DE102007022831B4

DE102007022831B4 - Vorrichtung mit einem Feldspiegel zum optischen Prüfen einer Oberfläche

Info

Publication number: DE102007022831B4
Application number: DE102007022831A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Gäßler; Christian Konz; Harald Richter
Original assignee: Intelligente Optische Sensoren und Systeme GmbH IOSS
Current assignee: Intelligente Optische Sensoren und Systeme GmbH IOSS
Priority date: 2007-05-15
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-05-16
Also published as: DE102007022831A1; US20080285020A1; JP2009025288A; US7636164B2

Abstract

Vorrichtung zum optischen Prüfen eines Untersuchungsbereiches (3) einer spiegelnden oder diffus reflektierenden Oberfläche (2) eines Substrates (1),
• mit einem Feldspiegel (4), der eine auf der Oberfläche (2) senkrecht stehende substratseitige optische Achse (5) und eine kameraseitige optische Achse (8) aufweist
• mit wenigstens einer auf der kameraseitigen optischen Achse (8) im Bereich der Fokalebene (20) des Feldspiegels (4) angeordneten Lichtquelle (21) zur Hellfeldbeleuchtung, die mittels eines telezentrischen Strahlengangs auf den Untersuchungsbereich (3) abgebildet wird,
• mit einer elektronischen Kamera (11), deren Eintrittspupille in der Fokalebene (10) des Feldspiegels (4) auf der kameraseitigen optischen Achse (8) liegt und welche einen Teil des von der Oberfläche (2) im Untersuchungsbereich (3) emittierten Lichts über einen telezentrischen Strahlengang aufnimmt und die gewonnenen Bilder an eine Auswerteeinrichtung übermittelt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Feldspiegel (4) eine asphärische Spiegeloberfläche aufweist, wobei die Projektionsfläche auf der zu untersuchenden Oberfläche (2) den Untersuchungsbereich...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche.
Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 20 2006 017 496 U1 ist eine Einrichtung zum optischen Erfassen von Störungen an der Oberfläche oder im Inneren von Körpern aus transparentem Material mit jeweils einem beleuchtungs- und bildsensorseitigen telezentrischen Strahlengang bekannt.
Aus der deutschen Patentschrift DE 44 34 699 C2 ist eine Einrichtung zur Erkennung von Fehlern an der Oberfläche oder im Inneren von transparenten Objekten oder an spiegelnden Objekten mit einem beleuchtungs- und bildsensorseitigen telezentrischen Strahlengang bekannt, wobei der Beleuchtungsstrahlengang einen beliebig geformten Retroreflektor aufweist.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 38 38 954 A1 ist eine Optikanordnung zur dreidimensionalen Formerkennung mit einem beleuchtungs- und bildsensorseitigen telezentrischen Strahlengang und einem ebenen Retroreflektor bekannt.
Aus der US-Patentschrift US 6 870 949 B2 ist eine Bildaufnahmevorrichtung zur Abbildung von Defekten auf einer ebenen, spiegelnden Oberfläche bekannt, bei der mittels eines telezentrischen Strahlenganges der zu untersuchende Bereich der Oberfläche mit einer Kamera abgebildet wird und die Dunkelfeldbeleuchtung der Oberfläche durch eine koaxial zur optischen Achse der Kamera angeordneten ringförmigen Beleuchtungsquelle erfolgt. Es ist ferner vorgesehen. Die Lichtquellen zur Beleuchtung der Oberflächen senkrecht zur optischen Achse der Kamera mittels eines halbdurchlässigen Spiegels einzuspiegeln. In diesem Fall ist auch die Realisierung einer Hellfeldbeleuchtung vorgesehen. Das Bild der zu untersuchenden Oberfläche wird in diesem Fall mittels der Feldlinse in die Kameraoptik abgebildet und der Strahlengang verläuft durch die planparallele Platte des halbdurchlässigen Spiegels, welche insbesondere bei einem großen Öffnungswinkel des Strahlenganges, d. h. bei einer kurzen Brennweite der Feldlinse einen abbildungsqualitätsverschlechternden Astigmatismus erzeugt.
Aus der US-Patentschrift US 4 561 722 A ist ein Strahlteiler für einen beleuchtungs- und sensorseitig telezentrischen Strahlengang bekannt, der wenigstens eine transparente Abdeckung für den halbdurchlässigen Spiegel zur Verhinderung von Fremdlichteinflüssen durch Verschmutzung vorsieht.
Aus der japanischen Patentanmeldung JP 08-172 506 A ist ein Manuskript-Lesegerät mit einer Kamera und einer achsnahen Dunkelfeldbeleuchtung bekannt, wobei für Beleuchtung und Kamerastrahlengang die gleiche telezentrische Optik verwendet wird. Die achsennahe Dunkelfeldbeleuchtung bietet insbesondere bei Manuskripten auf glänzendem Papier Vorteile bei der Erkennbarkeit der Zeichen.
Die aus der US 6 870 949 B2 und der JP 08-172 506 A bekannten Anordnungen mit einer Kamera, deren Objektiv auf der optischen Achse der telezentrischen Feldlinse liegt, weisen den Nachteil auf, daß die Höhe der gesamten Anordnung längs der optischen Achse der Feldlinse die Brennweite der Feldlinse um mehr als die Summe der Längen von Kamera und Objektiv übersteigt.
Allen Anordnungen mit Feldlinsen ist gemeinsam, daß Reflexionen an der Vorder- und Rückseite der Feldlinse auftreten, die durch eine Vergütung der Linsenoberflächen nur für einem schmalen Wellenlängenbereich optimal unterdrückt werden können. Insbesondere bei der Verwendung von nicht-monochromen Licht für die Untersuchung der Oberfläche tritt der Effekt der chromatischen Aberration auf, der durch teuere achromatische Linsensysteme nur teilweise vermieden werden kann. Ferner weisen alle Anordnungen mit einem telezentrischen Strahlengang eine oftmals unerwünscht große Höhe in Richtung senkrecht zu der untersuchenden Oberfläche auf, die insbesondere bei beengten Platzverhältnissen in der Umgebung der zu untersuchenden Oberfläche hinderlich sind. Auch durch Verwendung eines planen Umlenkspiegels zwischen der zu untersuchenden Oberfläche und der Feldlinse kann die Ausdehnung der gesamten Anordnung senkrecht zu der zu untersuchenden Oberfläche oftmals nicht hinreichend reduziert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine aus wenigen Komponenten bestehende, kompakte und kostengünstig zu fertigende Vorrichtung zum optischen Prüfen eines im wesentlichen rechteckigen Bereichs einer diffus reflektierenden oder spiegelnden Oberfläche mit einem telezentrischen Strahlengang für Licht unterschiedlicher Wellenlänge zu schaffen, wobei die Vorrichtung insbesondere in Richtung senkrecht zu der zu untersuchenden Oberfläche eine möglichst geringe Höhe aufweisen soll. Insbesondere soll unter dem optischen Prüfen sowohl das qualitative Erkennen von Oberflächenstrukturen und/oder -fehlern als auch die Erkennung von Zeichen und/oder Codierungen verstanden werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß das von der zu untersuchenden Oberfläche ausgehende Licht mittels eines asphärischen Feldspiegels kurzer Brennweite über einen halbdurchlässigen Spiegel in die Eintrittspupille des Objektivs einer elektronischen Kamera abgebildet wird, wobei die Beleuchtung der Oberfläche im Fall der Hellfeldbeleuchtung durch eine in der Fokalebene des Feldspiegels und im Bereich der optischen Achse des Feldspiegels angeordnete Lichtquelle, die vorzugsweise aus einer von einer mehrfarbig einstellbaren Halbleiterlichtquelle angestrahlten Mattscheibe gebildet wird, erfolgt.
Die Erfindung wird an Hand der Abbildungen näher erläutert.
In 1a ist der erfindungsgemäße Strahlengang in einer Ansicht senkrecht zu den optischen Achsen der Kamera (11) und des telezentrischen Feldspiegels (4) schematisch dargestellt. Der im Schnitt dargestellte Feldspiegel (4) weist in der Projektion in Richtung der optischen Achse (5) einen Querschnitt auf, der die Außenkontur des Untersuchungsbereiches (3) der Oberfläche (2) des zu untersuchenden Substrats (1) einschließt. Eine Eigenart eines telezentrischen Strahlenganges ist es, daß der Feldspiegel (4) auf der Seite des Untersuchungsbereiches (3) einen parallelen Strahlengang aufweist und somit die Projektion des Feldspiegels (4) in Richtung der optischen Achse (5) den Untersuchungsbereich enthalten muß. Die telezentrische Abbildung gibt die Strukturen des Untersuchungsbereiches (3) unabhängig vom Abstand des Feldspiegels (4) von der Oberfläche (2) mit immer dem gleichen Abbildungsmaßstab wieder. Eine telezentrische Abbildungsoptik wird daher bei optischen Meßaufgaben bevorzugt eingesetzt. Um eine kurze Baulänge in Richtung der optischen Achse (8) des Feldspiegels (4) zu erzielen, muß der Öffnungswinkel des telezentrischen Strahlenbündels möglichst groß gewählt werden. Da große Öffnungswinkel bei Strahlengängen mit sphärischen Optikkomponenten zu erheblichen Abbildungsfehlern führen, ist vorgesehen, den Feldspiegel (4) als asphärischen Spiegel auszuführen. Der Feldspiegel (4) wird aus Glas mit einer wenigstens abschnittsweise asphärischen Fläche geschliffen und verspiegelt. Bei der Verspiegelung kann es sich um eine Vorderseitenverspiegelung (40) oder um eine Rückseitenverspiegelung (41) handeln, wobei unter Vorderseitenverspiegelung (40) eine Verspiegelung verstanden werden soll, bei der die Lichtstrahlen an der Grenzfläche zwischen Luft und dem Spiegel reflektiert werden, während bei einer Rückseitenverspiegelung (41) die Lichtstrahlen an einer Grenzfläche zwischen Glas und dem Spiegel reflektiert werden. Ein Beispiel für eine Vorderseitenverspiegelung (40) ist beispielsweise bei einem konkaven, asphärischen Metallspiegel gegeben, wie er beispielsweise dort eingesetzt wird, wo die Oberfläche (2) im infraroten Wellenlängenbereich untersucht werden soll.
Wie in 1b und 1c schematisch dargestellt, ist bei einer Rückseitenverspiegelung (41) des Feldspiegels (4) mit einer asphärischen verspiegelten Außenfläche als Träger des Feldspiegels (4) ein Prisma mit zwei aufeinander senkrecht stehenden Flächen (1b) oder ein Körper mit einer konkaven und einer konvexen Fläche (1c) vorgesehen, wobei die hintere konvexe Fläche asphärisch und verspiegelt ausgeführt ist. Es ist im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen, den Feldspiegel (4) im Spritzgußverfahren aus Kunststoff herzustellen. In 1d ist als Feldspiegel ein Fresnelspiegel (42) vorgesehen, wobei der Fresnelspiegel (42) eine wenigstens abschnittsweise asphärische verspiegelte Oberfläche aufweist.
Das von dem Untersuchungsbereich (3) parallel zur optischen Achse (5) des Feldspiegels (4) emittierte Licht wird über einen unter 45 Grad zu der kameraseitigen optischen Achse (8) des Feldspiegels (4) angeordneten Strahlteiler (6) mit einer teildurchlässig verspiegelten Oberfläche (7) in die Fokalebene (10) des Feldspiegels (4) abgebildet. In der Fokalebene (10) ist die Eintrittspupille (13) des Objektivs einer Kamera (11) derart angeordnet, daß das Bild eines auf der optischen Achse (5) des Feldspiegels (4) liegenden Objektpunktes auf der Oberfläche (2) in die Mitte der Eintrittspupille (13) abgebildet wird. Bei der Kamera (11) handelt es sich vorzugsweise um eine elektronische Kamera mit einem CCD- oder einem CMOS-Bildaufnehmer, die auf einer nicht dargestellten Kameraplatine angeordnet ist. Die Kameraplatine trägt vorzugsweise eine elektronische Schaltung zur Steuerung der Kamera (11), insbesondere zur Steuerung des Bildaufnahme- und -auslesevorgangs.
In der Verlängerung der optischen Achse (8) des Feldspiegels (4) ist in der Fokalebene (20) des Feldspiegels (4) eine Lichtquelle (21) für die Hellfeldbeleuchtung des Untersuchungsbereiches (3) angeordnet.
In 2 ist eine Ausprägung der erfindungsgemäßen Anordnung schematisch dargestellt, bei der die optische Achse des Objektivs der Kamera (11) parallel zu der Oberfläche (2) des Substrats (1) liegt. Dadurch wird gegenüber der Anordnung aus 1a die Bauhöhe der Vorrichtung senkrecht zu der Oberfläche (2) weiter verringert.
3 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine kompakte erfindungsgemäße Anordnung, bei der der Feldspiegel mit der Rückseitenverspiegelung (41) und der teildurchlässig verspiegelten Oberfläche (7) eine Einheit bildet. Ein Strahlteiler (6) ist auf die teildurchlässig verspiegelte Oberfläche (7) aufgekittet. Es ist ein Glaskörper (43) vorgesehen, der zusätzlich zu der Rückseitenverspiegelung (41) und der teildurchlässig verspiegelten Oberfläche (7) ebene Flächen aufweist, durch die das Licht von der zu untersuchenden Oberfläche (2) in den Glaskörper (43) eintritt beziehungsweise aus dem Glaskörper (43) in Richtung der nicht dargestellten, in der Fokalebene (10) des Feldspiegels vorgesehenen Kamera austritt. Begrenzungsflächen des Glaskörpers (43), die keine optischen Elemente im sinne der erfindungsgemäßen Anordnung darstellen, sind vorzugsweise mit einer absorbierenden, lichtdichten Beschichtung überzogen.
In 4 ist eine Anordnung mit einem Glaskörper (43) in der Aufsicht in Richtung senkrecht auf die zu untersuchende Oberfläche (2) dargestellt, bei der gegenüber der Anordnung aus 3 der Kamera- und der Beleuchtungsstrahlengang vertauscht sind. Dadurch erhält man eine besonders geringe Bauhöhe der Anordnung in Richtung senkrecht zu der zu untersuchenden Oberfläche (2). Die Eintrittspupille der nicht dargestellten Kamera ist dabei in der Fokalebene (20) vorgesehen und die ebenfalls nicht dargestellte Lichtquelle ist in der Fokalebene (20) vorgesehen. Der Strahlengang der Anordnung aus 4 kann auch durch die in 1 dargestellten optischen Elemente Feldspiegel (1) und Strahlteiler (6) realisiert werden.
Die Anordnungen in 3 und 4 weisen den Vorteil auf, daß zwischen der Rückseitenverspiegelung (41) und der teildurchlässig verspiegelten Oberfläche (7) keine Oberflächen vorhanden sind, die durch Umwelteinflüsse beeinflußt werden, beispielsweise verstauben können.
Der Glaskörper (43) in 3 kann bei Bedarf bis zu der Fokalebene (10) verlängert sein. In diesem Fall würde eine Lichtquelle mit einem Immersionsklebstoff direkt auf der Oberfläche des Glaskörpers (43) angebracht werden. Es ist weiterhin vorgesehen, bei Vertauschung von Kamera- und Beleuchtungsstrahlengang einen CCD-Kamerachip direkt mit einem Immersionsklebstoff auf der Oberfläche des Glaskörpers (43) aufzukleben.
Alle optischen Elemente, wie der Glaskörper (43), der Strahlteiler (6) oder der Feldspiegel (4) können aus Glas oder Kunststoff, vorzugsweise im Spritzgußverfahren, hergestellt sein. Der Feldspiegel kann auch als Metallspiegel ausgebildet sein.
Die Lichtquelle (21) kann zur Erzielung einer Hellfeldbeleuchtung als Punktlichtquelle ausgeführt sein, die in der Fokalebene (20) auf der optischen Achse (8) aus 1 liegt. Die Erfindung sieht vor, weitere Lichtquellen oder eine ausgedehnte Lichtquelle in der Fokalebene (20) oder in deren Nähe anzuordnen. Je nach Untersuchungsaufgabe und der Oberflächenbeschaffenheit der zu untersuchenden Oberfläche (2) kann eine punktförmige Lichtquelle in der Fokalebene (20) durch eine wenig ausgedehnte flächige Lichtquelle in der Nähe der Fokalebene (20) ersetzt werden. Es ist vorgesehen, die Lichtquelle (21) oder die Anordnung mehrerer Lichtquellen mittels einer nicht näher beschriebenen Beleuchtungssteuerung in ihrer Intensität, in der Mischfarbe des emittierten Lichtes und in der räumlichen Verteilung der Intensitäten und Wellenlängen einzustellen.
Ferner ist vorgesehen, auf der der zu untersuchenden Oberfläche (2) zugewandten Seite des Feldspiegels eine Zusatzlichtquelle (44) außerhalb des telezentrischen Strahlenbündels anzuordnen. Ein Beinspiel ist in 3 dargestellt.
Verzeichnis der Abbildungen
1a: Schematische Ansicht des Strahlenganges senkrecht zu den optischen Achsen von Kamera-Objektiv und Feldspiegel
1b: Feldspiegel mit Rückseitenverspiegelung (prismatischer Aufbau)
1c: Feldspiegel mit Rückseitenverspiegelung
1c: Feldspiegel mit Fresnelstruktur
2: Ansicht einer erfindungsgemäße Vorrichtung in Richtung der optischen Achse (5) des Feldspiegels.
3: Schematischer Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Glaskörper
4: Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Glaskörper

1: Substrat
2: Oberfläche
3: Untersuchungsbereich
4, 4', 4'': Feldspiegel
5: optische Achse
6: Strahlteiler
7: teildurchlässig verspiegelte Oberfläche
8: optische Achse
10: Fokalebene des Feldspiegels
11: Kamera
13: Eintrittspupille
20: Fokalebene des Feldspiegels
21: Lichtquelle
40: Vorderseitenverspiegelung
41: Rückseitenverspiegelung
42: Fresnelspiegel
43: Glaskörper
44, 44: Zusatzlichtquelle

Claims

Vorrichtung zum optischen Prüfen eines Untersuchungsbereiches (3) einer spiegelnden oder diffus reflektierenden Oberfläche (2) eines Substrates (1), • mit einem Feldspiegel (4), der eine auf der Oberfläche (2) senkrecht stehende substratseitige optische Achse (5) und eine kameraseitige optische Achse (8) aufweist • mit wenigstens einer auf der kameraseitigen optischen Achse (8) im Bereich der Fokalebene (20) des Feldspiegels (4) angeordneten Lichtquelle (21) zur Hellfeldbeleuchtung, die mittels eines telezentrischen Strahlengangs auf den Untersuchungsbereich (3) abgebildet wird, • mit einer elektronischen Kamera (11), deren Eintrittspupille in der Fokalebene (10) des Feldspiegels (4) auf der kameraseitigen optischen Achse (8) liegt und welche einen Teil des von der Oberfläche (2) im Untersuchungsbereich (3) emittierten Lichts über einen telezentrischen Strahlengang aufnimmt und die gewonnenen Bilder an eine Auswerteeinrichtung übermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldspiegel (4) eine asphärische Spiegeloberfläche aufweist, wobei die Projektionsfläche auf der zu untersuchenden Oberfläche (2) den Untersuchungsbereich (3) wenigstens gerade überdeckt und wobei die kameraseitige optische Achse (8) mit der substratseitigen optischen Achse (5) einen Winkel zwischen 55° und 90° bildet und daß auf der kameraseitigen optischen Achse (8) ein Strahlteiler (6) angeordnet ist, der einen auf der kameraseitigen optischen Achse (8) verlaufenden Zentralstrahl in einen durchgehenden und einen um 90° reflektierten Strahl teilt und daß auf jeder der beiden Strahlenachsen entweder die Kamera (11) oder die Lichtquelle (21) angeordnet ist.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Fokalebene (20) in der Umgebung der Lichtquelle (21) wenigstens eine weitere Lichtquelle angeordnet ist, die mittels einer Beleuchtungssteuerung wahlweise zusammen mit der Lichtquelle (21) oder alleine betreibbar ist.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Lichtquelle als flächige Lichtquelle ausgebildet ist, die die Lichtquelle (21) umschließt.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Lichtquelle als flächige Anordnung einer Vielzahl von annähernd punktförmigen Einzellichtquellen ausgebildet ist, wobei die Einzellichtquellen mittels der Beleuchtungssteuerung einzeln ansteuerbar sind.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion des Feldspiegels (4) und des Strahlteilers (6) in einem kompakten Glaskörper (43) integriert sind, der eine Rückseitenverspiegelung (41) und eine teildurchlässig verspiegelte Oberfläche (7) aufweist.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldspiegel (4) und der Glaskörper als Kunststoff-Spritzgußteile ausgeführt sind.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (21) als optisch aktives Element mit einem ansteuerbaren Mikrospiegelarray ausgebildet ist.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldspiegel (4) als Fresnelspiegel (42) ausgebildet ist.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zusatzlichtquelle (44) zur Beleuchtung des Untersuchungsbereiches (3) außerhalb des telezentrischen Strahlenbündels zwischen dem Untersuchungsbereich (3) und dem Feldspiegel (4) angeordnet ist und daß die Zusatzlichtquelle (44) einzeln oder zusammen mit anderen Lichtquellen ansteuerbar ist.