DE69224066T2 - Sonde zur Oberflächenmessung - Google Patents

Sonde zur Oberflächenmessung

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DE69224066T2
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/303Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces using photoelectric detection means

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchführen von Messungen zum Feststellen der Form, des Profils oder der Beschaffenheit einer Oberfläche.
  • Traditionellerweise wurde die Vermessung der Form einer Oberfläche mit Hilfe von mechanischen Sensoren oder Sonden durchgeführt, die die zu untersuchende Oberfläche berühren, und die, obwohl sie exakte Resultate liefern, an sich langsam im Betrieb und hinsichtlich der räumlichen Auflösung begrenzt sind. Es gab daher verschiedene Vorschläge und Versuche optische Sensoren bei der Vermessung einer Oberflächenform zu verwenden, da diese im allgemeinen höhere Betriebsgeschwindigkeiten als mechanische Sonden erreichen können und darüber hinaus keinen mechanischen Kontakt zur Oberfläche herstellen, wodurch sowohl die Sonde als auch die Oberfläche vor möglichen Beschädigungen oder Verformungen geschützt sind. Optische Sonden (inklusive Lichtleitfasersonden) werden jedoch nicht oft verwendet, hauptsächlich weil die Leistung der meisten dieser Sonden bekannter Ausführungen durch Veränderungen des Reflexionsvermögens, der Streueigenschaften und der Oberflächenbeschaffenheitsmerkmale der zu untersuchenden Oberfläche stark beeinträchtigt werden. Dies schränkt den Anwendungsbereich derartiger Sonden erheblich ein: Typischerweise treten Probleme bei dem Versuch auf, optische Sonden bei der Vermessung von Oberflächen einzusetzen, die mattschwarz oder stark poliert sind oder bei Materialien wie Perspex oder Nylon.
  • Ein Vorschlag, der dazu dienen soll, eine optische Sonde bereitzustellen, die relativ unempfindlich auf die Reflexionsvermögensmerkmale und den Beleuchtungsgrad einer zu beobachtenden Oberfläche reagiert, ist in der Beschreibung des internationalen Patents WO 90/15306 offenbart. Wie dort offenbart, umfaßt eine Sonde zum Messen des Abstands einer derartigen Oberfläche zu einer Endfläche der Sonde ein Bündel von beleuchtenden Lichtleitfasern, deren Enden im Zentrum der Sondenendfläche freiliegen, sowie zwei Bündel von Lichtaufnahmefasern, deren Enden in entsprechenden inneren und äußeren Ringen freiliegen, die das zentrale Faserbündel an der Sondenendfläche umgeben. Licht, das etwas divergent vom zentralen Faserbündel abgestrahlt wird, beleuchtet die Oberfläche über einen Bereich, dessen Größe vom Abstand der Oberfläche zur Sonde abhängt. Reflektiertes Licht, das von jedem der Ringe von Lichtaufnahmefasern aufgenommen wird, ist von der Größe des beleuchteten Bereichs der Oberfläche abhängig und somit von seinem Abstand zur Sondenendfläche, wobei ein Vergleich der Lichtmengen, die von den zwei Ringen aufgenommen werden, es ermöglicht, diesen Abstand zu bestimmen.
  • US-A-4 674 882 offenbart, ein Verschiebungsmeßgerät, das einen Lichtleitsensor aufweist, der in Richtung der Sondenachse zur Zielfläche hin und von ihr weg schwingt.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine Lichtleitfasersonde oder eine vergleichbare optische Sonde zur Durchführung von Messungen zum Feststellen der Form, des Profils oder der Beschaffenheit einer Oberfläche umfaßt und deren Leistung in großem Maße unabhängig von dem Reflexionsvermögen einer derartigen Oberfläche ist.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Oberflächenmeßvorrichtung bereitgestellt, umfassend eine Sonde und Einrichtungen zum Bewegen der Sonde zu einer zu untersuchenden Oberfläche hin und von ihr weg sowie zur Überwachung einer derartigen Bewegung, wobei die Sonde umfaßt: Beleuchtungseinrichtungen zum Beleuchten eines Bereiches der zu untersuchenden Oberfläche; eine Mehrzahl von nahe zueinander beabstandeten Lichtaufnahmeelementen, die in einer Lichtaufnahmeebene angeordnet sind, und eine Linseneinrichtung, die so angeordnet ist, daß an einer relativ zur Oberfläche bewegbaren Bildebene durch Bewegung der Sonde ein scharf fokussiertes Bild der Lichtaufnahmeelemente erzeugt wird, Beleuchtungseinrichtungen, die so angeordnet sind, daß die Linseneinrichtung ein beleuchtetes Punktbild der Beleuchtungseinrichtungen in der Bildebene formt, das mit dem Bild in der Bildebene eines der Lichtaufnahmeelemente zusammentrifft, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Messen des Einfalls des von einer zu untersuchenden Oberfläche reflektierten Lichts an einem der Lichtaufnahmeelemente und an den umgebenden dieser Elemente, und Einrichtungen zum Vergleichen des an dem einen der Lichtaufnahmeelemente gemessenen Lichteinfalls mit dem an den umgebenden Elementen gemessenen Lichteinfall.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel einer derartigen Vorrichtung umfaßt die Sonde ein Bündel von, beispielsweise sieben, Lichtleitfasern, wobei ein Ende jeder Lichtleitfaser an einer Endebene des Bündels freiliegt und ein entsprechendes der Lichtaufnahmeelemente darstellt, wobei die Fasern an ihren anderen Enden mit Photodioden oder anderen Photodetektoreinrichtungen zum Messen des Lichteinfalls an den freiliegenden Enden der Fasern verbunden sind. Die Faser, deren eines Ende das eine der Lichtaufnahmeelemente darstellt, kann sowohl mit der entsprechenden Photodetektoreinrichtung als auch mit einer Beleuchtungsquelle, die eine Laserdiode sein kann, verbunden sein, wobei das eine Ende der Faser ebenfalls die Beleuchtungseinrichtung darstellt. Alternativ kann zwischen der Linseneinrichtung und der Lichtaufnahmeebene, in der die Lichtaufnahmeelemente angeordnet sind, ein Strahlteiler angeordnet sein, der es ermöglicht, daß die Beleuchtungseinrichtung physisch getrennt angeordnet ist, die beispielsweise durch eine Lichtleitfaser gebildet wird, deren eines Ende mit der Laserdiode verbunden ist und deren anderes Ende so angeordnet ist, daß ihr Bild das des einen der Lichtaufnahmeelemente im Strahlteiler überlagert.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Lichtaufnahmeelemente einzelne Detektorzellen, die in der Detektoranordnung einer Feststoffkamera zusammengefaßt sind. Die Detektorzellen einer derartigen Anordnung können in Gruppen organisiert sein, die jeweils eine zentrale Zelle und eine Mehrzahl von umgebenden Zellen umfassen, wobei die Beleuchtungseinrichtung ein Schirm mit geeignet angeordneten, von hinten beleuchteten Öffnungen sein kann und in bezug auf einen Strahlteiler, der zwischen der Detektoranordnung und der Linseneinrichtung angeordnet ist, so positioniert ist, daß die Bilder der beleuchteten Öffnungen in dem Strahlteiler mit den zentralen Zellen der entsprechenden Gruppen zusammentreffen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Vermessen der Form einer Oberfläche unter Verwendung einer Sonde bereitgestellt, die eine Linseneinrichtung und eine Mehrzahl von nahe zueinander beabstandeten, in einer Lichtaufnahmeebene angeordneten Lichtaufnahmeelementen aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Anordnen der Linseneinrichtung zum Erzeugen eines scharf fokussierten Bildes der Lichtaufnahmeelemente an einer Bildebene, die relativ zur Oberfläche durch Bewegung der Sonde bewegbar ist, und Formen, mittels der Linse, eines beleuchteten Punktbildes in einer Bildebene, das mit dem Bild in der Bildebene eines der Lichtaufnahmeelemente zusammentrifft, gekennzeichnet durch das Messen des Einfalls des von der Oberfläche reflektierten Lichts an dem einen der Lichtaufnahmeelemente und an den umgebenden dieser Elemente, und das Vergleichen des an dem einen der Lichtaufnahmeelemente gemessenen Lichteinfalls mit dem an den umgebenden dieser Elemente gemessenen Lichteinfall.
  • Die Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele derselben unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen besser verständlich, wobei:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Sonde der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, die oberhalb einer Oberfläche angeordnet ist, deren Form oder Profil mit Hilfe der Vorrichtung vermessen werden soll;
  • Fig. 2 eine Endansicht eines Bündels von Lichtleitfasern in vergrößertem Maßstab ist, das in der in Figur 1 gezeigten Sonde enthalten ist;
  • Fig. 3 ein Strahlendiagramm ist, das sich auf die Formung optischer Bilder durch die in Figur 1 gezeigte Sonde bezieht;
  • Fig. 4 Kurven zeigt, die sich auf die Lichtverteilung am Ende eines Bündels von Lichtleitfasern beziehen, das in der in Figur 1 gezeigten Sonde enthalten ist;
  • Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung ist, die eine Sonde umfaßt, die der in Figur 1 gezeigten ähnlich ist, jedoch Abwandlungen aufweist, und
  • Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, die eine Sonde aufweist, die anstelle von Lichtleitfasern mit zugeordneten Detektoreinrichtungen eine Feststoffkamera-Detektoranordnung mit einer großen Anzahl von einzelnen Detektorzellen umfaßt.
  • Die schematisch in Figur 1 gezeigte optische Sonde, die allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet wird, umfaßt ein mechanisches Gehäuse 11 mit einer Vorderwand, in der eine Linseneinrichtung 12 angeordnet ist, die, wie dargestellt, aus einem Linsenpaar 12a und 12b besteht, obgleich diese effektiv als einzelne Linse betrachtet werden können. Ebenfalls in dem Gehäuse 11 angeordnet, und zwar koaxial mit der Linseneinheit 12, ist ein Ende eines Lichtleitfaserbündels 13, das im wesentlichen, wie in Figur 2 gezeigt, aus einer zentralen, im Schnitt kreisförmigen Faser 14 und sechs äußeren, im Schnitt kreisförmigen Fasern 15 besteht, die in einer gleichmäßigen hexagonalen Anordnung um die Faser 14 befestigt sind, wobei alle Fasern den gleichen Durchmesser, von beispielsweise 0,5 mm, aufweisen. Die Fasern, die an einer Endfläche 13' des Bündels 13 freiliegen, wie in Figur 2 gezeigt, können Eska-Polymerfasern und in einer Masse 16 aus Leim oder Zement eingebettet sein, und zwar innerhalb eines umgebenden Eisenrings 17, mit Hilfe dessen die Endfläche 13' in bezug auf die Linseneinheit 12 eindeutig positioniert werden kann.
  • In dem Gehäuse 11, und zwar zwischen der Linseneinheit 12 und der Endfläche 13' des Faserbündels, ist ein Strahlteiler 18 angeordnet, wobei eine weitere optische Faser 19 so im Gehäuse angeordnet ist, daß ein Bild ihrer Endfläche 19' an der Strahlteilungsoberfläche 18' des Strahlteilers 18 mit der Endfläche der Faser 14 an der Endfläche 13' des Faserbündels 13 zusammentrifft.
  • Die Faser 19 ist an ihrem von ihrer Endfläche 19' entfernten Ende mit einer Beleuchtungsquelle verbunden, die eine Laserdiode 20 sein kann, wobei Licht von dieser Quelle, das an der Faserendfläche 191 austritt, in dem Strahlteiler 18 reflektiert wird und durch die Linseneinheit 12 tritt, als ob es von der Faser 14 ausgestrahlt worden wäre, um einen Beleuchtungspunkt auf einer zu untersuchenden Oberfläche 21 bereitzustellen. Licht von dem Beleuchtungspunkt, das wiederum durch die Linseneinheit 12 und durch den Strahlteiler 18 tritt, fällt auf die Endfläche 13' des Bündels 13 und tritt im allgemeinen (wie nachfolgend erläutert wird) sowohl in die zentrale Faser 14 des Bündels als auch in die äußeren Fasern 15 ein. Zum Erfassen dieses Lichts ist die Faser 14 an ihrem von der Endfläche 13' entfernten Ende mit einem Photodetektor 22 verbunden, wobei die Fasern 15 auf ähnliche Weise mit einem Photodetektor 23 verbunden sind.
  • Die Faser 19 und der Strahlteiler 18 ermöglichen es, daß Licht so in das System eingebracht wird, als ob es von der Faser 14 käme, wobei bei einer alternativen, jedoch äquivalenten Anordnung die Laserdiode 20 tatsächlich mit der Faser 14 verbunden sein kann, die dann sowohl zum Einbringen von Licht in das System als auch zum Wiederaufnehmen von Licht dient. Bei dieser Alternative werden der Strahlteiler 18 und die Faser 19 weggelassen. Es ist dann notwendig, auf bekannte Weise, eine Kopplungseinrichtung bereitzustellen, mittels der die Faser 14 sowohl mit der Laserdiode 20 als auch mit dem Photodetektor 22 verbunden wird, wobei das Weglassen des Strahlteilers bedeutet, daß diese Abwandlung in der Praxis beträchtliche Vorteile aufweist, da die Sonde wesentlich kleiner und kostengünstiger hergestellt werden kann.
  • Das optische Verhalten der in der Figur 1 gezeigten Sonde kann durch Bezugnahme zunächst auf Figur 3 erläutert werden, in der die Linseneinheit 12 durch eine dünne Linse mit einer Brennweite f in der Ebene LL und mit den Brennpunkten F und F' dargestellt ist, wobei O ein Gegenstand an der Endebene 13' des Faserbündels 13 ist. Wenn der Gegenstandsabstand des Gegenstands O So beträgt, formt die Linse bei einem Bildabstand S&sub1; ein Bild I&sub1;, wobei
  • 1/S&sub1; = 1/So + 1/f. ... (1)
  • Nehmen wir an, daß die Oberfläche 21 durch einen Abstand x weiter von der Linsenebene LL entfernt als das Bild I&sub1; und die Oberfläche 21 spiegelnd ist, dann wird Licht, das durch die Linse fokussiert wird, um das Bild I&sub1; zu formen, durch die Oberfläche 21 reflektiert und tritt wieder in die Linse ein, als ob es von einem virtuellen Bild I' des Bildes I&sub1; ausgestrahlt worden wäre, wobei sich das Bild I' unter einem Abstand S&sub1; + 2x von der Linse befindet. Die Linse bildet ein weiteres Bild I&sub2; des Bildes I', wobei sich das Bild I&sub2; unter einem Abstand S&sub2; von der Linse befindet, wobei
  • 1/S&sub2; = 1/(S&sub1; + 2x) - 1/f ... (2)
  • und sich somit unter einem Abstand xo von der Endebene 13' des Faserbündels 13 befindet, wobei
  • xo = So - S&sub2;. ... (3)
  • Eine Substitution der Ausdrücke für So und S&sub2; in Gleichung (3), abgeleitet von den Gleichungen (1) und (2), ergibt:
  • xo = 2xf²/(S&sub1; - f).(S&sub1; + 2x - f). ... (4)
  • Wenn ho, h&sub1; und h&sub2; die Höhen des Gegenstands O und des Bildes I&sub1; (und I') bzw. I&sub2; sind, dann:
  • h&sub1;/(S&sub1; - f) = ho/f
  • und h&sub2;/(S&sub2; = h&sub1;/(S&sub1; + 2x)
  • woraus folgt h&sub2; = ho(S&sub1; - f)S&sub2;/f(S&sub1; + 2x)
  • oder, wenn S&sub2; substituiert wird, lautet der Ausdruck, der von der obigen Gleichung (2) abgeleitet werden kann:
  • h&sub2; = ho(S&sub1; - f)/(S&sub1; + 2x - f). ... (5)
  • Es ist ersichtlich, daß die Gleichungen (4) und (5) beide die Position und Größe des Bildes 12 im Hinblick auf x definieren und somit die Position der Oberfläche 21 in bezug auf die Sonde 10, da f und So (und daher auch S&sub1;) feste Werte sind. Es ist ebenfalls ersichtlich, daß, wenn die Sonde 10 so angeordnet ist, daß das Bild I&sub1; tatsächlich auf der Oberfläche 21 fokussiert ist, x = 0, mit dem Ergebnis, daß xo = 0 und h&sub2; = ho, was bedeutet, daß das Bild 12 an der Endebene 13' des Faserbündels 13 geformt wird und mit dem Gegenstand, von dem es ein Abbild ist, zusammentrifft. Daher wird, wenn die Sonde so angeordnet ist, daß Licht, das von der zentralen Faser 14 eingebracht wird (oder gleichwertig von Faser 19, wie in Figur 1 gezeigt) zu einem Bild I&sub1; auf der Oberfläche 21 fokussiert wird (d.h. x = 0), das Licht, das durch die Linse zurück reflektiert wird, um das Bild I&sub2; zu formen, an der Endebene 13' des Faserbündels 13 vollständig am Ende der Faser 14 fokussiert und es fällt kein reflektiertes Licht auf die Enden der äußeren Fasern 15.
  • Wenn die Sonde relativ zur Oberfläche 21 bewegt wird, so daß x = 0 nicht mehr gegeben ist, ist das Bild 12 nicht mehr an der Ebene 13' fokussiert, wobei ein Teil des Lichts, das dieses Bild formt, nun auf die Ebene außerhalb des Bereichs des ursprünglichen Gegenstands 0 fällt. Dadurch fällt, wie in Figur 3 gezeigt, am Pfeilpunkt des Bildes I&sub2; fokussiertes Licht auf die Ebene 13', und zwar in einen Bereich 24, wo es ein unscharfes Bild des Pfeilpunktes formt, und zwar unter einem größeren Abstand von der Achse als der entsprechende Pfeilpunkt des ursprünglichen Gegenstands O. Somit wird ein Teil des Lichts von der Faser 14 (oder 19), wenn sich die Oberfläche 21 nicht in der Position befindet, in der das Bild I&sub1; geformt wird, nicht zur zentralen Faser 14 zurückgeführt, sondern zu den äußeren Fasern 15. Dieser Effekt ist in Figur 4 gezeigt, wobei die Kurve 25 zeigt, daß die Intensität des Lichts, das von der Faser 14 aufgenommen und durch den Sensor 22 erfaßt wird, am höchsten ist, wenn x = 0, und abfällt, wenn die Sonde 10 aus dieser Position zur Oberfläche 21 hin oder von ihr weg bewegt wird, wobei sich Licht, wie durch die Kurve 26 gezeigt, das auf die äußeren Fasern 15 fällt und durch den Sensor 23 erfaßt wird, bei x = 0 auf einem Minimum befindet (Null, in Abwesenheit einer diffusen Streuung) und auf jeder Seite der x = 0 Position auf ein Maximum steigt, bevor es bei höheren positiven und negativen Werten von x wieder abfällt.
  • Die obigen Gleichungen (4) und (5) wurden auf der Basis der Annahme abgeleitet, daß die Oberfläche 21 eine spiegelnd reflektierende Oberfläche ist. Wenn die Oberfläche 21 nur diffus reflektiert, ist das Bild I&sub2; nicht das durch die Linseneinheit 12 geformte Bild des virtuellen Bildes I', sondern das eines unscharfen Bildbeleuchtungsfleckens der Oberfläche 21 selbst (bei einem Gegenstandsabstand von (S&sub1; + x) anstelle von (S&sub1; + 2x) des Bildes I'. In diesem Fall gelten die Gleichungen (4) und (5) nicht mehr, wobei die entsprechenden Ausdrücke für xo und h&sub2;, der Position und Höhe des Bildes I&sub2;, im Hinblick auf x, wodurch die Position der Oberfläche 21 definiert wird, jedoch erhältlich sind, daher:
  • xo = xf²/(S&sub1; - f).(S&sub1; + x - f) ... (6)
  • und h&sub2; = {A.F.x + hoS&sub1;(S&sub1; - f)}/S&sub1;(S&sub1; + x - f) ... (7)
  • wobei A die Öffnung der Linseneinheit 12 ist. Es ist ersichtlich, daß auch in diesem Fall xo = 0 und h&sub2; = ho, wenn x = 0, so daß von der zentralen Faser 14 abgestrahltes Licht wiederum nur an dieser Faser ein Bild formt und nicht an den Fasern 15, wenn die Oberfläche 21 so angeordnet ist, daß das Bild I&sub1; scharf auf ihr fokussiert ist. Bei Werten von x, die nicht Null betragen, ist die Situation wiederum wie durch die Kurven 25 und 26 aus Figur 4 dargestellt, wobei das gleiche für Oberflächen 21 gilt, die als zwischen spiegelnd und diffus reflektierend liegend betrachtet werden.
  • Wie in Figur 4 gezeigt, überschneiden sich die Kurven 25 und 26 an zwei Punkten P&sub1; und P&sub2;, die zwei Positionen der Sonde 10 bei unterschiedlichen Abständen von der Oberfläche 21 entsprechen, an denen Licht, das in die Faser 14 eintritt und durch den Photodetektor 22 ermittelt wird, dem Licht entspricht, das in die Fasern 15 eintritt und durch den Photodetektor 23 ermittelt wird. Ein Vergleich der Ausgangssignale der Photodetektoren 22 und 23 ermöglicht die Ableitung eines Differenz- oder Fehlersignals, das dann dazu verwendet werden kann, einen Motor zu steuern, der dafür ausgelegt ist, die Sonde zur Oberfläche 21 hin oder von ihr weg zu bewegen und sie unter einem konstanten Abstand, entsprechend einem bestimmten Wert von x, zu halten. Wenn dann eine weitere Antriebseinrichtung bereitgestellt wird, um die Sonde entlang der Oberfläche 21 zu bewegen, kann das Oberflächenprofil entlang einer Linie auf der Oberfläche durch Messen der Bewegungen der Sonde in der Richtung zur Oberfläche hin oder von ihr weg automatisch abgetastet werden, während die Sonde in der Richtung quer über die Oberfläche angetrieben wird.
  • Bei einer anderen Betriebsweise kann die Sonde wiederholt zur Oberfläche hin und von ihr weg zu beabstandeten Punkten derselben bewegt werden. Bei dieser Betriebsweise sind, bei jeder Annäherung der Sonde an die Oberfläche, die zwei Ausgangssignale der Detektoren 22 und 23 zunächst gleich, wenn Punkt P&sub2; erreicht wird, wobei dies entweder als Maß für die Position der Oberfläche verwendet werden kann, oder dazu, den Beginn einer verringerten Annäherungsgeschwindigkeit auszulösen, so daß der Punkt P&sub1;, an dem die Detektorausgangssignale wiederum gleich sind, mit einer niedrigen Geschwindigkeit erreicht wird und somit als Maß für die Oberflächenposition mit erhöhter Genauigkeit ermittelt werden kann.
  • Die Verwendung der erfindungsgemäßen Sonde auf jede dieser Weisen oder auch auf andere ebenfalls mögliche Weisen, ist durch den Grad des Reflexionsvermögens und der Absorptionsfähigkeit der zu vermessenden Oberfläche relativ unbeeinflußt, da diese Qualitäten die Menge des in die zentrale und äußeren Fasern 14 bzw. 15 reflektierten Lichts beinahe gleich beeinflussen, wobei nur das Verhältnis zwischen diesen Mengen von Bedeutung ist. Obwohl P&sub1; und P&sub2; als die Punkte bezeichnet wurden, an denen die Photodetektoren 22 und 23 gleiche Ausgangssignale haben, werden diese Ausgangssignale für gewöhnlich nach Verstärkung verglichen, wobei sie, sofern gewünscht, durch unterschiedlich gewählte Verstärkungsfaktoren verstärkt werden können, um so effektiv die Abschnitte der zwei Kurven 25 und 26 auswählen zu können, an denen sie einander überschneiden. Dadurch ist es möglich, diejenigen Abschnitte der Kurve auszuwählen, die den größten Gradienten haben, wodurch eine hohe Sensibilität erreicht wird.
  • Die relativen Formen der Kurven 25 und 26 und insbesondere des Abstands der zwei Maxima der Kurve 26 voneinander in der x-Richtung hängen bis zu einem gewissen Grad von dem Diffusheitsanteil bei der Reflexion der Oberfläche 21 ab, wobei die Unempfindlichkeit der erhaltenen Ergebnisse gegen Fehler aufgrund dieser Ursache, sofern gewünscht, minimiert werden kann, indem sowohl die Position von P&sub1; als auch von P&sub2; gemessen und der Mittelwert oder, genauer gesagt, der gewichtete Mittelwert der zwei Werte anstelle der tatsächlich gemessenen Werte jedes dieser Punkte errechnet und verwendet wird.
  • Es versteht sich, daß die Auflösung des Systems sowohl von der durch die Linseneinheit erzeugten Vergrößerung als auch von der Querschnittsfläche der optischen Fasern abhängt, und daß die erfindungsgemäße Vorrichtung, die beispielsweise dazu verwendet werden kann, die Oberflächenform oder das Oberflächenprofil sowie die Oberflächenbeschaffenheit zu vermessen, mit austauschbaren Linseneinheiten und/oder Faserbündeln versehen werden kann, um die Systemauflösung auf geeignete Weise zu verändern.
  • Bei der in Figur 1 gezeigten Sonde wird das von allen äußeren Fasern 15 aufgefangene Licht durch einen einzelnen Photodetektor 23 summiert, wobei jedoch bei einer höherentwickelten Anordnung die Ausgangssignale der Fasern 15 auch einzeln gemessen werden können. Eine derartige Anordnung ist in Figur 5 gezeigt, wobei ähnliche Teile mit denselben Bezugsziffern wie in Figur 1 bezeichnet sind. Die zentrale Faser 14 ist wie zuvor mit einem Photodetektor 22 verbunden, wobei jedoch jede der äußeren Fasern 15 mit einem separaten, entsprechenden Photodetektor 23a verbunden ist und die Ausgangssignale des Detektors 22 und aller Detektoren 23a einem Verstärkungs- und Verarbeitungsschaltkreis 27 zugeführt werden. Zusätzlich nimmt eine Faser 28, deren eines Ende in der Seite des Sondengehäuses 11 angeordnet ist, Licht von der Faser 19 auf, das nicht durch den Strahlteiler 18 abgelenkt wird, wodurch, ermittelt durch einen Photodetektor 29, ein Referenzsignal bereitgestellt wird, das ebenfalls dem Schaltkreis 27 zugeführt wird. Die durch den Schaltkreis 27 bereitgestellten Daten werden über eine Datenerfassungskarte 30 einem Computer 31 zugeführt, der geeigneterweise ein Personal Computer sein kann, und dort gespeichert und verarbeitet, zusammen mit Daten, die sich auf die Position der Sonde 10 beziehen, die der Karte 30 über Einrichtungen (nicht gezeigt) zum Bewegen der Sonde in x- und y-Richtung über die Oberfläche 21 und in z-Richtung zur Oberfläche hin und von ihr weg zugeführt werden. Wenn die Ausgangssignale der einzelnen Detektoren 23a summiert werden, kann diese Vorrichtung wie unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben arbeiten, wobei die Möglichkeit, die von den äußeren Fasern erhältlichen Informationen einzeln zu analysieren, es ermöglicht, auch Informationen, die sich sowohl auf örtliche Neigungen als auch auf die Höhe der Oberfläche 21 beziehen, zu sammeln.
  • Bei einer weiteren Abwandlung innerhalb des Rahmens der Erfindung kann eine erfindungsgemäße Sonde eine Mehrzahl von Faserbündeln umfassen, von denen jedes eine eigene Lichtquelle hat, so daß parallele Sätze von Messungen verschiedener Abschnitte der Oberfläche 21 gleichzeitig durchgeführt werden können. Bei einer wiederum anderen Abwandlung, die schematisch in Figur 6 gezeigt ist, sind die optischen Fasern 14 und 15 durch eine Feststoffkamera-Detektoranordnung 32 ersetzt, die eine große Anzahl von einzelnen Detektorzellen in Säulen und Spalten aufweist, die in Gruppen organisiert sind, die jeweils eine zentrale Zelle und eine Vielzahl von umgebenden äußeren Zellen aufweisen. Jede Gruppe kann beispielsweise ein Block von 3 x 3 Zellen sein, wobei eine zentrale Zelle von acht äußeren Zellen umgeben ist. Eine Beleuchtungsanordnung 33, stellt auf der untersuchten Oberfläche, über den Strahlteiler 18 und die Linseneinheit 12, ein Muster von beleuchteten Punkten bereit, die, wenn die Oberfläche so angeordnet ist, daß die Punkte auf ihr scharf fokussiert sind, wiederum nur an den zentralen Zellen ein scharfes Bild formen, nicht jedoch an den äußeren Zellen der Gruppen in der Detektoranordnung 32. Die Ausgangssignale von allen Zellen der Anordnung 32 werden dann unter Verwendung eines Rahmenspeichers 34 in eine digitale Form gebracht und einem Computer 35 zugeführt, der die Daten analysieren kann, um eine Konturenkarte oder eine andere Darstellung (z.B. eine perspektivische Karte) der Oberfläche 21 zu erzeugen.

Claims (16)

1. Oberflächenmeßvorrichtung umfassend eine Sonde (10) und Einrichtungen zum Bewegen der Sonde zu einer zu untersuchenden Oberfläche (21) hin und von ihr weg sowie zur Überwachung einer derartigen Bewegung, wobei die Sonde umfaßt:
- Beleuchtungseinrichtungen (14; 18, 19, 20) zum Beleuchten eines Bereiches der zu untersuchenden Oberfläche (21),
- eine Mehrzahl von nahe zueinander beabstandeten Lichtaufnahmeelementen (14, 15), die in einer Lichtaufnahmeebene angeordnet sind, und
- eine Linseneinrichtung (12), die so angeordnet ist, daß an einer relativ zur Oberfläche (21) bewegbaren Bildebene durch Bewegung der Sonde (10) ein scharf fokussiertes Bild der Lichtaufnahmeelemente (14, 15) erzeugt wird,
- Beleuchtungseinrichtungen (14; 18, 19, 20), die so angeordnet sind, daß die Linseneinrichtung (12) ein beleuchtetes Punktbild der Beleuchtungseinrichtungen (14; 18, 19, 20) in der Bildebene formt, das mit dem Bild in der Bildebene eines (14) der Lichtaufnahmeelemente zusammentrifft,
gekennzeichnet durch
- Einrichtungen (22, 23, 27, 30, 31) zum Messen des Einfalls des von einer zu untersuchenden Oberfläche reflektierten Lichts an einem (14) der Lichtaufnahmeelemente und an den umgebenden (15) dieser Elemente, und
- Einrichtungen (27, 30, 31) zum Vergleichen des an dem einen der Lichtaufnahmeelemente gemessenen Lichteinfalls mit dem an den umgebenden Elementen gemessenen Lichteinfall.
2. Oberflächenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sonde ein Bündel (13) von Lichtleitfasern umfaßt, wobei ein Ende jeder Lichtleitfaser an einer Endebene (13') des Bündels freiliegt und ein entsprechendes der Lichtaufnahmeelemente darstellt, wobei die Fasern an ihren anderen Enden mit Photodioden (23) oder anderen Photodetektoreinrichtungen zum Messen des Lichteinfalls an den freiliegenden Enden der Fasern verbunden sind.
3. Oberflächenmeßvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das andere Ende derjenigen (14) der Lichtleitfasern, deren eines Ende das eine der Lichtaufnahmeelemente darstellt, sowohl mit der Einrichtung (22) zum Messen des Lichteinfalls an seinem einen Ende als auch mit einer Beleuchtungsquelle (20) verbunden ist, wobei das eine Ende ebenfalls die Beleuchtungseinrichtung darstellt.
4. Oberflächenmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beleuchtungseinrichtung (19, 20) physisch von den Lichtaufnahmeelementen (14, 15) getrennt ist, und wobei zwischen der Linse (12) und den Lichtaufnahmeelementen ein Strahlteiler (18) angeordnet ist, in bezug auf den die Beleuchtungseinrichtung so angeordnet ist, daß ihr Bild das des einen (14) der Lichtaufnahmeelemente im Strahlteiler überlagert.
5. Oberflächenmeßvorrichtung, die eine Mehrzahl von ähnlichen Sonden umfaßt, die jeweils entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgeführt sind.
6. Oberflächenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtaufnahmeelemente einzelne Detektorzellen sind, die in einer Detektoranordnung (32) einer Feststoffkamera zusammengefaßt sind, wobei die Detektorzellen der Anordnung in Gruppen organisiert sind, die jeweils eine zentrale Zelle und eine Mehrzahl von umgebenden Zellen umfassen.
7. Oberflächenmeßvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Beleuchtungseinrichtung ein Schirm (33) mit geeignet angeordneten, von hinten beleuchteten Öffnungen ist und in bezug auf einen Strahlteiler (18), der zwischen der Detektoranordnung (32) und der Linseneinrichtung (12) angeordnet ist, so positioniert ist, daß die Bilder der beleuchteten Öffnungen in dem Strahlteiler mit den zentralen Zellen der entsprechenden Gruppen zusammentreffen.
8. Oberflächenmeßvorrichtung nach Anspruch 2 oder einem anderen von ihm abhängigen Anspruch, wobei das Bündel aus Lichtleitfasern eine zentrale Lichtleitfaser umfaßt, die von sechs Lichtleitfasern umgeben ist, die in regelmäßigen Abständen um die zentrale Lichtleitfaser angeordnet sind.
9. Oberflächenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vergleichseinrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen eines Differenzsignals aufgrund des an dem einen der Lichtaufnahmeelemente gemessenen Lichteinfalls und des an den umgebenden dieser Elemente gemessenen Lichteinfalls umfaßt, wobei die Bewegungseinrichtung entsprechend dem Differenzsignal gesteuert wird, um die Sonde in einem im wesentlichen konstanten Abstand von einer zu untersuchenden Oberfläche zu halten.
10. Oberflächenmeßvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Abstand so bemessen ist, daß die Bildebene nicht mit der zu untersuchenden Oberfläche zusammentrifft.
11. Verfahren zum Vermessen der Form einer Oberfläche unter Verwendung einer Sonde, die eine Linseneinrichtung und eine Mehrzahl von nahe zueinander beabstandeten, in einer Lichtaufnahmeebene angeordneten Lichtaufnahmeelementen aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
- Anordnen der Linseneinrichtung zum Erzeugen eines scharf fokussierten Bildes der Lichtaufnahmeelemente an einer Bildebene, die relativ zur Oberfläche durch Bewegung der Sonde bewegbar ist, und
- Formen, mittels der Linse, eines beleuchteten Punktbildes in einer Bildebene, das mit dem Bild in der Bildebene eines der Lichtaufnahmeelemente zusammentrifft,
gekennzeichnet durch
- das Messen des Einfalls des von der Oberfläche reflektierten Lichts an dem einen der Lichtaufnahmeelemente und an den umgebenden dieser Elemente, und
- das Vergleichen des an dem einen der Lichtaufnahmeelemente gemessenen Lichteinfalls mit dem an den umgebenden dieser Elemente gemessenen Lichteinfall.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Lichtaufnahmeelemente ein Bündel von Lichtleitfasern umfassen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Punktbild durch eine Beleuchtungsquelle erzeugt wird, die mit dem anderen Ende derjenigen der Lichtleitfasern, deren eines Ende das eine der Lichtaufnahmeelemente darstellt, verbunden ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Punktbild durch die Beleuchtungseinrichtung erzeugt wird, die physisch von den Lichtaufnahmeelementen getrennt ist, wobei die Beleuchtungseinrichtung Licht durch einen Strahlteiler leitet, der zwischen der Linse und den Lichtaufnahmeelementen angeordnet ist, wobei der Strahlteiler in bezug auf die Beleuchtungseinrichtung so angeordnet ist, daß ein Bild der Beleuchtungseinrichtung das des einen der Lichtaufnahmeelemente im Strahlteiler überlagert.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, das den Schritt des Erzeugens eines Differenzsignals aufgrund des an dem einen der Lichtaufnahmeelemente gemessenen Lichteinfalls und des an den umgebenden dieser Elemente gemessenen Lichteinfalls sowie das Steuern der Bewegung der Sonde entsprechend dem Differenzsignal umfaßt, um die Sonde in einem im wesentlichen konstanten Abstand zu einer zu untersuchen Oberfläche zu halten.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Abstand so bemessen ist, daß die Bildebene nicht mit der zu untersuchenden Oberfläche zusammentrifft.
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