührungslosen optischen Prüfen Tind Messen von Oberflächen

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zum berührungslosen optischen Prüfen und Messen von Oberflächen/ bei dem die zu prüfende Oberfläche mit einem dünnen ™ Parallel-Lichtbündel punkt- oder sektionsweise beleuchtet wird und zur Bestimmung der Steigung des beleuchteten Teils der Oberfläche die Information darüber aus der Frequenzebene durch optische Abtastung entnommen und mittels wenigstens eines Photoempfängers hinter der Bildebene aufgenommen wird, gemäß der Patentanmeldung P 20 32 314.2, Docket GE 869 145.

In dieser genannten Patentanmeldung wird ein Verfahren beschrieben, ' Oberflächen berührungslos auf ihre Rauhig- bzw. Welligkeit hin zu messen. Zu diesem Zweck wird die Fläche von einem parallelen Lichtbündel in der optischen Achse einer Linse beleuchtet. Wenn die Oberfläche eben ist und senkrecht zur optischen Achse | steht, wird der Lichtstrahl in sich selbst zurückgeworfen. Ist die zu untersuchende Fläche jedoch geneigt, so wird das Lichtbündel unter einem Winkel gegenüber der optischen Achse reflektiert. Die parallelen Lichtbündel werden durch die Linse in der Brennebene bzw. Frequenzebene fokussiert. Wie in der genannten Patentanmeldung grundlegend beschrieben ist, entspricht jedem Punkt der Frequenzebene eine bestimmte Steigung des beleuchteten bzw. abgetasteten Teils der zu untersuchenden Oberfläche.

Der grundlegende Gedanke, der Frequenzebene die Information über

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die Steigung des beleuchteten Teils der Oberfläche zu entnehmen, wird gemäß einer Ausführungsform der Hauptanmeldung durch Intensitätsunterschiede realisiert, die durch die Verwendung von optischen Schwächungsmitteln in der Frequenzebene erreicht wird. Diese Umsetzung von Steigungswerten in Lichtintensitäten ist jedoch von der Änderung in der Ausleuchtung, der Lampenhelligkeit und auch vom Reflexionsvermögen der zu untersuchenden Oberfläche abhängig. Dadurch kann das Meßsignal verfälscht werden. Zum anderen ist der optische Aufbau bei dieser Anordnung recht umfangreich.

Aufgabe der vorliegenden Weitergestaltung ist es, im Sinne des Erfindungsgedankens diese Fehlerquellen zu vermeiden, indem die Information direkt auswertbar aus der Frequenzebene entnommen wird. Dabei sollen insbesondere der Aufbau der optischen Anordnung vereinfacht werden und die Beeinflussungen durch Lichtschwankungen, Ausleuchtung und Reflexionsvermögen der zu untersuchenden Oberfläche ausgeschlossen werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung auf dreierlei Weise gelöst. Entweder ist in der Frequenzebene ein positionsempfindlicher Photodetektor angeordnet, der dem auftreffenden Lichtpunkt positionsanaloge Spannungen abgibt, oder es ist eine Detektormatrix hoher Auflösung, bei der jede einzelne Photozelle dieser Matrix einen bestimmten Steigungswert des beleuchteten Teils der Oberfläche direkt abgibt, in der Frequenzebene angeordnet. Die dritte Art besteht darin, daß aus der Fernsehtechnik bekannte Mittel zur zeilenweisen Abtastung der Frequenzebene vorgesehen sind.

Diese drei Arten der direkten Informationsentnahme aus der Frequenzebene haben die Vorteile, daß die Meßsignale völlig unabhängig von der Helligkeit des Lichtpunktes sind. Dadurch wird Unabhängigkeit von der Ausleuchtung, der Lampenhelligkeit und dem Reflexionsvermögen der zu untersuchenden Oberfläche erreicht. Weiterhin ist ein einfacher optischer Aufbau möglich, der im wesentlichen nur aus einer Lichtquelle, einer Linse

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und einen Detektor besteht. Die Ableitungen des untersuchten Teils der Oberfläche, d.h. die Steigung dieses Flächenstücks, ist in einem Koordinatensystem x, y, das senkrecht zur optischen Achse der Anordnung steht, gleichzeitig meßbar.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Anordnung, bei der fernsehtechnische Mittel zur zeilenweisen Abtastung der Frequenzebene verwendet werden, besteht darin, daß in Halbbildabtastung gleich viele positive und negative Steigungswerte für den beleuchteten Teil der Oberfläche vorhanden sind und bei der Auswertung die Zeile und der Ort innerhalb der Zeile für den dem beleuchteten Teil der Oberfläche entsprechenden Lichtpunkt festgestellt wird. g

Ein besonders einfacher Aufbau der genannten Anordnung wird nach einer zweckmäßigen Ausführungsform dadurch erreicht, daß die Oberfläche über einen halbdurchlässigen Spiegel und eine Beleuchtungslinse mit einem parallelen Laserstrahllichtbündel punktweise beleuchtet wird.

Die mit parallelen Lichtstrahlen arbeitende Beleuchtungsweise, von der bisher ausgegangen wurden, ist für manche Anwendungen zu grob. Eine vorteilhafte und zweckmäßige Abwandlung der verwendeten Beleuchtungsart, die das Abtasten noch kleinerer Oberflächenteile gestattet, besteht darin, daß ein fokussiertes Lichtbündel zur Oberflächenbeleuchtung verwendet wird und die j| Entnahme der Information über die Steigung des beleuchteten Teils der Oberfläche in irgendeiner Ebene, die senkrecht zur optischen Achse steht, hinter der Hauptebene der Objektlinse erfolgt.

Eine weitere vorteilhafte und zweckmäßige Vereinfachung der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich dadurch, daß der optische Aufbau, der aus Lichtquelle, Spiegel und Objektlinse sowie dem Detektor besteht, feststehend angeordnet ist und die Oberfläche in einem zur optischen Achse senkrecht stehenden, vorzugsweise rechtwinkligen, Koordiantensystem verfahrbar ist.

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Anhand der Figuren wird im folgenden der Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung näher erläutert. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung bei Beleuchtung mit Parallellicht und

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung bei Beleuchtung mit einem fokussierten Lichtbündel .

Die in den Figuren und der nachfolgenden Beschreibung verwendeten Bezugszeichen stimmen mit denen der Hauptanmeldung P 20 32 314.2 soweit überein, wie sie dort schon vorkommen.

Die zu untersuchende Oberfläche 1, deren Rauhig- bzw. Welligkeit zu messen ist, wird mit einem dünnen parallelen Lichtbündel, das in der Figur 1 mit den nach links weisenden Pfeilen gekennzeichnet ist, beleuchtet. Zur Beleuchtung der zu untersuchenden Oberfläche 1 wird aus einem parallelen Lichtbündel 23, beispielsweise einem Laserstrahl, mittels einer Blende 24, einer Fokussierungslinse und einer weiteren Blende 26 ein kleiner Lichtstrahl auf einen halbdurchlässigen Spiegel 2 geworfen. Dieser Spiegel ist um 45 gegen die optische Achse 8 des Meßsystems geneigt und reflektiert das gesamte einfallende Licht. Dieser reflektierte Strahl wird nun von der Objektlinse 4 als dünnes Parallellichtbündel parallel zur optischen Achse 8 auf die Oberfläche 1, bzw. den zu untersuchenden Teil der Oberfläche 1 gebracht. Entsprechend der Neigung dieses beleuchteten Oberflächenteils wird der einfallende dünne Parallellichtstrahl unter einem entsprechenden Winkel reflektiert. Von der Objektlinse 4 wird dieser von der Oberfläche 1 reflektierte Strahl in der Frequenzebene 6 fokussiert. Der Abstand der Orte, an denen das Licht bestimmter Flächenelemente der Oberfläche 1 in der Frequenzebene fokussiert wird, von der optischen Achse 8, ist ein Maß für die Steigung dieser Flächenelemente. Die Richtung, in der diese Punkte von der optischen

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Achse 8 liegen, entspricht der Richtung der Steigung dieser Flächenelemente.

Wird in den Schnittpunkt der Frequenzebene 6 mit der optischen Achse 8 ein rechtwinkliges x, y-Koordinatensystem gelegt, wie dies in der Fig. 1 gezeigt ist, so entspricht der x- bzw. der y-Koordinate eines Punktes die Ableitung des untersuchten Flächenelementes nach χ bzw. y.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können für die Feststellung dieser Koordinaten drei verschiedene Methoden angewandt werden. Bei der ersten ist in der Frequenzebene 6 ein positionsempfind- { licher Photodetektor angeordnet, der in der Figur nicht dargestellt ist. Beleuchtet man diesen Photodetektor mit einem Lichtpunkt, dem von dem beleuchteten Oberflächenteil reflektierten Lichtstrahl, so werden zwei elektrische Spannungen abgegeben, die den Koordinaten des Lichtpunktes auf dem Detektor proportional sind. Jeder Lichtpunkt in der Frequenzebene 6 ergibt somit zwei elektrische Signale, die ein Maß für die Lage dieses Lichtpunktes bzw. für die Steigung des beleuchteten Teils der Oberfläche 1, darstellen. Die weitere Auswertung dieser positionsempfindlichen Spannungen kann sowohl analog als auch, mittels eines Diskriminators, digital erfolgen.

Nach der zweiten erfindungsgemäßen Art ist in der Frequenzebene ™ 6 eine Detektormatrix hoher Auflösung vorgesehen, die ebenfalls in den Figuren nicht dargestellt ist. Diese Detektormatrix besteht aus einer großen Anzahl einzelner Photozellen und jeder einzelnen Photozelle ist ein bestimmter Steigungswert des untersuchten Flächenstückes d.h. des beleuchteten Teils der Oberfläche 1 zugeordnet. Fällt also ein von der Oberfläche 1 reflektierter Lichtstrahl auf eines dieser Photozellen innerhalb der Matrix, so ist damit sofort und direkt der Steigungswert des untersuchten Flächenstückes bestimmt. Die weitere Auswertung erfolgt auf digitale Weise.

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Gemäß der dritten vorgeschlagenen Art kann die Frequenzebene 6 mit aus der Fernsehtechnik bekannten Mitteln zeilenweise abgetastet werden. In vorteilhafter Weise kann die Halbbildabtastung beispielsweise mit einem System von 625 Zeilen erfolgen. Dabei ergeben sich 312 positive und ebensoviele negative Steigungswerte. Bei der Auswertung wird festgestellt, in welcher Zeile sich der Lichtpunkt befindet, wodurch die eine Koordinate des Punktes bestimmt ist. Zur Bestimmung der anderen Koordinaten dieses einzelnen Lichtpunktes wird der Ort innerhalb einer Zeile bestimmt. Die Auswertung der so gewonnenen Koordinatenpunkte erfolgt wiederum auf digitale Weise.

Die Ausmessung der gesamten Oberfläche 1 erfolgt zweckmäßigerweise folgendermaßen. Die zu untersuchende Oberfläche 1 wird beispielsweise in x-Richtung verfahren und dabei mit einem dünnen parallelen Lichtbündel, das feststehend ist, abgetastet. In der Frequenzebene 6 wird dann eine Reihe von Punkten erhalten, deren Lage die Steigung des jeweils abgetasteten Flächenelementes angibt. Die dabei von den Abtastvorrichtungen in der Frequenzebene 6, d.h. des positionsempfindlichen Photodetektors, der Detektormatrix oder des fernsehtechnischen Abtastmittels, erhaltenen elektrischen Signale werden nach χ aufintegriert. Gleichzeitig können die Ableitungen nach y während eines Durchlaufes in x-Richtung gespeichert werden, so daß sie nach mehreren Durchläufen in x-Richtung auch nach y aufintegriert werden. Auf diese Weise erhält man ein Bild der abgetasteten Flächenelemente in der x-Richtung und in der y-Richtung.

Für die Messung von Oberflächen auf ihre Rauhigkeit hin kann das bisher verwendete Parallellichtbündel für manche Fälle zu grob sein. Eine vorteilhafte Abwandlung der Beleuchtungsart ist in Fig. 2 dargestellt. Das Parallellichtbündel 23 wird direkt auf den halbdurchlässigen Spiegel 2 gelenkt und dort parallel zur optischen Achse 8 reflektiert und von der Objektlinse 4 zu einem sehr kleinen Punkt auf der zu untersuchenden Oberfläche 1 fokussiert. Der von der Oberfläche 1 reflektierte Lichtstrahl, der in der Fig. 2 durch die nach rechts weisenden Pfeile gekennzeich-

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net ist, wird von der Objektlinse 4 zu parallelen Strahlen fokussiert. Die Frequenzebene dieser Anordnung liegt im Unendlichen. Von den achsenparallelen Lichtbündeln wird jede zwischen der hinteren Hauptebene der Objektlinse 4 und der im Unendlichen liegenden Frequenzebene senkrecht zur optischen Achse 8 stehende Ebene in gleicher Weise geschnitten wie die Frequenzebene selbst und kann deshalb zur Auswertung der Information in der Frequenzebene herangezogen werden. Eine solche Ebene ist in der Fig. 2 mit 6¹ bezeichnet. Die Lage dieser zur optischen Achse parallelen Lichtbündel, die nicht sehr groß sind, können prinzipiell mit den erfindungsgemäßen Mitteln in jeder Ebene 6¹ festgestellt werden. Vorteilhaft ist hierbei auch, daß die Lage der Detektormatrix oder des positionsempfindlichen Photodetektors oder auch der fernseh- ^j technischen Zeilenabtastmittel willkürlich gewählt werden kann.

Wie sich aus dem vorstehend Beschriebenen ergibt, ist der optische Aufbau bei der direkten Auswertung der Informationen in der Frequenzebene sehr einfach und besteht im wesentlichen nur aus einer Lichtquelle für das Parallellichtbündei 23, einem halbdurchlässigen Spiegel 2 und einer Objektlinse 4. Durch diese direkte Auswertung der Information aus der Frequenzebene ist das erhaltene Meßergebnis von unterschiedlichen Lichtstärken, Ausleuchtungsverhältnissen und Reflexionsvermögen der zu untersuchenden Oberfläche unabhängig. Es sei noch bemerkt, daß die Beleuchtungsart mit dem dünnen Parallellichtbündei und die in der Fig. 2 dargestellte abgewandelte Beleuchtungart mit dem auf der Ober- ™ fläche 1 fokussierten Lichtbündel in gewisser Weise Grenzfälle darstellen. Für spezielle Aufgaben können auch Zwischenstufen dieser Beleuchtungsarten verwendet werden. Durch die feststehende Anordnung des optischen Aufbaus und die verfahrbare Aufnahme für die zu untersuchende Oberfläche 1, ist das geschilderte Verfahren und die darauf basierenden Anordnungen auch für die Untersuchung und Ausmessung der Rauhig- bzw. Welligkeiten von größeren Oberflächen geeignet.

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Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zum berührungslosen optischen Prüfen und Messen von Oberflächen, bei dem die zu prüfende Oberfläche mit einem dünnen Parallel-Lichtbündel punkt- oder sektionsweise beleuchtet wird und zur Bestimmung der Steigung des beleuchteten Teils der Oberfläche die Information darüber aus der Freguenzebene durch optische Abtastung entnommen und mittels wenigstens eines Photoempfängers hinter der Bildebene aufgenommen wird, gemäß Patentanmeldung P 20 32 314.2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Freguenzebene (6) entweder ein positionsempfindlicher Photodetektor, der positionsanaloge Spannungen, die dem auftreffenden Lichtpunkt entsprechen, abgibt, oder eine Detektormatrix hoher Auflösung, bei der jede einzelne Photozelle dieser Matrix einen bestimmten Steigungswert des beleuchteten Teils der Oberfläche (1) direkt angibt, angeordnet ist, oder daß aus der Fernsehtechnik bekannte Mittel zur zeilenweisen Abtastung der Frequenzebene (6) vorgesehen sind.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der fernsehtechnische Mittel zur zeilenweisen Abtastung der Frequenzebene vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in Halbbildabtastung gleichviel positive und negative Steigungswerte für den beleuchteten Teil der Oberfläche (1) vorhanden sind und bei der Auswertung die Zeile und der Ort innerhalb der Zeile für den dem beleuchteten Teil der Oberfläche (1) entsprechenden Lichtpunkt festgestellt wird.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (1) über einen halbdurchlässigen Spiegel (2) und eine Objektlinse (4) mit einem parallelen Laserstrahl-Lichtbündel (23) punktweise beleuchtet wird.
4. 4. Abwandlung der Anordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein fokussiertes Lichtbündel zur

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   Oberflachenbeleuchtung verwendet wird und die Entnahme der Information über die Steigung des beleuchteten Teils der
   Oberfläche (1) in irgendeiner Ebene (6')_f die senkrecht
   zur optischen Achse (8) ist, .hinter der Hauptebene der
   Objektlinse (4) erfolgt.
5. 5. Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Aufbau (2, 4) feststehend angeordnet ist und die zu messende Oberfläche (1) in einem zur optischen Achse (8) senkrecht stehenden Koordinatensystem
   (x, y) verfahrbar ist.

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