DD293391A5 - OPTICAL SURFACE MEASURING DEVICE - Google Patents
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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}The invention relates to an optical surface measuring apparatus which comprises a light source 1 emitting a polychromatic beam of light rays, a condenser with shutter 2; 11 and subsequent collimator 3 has. This is followed by a beam splitter 4 and a longitudinally dispersive, a sequence of focal points producing chromatic focusing optics 5 in an illumination beam path. In one of the beam splitter 4 downstream Meszstrahlengang is an achromatic focusing optics 7 in front of a color sensor array 8; 12 is provided, which is connected to an evaluation device 9. Fig. 1 {Meszgeraet; Surface, optical, touchless; Focusing optics, achromatic, chromatic, longitudinally dispersive; Color sensor array; Cover; Light beam, polychromatic}
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.Resolution three-dimensional without relative displacement of meter and object to each other a continuous and quantitatve determination of differences in height of the surface to be tested of the test object with low electronic evaluation allows.
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.According to the invention this object is achieved in an optical Oberflächenmeßgerät for contactless testing of surfaces of DUTs, which is a polychromatic light beam emitting light source, a condenser with aperture and subsequent collimator, this, downstream in an illumination beam path, a beam splitter and a longitudinally dispersive, generating a sequence of foci has chromatic focusing optics and which has in one, the beam splitter downstream Meßstrahlengang connected to an evaluation color sensor assembly, achieved in that preferably a generated by dan beam splitter reference beam path is provided with a focusing optics and a spectral changes and the intensity of the light source evaluating color sensor, and that in the measuring beam path after the beam splitter an achromatic, reflected from the surface of the measurement object light beam on di e color sensor arrangement focusing focusing optics is arranged. It is advantageous if a punctiform diaphragm is a slit-shaped or planar aperture, on which the light source can be imaged, is arranged in the beam path in front of the beam splitter, and that the color sensor arrangement is a point-like, cellular or matrix-shaped Fotodioden- or CCO-element arrangement. To change the measuring range and the free object distance, it is advantageous if the chromatic focusing optics (5) is arranged interchangeable in the beam path.
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.The surface measuring device according to the invention is characterized above all by its constructive simplicity, in that it is possible to dispense with expensive optical angle-dispersive components, such as gratings or prisms. The surface measuring device allows both punctiform and linear regions of the surface to be tested to be measured at high lateral resolution. When using a field-defining aperture in front of the collimator, it is possible to measure the nature of areal surface areas with high accuracy and resolution. In all measurements, a high light intensity is achieved.
Fig. 1: den Strahlengang eines Oberflächenmeßgerätes mit einer punktförmigen Blende und Fig. 2: den Strahlengang eines Obertiächenmeßgerätes mit einer flächenhaften Blende.Fig. 1: the beam path of a Oberflächenmeßgerätes with a punctiform diaphragm and Fig. 2: the beam path of a Obertiächenmeßgerätes with a planar aperture.
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;...; Fn 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;...; Fn 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.The optical surface measuring device according to FIG. 1 comprises a polychromatic light source 1, which is imaged on a diaphragm 2 by means of a capacitor, not shown, known per se. Through a diaphragm 2 downstream achromatic collimator 3, a parallel light beam is generated, which passes through a beam splitter 4 and to a downstream chromatic, ie longitudinally dispersive and a series of foci Fi; F 2 ; ...; F n producing focusing optics 5 passes in the working or focusing the surface to be tested of a measured object 6, preferably relative to the surface measuring perpendicular to the optical axis, is arranged displaceable. The individual focal points Ft; F 2 ; ...; F n assigned to specific wavelengths of the light of the incident light beam. The reflected from the surface of the measurement object 6 polychromatic light beam passes through the longitudinally dispersive focusing optics 5, is deflected by the beam splitter 4 and focused by an achromatic focusing optics 7 on a color sensor 8. The color sensor 8 is connected to an evaluation device 9. By the electric signal generated by the color sensor 8, the wavelength is marked, for which the associated focus Fi is on the surface of the measurement object 6. The longitudinally dispersive focusing optics 5 and the color sensor 8 thereby determine the measuring range of the measuring device and are matched to one another.
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.Using a nearly point-shaped diaphragm 2, as shown in FIG. 1, and a suitably designed fiber sensor, it is possible to measure individual points of the surface of the measurement object 6 with high resolution in the direction of the optical axis 10 of the measuring beam path.
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.If linear regions are to be measured on the surface of the measurement object 6, it is necessary to arrange a slot-shaped diaphragm in the illumination beam path instead of the punctiform diaphragm 2 (FIG. In the measuring beam path, a color sensor arrangement consisting of cell-shaped juxtaposed color sensors is to be provided in this case, the output signals of which are fed to the evaluation device 9 for evaluation.
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;...; En 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.The optical Oberflächenmeßgerät, the beam path is shown in Fig. 2, consists essentially of structurally and functionally identical components, these components are identified by the same reference numerals, as in the measuring device of Fig. 1. Instead of a slit-shaped aperture is here but one Aperture-defining aperture 11 is arranged between the light source 1 and the collimator 3 in the illumination beam path. The light beam directed by the collimator 3 through the beam splitter 4 and the chromatic focusing optics 5 onto the test object β covers a planar surface area there. By Fokussieroptik 5 Fokussierilächen E 1 ; E 2 ; ...; E n formed perpendicular to the optical axis 10, which are associated with wavelengths in an analogous manner. Here, too, the light beam reflected by the surface of the measurement object 6 passes through the focusing optics 5, the beam splitter 4 and the achromatic focusing optics 7 to a matrix-shaped color sensor arrangement 12. The application of the matrix-shaped color sensor arrangement 12 assigns a point to the surface of the measurement object 6 to each color sensor , From the signals of the individual color sensors, the assigned wavelength and thus the extent of the profile height of the surface to be measured is apparent. The corresponding evaluation takes place in the evaluation device 9 which is connected to the color sensor arrangement 12. In the exemplary embodiments illustrated in FIGS. 1 and 2, a reference beam path generated by the beam splitter 4 is preferably provided with a focusing optical system 13 and a color sensor 14 evaluating spectral changes and the intensity of the light source 1. The color sensor 14 is connected to the evaluation device 9. Thus, the quality of the measurements influencing changes in the light beam emitted by the light source can be taken into account.
Als Lichtquelle 1 kann auch ein durchstimrnbarer Laser zur Erzeugung von Lichtbündeln unterschiedlicher Frequenz Anwendung finden.As a light source 1 can also be a pierceable laser for generating light bundles of different frequencies application.
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.In order to make a change in the measuring range and / or a change in the distance between the focusing optics 5 and the measuring object 6, it is advantageous to arrange the focusing optics interchangeable in the beam path of the surface, so that focusing optics 5 can be introduced with different color dispersion in the beam path ,
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