DE102008063118A1

DE102008063118A1 - Verbesserte Vorrichtung mit einem Feldspiegel zum optischen Prüfen einer Oberfläche

Info

Publication number: DE102008063118A1
Application number: DE102008063118A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Gäßler; Christian Konz; Harald Richter
Original assignee: Intelligente Optische Sensoren und Systeme GmbH IOSS
Current assignee: Intelligente Optische Sensoren und Systeme GmbH IOSS
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2010-07-08
Anticipated expiration: 2028-12-25
Also published as: DE102008063118B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aus wenigen Komponenten bestehende, kompakte und kostengünstig zu fertigende Vorrichtung mit einem Feldspiegel zum optischen Prüfen einer Oberfläche. Der zu untersuchende Bereich der Oberflächen wird unter Verwendung eines telezentrischen Strahlengangs durch einen halbdurchlässigen Spiegel, wenigstens einen Planspiegel und einen Feldspiegel beleuchtet und das von der Oberfläche reflektierte oder gestreute Licht wird vom Feldspiegel über wenigstens einen Planspiegel wenigstens teilweise in die Eintrittspupille der Optik einer elektronischen Kamera abgebildet, wobei der Reflexionswinkel α zwischen der Achse des einfallenden und der Achse des am Feldspiegel reflektierten Lichtbündels wenigstens 120° beträgt. Die von der Kamera aufgenommenen Bilder, beispielsweise von Codes auf der Oberfläche sind mittels bekannter Bildverarbeitungsverfahren auswertbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2007 022 831 A1 der Anmelderin ist eine Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche mit einem telezentrischen Strahlengang für Beleuchtung und Bildaufnahme mit einem Feldspiegel bekannt, bei der zwischen der Achse des objektseitigen Strahlenbündels und der Achse des am Feldspiegel reflektierten Strahlenbündels ein Winkel von etwa 90° eingeschlossen ist. Bei einer solchen Abbildungsgeometrie und insbesondere bei Verwendung eines Feldspiegels mit kurzer Brennweite ist ein asphärisch korrigierter Feldspiegel vorzusehen, um Abbildungsfehler auf ein für die Prüfaufgabe akzeptables Maß herabzusetzen.
Aus der US-Patentschrift US 4,547,073 A ist in 7 eine Vorrichtung zum optischen Überprüfen einer Objektoberfläche mit einer Konkavspiegelanordnung offenbart, die für Beleuchtung und Bildaufnahme unterschiedliche Strahlengänge aufweist, wobei die Reflexionswinkel der Strahlenbündelachsen am Konkavspiegel einen deutlich größeren Winkel als 90° aufweisen; im Beispiel der 7 beträgt der Winkel etwa 120°.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine aus wenigen, standardmäßig verfügbaren optischen Komponenten bestehende, kompakte und kostengünstig zu fertigende Vorrichtung zum optischen Prüfen eines im wesentlichen rechteckigen Bereichs einer diffus reflektierenden oder spiegelnden Oberfläche mit einem telezentrischen Strahlengang für Licht unterschiedlicher Wellenlänge zu schaffen, wobei die Vorrichtung insbesondere in Richtung senkrecht zu der zu untersuchenden Oberfläche eine möglichst geringe Höhe aufweisen soll. Insbesondere soll unter dem optischen Prüfen sowohl das qualitative Erkennen von Oberflächenstrukturen und/oder -fehlern als auch die Erkennung von Zeichen und/oder Codierungen verstanden werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Anordnung mit einem für Beleuchtung und Bildaufnahme identischen telezentrischen Strahlengang mit einem Feldspiegel gelöst, dessen Brennweite zur Begrenzung der Öffnungswinkel der Strahlenbündel wenigstens das 2-fache der maximalen Ausdehnung des Untersuchungsbereiches beträgt. Der Reflexionswinkel am Feldspiegel wird zur Begrenzung der Abbildungsfehler größer als 120° gewählt.
Um bei der Verwendung eines langbrennweitigen Feldspiegels eine kompakte Anordnung der einzelnen Bauelemente zu erreichen, wird der Strahlengang zwischen Feldspiegel und der Kamera bzw. der Beleuchtungsvorrichtung an wenigstens einem Planspiegel reflektiert und über einen halbdurchlässigen Spiegel in die Eintrittspupille des Objektivs einer elektronischen Kamera geleitet, wobei zur Beleuchtung der Oberfläche wahlweise eine Hellfeld- oder eine Dunkelfeldbeleuchtungsanordnung verwendet wird und die Lichtquellen in der Fokalebene des Feldspiegels im Bereich der optischen Achse des Feldspiegels (Hellfeldbeleuchtung) oder in einer geringen Entfernung von der optischen Achse des Feldspiegels (achsnahe Dunkelfeldbeleuchtung) angeordnet sind.
Die Erfindung wird an Hand der Abbildungen näher erläutert.
In 1 ist der erfindungsgemäße Strahlengang in einer Ansicht senkrecht zu der optischen Achse der Kamera (8) und der Lichtbündelachse (5) schematisch dargestellt. Der im Schnitt dargestellte Feldspiegel (4) weist in der Projektion in Richtung der auf der Oberfläche (2) des zu untersuchenden Objekts (1) senkrecht stehenden Lichtbündelachse (5) einen Querschnitt auf, der die Außenkontur des Untersuchungsbereiches (3) der Oberfläche (2) des zu untersuchenden Objekts (1) einschließt. Eine Eigenart eines telezentrischen Strahlenganges ist es, daß der Feldspiegel (4) auf der Seite des Untersuchungsbereiches (3) einen parallelen Strahlengang aufweist und somit die Projektion des Feldspiegels (4) in Richtung der Lichtbündelachse (5) den Untersuchungsbereich enthalten muß. Die telezentrische Abbildung gibt die Strukturen des Untersuchungsbereiches (3) unabhängig vom Abstand des Feldspiegels (4) von der Oberfläche (2) mit immer dem gleichen Abbildungsmaßstab wieder. Die nicht dargestellte optische Achse des Feldspiegels (4) ist gegenüber der Lichtbündelachse (5) so weit verkippt, daß das vom Feldspiegel (4) reflektierte Lichtbündel mit der Lichtbündelachse (5') auf einen außerhalb des einfallenden Lichtbündels mit der Lichtbündelachse (5) angeordneten Planspiegel (40) trifft und in Richtung auf einen Strahlteiler (6) reflektiert wird. Hinter dem Strahlteiler (6) ist in der kameraseitigen Fokalebene (20) des Feldspiegels (4) die Eintrittspupille (13) des Objektivs der Kamera (11) mit einem bildgebenden Sensor (12) angeordnet. Bei der Kamera (11) handelt es sich vorzugsweise um eine elektronische Kamera mit einem bildgebenden Sensor (12), beispielsweise einem CCD- oder einem CMOS-Bildaufnehmer, der auf einer nicht dargestellten Kameraplatine angeordnet ist. Die Kameraplatine trägt vorzugsweise eine elektronische Schaltung zur Steuerung der Kamera (11), insbesondere zur Steuerung des Bildaufnahme- und -auslesevorgangs.
Als Feldspiegel ist ein Parabol- oder Kugelspiegel aus verspiegeltem Glas oder Kunststoff oder aus Metall vorgesehen.
Auf die Lichtbündelachse (5'') wird mittels des Strahlteilers (6) Licht von in der beleuchtungsseitigen Fokalebene (10) des Feldspiegels (4) angeordneten Beleuchtungsquellen eingespiegelt.
Auf der optischen Achse des Beleuchtungsstrahlenganges (7) in der Fokalebene (10) des Feldspiegels (4) ist eine Lichtquelle (21) für die Hellfeldbeleuchtung des Untersuchungsbereiches (3) angeordnet. Licht dieser als annähernd punktförmigen Hellfeldlichtquelle (21) trifft als paralleles Lichtbündel mit einer Lichtbündelachse (5) senkrecht auf die Oberfläche (2) des zu untersuchenden Objekts (1) auf.
In einem Abstand von der optischen Achse des Beleuchtungsstrahlenganges (7) sind weitere Lichtquellen (22, 22') in der Fokalebene (20) angeordnet vorgesehen und wahlweise einzeln oder in Gruppen mittels einer nicht dargestellten Beleuchtungssteuerung betreibbar. Die Lichtquellen (22, 22') ermöglichen eine achsnahe Dunkelfeldbeleuchtung des Untersuchungsbereiches (2) des zu untersuchenden Objekts (1).
Es ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, die Lichtquelle (21) und die Lichtquelle (22, 22') in eine programmierbare Flächenlichtquelle zu integrieren. Eine solche programmierbare Flächenlichtquelle kann aus einem von einer Lichtquelle beleuchteten ansteuerbaren Mikrospiegelarray, einem LED-Array, dessen LED einzeln oder in Gruppen aktivierbar sind oder aus einer mit einer Maske mit steuerbarer selektiver Durchlässigkeit, vorzugsweise einer ansteuerbaren Flüssigkristallmaske (LCD-Maske), abgedeckten Flächenlichtquelle gebildet sein.
Alle optischen Bauelemente sind in einem licht- und staubdichten Gehäuse (15) untergebracht, das in den Abbildungen lediglich im Bereich der transparenten Frontscheibe (14) schematisch angedeutet. Die Frontscheibe (14) ist gegenüber der Lichtbündelachse (5) verkippt, um Reflexionen der Lichtquellen (21, 22, 22') an der vorderen oder hinteren optischen Oberfläche der Frontscheibe (14) von der Lichtbündelachse (5) weg zu reflektieren, um dadurch ein Einstrahlen dieser Reflexionen in die Kamera (11) zu verhindern. Im Gehäuse (15) sind in der Umgebung der Frontscheibe (14) Zusatzlichtquellen (44, 44') angeordnet, die für eine nicht-telezentrische Dunkelfeldbeleuchtung vorgesehen sind. Diese Zusatzlichtquellen (44, 44'), von denen lediglich zwei schematisch dargestellt sind, sind vorzugsweise in Form eines Zeilenpaars, ringförmig oder in Form eines Rechtecks um das Eingangsfenster (14) herum angeordnet und können von einer Beleuchtungssteuerung selektiv einzeln oder in Gruppen zur Realisierung einer sektoralen Dunkelfeldbeleuchtung angesteuert werden.
In 2 ist ein alternativer Strahlengang der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Planspiegel (40) zu dem in 1 bekannten Strahlengang dargestellt.
3 zeigt einen schematischen Strahlengang in der gleichen Schnittebene wie in den 1 und 2 mit dem Unterschied, daß der kameraseitige Strahlengang mit den Lichtbündelachsen (5', 5'', 5''') an zwei Planspiegeln (40, 41) reflektiert wird. Dadurch wird die Brennweite des Feldspiegels (4) kameraseitig zweimal gefaltet, wodurch auch bei langen Brennweiten eine kompakte Bauweise ermöglicht wird.
Die Lichtquelle (21) kann zur Erzielung einer Hellfeldbeleuchtung als Punktlichtquelle ausgeführt sein, die in der Fokalebene (20) auf der optischen Achse (8) aus 1 liegt. Die Erfindung sieht vor, weitere Lichtquellen oder eine ausgedehnte Lichtquelle in der Fokalebene (20) oder in deren Nähe anzuordnen. Je nach Untersuchungsaufgabe und der Oberflächenbeschaffenheit der zu untersuchenden Oberfläche (2) kann eine punktförmige Lichtquelle in der Fokalebene (20) durch eine wenig ausgedehnte flächige Lichtquelle in der Nähe der Fokalebene (20) ersetzt werden. Es ist vorgesehen, die Lichtquelle (21) oder die Anordnung mehrerer Lichtquellen mittels einer nicht näher beschriebenen Beleuchtungssteuerung in ihrer Intensität, in der Mischfarbe des emittierten Lichtes und in der räumlichen Verteilung der Intensitäten und Wellenlängen einzustellen.
Verzeichnis der Abbildungen
1: Schematische Ansicht des Strahlenganges mit einem Planspiegel in einer in der Ebene senkrecht zu der optischen Achse der Kamera (8) und der Lichtbündelachse (5).
2: Schematische Ansicht eines alternativen Strahlenganges mit einem Planspiegel in einer in der Ebene senkrecht zu den optischen Achsen der Kamera (8) und der Lichtbündelachse (5) des einfallenden Bündels.
3: Schematische Ansicht des Strahlenganges wie in 1 und 2, jedoch mit zwei Planspiegeln.

1: Objekt
2: Oberfläche
3: Untersuchungsbereich
4, 4', 4'': Feldspiegel
5, 5', 5'', 5''': Lichtbündelachse
6: Strahlteiler
7: Optische Achse des Beleuchtungsstrahlenganges
8: optische Achse des Kamerastrahlenganges
9: Reflexionswinkel α
10: beleuchtungsseitige Fokalebene des Feldspiegels
11: Kamera
12: Bildgebender Sensor
13: Eintrittspupille
14: Frontscheibe
15: Gehäuse
20: Kameraseitige Fokalebene des Feldspiegels
21: Hellfeldlichtquelle
22, 22': Dunkelfeldlichtquelle
40: Planspiegel
41: Planspiegel
44, 44': Zusatzlichtquelle

In der Anmeldung angeführte Patentdokumente:

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102007022831 A1 [0002, 0021]
- US 4547073 A [0003, 0021]

Claims

Vorrichtung zum optischen Prüfen eines Untersuchungsbereiches (3) einer spiegelnden oder diffus reflektierenden Oberfläche (2) eines Objektes (1), • mit einem Feldspiegel (4), der ein auf der Oberfläche (2) senkrecht stehendes Lichtbündel mit einer Lichtbündelachse (5) in ein Lichtbündel mit einer Lichtbündelachse (5') um einen Reflexionswinkel α (9) reflektiert und dessen Projektionsfläche auf der zu untersuchenden Oberfläche (2) den Untersuchungsbereich (3) wenigstens gerade überdeckt, • mit wenigstens einer auf der optischen Achse (7) des Beleuchtungsstrahlenganges im Bereich der Fokalebene (20) des Feldspiegels (4) angeordneten Lichtquelle (21) zur Hellfeldbeleuchtung, die mittels eines telezentrischen Strahlengangs auf den Untersuchungsbereich (3) abgebildet wird, • mit wenigstens einer außerhalb der optischen Achse (7) des Beleuchtungsstrahlenganges im Bereich der Fokalebene (20) des Feldspiegels (4) angeordneten Lichtquelle (22, 22') zur achsnahen Dunkelfeldbeleuchtung, • mit einer elektronischen Kamera (11) mit Objektiv, dessen Eintrittspupille (13) in der Fokalebene (10) des Feldspiegels (4) auf der kameraseitigen optischen Achse (8) liegt und welche einen Teil des von der Oberfläche (2) im Untersuchungsbereich (3) emittierten Lichts über einen telezentrischen Strahlengang aufnimmt und die gewonnenen Bilder an eine Auswerteeinrichtung übermittelt, sowie • mit einem Strahlteiler (6), der wahlweise die optische Achse des Kamerastrahlenganges (8) oder die optische Achse des Beleuchtungsstrahlenganges (7) um 90° zu der Lichtbündelachse (5'', 5''') aus- beziehungsweise einspiegelt. dadurch gekennzeichnet, daß der Feldspiegel (4) eine konkave Spiegeloberfläche mit einer Brennweite von wenigstens dem 2-fachen der maximalen Ausdehnung des Untersuchungsbereiches (3) aufweist, und derart zur Lichtbündelachse (5) ausgerichtet ist, daß der Reflexionswinkel α (9) wenigstens 120° beträgt und daß der Strahlengang zwischen dem Feldspiegel (4) und den Fokalebenen (10, 20) an wenigstens einem Planspiegel (40) reflektiert wird.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldspiegel (4) ein Parabolspiegel ist.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldspiegel (4) ein Kugelspiegel ist.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang zwischen dem Feldspiegel (4) und den Fokalebenen (10, 20), an zwei einander gegenüber und parallel zueinander angeordneten Planspiegeln wenigstens zweimal reflektiert wird.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (21) in die Lichtquelle (22, 22') integriert ist und als programmierbare Flächenlichtquelle ausgebildet ist.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die programmierbare Flächenlichtquelle aus einem von einer Lichtquelle beleuchteten ansteuerbaren Mikrospiegelarray gebildet wird.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die programmierbare Flächenlichtquelle aus einem LED-Array besteht, dessen LED einzeln oder in Gruppen aktivierbar sind.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die programmierbare Flächenlichtquelle aus einer von einer Maske mit steuerbarer selektiver Durchlässigkeit abgedeckten Flächenlichtquelle gebildet wird.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske mit steuerbarer selektiver Durchlässigkeit eine ansteuerbare Flüssigkristall-(LCD-)Maske ist.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldspiegel (4) als Fresnelspiegel ausgebildet ist.
Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zusatzlichtquelle (44, 44') zur Beleuchtung des Untersuchungsbereiches (3) außerhalb des telezentrischen Strahlenbündels zwischen dem Untersuchungsbereich (3) und dem Feldspiegel (4) angeordnet ist und daß die Zusatzlichtquelle (44, 44') einzeln oder zusammen mit anderen Lichtquellen (21, 22, 22') mittels einer Beleuchtungssteuerung ansteuerbar ist.