DE4015476A1 - Anordnung zur dreidimensionalen optischen formerfassung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Optikanordnung zur dreidimensiona­ len Formerfassung der Struktur eines zu untersuchenden Objekts, beispielsweise für die industrielle Kontrolle von Oberflächen aus Metall, Glas, Kunststoff, Email oder Lack, nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

In der europäischen Patentanmeldung 89 120 633.6 wird vorge­ schlagen, zur Untersuchung der Oberflächenstruktur eines re­ flektierenden Objekts oder der Beschaffenheit eines transpa­ renten Objekts eine Anordnung zu verwenden, bei der das Objekt unter einem vorgegebenen Winkel beleuchtet wird, die vom Objekt reflektierten bzw. durchgelassenen Lichtstrahlen von einem Retroreflektor auf das Objekt zurückgeworfen und dort reflek­ tiert bzw. durchgelassen werden und auf eine Videokamera mit nachgeschalteter Auswerteeinrichtung auftreffen. Ein konstanter Maßstab der Abbildung der Oberfläche auf dem Sensorfeld der Videokamera sowie eine gute Kontrastierung von Oberflächen- und Beschaffenheitsfehlern werden erreicht, indem im Strahlengang der Lichtstrahlen vor und nach dem zu untersuchenden Objekt jeweils eine Feldlinse angeordnet wird. Diese Optikanordnung ermöglicht die Erfassung und Darstellung räumlicher Uneben­ heiten des zu untersuchenden Objekts als Kontrastwerte der Ab­ bildung der Oberfläche. Dies entspricht einer qualitativen Aus­ sage über die Oberflächengüte, aus der aber kaum eine quantita­ tive Bewertung der Oberflächenstrukturen abgeleitet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Optikanordnung zur dreidimensionalen Formerfassung zu schaffen, welche die Vermessung von Oberflächenprofilen und die Bewertung von Ober­ flächenstrukturen ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist eine Optikanordnung der ein­ gangs angegebenen Art die im kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 bzw. 2 genannten Merkmale auf. In den weiteren An­ sprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildun­ gen der Erfindung angegeben.

Wesentliche Vorteile der erfindungsgemäßen Optikanordnung mit einer Objektivgruppe vor dem optischen Empfänger sind die weit­ gehende Unempfindlichkeit der Messungen und Bewertungen von der absoluten Oberflächenneigung des zu untersuchenden Objekts und die Möglichkeit der optischen Signalaufbereitung durch geeig­ nete Transmissionsfunktionen der Blenden. Desweiteren sind optische Empfänger mit geringer Bildauflösung einsetzbar, und der Aufwand für die elektronische Bildverarbeitung ist niedrig, da durch die optische Vorverarbeitung einfache Bildmuster auf dem optischen Empfänger entstehen. Die Optikanordnung erfordert keine allzu kleinen Distanzen zur Oberfläche des zu untersu­ chenden Objekts und ist daher auch in der industriellen Serien­ prüfung ohne Gefährdung der Prüfobjekte durch Kollision sinn­ voll einzusetzen.

Anhand der Zeichnungen, in denen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Optikanordnung mit skizziertem Strahlengang für eine ebene Oberfläche,

Fig. 2 eine Optikanordnung mit eingefügter Blende,

Fig. 3 die Optikanordnung mit eingefügter Blende nach Fig. 2 und den Strahlengang für eine wellige Oberfläche, von welcher ein konvex gekrümmter Bereich abgetastet wird, und

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Optikanordnung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Optikanordnung wird von einer Lichtquelle 2, beispielsweise einem Laser, ein fadenförmiges Lichtstrahlbündel 9 auf einen Halbspiegel 18 geworfen, der einen Teil des Lichtstrahlbündels 9 zu einer Lichtfalle 19 durchläßt, die ihn weitgehend absorbiert. Ein weiterer Teil des fadenförmigen Lichtstrahlbündels 9 wird von dem Halb­ spiegel 18 reflektiert und durch eine Feldlinse 10 auf ein Oberflächenelement P0 einer Oberfläche 8 eines zu untersuchen­ den Objekts 1 geleitet. Die Oberfläche 8 reflektiert den größ­ ten Teil des auftreffenden Lichtstrahlbündels durch eine Feld­ linse 11 hindurch zu einem Retroreflektor 7, der das Licht­ strahlbündel in der gleichen Richtung, jedoch aufgrund seiner nicht idealen Eigenschaften um einen kleinen Winkel aufgefä­ chert, wieder zurückwirft. Das nun aufgefächerte Strahlenbündel wird durch die Feldlinse 11 gebündelt, trifft aber aufgrund seines größeren Durchmessers in einem Bereich, dessen Rand in der Schnittebene der Fig. 1 zwischen den Oberflächenelementen P1 und P2 liegt, auf die Oberfläche 8. Von dieser wird es reflektiert, durch die Feldlinse 10 fokussiert, es durchdringt teilweise den Halbspiegel 18 und entwirft in der Blendenebene eines Objektivs 12 einer Objektivgruppe 12, 13 ein Abbild der Lichtquelle 2. Durch das Objektiv 12 entsteht, wie durch die Strahlen 4, 5 und 6 des Lichtstrahlbündels angedeutet, in der Blendenebene eines Objektivs 13 ein Abbild des Oberflächen­ bereichs zwischen den Punkten P1 und P2. Das Objektiv 13 ent­ wirft wiederum ein Bild der Lichtquelle 2 auf einem optischen Empfänger 3.

Die beiden Feldlinsen 10, 11 in der Optikanordnung haben die Aufgabe, für eine gleichmäßige Ausleuchtung des zu untersuchen­ den Objekts 1 und einen konstanten, von der Entfernung der Optikanordnung zum Objekt 1 unabhängigen Abbildungsmaßstab zu sorgen. Desweiteren entwerfen sie ein erstes Bild der Licht­ quelle 2 auf dem Retroreflektor 7. Lösungsvarianten mit nur einer der beiden Feldlinsen 10, 11, die dann eine entsprechend höhere Brechkraft haben muß, sind ebenfalls realisierbar. Allerdings geht dann der Vorteil eines konstanten Abbildungs­ maßstabes verloren.

Vorteilhaft für die erfindungsgemäße Optikanordnung ist die Aufnahme eines Abbildes der Lichtquelle 2 durch den optischen Empfänger 3, das durch die Oberflächenstruktur in charakteri­ stischer Weise verändert ist. Das Objektiv 12, dessen Blenden­ öffnung sich am Ort des zweiten Lichtquellenbildes befindet, hat die Aufgabe, ein Oberflächenbild am Ort der Blendenöffnung des Objektivs 13 zu entwerfen, das ein Abbild der Lichtquelle 2 auf dem optischen Empfänger 3 erzeugen soll. Um die aktive Fläche des optischen Empfängers 3 optimal zu nutzen, muß für das Objektiv 13 ein angepaßter Abbildungsmaßstab gewählt werden. Die Erzeugung eines Abbildes der Oberfläche 8 mit der erfindungsgemäßen Optikanordnung in der Blendenebene des Ob­ jektivs 13 bietet die Möglichkeit der optischen Signalaufbe­ reitung durch geeignete Transmissionsfunktionen der Blenden. Aber bereits ohne zusätzlich eingefügte Blende in der Blenden­ ebene des Objektivs 13 ergibt sich ein annähernd linearer Zu­ sammenhang zwischen dem Durchmesser des Lichtflecks auf dem optischen Empfänger 3 und der Krümmung der Oberfläche 8 des zu prüfenden Objekts 1. Mit einer Loch- oder Zentralblende in der Blendenebene des Objektivs 12 können Störeinflüsse durch Streu­ licht unterdrückt werden.

Fig. 2 zeigt noch einmal das Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 1, jedoch ist in der Blendenebene des Objektivs 13 eine Lochblende 17 angeordnet, die lediglich an der Stelle, auf welche das Oberflächenelement P1 abgebildet wird, geöffnet ist. Das Abbild der Lichtquelle 2 auf dem optischen Empfänger 3 entsteht daher ausschließlich aufgrund des Lichtstrahls 4, der durch diese Öffnung an der Blende 17 tritt. Streulicht, das aufgrund der Bestrahlung des Oberflächenelementes P0 mit dem fadenförmigen Lichtstrahlbündel 9 entsteht, wird durch die so ausgebildete Blende 17 vom optischen Empfänger 3 ferngehalten.

Fig. 3 zeigt am Beispiel einer konvexen Krümmung im Ober­ flächenbereich zwischen den Elementen P1 und P2 das der Optik­ anordnung zugrundeliegende Meßprinzip. Die Neigungsdifferenz der Oberflächenelemente P0 und P1 äußert sich in einem Versatz des Abbildes der Lichtquelle 2 auf dem optischen Empfänger 3 um den Betrag x. Eine konkave Krümmung der Oberfläche würde ent­ sprechend zu einem Versatz des Lichtquellenbildes in entgegen­ gesetzter Richtung führen. Bei nicht zu großer Krümmung der Oberfläche 8 besteht in erster Näherung zwischen der Neigungs­ differenz und diesem Versatz ein linearer Zusammenhang. Auch Neigungsdifferenzen senkrecht zur dargestellten Ebene verur­ sachen in entsprechender Weise einen Versatz des Abbildes senkrecht zur optischen Achse. Somit sind Neigungsänderungen in zwei Dimensionen erfaßbar.

Oberflächenprofile lassen sich also mit der erfindungsgemäßen Optikanordnung vermessen. Dabei ist es erforderlich, wie be­ reits beschrieben, die Oberfläche nur an einem Punkt P0 zu beleuchten und das reflektierte Licht an einem benachbarten Punkt P1 aufzunehmen. Um die Oberfläche abzutasten, können das fadenförmige Lichtstrahlbündel 9 und gleichzeitig auch das abbildende, aufgefächerte Lichtstrahlbündel linienförmig über die Oberfläche 8 geführt werden. Dies ist beispielsweise durch eine entsprechende Drehbewegung des Halbspiegels 18 möglich. Um die zweite Dimension für eine komplette Bildabtastung zu erhalten, ist eine Relativbewegung der Oberfläche, z. B. durch eine Transportbewegung des Prüfobjektes 1 oder eine Bewegung der Optikanordnung mit Hilfe einer Kinematik, senkrecht zur Abtastlinie erforderlich. Die Abtastlinie kann vorteilhaft senkrecht zur dargestellten Bildebene orientiert werden.

Bei einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann anstelle des Halbspiegels 18 ein sehr kleiner, vollreflek­ tierender Ablenkspiegel eingesetzt werden. Damit wäre die Lichtfalle 19 überflüssig. Dieser Ablenkspiegel muß dann aber so klein sein, daß ihn der vom Oberflächenelement P1 reflek­ tierte Lichtstrahl 4 passieren kann. Wird auf die Blende 17 verzichtet, so erlaubt dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung durch Auswertung des Abbildes der Lichtquelle 2 auf dem opti­ schen Empfänger 3 auch die Bewertung feinerer Oberflächen­ strukturen. In diesem Fall werden von einem ringförmigen Ober­ flächenbereich um den Punkt P0 der Oberfläche 8 reflektierte Lichtstrahlen zum optischen Empfänger 3 durchgelassen. Meh­ rere unterschiedlich geneigte Oberflächenelemente, die zur Ab­ bildung beitragen, bewirken eine entsprechende Anzahl gegen­ einander versetzter Lichtquellenbilder, die sich einander überlagern und im allgemeinen nicht mehr voneinander trennbar sind. In diesem Falle liefert die Helligkeitsverteilung auf dem optischen Empfänger 3 nur noch Mittelwerte der Neigungs­ differenzen von Oberflächenpunkten. Obwohl sich aus diesen Informationen kein exaktes Oberflächenprofil mehr ableiten läßt, ist es dennoch möglich, daraus Bewertungsgrößen für die Oberflächenstruktur, speziell die Welligkeit, abzuleiten. In einem weiteren Ausführungsbeispiel könnte dazu bei Verwendung des Halbspiegels 18 der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele eine ringförmige Zentralblende in der Blendenebene des Objek­ tivs 13 angeordnet werden, die beispielsweise für die Licht­ strahlen 4 und 6 durchlässig ist, den Lichtstrahl 5 jedoch ausfiltert. Ein vergleichbares Ergebnis kann auch erreicht werden, indem man die Oberfläche 8 mit einem linear aufge­ fächerten Laserstrahl 9 beaufschlagt und in der Blendenebene des Objektivs 13 eine streifenförmige Blende vorsieht, deren Öffnungsschlitz in geringem Abstand parallel zum Abbild des beaufschlagten Oberflächenstreifens verläuft. Dieses Ausfüh­ rungsbeispiel entspricht ebenfalls der Fig. 3, wenn man sich die Auffächerung des Laserstrahls senkrecht zur Darstellungs­ ebene vorstellt.

Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel ist besonders vor­ teilhaft für die Bewertung von Oberflächenstrukturen einsetz­ bar. Mit dem Licht einer Lichtquelle 23, die hier aus einer Punktlichtquelle 14 mit einer nachgeschalteten Kondensor- 15 und Projektionsoptik 16 besteht, wird hier nicht nur der Oberflächenpunkt P0, sondern der gesamte Oberflächenbereich zwischen den Punkten P1 und P2 mit Lichtstrahlen 20, 21 und 22 beleuchtet. Dieser Bereich wird bevorzugt größer gewählt als derjenige, den ein durch den Retroreflektor 7 aufgefächertes Lichtstrahlbündel als Reflexion eines fadenförmigen Licht­ strahls wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ab­ decken würde. In dieser Optikanordnung besteht die Möglichkeit, durch eine geeignete Rasterblende in der Blendenebene der Kon­ densoroptik 15 ein Raster auf die Oberfläche 8 zu projizieren und eine hierzu passende komplementäre Rasterblende in die Blendenebene des Objektivs 13 einzuführen. Beispiele hierfür wären ein projiziertes Punktraster auf der Oberfläche 8 in Kombination mit einer Rasterblende mit Ringöffnungen in der Blendenebene des Objektivs 13, wobei die Ringöffnungen die Bildpunkte umgeben, oder ein projiziertes Streifenraster und ein dazu parallel versetztes Streifenraster in der Blendenebene des Objektivs 13.

Die Erfindung ist ebenso bei der Untersuchung der Beschaf­ fenheit transparenter Objekte anwendbar. Hierzu müssen nur der Retroreflektor 7 und eventuell auch die Feldlinse 11 auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet werden. Der Strahlengang verläuft dann von der Lichtquelle 23 durch das zu unter­ suchende, transparente Objekt zum Retroreflektor 7, von dort wieder zu dem zu untersuchenden, transparenten Objekt und dem optischen Empfänger 3.

Claims (9)

1. Anordnung zur dreidimensionalen optischen Formerfassung der Oberflächenstruktur eines zu untersuchenden Objekts (1),

• - mit einer Lichtquelle (2), die das Objekt in einem vorge­ gebenen Winkel beleuchtet,
• - mit einem optischen Empfänger (3) mit nachgeschalteter elek­ tronischer Auswerteeinrichtung, mit der die vom Objekt (1) beeinflußten Lichtstrahlen (4, 5, 6) der Lichtquelle (2) erfaß- und auswertbar sind,
• - mit einem Retroreflektor (7), der im Strahlengang der Licht­ strahlen derart angeordnet ist, daß
• - bei der Untersuchung einer reflektierenden Oberfläche (8) des Objekts (1) die Lichtstrahlen (9) der Lichtquelle (2) von der Oberfläche (8) zum Retroreflektor (7), von diesem zurück zur Oberfläche (8) und von dort zum optischen Emp­ fänger (3) reflektiert werden, und
• - mit mindestens einer Feldlinse (10, 11), die im Strahlengang der Lichtstrahlen (4, 5, 6, 9) vor oder nach der reflektie­ renden Oberfläche (8) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß vor dem optischen Empfänger eine Objektivgruppe (12, 13) vorhanden ist, in deren Blendenebene ein Abbild der Ober­ fläche (8) entworfen wird und die auf dem optischen Empfänger (3) ein Bild der Lichtquelle (2) erzeugt.

2. Anordnung zur dreidimensionalen optischen Erfassung der Be­ schaffenheit eines zu untersuchenden, transparenten Objekts,

• - mit einer Lichtquelle (2), die das Objekt in einem vorge­ gebenen Winkel beleuchtet,
• - mit einem optischen Empfänger (3) mit nachgeschalteter elek­ tronischer Auswerteeinrichtung, mit der die vom Objekt (1) beeinflußten Lichtstrahlen (4, 5, 6) der Lichtquelle (2) erfaß- und auswertbar sind,
• - mit einem Retroreflektor (7), der im Strahlengang der Licht­ strahlen derart angeordnet ist, daß
• - bei der Untersuchung eines transparenten Objekts die Lichtstrahlen (9) der Lichtquelle (2) durch das Objekt zum Retroreflektor (7) gelangen, von diesem zurück zum Objekt reflektiert werden und von dort zum optischen Emp­ fänger (3) gelangen, und
• - mit mindestens einer Feldlinse (10, 11), die im Strahlengang der Lichtstrahlen (4, 5, 6, 9) vor oder nach dem transparen­ ten Objekt angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß vor dem optischen Empfänger eine Objektivgruppe (12, 13) vorhanden ist, in deren Blendenebene ein Abbild des Objekts entworfen wird und die auf dem optischen Empfänger (3) ein Bild der Lichtquelle (2) erzeugt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet,

• - daß die Lichtquelle (2) ein Laser ist, der ein fadenförmiges Lichtstrahlbündel (9) emittiert.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet,

• - daß die Lichtquelle (2) eine Punktlichtquelle (14) mit einer nachgeschalteten Kondensor- (15) und Projektionsoptik (16) ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß die Blende (17) in der Blendenebene des zweiten Objektivs (13) derart ausgebildet ist, daß sie das reflektierte Licht (5) der von der Lichtquelle (2) direkt beleuchteten Ober­ flächenbereiche (P0) ausfiltert.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß die Lichtquelle (2) eine Strahlablenkeinrichtung auf­ weist, derart, daß der Lichtstrahl (9, 20, 21, 22) die Oberfläche (8) linienförmig abtastet.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß sie relativ zum untersuchten Objekt (1) senkrecht zur Strahlablenkung beweglich ist.