DE4134747C2 - Lichtmeßanordnung zur Detektion von Oberflächendefekten - Google Patents

Lichtmeßanordnung zur Detektion von Oberflächendefekten

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Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtmeßanordnung zur Detektion von Oberflächendefekten (Kratzer, Risse, Punktdefekte usw.) gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Nach dem derzeitigen technischen Entwicklungsstand lassen sich Oberflächendefekte nur mittels aufwendiger Verfahren der Bildverarbeitung bei geringer Genauigkeit detektieren.
Aus der DE 30 37 622 A1 ist eine Einrichtung zur Bestimmung der Oberflächengüte streuend reflektierender Oberflächen bekannt, bei der eine Probe mit Licht beleuchtet und reflektierte und/oder gestreute Lichtanteile auf eine Detektorzeile oder ein Detektorarray geleitet werden. Die Auswertung der gewonnenen Signale erfolgt in einer Recheneinheit, die sehr leistungsfähig ausgebaut sein muß, um die anfallenden Datenmengen zu verarbeiten und um zu charakteristischen Größen zu kommen, die qualitative und quantitative Aussagen über den Zustand der Meßoberfläche liefern.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Probenoberfläche wesentlich genauer bei vergleichsweise geringen Kosten auf Defekte zu untersuchen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Lichtmeßanordnung besteht aus einer rotierenden Probenaufnahme mit Antriebsmotor und einer Sensoreinheit mit Antriebsmotor, bestehend aus Lichtquelle, Projektionsoptik und Sensorkopf.
Kernstück des Sensorkopfes sind zwei Halbleiterfotoempfänger, auf die das reflektierte Streulicht aufgeteilt wird: ein Mehrfachkreisringdetektor zur Detektion der radialen Verteilung des Streulichtes und ein kreisförmiges Array zur Detektion der azimutalen Verteilung des Streulichtes.
Der Mehrfachringdetektor ist aus einer Mehrzahl von kreisförmigen Detektorringen aufgebaut. Vorzugsweise besteht er aus kreisringförmigen Detektorelementen mit einem Außendurchmesser des größten Detektorringes von 10 mm.
Das kreisförmige Array ist aus einer Mehrzahl von kreisringförmig angeordneten Detektorelementen aufgebaut. Der Außendurchmesser der kreisringförmigen Anordnung ist vorzugsweise 2 mm.
Dieses Vorgehen weist eine völlig neue Qualität auf, da zum einen mit der Ringstruktur die über alle Azimute integrierte Streulichtverteilung und zum anderen die azimutale Verteilung bei einem Streuwinkel detektiert werden können, d. h. die Sensoren weisen bereits den Charakter von Signalvorverarbeitungseinheiten auf.
Die beiden Kennfunktionen - azimutal integrierte Streulichtverteilung und azimutale Verteilung in einem Schnitt -, welche zur Charakterisierung bestimmter Oberflächenmerkmale völlig ausreichend sind, stehen somit ohne weitere Rechenschritte sofort zur Verfügung.
Weitere Bestandteile der Sensoreinheit sind eine Laserquelle, zwei Strahlteiler zur Lenkung des Laserstrahles auf die Probe bzw. des reflektierten Streulichtes auf die beiden genannten Empfänger sowie eine Optik zur Strahlformung. Alle Bestandteile der Sensoreinheit sind vorzugsweise starr miteinander verbunden.
Die Sensoreinheit ist gegenüber der rotierenden Probenaufnahme linear verschieblich über deren Radius angeordnet. Eine definierte lineare Verschiebung der Sensoreinheit wird durch Ankupplung an einen Linearmotor realisiert.
Durch gleichzeitige Drehbewegung des Probentisches und lineare Bewegung der Sensoreinheit werden die Punkte der Probenoberfläche mit dem Laserstrahl nacheinander abgetastet (Plattenspielerprinzip).
Die gesamte Oberfläche der Materialprobe wird mit einem Lichtfleck abgerastert und es werden jeweils die radialen und azimutalen Intensitätsverteilungen des von jedem Lichtfleck ausgehenden Streulichtes ermittelt und ausgewertet.
Es zeigen:
Fig. 1 Lichtmeßanordnung zur Detektion von Oberflächendefekten
Fig. 2 Schnitte durch den Ringdetektor und das kreisförmige Array.
Die Lichtmeßanordnung besteht aus einer Sensoreinheit 1 und einer Probenaufnahme 2 mit Antriebsmotor 3. Die Probenaufnahme nimmt den auf Oberflächendefekte zu untersuchenden Prüfling 10 auf. Das Kernstück der Sensoreinheit 1 ist ein Sensorkopf 13. Der Sensorkopf 13 besteht aus zwei um 90° versetzten Halbleiter-Fotoempfängern (4, 5), wobei der erste Empfänger 4 als Mehrfachringdetektor und der zweite Empfänger 5 als ringförmiges Array ausgeführt ist, vor denen ein Strahlteiler 14 angeordnet ist, um das reflektierte Streulicht auf die beiden Empfänger (4, 5) aufzuteilen.
Ihre Strukturen gehen in Fig. 2 aus dem Schnitt A-A als Mehrfachringdetektor und aus dem Schnitt B-B als ringförmiges Array hervor.
Die beiden Strahlteiler 8 und 14 lenken das von der Probenoberfläche reflektierte Streulicht auf die beiden Empfänger 4 und 5. Mit Hilfe des als Mehrfachringdetektor ausgebildeten Empfängers 4 wird die radiale Intensitätsverteilung des Streulichtes detektiert, während mit dem als ringförmiges Array ausgeführten Empfänger 5 die azimutale Verteilung detektiert wird.
Der Mehrfachringdetektor ist aus einer Mehrzahl von kreisförmigen Detektorringen aufgebaut, vorzugsweise aus 15 kreisförmigen Detektorringen 11 mit einem Außendurchmesser des größten Detektorringes von 10 mm.
Das ringförmige Array ist aus einer Mehrzahl von kreisringförmig angeordneten Detektorelementen 12 aufgebaut, vorzugsweise aus 35 Detektorelementen 12 mit einem Außendurchmesser der kreisringförmigen Anordnung von 2 mm. Die gesamte Sensoreinheit 1 ist gegenüber der rotierenden Probenaufnahme 2 linear verschieblich über den Radius derselben angeordnet.
Eine definierte lineare Bewegung der Sensoreinheit wird durch Ankopplung an einen Linearmotor 9 realisiert. Durch gleichzeitige Drehbewegung der Probenaufnahme 2 und lineare Bewegung der Sensoreinheit 1 werden die einzelnen Punkte der Oberfläche nacheinander mit dem Laserstrahl abgetastet.
Zur Strahlerzeugung dient die Laserquelle 6, deren Licht über den ersten Strahlteiler 8 auf die Oberfläche des Prüflings 10 gelangt. Zur Strahlformung wird eine bekannte Optik 7 eingesetzt.

Claims (3)

1. Lichtmeßanordnung zur Detektion von Oberflächendefekten, bestehend aus einer Laserquelle (6), einer drehbaren Probenaufnahme (2) mit Antriebsmotor (3) zur Aufnahme des Prüflings (10) und einer in der Ebene verschiebbaren Sensoreinheit (1) mit einer Einrichtung zur Strahlformung (7) und einer Einrichtung zur Strahlteilung (8) des Laserstrahles auf den Prüfling (10) und des reflektierten Streulichts auf einen Sensorkopf (13), der aus zwei versetzt angeordneten Empfängern (4, 5) aufgebaut ist, wobei
  • - der erste Empfänger (4) als Mehrfachringdetektor zur Detektion der radialen Lichtverteilung und
  • - der zweite Empfänger (5) als ringförmiges Array zur Detektion der azimutalen Verteilung ausgeführt ist und
  • - vor den beiden Empfängern (4, 5) ein zweiter Strahlteiler (14) angeordnet ist, mit dem das reflektierte Streulicht auf die Empfänger (4, 5) aufteilbar ist.
2. Lichtmeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrfachringdetektor aus einer Mehrzahl von kreisförmigen Detektorringen (11) aufgebaut ist.
3. Lichtmeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Array aus einer Mehrzahl von kreisringförmig angeordneten Detektorelementen (12) aufgebaut ist.
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