DE2820910A1

DE2820910A1 - Oberflaechenpruefvorrichtung

Info

Publication number: DE2820910A1
Application number: DE19782820910
Authority: DE
Inventors: Graham Morley Clarke
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1977-05-18
Filing date: 1978-05-12
Publication date: 1978-11-30
Also published as: GB1592511A; JPS53143357A

Description

if

Patentanwälte
Dipl. Ing. Hans-Jürgen Müller Dr. rer. nat. Thomas Berendt

Dr.-lug. Hans Leyh

Ludle-Grahn-StraBe 38 D 8 MOndien 80

Unser Zeichen: A 14 Lh/fi

FERRANTI LIMITED

Hollinwood, Lancashire, England

Oberflächenprüfvorrichtung

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A 14 167 Ferranti Limited

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Oberflächenprüfvorrichtung, insbesondere eine optische Prüfvorrichtung zum Aufzeigen von physikalischen Eigenschaften der geprüften Fläche.

Es ist bekannt, die physikalischen Eigenschaften einer Fläche zu untersuchen, indem ein Lichtstrahl auf die Fläche in einem schrägen Winkel gerichtet und die Lichtstärke gemessen wird, die in Winkeln, die dem Spiegelwinkel benachbart liegen, reflektiert wird. Der Spiegelwinkel ist derjenige Winkel, in welchem Licht reflektiert würde, wenn die zu untersuchende Fläche durch einen perfekten Spiegel ersetzt werden würde. Durch Beobachtung der Winkelverteilung an verschiedenen Stellen der Fläche wird eine Anzeige über die Eigenschaften der Fläche erhalten.

Die Untersuchung an jeder Stelle erfolgt gewöhnlich in der Weise, daß ein Kollimator-Empfänger über den gestreuten Strahl bewegt wird, um die Stärke des Lichtes zu messen, das in verschiedenen Winkeln empfangen wird, wobei jedoch die Untersuchung durch die Größe der Empfangseinrichtung behindert wird, die zwischen den verschiedenen Untersuchungsorten bewegt werden muß, sowie durch die lange Zeit, die zur Durchführung der Messungen erforderlich ist.

Die Untersuchung oder Prüfung kann beschleunigt werden durch Vorrichtungen, bei denen der einfallende Strahl schnell über die Fläche bewegt wird (die sich selbst bewegen kann) und reflektiertes Licht mit Hilfe eines Empfängers untersucht wird, der in einem Gehäuse angeordnet ist, in welches das Licht über einen Schlitz vorgegebener schmaler Breite in der Abtast-

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richtung eintritt. Licht, das im Spiegelwinkel reflektiert wird, tritt in das Gehäuse durch den Schlitz nur ein, wenn es auf einen besonderen Teil der Fläche fällt, während reflektiertes Licht, das durch einen Oberflächenabschnitt benachbart zu diesem Teil gestreut wird, ein Empfangssignal erzeugt, wobei die Stärke des gestreuten Lichtes vom Abstand dieses Teiles von diesem besonderen Teil abhängt, d.h. dem Winkel, mit welchem das Licht gestreut wird, damit es in den Schlitz eintritt und dieser Wert wird größer wenn das Licht näher zu dem besonderen Teil gelangt, in welchem eine Spiegelreflexion auftritt. Während der Strahl die Oberfläche abtastet nimmt das vom Empfänger erzeugte Signal zu und ab, wobei die Veränderung der Amplitude auf die Winkelverteilung der Reflexionseigenschaften der Fläche bezogen ist, anstatt jedoch das Signal durch Messung der Stärke des Lichtes zu bestimmen, das von einem einzelnen Flächenpunkt reflektiert wird, wird es bei einem Empfänger, der in einem Bereich von Winkeln angeordnet ist, durch Messung der Reflexion bei unterschiedlichen Winkeln von unterschiedlichen benachbarten Teilen der Fläche für einen festen Empfänger bestimmt.

Das Gehäuse kann eine Vielzahl von öffnungen haben, um Verteilungen für verschiedene Bereiche der Fläche zu schaffen, die alle nacheinander durch den Strahl abgetastet werden.

Durch eine solche Vorrichtung läßt sich zwar ein Signal erzeugen, das eine Analyse der Oberflächeneigenschaften ermöglicht, es ist jedoch erforderlich, daß die Abtasteinrichtung nahe an die Oberflächenpunkte gebracht wird, an denen Messungen vorgenommen werden sollen,wodirth Hallerungsund Führungsprobleme bei der Handhabung der Vorrichtung in der Nähe der Oberfläche entstehen, oder wenn die Vorrichtung entfernter von der zu untersuchenden Fläche angeordnet wird, sind Optiken mit großer öffnung erforderlich, um einen Strahl

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auf die Oberfläche zu richten und das von dieser reflektierte Licht aufzufangen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und die vorgenannten Nachteile, jedenfalls im wesentlichen, vermeidet.

Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung hierzu mit einem Laser versehen, der einen kontinuierlichen Strahl erzeugt, optischen Kopplungseinrichtungen, um das Licht vom Laser auf einen Prüfkopf zu richten, der benachbart zu einem Teil der zu untersuchenden Oberfläche angeordnet ist, wobei der Prüfkopf optische Einrichtungen enthält, um den Strahl auf die Oberfläche in einem schrägen Winkel zu richten, um diesen Teil der Fläche zu beleuchten, sowie eine Vielzahl von Fotodetektorelementen, von denen jedes Licht empfängt, das von der Oberfläche jeweils in einem anderen Winkel aus einem Bereich von Winkeln reflektiert wird, die sich um den Spiegelwinkel als Zentrum gruppieren, ferner mit Einrichtungen, um jedes Fotodetektorelement nacheinander abzufragen, um ein Signal zu erzeugen, dessen Amplitudenveränderung mit der Zeit der Veränderung der Stärke des reflektierten Lichtes mit dem Winkel entspricht.

Die Oberflächenprüfvorrichtung kann Einrichtungen aufweisen, um den Lesekopf relativ zu der Fläche zu bewegen, um den beleuchteten Teil der Oberfläche zu verändern.

Die Fotodetektorelemente können ein lineares Feld von adressierbaren Fotodioden aufweisen, die auf Abfrage^Signale, die an jede Diode nacheinander gelegt werden, ansprechen, um der Reihe nach auf einer Einweg-Ausgangsleitung Signale zu erzeugen, die die Stärke der Beleuchtung darstellen, die auf

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jede Fotodiode, während sie abgefragt wird, fällt.

Der Inspektionskopf kann eine Fokussiereinrichtung enthalten, um den Strahl auf die Oberfläche zu fokussieren und er kann so angeordnet sein, daß das reflektierte Licht ständig auf die Fotodetektorelemente fällt. Dies kann erreicht werden, indem die Fokussiereinrichtung so angeordnet wird, daß sie einen Strahl auf einen Punkt der Fläche fokussiert, und Licht, das von der Fläche reflektiert wird, veranlaßt wird, quer zur längsten Abmessung des Feldes zu divergieren.

Die optische Kopplungseinrichtung kann eine ausfahrbare Röhre aufweisen, die an einem Ende am Laser befestigt ist und deren anderes Ende den Inspektionskopf trägt. Die Röhre kann eine Mehrzahl von Abschnitten aufweisen, von denen jeder mit gleichen Abschnitten gekoppelt werden kann, um die Gesamtlänge zu verändern, und jeder Abschnitt der Röhre kann eine Fokussiereinrichtung tragen, die so angeordnet ist, daß die Gesamtbrennweite der Fokussiereinrichtung unabhängig von der Länge der ausfahrbaren Röhre ist.

Alternativ kann die optische Kopplungseinrichtung wenigstens eine optische Faser aufweisen, die an einem Ende mit dem Laser verbunden ist und am anderen Ende den Inspektionskopf trägt.

In der vorliegenden Beschreibung wird unter der Bezeichnung "Licht" auch elektromagnetische Strahlung auf jeder Seite des sichtbaren Spektrums verstanden, d.h. sowohl infrarote als auch ultraviolette Strahlung.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben, in der

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Pig. 1a schematisch im Schnitt die optischen Teile der Oberflächenprüfvorrichtung nach der Erfindung zeigt.

Fig. 1b ist eine Verteilungskurve, die die Verteilung der Stärke des reflektierten Lichtes abhängig von der Abweichung des Reflexionswinkels vom Spiegelwinkel zeigt.

Fig. 1c zeigt das Ausgangssignal der Prüfvorrichtung.

Fig. 2a und 2b zeigen schematisch im Schnitt alternative Ausführungsformen der optischen Teile nach Fig. 1.

Fig. 2c zeigt einen Querschnitt durch die optischen Teile der Fig. 2b.

Fig. 3 und 4 zeigen im Schnitt schematisch weitere Ausführungsformen der Oberflächenprüfvorrichtung zur Darstellung unterschiedlicher optischer Kopplungseinrichtungen .

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Untersuchen der Eigenschaften einer Fläche 11, wobei die Vorrichtung eine Lichtquelle 12 in Form eines He-Ne-Lasers aufweist, der kontinuierlich Licht in Form eines schmalen im wesentlichen parallelseitigen Strahles 13 erzeugt. Am Laser angebracht zum Aufnahmen des Strahles 13 ist eine optische Kopplungseinrichtung in Form einer Röhre 14, die an ihrem vom Laser entfernten Ende einen Prüfkopf 15 trägt, der eine axial geschlossene Verlängerung der Röhre 14 bildet. Der Prüfkopf hat eine öffnung 16 an seiner Seite, die im Betrieb über einem Teil der zu untersuchenden Fläche 11 liegt. Der Prüfkopf enthält einen Spiegel 17, der angrenzend an das geschlossene Ende angebracht und zum strahl 13 geneigt ist, um diesen an der

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2 8 2 O Γ* 1 O

■ -6- - ΛΟ

Öffnung 16 auszurichten, so daß er auf die Fläche 11 in einem schiefen Winkel auftrifft. Eine Vielzahl von Fotodetektorelementen ist in Form eines integrierten Feldes 18 aus Fotodioden vorgesehen, wobei dieses Feld so angeordnet ist, daß es den Strahl empfängt nachdem er von der Fläche 11 reflektiert worden ist. Die Dioden des Feldes haben einen engen Abstand und das Feld erstreckt sich in der Ebene des einfallenden und des von der Fläche reflektierten Strahles. Das Zentrum des Feldes ist so angeordnet, daß es Licht empfängt, das im Spiegelwinkel reflektiert worden ist und der Rest des Feldes ist in der Lage, Licht zu empfangen, das von der Fläche gestreut worden ist, d.h. im Winkel reflektiert worden ist, die innerhalb eines Bereiches von Winkeln liegen, der den Spiegelwinkel umfaßt und um diesen zentrisch liegt. Die Dioden des Feldes sind alle an eine einzige Ausgangsleitung 19 geschaltet und werden nacheinander abgefragt, d.h. das Feld wird durch eine nicht-gezeigte Schaltung abgetastet, um ein Signal, das auf die Stärke der Beleuchtung bezogen ist, die auf die adressierte Diode auftrifft, an die Ausgangsleitung 19 zu legen.

Die Funktion nach Fig. 1b zeigt (bei einer Fläche, die kein perfekter Reflektor ist, bei dem das gesamte Licht im Spiegelwinkel reflektiert wird) die Verteilung von reflektiertem Licht mit der Stärke I über dem Winkel γ , das ist der Winkel zwischen der Reflexion und dem Spiegelwinkel. Die Breite und Höhe der Funktion sind beide abhängig von der Natur der Oberfläche, die allgemeine Form ist jedoch auf die meisten Flächen anwendbar. Fig. 1c zeigt das Ausgangssignal, das bei einer einzelnen Abtastung des Feldes erwartet werden kann und zwar in Form der Ausgangsspannung über der Zeit. Man sieht, daß das Ausgangssignal eine starke Ähnlichkeit mit der Verteilungsfunktion hat und bezüglich Höhe und Breite kann es auf die Reflexionseigenschaften der Fläche an der beleuchteten Stelle interpretiert werden.

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Die optischen Komponenten des Prüfkopfes können so angeordnet werden, daß der Strahl auf die Oberfläche in einem Winkel auftrifft, der an die Eigenschaft der Oberfläche und den Zugang zur Oberfläche, der für den Prüfkopf zur Verfügung steht, angepaßt ist. In Fig. 2 ist eine Anordnung dargestellt, bei der die Röhre der optischen Kopplungseinrichtung sich senkrecht zur Oberfläche erstreckt. Der Strahl 13 wird durch ein keilförmiges Prisma 20 abgelenkt, um auf die Fläche 11 in einem schrägen Winkel durch eine Öffnung 21 in der Stirnwand des Prüfkopfes hindurch aufzutreffen. Das Feld 18 der Fotodioden ist so angeordnet, daß es Licht empfängt, das von der Fläche durch die Öffnung 21 hindurchreflektiert wird.

Die Fig. 2b und 2c zeigen im Längsschnitt und im Querschnitt eine alternative Ausführungsform, bei der die Ebene des einfallenden und von der Fläche reflektierten Lichtes senkrecht zur Längsachse der Röhre liegt. Das Licht wird durch ein Paar geneigter Spiegel 22, 23 durch eine Öffnung 16 geführt bzw. gerichtet und das Feld 18 ist so angeordnet, daß es Licht empfängt, das durch die Öffnung hindurch reflektiert worden ist.

Fig. 2b zeigt einige weitere Merkmale, die bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1a und 2a verwendet werden können. Der Prüfkopf 15 kann mit Füßen 24 versehen sein und der Kopf kann relativ zur Röhre drehbar sein (wenn der Strahl 13 längs der Achse der Röhre läuft), so daß das Innere eines geschlossenen Körpers untersucht werden kann.

Der He-Ne-Laser hat eine typische Strahldivergenz von etwa 1 Milliradian von einem Ausgangsdurchmesser von etwa 0,8 mm. Für andere als die kürzesten Bahnlängen zwischen dem Laser und der Fläche ist es erwünscht, eine Linse (25, Fig. 2b) zu verwenden, um den Strahl aufzunehmen und ihn auf die Fläche zu fokussieren.

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Da das Feld 18 aus einer Linie von körperlich kleinen Fotodioden besteht, kann jede Neigung der Fläche dazu führen, daß die Ebene des einfallenden und reflektierten Lichtes nicht das Feld schneidet. Eine solche Wirkung kann vermieden werden, indem der reflektierte Strahl veranlaßt wird, in einer Ebene quer zur Ebene des einfallenden und reflektierten Strahles zu divergieren. Die Divergenz kann erzeugt werden, indem die Linse 25 aus zwei zylindrischen Elementen gebildet wird. Die Elemente sind so angeordnet, daß der Strahl auf einen kreisförmigen oder elliptischen Punkt auf der Fläche fokussiert wird, jedoch nach der Reflexion in einer Ebene quer zu derjenigen divergiert, die den einfallenden oder reflektierten Strahl enthält, so daß er immer auf das Feld trifft.

Wenn Spiegel 17, 22, 23 verwendet werden, können diese gekrümmt und entweder mit sphärischen oder zylindrischen Flächen versehen sein, um eine gewünschte Fokussierung des Strahles zu bewirken.

Um die Oberfläche 11 vollständig untersuchen zu können, wird der Prüfkopf über die Fläche nach jeder Abtastung des Feldes bewegt, so daß die Fläche an einer anderen Stelle beleuchtet wird. -

An jeder Stelle kann das Feld vor einer weiteren Bewegung abgetastet werden, um eine Reihe von Impulsen innerhalb einer Hüllkurve, ähnlich derjenigen von Fig. 1c, zu erzeugen, wobei die der Oberfläche an dem beleuchteten Punkt zugeordneten Parameter dargestellt werden können. Dieses Verfahren wird für alle die gewünschten Punkte, die untersucht werden sollen, wiederholt. Die für die Abtastung eines integrierten Feldes von Fotodioden erforderliche Zeit ist jedoch so kurz, daß eine Oberflächenstelle untersucht werden kann während der Prüfkopf relativ zu der Oberfläche bewegt wird.

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Um Oberflächen zu untersuchen, bei denen der Prüfkopf beispielsweise in Entfernungen von 1m oder mehr vom Laser angeordnet ist oder werden soll, ist es erforderlich, die Divergenz des Laserstrahles zu kompensieren. Während für kurze Abschnitte zwischen dem Laser und dem Prüfkopf einfache Fokussierungsoptiken erforderlich sind, sind für längere Abstände Linsen mit großem Durchmesser erforderlich, und in diesem Fall kann eine Teleskoplinse an der Laserquelle verwendet werden, um den Strahl auf die Linse im Lesekopf zu fokussieren.

Eine alternative Ausführungsform ist in Fig. 3 gezeigt, bei der die optische Kopplungseinrichtung eine ausfahrbare Röhre aufweist, die aus Abschnitten 26 gebildet ist, von denen jeder mit anderen gleichen Abschnitten gekoppelt werden kann, um die Röhre zu bilden und von denen jeder Fokussierelemente 27 enthält, um den Strahl parallel zu halten. Auf diese Weise kann die Länge der Röhre nach Wunsch verändert werden, ohne daß es erforderlich ist, den Strahl auf den Prüfkopf neu zu fokussieren. Die Rohrabschnitte können ausbaubar sein, wie dargestellt, oder wenn Fokussierelemente weggelassen werden, können sie aus Segmenten bestehen, die teleskopartig ineinandergleiten.

Noch eine Ausführungsform ist in Fig. 4 gezeigt, in der die optische Kopplungseinrichtung eine flexible Lichtführung 28 aufweist, die aus einer oder mehreren optischen Fasern gebildet ist und die erforderlichen elektrischen Anschlüsse für den Prüfkopf 15 enthält. Der Prüfkopf kann somit in ein geschlossenes Objekt eingeführt werden, um eine Innenfläche zu untersuchen und er kann, wo es geeignet ist, mit Hilfe einer magnetischen Kupplung 29 durch die Wand des Gegenstandes angeordnet und bewegt werden.

Die optische Prüfvorrichtung nach der Erfindung kann körperlich

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klein gebaut werden, da die Lichtquelle ein Laser ist, die entfernt vom Prüfkopf liegt, so daß der Begrenzungsfaktor hinsichtlich der Größe des Prüfkopfes die Größe des Feldes aus Fotodioden ist. Solche Felder oder Reihen sind handelsüblich in integrierter Halbleiterform käuflich, wobei mehrere hundert Fotodioden in einem Feld mit einer Länge von 10 mm enthalten sind. Hierdurch wird es möglich, die reflektierte Lichtverteilung besser als 1/2 Grad mit dem Feld 10 mm von der Oberfläche aufzulösen. Es wird dadurch möglich, die Vorrichtung sehr kompakt zu bauen.

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Claims

A 14 167 Ferranti Limited Ansprüche

1. ^ Oberflächenprüfvorrichtung mit einem Laser zur Erzeugung

eines kontinuierlichen Lichtstrahles, gekennzeichnet durch eine optische Kopplungseinrichtung, um den Lichtstrahl vom Laser auf einen Prüfkopf zu richten, der angrenzend an einen Teil der zu untersuchenden Oberfläche angeordnet ist, daß der Prüfkopf optische Einrichtungen enthält, um den Strahl auf die Fläche in einem schrägen Winkel zu richten, um diesen Teil der Fläche zu beleuchten, eine Vielzahl von fotoleitenden Elementen, die in der Ebene des auf die Oberfläche einfallenden und spiegelnd von ihr reflektierten Lichtstrahles liegen, von denen jedes Licht empfängt, das von dem Teil der Oberfläche in einem unterschiedlichen Winkel eines Bereichs von Winkeln reflektiert worden ist, die sich zentrisch um den Spiegelwinkel gruppieren, sowie durch eine Schaltung zum Abfragen jedes Fotodetektorelementes nacheinander, um ein Signal zu erzeugen, dessen Amplitudenveränderung mit der Zeit der Veränderung der Stärke des reflektierten Lichtes mit dem Winkel des Winkelbereiches entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Fotodetektorelemente ein integriertes Feld von adressierbaren Fotodioden aufweisen, die auf die Abfragesignale ansprechen, die nacheinander an jede Diode gelegt werden, um seriell über eine Einweg-Ausgangsleitung Signale zu erzeugen, welche die Stärke der Beleuchtung darstellen, die auf jede Fotodiode während sie abgefragt wird fällt.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Prüfkopf eine Fokussiereinrichtung zum Fokussieren des Strahles auf die Oberfläche enthält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Fokussiereinrichtung optische Elemente umfaßt, um den Strahl derart zu fokussieren, daß er einen im wesentlichen kreisförmigen Punkt auf dem Teil der Oberfläche, der zu untersuchen ist, bildet und daß Licht, das im Spiegelwinkel reflektiert wird, nach der Reflexion in einer Ebene divergiert wird, die sich quer zu der Ebene erstreckt, die von dem auf die Oberfläche einfallenden und spiegelnd von ihr reflektierten Strahl gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die optische Kopplungseinrichtung eine ausfahrbare Röhre aufweist, die an einem Ende am Laser angebracht ist und am anderen Ende den Prüfkopf trägt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die verlängerbare Röhre eine Mehrzahl von Abschnitten aufweist, von denen jeder mit gleichen Abschnitten gekuppelt werden kann, um die Gesamtlänge der Röhre zu verändern, und daß jeder Abschnit Fokussiereinrichtungen besitzt, die so angeordnet sind, daß die Gesamtbrennweite der Fokussiereinrichtung unabhängig von der Länge der ausfahrbaren Röhre ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Prüfkopf so mit der optischen Kopplungseinrichtung verbunden ist, daß er mlativ zu dieser drehbar ist.

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8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch

gekennzeichnet , daß die optische Kopplungseinrichtung wenigstens eine flexible optische Faser aufweist, die an einem Ende mit dem Laser verbunden ist und am anderen Ende den Prufkopf trägt.

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