DE2502941A1

DE2502941A1 - Verfahren und geraet zum messen der oberflaechenkontur eines testobjekts

Info

Publication number: DE2502941A1
Application number: DE19752502941
Authority: DE
Inventors: James Preston Waters
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1974-02-12
Filing date: 1975-01-24
Publication date: 1975-08-14
Also published as: DK39975A; GB1492694A; BR7500618A; IE42667B1; BE824932A; JPS50115857A; IE42667L; US3909131A; NL7501648A; LU71735A1; IT1031667B; SE401263B; SE7501513L; CA1011102A; AU7735275A; FR2261504A1

Description

btentarM/qli: . 2502941 DipHng. RoI/Aenges

8011 Pöring/München Commerzbank München

Hubertusstrasse 20 · 4406120

Telefon (08106) 21 76

Telegramme Postscheck München

PATENTMENGES Zorneding 30 74 87-803

_ _{/n t} 23. Jan. 1975

Tag/Date

Anwaltsakte; U 2 37

United Aircraft Corporation, Bast Hartford, Conn. 06108, V. St. A.

Verfahren und Gerät zum Messen der Oberflächenkontur

eines Testobjekts

Die Erfindung betrifft das Ausmessen von Oberflächen und insbesondere ein Verfahren und ein Gerät zur Fernaufzeichnung der räumlichen Lage eines fokussierten Lichtflecks.

In der Vergangenheit sind bereits die Vorteile erkannt worden, die sich bei der Bestimmung der Oberflächenkontur eines Objekts ergeben, wenn Verfahren verwendet werden, bei welchen es nicht erforderlich ist, dass ein Fühler mit der untersuchten Oberfläche in Berührung ist. Einige der praktischeren Ausführungen der berührungsfreien Messgeräte beruhen auf der Verwendung von verschiedenen optischen Systemen, wie beispielsweise den Systemen, bei welchen die

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ORIGINAL INSPECTED

kohärente Interferenz von zwei monochromatischen Lichtbündeln verwendet wird, um die Kontur einer Oberfläche genau zu bestimmen. In einem interferometrischen Gerät dieser Art wird ein Referenzbündel längs eines Weges von bekannter Länge abgelenkt, während ein Objektbündel längs eines Weges auf der Oberfläche des Testobjekts abgelenkt wird. Die Reflexionsenergie aus dem Objektbündel wird dem Referenzbündel überlagert, um ein Interferenzmuster zu erzeugen. Das resultierende Streifenmuster korreliert direkt mit der Kontur der Oberfläche. Kleine Oberflächenänderungen von 10 Mikrozoll (0,254 ,um) sind mit diesem Verfahren unterscheid— bar, obgleich das verwendete Gerät äusserst schwingungsempfindlich ist. Somit ist das System zwar ausführbar, und äusserst genau, es ist jedoch ver— hältnismässig teuer und etwas unpraktisch. In vielen Fällen ist die Oberfläche des zu messenden Objekts verhältnismässig rauh und erzeugt eine diffuse Zerstreuung des Objektbündels. Unter diesen Betriebsbedingungen ist das erzeugte Signal-Rausch-Verhältnis so niedrig, dass es ein Haupthindernis für die Verwirklichung der Oberflächenvermessung durch Interferometrie darstellt.

Eines der bekannten Verfahren zum Vermeiden des genannten Problems des niedrigen Signal-Rausch-Verhältnisses beinhaltet die Verwendung von holographischer Kontürzeichnung einer Oberfläche. Bei dem Hologramm-Verfahr-en werden zwei aufeinanderfolgende Hologramme der betreffenden Oberfläche auf einer einzigen holographischen Platte hergestellt. Die Phase des Objektbündels wird zwischen der Bildung des ersten Hologramms und des zweiten Hologramms verändert, so dass interferometrische Streifen auf dem rekonstruierten Bild erzeugt werden. Diese Streifen sind eine Anzeige von Änderungen in der Oberflächen tiefe

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des Testobjekts. Bei der holographischen Konturzeichnung wird zwar einer der Hauptnachteile der Interferometrie vermieden,sie ist jedoch um eine Grössenordnung weniger genau. Ausserdem können holographische Bildwiedergaben angenähert 2500 Zeilen pro Zoll (985 Zeilen/cm)'auflösen und erfordern deshalb, um eine Genauigkeit von angenähert 100 Mikrozoll (2,54 /Um) einzuhalten, dass die Oberflächenkonturänderungen nicht mehr als etwa 75 Mils pro Zoll (1905 /Um pro 2,54 cm) überschrschreiten. Diese Grenze wird in Anwendungsfällen, wie dem Messen von Turbinenlauf- und -leitschaufeln, überschritten.Außerdem müssen die Erfordernisse einer Schwingungsisolierung sowie der Filmverarbeitungszeit, die für eine realistische Hologrammerstellung benötigt werden, in Erwägung gezogen werden.

Zusätzlich zu dem oben beschriebenen Stand der Technik beschreiben die US-PS'en 3671126 bzw. 3679307, welche berührungsfrei arbeitende optische Fühler betreffen, optische Oberflächenvermessungsverfahren. Sie zeigen berührungsfreie optische Verfahren, die auf den geometrischen Beziehungen zwischen einer Strahlungsquelle und einem Detektor beruhen. Jedes der in diesen Patentschriften beschriebenen Geräte kann in zwei Betriebsarten arbeiten. In einer ersten Betriebsart ist das Gerät so angeordnet, dass die gemessene Oberfläche Änderungen hat, welche nicht ausreichen, um den abgebildeten Fleck vollständig von einer Trennfläche (Interface) auf einer photoelektrischen Doppelzelle wegzubewegen. Solchen Geräten, wird in bestimmten Anwendungsfällen gegenüber einem mechanischen Fühler der Vorzug gegeben. Ihre Nutzbarkeit ist jedoch durch die Temperaturempfindlichkeit des Detektormaterials begrenzt.

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welche die Linearität des Detektors verändert und in die mit solchen Systemen erzeugten Messdaten Ungenauigkeiten hineinbringt. Ausserdem hat diese erste Betriebsart die Nachteile eines begrenzten Dynamikbereiches und einer verhältnismässig geringen Genauigkeit. In einer zweiten Betriebsart kann das Gerät verhältnismässig grosse Oberflächenänderungen in einer Konfiguration messen, in welcher dem abgebildeten Fleck gestattet wird, sich von der Trennfläche auf dem Detektor wegzubwegen. In der zweiten Betriebsart sind Vorkehrungen für eine Relativbewegung in dem System getroffen, damit der abgebildete Fleck zu der Doppelzellen-Trennfläche zurückkehrt. Bei Betrieb in dieser Betriebsart wird der Fleck aus seiner entferntesten Lage zu der Trennfläche zurückbewegt und angehalten. Diese zweite Betriebsart hat zwar einen verbesserten Dynamikbereich, die Messgenauigkeit und die Geschwindigkeit, mit welcher die Messung ausgeführt werden kann, sind jedoch beide ziemlich begrenzt. Es besteht deshalb ein Bedarf an einem berührungsfrei arbeitenden Oberflächenmessystem, welches in einem grossen Dynamikbereich schnell und genau ist.

Ziel der Erfindung ist es, die Oberfläche eines Testobjekts mit einem entfernten Gerät, welches das Testobjekt nicht berührt, schnell und genau auszumessen.

Der Erfinder hat erkannt, dass eine diffus reflektierende Oberfläche, eine Strahlungsquelle und ein Strahlungsdetektor trigonometrisch so in Beziehung gesetzt werden können, dass eine schnelle Messung von Konturänderungen auf der, Oberf lache mit Mikrozoll (0,0254 ,um)-Genauigkeit möglich ist. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass, wenn ein fokussierter Strahlungsfleck in diskreten Schritten über die Oberfläche bewegt wird, Konturänderungen gemessen werden können, indem die

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Position eines Bildes des Flecks auf einem Detektorfeld elektronisch verfolgt und die Grosse der Relativbewegung des Detektors aufgezeichnet wird, die erforderlich ist, um den abgebildeten Fleck durch eine Nullposition hindurchgehen zu lassen, ohne dass der abgebildete Fleck bei Null".in Ruhelage gebracht werden muss.

Gemäss der Erfindung wird die intensitätsmodulierte ;-elektromagnetische Strahlung einer Quelle längs einer ersten Ausbreitungsachse mittels einer Strahlungsbündelungseinrichtung auf eine diffus zerstreuende Testprobe gerichtet und eine Sammeleinrichtung projiziert einen abgebildeten Fleck eines Teils der Streustrahlung längs einer zweiten Ausbreitungsachse auf einen Detektor, um elektronische Signale zu schaffen, die die Position des abgebildeten Flecks beschreiben. Wenn sich die Strahlung aus der Quelle über die Oberfläche des Testobjekts vorwärtsbewegt, wird der Detektor in bezug auf das Testobjekt in Abhängigkeit von den elektronischen Signalen verschoben, damit der abgebildete Fleck zu einer Nullposition auf dem Detektor bewegt wird, geeichte Aufzeichnungseinrichtungen zeichnen die Veränderungen in der Oberfläche des Testobjekts auf, die durch die Bewegung des abgebildeten Flecks auf dem Detektor dargestellt werden. Ausserdem ist die Verschiebung des abgebildeten Flecks auf der Oberfläche des Detektors proportional zu der Veränderung in der Oberflächenkontur des Testobjekts,wobei die tatsächliche Eichung der Aufzeichnungseinrichtungen eine trigonometrische Funktion des Winkels ist, welcher durch den Schnitt der eraten und zweiten Aufzeichnungsachsen gebildet wird.

Zu den Hauptvorteilen der Erfindung gehören die

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Genauigkeit, die kurze Ansprechzeit und die einfache Verwirklichungsmöglichkeit. Die Oberflächenmessung wird mit einem vollkommen berührungsfreien System ausgeführt, welches die Probleme vermeidet, die gewöhnlich durch Messpitzenverschleiss und -austauch auftreten. Ausserdem tritt bei dem Gerät nach der Erfindung kein Cosinus-Abfall (roll-off) auf, so dass die einfallende Strahlung nicht notwendigerweise senkrecht zu der Oberfläche, die gerade ausgemessen wird, gehalten werden muss. Geeignete elektronische Einrichtungen in Verbindung mit einer modulierten Lichtquelle beseitigen das Grundrauschen und zugeordnete Probleme.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung sind die abwechselnden Betriebsarten. In einer ersten Betriebsart wird der Detektor in bezug auf das Testobjekt bewegt, bis eine Nullposition gefunden ist, und in der zweiten Betriebsart wird das Testobjekt translatorisch in bezug auf den Detektor bewegt, um die Nullposition aufzufinden. Während einer Messung wird das Testobjekt fortwährend durch eine Aufeinanderfolge von schnellen Schrittbewegungen umpositioniert. Ein translatorisch bewegbarer Tisch geringen Gewichts wird durch einen linearen Stellantrieb angetrieben, welcher einen Frequenzgang von 20 Hz bis 3O Hz ermöglicht, und es können Oberflächenänderungen auf dem Testobjekt auf innerhalb 1/10 Tausendstel Zoll (2,54 ,um) gemessen werden. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Möglichkeit, entweder eine kollimierte oder eine unkollimierte Strahlungsquelle zu verwenden, je nach der besonderen Aus— führungsform, die gewählt wird. Die Einrichtung · zum Bündeln (Konzentrieren) der Quellenstrahlung und der von dem Objekt reflektierten Strahlung kann entweder' aus herkömmlichen Linsen oder aus holographischen

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Linsen bestehen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte echematische

Seitenansicht eines automatischen Bildverfolgungsgeräts zum Messen von Oberflächen durch entfernte Einrichtungen nach der Erfindung,

Fig. 2 anhand eines vereinfachten Schemas

die optischen Hauptbestandteile des Geräts,

Fig. 3 eine vereinfachte Schnittansicht des

linearen Stellantriebs, der zum Antreiben des translatorisch beweglichen Tisches verwendet wird, und

Fig. 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild,

welches die Zusammenwirkung der Hauptbestandteile in dem Servosystem nach der Erfindung zeigt.

Die Gesamtstruktur und die relative Lage der verschiedenen Bestandteile, die das Gerät nach der Erfindung aufweist, sind in Fig. 1 gezeigt. Ein Bezugstisch 10 bildet einen Hauptbestandteil in dem System und ein translatorisch beweglicher Tisch 12 ist an dem Bezugstisch mit Tragarmen 14 befestigt, die an Drehlagern 16 mit dem Bezugstisch und dem translatorisch beweglichen Tisch verbunden sind. Ein Leistungsverstärker und weitere elektronische Einrichtungen 18, ein linearer

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Stellantrieb 20, eine Lichtquelle 22 und ein linearer Codierer 24 sind mit dem Bezugstisch 10 starr verbunden. Der Stellantrieb 20 ist mit dem translatorisch beweglichen Tisch verschiebbar verbunden, was im folgenden noch ausführlicher erläutert ist. Ein Optikkopf 28 ist mit dem verschiebbaren Tisch 12 fest verbunden. Ein Testobjekt 30 ist auf dem Bezugstisch 10 dargestellt.

Die optischen Hauptbestandteile, die in dem Optikkopf 28 enthalten sind, sind in Figur 2 schematisch dargestellt. Ein kollimiertes Bündel 32 von aus der Lichtquelle einfallender Energie wird mit einer Einfallslinse 36 zu einem Fleck auf dem Testobjekt längs einer Einfallsachse 34 fokussiert. Der Fleck wird mit einer Sammellinse, 40 längs einer Sammelachse 38 und mittels eines Ablenkspiegels 44 auf einem Detektor 42 abgebildet. Die Lichguelle 22, welche das kollimierte Bündel 32 liefert, kann irgendeine Quelle für kollimierte elektromagnetische Strahlung sein, gewöhnlich liegt diese Strahlung jedoch in dem sichtbaren Bereich oder nahe dem Infrarotbereich.Strahlung aus lichtemittierenden Dioden oder sichtbare Strahlung, wie sie beispielsweise von einem Helium-Neon-Laser abgegeben wird, sind für die Erfindung besonders geeignet.

Ein Einblick in die Zusammenhänge, die zur Oberflächenmessung mit den hier beschriebenen Verfahren und Geräten erforderlich sind, kann anhand der geometrischen Lage einiger der Teile mit Bezug auf Fig. 2 gegeben werden. Die Mittellinien der Einfallslinse und der Sammellinse schneiden sich auf der Oberfläche des Testobjekts in dem Fleck, wo das kollimierte Bündel fokussiert ist, und ein Winkel θ wird zwischen den Mittellinien gebildet.

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Wenn das Testobjekt eine Translationsbewegung in der Y-Richtung ausführt, bewegt sich der Fleck in eine neue X-Lage auf der Oberfläche des Testobjekts und der abgebildete Fleck bewegt sich auf der Oberfläche des Detektors um eine Entfernung E / die proportional zu der Änderung der X-Koordinate ist. Die Grosse der Bewegung, die der abgebildete Fleck über die Oberfläche des Detektors ausführt, kann durch folgende Gleichung angegeben werden:

η f ₀ AXsine
_ΔΕ= - —2—
(¹Vf

+ AXsine) wobei:

ΔΕ die Translationsstrecke auf der Oberfläche des Detektors,

Π_ο die Entfernung von der Oberfläche des Testobjekts zu der Hauptebene der Sammellinse, f₂ der Brennpunktabstand der Sammellinse, und ΔΧ die Strecke ist, um die sich der fokussierte Fleck längs der Mittelachse des Einfalls— Strahls bewegt.

In vielen praktischen Anwendungsfällen gilt ΔΧ_«1, so dass die Gleichung (1) reduziert werden kann auf

f ο

ΔΧ sine

Innerhalb der Grenzen seiner Anwendbarkeit ist die Verschiebung des auf dar Oberfläche des Detektors abgebildeten Flecks, die durch die Gleichung (2) beschrieben wird, proportional zu der Oberflächenverschiebung des fokussierten Flecks längs der X-Achse des Testobjekts. Das Produkt der optischen Vergrösserung und der Sinus des Winkels zwischen den

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Linsenmittelachsen stellt die Proportionalitätskonstante dar, welche die Bewegung auf der Oberfläche des Testobjekts zu der Bewegung auf der Oberfläche des Detektors in Beziehung setzt.

Fig. 3 ist eine vereinfachte Schnittanischt durch den linearen Stellantrieb, der zum Antreiben des in Fig. dargestellten translatorisch beweglichen Tisches verwendet wird. Ein Dauermagnetkern 46 hat einen Ringspalt 48, der eine hohlzylindrische Verlängerung des translatorisch beweglichen Tisches 12 aufnimmt. Eine elektrische Wicklung 52 ist an der Stabverlängerung mechanisch befestigt und elektrisch mit einer nicht dargestellten Stromquelle verbunden. Der 'lineare Stellantrieb ist so aufgebaut, dass der translatorisch bewegliche Tisch in Abhängigkeit von elektrischen Strömen, die durch die Wicklung innerhalb des Stellantriebs hindurchfliessen, in der gemäss der Darstellung in Fig. 1 horizontalen Richtung hin- und herbewegt wird.

Der für die Erfindung benötigte Detektor hat eine strahlungsempfindliche Oberfläche und spricht in Verbindung mit zugeordneten elektronischen Schaltungen auf EingangssignaIe an, welche eine vorgewählte Intensitätsmodulationsfrequenz haben, wobei die Modulation durch zweckmässiges Masschneidern der Eingangsstrahlung aus dem Helium-Neon-Laser geschaffen wird. Der Detektor hat diskrete strahlungsempfindliche Oberflächenzonen und Nullbereiche, wobei ein Nullbereich eine zwischen benachbarten Zonen gebildete, verhältnismässig schmale Trennfläche ist. Wenn sich der abgebildete Fleck modulierten Lichts über die Oberfläche des Detektors bewegt, erfährt der relative Widerstand jeder diskreten Zone eine Änderung. Durch elektrisches Verbinden jeder Zone

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mit einer geeigneten elektrischen Schaltung ist die genaue Oberflächenzone, auf welcher sich der abgebildete Fleck befindet, leicht zu ermitteln.

Ein bevorzugtes Servosystem ist in Form eines einfachen Blockschaltbilds in Fig. 4 dargestellt. Ein Ausgangssignal 54 wird durch die Oberfläche des Detektors erzeugt und durch einen Vorverstärker hindurchgeleitet, damit es verstärkt wird. Ein verstärktes Signal 58 wird anschliessend zu einem elektronischen Schaltungsbaustein 60 geleitet, welcher ein Fehlersignal 62 liefert. Das Fehlersignal 62 wird durch einen Leistungsverstärker 64 hindurchgeleitet, um ein Speisesignal 66 für den linearen Stellantrieb 20, zu schaffen, damit der translatorisch bewegliche Tisch in der X-Richtung verschoben wird und damit sich der abgebildete Fleck zu einer Nullposition auf dem Detektor bewegt.

Im Betrieb des erfxndungsgemässen Geräts wird das Testobjekt in digitaler Weise über die Einfalls— achse bewegt, wodurch in jeder Sekunde 20 bis 30 Schrittbewegungen des Testobjekt ausgeführt werden. Das elektrische Ausgangssignal 54 wird als Ergebnis des Vorhandenseins eines abgebildeten Strahlungsflecks auf der Detektoroberfläche erzeugt und das in dem elektronischen Schaltungsbaustein daraus gewonnene Fehlersignal 62 bewirkt, dass der lineare Stellantrieb den translatorisch beweglichen Tisch so in eine Richtung bewegt,-dass der abgebildete Fleck über den Detektor in eine Nullposition gedreht wird. Der Fleck hält in der Nullposition nicht an, sondern wird weiter über die Oberfläche des Detektors

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bewegt, wobei er während jedes Zonenübergangs durch eine Nullposition hindurchgeht. In der Zeit eines solchen Übergangs trifft die Elektronik ihre Feststellung und veranlasst den linearen Codierer, die Position des translatorisch beweglichen Tisches aufzuzeichnen und anzugeben, die der registrierten Position des Testobjekts entspricht. Bei dem Gerät wird ein Detektor verwendet, der eine segmentierte Oberfläche mit Nullzuständen zwischen den diskreten aktiven Zonen hat, und im Betrieb lenkt das System den abgebildeten Fleck fortwährend über die Detektoroberfläche ab, wobei die Servoschaltung fortwährend den Fleck über die Detektortrennfläche ablenkt und eine Datenregistrierung jedesmal dann erfolgt, wenn der Fleck durch Null hindurchgeht. Das System hat einen grossen Dynamikbereich und ist nur durch die durch den Codierer gestattete Bewegung begrenzt. Von dem Detektor wird keine Linearität gefordert, da der Schnitt des abgebildeten Flecks mit einem Nullpunkt das signifikante Ereignis für eine Datenregistrierung ist und Änderungen in dem Detektorausgangssignal aufgrund von temperaturabhängigen Veränderungen keine Folgen haben.

Eine typische Ausführungsform der Erfindung enthält eine Strahlungsquelle, wie etwa ein Helium-Neon-Laser, welcher bei den interessierenden Frequenzen leicht modulierbar ist und ausserdem von Haus aus kollimiert ist. Der Laser wird durch Verändern der Anregungsspannung des Pump-Systems intensitätsmoduliert, damit d,ie Verstärkung des Lasermediums um einen Mittelwert von Eins schwingt. Die Modulationsfrequenz beträgt nominal 10 kHz, wobei es sich um eine Frequenz handelt, die sich aus praktischen Überlegungen

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ergibt. 10 kHz sind leicht erreichbar und auch ausreichend hoch, so dass unerwünschte Quellen von verschiedenen Modulationen den Detektorbetrieb nicht stören. Im Gegensatz dazu kann beispielsweise ein Zircon-Lichtbogen als eine intensitatsmodulierte Lichtquelle betrieben werden, die Frequenz jedoch, mit welcher er moduliert werden kann, ist für die hier beschriebenen Anwendungsfälle zu gering.

Der elektronische Schaltungsbaustein 60 trifft eine Unterscheidung gegenüber sämtlichen Signalen, die nicht in dem schmalen Bandbreitenbereich passend moduliert sind, den der Frequenzgang des Servo— systems darstellt. Unerwünschte Signale aus der Umgebung, die den Detektor stören könnten, sind beseitigt, da die meisten dieser Signale in einem Bereich von ungefähr lOO Hz liegen. Ein bedeutsames, dem Detektorverfahren eigentümliches Merkmal ist das Vermeiden jeglichen Fehlers aufgrund von Gleichspannungsdrift in dem Detektor. Dieses Potentialproblem ist nicht vorhanden, da die Elektronik Servosignale in Abhängigkeit nur von denjenigen Eingangssignalen liefert, die mit der vorgeschriebenen Modulationsgeschwindigkeit auftreten. Ausserdem überprüft die Elektronik 60 des Signal 58 aus dem Vorverstärker 56, um die Richtung festzustellen, in welcher der translatorisch bewegliche Tisch bewegt werden muss, damit der abgebildete Fleck . durch Null hindurchgeht. Die diesbezüglich verwendeten Verfahren sind bekannt und brauchen hier nicht dargelegt zu werden. Darüberhinaus sorgt diese 'Elektronik für die Intensitätsmodulationskontrolle sowie für eine selbsttätige Verstärkungsregelung, welch letztere erforderlich ist, um

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diejenigen Änderungen der Oberflächenkenndaten des Testobjekts zu kompensieren, die die Menge des gestreuten Lichts beeinflussen, welches auf dem Detektor abgefühlt wird. Effektiv wird durch die Verstärkungsregelung der Prozentsatz -an auf die Strahlungsquelle ausgeübter Modulation eingestellt, so dass der elektronische Schaltungsbaustein 60 Signalstärken empfängt, die dem Modulationsgrad proportional sind.

Die Lichtquelle muss in jeder Ausführungsform, in welcher sie sich mit Bezug auf die Einfallslinse bewegt, kollimiert sein. Wenn das Licht nicht kollimiert ist, wird durch die Hin- und Herbewegung der Einfallslinse in bezug auf die Lichtquelle der Fokussierungspunkt auf dem. Testobjekt verwischt. Ausserdem beeinflusst der Kollimierungsgrad der Strahlungsquelle die Grosse des Flecks auf der Oberfläche des Testobjekts; je besser die Kollimierung ist, um so kleiner ist der Fleck. Die Genauigkeit der Messung nimmt mit abnehmendem Durchmesser des Flecks zu. Bei Verwendung beispielsweise einer Zircon-Lichtbogen-Quelle ist ein Lochschirm erforderlich, so dass die Lichtquelle einer kollimierten Lichtquelle angenähert wird und ein Fleck mit praktischer Grosse auf dem Testobjekt gebildet werden kann.

Eines der Probleme bei. der berührungsfreien optischen Triangulationsmethode, die auf dem Prinzip einer geschlossenen Schleife mit passenden Rückkopplungsund Aufzeichnungseinrichtungen beruht, besteht darin, dass die Schleife unter gewissen Betriebsbedingungen aufgrund von Schattenbildung (shadowing) unterbrochen werden kann. Insbesondere trifft das

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fokussierte Strahlungsbündel, welches über die Oberfläche des Testobjekts bewegt wird, manchmal auf eine Oberflächenunregelmässigkeit, wie etwa ein verhältnismässig tiefes Loch. In einigen Fällen fangen die Seitenwände des Loches die reflektierte Strahlung auf, die sonst auf den Detektor treffen würde. Wenn eine solche Folge eintritt, besteht die Tendenz, dass das Servosystem sich wild zu drehen beginnt, um zu versuchen, den abgebildeten Fleck wieder auf der Fläche des Detektors erscheinen zu lassen. Um solche Auslenkungen zu vermeiden, wenn der abgebildete Fleck verlorengegangen ist, ist in der Elektronik der Detektorschaltung eine Verriegelungsschaltung vorgesehen, die das Servosystem auf der letzten Position festhält, für welche ein Rückkopplungssignal empfangen wurde. Wenn der abgebildete Fleck wiedergewonnen ist, wird die Verriegelungssperre wieder geöffnet und das Messen wird fortgesetzt.

Die Erfindung kann in zwei Betriebsarten arbeiten, die jeweils'ihre eigenen Vorteile und Kenndaten haben. In der ersten Betriebsart wird nur der Detektor durch das Servosystem solange translatorisch bewegt, bis der abgebildete Fleck durch einen Nullpunkt hindurchgeht. In dieser Betriebsart können mehrere Querschnitte desselben Testobjekts gleichzeitig ausgemessen werden, indem eine entsprechende Anzahl von Gruppen von Quellen fokussierten Lichts, Abbildungslinsen und Detektoren bereitgestellt wird. Gleichzeitige Mehrfachmessungen sind zwar erwünscht, insbesondere in einer Produktionsanlage, jedoch hat diese Betriebsart von Natur aus Fehlerquellen. Beispielsweise ändert sich die Grosse des Fokussierungsflecks in Abhängigkeit von der Position des Testobjekts längs der X-Achse, wobei die genaue Grosse

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der Änderung von der Lichtstärke der Einfallslinse abhängig ist.Die Änderung der Fleckgrösse hat eine Bedeutung hinsichtlich derjenigen Bereiche auf dem Testobjekt, welche Kanten und scharfe Krümmungen haben. Sie hat im wesentlichen aber keinen Einfluss auf die Genauigkeit in anderen Bereichen, da der Detektor den Mittelpunkt des abgebildeten Flecks verfolgt und da die Fleckgrösse somit verhältnismässig unwichtig ist, vorausgesetzt, dass nicht die gesamte Oberfläche des Detektors durch den abgebildeten Fleck beleuchtet ist. Mangel der Sammellinse sind von grösserer Bedeutung, da diese Mangel zu Fehlern führen, wenn die Strahlung unter verschiedenen Winkeln in die Sammellinse eintritt. Die Fehler aufgrund von Linsenmängeln können minimiert werden, indem eine Einfallslinse mit einer grossen Lichtstärke (f-Zahl) verwendet wird und das System mit Teilen mit bekannten Querschnitten geeicht wird, die die Auswirkungen der Mangel der Sammellinse beseitigen.

Die zweite Betriebsart der Erfindung beinhaltet, dass das Testobjekt solange eine Translationsbewegung ausführt, bis der abgebildete Fleck durch eine Nullposition hindurchbewegt wird. Diese Betriebsart ist hinsichtlich der Genauigkeit besser als die erste, da die Auswirkungen des Fokussierens beseitigt sind. Der Punkt, an welchem das fokussierte Bündel auf das Testobjekt auftrifft, bleibt räumlich fest und deshalb ist der Winkel zwischen der Achse der durch die Sammellinse hindurchgehenden reflektierten Energie und der Einfallsachse konstant, wodurch der Fehler vermieden wird, der sich ergibt, wenn sich der Reflexionspunkt in bezug auf die Sammellinse ändern kann. An dieser Betriebsart ist

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hauptsächlich zu kritisieren, dass, wenn das Testobjekt parallelverschoben wird, jeder Querschnitt des auszumessenden Testobjekts getrennt abgetastet werden muss. Das Problem kann jedoch beseitigt werden, indem eine passende Translationsbewegung des Detektors und der Linsen-in einer koordinierten Reihenfolge ausgeführt wird.

Beide Betriebsarten können ohne weiteres dem automatischen Messen von mit hoher Produktionsgeschwindigkeit hergestellten Produkten angepasst werden. Sehr einfach liefert das Ausgangssignal des Nullungsbrückenschaltungsteils des elektronischen Schaltungsbausteins ein Rückkopplungssignal und entweder das Testobjekt oder der Detektor wird servogeregelt. Mit einem Drehcodierer, der an der Antriebsvorrichtung des translatorisch beweglichen Tisches befestigt ist, oder mit einem Linearcodierer, der direkt an dem Tisch befestigt ist, kann eine automatische Ablesung der Schaltungsänderung gewonnen werden. Beide Arten von Ablesungsexnrxchtungen sind insbesondere mit Computereingabeerfordernissen kompatibel, wodurch · diese Lehren in der Computer-Datenverarbeitung angewendet werden können.

Ein weiterer Vorteil, der sich durch die Erfindung ergibt, ist die Vermeidung einer Ungenauigkeitsquelle, die in Fühlertyp-Oberflächenmessgeräten auftreten und hier als Cosinus-Abfall (Cosinus-Roll-off) bezeichnet werden. In einem mechanischen Messgerät, welches einen Fühler mit einer kugeligen Spitze hat, die der Kontur der untersuchten Oberfläche folgt, ist die Ableseeinrichtung so geeicht, dass die Länge des Fühlers plus 1 Durchmesser der Kugel berücksichtigt werden. Wenn jedoch der Fühler nicht senkrecht zu der

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untersuchten Oberfläche ist, so ist das Ende des > Fühlers um weniger als einen Kugeldurchmesser von der Oberfläche entfernt, wobei die genaue Differenz eine Funktion des Winkels zwischen dem Fühler und der Oberfläche ist. Der maximal mögliche Fehler, der in einem mechanischen System dieser Art hervorgerufen wird, ist eine Funktion der Länge des Fühlers und des Durchmessers der Kugel.

Die Erfindung kann ausgeführt werden, indem die herkömmlichen geschliffenen Linsen, die in der Zeichnung dargestellt sind, durch holographische Linsen ersetzt werden. Wenn holographische Linsen verwendet werden, kann eine einzige photographische Platte sowohl die Eintrittslinse als auch die Sammellinse ersetzen, die oben erläutert sind. Ein solches Ersetzen ermöglicht eine beträchtliche Verringerung des Gewichts zusammen mit einem grösseren Frequenzgang des Servosystems. Der Betrieb des Hologrammsystems und des herkömmlichen Linsensystems ist der gleiche, da das einfallende Bündel kollimierten Lichts durch das Hologramm auf einen Punkt fokussiert wird und ein Teil desselben Hologramms zum Sammeln eines Teils des zurückgestreuten Bündels verwendet wird, um einen abgebildeten Fleck auf dem Detektor zu bilden. Selbstverständlich erfordert die Hologrammanwendung, dass die Lichtquelle monochromatisch ist. für sämtliche praktischen Zwecke sind derartige Strahlungsquellen Laser. Holographische Linsen haben den zusätzlichen Vorteil, dass die Strahlung während der Bildung der flachen Hologrammplatte unter verschiedenen Winkeln gerichtet werden kann, statt der räumlichen Orientierung einer Linse, die bei einer herkömmlichen Optik erforderlich ist.

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Ein System, welches für die Art der Leistungsfähigkeit repräsentativ ist, die mit dieser Anordnung möglich ist, ist in der Lage, Turbinenschaufeln auszumessen, die eine Breite von 51 mm und Oberflächenänderungen bis zu 12,7 mm haben. Dieser Bereich gibt die Kenndaten des besonderen linearen Stellantriebs und Codierers wieder, die in das System integriert sind, nicht aber Begrenzungen, die sich von Natur aus ergeben. Das Volumen des Gesamtsystems beträgt ungefähr 1 Kubikfuss (O,0283 m ) und sein Gewicht liegt zwischen zwanzig und dreissig Pfund (9,1 kp und 13,6 kp) Mit dieser Ausführungsform kann die Gesamtbreite der 2 Zoll (51 mm) breiten Schaufel zwecks Kontrolle der Herstellungsqualität bis auf 1/10 eines Zolls (2,54 /um) in ungefähr einer Sekunde ausgemessen werden.

Im Rahmen der Erfindung bietet sich dem Fachmann über die beschriebenen bevorzugten Ausführungsbei— spiele der Erfindung hinaus eine Vielzahl von Vereinfachungs- und Verbesserungsmöglichkeiten der Erfindung.

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Claims

Patentansprüche :

1.JGerät zum Messen der Oberflächenkontur eines Testobjekts, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (22) zum Erzeugen eines einfallenden Strahlungsbündels, durch eine Einrichtung (22) zum Modulieren der Intensität des Bündels, durch eine Einrichtung (36) zum Konzentrieren des Bündels (32) und zum Weiterleiten des konzentrierten Bündels auf einer Einfallsachse (34) zu einem Fleck auf der Oberfläche des Testobjekts (30), durch eine Detektoreinrichtung (42) zum Erzeugen von elektronischen Signalen in Abhängigkeit von der auf die Detektoreinrichtung auftreffenden Strahlung, wobei die Detektoreinrichtung längs einer Sammelachse (38) angeordnet ist und eine Oberfläche hat, welche mehrere diskrete Zonen mit einer Nullposition zwischen benachbarten Zonen aufweist, durch eine Einrichtung (40,44) zum Sammeln von durch das Testobjekt (30) reflektierter Strahlung und zum Ablenken der gesammelten Strahlung längs der Sammelachse, um einen abgebildeten Fleck auf der Oberfläche der Detektoreinrichtung zu bilden, durch Einrichtungen (56,60,64), die auf die elektronischen Signale ansprechen, um die besondere Zone der Detektoreinrichtung aufzufinden, auf die der abgebildete Fleck auftrifft, und um ein entsprechendes Positionssignal zu liefern, durch eine Einrichtung (2O), die auf das Positionssignal anspricht, damit eine Relativbewegung zwischen dem Testobjekt (3O) und der Detektoreinrichtung (42) hervorgerufen wird, um den abgebildeten Fleck über die Oberflächenzone durch die Nullposition zu bewegen, durch eine Einrichtung (60), die auf den Durchgang des abgebildeten Flecks durch eine Nullposition anspricht und Nullsignale liefert, und durch eine Einrichtung, die auf die Nullsignale anspricht und die Verschiebung des

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abgebildeten Flecks in bezug auf die Detektoreinrichtung zwischen aufeinanderfolgenden Nullsignalen anzeigt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (36) zum Konzentrieren des Bündels und zum Weiterleiten des konzentrierten Bündels längs der Einfallsachse und die Einrichtung (40) zum Sammeln der durch das Testobjekt reflektierten Strahlung und zum Weiterleiten der gesammelten Strahlung längs der Sammelachsen Linsen sind.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das einfallende Bündel (32) eine monochromatische Strahlung ist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (36) zum Konzentrieren des Bündels und zum Weiterleiten des konzentrierten Bündels längs der Einfallsachse und die Einrichtung

(40) zum Sammeln der durch das Testobjekt reflektierten Strahlung und zum Weiterleiten der gesammelten Strahlung längs der Sammelachsen ein Hologramm sind.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4_f gekennzeichnet durch eine Verriegelungsschaltung zum Verhindern einer Relativbewegung zwischen dem Testobjekt und der Detektoreinrichtung bei NichtVorhandensein eines Positionssignals.

6. Verfahren zum Messen der Oberfläche eines Testobjekts, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Erzeugen eines einfallenden Strahlungsbündels, Modulieren der Intensität des Bündels bei einer vorgewählten Frequenz,

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Konzentrieren des Bündels längs einer Einfallsachse zu einem Fleck auf der Oberfläche des Testobjekts, Sammeln von an dem Fleck auf dem Testobjekt reflektierter Strahlung längs einer Sammelachse/ Bereitstellen einer ebenen strahlungsempfindlichen Oberfläche längs der Sammelachse und senkrecht zu derselben.

Abbilden des Flecks auf der strahlungsempfindlichen Oberfläche,

Ablenken des Flecks über die Oberfläche des Testobjekts in einer Aufeinanderfolge von Schrittbewegungen,

Bewegen der Detektoreinrichtung mit Bezug auf das Testobjekt zwischen jeder Schrittbewegung, wodurch der abgebildete Fleck durch eine vorgeschriebene Bezugsstelle auf der Oberfläche der Detektoreinrichtung hindurchbewegt wird.

Messen der Verschiebung der Detektoroberfläche in der Ebene senkrecht zu der Sammelachse, die benötigt wird, damit sich der abgebildete Fleck durch eine Bezugsstelle hindurchbewegt, und Korrelieren der gemessenen Verschiebung der Detektoroberfläche mit der entsprechenden Änderung in der Oberfläche des Testobjekts.

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