DE1761416A1 - Optische Formabtastvorrichtung - Google Patents

Description

DIPL.-ING.	H. LEINWE	.ERMANN
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		8 München 2, Rosental 7, 2. Aufg. (Kustermann-Passage)
		den 17. Mai 1968

G(MPAGNIE INDUSTRIELLE DES LASERS Nozay/Montblery (Frankreich)

Optische Formabtastvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine optische Fonnabtastvorrichtung insbesondere mittels Laser, mit welcher das Relief der Oberfläche eines Werkstoffes ohne stofflichen Kontakt mit dieser Oberfläche genau abgetastet werden kann.

Es sind bereits Vorrichtungen zur Reliefabtastung bekannt, bei welchen ein Taststift vorgesehen ist, in dem ein Grasstrom erzeugt werden kann und der an dem dem abzutastenden Gegenstand gegenüberliegenden Snde offen ist. fiel einer derartigen Vorrichtung nimmt der Druck in dem Stift bei zunehmender Verringerung des Abstandes zwischen Stift und Oberfläche des Gegenstandes bis zu einem Maximalwert zu, bei dem das Ende des Stiftes durch die Oberfläche des Gegenstandes verschlossen wird. Abgesehen davon, daß der Stift mit dem Gegen-

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stand in Berührung kommt, kann dessen Relief mit dieser Vorrichtung nicht mit ausreichender Genauigkeit abgetastet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Formabtestvorrichtung zu schaffen, welche die Abtastung des Reliefs einer Oberfläche auf schnelle und genaue Weise ohne Auftreten von Berührungen zwischen dem abzutastenden Werkstoff und der Vorrichtung gestattet, wobei der Abtastvorgang automatisch durchgeführt und das Relief der Werkstoifoberfläche aufgezeichnet werden kann.

Zu diesem Zweck besitzt die optische FörmabtastTorrichtung eri'indungsgemätt eine Quelle monochromatischen Lichts, die mit optischen Elementen zur Erzeugung eines in einer im wesentlichen punktförmigen Zone der Oberfläche eines abzutastenden Werkstoffes zusammenlaufenden Lichtbündels in Verbindung steht, ein optisches Sammelorgan, dessen Segenstandsbrennpunkt mit dem Bildbrennpunkt des Ausgangsorgans dieser mit der Lichtquelle in Verbindung steilenden optischen Elemente zusammenfällt und das ein Bündel durch die beleuchtete Zone der Oberfläche ausgestreuten Lichts abgrenzt sowie Einrichtungen zur Messung des Lichtstroms dieses Lichtbündels zum Zwecke der Steuerung der Stellung des Ausgangsorgans der mit der Lichtquelle in Verbindung stehenden optischen Elemente gegenüber der Oberfläche des Werkstoffes, wobei durch die Stellung 4es Auegangaorgans dieser

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optischen Elemente das Relief der Werkstoffoberfläche an dem betrachteten Punfct wiedergegeben wird.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung besteht das Ausgangsorgan der mit der Lichtquelle in Verbindung stehenden optischen Elemente aus einer Sammellinse mit fester Brennweite, die vorteilhafterweise zwischen der Lichtquelle und der Oberfläene des abzutastenden Werkstoffes so angeordnet ist, daS _ sie ein einfallendes paralleles LichtDündel in ein in einem im wesentlichen punfctförmigen Fleck auf der Werkstoffoberfläche zusammenlaufendes Lichtbündel und ein τοη dieser beleuchteten Oberfläche ausgestreutes divergentes Lichtbündel in ein paralleles Lichtbündel umformt, dessen Lichtstrom gemessen wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung bestehen die Einrichtungen zum kessen des Lichtstroms des von dem Lichtfleck ausgestreuten Bündels insbesondere aus einer in der Bahn f des ausgestreuten Lichtbündels angeordneten halbreflektierenden Platte und einem in der Bahn des von dieser Platte reflektierten Lichtbündels angeordneten Mikroskop mit verstellbarem Spalt, dessen Öffnung auf einen bestimmten Wert eingestellt ist, der gleich dem gewünschten Durchmesser des einer abzutastenden Zone der Werkstoffoberfläche entsprechenden Lichtflecks ist.

Ein weiterei Merkmal der Erfindung besteht darin, daß

die Einrichtungen zum Messen des Lichtstroms des ausgestreuten

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Strahlenbündels aus optischen Elementen zur Umformung des ausgestreuten Strahlenbündels in zwei konvergente Bündel und aus mit einem Different!alverstärker verbundenen lichtempfindlichen Zellen bestehen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnung. Auf dieser Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3 und 4 zwei abgewandelte Ausführungsformen des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 besitzt eine Lichtquelle 1, vorzugsweise eine monochromatische Lichtquelle, beispielsweise einen Laser, die einen sehr dünnen Lichtstrahl auf eine afokale Vergrößerungsvorrichtung werfen kann, welche aus einer Zerstreuungslinse 2 und einer Sammellinse 4 besteht, die beide in der Achse des Laserstrahls liegen. In der Bahn des iylinditschen Ausgangsstrahlenbündels der afokalen Vergrößerungsvorrichtung ist eine Sammellinse 5 Bit fester Brennweite vorgesehen, die in Richtung des Doppelpfeils 6 vorzugsweise parallel

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zur Achse des Laserbündels so bewegbar ist, daß sie auf der Oberfläche eines Werkstoffes, 7 einen im wesentlichin punktförmigen Lichtfleck 8 erzeugt, der sich an der Stelle befindet, an der der Bildbrennpunkt der Linse mit der Oberfläche des abzutastenden Körpers zusammenfällt. Bei dieser Ausführungsform wird das Licht, das von diesem Fleck, der die

Rolle eines leuchtenden Gegenstandes spielt, in den Raum aus- m »ird "

gestreut, teilweise von der Linse 5 empfangen·

Zwischen der Linse 4 der afokalen Vergrößerungsvorrichtung und der Sammellinse 5 ist eine halbreflektierende Platte 9 vorgesehen, die das aus der Linse 5 austretende diffuse Lichtbündel in ein Mikroskop 10 mit einem Spalt 11 verstellbarer Öffnung lenkt.

Eine bekannte Einrichtung, beispielsweise eine lichtempfindliche Zelle (nicht dargestellt), die die Lichtstraflen " an Ausgang des Spalts 11 empfangen kann, gestattet die Abtastung des durch diesen Spalt hindurchtretenden maximalen Lichtstroms . Wenn die Vorrichtung eine Zone mit einem Durchmesser von beispielsweise 5yu zu untersuchen hat, so wird die Öffnung des Spalts auf 5 μ eingestellt, so daß der maximale Lichtstrom in dieser Zone beobachtet werden kann.

Bei einer automatischen Vorrichtung, welche das Relief der Oberfläche eines Werkstückes punktweise abtastet, wobei

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die Punkte bei der oben beschriebenen Ausfürungsfora beispielsweise 5/i voneinander entfernt sind, wird die bewegliche Linse 5 von einem nicht dargestellten Motor längs einer Rampe bewegt. Die in Richtung des Doppelpfeils 6 bewegliche Sammellinse 5 wird von einer Vibriereinrichtung nach beiden Seiten aus einer Bezugsstellung heraus bewegt und wird von den Einrichtun-■t gen zum Messen des durch den Spalt 11 hindurchtretenden maximalen Lichtstrom gesteuert.

Die maximale Amplitude der Schwingbewegungen der Linse ist so gewählt, daß der Durchmesser des Lichtflecks an jedem Punkt der Oberfläche des Werkstückes 7 unabhängig von der Neigung der Oberfläche kleiner als oder gleich 5JU ist. Kit dieser Linse ist eine Vorrichtung zum Ablesen und Aufzeichnen der Stellung der Sammellinse bei jedem Maximalwert des Lichtstroms im Spalt 11 verbunden, mittels welcher das Belief der Oberfläche des abzutastenden Werkstoffes punktweise mit einer Genauigkeit von weniger als oder gleich 5ja bestirnt werden kann.

Auf den Fig. 2, 5 und 4, die ein zweites Ausfünrungsbeispiel der Vorrichtung bzw. zwei abgewandelte Ausführungen dieses Ausfuhrungsbeispiels darstellen, sind gleich· Bauteile ■it gleichen Bezugszahlen bezeichnet.

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Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2 wird das von dem Lichtfleck 8 ausgestreute Lichtbündel von der Sammellinse 5 empfangen.

Zwischen der Linse 4 der afokalen Vergrößerungsvor-

richtung und der Sammellinse 5 sind zwei halbreflektierende Platten 15 und 16 vorgesehen, die aus dem aus der Linse 5 austretenden zerstreuten Lichtbündel zwei getrennte zylindrische _ Bündel 17 und 18 erzeugen. In der Bahn dieser beiden Bündel 17 und 18 sind zwei Sammellinsen 19 bzw. 20 vorzugaeise mit gleicher Brennweite vorgesehen, die zwei in ihren Bildbrennpunkten 21 und 22 zusammenlaufende Strahlenbündel erzeugen. In der Bahn der aus den Linsen 19 und 20 austretenden konvergenten Strahlenbündel sind zwei Blenden 24 und 25 angeordnet. Der Abstand der Blende 24 von der Linse 19 ist in Fig. 2 größer als die Brennweite dieser Linse, der Abstand der anderen Blende 25 von der Linse 20 ist kleiner als deren Brennweite. Vorzugsweise ist jede Blende in einer bestimmten Entfernung von dem Bildbrennpunkt der jeweiligen Linse angeordnet, die beiden Linsen haben dieselbe Brennweite und die Blenden dieselbe Öffnung. Hinter den Blenden sind zwei lichtempfindliche Zellen 26 und 27 angeordnet, welche die aus den Blenden austretenden Lichtbündel aufnehmen. Die Ausgänge der Zellen 26 und 27 sind mit den beiden Eingängen eines DifferentialVerstärkers 28 verbunden. Der

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Ausgang dieses Differentialverstärkers ist mit einem Steuerorgan 29 verbunden, welches ein Signal liefert, durch das die in Richtung des Doppelpfeils 6 bewegbare Linse 5 in eine Stellung gebracht wird, bei der die Stärken der beiden aus den Blenden austretenden Bündel gleich sind.

Mit dieser Sammellinse ist eine Vorrichtung zum Ablesen und zur Aufzeichnung der Stellung der Sammellinse verbunden, mittels welcher das Relief der Oberfläche des Werkstoffes Punkt für Punkt genau bestimmt werden kann.

Wenn die Linse 5 sich bei Betrieb in bezug auf den Werkstoff in einer Stellung befindet, bei der ihr Bildbrennpunkt mit einem Punkt der Oberfläche des abzutastenden Werkstoffes zusammenfällt, haben die Abschnitte der beiden konvergenten Strahlenbündel in den Blenden 24 und 25 gleicher Öffnung dieselbe Lichtstärke. Hierbei liefert der Verstärker dem Steuerorgan 29 zur Steuerung der Stellung der Linse 5 kein Signal.

Wenn das aus der Linse 5 austretende Lichtbündel auf der Oberfläche des Werkstoffes bei Nichtzuaammenfallen des Bildbrennpunktes dieser Linse mit der Oberflächi des Werkstoffes 7 einen nicht punktförmigen Lichtfleck erzeugt, so befindet sich ein Teil des durch die beleuchteten Zonen der

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Werkstoffoberfläche in den Eaum gestreuten und durch die Linse 5 in ein nicht zylindrisches Strahlenbündel umgeformten Lichtbündels und die von den Sammellinsen 19 und 20 gebildeten Bilder dieser ein leuchtendes Objekt bildenden beleuchteten Zone außerhalb der Bildbrennebene dieser Linsen. Da die Blenden 24 und 25 sich einem bestimmten Abstand von jeder der Brennebenen der Linsen 19 und 20 befinden, sind hierbei * m die Lichtstärken der die Blenden durchquerenden Strahlenbündelabschnitte verschieden groß, und der Differentialverstärker 28 liefert ein Signal zur Steuerung der Stellung der Linse Die Amplitui'3 des Steuersignals entspricht der Bewegung, die die Linse 5 in einer der beiden Richtungen je nach dem Vorzeichen dieses Signals durchzuführen hat, so daß die bei 26 und 27 gemessenen Lichtstärken gleich sind, d.h. daß der Bildbrennpunkt der Linse 5 sich auf der Oberfläche des Werk- | stoffes befindet.

Bei der auf Fig. 3 dargestellten Ausführungsform wird die Analyse dea durch den Lichtfleck 8 ausgestreuten Lichtes nicht in der Bahn des aus dem Laser austretenden Strahlenbündels sondern in einer anderen Bahn vorgenommen. Hierzu ist eine zweite Sammellinse 5¹ vorgesehen, die an der Linse 5 befestigt und mit dieser in Richtung des Doppelpfeils 6 bewegbar ist.

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Die beiden Linsen 5 und 5' haben vorzugsweise dieselbe Brennweite und sind so angeordnet, daß der Gegenstandsbrennpunkt der Linse 5* mit dem Bildbrennpunkt der Linse 5 zusammenfällt. Die optischen Achsen dieser beiden Linsen sind nicht kolinear.

Das aus der Linse 5' austretende diffuse Strahlenbündel wird auf dieselbe Weise wie bei der Vorrichtung von Fig. 2 analysiert.

Bei dsr auf Fig. 4 dargestellten Ausführungsform wird das durch die beleuchtete Zone 8 der Werkstoffoberfläche ausgestreute Lichtbündel durch eine einzige halbtransparente Platte 9 abgelenkt, die in der Bahn des aus der Linse 5 austretenden zylindrischen Strahlenbündels angeordnet ist. In der Bahn des aus der Platte 9 ausfallenden zerstreuten Lichtbündeis ist senkrecht zur optischen Achse dieses Lichtbündels eine Blende 30 vorgesehen, die dieses Lichtbündel in zwei Teile trennt. Diese beiden zylindrischen Lichtbündelteile werden durch eine Sammellinse 31 in konvergente Bündel umgeformt, an welchen eine Lichtstärkendifferenzmessung an zwei in bezug auf die Bildbrennebene der Linse 31 symmetrischen Lichtbündelabschnitten vorgenommen wird·

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In Fig. 4 ist die Blende 30 in der Bahn des aus der halbtransparenten Platte 9 ausfallenden Lichtbündels angeordnet

Selbstverständlich kann diese Blende auch aus einem metallisierten Teil bestehen, der auf der Linse 31 auf beiden Seiten der optischen Achse dieser Linse angeordnet ist. Ferner kann die Blende 30 auch in der Bahn des aus der Linse 31 austretenden Strahls so angeordnet sein, daß er zwei getrennte konvergente Lichtbündel bildet.

Anstelle der in der Bahn des durch den Lichtfleck 8 zerstreuten Lichtbündels befindlichen Sammellinsen können auch gleichwertige optische Organe, beispielsweise Hohlspiegel, verwendet werden.

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Claims (10)

Patentansprüche:

1. Optische ForaabtastTorrichtung, gekennzeichnet durch eine Quelle (1) monochromatischen Lichts, ein mit dieser Lichtquelle in Verbindung stehendes erstes optisches System mit einer Ausgangssammellinse (5), welches im wesentlichen auf der Oberfläche eines abzutastenden Werkstoffes (7) einen punktförmigen Lichtfleck (ö) erzeugt, ein zweites optisches System (5, 5^f, 9) zur Aufnahme mindestens eines Teils des durch die beleuchtete Zone (8) dieser Oberfläche ausgestreuten Lichts, am Ausgang des zweiten optischen Systems angeordnete Einrichtungen (10, 11, 26, 27, 28) zum Messen des von dieser beleuchteten Zone ausgestreuten Lichtstroms und eine Einrichtung (29) zur Steuerung der Stellung dieses Lichtflecks (8) in Abhängigkeit Ton dem Ton den Meßeinrichtungen gemessenen Lichtstrom.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite optische System im wesentlichen aus der Ausgangssammellinse (5) und einer bezüglich der Lichtquelle (1) Tor dieser Ausgangssammellinse angeordneten halbreflektierenden Platte (9) besteht, welche mindestens einen Teil des von der Oberfläche des Werkstoffes (7) auf die Ausgangssammellinse (5) gestreuten Lichts zu den Meßeinrichtungen (10, 11, 26, 27, 28) leitet.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite optische System (5¹) so angeordnet ist, daß es einen Teil des lichts empfängt, das von der Oberfläche des Werkstoffes (7) in eine andere Sichtung als in die der Bahn der einfallenden Lichtstrahlen gestreut ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß das zweite optische System eine an der Ausgangssammellinse M (5) befestigte Sammellinse (5¹) besitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen des gestreuten Lichtstroms ein am Ausgang eines hinter der halbrefleJctierenden Platte (9) angeordneten optischen Sammelorgans Torgesehenes Mikroskop (10) mit verstellbarem Spalt (11) besitzt, dessen Öffnung auf einen bestimmten Wert eingestellt ist, der gleich dem gewünschten Durchmesser der beleuchteten Zone (8) auf der Oberfläche des Werkstoffes (7) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Messen des gestreuten Lichtstromes aus zwei am Ausgang yon zwei jeweils hinter einer halbreflektierenden Platte (15, 16) angeordneten optischen Sammelorganen (19, 20) vorgesehenen, lichtempfindlichen Elementen (26, 27) und einem mit diesen beiden lichtempfindlichen Elementen ver-

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bundenen Differentialverstärker (28) zur Differenzmessung der Lichtströme der beiden konvergenten Lichtbündel bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch^kennzeichnet, daß beißen Einrichtungen zum Messen des gestreuten Lichtstroms zwei lichtempfindliche Elemente (26, 27) vorgesehen sind, die in bezug auf die Bildbrennebene eines optischen Saaaelorgans (31) symmetrisch angeordnet sind, das mit einer zwei getrennte konvergente Strahlenbündel abgrenzenden Blende (30) ausgestattet ist und unterhalb der halbreflektierenden Platte (9) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Messen des Lichtstroms mit zwei lichtempfindlichen Elementen (26, 27) versehen sind, die eich am Ausgang von zwei jeweils hinter einer halbreflektierenden, mit der Sammellinse (5¹) in Verbindung stehenden Platte (13, 16) angeordneten optischen Sammelorganen (19, 20) befinden und zur Durchführung einer Differenzmessung des Lichtstroms der gestreuten Lichtbündel bestimmt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssammellinse (5) mit einer mechanischen Einrichtung verbunden ist, welche diese in eine Vibrationsbewegung in beide Richtungen aus einer Bezugsstellung heraus nnetit. 109827/0349 _ '

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische System (5) an einem Antriebsorgan befestigt ist, welches dieses längs einer mit der Achse des aus der Lichtquelle (1) austretenden Strahlenbündels einen bestimnfai . Winkel bildenden Rampe zur punktweisen Abtastung des Reliefs der Oberfläche des abzutastenden Werkstoffes (7) bewegen kann.

11- Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Ablesen und Aufzeichnen der aufeinanderfolgenden, einer punktweisen Abtastung des Reliefs der Oberfläche des Werkstoffes (7) entsprechenden Stellungen der Ausgangssammellinse (5).

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