DE3435033A1

DE3435033A1 - Lichtschnittverfahren zur optischen oder optoelektronischen abstands- bzw. tiefenmessung und oberflaechenpruefung

Info

Publication number: DE3435033A1
Application number: DE19843435033
Authority: DE
Inventors: Guido-Georg 8013 Haar Reinert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-09-24
Filing date: 1984-09-24
Publication date: 1986-04-03

Description

Lichtschnittverfahren zur optischen oder optoelectronischen
Abstands- bzw. Tiefenmessung und Oberflächenprüfung.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit der zu seiner Durchführung erforderlichen Vorrichtung zum Ausmessen von Tiefen und Unebenheiten, bzw. Abstanden durch das Übertragen von vertikalen Tiefenausdehnungen auf eine zur Vertikalen senkrechte, horizontalen Messflache mit einer Messkala bei subjektiver optischer Nessung oder einen Detektor bei electronischer Auswertung.
ist ist bekannt, Rauhigkeits-, ?rofil-, Oberflachen- und Abstandsmessungen mit optischen ochnittbildverfahren durchzuführen. Bei diesen Erti- und Messverfahren wird in den meisten Fällen ein Lichtspalt oder ein Lichtopunkt auf die zu prüfende, bzw. zu messende Flache mittels eines schrag auf den Prüfling auffallenden Lichtstrahls projiziert. Die beim Auftreffen des .ichtstrahls auf die zu prüfende Bleche entstehende Verzeichnung, bzw. Ablenkung wird mittels eines Prüfmikroskops optisch an einer Skala oder optoelectrisch mit einem Detektor hohen Auflösungsvermögens durch ein electronisches system sichtbar gemacht. Hierbei ist es notwendig, die den Lichtpunkt oder palt abbildende Optik stets nachzuführen, bzw. zu fokusieren oder die Tiefenunscharfe in Kauf zu nehmen, wobei allerdings die Mess- bzw. Anzeigegenauigkeit erheblich verringert wird.
Diese Abweichungen und Messungenauigkeiten werden durch die Erfindung dadurch beseitigt, dass die Ebenen in denen Lichtstrahl und Messflache mit Skala oder Detektorflache verlaufen miteinander die Scheimpflung'schen Bedingungen erfüllen.
Hierdurch bewegt sich der als Nesspunkt fungierende Lichtfleck, Spaltbild oder Lichtpunkt, stets in der Scharfenebne der Messkala oder auf der Oberflache des Detektors, sodass die Bildscharfe der Messpunkte Während aller Bewegungen des zu prüfenden Gegenstandes optimal erhalten, also die Auf-Lösung der einzelnen Messpunkttstellungen gewährleistet ist, da die optische Gegenstandsebene erfindungsgemäss mit dem Messtahl zusammen fallt.
Dieses wird dadurch erreicht, dass die durch den schrag zur Gegenstands ebene verlaufenden Lich- oder Laserstrahl gebildeten Messpunkte in der ganzen Messflache, skala oder Detektorfläche, gleichmässig scharf abgebildet werden. Die einander zugeordneten, durch den Messtrahl mit dem zu prüfenden, bzw. auszumessenden Gegenstand gebildeten Lichtmarken haben hierdurch auch bei geneigter Anordnung im Gegenstandsraum stets den gleichen, einmal scharf eingestellten Objekt bildabstand, werden also in der Messebene oder auf der Detektorflache stets optimal scharf abgebildet.
Die richtige Stellung der optischen Achse des den Lichtpunkt abbildenden Gbjektivs wird erfindungsgemass dadurch erreicht, dass die Hauptebene des den Gegenstand in die Nessebene abbildenden Optiksystems parallel zur Winkelhalbierenden des vom Messtrahl und der Messbildebene gebildeten winkels verlaut. Dieses gewähr.leistet eine stets optimale Ausrichtung des Objektivs und gestattet auch die Anwendung verschiedener Abbildungsmasst&be oder gar die Anwendung von Objektiven mit veranderlicher Vergrösserung. Die Veranderungen von Messbedingungen, um die Messung dem Objekt und der gewünschten Messgenauigkeit anzupassen, wird dadurch erreicht, bzw. ermöglicht, dss das optische Sytem eine veränderliche Vergrösserung bei konstantem Objekt-Bildabstand aufeist. Hierdurch ist es möglich den Lichtpunkt auf der Messkala oder dem Detektor so vergrössert abzubilden, dass er dem Messverfahren tunlichst angepasst werden kann.
Eine weitere Möglichkeit die Messgenauigkeit den Anforderungen des Verfahrens beim Messvorgang anzupassen besteht noch darin, dass der Winkel zwischen Messtrahl und Messebene beliebige Werte zwischen 0° und 1800 annehmen kann. Je nach Neigung des Nesstrahls und unter Beibehaltung des Abbildungsmasstabs ist hierdurch die "Messauflösung" auf der I.esokala oder der ebene des Detektors bei eringen Messtiefen gesteigert oder auch umgekehrt bei grösseren Messtiefen entsprechend vergröbert werden.
Um eine möglichst von der Scharfentiefe des Messmarkenprojek tionsobjektivs unabhangige Definition des Messtrahls, bzw.
der von ihm gebildeten Messmarke zu erreichen,ist der Messbezugspunkt, bzw. die linie dadurch gebildet, dass der Messstrahl von einer scharf begrenzten, auf den zu messenden Gegenstand projizierten Blendenkante, die durch die optische Achse des Projektionssystems geht, gebildet wird. Die so in der Projektion entstandene Schnittkante wird einmal bei ebenen Objekten als gerade Linie oder eine dem Oberflächenprofil entsprechende Kurve in der Messkalenebene, bzw. der Ebene des Detektors verlaufen und damit die Oberflächenstruktur sichtbar machen.
Die Erfindung sei durch die schematischen Abbildungen veranschaulicht und das Verfahren an Hand derselben erklärt.
Fig.1 stellt den optischen Strahlengang der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens dar.
Fig.2 zeigt die verschiedenen Bildwirkungen der Vorrichtung im Messfeld der Bildebene.
Fig.3 veranschaulicht die Verwedung eines ZOCM-Systems und dessen Wirkung.
Wie in Fig.1 dlrgestellt,bilden die Cbjektive 1 und 2 den Gegenstndspunkt 3, dessen Abstand t gemessen werden soll, im Punkt 4 der Messsbildebene 5 auf einer skala, bzw. einem geeigneten Detektor scharf und durch die Anwendung des Scheimpflug'schen Verfahrens unverzeichnet ab. Hierbei wird durch die Schraagstellung der Messfläche und dem geneigten Verlauf des Messtrahls 6 die Messtrecke um den Faktor 1,414 bei einer Neigung von 45° zur optischen Achse des abbildenden Systems um diesen Faktor gedehnt, sodass eine annäherend rund einskommafünffache Erhöhung der Messgenauigkeit auf des Messtab bzw. Detektor erzielt wird.
Den Messtrahl 6 bildet eine durch die optische Achse des Projektionsobjektivs 9 verlaufende Blendenkante der Blende 10.
Hierdurch entsteht eine scharfe Trennkante, die das zu messende (bjexffifeLd bei )? in der Tiefe t in eine helle und Pine dunkLe Hälfte aufteilt, wie dieses in der ?ig. z a-c veranschaulicht wird. Die Beleuchtung der Blendenkante von 10 erfolgt beispielsweise durch die Lichtquelle 7 mit ihrem Kollektor 8, der wiederum 7 in die iu'qile von 9 abbildet.
Wie sich die schatten und Helligkeitsverteilung entlang des Messtrahls 6 im Objekt bei 3 auswirkt,wird in Fig. 2 d schematisch dargestellt.
Jedem Punkt der Tiefe t wird durch die Hell-Dunkelfeldgrenze eine entsprechender Tiefenabstand zugeordnet, der dann bei 4 in der Bildebene 5 seinen korrespondierenden Messpunkt hat.
Ist es notwendig, die Messgenauigkeit zu steigern oder zu verringern, ohne die Grundscharfeinstellung des Gerätes zu verändern, so ist dieses, wie in Fig.3 gezeigt, durch ein zwischen den Objektiven 11 und 15 angeordnetes ZOOM-system 12, 13, 14 möglich, wobei die Verstellung der ZOOMlinsen die Hauptebene 16 zu dem Gegenstandspunkt 3 und dem Bildpunkt 4 gegen den Knotenpunkt 17 des Systems eine Farallelverschiebung zur [inkelhalbierenden des von der Bildebne 5 und der Messtrahlebene 6 gebildeten Winkels erfahrt, sodass die Hauptebene nicht mehr mit der Winkelhalbierenden zusammenfällt, sondern eine zu ihr parallele Ebene bildet.
Diese neue ortische Anordnung ermöglicht nicht nur eine steigerung der Messgenauigkeit' sondern auch die Anwendung, sowohl optisch-okularer, als auch optisch-electronischer Auswertemethoden. Sie kann sowohl subjektiv, als auch objektiv verwendet werden.
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Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1 lichtschnittverfahren zur optischen oder optoelectronischen Abstands- bzw. Tiefenmessung, bei dem ein die optische Achse des Nessystems schneidender, telezentrischer nicht oder Laserstrahl die Bezugslinie für die Höhen- bzw. Abstandsunterschiede in der Ebene des zu vermessenden Gegenstandes ist, dadurch gekennzeichnet, dass die ebenen in denen Lichtstrahl und Messtrahl mit Messkala oder Detektorflache verlaufen,miteinander die Scheimpflug'schen Bedingungen erfüllen.
2 Lichtschnittverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den schrag zur Gegenstandebeneverlaufenden Licht- oder Laserstrahl gebildeten Meßpunkte in der ganzen Messfläche, Meßskala oder DetektorflGche, gleichmässig scharf abgebildet werden.
3 Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprúchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Erfüllung der Scheimpflug'schen 3edingung der Licht- bz, Laserstrahl als Messtrahl und die Messebene, Skala oder Detektorfläche, die optische Achse des abbildenden Objektivsystems unter dem gleichen, entgegengesetzten Winkel schneiden.
4 Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptebenen des den Gegenstand in die Messebene abbildenden Optiksystems parallel zur Winkelhalbierenden des vom Messtrahl und der Messbildebene gebildeten Winkels verlaufen.
5 Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optische system eine veranderbare Vergrösserung bei gleichem Obåekt-Bildabstand aufweist.
6 Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen Messtrahl und Messebene beliebige der te zwischen O und 180 annehmen kann.
7 Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Messtrahl von einer scharf begrenzten, auf den zu messenden Gegenstand projizierten Blendenkante, die durch die optische Achse des Projektionssystems seht, gebildet wird.