DD293391A5 - Optisches oberflaechenmessgeraet - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Oberflaechenmeszgeraet, welches eine ein polychromatisches Lichtstrahlenbuendel aussendende Lichtquelle 1, einen Kondensor mit Blende 2; 11 und nachfolgendem Kollimator 3 besitzt. Diesem ist in einem Beleuchtungsstrahlengang ein Strahlenteiler 4 und eine laengsdispersive eine Folge von Brennpunkten erzeugende chromatische Fokussieroptik 5 nachgeordnet. In einem dem Strahlenteiler 4 nachgeordneten Meszstrahlengang ist eine achromatische Fokussieroptik 7 vor eine Farbsensoranordnung 8; 12 vorgesehen, welche mit einer Auswerteeinrichtung 9 verbunden ist. Fig. 1{Meszgeraet; Oberflaeche, optisch, beruehrungslos; Fokussieroptik, achromatisch, chromatisch, laengsdispersiv; Farbsensoranordnung; Blende; Lichtstrahlenbuendel, polychromatisch}

Description

Auflösung dreidimensional ohne relative Verschiebung von Meßgerät und Meßobjekt zueinander eine kontinuierliche und quantitatve Bestimmung von Höhenunterschieden der zu prüfenden Oberfläche des Meßobjektes mit geringem elektronischen Auswerteaufwand ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem optischen Oberflächenmeßgerät zur berührungslosen Prüfung von Oberflächen von Meßobjekten, welches eine ein polychromatisches Lichtstrahlenbündel aussendende Lichtquelle, eine Kondensor mit Blende und nachfolgendem Kollimator, diesem, in einem Beleuchtungsstrahlengang nachgeordnet, einen Strahlenteiler und eine längsdispersive, eine Folge von Brennpunkten erzeugende chromatische Fokussieroptik besitzt und welche in einem, dem Strahlenteiler nachgeordneten Meßstrahlengang eine mit einer Auswerteeinrichtung verbundene Farbsensoranordnung aufweist, dadurch gelöst, daß vorzugsweise ein durch dan Strahlenteiler erzeugter Referenzstrahlengang mit einer fokussierenden Optik und einem, spektrale Veränderungen und die Intensität der Lichtquelle bewertenden Farbsensor vorgesehen ist, und daß im Meßstrahlengang nach dem Strahlenteiler eine achromatische, das von der Oberfläche des Meßobjektes reflektierte Lichtstrahlenbündel auf die Farbsensoranordnung fokussierende Fokussieroptik angeordnet ist. Dabei istes vorteilhaft, wenn eine punktförmige Blende eine schlitzförmige oder flächenhafte Blende, auf welche die Lichtquelle abbildbar ist, im Strahlengang vor dem Strahlenteiler angeordnet ist, und daß die Farbsensoranordnung eine punktförmige, zellenförmige oder matrixförmige Fotodioden- oder CCO-Elementen-Anordnung darstellt. Zur Veränderung des Meßbereiches und des freien Objektabstandes ist es vorteilhaft, wenn die chromatische Fokussieroptik (5) auswechselbar im Strahlengang angeordnet ist.

Das erfindungsgemäße Oberflächenmeßgerät zeichnet sich vorallem durch seine konstruktive Einfachheit aus, indem auf teure optische winkeldispersive Bauelemente, wie Gitter oder Prismen, verzichtet werden kann. Das Oberflächenmeßgerät gestattet sowohl punktförmige als auch linienförmige Bereiche derzu prüfenden Oberfläche bei hoher lateraler Auflösung zu vermessen. Bei Anwendung einer bildfeldbestimmenden Blende vor dem Kollimator ist ein Vermessen der Beschaffenheit von flächenhaften Oberflächenbereichen mit hoher Genauigkeit und Auflösung möglich. Bei allen Messungen wird eine hohe Lichtstärke erreicht.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1: den Strahlengang eines Oberflächenmeßgerätes mit einer punktförmigen Blende und Fig. 2: den Strahlengang eines Obertiächenmeßgerätes mit einer flächenhaften Blende.

Das optische Oberflächenmeßgerät nach Fig. 1 umfaßt eine polychromatische Lichtquelle 1, welche mittels eines nicht dargestellten, an sich bekannten Kondensators auf eine Blende 2 abgebildet wird. Durch einen der Blende 2 nachgeordneten achromatischen Kollimator 3 wird ein paralleles Lichtstrahlenbündel erzeugt, das einen Strahlenteiler 4 durchlauft und zu einer nachgeordneten chromatischen, d.h. längsdispersiv wirkenden und eine Folge von Brennpunkten Fi; F₂;...; F_n erzeugenden Fokussieroptik 5 gelangt, in dessen Arbeits- oder Fokussierbereich die zu prüfende Oberfläche eines Meßobjektes 6, vorzugsweise relativ zum Oberflächenmeßgerät senkrecht zur optischen Achse verschiebbar, angeordnet ist. Dabei sind den einzelnen Brennpunkten Ft; F₂;...; F_n ganz bestimmte Wellenlängen des Lichtes des auftreffenden Lichtbündels zugeordnet. Das von der Oberfläche des Meßobjektes 6 reflektierte polychromatische Lichtstrahlenbündel durchlauft die längsdispersive Fokussieroptik 5, wird vom Strahlenteiler 4 umgelenkt und durch eine achromatische Fokussieroptik 7 auf einen Farbsensor 8 fokussiert. Der Farbsensor 8 ist mit einer Auswerteeinrichtung 9 verbunden. Durch das vom Farbsensor 8 erzeugte elektrische Signal ist die Wellenlänge gekennzeichnet, für die der dazugehörige Brennpunkt Fi auf der Oberfläche des Meßobjektes 6 liegt. Die längsdispersive Fokussieroptik 5 und der Farbsensor 8 bestimmen dabei den Meßbereich des Meßgerätes und sind aufeinander abgestimmt.

Biii Anwendung einer nahezu punktförmigen Blende 2, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, und eines entsprechend ausgebildeten Ffirbsensors ist das Vermessen einzelner Punkte der Oberfläche des Meßobjektes 6 mit hoher Auflösung in Richtung der optischen Achse 10 des Meßstrahlenganges möglich.

Sollen linienförmige Bereiche auf der Oberfläche des Meßobjektes 6 vermessen werden, so ist es erforderlich, anstelle der punktförmigen Blende 2 (Fig. 1) im Beleuchtungsstrahlengang eine schlitzförmige Blende anzuordnen. Im Meszstrahlengang ist in diesem Falle eine aus zellenförmig aneinander gereihten Farbsensoren bestehende Farbsensoranordnung vorzusehen, deren Ausgangssignale der Auswerteeinrichtung 9 zur Auswertung zugeführt werden.

Das optische Oberflächenmeßgerät, dessen Strahlengang in Fig. 2 dargestellt ist, besteht im wesentlichen aus konstruktiv und funktionsmäßig gleichen Bauteilen, wobei diese Bauteile mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind, wie bei dem Meßgerät nach Fig. 1. Anstelle einer schlitzförmigen Blende ist hier jedoch eine bildfeldbestimmende Blende 11 zwischen der Lichtquelle 1 und dem Kollimator 3 im Beleuchtungsstrahlengang angeordnet. Das von Kollimator 3 durch den Strahlenteiler 4 und die chromatische Fokussieroptik 5 auf das Meßobjekt β gerichtete Lichtstrahlenbündel überdeckt dort einen flächenhaften Oberflächenbereich. Durch die Fokussieroptik 5 werden Fokussierilächen E₁; E₂;...; E_n senkrecht zur optischen Achse 10 gebildet, denen in analoger Weise Wellenlängen zugeordnet sind. Auch hier gelangt das von der Oberfläche des Meßobjektes 6 reflektierte Lichtstrahlenbündel über die Fokussieroptik 5, den Strahlenteiler 4 und durch die achromatische Fokussieroptik 7 eine matrixförmige Farbsensoranordnung 12. Durch die Anwendung der matrixförmigen Farbsensoranordnung 12 ist einem jedem Farbsensor ein Punkt der Oberfläche des Meßobjektes 6 zugeordnet. Aus den Signalen der einzelnen Farbsensoren geht die zugeordnete Wellenlänge und damit das Maß der Profilhöhe der zu vermessenden Oberfläche hervor. Die entsprechende Auswertung erfolgt in der Auswerteeinrichtung 9, die mit der Farbsensoranordnung 12 verbunden ist. Bei den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen ist vorzugsweise ein durch den Strahlenteiler 4 erzeugter Referenzstrahlengang mit einer fokussierenden Optik 13 und einem, spektrale Veränderungen und die Intensität der Lichtquelle 1 bewertenden Farbsensor 14 vorgesehen. Der Farbsensor 14 ist mit der Auswerteeinrichtung 9 verbunden. Damit können die Qualität der Messungen beeinflussende Veränderungen des von der Lichtquelle ausgesendeten Lichtbündels berücksichtigt werden.

Als Lichtquelle 1 kann auch ein durchstimrnbarer Laser zur Erzeugung von Lichtbündeln unterschiedlicher Frequenz Anwendung finden.

Um eine Veränderung des Meßbereiches und/oder eine Veränderung des Abstandes zwischen der Fokussieroptik 5 und dem Meßobjekt 6 vornehmen zu können, ist es vorteilhaft, die Fokussieroptik auswechselbar im Strahlengang des Oberflächenmeßgerätes anzuordnen, so daß Fokussieroptiken 5 mit unterschiedlicher Farbdispersion in den Strahlengang eingeführt werden können.

Claims (3)

1. Optisches Oberflächenmeßgerät zur berührungslosen Prüfung von Oberflächen von Meßobjekten,

welches eine ein polychromatisches Lichtstrahlenbündel aussendende Lichtquelle, eine Kondensor mit Blende und nachfolgendem Kollimator, diesem, in einem Beleuchtungsstrahlengang nachgeordnet, einen Strahlenteiler und eine längs üspersive, eine Folge von Brennpunkten erzeugende chromatische Fokussieroptik besitzt und welche in einem, dem Strahlenteiler nachgeordneten Meßstrahlengang eine mit einer Auswerteeinrichtung verbundene Farbsensoranordnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise ein durch den Strahlenteiler (4) erzeugter Referenzstrahlengang mit einer fokussierenden Optik (13) und einem, spektrale Veränderungen und die Intensität der Lichtquelle (1) bewertenden Farbsensor (14) vorgesehen ist, und daß im Meßstrahlengang nach dem Strahlenteiler (4) eine achromatische, das von der Oberfläche des Meßobjektes (6) reflektierte Lichtstrahlenbündel auf die Farbsensoranordnung (8) fokussierende Fokussieroptik (7) angeordnet ist,

2. Optisches Oberflächenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine punktförmige Blende (2), eine schlitzförmige oder flächenhafte Blende (11), auf welche die Lichtquelle (1) abbildbar ist, im Strahlengang vordem Strahlenteiler (4) angeordnet ist, und daß die Farbsensoranordnung (8; 12) eine punktförmige, zellenförmige oder CCD-Elementen-Anordnung darstellt.

3. Optisches Oberflächenmeßgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die chromatische Fokussieroptik (5) auswechselbar im Strahlengang angeordnet ist.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein optisches Oberflächenmeßgerät zur berührungslosen Prüfung von Oberflächen mittels eines Lichtstrahlbündels, welches auf die zu prüfende Oberfläche eines Meßobjektes gerichtet wird.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Ein berührungslos messendes optisches Oberflächenmeßgerät ist in der DE-OS 3428593 beschrieben und dargestellt, wobei ein polychromatisches Lichtstrahlenbündel auf die zu prüfende Oberfläche eines Meßobjektes konzentriert, sodann regeneriert und mittels Reflexion durch einen Seperator zu einem Empfänger umgelenkt wird. Dabei wird das auf die Oberfläche auftreffende Lichtstrahlenbündel mittels einer Longitudinal-Dispersionseinrichtung in longitudinaler Richtung, d. h. in Richtung der optischen Achse zerlegt. Das an der Oberfläche regonerierte Strahlenbündel wird von einer im Sti ahlengang vorgesehenen Winkel-Dispersionseinrichtung zerlegt und einem nachgeordneten, Fotodioden in Zeilen- oder Matrixform aufweisenden Empfänger zugeführt, der einer elektronischen Auswerteeinrichtung zugeordnet ist. Als Longitudinal-Dispersionseinrichtung ist ein chromatisches Objektiv mit einem definierten Farblängsfehler und demzufolge mit unterschiedlicher Fokuslage für die verschiedenen Wellenfängen des benutzten Lichtstrahlenbündels im Bereich des zu untersuchenden Meßobjektes vorgesehen. Bei diesem Meßgerät wird das von der Oberfläche reflektierte Lichtbündel nach wiederholtem Passieren der Längsdispersions-Einrichtung über einen Strahlenteiler und durch Verwendung eines dem Empfänger vorgelagerten chromatischen Objektes und eines Prismas farbquerzerlegt. Das vorgesehene Fotodiodenarray, welches mit einer aufwendigen elektronischen Auswerteeinrichtung verbunden ist, weist nun die Wellenlänge aus, für die das gerade angetastete Oberflächenelement im Fokus des Objektives steht, da nur dann maximale Strahlung empfangen und ein maximales Signal erzeugt werden. Durch ein Ersetzen eines streifenförmigen Fotodiodenarrays durch eine Fotodiodenmatrix wird ein streifenartiges Vermessen der Oberfläche des Meßobjektes ermöglicht. Soll die Oberfläche flächenförmig vermessen werden, so ist es erforderlich, das Meßobjekt und Meßgerät relativ zueinander zu verschieben, was zeitaufwendig ist und hochgenaue Führungs- und Antriebssysteme erfordert. Ferner ist dieses Meßgerät durch die Verwendung der Winkel-Dispersionseinrichtung technisch aufwendig.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, die Nachteile dos Standes der Technik zu beseitigen, und den Aufbau eines Oberflächenmeßgerätes zu vereinfachen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Oberflächenmeßgorät zur berührungslosen Prüfung von Oberflächen von Meßobjekten zu schaffen, welches einen einfachen technischen Aufbau besitzt und bei hoher Lichtstärke und hoher lateraler