DE4015476C2 - Anordnung zur dreidimensionalen optischen Formerfassung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur dreidimensionalen optischen Formerfassung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs l bzw. 2. Solche Anordnungen sind aus dem Aufsatz "Ein neues inkohärentes Schlierenverfahren mit Retroreflektor" von H. Marguerre, veröffentlicht in der Zeitschrift "Optik" 71 (1985), H. 3, Seiten 105 bis 112, bekannt.

Die DE 38 38 954 A1 ist eine ältere Anmeldung, die eine Optikanordnung zur dreidimensionalen Formerfassung betrifft.

Aus der US 43 10 242 ist eine Anordnung bekannt, die zur Er­ fassung von Störungen in transparenten Objekten, nämlich Windschutzscheiben, dient. Dabei wird ein Retroreflektor ver­ wendet.

Eine weitere Anordnung zur dreidimensionalen Formerfassung ist aus der WO 86/05588 bekannt.

Aus der EP 0 169 444 A2 ist eine Rauheitssonde bekannt.

Aus der DE 37 17 274 A1 ist eine optische Fehlerinspektions­ vorrichtung bekannt.

Aus der DE 34 06 066 A1 ist eine Anordnung zur optischen Er­ fassung räumlicher Unebenheiten in der Struktur eines zu un­ tersuchenden Objekts bekannt.

Aus der US 38 92 494 ist eine Vorrichtung zum Nachweis opti­ scher Mikrodefekte mit einem fokussierten, retroreflektierten Abtaststrahl bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Optikanordnun­ gen zur dreidimensionalen optischen Formerfassung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 derart weiterzubilden, daß die Vermessung von Oberflächenprofilen und die Bewertung von Oberflächenstrukturen unabhängig von der absoluten Ober­ flächenneigung möglich wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe weisen die Optikanordnungen 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 Weiter­ bildungen der Erfindung angegeben.

Wesentliche Vorteile der erfindungsgemäßen Optikanordnungen mit zwei Objektiven vor dem optischen Empfänger sind die weitgehende Unempfindlichkeit der Messungen und Bewertungen von der absoluten Oberflächenneigung des zu untersuchenden Objekts. Gemäß dem Anspruch 5 besteht die Möglichkeit der op­ tischen Signalaufbereitung durch geeignete Transmissions­ funktionen der Blende. 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 opti­ schen Empfänger entstehen. Die Optikanordnung erfordert keine allzu kleinen Distanzen zur Oberfläche des zu untersuchenden Objekts und ist daher auch in der industriellen Serienprüfung ohne Gefährdung der Prüfobjekte durch Kollision sinnvoll ein­ zusetzen.

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

Es zeigen

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 Ober­ fläche, von welcher ein konvex gekrümmter Bereich abgetastet wird, und

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen Optikanordnung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Optikanordnung wird von einer Lichtquelle 2, beispielsweise einem Laser, ein paralle­ les Lichtstrahlbündel 9 mit kleinem, rundem Querschnitt auf einen Halbspiegel 18 geworfen, der einen Teil des Licht­ strahlbündels 9 zu einer Lichtfalle 19 durchläßt, die ihn weitgehend absorbiert. Ein weiterer Teil des Lichtstrahl­ bündels 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 (8)

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

• - mit einer Lichtquelle (2), die das Objekt (1) in einem vorgegebenen Winkel beleuchtet,
• - mit einem optischen Empfänger (3) mit nachgeschalteter elektronischer Auswerteeinrichtung, mit der die vom Objekt (1) beeinflußten Lichtstrahlen (4, 5, 6) der Lichtquelle (2) erfaß- und auswertbar sind,
• - mit mindestens einem ersten Objektiv (12), in dessen Blendenebene ein Bild der Lichtquelle (2) entworfen wird, vor dem optischen Empfänger (3),
• - mit einem im Strahlengang zwischen Objekt (1) und opti­ schem Empfänger (3) angeordneten Retroreflektor (7), der das vom Objekt (1) kommende Licht auf das Objekt (1) zu­ rückreflektiert, und
• - mit mindestens einer im Strahlengang der Lichtstrahlen (4, 5, 6, 9) vor oder nach der reflektierenden Oberfläche (8) des Objekts (1) angeordneten Feldlinse (10, 11),

dadurch gekennzeichnet,

• - daß vor dem optischen Empfänger (3) ein zweites Objektiv (13) vorhanden ist, in dessen Blendenebene ein Abbild der Oberfläche (8) entworfen wird und das auf dem optischen Empfänger (3) ein Bild der Lichtquelle (2) erzeugt.

2. Anordnung zur dreidimensionalen optischen Erfassung der Beschaffenheit eines zu untersuchenden transparenten Objekts (1),

• - mit einer Lichtquelle (2), die das Objekt (1) in einem vorgegebenen Winkel beleuchtet,
• - mit einem optischen Empfänger (3) mit nachgeschalteter elektronischer Auswerteeinrichtung, mit der die vom Objekt (1) beeinflußten Lichtstrahlen (4, 5, 6) der Lichtquelle (2) erfaß- und auswertbar sind,
• - mit mindestens einem ersten Objektiv (12), in dessen Blendenebene ein Bild der Lichtquelle (2) entworfen wird, vor dem optischen Empfänger (3)
• - mit einem im Strahlengang zwischen Objekt (1) und opti­ schem Empfänger (3) angeordneten Retroreflektor (7), der das vom Objekt (1) kommende Licht auf das Objekt (1) zu­ rückreflektiert, und
• - mit mindestens einer im Strahlengang der Lichtstrahlen (4, 5, 6, 9) vor oder nach dem transparenten Objekt (1) ange­ ordneten Feldlinse (10, 11),

dadurch gekennzeichnet,

• - daß vor dem optischen Empfänger (3) ein zweites Objektiv (13) vorhanden ist, in dessen Blendenebene ein Abbild des Objekts (1) entworfen wird und das auf dem optischen Emp­ fänger (3) ein Bild der Lichtquelle (2) erzeugt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß die Lichtquelle (2) ein Laser ist, der ein paralleles Lichtstrahlbündel (9) mit kleinem, rundem Querschnitt emittiert.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet,

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

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

• - daß eine Blende (17) in der Blendenebene des zweiten Ob­ jektivs (13) derart ausgebildet ist, daß sie das reflek­ tierte Licht (5) der von der Lichtquelle (2) direkt be­ leuchteten Oberflächenbereiche (P0) des Objekts (1) aus­ filtert.

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) des Objekts (1) linienförmig abtastet.