DE3220948A1

DE3220948A1 - Abtastvorrichtung

Info

Publication number: DE3220948A1
Application number: DE19823220948
Authority: DE
Inventors: Homer L. Eaton; John D. 92024 Leucadia Calif. Shaylor-Billings
Original assignee: Vektronics Inc
Current assignee: Vektronics Inc
Priority date: 1981-06-11
Filing date: 1982-06-03
Publication date: 1982-12-30
Also published as: GB2100424A; GB2100424B; JPS57204509A

Description

Die Erfindung betrifft das Oberflächenabtasten von Objekten bzw. Teilen und insbesondere verbesserte Abtastverfahren und eine Vorrichtung zur Beschaffung von präzisen Informationen hinsichtlich der Oberflächeneigenschaften, der Gestaltung, Orientierung und Diskontinuitäten.

Die elektrooptische Untersuchung von Objekten und deren Identifizierung beruht auf der Sammlung und Analyse von Licht, das von der Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts reflektiert wird. Allgemein ist bei Abtastvorrichtungen, wie einer Videokamera beispielsweise, das Äquivalent einer Punktquelle der Abtastung vorgesehen. Es wird Licht zu dem Teil übertragen und wieder empfangen, und zwar unter variierenden Winkeln bei verschiedenen Punkten des abgetasteten Objekts. Derartige Anordnungen erfordern eine feststehende Positionierung und Orientierung des abgetasteten Teils, so daß das Teil gewöhnlich in einer Halterung montiert wird, welche die Position und Orientierung in bezug auf die Abtastvorrichtung vorherbestimmt. Eine Punktabtastquelle, wie beispielsweise eine, die eine konische Abtastung liefert, weist einen Beleuchtungsstrahl auf, der unterschiedliche Abschnitte der abgetasteten Oberfläche in unterschiedlichen Winkeln trifft. Oberflächenelevationseigenschaften, wie Hohlräume und Vorsprünge reflektieren in verschiedenen Orientierungen und verschiedenen Beleuchtungswinkeln unterschiedlich, so daß die Reflexionsintensitäten eine weniger nützliche Information darstellen.

Für eine optimale Präzision bei der Identifizierung und Messung von Oberflächeneinzelheiten, sowie für eine verbesserte Wiederholbarkeit der Messung und für einen größeren Freiheitsgrad hinsichtlich der Orientierung und der Positionseinschränkung sollten alle Punkte der Oberfläche des Teils mit Lichtstrahlen bzw. Lichtbündeln beleuchtet werden, die zu jeder Zeit parallel zueinander verlaufen

oder stets senkrecht zu einer gewählten Ebene durch das Teil. Beispielsweise ist eine derartige orthogonal gerichtete Abtastung zur Messung von Objektdimensionen in einer zum Strahl senkrechten Ebene und zur Messung von Oberflächenelevationsmerkmalen in Richtungen parallel zum Strahl erforderlich. Bei einem senkrechten Muster paralleler Abtaststrahlen ist eine erheblich größere Flexibilität hinsichtlich der Teileposition und -orientierung relativ zur Abtastungsvorrichtung verfügbar und Reflexionen von Oberflächenbereichen einzigartiger Rauheitsgestaltungen weisen eine größere Gleichförmigkeit und Wiederholbarkeit auf. Das Fehlen einer orthogonalen Abtastung führt jedoch zu nennenswerten Einschränkungen der Nützlichkeit der Abtastung.

Bei denjenigen herkömmlichen Abtastvorrichtungen des Standes der Technik, die einen projizierten Abtaststrahl und einen Empfänger zur Sammlung von von dem Objekt reflektierten Lichtes verwenden, muß der Empfänger groß genug sein, um reflektiertes Licht von allen Bereichen des Objektes zu empfangen, die während der gesamten Abtastung beleuchtet werden. Bei derartigen Anordnungen ist die Größe des Teils, das abgetastet werden kann, verhältnismäßig klein, und zwar begrenzt durch praktische und ökonomische Betrachtungen, welche die Größe eines Lichtempfängers, wie einer optischen Linse, eines Sammelspiegels oder einer Anordnung von Detektoren oder optischen Fasern begrenzen.

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine Abtastvorrichtung und Verfahren zu schaffen, welche die vorstehend erläuterten Probleme auf ein Minimum bringen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein drehbar angebrachter Abtaststrahl-Träger Einrichtungen zur Projizierung eines Energiebündels

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zur Rotation mit dem Träger um die Trägerachse. Empfängereinrichtungen sind in der Nähe des projizierten Strahls zur Drehung mit diesem angebracht, um Strahlenergie zu empfangen, die von einem Objekt reflektiert wurde, auf welches der Strahl auftrifft. Bei einer speziellen Ausführungsform wird ein Lichtstrahl von einem rotierenden Spiegel in parallelen Richtungen senkrecht zur Oberfläche eines abgetasteten Objekts projiziert. Der Strahl wird durch eine kleine Sammellinse projiziert, die koaxial zum Lichtstrahl und zur Rotation mit dem projizierten Lichtstrahl angebracht ist, wobei die Linse reflektiertes Licht zur Übertragung an einen Detektor sammelt.

Ein Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt die Schritte, daß ein projizierter Energiestrahl in einem Abtastmuster bewegt wird, daß reflektierte Energie in einem sich entlang des Abtastmusters erstreckenden engen Bereich gesammelt wird, daß das Objekt und das Abtastmuster relativ bewegt werden, und daß die Intensität der in diesem Bereich gesammelten reflektierten Energie angezeigt wird. Der Strahl kann parallel zu einer Rotationsachse projiziert werden, um ein zylindrisches Abtastmuster zu bilden, oder er kann senkrecht zur Rotationsachse projiziert werden, um ein planares Abtastmuster zur Abtastung der inneren Oberfläche eines zylindrischen Objekts zu bilden, innerhalb dessen der Abtaster positioniert ist. Die Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung liefern eine wahre, zweidimensionale oder orthografische Ansicht.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung;

Fig. 2 eine vereinfachte seitliche Schnittansicht der Vorrichtung der Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht der Vorrichtung der Fig. 1;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des kreisförmigen Abtastmusters, das sich wiederholt über das zu beobachtende Objekt bewegt;

Fig. 5 die Geometrie, welche die Koordinaten der kreisförmigen Abtastung bestimmt;

Fig. 6 ein Blockdiagramm von elektronischen Bauteilen, die zur Erzeugung von Signalen verwendet werden, welche die Strahlintensität an unterschiedlichen Punkten der kreisförmigen Abtastachse definieren;

Fig. 7 eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 8 eine Abwandlung, bei welcher der Laser, der Detektor und die Sammellinse zusammen gedreht werden.

Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt die erfindungsgemäße Abtastvorrichtung bzw. der Scanner eine Tragstruktur 10, die über und in der Nähe eines Förderers 12 feststehend gehaltert ist, wobei der Förderer einen bewegbaren Gurt bzw. ein Band 14 aufweist, auf dem ein abzutastendes Objekt 16 angeordnet ist. Das abzutastende Objekt kann unterschiedliche Größe, Gestalt und verschiedenen Aufbau aufweisen, es ist in allgemeiner Form als Transmissions-Stator dargestellt. Der Förderer ist durch einen Motor 17 angetrieben, um das Band und das Objekt in der Fig. 1 gesehen von links nach rechts zu bewegen, und zwar direkt unterhalb nahe der Abtastvorrichtung und völlig über deren Abtastmuster hinweg.

Die Tragstruktur umfaßt eine starre Basis 18, auf welcher feststehend ein Motor 20 angebracht ist, der eine hohle vertikale Welle 22 aufweist, welche durch, den Motor mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird. Feststehend an einer aufrechtstehenden Seitenwand 24 ist ein Energiestrahl-Generator in Gestalt eines Lasers 26 angebracht, der ein Lichtbündel 28 sehr geringer Querschnittsflache auf ein erstes 90 -Reflexionsprisma 30 lenkt, das am oberen Ende einer aufrechtstehenden Hinterwand 32 der Struktur 10 angebracht ist. Das Prisma 30 dreht das Lichtbündel um zu einem zweiten 90 -Reflexionsprisma 34, das ebenfalls am oberen Ende der Wand 32 befestigt ist und mit dem Mittelpunkt der hohlen Motorwelle ausgerichtet angeordnet ist, wodurch das Bündel durch das Zentrum der Welle 22 nach unten reflektiert wird. Am Unterteil der Welle ist ein drittes 90°-Reflexionsprisma 40 (Fig.3) angebracht, das wiederum das Lichtbündel in einem Winkel von 90° ablenkt, so daß das Bündel nun senkrecht zur Drehachse der Motorwelle verläuft.

"Der Tragaufbau bzw. die Halterungsstruktur der Abtastvorrichtung umfaßt einen vergrößerten unteren Abschnitt 42 mit allgemein umgekehrter schüsseiförmiger Gestalt, der ein nach unten weisendes Ende aufweist, welches mit einer starren Schutzplatte 44 hoher Festigkeit verschlossen und abgedichtet ist. Die Platte 44 besteht vorzugsweise aus einem völlig transparenten Material, kann jedoch auch aus einem beliebigen geeigneten undurchsichtigen Material hergestellt sein, vorausgesetzt, daß ein transparenter ringförmiger Bereich 46, der den unteren Abschnitt 42 der Halterungsstruktur vollständig umgibt, in der Bodenplatte geformt ist.

_ 12 —

Am Ende der hohlen Motorwelle 22 ist fest ein drehbarer Arm in Form einer Scheibe 48 angebracht, in dessen radial äußerem Ende ein viertes 90 -Reflexionsprisma 50 montiert ist, das zum Empfang des Lichtbündels von dem Prisma 40 und zur Umlenkung um 90° entlang des Pfades 52 positioniert ist. Wenn also die Motorwelle gedreht wird, drehen sich die Prismen 40 und 50 und die Scheibe 48 um die Wellenachse und bewirken, daß der projizierte Laserstrahl 52 in einem rechten Kreiszylinder-Muster abtastet, das auf der Rotationsachse der Abtastvorrichtung zentriert ist und einen Radius gleich der radialen Versetzung des reflektierenden Prismas 50 von der Wellenachse aufweist. Diese Anordnung liefert eine orthogonale Abtastung, wobei der Abtaststrahl stets parallel zur Rotationsachse und senkrecht zu der das Teil abstützenden Oberfläche des Förderbandes 14 austritt.

Eine Linse 56 mit einem sich vollständig durch sie hindurcherstreckenden axialen Loch 58 ist feststehend in einer Hal~ terung 60 montiert, die an dem Ende der rotierenden Scheibe "48 befestigt ist. Die Linse und ihr Loch sind koaxial mit dem projizierten Strahl 52 ausgerichtet, der frei durch die Linse hindurchtritt. Die Linse ist auf den Auftreffpunkt des Strahles bzw. Bündels auf dem abgetasteten Objekt fokussiert.

Ein Referenzgenerator in Form einer lichtempfindlichen Diode 62 oder einem äquivalenten Bauelement ist am Unterteil der Platte 44 im Pfad des projizierten Strahls 52 befestigt, so daß er momentan durch den Strahl während jedes Rotationszyklus beleuchtet wird.

Das von dem rotierenden Energiestrahl 52 projizierte Licht wird von einem sehr kleinen Bereich des Objektes, auf welches der Strahl auftrifft, reflektiert, und etwas von diesem reflektierten Licht wird durch die Linse 56 gesammelt,

welche das gesammelte Licht kollimiert und zurück zum reflektierenden Prisma 50 überträgt. Das kollimierte, zurückreflektierte Licht wird dann entlang mehrerer Schenkel des austretenden Laserstrahlpfades zurückgelenkt, und zwar von dem Prisma 50 zum Prisma 40 zurück und dann aufwärts entlang der und durch die hohle Motorwelle hindurch. Zwischen dem oberen Ende der Motorwelle und dem reflektierenden Prisma 34 ist jedoch ein 90 Umlenkspiegel 66 angebracht, der eine zentrale Öffnung 68 aufweist, durch welche der austretende Laserstrahl ohne Störung hindurchtritt. Das kleine Loch 68 in dem Reflektor 66 beeinträchtigt nicht nennenswert die Reflexion der empfangenen, kollimierten, reflektierten Energie durch diesen Spiegel, die zu einem Detektor 72 gelenkt wird, welcher auf einer Ausgangsleitung 74 ein Ausgangssignal liefert, dessen Größe unmittelbar mit der Intensität des von ihm empfangenen Lichtes verknüpft ist.

Das Band 14 des Förderers 12 ist über eine zweite Rolle 80 an dem dem Motor entgegengesetzten Ende geführt und ein Förderer-Positionsdetektor 82, wie ein herkömmlicher Inkrement-Wellenkodierer ist an der Rolle angebracht, so daß aus dem Detektor-Kodierer 82 eine Reihe von Impulsen geliefert wird, von denen jeder einen Zuwachs der Drehung der Rolle angibt und damit einen Zuwachs bzw. ein Inkrement der Bewegung des Förderbandes 14.

Wie am besten in der Fig. 4 zu sehen ist, bewegt sich der Laserstrahl in einem zylindrischen Abtastmuster und tastet einen kreisförmigen Pfad 86 ab, der den Teil 16 überkreuzt, wenn sich dieser Teil relativ zum Abtastpfad 86 in Richtung des Pfeiles 88 bewegt. Die Empfangslinse 56 bewegt sich ebenfalls auf einem kreisförmigen Pfad und sammelt Licht aus einer engen ringförmigen Fläche 90, welche praktisch der Abtastpfad der Lichtempfangslinse ist. Die Linse tastet

also den sich bewegenden Teil 16 auf einem kreisförmigen Pfad ab, um Licht zu empfangen, das von einer ringförmigen Fläche reflektiert wird, die auf dem kreisförmigen Abtastpfad 86 des Lichtstrahls liegt oder mit diesem ausgerichtet ist. Während sich der Teil 16 über den Abtastpfad 86 bewegt, führt der Strahl viele Durchgänge über diesen Teil hinweg aus. Bei relativen Abmessungen der Abtastung und des Teiles wie in der Fig. 4 dargestellt, wobei diese Abmessungen nur Beispiele darstellen, wird der Teil anfänglich wiederholt durch den linken Abschnitt (gesehen in der Fig. 4) des Abtastpfades abgetastet und wird danach wiederholt durch den rechten Teil des Abtastmusters abgetastet.

Aus den an den Ausgängen des Referenzdetektors 62 und des Förderer-Positionskodierers 82 gelieferten Impulszügen kann die Position der Fläche des vom Strahl beleuchteten Teils jeweils bei einer großen Anzahl von Punkten während der Abtastung bestimmt werden. Die Geometrie und die Gleichungen zur Identifizierung der Strahlposition sind grundsätzlich die gleichen, wie für die Profil-Abtastvorrichtung in US-PS 4 122 525 beschrieben, sie unterscheiden sich primär jedoch darin, daß anstelle der Auslesung von Positionskoordinaten nur an dem Schnittpunkt des Strahles mit einer Grenze des Teils ein Takt verwendet wird, um Signale auszulesen, welche Positionskoordinaten für vorgewählte feste Zeitintervalle zu identifizieren.

Die Geometrie der Punktpositions-Identifizierung ist in der Fig. 5 dargestellt. Der Teil 16 wandert zusammen mit einem sich bewegenden Koordinatensystem XY relativ zur Laserabtastung mit dem Radius R. Der Detektor 62 liefert eine Referenz am Punkt D, welcher auf einem Radius in einem Winkel OC bezüglich der Y-Achse liegt. Die Posi-

tion jedes Punktes der Strahlabtastung in einem Winkel Θ.. bezüglich des Abtastradius durch den Referenzpunkt wird durch die Koordinaten x-, y- in dem sich bewegenden Koordinatensystem definiert, das durch die folgenden Gleichungen gegeben ist:

= X_c - R SXn(O₁ - K- ) (1)

= R - R cos (Q₁ - OC ) (2)

wobei X die X-Koordinate des Abtastzentrums ist. c

Die Messungen beruhen auf Impulsen, die von einem Impulsgenerator mit fester Wiederholungsrate erzeugt werden, so daß CK» = K₁ χ K₂ gilt, wobei K₁ die Anzahl dieser Impulse ist, die in der Zeitspanne auftreten, welche für die Wanderung des Strahls über den Referenzwinkel OO benötigt wird, während K₂ der Winkelabstand ist, über welchen der Strahl entlang des Abtastmusters während des Intervalls zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen wandert. Dementsprechend nehmen die Gleichungen (1) und (2) die folgende Form an:

X₁ = X_c - R sin [(N₁ - K₁) K₂H (3)

Y₁ = r£i - COs(N₁ - K₁) K₂] (4)

wobei N₁ die Anzahl von Impulsen ist, die während der Zeit auftreten, welche für die Wanderung des Strahls von dem Referenzpunkt D zum Punkt X₁ Y₁ benötigt wird. Die Gleichungen (3) und (4) definieren somit die Koordi naten von Punkten der Strahlabtastung in Gestalt von feststehenden Größen R, K₁ und K~, sowie mit veränderlichen Größen X und N₁ X₁. X ist die von dem Inkrement-Kodierer 82 erhaltene Größe, welche die Position des Förderers angibt, und N₁ wird durch die Zählung von Impulsen des Impulszuges zu einem gegebenen Punkt bestimmt.

In der· Fig. 6 ist eine elektronische Schaltung dargestellt, welche Signale erzeugt, die die Strahlintensität und die Koordinaten in ausgewählten Taktintervallen definieren. Der Strahl-Referenzfühler 62 erzeugt Impulse, welche zum Rücksetzen eines Zählers 92 geliefert werden, der einen Zähleingang aufweist, der auf einer Leitung 94 von einem System-Taktgenerator 96 liegt. Jede Zählung des Zählers wird in ein Speicherregister 98 eingetaktet und darin gespeichert, das dementsprechend Ausgänge liefert, die jeweils aufeinanderfolgende getaktete Winkelpositionen des Strahls bei seiner rotierenden Abtastung darstellen. Der Ausgang des Förderer-Positionsdetektors 82 wird an einen zweiten Zähler 100 geliefert, dessen Ausgänge an ein Speicherregister 102 in Intervallen geliefert werden, die durch die Zeitgeberimpulse aus dem Taktgeber 96 bestimmt sind. Das Register 102 speichert somit Signale, welche aufeinanderfolgende Positionen des Förderers und somit aufeinanderfolgende Positionen des Teiles darstellen, und zwar in Richtung der Fördererbewegung in aufeinanderfolgenden Taktzeiträumen. Der Ausgang I des Reflexionsdetektors 72 wird durch ein Gatter 104 unter der Steuerung des Systemtaktes 96 geführt, und alle Signale werden an einen Datenprozessor 106 (Fig.1) geleitet. Die Signale aus den Speichern 98 und 1O2 und aus dem Reflexionsdetektor 72, die natürlich gespeichert und zur manuellen Berechnung und Aufzeichnung der reflektierten Energieintensität an unterschiedlichen Koordinatenpositionen verwendet werden können, werden vorzugsweise durch digitale Berechnung verarbeitet. Einzelheiten der Berechnung und der Datenverarbeitung sind kein Teil dieser Erfindung. Die analogen Reflexionsintensitätssignale können digitalisiert und zusammen mit Positions-Koordinateninformationen gespeichert und danach mit ähnlichen gespeicherten Intensitäts- und Positionssignalen verglichen werden, die bereits vorher bei einer Abtastung eines Teils bekannter Konfigurationen erzeugt wurden. Der Vergleich gibt die Korrespondenz des neu

abgetasteten Teils mit dem Referenzteil an. Alternativ oder zusätzlich können die die Intensität und die Koordinatenposition darstellenden Informationen an ein Oszilloskop 108 geleitet werden, um eine visuelle Darstellung des abgetasteten Objektes zu liefern. Es ist somit erkennbar, daß die von dem Detektor 72 für die reflektierte Lichtintensität, dem Strahl-Referenzfühler 62 und dem Förderer-Positionsdetektor 82 erzeugten Signale zusammen die Intensität des von einer Anzahl von Punkten auf dem Objekt reflektierten Lichtes definieren, sowie auch die relativen Positionen dieser Punkte, so daß eine Darstellung der Intensität über der Fläche des Objektes hergestellt werden kann. Diese Information ist ohne weiteres aus der Ausgangs-Reflexionsstrahlintensität, dem Ausgang N.., der den radialen Winkel des Strahls angibt (Position des Strahls bei seiner kreisförmigen Abtastung), und der linearen Auslenkung X relativ zum Referenzsystem (dem Förderersystem) verfügbar. Dieser Vorgang erfolgt für eine große Anzahl von Punkten, während der Teil durch die zylindrische Strahlabtastung bewegt wird.

Bei einer beispielsweisen Ausführungsform dreht sich die Scheibe mit 1800 Umdrehungen pro Minute und der Förderer bewegt sich mit 3,175 cm pro Sekunde (1,25 Zoll pro Sekunde) , so daß sich der Teil um ungefähr 1,0668 mm 0,042 Zoll) während jeder Strahlrotation vorschiebt. Wie vorstehend bereits erwähnt, wird der Teil jedoch zweimal abgetastet, nämlich durch das linke Segment des kreisförmigen Strahls, wenn der Teil in die Abtastung eintritt, und durch das rechte Segment des Strahl-Abtastmusters, wenn der Teil die Abtastung verläßt, so daß die Auflösung verbessert wird.

Für den Fachmann ist erkennbar, daß bei der Vorrichtung zur Durchführung dieser orthogonalen Abtastung viele Abwandlungen möglich sind. Wie in der Fig. 7 beispielsweise

dargestellt ist, können geringfügige Abwandlungen der erfindungsgemäßen Prinzipien dazu verwendet werden, das Innere eines zylindrischen Teiles abzutasten, wie beispielsweise die Innenoberfläche einer Bremstrommel 116. Bei dieser Anordnung lenkt der Laser 126 seinen schmalen Strahl durch die hohle Welle 122 eines Motors 120 über ein Paar von 90°-Ablenkprismen 130, 134, durch die Öffnung eines Drehspiegels 166. Das durch die Welle 122 hindurchtretende Licht wird durch einen dritten Drehspiegel oder ein Prisma 140 am unteren Teil der hohlen Welle abgelenkt, wobei das Prisma dieser Ausführungsform das letzte Prisma ist, von welchem der rotierende und abtastende Strahl 142 projiziert wird. Der Strahl wird in einer Richtung senkrecht zur Rotationsachse und senkrecht zur Innenoberfläche des abzutastenden Teiles 116 projiziert, so daß ein kreisförmiger Pfad um das Innere der Trommel in einer Ebene abgetastet wird, die stets senkrecht zur Trommelfläche und senkrecht zur Rotationsachse steht. Tatsächlich tastet der Strahl 142 entlang aufeinanderfolgender Radien eines Kreises, der in einer Ebene senkrecht zur Bremstrommel-Oberfläche und zur Rotationsachse liegt. Von der Trommeloberfläche reflektiertes Licht wird von einer Kollektorlinse 156 empfangen, durch welche eine Öffnung hindurchgeformt ist, durch die der austretende Strahl 142 ohne Störung hindurchtritt. Die Linse 156 ist feststehend an der Welle 122 montiert, so daß sie zusammen mit dem drehenden Prisma 140 rotiert. Das von der Linse 156 gesammelte Licht wird durch die hohle Welle über das Prisma 140 zum Spiegel 166 zurückreflektiert, von welchem es zu einem Lichtintensitäts-Detektor 172 reflektiert wird.

Damit sich die Abtastebene relativ zur Trommeloberfläche bewegen kann, ist die Trommel 116 auf einem vertikal bewegbaren Tisch 114 montiert, der vertikal durch eine

Zahnstange und ein Ritzel 115, 117 und einen Motor 118 angetrieben ist und in seiner Bewegung mittels Führungen 121, 123 geführt ist. Ein Vertikalpositions-Kodierer und ein Strahl-Winkelreferenz-Generator (nicht gezeigt) sind vorgesehen, um die Position des Strahls relativ zur Trommeloberfläche während der Abtastung zu ermitteln.

In der Fig. 8 sind schematisch Teile weiterer Abwandlungen des erfindungsgemäßen Scanners dargestellt. Bei dieser Anordnung ist ein kleiner Laser 180, wie eine Dauerstrich-Laserdiode der GOLS-Serie der Firma General Optronics of South Piainfield, New Jersey, in dem Mittelpunkt einer Anordnung 182 von Photodioden angebracht, um einen Strahl 184 durch eine Zentralöffnung einer Linse 186 auszusenden. Der Laser, die Photodioden-Anordnung und die Linse sind an dem Ende eines rotierenden Scanner-Tragarms 188 montiert, der seinerseits drehbar um eine Achse 190 angebracht ist. Geeignete elektrische Leitungen (nicht gezeigt) sind durch den rotierenden Arm geführt, um dem Laser Energie zuzuführen und Intensitätssignale von der Photodioden-Anordnung zu übertragen. Diese Anordnung arbeitet ebenso wie die vorher beschriebenen Anordnungen. Licht aus dem Laser wird durch das Loch in der Linse zur Oberfläche eines zu identifizierenden Teils übertragen. Von diesem Teil reflektiertes Licht wird durch die Linse gesammelt und auf den Photodioden-Detektor übertragen, um die gewünschten Intensitätssignale zu liefern. Die Verwendung einer größeren Photodioden-Detektoranordnung liefert mehr Information durch Sammlung reflektierten Lichts aus einer größeren Fläche. Eine mit dem projizierten Strahl und dem Detektor ausgerichtete Fresnel-Linse 186 ist für den größeren Detektor bevorzugt.

Es wird in Betracht gezogen, daß der Laser 26 der Fig.1, 2 und 3 durch ein Laser-Entfernungsmeßsystem ersetzt wird,

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beispielsweise das Laser Measurement System 55O1A der Firma Hewlett Packard. Bei diesem System werden zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen verwendet, sowie Interferometrie und Doppler-Verfahren, um die Entfernung einer strahlreflektierenden Oberfläche zu bestimmen, die sich von den Laserstrahlen wegbewegt oder auf diese zu. Eine derartige Anordnung liefert bei Anwendung in dem beschriebenen rotierenden Scanner eine quantitative Messung der Oberflächen-Reliefgestalt bzw. Oberflächenelevation. Beispielsweise überquert der Abtaststrahl, der sich in seinem Abtastmuster entlang der Oberfläche eines Teils bewegt, einen Teil bzw. Objekt mit einer Elevationsveränderung. Während sich der horizontal abtastende Strahl zu einem Punkt auf der Oberfläche einer größeren Elevation bewegt, wird er aus einer geringeren Entfernung von dem Laserempfänger reflektiert. Dadurch hat sich die Entfernung zur reflektierenden Oberfläche verändert, so daß eine Dopplermessung der Elevation möglich ist.

"Zur Untersuchung von Oberflächenmerkmalen von Objekten mit konturierten Oberflächen ist es wünschenswert, die orthogonale Relation zwischen dem Energiestrahl und dem Oberflächenstrahl-Maß aufrechtzuerhalten. Bei einer derartigen Anwendung .sind das letzte Ablenkprisma 50 und die Linse 56 der Fig. 1, 2 und 3 oder äquivalente Bauteile anderer Ausführungsformen mit einem oder zwei Grad Schwenkfreiheit relativ zum Abtastvorrichtungs-Tragarm montiert, so daß die Richtung des projizierten Strahles 52 automatisch verändert werden kann, um den Strahl senkrecht zur Oberfläche des Objekts zu halten. Bei dieser Anordnung wird eine Schwenklagerung des Spiegels und der Linse verwendet, sowie ein Hilfssystem, welches die Abweichung des reflektierten Lichtes von der maximalen Intensität ermittelt, um die Richtung des projizierten Strahles zur Maximierung der Intensität zu steuern. Ein

derartiges System kann leichter Oberflächenmängel oder Diskontinuitäten entdecken. Derartige Diskontinuitäten erscheinen im Detektor als scharfer Intensitätsabfall, jedoch von einer Dauer, die kurz genug ist, um aus dem Betrieb des Hilfssystems ausgefiltert zu werden, welches die Strahlrichtung steuert, so daß die Strahlintensität über eine etwas größere Zeitspanne maximiert wird.

Leerseite

Claims

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN

DIPL.-PHYS. DIPL.-INC.

ca-vo-10

U/Sv

2. Juni 1982

Abtastvorrichtung

Patentansprüche

(y Abtastvorrichtung, gekennzeichnet durch einen drehbar angebrachten Abtaststrahl-Träger, Einrichtungen zum Drehen des Trägers um eine Achse, Einrichtungen zum Projizieren eines Energiestrahls von dem Träger zur Drehung mit dem Träger um die Achse, und durch Empfängereinrichtungen, die in der Nähe des projizierten Energiestrahls zur Drehung mit diesem angebracht sind und die Einrichtungen umfassen, um Energie des von einem Objekt, auf welches der Strahl auftrifft, reflektierten Strahles zu empfangen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Empfängereinrichtung eine Linse umfaßt, die auf dom Abtaststrahl.-Träger angebracht und mit dem projizierten Strahl ausgerichtet ist.

D-7070 SCHWABISCH GMÜND KONTEN: D-8000 MÜNCHEN

H. SCHROETER Tclcftn:: (07 Wß.obßA Deutsche Bank Schwab. Gmünd 200 535 (BLZ 61 3700 86· K.LEHMANN Telefon: (089) 725 20 Bocksgasse 49 Telex: 7^8 8$^^gd d Postscheckkonto Siuttisirt 54040-709 (BLZ600 10070) I.ioowikvstrA· 10 Telex: 5 21 2 248 pawe d

-_ ₂ 'J 32209Λ8

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß sich ein Loch durch die Linse hindurcherstreckt, und daß der projizierte Energiestrahl durch das Loch hindurchtritt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiestrahl in Abtastrichtungen parallel zu der Achse projiziert wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Strahl in einer zylindrischen Abtastung bewegt, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Empfängereinrichtung.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiestrahl in Abtastrichtungen senkrecht zu der Achse projiziert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiestrahl durch die Empfängereinrichtung hindurchprojiziert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t , daß Trägereinrichtungen zur Bewegung eines Objekts relativ zu dem rotierenden Strahl entlang einer zu der Achse senkrechten Ebene vorgesehen sind, und daß der Energiestrahl in Abtastrichtungen senkrecht zu dieser Ebene projiziert ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängereinrichtung eine lichtempfindliche Vorrichtung umfaßt, die auf dem Träger montiert ist, daß die Einrichtung zur Projizierung des Energiestrahls einen Laser umfaßt, der auf dem Träger zur Projizierung eines Lichtstrahls in Ausrichtung mit der Vorrichtung angebracht ist.

10. Verfahren zur Abtastung eines Objekts, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abtast-Energiestrahl in einem Abtastmuster über das Objekt bewegt wird, wodurch Energie des Strahls von dem Objekt reflektiert wird, daß die reflektierte Energie in einem relativ engen Bereich, der sich entlang des Abtastmusters erstreckt, empfangen wird, und daß das Objekt relativ zu dem Abtastmuster bewegt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim Empfang der Energie ein Energieempfänger entlang des Bereichs bewegt wird, und daß bei der Bewegung eines Abtaststrahls der Strahl durch den Empfänger projiziert wird, während sich der Empfänger entlang des Bereichs bewegt.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich ringförmig ist, und daß beim Empfang der Energie eine Linse auf einem kreisförmigen Pfad um den Bereich herumbewegt wird und der projizierte Strahl durch die Linse senkrecht zu dem Objekt projiziert wird, während sich der Strahl und der Empfänger auf einem kreisförmigen Pfad bewegen.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastmuster aus Elementen eines rechtwinkeligen KreisZylinders besteht.

14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß das Abtastmuster aus Radien eines Kreises besteht.

15. Abtastvorrichtung, gekennzeichnet durch einen Vorrichtungsträger, einen an dem Träger montierten, mit einer hohlen Welle versehenen Motor,

einen rotierenden Abt astträger, der an der Motorwelle zur Drehung mit ihr montiert ist und sich radial auswärts von der Welle erstreckt, ferner durch einen an dem Vorrichtungsträger montierten Laser, Einrichtungen zur Lenkung von Licht von dem Laser durch die hohle Welle und durch den Abtastträger zur Projektion parallel zu der Motorwelle von einem Bereich des Abtastträgers, der radial auswärts von der Welle versetzt ist, und durch einen Empfänger für reflektiertes Licht, der an dem Abtastträger zur Drehung mit diesem montiert ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Lenken des Lichts einen Reflektor umfaßt, der an einem radial auswärtigen Ende des Abtastträgers angebracht ist, und daß der Empfänger eine Linse umfaßt, die in der Nähe des Reflektors angebracht und derart positioniert ist, daß das projizierte Licht durch einen Teil von ihr hindurchtritt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtdetektor an dem Vorrichtungsträger angebracht ist, und daß Einrichtungen zum Lenken von von der Linse empfangenem reflektiertem Licht zu dem Detektor vorgesehen sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß Referenzdetektor-Einrichtungen vorgesehen sind, um ein Signal zu erzeugen, das die Rotationsposition des Abtasttrügers darstellt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Objektträger vorgesehen ist, Einrichtungen zur Bewegung des Trägers in einer Richtung senkrecht zur Motorwelle, sowie Einrichtungen zur

Erzeugung eines Signals, das die Position des Trägers darstellt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Lenken von Licht einen ersten Reflektor an einem Ende der Welle umfaßt, einen zweiten Reflektor an einem radial äußeren Ende des Abtastträgers, und einen dritten Reflektor am anderen Ende der Welle, daß der dritte Reflektor mit einer öffnung versehen ist, um einen Lichtstrahl von dem Laser ohne Reflexion zu dem ersten Reflektor zu leiten, und daß der Empfänger eine Linse zum Lenken gesammelten Lichtes zu dem zweiten Reflektor umfaßt, sowie einen Lichtdetektor, der am Vorrichtungsträger angebracht ist und derart positioniert ist, daß er Licht von der Linse empfängt, welches von dem ersten und zweiten Reflektor zu dem dritten Reflektor sowie von dem dritten Reflektor reflektiert wurde.

21. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch g e k e η η "zeichnet, daß ein Lichtdetektor vorgesehen ist, und daß die Einrichtung zum Lenken von Licht Mittel zur Rücklenkung reflektierten Lichts von dem Empfänger zu dem Detektor durch die hohle Welle und entlang eines Teils des Lichtpfades von dem Laser durch den Abtastträger umfaßt.

2?.. Verfahren zum Abtasten eines Objekts, dadurch g e kennzeichnet, daß ein projizierter Energiestrahl um eine Rotationsachse in einem Abtastmuster rotiert wird, das auf der Achse zentriert ist, daß ein abzutastendes Objekt relativ zu dem Abtastmuster in einer Ebene senkrecht zu dieser Achse bewegt wird, daß eine Energiesammellinse ausgerichtet mit dem projizierten Energiestrahl montiert wird, wobei die Linse auf den Auftreffpunkt des Strahls auf dem Objekt fokussiert wird,

daß die Linse zusammen mit dem rotierenden Strahl gedreht wird, und daß die Intensität der von der Linse gesammelten reflektierten Energie ermittelt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß der Energiestrahl durch die Linse projiziert wird.