DE3703505A1 - Vorrichtung und verfahren zum erzeugen einer profilbilddarstellung einer werkstueckoberflaeche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen einer Profilbilddarstellung einer Werkstück­ oberfläche. Profilbilder entweder in Form perspektivischer Darstellungen oder in Form von Profilschnitten kommen in erster Linie bei der Materialprüfung zum Einsatz. Üblich ist die Bereitstellung von Profilbildern mit Hilfe von Fernsehkameras.

Derart gewonnene Profilbilder enthalten in den meisten Fällen jedoch nur unzureichende Information. Bei der Fertigung von Bauteilen erfolgt eine Überwachung der Mon­ tage mit Hilfe von Fernsehkameras. Bei der Bestückung von Schaltungsplatinen mit elektrischen und elektronischen Bauelementen wird beispielsweise die Oberfläche der Platine nach dem Bestücken von einer Videokamera aufgenommen, und das Bild wird mit einem Referenzbild verglichen. Das Bild der bestückten Schaltungsplatine hängt ab von den Farben und den Kontrasten der Oberseiten der Bauelemente. Eine Überprüfung auf ordnungsgemäße Bestückung setzt voraus, daß die Infragekommenden verschiedenen Bauelemente und die dafür vorgesehenen Stellen auf der Platine unterschied­ liche Farbe und/oder unterschiedlichen Kontrast aufweisen, weil es sonst nicht möglich ist, das Fehlen eines Bau­ elements festzustellen.

Das obige Beispiel verdeutlicht, welche Schwierigkeiten sich bei der Verwendung von Videokameras ergeben können. Auch wenn man mit einer Videokamera ein Werkstück von einer oder mehreren Seiten photographiert, ist die Infor­ mation über beispielsweise den Profilschnitt in der Mitte eines Werkstücks in den seltensten Fällen gewinnbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugen einer Profilbilddarstellung einer Werkstück­ oberfläche zu schaffen, die mit relativ geringem Aufwand herstellbar ist und in der Lage ist, Informationen über das Profil eines Werkstücks an einer gewünschten Stelle der Werkstückoberfläche zu liefern. Außerdem soll ein Ver­ fahren zum Erzeugen einer Profilbilddarstellung angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 bzw. die im Anspruch 5 angegebene Erfindung gelöst.

Die Erfindung macht Gebrauch von einem Abstandsmeßverfahren, bei dem es sich um ein an sich bekanntes Meßverfahren han­ deln kann. Unter Zugrundelegung des Abstands-Meßverfahrens werden entlang einer Abtastlinie auf der Werkstückober­ fläche die Abstände zwischen einer Meßanordnung und den Abtastpunkten auf der Abtastlinie gemessen. Dadurch erhöht man ein Signal, welches sich auf einer Anzeigevorrichtung darstellen läßt. Das dargestellte Signal entspricht dem Profilschnitt der Werkstückoberfläche. Obschon die Ab­ tastanordnung oberhalb des Werkstücks angeordnet ist, läßt sich der Querschnitt der Werkstückoberfläche dar­ stellen. Dies unterscheidet die Erfindung grundlegend von Verfahren und Vorrichtungen, die mit einer Videokamera arbeiten. Wird mit einer Videokamera ein Werkstück von oben aufgenommen, so ist eine Querschnittdarstellung der Werkstückoberfläche nicht möglich.

Besonders günstig ist der Einsatz des an sich bekannten Triangulationsverfahrens. Bei diesem Verfahren wird die Werkstückoberfläche entlang einer Abtastzeile mit Hilfe eines von einem Laser abgegebenen Lichtstrahls abgetastet. Der Lichtstrahl wird von einem periodisch verschwenkten Ablenkspiegel auf die Werkstückoberfläche gerichtet. Der von der Werkstückoberfläche reflektierte Lichtstrahl ge­ langt über ein Objektiv auf eine zweidimensional positions­ empfindliche Photodiode. Diese Photodiode besitzt zwei Paare von gegeneinander um 90° versetzten Elektroden, so daß sich für zwei Koordinatenachsen Differenzsignale aus den Signalen an den Elektroden jeweils eines Elektro­ denpaars gewinnen lassen. Die Differenzsignale können normiert werden und stellen dann - von systembedingten Verzerrungen befreit - den Abstand zwischen den jeweiligen Abtastpunkten entlang der Abtastlinie und der Meßanordnung dar, so daß eine Profilschnittdarstellung möglich ist. Ver­ schiebt man dazu noch die Meßanordnung und das Werkstück relativ zueinander (entweder kontinuierlich oder schritt­ weise), so kann man die einzelnen Profilschnitte in zeit­ licher Aufeinanderfolge mit Hilfe einer Kathodenstrahl­ röhre darstellen. Durch zeitliche Verzögerung aufeinander­ folgender Profilschnitte läßt sich eine perspektivische Darstellung der Werkstückoberfläche gewinnen.

In einer selbständig geschützten Ausführungsform der Er­ findung wird ein Abstandsmeßverfahren, insbesondere das Triangulationsverfahren, zur Fertigungsüberwachung einge­ setzt. In der oben erläuterten Weise wird entlang mindestens einer Abtastzeile auf der Oberfläche des zu fertigenden Gegenstands eine Profilschnittdarstellung erzeugt, und diese Profilschnittdarstellung wird mit einem Referenz- Profil verglichen. Setzt man dieses Verfahren zum Beispiel ein beim Überprüfen der Bestückung von Schaltplatinen mit einer Vielzahl von Bauelementen, so wird die bestückte Platine in bestimmten Abständen zeilenweise abgetastet, und jeder dadurch gewonnene Profilschnitt wird mit einem Referenz-Profil verglichen. Ist die Platine ordnungsgemäß bestückt, stimmt jeder Profilschnitt mit dem jeweiligen Referenz-Profil überein.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Skizze, die das sog. Triangulationsverfahren als eine bestimmte Art eines Abstandsmeßverfahrens veranschaulicht;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Abtasteinrichtung zum Erzeugen einer Profilbilddarstellung;

Fig. 3 ein Beispiel für eine perspektivische Profilbild­ darstellung, und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Profilbilddarstellung einer Werkstückober­ fläche.

Die vorliegende Erfindung macht speziell Gebrauch von dem sog. Triangulationsverfahren, das ist ein Verfahren zur Abstandsmessung, welches in verallgemeinerter Form auch dazu herangezogen werden kann, Information über die Ober­ flächenstruktur eines Werkstücks zu erhalten.

Fig. 1 zeigt anhand einer Skizze das Prinzip des Triangu­ lationsverfahrens. Von einer Laserlichtquelle Q geht ein gebündelter Lichtstrahl unter einem Winkel α bezüglich der Flächennormalen des Werkstücks auf die Werkstückoberfläche gerichtet. Am Auftreffpunkt des Lichtstrahls wird das Licht unter einem entsprechenden Reflexionswinkel α reflektiert und fällt auf eine zweidimensional positions­ empfindliche Photodiode PD. Eine solche Photodiode be­ sitzt vier Elektroden in Form von zwei um 90° gegen­ einander versetzten Elektrodenpaaren. Die Ausgangssignale der Photodiode können als Koordinatensignal betrachtet werden, das den Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf der Oberflächen der Diode kennzeichnet. Trifft der Licht­ strahl auf eine erhöhte Stelle der Werkstückoberfläche, verschiebt sich der reflektierte Strahl etwa parallel, so daß er an einer anderen Stelle auf der Photodiode PD auftrifft. In Fig. 1 ist das Ausmaß der Versetzung des reflektierten Strahls mit d bezeichnet. Wenn s der Höhen­ unterschied der gerade betrachteten Stelle auf der Ober­ fläche des Werkstücks ist, berechnet sich der "Abstand" s aus der Beziehung (d = s×sin α).

Wenn der Abstand zwischen der Meßanordnung und der Werk­ stückauflage bekannt ist, gewinnt man in der oben be­ schriebenen Weise also ein Abstandssignal. Bewegt man das Werkstück in Richtung des Pfeils P relativ zu der Meßanordnung, gewinnt man ein Signal, welches die Höhen­ schwankungen der Werkstückoberfläche entlang der abge­ tasteten Linie kennzeichnet. Diese Höhenschwankungen erge­ ben also, wenn man sie kontinuierlich auf einer Anzeigevor­ richtung darstellt, ein Profilschnittbild der Werkstück­ oberfläche.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung zum Gewinnen eines Signals, welches sich für die Darstellung eines Profilschnittbildes und/oder einer Perspektivdarstellung einer Werkstückober­ fläche eignet.

Eine Laserlichtquelle 3 gibt einen Lichtstrahl L ab, der von einem Kondensor 4 auf einer bestimmten Stelle eines Ablenkspiegels 5 fokusiert wird. Der Ablenkspiegel 5 wird von einem Antriebsmotor 6 periodisch verschwenkt, so daß der vom Ablenkspiegel reflektierte Lichtstrahl eine Abtast­ zeile einer Oberfläche 3 eines Werkstücks 1 überstreicht. Der von der Werkstückoberfläche reflektierte Lichtstrahl gelangt über ein Objektiv 7 auf eine zweidimensional positionsempfindliche Photodiode 8, deren Aufbau und Funk­ tionsweise oben anhand von Fig. 1 bereits erläutert wurde. Die Ausgangssignale der Photodiode 8 werden verarbeitet, um ein die Höhenschwankungen der Oberfläche 3 des Werkstücks 1 entlang der Abtastlinie A kennzeichnendes Signal, also eine Profilschnittdarstellung zu erhalten.

Das Werkstück 1 wird in Pfeilrichtung P schrittweise und synchron mit der Schwenkbewegung des Ablenkspiegels 5 ver­ schoben. Dadurch erhält man aufeinanderfolgende Profil­ schnittdarstellungen der Werkstückoberfläche.

Fig. 3 zeigt, wie die durch die Abtastung der Werkstückober­ fläche gewonnenen Signale auf beispielsweise einem Bild­ schirm dargestellt werden können. Durch aufeinanderfolgende Darstellung einzelner Profilschnitte mit geringer zeitlicher Verzögerung erhält man eine perspektivische Darstellung.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild der gesamten Vorrichtung zum Erzeugen einer Profilbilddarstellung. Eine Steuerung 10 gibt Synchronisationssignale an eine Treiberschaltung 9 für den Motor 6 des Ablenkspiegels 5 und an eine Anzeige­ vorrichtung 11, beispielsweise an ein Bildschirmgerät. Die Treiberschaltung 9 veranlaßt den Motor 6, den Ablenk­ spiegel 5 mit einer Periodendauer zu verschwenken, die durch das Synchronisationssignal festgelegt wird. Die An­ zeigevorrichtung 11, die ebenfalls das Synchronisations­ signal von der Steuerung 10 empfängt, stellt aufeinander­ folgende Profilschnitte dar. Hierzu empfängt die Anzeige­ vorrichtung 11 über eine Signalverarbeitungsschaltung 12 von der Photodiode 8 die Meßsignale. In der Signalverar­ beitungsschaltung 12 erfolgt eine Aufbereitung der von der Photodiode 8 kommenden Signale derart, daß die aufbe­ reiteten Signale für die Darstellung auf der Anzeigevor­ richtung 11 geeignet sind.

Insbesondere führt die Signalverarbeitungsschaltung 12 hier eine Kompensation der Signale durch. Betrachtet man Fig. 2, so ist ersichtlich, daß aufgrund des Verschwenkens des Ablenkspiegels 5 während einer Abtastung einer Abtast­ zeile unterschiedlich lange Lichtwege entstehen. Im Bereich der Umkehrpunkte des Ablenkspiegels 5 sind die Lichtwege am längsten; wenn die auf das Werkstück auftreffenden und von diesem reflektierten Lichtstrahlen in einer Ebene senkrecht zur Werkstückoberfläche liegen, sind die Licht­ wege am kürzesten. Die unterschiedlichen Lichtwege verur­ sachen Intensitätsänderungen des auf die Photodiode 8 auf­ treffenden Lichtstrahlenbündels. Durch Normierung läßt sich erreichen, daß das gewonnene Meßsignal von Signal­ verzerrungen befreit ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich zum Beispiel dazu verwenden, die Bestückung von Schaltungsplatinen mit elektri­ schen und elektronischen Bauelementen zu überprüfen. Dazu wird die Oberfläche der Platine nach dem Bestücken in be­ stimmten Abständen zeilenweise abgetastet. Das für jede Abtastzeile gewonnene Profilschnittbild wird mit einem vorgegebenen Referenz-Profil verglichen. Stimmen die ver­ glichenen Profile überein, bedeutet dies, daß die Be­ stückung ordnungsgemäß erfolgt ist.

Die Erfindung ist nicht nur auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 beschränkt. Anstelle eines Schwenkspiegels mit ortsfest angeordneter Optik (Licht­ quelle, Kondensor, Objektiv und Photodiode) kann man auch - ähnlich wie bei Kopiergeräten - eine horizontal verfahr­ bare Anordnung vorsehen, die entsprechend jeder Abtastzeile einmal parallel relativ zu dem Werkstück verfahren wird.

Außerdem ist die Erfindung nicht auf das oben näher er­ läuterte Triangulationsverfahren beschränkt, sondern es können auch andere Abstandsmeßverfahren eingesetzt werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Erzeugen einer Profilbilddarstel­ lung einer Werkstückoberfläche, mit

• - einer optischen Abtasteinrichtung (3 bis 8), die die Werkstückoberfläche zeilenweise mit einem gebündelten Lichtstrahl abtastet und aus dem reflektierten Signal ein die Höhenschwankungen auf der Abtastlinie repräsen­ tierendes Signal erzeugt,
• - einer Antriebsvorrichtung, die das Werkstück (1) vorzugs­ weise schrittweise relativ gegenüber der Abtasteinrich­ tung bewegt, und
• - einer an die Abtasteinrichtung angeschlossenen Anzeigevor­ richtung (11), der die Signale von der Abtasteinrichtung zugeführt werden und die mit der Zeilenabtastung synchronisiert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung aufweist:

• - eine Lichtquelle, vorzugsweise eine Laserlichtquelle (2),
• - einen von einem Antriebsmotor (6) periodisch verschwenk­ ten Ablenkspiegel (5), auf den der von der Lichtquelle (2) abgegebene Lichtstrahl (L) auftrifft, um auf die Werkstückoberfläche (3) gelenkt zu werden,
• - ein Objektiv (7), das den von der Werkstückoberfläche (3) reflektierten und von dem Ablenkspiegel (5) anschlie­ ßend abgelenkten Lichtstrahl aufnimmt, und
• - eine zweidimensional positionsempfindliche Photodiode (8), deren Ausgangssignale repräsentativ sind für die Höhenschwankungen der Werkstückoberfläche entlang der durch die Schwenkbewegung des Ablenkspiegels definierten Abtastlinie.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuervorrichtung (10) die Schwenkbewegung des Ablenkspiegels (5) mit der vorzugsweise als Kathodenstrahl­ röhre ausgebildeten Anzeigevorrichtung (11) synchronisiert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationseinrichtung (12) vorgesehen ist, die die durch unterschiedliche Lichtstrahlwege der von dem Ablenkspiegel abgelenkten Lichtstrahlen verursachten Signalverzerrungen kompensiert.

5. Verfahren zum Erzeugen einer Profilbilddarstellung einer Werkstückoberfläche, mit folgenden Schritten:

• - Die Werkstückoberfläche wird unter Verwendung eines Abstandsmeßverfahrens zeilenweise abgetastet, um für jede Abtastzeile ein Signal zu erzeugen, das die Höhen­ schwankungen der Werkstückoberfläche entlang der Abtast­ zeile repräsentiert, und
• - das durch die zeilenweise Abtastung gewonnene Signal wird mittels einer Anzeigevorrichtung kontinuierlich zur Anzeige gebracht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsmeßverfahren das Triangulationsverfahren ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück kontinuierlich oder nach jedem Abtasten einer Abtastzeile relativ zu der Abtastanordnung vorgerückt wird.

8. Verfahren zur Fertigungsüberwachung, insbesondere in Verbindung mit einem Verfahren nach einem der Ansprü­ che 5 bis 7, mit folgenden Schritten:

• - Erzeugen einer Profilbilddarstellung entlang mindestens einer Abtastzeile auf dem zu überwachenden Werkstück, und
• - Vergleichen der Profilbilddarstellung mit einem Referenz- Profil.