DE3404901A1

DE3404901A1 - Vorrichtung und verfahren zur optischen pruefung eines objekts

Info

Publication number: DE3404901A1
Application number: DE19843404901
Authority: DE
Inventors: Emmet Mitchell Cincinnati Ohio Fulkerson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1983-02-15
Filing date: 1984-02-11
Publication date: 1984-08-16
Also published as: GB2135150A; GB8403402D0; IT1175938B; JPS59171812A; IT8419586A0; FR2541002A1

Description

Vorrichtung und Verfahren zur optischen Prüfung eines

Objekts

Die Erfindung bezieht sich auf optische Triangulationsvorrichtungen und betrifft insbesondere Vorrichtungen dieser Art, bei denen eine einzelne Linse benutzt wird, um ein Indexlichtbündel auf ein Objekt zu projizieren sowie von dem Objekt reflektiertes Licht aufzufangen.

Bei nahezu sämtlichen Fertigungsvorgängen ist es erwünscht, Messungen an Teilen vorzunehmen, die dem Fertigungsprozeß unterliegen. Die Messung kann sehr zeitraubend sein, insbesondere wenn Menschen die Meßaufgabe ausführen, so daß es im allgemeinen erwünscht ist, automatisierte Maschinen zu benutzen, die die Meßfunktion erfüllen. Maschinen, die eine Meßaufgabe durchführen, benutzen gewöhnlich Fühlerlehren oder Mikrometer, die ein zu messendes Teil körperlich berühren. In einem solchen Fall wird eine kleine, aber endliche Kraft auf das Teil durch die Berührung aus-

geübt, und diese Kraft kann die Position des Teils stören oder das Teil verformen und so eine Eigenschaft des Teils selbst während des Meßvorganges verändern. Weiter unterliegen mechanische Fühlerlehren selbst dem Verschleiß und entwickeln mit der Zeit im Gebrauch ihre eigenen Ungenauigkeiten. Deshalb wird zunehmender Gebrauch von berührungsfreien optischen Meßvorrichtungen und insbesondere von optischen Triangulationsvorrichtungen gemacht. Die letztgenannten Vorrichtungen projizieren üblicherweise ein Lichtbündel (ein Indexbündel) unter Verwendung eines Linsensystems auf ein Objekt und fangen das reflektierte Licht unter Verwendung eines zweiten Linsensystems auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue und verbesserte Vorrichtung sowie ein neues und verbessertes Verfahren zur optischen Prüfung zu schaffen.

Die Vorrichtung und das Verfahren nach der Erfindung sollen das Prüfen von Objekten ohne körperliche Berührung derselben gestatten.

Die Vorrichtung und das Verfahren nach der Erfindung arbeiten zwar nach Triangulationsprinzipien, es wird aber trotzdem nur eine einzelne Linse sowohl als Projektion- als auch als Empfangslinse benutzt.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Lichtbündel durch eine Linse auf ein Objekt projiziert, welches in einer Brennebene der Linse angeordnet ist, das durch das Objekt reflektierte Licht wird von derselben Linse empfangen, und eine vorbestimmte Art von Kollimation des durch die Linse empfangenen Lichts wird erfaßt. Das Auftreten des vorbestimmten Typs von Kollimation zeigt an, daß die Reflexion an dem Objekt in einem vorbestimmten Abstand von der Linse erfolgt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Ausführungsform der Vorrichtung

nach der Erfindung,

Fig. 2 Strahlengänge von unterschiedlich re

flektierten Lichtbündeln in der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 Bilder auf Photodetektoren,

Fig. 3A eine Intensitätsverteilung des Quer

schnittes eines Lichtbündels, das ein Bild 63A in Fig. 3 bildet,

die Fig. 4A-4C verschiedene Strahlengänge von durch

einen Schneidkantenspiegel reflektiertem Licht,

Fig. 5 ein Abtastmerkmal der Erfindung,

Fig. 6 eine Gasturbinentriebwerksschaufel und

Fig. 6A ein auf eine Gasturbinentriebwerksschaufel fokussiertes Lichtbündel.

In einer Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 1 gezeigt ist, projiziert eine Lichtquelle 3, bei der es sich vorzugsweise um einen Helium-Neon-Laser (HeNe-Laser) handelt, ein Indexlichtbündel 6 auf einen Strahlungsteiler oder Spiegel 9, der das Indexlichtbündel 6 auf einen Abtastspiegel 12 reflektiert. Der Abtastspiegel 12 ist vorzugsweise in einem Punkt 15 drehbar gelagert, so daß er sich um diesen Punkt drehen und daher wahlweise

Positionen einnehmen kann, die durch gestrichelte Umrißlinien 12A und 12B dargestellt sind, sowie gewählte Zwischenpositionen zwischen diesen gestrichelt dargestellten Positionen. Dieses Drehmerkmal der Erfidnung wird bei einer Abtastfunktion ausgenutzt und ist weiter unten ausführlicher beschrieben.

Das Indexlichtbündel 6 wird durch den Abtastspiegel 12 auf ein Umfangsgebiet 17 (d.h. ein Gebiet nahe einem Rand) einer Projektionslinse 18 reflektiert, die eine optische Achse 21 hat, welche hier als erste Achse 21 bezeichnet wird. Das Indexlichtbündel 6 tritt in die Projektionslinse 18 parallel zu der ersten Achse 21 ein. Die Projektionslinse 18 fokussiert das Indexlichtbündel 6 längs, aber nicht parallel zu der ersten Achse 21 , so daß sich das Indexlichtbündel 6 von dem Umfangsgebiet 17 zu einem ersten Brennpunkt 24 bewegt und in einem ersten Reflexionspunkt 27 auf einem Objekt 33 fokussiert wird, das nahe bei einer ersten Brennebene 30 angeordnet ist. Das heißt, das Indexlichtbündel 6 bewegt sich, nachdem es durch die Projektionslinse 18 gebrochen worden ist, bezüglich der ersten Achse 21 außerachsig. (Es wird hier eine Unterscheidung gemacht zwischen einem Brennpunkt, der ein theoretischer Punkt im Raum ist, in welchem eine Linse Licht fokussiert, und einem Reflexionspunkt, der ein Gebiet auf einem Objekt ist, von dem Licht reflektiert wird.)

Ein Objekt 33, das in dem ersten Brennpunkt 24 vorhanden ist, wird das Indexlichtbündel 6 in vielen Richtungen, die durch Pfeile 36A-36D angegeben sind, reflektieren (und so den ersten Brennpunkt 24 zu einem Reflexionspunkt machen). Demgemäß erzeugt die Reflexion, die in dem ersten Brennpunkt erfolgt, tatsächlich Licht, das von einer Punktquelle, nämlich dem ersten Brennpunkt

— β -

ausgeht. Das ist eine diffuse Reflexion. Von diesem reflektierten Licht wird das Licht, das die Projektionslinse 18 innerhalb von deren Apertur, nämlich zwischen den Linien 39 und 42 erreicht, aufgefangen und zurück auf den Abtastspiegel 12 fokussiert. Dieses aufgefangene Licht, wie beispielsweise das, das durch Strahlen 44A und 44B angegeben ist, wird durch den Abtastspiegel 12 längs einer zweiten Achse 45 als Strahlen 51 und 54 auf eine Abbildungslinse 48 reflektiert. Die zweite Achse 45 ist vorzugsweise zu der ersten Achse 21 rechtwinkelig und ist die optische Achse der Abbildungslinse 48. Die Abbildungslinse 48 fokussiert die Strahlen 51 und 54 auf einen Photodetektor 57, der in einer zweiten Brennebene 60 angeordnet ist, welches eine Brennebene der Abbildungslinse 48 ist. Die Strahlen 51 und 54 werden als ein Bild 63A in Fig. 3 in einem zweiten Brennpunkt 63 in Fig. 1 fokussiert. Der Photodetektor 57 kann zwei einzelne Photodetektoren 57A, 57B aufweisen, die nahe beieinander angeordnet und durch einen Zwischenraum 57C voneinander getrennt sind. Die Photodetektoren 57A, 57B sprechen hauptsächlich auf Licht an, das auf die Oberflächen 57AA und 57BB trifft.

Die Ausgänge 66A, 66B der Photodetektoren 57A, 57B sind vorzugsweise mit den Eingängen 65A, 65B eines zwei Eingänge aufweisenden Differenzverstärkers 68 verbunden, der die Signale der Ausgänge 66A und 66B miteinander vergleicht und die Differenz zwischen diesen Signalen verstärkt. Wenn die Differenz null ist, treffen gleiche Lichtmengen auf jeden Photodetektor 57A, 57B auf. Daraus wird geschlossen, daß das Objekt 33 in dem ersten Brennpunkt 24 der Projektionslinse 18 angeordnet ist, und, da ciie Position der Projektionslinse 1ß im voraus bekannt ist, ist bekannt, daß das Objekt 33 um eine Brennweite entfernt längs der ersten Achse 21 angeordnet ist. Das heißt, die Tatsache, daß das Objekt 33 in dem ersten

AO

Brennpunkt 24 angeordnet ist, ist aus dem Nulldifferenzsignal bekannt, das durch die Photodetektoren 57 erzeugt wird. Das Nulldifferenzsignal selbst ist ein Scharfeinstellsignal, das anzeigt, daß das durch die Projektionslinse 18 empfangene Licht durch das Objekt 33 in dem ersten Brennpunkt 24 reflektiert worden ist.

Somit wird Licht, das in dem ersten Brennpunkt 24 reflektiert worden ist, durch die Projektionslinse 18 kollimiert, durch den Abtastspiegel 12 reflektiert und durch die Abbildungslinse 48 auf den zweiten Brennpunkt 63 fokussiert. Unter diesen Umständen wird nur Licht, das genau in dem ersten Brennpunkt 24 reflektiert wird, genau in dem zweiten Brennpunkt 63 fokussiert. Licht, das durch ein Objekt reflektiert wird, welches außerhalb des ersten Brennpunktes angeordnet ist, wie beispielsweise das Objekt 68 in Fig. 2, wird anders auf die zweite Brennebene 60 fokussiert.

Beispielsweise wird gemäß der ausführlicheren Darstellung in Fig. 2, wenn sich ein Objekt durch Positionen 72, 33 und 68 bewegt, das Indexlichtbündel 6 von Reflexionspunkten 72A, 33A (der mit dem ersten Brennpunkt 24 in Fig. 1 zusammenfällt) bzw. 68A reflektiert. Infolgedessen werden die Lichtbündel 75, 77 und 78 in der vertikalen Richtung (der Richtung des Pfeils 81) verschoben. Der Einfachheit halber sind die Lichtbündel 75, 77 und 78 in dem Gebiet 82 abgebrochen und als Einzelstrahlen 75A, 77A bzw. 78A dargestellt. Nach der Reflexion durch den Abtastspiegel 12 nehmen die Strahlen 75B, 77B und 78B die gezeigten Positionen ein, und diese Strahlen sind dann wieder als Lichtbündel 75C, 77C bzw. 78C gezeigt. Die Reflexion von Licht durch die Objekte 72, 33 und 68 führt somit zur Verschiebung der Lichtbündel 75C, 77C und 78C in der Richtung des Pfeils 83. Demgemäß verschieben sich diese Lichtbündel auf dem Photodetektor 57, wenn sich das

Objekt 33 bezüglich der Projektionslinse 18 längs der ersten Achse 21 bewegt.

Weiter werden die Lichtbündel 75C, 77C und 78C durch die Abbildungslinse 48 in Punkten 94A_f 9 4B bzw. 94C fokussiert. Bekanntlich wird unter diesen Umständen das Licht aus jedem Bündel 75C, 77C und 78C, das auf die Bildebene 60 trifft, Bilder enthalten, die in Abhängigkeit von der Position des Objekts 33 unterschiedliche Scharfeinstellungsgrade haben. Das ist weiter in Fig. 3 veranschaulicht, die ein Bild 94AA zeigt, das von dem Lichtbündel 75C in Fig. 2 auf den Photodetektor 57 projiziert wird (die Lichtstrahlen, die tatsächlich von dem Punkt 94A zu dem Photodetektor 57 gelangen, sind der Einfachheit halber nicht dargestellt). Ebenso entspricht das Bild 63A in Fig. 3 dem Punkt 94B in Fig. 2, und das Bild 94CC wird durch das Lichtbündel 78C auf den Photodetektor projiziert.

Es sei angemerkt, daß die Lichtbündel 75A, 77A und 7 8A in Fig. 2 alle parallel zu der ersten Achse 21 erscheinen und daß ebenso die Lichtbündel 75B, 77B und 7 8B parallel zu der Achse 45 erscheinen. Es ist jedoch bekannt, daß unter den beschriebenen Umständen nur die Lichtbündel 77A und 77B diese Parallelitätseigenschaften besitzen. Der einfacheren Darstellung halber erscheinen die anderen Lichtbündel 75A, 78A, 75B und 7 8B nur so, als besäßen sie sie. Tatsächlich werden die Lichtbündel 75A, 75B auf ihrem Weg zu der Abbildungslinse 48 zu den Achsen 21 und 45 hin konvergieren, und die Lichtbündel 78A, 78B werden von diesen Achsen weg divergieren.

Demgemäß hängt unter einem Gesichtspunkt das Bild 63A, das der Photodetektor 57 sieht, hinsichtlich Position und Scharfeinstellung von der Position des Objekts 33 ab, in der das Indexbündel 6 durch das Objekt 33 re-

At -X-

flektiert wird. Die Signale, die durch die Photodetektoren 57A, 57B erzeugt werden, zeigen an, wann das Bild 63A in Fig. 3, das die Photodetektoren 57A, 57B sehen, scharf eingestellt ist, weil, wenn das Bild 6 3A den Zwischenraum 57C ausschließlich beleuchtet, ein Ausgangssignal von null (das Scharfeinstellsignal) durch den Differenzverstärker 68 erzeugt wird. Weiter wird nämlich die Feststellung, ob die Reflexion in dem ersten Brennpunkt 24 erfolgt, durch das Erfassen der Parallelität des Lichtbündels 77 zu der ersten Achse 21 (welches die optische Achse der Projektionslinse 18 ist) getroffen. Das Fokussieren des Lichtbündels 77 auf den Punkt 94B zwischen den Photodetektoren 57A, 57B zeigt diese Parallelität an, die selbstverständlich ein besonderer Typ von Kollimation des Lichtbündels 77 durch die Projektionslinse 18 ist.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 4A-4C sind die Photodetektoren 57A, 57B (die nur in Fig. 4A mit gestricheltem Umriß dargestellt sind) durch einen Schneidkantenspiegel 95 (von welchem nur die Spitze gezeigt ist) sowie durch zwei weitere Photodetektoren 57D, 57E ersetzt worden. Die Kante 95A des Schneidkantenspiegels 95 befindet sich in der zweiten Brennebene 60. Der Schneidkantenspiegel 95 reflektiert das Licht, das durch die Abbildungslinse 48 (in den Fig. 4A-4C nicht gezeigt) auf ihn projiziert wird, auf einen oder beide Photodetektoren 57D, 57E, welche auf der einen bzw. anderen Seite des Schneidkantenspiegels 95 angeordnet sind. Die Lichtmenge, die durch jeden Photodetektor 57D, 57E empfangen wird, hängt von der Position des Objekts 33 in Fig. 1 ab. Das heißt, wenn die Lichtbündel 75B, 77B und 7 8B sich in der Richtung des Pfeils 83 in Fig. 2 verschieben, treffen sie auf den Schneidkantenspiegel 95 in den Fig. 4A-4C in unterschiedlichen Positionen auf.

In Fig. 4A wird das Lichtbündel 75C auf den Photodetektor 57D reflektiert. In Fig. 4B wird das Lichtbündel 77C in zwei Teile 77F und 77G geteilt und auf beide Photodetektoren 57D und 57E reflektiert. In Fig. 4C wird das Lichtbündel 78C auf den Photodetektor 57E reflektiert. Ein Grund für die Verwendung eines Schneidkantenspiegels 95 statt deo? beiden benachbarten Photodetektoren 57A, 57B in Fig. 1 ist, daß der Schneidkantenspiegel 95 gestattet, den Zwischenraum 57C durch die Kante 95A des Schneidkantenspiegels festzulegen. Auf diese Weise wird ein sehr schmaler Zwischenraum 57C festgelegt, und es werden eine größere Auflösung und eine größere Genauigkeit beim Erfassen von ünschärfezuständen erzielt.

Demgemäß wird in Theorie und Praxis bis zu dem Grad, der durch die benutzte Vorrichtung erzielbar ist, wenn das Bild 63A in Fig. 3 durch Reflexion durch das Objekt 33 erzeugt wird, das genau in dem Brennpunkt 24 der Projektionslinse 18 in Fig. 1 angeordnet ist, das Licht, welches das Bild 6 3A mit sich führt, sich genau längs der Achsen 21 und 45 bewegen, durch den Schneidkantenspiegel 95 in Fig. 4B genau hälftig aufgeteilt und jede Hälfte auf einen der Photodetektoren 57D, 57E projiziert. Im Falle des HeNe-Lasers 3 wird das Bild ein Lichtkreis mit einem Durchmesser von 0,02-0,05 mm sein (der die Gauß'sche Verteilung darstellt), der in zwei Halbkreisen auf die Spiegelkante 95A fokussiert wird, welche auf die Photodetektoren 57D bzw. 57E projiziert werden.

Es wird nun das Abtasten der Oberfläche des Objekts 33 boschrieben. Der Spiegel 12 in Fig. 1 kann gedreht werden, so daß er die Positionen 12A und 12B einnimmt, wie oben erwähnt. Das ist ausführlicher in Fig. 5 dargestellt. Wenn sich der Abtastspiegel 12 im Uhrzeigersinn

-VB-

dreht, Wird das Indexlichtbündel 6 als Lichtbündel 1O6A, 1O6B und 1O6C zu der Projektionslinse 18 reflektiert. Die durch die Pro^ektionslinse 18 als Bündel 1O8A, 1O8C fokussierten Bündel laufen durch Reflexionspunkte 11OA-11OC in der Brennebene 30. Licht, das durch das Objekt 33 in diesen Punkten reflektiert wird, wird durch die Projektionslinse 18 kollimiert, und zwar zu kollimiertem Licht in Form eines Bündels 112, das durch den Abtastspiegel 12 längs der zweiten Achse 45 als Bündel reflektiert wird.

Hinsichtlich der Parallelität zu der zweiten Achse 45 wird eine geometrische Analyse zeigen, daß, wenn die Achsen 21 und 45 rechtwinkelig sind und sich die Oberfläche des Abtastspiegels 12 in dem Schnittpunkt 15 dieser Achsen dreht und der Laserbündelteil 6 zu der zweiten Achse 45 parallel ist, alle Strahlen wie der Strahl 114, die aus einer Reflexion in der ersten Brennebene 30 hervorgehen, zu der zweiten Achse 45 parallel sein werden. Strahlen, die aus einer Reflexion hervorgehen, welche außerhalb der ersten Brennebene 30 erfolgt, werden zu der zweiten Achse 45 nicht parallel sein. Wenn sich die Reflexionspunkte 110A-110C längs der ersten Brennebene 30 bewegen, werden sich die sich ergebenden Strahlen wie der Strahl 114 zu der zweiten Achse 45 hin- und von derselben wegbewegen, aber zu dieser Achse parallel bleiben. Bekanntlich ändert diese seitliche Verlagerung des Strahls 114 bezüglich der zweiten Achse 45 nicht den Punkt, in welchem die Abbildungslinse 48 in den Fig. 1 und 2 den Strahl 114 fokussiert. Wenn jedoch das Objekt 33 in Fig. 5 aus der ersten Brennebene 30 hinaus verlagert wird (wie beispielsweise die Objekte und 72 in Fig. 2), wird sich das Licht, das durch das verlagerte Objekt in Fig. 5 (in Fig. 5 nicht als verlagert dargestellt) aufgrund der Lichtbündel 1O8A-1O8C (nicht

verlagert dargestellt) reflektiert wird, wie die Lichtbündel 75, 77 und 78 in Fig. 2 verhalten, weil es links oder rechts von der ersten Brennebene 30 reflektiert wird. Die links und rechts gelegenen Positionen der Reflexion spunk te 11OA-11OC bezüglich der ersten Brennebene 30 werden auf dieselbe Weise ermittelt wie die links und rechts gelegenen Positionen der Reflexionspunkte 72A, 33A und 68A in Fig. 2 bezüglich des ersten Brennpunkts 24 in Fig. 1. Weiter wird die Ermittlung gemäß Fig. 2 bei Anwendung auf das Objekt, das gemäß Fig. 5 abgetastet wird, nicht nachteilig durch die Tatsache beeinflußt, daß die Reflexionspunkte 11OB und 110C in Fig. außerhalb der ersten Achse 21 gelegen sind. Demgemäß kann das Objekt 33 abgetastet und die Kontur seiner Oberfläche abgebildet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Konturabbildung nach der Erfindung wird das Objekt 33 zuerst gemäß Fig. 1 auf einem Wagen 153 angeordnet und unter der Steuerung einer numerischen Steuereinheit 156 in das Gebiet der ersten Brennebene 30 bewegt. Gemäß der Erläuterung in Verbindung mit den Fig. 2 und 4A-4C erzeugen die Photodetektoren 57A, 57B Positionssignale, die anzeigen, ob das Objekt 33 näher bei der Projektionslinse 1 8 oder weiter entfernt von dieser als die erste Brennebene 30 ist. Stattdessen kann ein Wagenpositionsgeber 157 benutzt werden, um die Ankunft des Wagens in der Nähe der ersten Brennebene 30 anzuzeigen. Auf diese Positionssignale hin gibt die numerische Steuereinheit 156 ein Signal an einen Motor 159 ab, um die Projektionslinse 18 entweder zu dem Objekt 33 hin- oder von diesem webzubewegen, je nach den Photodetektorsignalen, die durch den Differenzverstärker 68 verarbeitet werden. Die Bewegung der Projektionslinse 18 wird fortgesetzt, bis die Photodetektorsignale anzeigen, daß die Scharfeinstellung des Indexlichtbündels 6 auf dem

Objekt 33 erreicht ist.

Die Bewegung der Projektionslinse 18 längs der Achse 21 erfolgt vorzugsweise durch Drehen eines mit Gewinde versehenen Halters 163, um die Projektionslinse 18 in bezug auf das Objekt 33 zu bewegen. Das hat zur Folge, daß die Lichtbündel 75C, 77C und 78C in Fig. 2 den Schneidkantenspiegel 95 in den Fig. 4A-4C überstreichen und den Differenzverstärker 6 8 veranlassen, ein Scharfeinstellsignal abzugeben, wenn die durch die Photodetektoren 57A und 57B empfangenen Bilder von gleicher Intensität sind (d.h., wenn das Licht, das durch die Photodetektoren 57A, 57B empfangen wird, in dem ersten Brennpunkt 24 reflektiert wird). Die numerische Steuereinheit 156 empfängt Signale über die Position der Projektionslinse 18 aus einem Positionsgeber 170 und ist so in der Lage, die Position des Brennpunkts 24 auf dem Objekt 33 zu berechnen, wenn der Komparator ein Scharfeinstellungssignal abgibt: der Brennpunkt 24 ist eine Brennweite entfernt von der Projektionslinse 18 längs der ersten Achse 21 angeordnet. Selbstverständlich könnte das Objekt 33 zusammen mit dem Wagen bewegt werden, statt die Projektionslinse 18 zu bewegen, es'ist aber im allgemeinen einfacher, zum schnellen Ändern des Abstands zwischen dem Objekt 33 und der Projektionslinse 18 die Projektionslinse 1 8 statt des Wagens zu bewegen, weil die Masse der Projektionslinse 18 im allgemeinen viel kleiner ist als die des Wagens 153.

Die Konturabbildung oder -aufzeichnung eines Objekts kann folgendermaßen erfolgen. Das Objekt, bei welchem es sich um eine Gasturbinentriebwerksschaufel 172 nach Fig. 6 handeln kann (oder um ein Gußstückurmodell , nach welchem eine Reihe von Formen für solche Schaufeln angefertigt wird), die im Querschnitt in Fig. 6A gezeigt ist, wird nahe der Brennebene 30 der Projektionslinse 18 angeordnet· Ein Teil einer Wand 175 der Schaufel 172

Air

wird weggeschnitten, damit das Indexbündel 6 auf die inneren Leitwände 170 der Schaufel 172 auftreffen kann. Die Schaufel 172 wird durch das Indexbündel 6 in der vertikalen Richtung (Pfeil 174) durch Drehen des Abtastspiegels 12 abgetastet, wie es oben in Verbindung mit Fig. 5 erläutert ist, und, wenn die Oberfläche der Schaufel 172 von der Brennebene 30 abweicht (was sie wegen der Leitwände 170 tun wird), bewegt sich das Laserbündelbild 63 über den Schneidkantenspiegel 95 auf die oben in Verbindung mit den Fig. 3 und 4A-4C erläuterte Weise, wodurch bewirkt wird, daß die Photomeßfühler 57A, 57B Signale erzeugen. Auf diese Signale hin bewegt die numerische Steuereinheit 156 in Fig. 1 die Projektionslinse 18 längs der ersten Achse 21, wie oben beschrieben, bis das Scharfeinstellsignal erzielt wird. Es ist somit zu erkennen, daß die numerische Steuereinheit 156 die Projektionslinse 18 so einstellt, daß der Brennpunkt 27 immer an der Oberfläche der Schaufel 172 gehalten wird. Die Links- oder Rechtsbewegung der Projektionslinse 18 längs der ersten Achse 21 entspricht Konturänderungen der Schaufel 172 nach links und nach rechts, wenn diese abgetastet wird.

In einem Sinn wird der Abstand zwischen der Projektionslinse 18 und der Schaufel 172 konstant gehalten, als ob ein mechanischer Kurvenkörper, der an der Projektionslinse 18 befestigt ist, der Oberfläche der Schaufel 172 folgen würde. Daher ist das Aufzeichnen der Links- und Rechtsverlagerungen der Projektionslinse 18 und das Aufzeichnen der Größe dieser Verlagerungen in Abhängigkeit von der Vertikalabtastung der Laserbündel 1O8A-1O8C in Fig. 5 gleichbedeutend mit dem Aufzeichnen der Oberflächenkontur einer vertikalen Schwade ((J. h. des durch das Indexbündel 6 beleuchteten Gebietes) auf der Schaufel 172. Anschließend an diese Vertikalabtastung wird die Schaufel 172 in die Ebene der Fig. 6A bewegt, und es

wird eine weitere, benachbarte vertikale Schwade abgetastet. Es Werden somit parallele Schwaden der Oberfläche der Schaufel 172 abgetastet, und die Oberflächenkontur wird abgebildet.

Vorstehend ist eine optische Prüfvorrichtung beschrieben, bei der eine einzelne Linse (die oben beschriebene Projektionslinse 18) zum Projizieren eines Indexlichtbündels auf einen auf einem zu prüfenden Objekt befindlichen Reflexionspunkt sowie zum Auffangen von Licht, das von dem Reflexionspunkt reflektiert wird, benutzt wird. (Selbstverständlich kann die einzelne Linse eine Reihe koaxialer Linsen umfassen und somit eine zusammengesetzte Linse sein.) Der Grad der Scharfeinstellung des reflektierten Lichtes wird abgefühlt, und die Linse wird in bezug auf das Objekt bewegt, um das reflektierte Licht scharfeinzustellen. Wenn die Scharfeinstellung erreicht ist, ist bekannt, daß sich der Brennpunkt um eine Brennweite von der Linse entfernt befindet, und die Position des Brennpunkts im Raum ist so aus der Position der Linse ermittelbar. Das Abtasten des Objekts mit dem projizierten Licht kann erfolgen, und die Vorrichtung hält einen konstanten Abstand zwischen der Linse und der Oberfläche des Objekts, die im Brennpunkt der Linse angeordnet ist, aufrecht, wodurch die Kontur des Objekts bestimmt werden kann.

Es sei angemerkt, daß der Abstand von dem Brennpunkt 24 zu der Projektionslinse 18 in Fig. 1 zu vielen verschiedenen Punkten auf der Projektionslinse 18 gemessen werden kann. Die Abstände, wie beispielsweise die Brennweite dieser Linse, werden jedoch auf eine bekannte Weise bestimmt, indem bestimmte Punkte auf einer Linse zur Entfernungsmessung gewählt werden.

Einige Prinzipien, die den bei der hier beschriebenen Er-

findung benutzten gleichen, sind in einer weiteren Patentanmeldung der Anmelderin beschrieben, die einen optischen Projektor zum Ggenstand hat. Weiter ist eine Erfindung, die verwendbar ist, um die Richtinstabilitäten von Laserlichtbündeln zu reduzieren, wenn ein Laser benutzt wird, um das Indexlichtbündel 6 nach Fig.1 zu erzeugen, in noch einer weiteren Patentanmeldung der Anmelderin beschrieben, die eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Stabilisieren eines Lichtbündels zum Gegenstand hat. Letztgenannte Anmeldung beschreibt und zeigt in Fig. 1 eine Vorrichtung, die ein Lichtbündel durch zwei koaxiale Linsen fokussiert, welche einen konfokalen Punkt haben. Eine Einrichtung zum Erfassen einer Winkelabweichung eines Lichtbündels von einem vorbestimmten Weg sowie eine Korrektureinrichtung zum Reduzieren der Abweichung durch Drehen einer optisch planen Platte, durch die das Lichtbündel hindurchgeht, sind beschrieben. Die parallele Platte ist zwischen zwei Linsen angeordnet. Bezüglich weiterer Einzelheiten wird auf diese beiden Patentanmeldungen verwiesen.

Der Zwischenraum 57C ist vorzugsweise infinitesimal schmal. In der Praxis ist jedoch der schmälste Zwischenraum, der in einer handelsüblichen Baugruppe erhältlich sein dürfte, wie der UDT Spot 2D der United Detector Technology, Culver City, California, etwa 0,125 mm (0.005 inch). AuBerdem ist das Bild 63A in Fig. 3 nicht ein diskreter Kreis wie dargestellt, sondern in Wirklichkeit eine kreisförmige Verteilung der Lichtintensität über dem Zwischenraum, wie es durch die Gauß'sche Verteilung in Fig. 3A dargestellt ist. Da in einer solchen Verteilung der Intensitätswert in irgendeiner Entfernung von der Mittellinie 6 3C des Bildes theoretisch nie null erreicht, wird etwas Beleuchtung theoretisch selbst dann auf die Photodetektoren 57A, 57B in Fig. 3 auftreffen, wenn das Bild 63A in dem Mittelpunkt zwi-

m a v * ν

W I» „

to

sehen ihnen genau fokussiert ist. Das stellt jedoch kein nennenswertes praktisches Problem dar, sondern verursacht eine gewisse Verschlechterung in dem bei der Photodetektoranordnung theoretisch verfügbaren Auflösungsvermögen. Das fokussierte Bild kann infolgedessen als ein Lichtkreis aufgefaßt werden, der Grenzen 63D in Fig. 3A hat, die in den Punkten angeordnet sind, wo die Gauß'sche Verteilung auf einen gewählten Bruchteil 63F (z.B. 10%) des Spitzenwertes 63E abgenommen hat.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Tatsache, daß die Messung der Entfernung von der Projektionslinse 18 zu dem Objekt durch Bewegen der Projektionslinse 18 allein erfolgen kann. Die Projektionslinse 18 wird längs der ersten Achse 21 bewegt, aber die übrigen Bauteile in Fig. 1 können stationär bleiben.

Es sind zwar besondere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden, im Rahmen der Erfindung, der durch die folgenden Ansprüche definiert ist, bieten sich jedoch zahlreiche Substitutions- und Modifikationsmöglichkeiten. Es ist beispielsweise möglich, den Abtastspiegel 12 in einer zweiten Richtung zu drehen, beispielsweise um die zweite Achse 45, um eine zweidimensionale Abtastung zu erzielen.

Claims

Dr. Horst Schüler

PATENTANWALT EUROPEAN PATENTATTORNEY

6000 Frankfurt/Main 1 (0611) 235555 Kaiserstrasse 41 04-16759 mapat d Telefon mainpatent frankfurt Telex (0611) 251615 Telegramm (CCITT Gruppe 2 und 3) TeleKopierer 225/0389 Deutsche Bank AG 282420-602 Frankfurt/M. Bankkonto Postscheckkonto :9296-13DV-7635 Ihr Zeichen/Your ref. :10. Februar 198^ Unser Zeichen'Our ref. 3404901 Datum/Date

Me./Vo./he.

General Electric Company

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Ansprüche :

Optische Prüfvorrichtung, gekennzeichnet durch:

a) eine erste Linse (18), die eine erste optische Achse (21) hat, zum Fokussieren eines Lichtbündels

(6) auf ein Objekt (33), das in einer ersten Brennebene (30) angeordnet ist, und zum Empfangen und Kollimieren von Licht, das aus der Richtung der ersten Brennebene reflektiert worden ist, und

b) eine Einrichtung (57) zum Erfassen des Auftretens eines vorbestimmten Typs von Kollimation nach a).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Typ von Kollimation die Kollimation des reflektierten Lichtes parallel zu der ersten optischen Achse (21) ist.
3. Optische Prüfvorrichtung, gekennzeichnet durch:

a) eine Lichtquelle (3) zum Liefern eines Lichtbündels (6);

b) eine erste Linse (18) mit einer ersten optischen Achse (21) zum

i) Empfangen des Lichtbündels (6) parallel zu

der ersten optischen Achse (21), ii) Projizieren des Lichtbündels (6) auf ein Gebiet , das eine erste Brennebene (30) der ersten Linse (18) enthält,

iii) Empfangen des durch ein Objekt (33) in dem die erste Brennebene enthaltenden Gebiet reflektierten Lichtes,
iv) Richten des empfangenen Lichtes auf eine

zweite Linse (48) zum Fokussieren des Lichtes auf eine zweite Brennebene (60) der zweiten Linse; und

c) eine Detektoreinrichtung (57), die in dem Gebiet der zweiten Brennebene (60) angeordnet ist, zum Empfangen des Lichtes aus der zweiten Linse und zum Erzeugen eines Signals, wenn die Reflexion des Indexbündels (6) durch das Objekt (33) in einer vorbestimmten Position erfolgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3) ein Laser ist.
5. Optische Prüfvorrichtung, gekennzeichnet durch:

a) eine Projektionslinse (18) mit einer ersten Brennebene (30) und einer ersten optischen Achse (21);

b) eine Abbildungslinse (48), die eine zweite Brennebene (60) und eine zweite optische Achse (45) hat, welch letztere die erste optische Achse (21) rechtwinkelig schneidet;

c) eine Einrichtung (9) zum Projizieren eines Lichtbündels (6) parallel zu der zweiten optischen Achse (45);

d) einen etwa um den Schnittpunkt (15) der ersten und der zweiten optischen Achse (21, 45) drehbaren Ab-

Λ *

tastspiegel (12) zum

i) Empfangen des Lichtbündels nach c), ii) Drehen, um das Lichtbündel zu verschiedenen Stellen auf der Projektionslinse (18) zu reflektieren, um

A) das Lichtbündel durch die Projektionslinse auf verschiedene Stellen in der ersten Brennebene (30) zu fokussieren,

B) durch die Projektionslinse Licht, das durch ein Objekt (33) reflektiert worden ist, welches nahe der ersten Brennebene (30) angeordnet ist, zu empfangen, um es auf den Abtastspiegel (12) zu fokussieren, und

C) das fokussierte Licht nach ii)B) zu der Abbildungslinse (48) zu reflektieren, um es auf die zweite Brennebene (60) zu fokussieren; und

e) einen Detektor (57), der nahe der zweiten Brennebene (60) angeordnet ist, zum Empfangen des reflektierten Lichtes nach d)ii)C) und zum Erzeugen eines Signals, wenn das Licht nach d)ii)C) in der ersten Brennebene (30) reflektiert wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch:

eine Detektoreinrichtung (57A, 57B, 68) zum Erfassen einer Winkelabweichung des Lichtbündels von einer vorbestimmten Referenz und zum Erzeugen eines entsprechenden Fehlersignals, und

ein© Korrektureinrichtung (156), die mit der Detektoreinrichtung verbunden ist, zum im wesentlichen Beseitigen des Einflusses der Winkelabweichung in einem Lichtbündel, das

aus dew Liöhtbündel auf das Fehlersignal hin gewonnen worden ist.
7. Verfahren zur optischen Prüfung eines Objekts, das nahe einer ersten Brennebene angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Projizieren eines Indexlichtbündels auf eine erste Linse;

b) Benutzen der ersten Linse zum Fokussieren des Indexlichtbündels auf die erste Brennebene;

c) Empfangen und Kollimieren des von dem Objekt reflektierten Lichtes mit der ersten Linse; und

d) Erzeugen eines Scharfeinstellsignals auf das kollimierte Licht nach c) hin, wenn das Objekt das Indexbündel in der ersten Brennebene reflektiert.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt d) die Schritte beinhaltet: i) Fokussieren des kollimierten Lichtes auf eine zweite Brennebene unter Verwendung einer zweiten Linse und ii) Erzeugen des Scharfeinstellsignals, wenn das Licht in der zweiten Brennebene fokussiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Stabilisierens des Indexlichtbündels durch

a) Fokussieren des Indexlichtbündels durch eine Platte hindurch unter Verwendung einer ersten Linsenanordnung auf einen Punkt auf einer Brennebene und von da aus auf eine zweite Linsenanordnung zur Projektion auf die Projektionslinse,

b) Feststellen einer Abweichung des Punktes von einem vorbestimmten Punkt, und

c) Drehen der Platte auf die Abweichung hin, um die Abweichung zu reduzieren.