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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Erfassen von Störungen an
Körpern
aus transparentem Material mit wenigstens einer ebenen Grenzfläche optischer
Güte.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 234 002 A1 ist ein Verfahren zur Inspektion
einer Glasoberfläche
bekannt, bei der ein oberflächlicher Fehler
mit einer Linsenwirkung, beispielsweise eine an der Glasoberfläche im geschmolzenen
Zustand geplatzte und später
erstarrte Gasblase, mit diffusem Licht beleuchtet wird der Fehler
mit einem optischen Inspektionssystem untersucht wird.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 19 508 693 A1 ist ein Verfahren zur Codierung
von Konstruktionselementen, insbesondere Fensterscheiben von Kraftfahrzeugen
bekannt, bei der ein Code, vorzugsweise ein Strichcode auf die Fensterscheibe
aufgebracht wird. Es sind Material auf- und abtragende Verfahren
sowie Einlagerungen oder dergleichen Veränderungen einer Zwischenschicht
bei Verbundscheiben vorgesehen. Ferner ist vorgesehen, die Codes
mit einem nicht näher
beschriebenen Scanner zu lesen und die gelesenen Daten einer Zeichenerkennungseinrichtung
zuzuführen.
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Aus
der deutschen Patentschrift
DE
21 52 510 C3 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweis
von Oberflächenfehlern
an glatten, vorzugsweise ebenen Oberflächen, wobei die Oberfläche mit
einem Laserstrahl punktweise abgescannt wird und aus der Analyse
der Beugungsmuster des reflektierten Laserstrahls auf die Art der
Oberflächenfehler
geschlossen wird.
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Aus
der deutschen Patentschrift
DE 35 340 180 C2 ist eine Vorrichtung zum
optischen Erfassen von Fehlern auf einer Materialbahn, insbesondere
einer Flachglasbahn bekannt, wobei die Materialbahn mit einem Lichtpunkt
gescannt wird und das von einer Oberflächenstörung reflektierte Licht mittels
eines Photoempfängers
mit Dunkelfeldblende detektiert wird.
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Bei
der optischen Erkennung von Störungen, wie
Fehlern oder Codes im Material oder auf einer ebenen Grenzfläche eines
Körpers
aus transparentem Materials ist es oft wünschenswert, diese Störungen in
einem Auflichtverfahren zu untersuchen. Dabei wirkt sich Streulicht
von Objekten hinter der letzten zur ersten ebenen Grenzfläche parallelen
Grenzfläche
oder einer nicht-optischen, unregelmäßigen zweiten Grenzfläche eines
Körpers
aus transparentem Material häufig
negativ auf den Kontrast und die Erkennbarkeit der Störung aus.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum optischen Erfassen von
Störungen
auf und innerhalb von Körpern
aus transparentem Material mit wenigstens einer ebenen Grenzfläche optischer Güte zu schaffen,
die eine Erkennung der Störungen weitestgehend
unabhängig
von den optischen Eigenschaften des Raumes hinter der der Erfassungsvorrichtung
abgewandten Grenzfläche
des Körpers
(8) aus transparentem Material ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, die eine Beleuchtungseinrichtung
und eine Bildaufnahmeeinrichtung mit einem Bildverarbeitungsrechner
aufweist, wobei es sich bei der Beleuchtungseinrichtung um eine
nahezu punktförmige
Lichtquelle handelt, die im Brennpunkt einer Feldlinse angeordnet
ist, deren optische Achse senkrecht auf einer ersten Grenzfläche des
Körpers
steht, wobei die erste Grenzfläche
die der Feldlinse zugewandte Grenzfläche des Körpers ist. Im optischen Weg
zwischen der Lichtquelle und der Feldlinse ist ein Strahlteiler
angeordnet. Das senkrecht auf die erste Grenzfläche des Körpers auffallende Lichtbündel wird
an der ersten und gegebenenfalls an der zweiten Grenzfläche des
Körpers
zu einem Teil reflektiert und über
die Feldlinse und den Strahlteiler auf die Bildaufnahmeeinrichtung
geleitet, deren Eintrittspupille in der Fokalebene der Feldlinse
liegt. Sind auf der ersten Grenzfläche, im Inneren des Körpers oder
auf der zweiten Grenzfläche
des Körpers Störungen vorhanden,
die eine Linsen-, prismatische oder streuende Wirkung für das einfallende
Licht haben, so ergibt sich in der Bildaufnahmeeinheit im Untersuchungsbereich,
der im wesentlichen der Außenkontur
der Feldlinse in der Ebene senkrecht zur optischen Achse entspricht,
ein Kontrast zwischen den Störungen und
der ungestörten
Umgebung. Der telezentrische Strahlengang für Beleuchtung und Bildaufnahme
bewirkt, daß nur
solche Lichtstrahlen in die Bildaufnahmeeinrichtung gelangen, die
annähernd
parallel zum Eingangsstrahlenbündel
verlaufen. Da die betrachteten Störungen das einfallende Licht
aus dem einfallenden Bündel
weg reflektieren (Linsen- oder prismatische Wirkung) oder streuen
(streuende Wirkung) ist die Leuchtdichte in der Ebene des Bildaufnehmers
an den Bildpunkten der Störungen
kleiner als Leuchtdichte der Umgebung der Störungen.
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Die
Funktion der Vorrichtung basiert auf dem bekannten Zusammenhang
der Intensitäten
von einfallendem, durchgelassenem und reflektiertem Strahl bei einem
senkrechten Strahleneinfall auf einen Körper aus transparentem Material
an der Grenzfläche zu
Luft oder Vakuum. Im Beispiel einer Grenzfläche Glas/Luft tritt eine Intensität von 96%
der einfallenden Intensität
durch die Grenzfläche
hindurch, während 4%
senkrecht zurück
reflektiert werden. Befindet sich beispielsweise eine lichtabsorbierende
Störung
auf der ersten Grenzfläche,
so läuft
der einfallende Strahl zunächst
an der ersten Grenzfläche
durch die lichtabsorbierende Störung
und der Teil des durchgelassenen Strahles, der an der zweiten Grenzfläche reflektiert
wird, läuft
ebenso durch die lichtabsorbierende Störung. Im Beispiel einer 10%igen
Lichtabsorption wird im Bereich der Störung 7,0% der einfallenden Lichtintensität zurück reflektiert,
während
außerhalb der
Störung
eine Intensität
von 7,7% der einfallenden Lichtintensität reflektiert werden. Der Unterschied
der Intensitäten
ergibt einen 10%igen Kontrast, der die Erkennung einer Störung in
einem Bildverarbeitungsrechner ermöglicht. Störungen auf den Grenzflächen oder
auf dazu parallelen Zwischenflächen
werden von der Vorrichtung erfaßt
und werden in der Ebene der Bildaufnahmeeinheit dunkler als die Umgebung dargestellt,
sofern es sich nicht um spiegelnde Störungen handelt. Die optischen
Eigenschaften des von der Lichtquelle aus gesehen hinter der letzten Grenzfläche liegenden
Raumes sind weitgehend ohne Einfluß auf den Bildkontrast, solange
sich dort keine spiegelnden Elemente befinden, deren Grenzfläche parallel
zu der ersten Grenzfläche
ausgerichtet sind. Auch die Beschaffenheit der zweiten Grenzfläche hat
einen sehr geringen Einfluß auf
die Detektierbarkeit von Störungen
auf der ersten ebenen Grenzfläche.
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Die
Erfindung wird an Hand der Abbildungen näher erläutert.
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In 1 ist
eine Ansicht des Strahlenganges senkrecht zu den optischen Achsen
von Bildaufnahmeeinrichtung (11) und Feldlinse (4)
schematisch dargestellt. Von einer punktförmigen Lichtquelle (21) in
der beleuchtungsseitigen Fokalebene (20) der Feldlinse
(4) mit der auf einer ersten Grenzfläche (1) des Körpers (8)
aus transparentem Material senkrecht stehenden optischen Achse (5)
wird ein paralleles Lichtbündel
auf die erste Grenzfläche
(1) geleitet. Das Licht passiert dabei zwischen Lichtquelle
(21) und der Feldlinse (4) einen Strahlteiler
(6) mit einer teildurchlässig verspiegelten Grenzfläche (7).
Dieser Strahlteiler reflektiert teilweise das von der ersten Grenzfläche (1)
parallel zur optischen Achse (5) emittierte Licht um einen
Winkel von 90° in
die Eintrittspupille (13) des Objektivs (12) der
Bildaufnahmeeinheit (11). Die Eintrittspupille (13)
liegt dabei in der bildaufnehmerseitigen Fokalebene (10)
der Feldlinse (4). Der Körper (8) weist eine
erste Grenzfläche
(1) mit einer Störung
(50), eine zweite Grenzfläche (2) und eine Zwischenfläche (3)
auf.
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Die
in 1 dargestellte Anordnung stellt einen telezentrischen
Strahlengang dar. Eigenart dieses telezentrischen Strahlenganges
ist es, daß die Feldlinse
(4) auf der Seite der ersten Grenzfläche (1) des Körpers (8)
aus transparentem Material einen zur optischen Achse (5)
parallelen Strahlengang aufweist. Die telezentrische Abbildung gibt
die innerhalb des Strahlenbündels
liegenden Störungen
unabhängig
vom Abstand der Feldlinse (4) von der ersten Grenzfläche (1)
und unabhängig
vom Abstand der Störung
von der ersten Grenzfläche
(1) mit immer dem gleichen Abbildungsmaßstab wieder. Der durch die
Anordnung erfaßte
Untersuchungsbereich auf der ersten Grenzfläche (1) wird durch
die Projektion der Feldlinse (4) auf die erste Grenzfläche (1)
begrenzt. Die Projektion der Feldlinse (4) auf die erste Grenzfläche (1)
und damit ihre Außenkontur
kann somit der Form des Untersuchungsbereiches angepaßt werden.
Wird die Vorrichtung beispielsweise für einen rechteckförmigen Untersuchungsbereich
vorgesehen, so können
von einer ursprünglich
kreisförmigen
Feldlinse (4) die Bereiche außerhalb des rechteckförmigen Bereiches
weggelassen werden. Als Feldlinse (4) wird vorzugsweise
eine sphärische
Linse verwendet. Ist bei einem gewählten optischen Aufbau und
einer vorgegebenen Ausdehnung eines Untersuchungsbereiches auf der
ersten Grenzfläche
(1) zur Ausleuchtung des Untersuchungsbereiches ein Öffnungswinkel
des von der Lichtquelle (21) emittierten annähernd kegel-
oder pyramidenförmigen
Lichtbündels
von mehr als etwa 30° erforderlich,
so kann die Verwendung einer asphärischen Linse als Feldlinse
(4) von Vorteil sein. Aus Kosten- und Gewichtsgründen kann
an Stelle einer sphärischen
Linse auch eine Fresnellinse oder ein holografisch-optisches Element
(HOE) verwendet werden.
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Wird
die Vorrichtung für
wiederkehrende Meßaufgaben,
beispielsweise in einer industriellen Produktion, verwendet, so
wird die optische Achse (5) einmalig derart justiert, daß sie auf
der ersten Grenzfläche
(1) des Körpers
(8) senkrecht steht. Für einen
automatisierten Meßablauf
muß dann
nur Sorge getragen werden, daß die
ersten Grenzflächen
(1) der Körper
(8) immer parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Höhenlage
der ersten Grenzfläche
(1) kann dabei, beispielsweise durch Dickenunterschiede
von planparallelen Platten, in weiten Grenzen variieren, ohne daß dies einen
Einfluß auf
die Meßgenauigkeit
hat.
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Soll
die Vorrichtung als handgeführte
Meßeinrichtung
fungieren, so ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, das in 1 nicht
dargestellte Gehäuse
derart auszubilden, daß es
einen Tubus aufweist, dessen innerer Querschnitt die Feldlinse (4) umschließt. Es ist
vorgesehen, den Tubus auf der der Feldlinse (4) abgewandten
Seite mit einem ebenen Rand zu begrenzen, dessen Fläche senkrecht
auf der optischen Achse (5) steht. Wird die Vorrichtung mit
dem Tubus auf die erste Grenzfläche
(1) aufgesetzt, so steht die optische Achse (5)
senkrecht auf der ersten Grenzfläche
(1).
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In 2a sind Transmission und Reflexion an
einem ungestörten
Körper
(8) mit zwei planparallelen Grenzflächen (1, 2)
dargestellt. Ein einfallender Strahl (30) wird an der ersten
Grenzfläche
(1) in einen an der ersten Grenzfläche reflektierten Strahl (40)
und einen eintretenden Strahl (31) aufgeteilt. Der eintretende
Strahl (31) wird an der zweiten Grenzfläche (2) in einen austretenden
Strahl (32) und einen an der zweiten Grenzfläche reflektierten
Strahl (41) aufgeteilt, wobei dieser Strahl (41)
an der ersten Grenzfläche
(1) teilweise durchgelassen wird und den Körper (8)
parallel zum an der ersten Grenzfläche reflektiertem Strahl (49)
verläßt. Beide
Strahlen werden über
die Feldlinse (4) und den Strahlteiler (6) der
Bildaufnahmeeinheit (11) zugeführt.
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In 2b ist ein Körper (8) mit zwei
planparallelen Grenzflächen
(1, 2) und mit Störungen auf der ersten Grenzfläche (1)
und auf der zweiten Grenzfläche
(2) schematisch dargestellt. Dabei sind Störungen mit
Linsenwirkung (50, 55) und eine Störung mit prismatischer
Wirkung (51) dargestellt. Ferner ist die Projektion (56)
der Störung
mit Linsenwirkung (55) auf die erste Grenzfläche (1)
dargestellt. Störungen, die
mit der Vorrichtung detektierbar sind, können auch lichtstreuend oder
-absorbierend sein.
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2c stellt einen Körper (8) mit zwei
planparallelen Grenzflächen
(1, 2) und einer Zwischenfläche (3) dar, in der
sich eine Störung
(52) befindet. Die Störung
(52) kann sowohl eine Linsen- oder eine prismatische Wirkung
als auch eine lichtabsorbierende oder streuende Wirkung besitzen.
Eingezeichnet ist die Projektion (57) der Störung (52)
auf die erste Grenzfläche
(1).
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In 2d ist ein Körper (8) aus transparentem
Material mit lichtabsorbierenden oder streuenden Störungen (53)
und (54) an der ersten Grenzfläche (1) dargestellt.
Ferner ist die Winkelverteilung (59) des an einer streuenden
Störung
(58) gestreuten Lichts des einfallenden Strahls (30)
schematisch dargestellt. Von der gesamten gestreuten Lichtintensität, die man
durch Integration der gestreuten Intensitäten über alle Streuwinkel erhält, erreicht
nur der um einen Winkel von 180° zurückgestreute
Anteil der Intensität über die
telezentrische Optik die Bildaufnahmeeinrichtung (11).
Die zweite Grenzfläche
(2) ist beispielhaft als eine nicht-optische, unregelmäßige Fläche dargestellt.
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Als
punktförmige
Lichtquelle (21) ist im Rahmen der Erfindung vorzugsweise
eine Licht emittierende Halbleiterdiode (LED) oder ein Festkörperlaser (Laserdiode)
und als Bildaufnahmeeinheit (11) eine CCD-Kamera vorgesehen.
Im Falle der LED-Beleuchtung können
LED mit engen Farbspektren oder mit Weißlicht-Emissionsspektrum verwendet
werden. Die Auswahl des Spektrums der Lichtquelle (21) kann
bei Bedarf der wellenlängenabhängigen Absorption
der zu untersuchenden Störungen
angepaßt werden.
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Sollen
mit der Vorrichtung Phasenobjekte auf oder in dem Körper (8)
aus transparentem Material detektiert werden, so ist die Verwendung
einer Lichtquelle (21) für monochromatisches, kohärentes Licht
erforderlich. Vorzugsweise wird in einem solchen Fall eine Laserdiode
verwendet, deren Strahl bedarfsweise durch eine Aufweitungsoptik
derart aufgeweitet wird, daß die
gesamte Querschnittsfläche der
Feldlinse (4) und damit der gesamte Untersuchungsbereich
auf dem Körper
(8) ausgeleuchtet wird. Bei der Aufweitungsoptik kann es
sich beispielsweise im Fall eines rechteckigen Untersuchungsbereiches
um eine Zylinderoptik handeln. Mit einer derartigen Anordnung ist
es beispielsweise möglich, Störungen in
der optischen Vergütung
der ersten Grenzfläche
(1) nachzuweisen.
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In
einem herkömmlichen
Bildverarbeitungsrechner (14) werden die gewonnenen Aufnahmen der
Bildaufnahmeeinrichtung (11) weiterverarbeitet und gegebenenfalls
abgespeichert und auf einem Monitor dargestellt. Für den Fall,
daß die
Störungen Codes
darstellen, werden die gewonnenen Aufnahmen der Bildaufnahmeeinrichtung
(11) mit einem Zeichenerkennungsprogramm des Bildverarbeitungsrechners
(41) vorzugsweise automatisch analysiert. Die Störungen können in
diesem Fall die Form von Ziffern oder Buchstaben haben oder beispielsweise eine
Anordnung von Punkten oder wie im Falle eines Strichcodes Linien
darstellen, die mit einer Decodierungsvorschrift nach bekannten
Verfahren decodiert werden können.
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Ein
Beispiel für
einen Körper
(8) aus transparentem Material, der auf einer ersten Grenzfläche automatisch
auswertbare Störungen
enthält,
ist in 3 schematisch dargestellt. Dabei handelt es sich um
einen mit einem Identifikationscode (60, 60') versehenen
Glas-Probenträger
mit einer durch Tauchen, Spritzen, Sprühen oder durch Abscheiden aus
der Dampfphase (beispielsweise CVD) aufgebrachten Reaktionsbeschichtung,
auf die in einem festgelegten Raster (61) chemische oder
biochemische Proben aufgebracht wurden. Chemische oder biochemische
Reaktionen der Proben mit Reaktionsbeschichtung, die nach einer
Entwicklungszeit oder/und einem Entwicklungsprozeß zu einer
Lichtabsorption oder/und -streuung am Reaktionsort führen, können in
dem vorgegebenen Raster (61) zusammen mit dem Identifikationscode
(60, 60')
auf der ersten Grenzfläche
(1) des Körpers
(8) schnell erkannt und die Daten für eine Weiterverarbeitung zur
Verfügung gestellt
werden.
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Verzeichnis
der Abbildungen
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1:
Schematische Ansicht des Strahlenganges senkrecht zu den optischen
Achsen von Bildaufnahmeeinrichtung und Feldlinse
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2:
Schnitt durch eine Körper
(8) aus transparentem Material mit einer ebenen optischen ersten
Grenzfläche
(1)
- a) Transmission und Reflexion
bei senkrechtem Lichteinfall
- b) Störungen
mit Linsen- und prismatischer Wirkung auf der ersten und zweiten
Grenzfläche
- c) Störung
auf der Zwischenfläche
- d) Lichtabsorbierende oder streuende Störungen auf der ersten Grenzfläche
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3:
Glasprobenträger
mit Reaktionsbeschichtung
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- 1
- erste
Grenzfläche
- 2
- zweite
Grenzfläche
- 3
- Zwischenfläche
- 4
- Feldlinse
- 5
- optische
Achse
- 6
- Strahlteiler
- 7
- teildurchlässig verspiegelte
Grenzfläche
- 8
- Körper aus
transparentem Material
- 10
- bildaufnehmerseitige
Fokalebene der Feldlinse
- 11
- Bildaufnahmeeinrichtung
- 12
- Objektiv
- 13
- Eintrittspupille
- 14
- Bildverarbeitungsrechner
- 20
- beleuchtungsseitige
Fokalebene der Feldlinse
- 21
- Punktförmige Lichtquelle
- 30
- Einfallender
Strahl
- 31
- Strahl
im Flachglas
- 32
- Austretender
Strahl
- 40
- an
der ersten Grenzfläche
reflektierter Strahl
- 41
- an
der zweiten Grenzfläche
reflektierter Strahl
- 50
- Störung mit
Linsenwirkung
- 51
- Störung mit
prismatischer Wirkung
- 52
- Störung auf
der Zwischenebene
- 53
- Absorbierende
Störung
auf der ersten Grenzfläche
- 55
- Störung mit
Linsenwirkung an der zweiten Grenzfläche
- 56
- Projektion
von 55 auf die erste Grenzfläche
- 57
- Projektion
von 52 auf die erste Grenzfläche
- 58
- streuende
Störung
- 59
- Winkelverteilung
- 60,
60'
- Identifikationscode
- 61
- Raster