DE3500332C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung einer gekrümmten Oberfläche eines Gegenstandes (Oberflächenprüfvorrichtung), entsprechend dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Ein Oberflächenprüfgerät entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist aus der DE 30 21 072 A1 bereits bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung kann mit Hilfe einer Vi­ deo-Kamera eine Rasterabtastung der Oberfläche des zu prüfenden Gegenstandes durchgeführt werden. In dieser Druckschrift geht es dann insbesondere um die logische Weiterverarbeitung der über die Video-Kamera erzeugten Bildsignale.

In der DE-Z "Leica-Fotografie", Heft 5, 1980, S. 40 und 41, wird ein Projektionsobjektiv für ungeglaste Diaposi­ tive beschrieben. Ausgangspunkt für diese Entwicklung war die Schaffung einer verbesserten Projektion von ungegla­ sten Diapositiven, die sich durch unterschiedliche Ein­ flüsse in unerwünschter Weise gewölbt haben, so daß bei normalen Projektor-Objektiven entweder die Bildmitte oder der Bildrandbereich eines solchen Diapositivs scharf auf eine Projektionswand projiziert wird. Das in dieser Lite­ raturstelle insbesondere beschriebene Objektiv "Colorplan CF" ist in der dortigen Abb. 4 auf S. 41 als einfache bi­ konvexe Linse veranschaulicht, und zwar ohne irgendeine Zusammenordnung dieser bikonvexen Linse mit einem anderen Linsensystem. Das hier vorgeschlagene Projektions-Objek­ tiv dient somit einem ganz anderen Zweck als der Verwen­ dung in einer Vorrichtung zur Prüfung einer gekrümmten Oberfläche eines Gegenstandes.

Eine andere bekannte Oberflächenprüfvorrichtung, die als Sensor bzw. als Umsetzungseinrichtung für die Oberflächenprüfung von Gegenständen eine Fernsehkamera verwendet, um bei­ spielsweise zu ermitteln, ob Fehler, wie z. B. Oberflä­ chensprünge, -risse, -blasen oder dgl., auf den Gegen­ ständen vorhanden sind oder nicht, sei unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert.

Gemäß Fig. 1 ist eine als Sensor bzw. photoelektrische Um­ wandlungseinrichtung benutzte Fernsehkamera 1 mit einer Linseneinrichtung, die z. B. eine konvexe Linse 2 auf­ weist und mit einem Schirm 3 versehen, wobei die Linse 2 eine optische Achse 4 besitzt. Unter Verwendung der Fern­ sehkamera 1 kann mit dieser Vorrichtung ein Bild der spe­ zifischen Fläche auf einer Ebene 5, die sich an einem Punkt P auf der optischen Achse 4 und im wesentlichen - vertikal zu dieser optischen Achse 4 befindet, etwa bo­ genförmig auf dem Schirm 3 der Fernsehkamera 1 erzeugt werden. Selbst wenn die Linseneinrichtung mit der Linse 2 so justiert ist, daß die Ebene 5 optisch lesbar ist, kann - wie an sich bekannt - aufgrund der Schürfentiefe der Linseneinrichtung der Ebenenabschnitt mit einem Bereich 6 zwischen den Ebe­ nen 5 ₁ und 5 ₂ (wie durch gestrichelte Linien darge­ stellt), die jeweils parallel zur Ebene 5 an den Punkten P1 und P2 vor und hinter dem Punkt P auf der optischen Achse 4 liegen, auf dem Schirm 3 ein im wesentlich klares Bild erzeugt werden. Die Fernsehkamera ist daher in der Lage, effektiv Videosignale auf Gegenständen zu erzeugen, die innerhalb des Bereiches 6 liegen.

Es sei nun angenommen, daß die Oberfläche 7a eines zu prüfenden Gegenstandes 7 beispielsweise in einer konkaven Form (wie in Fig. 1 gezeigt) gegenüber der Fernsehkamera gekrümmt ist und daß diese Oberfläche 7a Abschnitte ent­ hält, die aus dem oben erwähnten Bereich 6 hervorstehen. Wenn diese Linseneinrichtung mit der Linse 2 auf die Ebene 5 fokussiert (scharf eingestellt) ist, dann können die Abbildungen dieser hervorstehenden Abschnitte nicht als ein klares Bild auf dem Schirm 3 der Fernsehkamera durch die Linseneinrichtung gebildet werden, was zu einem unscharfen Bild führt. Dementsprechend ist die Fernsehkamera 1 nicht in der Lage, wirkliche Videosignale für die oben erwähnten vor­ stehenden Abschnitte zu erzeugen, und somit ist es unmög­ lich, zur gleichen Zeit, in der die Abschnitte innerhalb des Bereiches 6 geprüft werden, auch eine Prüfung der hervorstehenden Abschnitte durchzuführen.

Es ist möglich, den hervorstehenden Abschnitt dadurch zu verkleinern, daß die Öffnung der Linseneinrichtung die die Schärfentiefe beeinflußt, verkleinert wird, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, den Bereich 6 vor und hinter der Ebene 5 auszudehnen. Der weiteren Ausdehnung des Bereiches 6 sind jedoch Grenzen gesetzt. In Abhängigkeit von dem Krümmungsgrad der zu prüfenden Oberfläche 7a gibt es viele Gründe, daß nicht alle der hervorstehenden Abschnitte dadurch abgedeckt werden können. Außerdem würde eine solche Reduzierung der Öffnung der Linseneinrichtung 2 eine Verminderung der Lichtmenge bewirken, die durch diese Linseneinrichtung hindurchgeht. Infolgedessen ist die Lichtmenge, die auf den Schirm 3 der Fernsehkamera 1 einfällt, redu­ ziert, wodurch die Videosignale so schwach werden können, daß eine Prüfung nicht durchführbar ist. Um dies zu ver­ meiden, muß die Lichtmenge von einer - in der Zeichnung nicht aufgezeigten - Lichtquelle, die die zu prüfende Oberfläche 7a bestrahlt, vergrößert werden. Dieser Ver­ größerung der Lichtmenge sind jedoch Grenzen gesetzt.

Auf der anderen Seite können durch die Anordnung einer Linse mit langer Brennweite, z. B. einer Teleskoplinse, an der Fernsehkamera die Abschnitte der gekrümmten zu prüfenden Oberfläche in ihrer Gesamtheit als wirkliches Bild auf dem Schirm der Fernsehkamera ohne irgendeinen unscharfen Abschnitt gebildet werden. Bei der Verwendung einer Teleskoplinse ist es jedoch auch bekannt, daß die Brennweite so lang ist, daß die Fernsehkamera mit der Te­ leskoplinse mit Abstand von dem zu prüfenden Gegenstand plaziert werden muß. Daher bringt die Verwendung einer Teleskoplinse in der Fernsehkamera Probleme in bezug auf den Raum und auf die Lichtquelle mit sich, und außerdem sind aufgrund der langen Brennweite starke Einflüsse durch Erschütterungen der Fernsehkamera gegeben.

Weitere Einzelheiten der oben als optisches System ver­ wendeten Linseneinrichtung mit der Linse 2 der Fernsehka­ mera 1 gemäß dem Stand der Technik seien unter Bezugnahme auf die Fig. 2 erläutert.

Gemäß Fig. 2 besitzt diese konvexe Linse 2 eine solche Funktion, daß sie ein Bild des Gegenstandes 7, der in konkaver Form gegenüber der Linse 2 gekrümmt ist, als ein Bild 7′ erzeugt, das den konkaven Gegenstand 7 simuliert, jedoch entgegengesetzt zum Gegenstand 7 relativ zur Linse 2 gekrümmt ist, wie es Fig. 2 zeigt.

Wenn der Fokus der Linse 2 in diesem Falle auf den tief­ sten Teil 0 am Gegenstand 7 eingestellt ist, dann werden die Bilder der anderen Abschnitte des Gegenstandes 7 (näher zur Linse 2 liegende Abschnitte) unscharf werden, falls die Schärfentiefe nicht beachtet wird. In anderen Wor­ ten, wenn ein Schirm 3 der Fernsehkamera 1 vertikal zur optischen Achse 4 und darauf am Punkt 0′ plaziert wird, der mit dem tiefsten Punkt 0 am Gegenstand 7 auf der op­ tischen Achse 4 korrespondiert, dann wird auf dem Schirm 3 das Bild am Punkt 0′ scharf sein, während die an­ deren Abschnitte jedoch alle unscharf sind.

Wenn dagegen die Linse 2 am Gegenstand 7 auf dessen flachsten (am weitesten vorn liegenden) Teil scharf ein­ gestellt und der Schirm 3 am korrespondierenden Abschnitt des Bildes 7′ plaziert ist, dann wird zumindest das Bild am Punkt 0′ unscharf werden.

Durch die oben beschriebene Oberflächenprüfvorrichtung ergeben sich somit beim Prüfen nicht-flacher Oberflächen von zu prüfenden Gegenständen unvermeidbare Probleme, so daß nicht alle geprüften Oberflächen bzw. Oberflächenab­ schnitte gleichzeitig geprüft werden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung (Oberflächenprüfvorrichtung) der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art zu schaffen, durch die alle oben aufgezeigten Probleme gleichzeitig gelöst werden können.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in seinem kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die erfindungsgemäß ausgebildete und verwendete zweite Linseneinrichtung und besondere durch die kon­ vex-konkave Linse dieser zweiten Linseneinrichtung mit ihren unterschiedlichen Krümmungsradien und den sich da­ durch ergebenden unterschiedlich gekrümmten Oberflächen ist es möglich, äußerst raumsparend und genau eine zu prüfende gekrümmte Oberfläche eines Gegenstandes in eine flache Ebene abzubilden, so daß dann die zu prüfende ge­ krümmte Oberfläche des Gegenstandes insgesamt als vollkommen scharfes Bild wiedergegeben werden kann, wo­ durch die gewünschte Prüfung der gesamten Prüffläche gleichzeitig und mit äußerst großer Präzision durchge­ führt werden kann. Da für diese genaue Prüfung der ganzen Prüfoberfläche auf die Verwendung einer Teleskoplinse (wie weiter oben zum Stand der Technik erläutert) ver­ zichtet werden kann, kann auch der Raum für die Durchfüh­ rung der Prüfung sehr klein gehalten werden, wobei eine herkömmliche Lichtquelle ausreichende Beleuchtung schaf­ fen kann.

Die Erfindung sei nachfolgend anhand einiger ebenfalls in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele nä­ her beschrieben. In dieser Zeichnung, in der gleiche Be­ zugszeichen für gleiche Elemente verwendet sind, zeigen

Fig. 1 eine Schemadarstellung zur Erläuterung der Abbildungs-Funktion einer herkömm­ lichen Fernsehkamera;

Fig. 2 eine Schemadarstellung zur Erläuterung der Linseneinrichtung der bekannten Fernsehka­ mera gemäß Fig. 1;

Fig. 3 und 4 Schemadarstellungen zur Erläuterung der Funktionen eines Ausführungsbeispieles der benutzten Linseneinrichtung (optisches System) nach der Erfindung;

Fig. 5 eine Schemadarstellung eines Ausführungsbeispieles der Oberflälchenprüfvorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 6 und 7 Querschnittansichten von Anführungsbeispielen von Linseneinrichtungen.

Die Fig. 3 und 4 zeigen optische Systeme zur Erläuterung der optischen Abbildung. Diese optischen Systeme enthalten im Vergleich zu der anhand der Fig. 1 und 2 beschrie­ benen bekannten Ausführung eine weitere Linseneinrichtung mit einer konvex-konkaven Linse 10. Im Falle der Fig. 3 kann eine flache Ebene, wie die in dieser Zeichnung ge­ zeigte Oberfläche des Gegenstandes 11, durch die weitere Linseneinrichtung mit der Linse 10 in ein gekrümmtes Bild 11′ (in diesem Falle konkav gegenüber der Linse 10) über­ führt werden (wie in dieser Zeichnung dargestellt). Vom Wesen des Lichtes her ist es daher leicht zu verstehen, daß durch die Verwendung desselben optischen Systems, also der weiteren Linseneinrichtung mit der konvex-konka­ ven Linse 10, gemäß Darstellung in Fig. 4 von einer konkav gegen die Linse 10 gekrümmten Oberfläche 12 eines zu prü­ fenden Gegenstandes ein in einer flachen Ebene liegendes reelles und vollkommen in der flachen Ebene fokussiertes Zwischenbild 12′ hergestellt werden kann.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel der Oberflächenprüfvorrichtung schematisch veranschau­ licht, in der das in den Fig. 3 und 4 gezeigte optische System mit der weiteren Linseneinrichtung und der konvex­ konkaven Linse 10 in der vorderen Stufe des herkömmlichen optischen Systems mit der ersten Linse 2 der Fernsehkamera 1 als eine Ausführungsart einer Relaislinse angeordnet ist, so daß die optischen Achsen 4 miteinander übereinstimmen. In diesem Falle kann die weitere Linsen­ einrichtung in einer Art montiert werden, die eine Ab­ standsjustierung relativ zur ersten Linse 2 ge­ stattet. Die weitere Konstruktion der Fernsehkamera 1 ist im wesentlichen die gleiche wie bei der Fernsehkamera gemäß Fig. 1. Außerdem ist in Fig. 5 eine be­ kannte Einrichtung 14 zur Verarbeitung eines Vi­ deosignales Sv von der als photoelektrische Umsetzungs­ einrichtung verwendeten Fernsehkamera 1 zur Prüfung der gekrümmten Oberfläche auf ihre Güte veranschaulicht, d. h. es kann sich bei dieser Einrichtung 14 z. B. um einen Computer handeln, der eine vorbestimmte Prüfung durch eine Aufbereitung des Ausgangssignales von der Fernsehka­ mera 1 durchführt.

Nachfolgend sei die Betriebsweise der Vorrichtung dieses Ausführungsbei­ spieles gemäß Fig. 5 erläutert.

Wenn eine Oberfläche 13 eines zu prüfenden Gegenstandes beispielsweise gegen die konvex-konkave Linse 10 der weiteren Linsenein­ richtung konkav geformt ist (gemäß Fig. 5), dann ergibt sich dieselbe optische Funktion wie bei dem anhand der Fig. 3 und 4 erläuterten optischen System mit der konvex- konkaven Linse 10. Demnach wird - wie anhand Fig. 4 erläu­ tert - durch die konvex-konkave Linse 10 das Bild der Oberfläche 13 als reelles Zwischenbild 13′ in einer fla­ chen Ebene liegend im rückwärtigen Bereich der konvex-konkaven Linse 10 hergestellt, d. h. im vorderen Abschnitt des herkömmli­ chen optischen Systems mit der ersten Linse 2. Dieses flache Zwischenbild 13′ wird durch die erste Linse 2 in üblicher Weise als ein Bild auf dem ebenen Schirm 3 der Fernsehkamera 1 gebildet. In die­ sem Falle ist die konkave oder gekrümmte Oberfläche 13 relativ zur optischen Achse 4 so angeordnet, daß das fla­ che Zwischenbild 13′, das durch die weitere Linsenein­ richtung mit der konvex-konkaven Linse 10 gebildet ist, im wesentlichen vertikal zur optischen Achse 4 liegt und daß dieses Zwi­ schenbild 13′ durch das optische System mit der ersten Linse 2 als Bild auf dem Schirm 3 abgebildet ist. Auf diese Weise wird die Abbildung des Zwischenbil­ des 13′, das durch die erste Linse 2 auf dem Schirm 3 hergestellt ist, vollkommen scharf sein. Daher zeigt ein Videosignal Sv, das mit der gekrümm­ ten Oberfläche 13 und dem Ausgang der Fernsehkamera 1 übereinstimmt, auf korrekte Weise die ganze Oberfläche, d. h. es stellt ein effektives Signal für die Prüfung der gekrümmten Oberfläche des Gegenstandes dar. Demzufolge kann durch eine Verarbeitung des Videosignales Sv durch die bekannte Verarbeitungseinrichtung 14 die ganze Oberfläche 13 zur gleichen Zeit geprüft werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 sei nun ein praktisches Aus­ führungsbeispiel der weiteren Linseneinrichtung beschrie­ ben, die ein Bild einer nicht-flachen Oberfläche als Bild in einer flachen Ebene (wie oben beschrieben) herstellt.

In dieser Querschnittsansicht gemäß Fig. 6 ist die weitere Linseneinrichtung als Ausführungsbeispiel mit einer kon­ vex-konkaven Linse 10 (insgesamt eine Konvex- oder Sam­ mellinse) veranschaulicht, die zwei unterschiedliche Krümmungsradien aufweist. Diese durch eine sphärische Oberfläche b mit großem Krümmungsradius und eine sphäri­ sche Oberfläche a mit kleinem Krümmungsradius gebildete konvex-konkave Linse 10 ist so bearbeitet, daß die konvexe sphärische Oberfläche a zu einer nicht-sphärischen Oberfläche c ab­ geschliffen ist, beispielsweise einer flachen, schalen­ förmig gekrümmten Oberfläche, die in dieser Fig. 6 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Hierdurch wird der Krümmungsradius der konvex-konkaven Linse 10 in der Nähe der optischen Achse 4 allmählich größer als im Bereich von deren äußerem Umfangsabschnitt. Auf diese Weise wird die Brennweite einer so geformten konvex-konkaven Linse 10 abhängig von der Entfernung von ihrer optischen Achse 4. Demzufolge führt diese Linse 10 gemäß Fig. 6 zu den anhand der Fig. 3 bis 5 erläuterten Funktionen für das optische System.

Es sei noch hinzugefügt, daß die Form und Krümmung der nicht-sphärischen Oberfläche c, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist, in geeigneter Weise in Übereinstimmung mit dem Krüm­ mungsgrad bzw. der Krümmungsrichtung der zu prüfenden Oberfläche 13 ist, die als flache reelle und vollkommen in der flachen Ebene fokussierte Zwischenbil­ der 12′ oder 13′ abgebildet werden soll.

Fig. 7 zeigt ebenfalls in einer Querschnittsansicht ein anderes Ausführungsbeispiel der weiteren Linseneinrich­ tung. In diesem Falle ist eine konvex-konkave Linse 10′, die durch sphärische Oberflächen a und b in derselben Weise wie in Fig. 6 hergestellt ist, so bearbeitet, daß die konvexe sphärische Oberfläche a in eine nicht-sphäri­ sche Oberfläche d dadurch geformt ist, daß der Krümmungsradius der Oberfläche d in der Nähe der optischen Achse 4 oder um diese Achse 4 herum kleiner ist als der der sphärischen Oberfläche a, wie es durch gestrichelte Linien in Fig. 7 gezeigt ist. Die Brennweite der so geformten konvex-konkaven Linse 10′ wird daher abhängig von der Entfernung von der optischen Achse 4. Durch Verwendung einer solchen weiteren Linseneinrichtung mit dieser konvex-konkaven Linse 10′ wird es daher ebenfalls möglich, ein vollkommen flaches Bild der Oberfläche eines Gegenstandes herzustellen, die entgegengesetzt zu der gemäß Fig. 4 gekrümmt ist, also mit einer konvexen Oberfläche der konvex-konkaven Linse 10′ gegenüberliegt. Infolgedessen erfüllt diese konvex-konkave Linse 10′ ebenfalls denselben Zweck wie die weiter oben beschriebene konvex-konkave Linse 10. Ferner muß die Form der nicht-sphärischen Oberfläche d in diesem Falle ebenfalls in Übereinstimmung mit der Form (Krümmung und Krümmungsrichtung bzw. Krümmungsgrad) der zu prüfenden Oberfläche geändert werden.

Bei den Beispielen gemäß Fig. 6 und 7 handelt es sich um Fälle, in denen eine sogenannte Einzellinse verwendet wird. Diese weitere Linseneinrichtung kann zur Erfüllung der oben erwähnten Zwecke jedoch auch durch eine Mehrlin­ senkombination oder durch eine Linsen-Prismen-Kombination verwirklicht werden.

Während in den oben erwähnten Ausführungsbeispielen eine gekrümmte Oberfläche - in Abhängigkeit von den zu prüfen­ den Oberflächen - unter Verwendung der weiteren Linsen­ einrichtung mit den konvex-konkaven Linsen 10 oder 10′ in eine flache Ebene überführt wird, kann an Stelle der ersten Linse 2 für die Fernsehkamera 1 auch eine solche Anordnung getroffen werden, daß das flache Bild der ge­ krümmten zu prüfenden Oberfläche direkt auf dem Schirm 3 der Fernsehkamera abgebildet wird.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Prüfung einer gekrümmten Oberfläche eines Gegenstandes, mit

• - einer photoelektrischen Umsetzungseinrichtung mit einem ebenen Schirm und einer Linsenein­ richtung zur Erzeugung eines Bildes von der zu prüfenden, gekrümmten Oberfläche auf dem ebenen Schirm sowie
• - einer Einrichtung zur Verarbeitung eines Videosignales von der photoelektri­ schen Umsetzungseinrichtung zur Prüfung der gekrümmten Oberfläche auf ihre Güte,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine weitere Linseneinrichtung konvex-konkave Linsen (10, 10′) vorgesehen ist, um von der gekrümmten Oberfläche (12, 13) des zu prüfenden Gegenstandes ein in einer flachen Ebene liegendes reelles und vollkommen in der flachen Ebene fokussiertes Zwischenbild (12′, 13′) herzustellen, von der aus dieses reelle Zwischenbild durch die erstgenannte Linseneinrichtung Linse (2) auf den ebenen Schirm (3) der photoelektrischen Umsetzungseinrichtung Fernsehkamera (1) abgebildet wird, wobei diese weitere Linseneinrichtung eine konvex-konkave Linse (10, 10′) mit zwei unterschiedlich gekrümmten Oberflächen (a, c, d) aufweist, deren Krümmungsradien von der Krümmung und der Krümmungsrichtung der zu prüfenden Oberfläche abhängen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der zu prüfenden Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche (c) der konvex-konkaven Linse (10) eine nicht-sphärische, flachgekrümmte Schalenform auf­ weist, während die andere Oberfläche (b) dieser konvex-konkav Linse (10) sphärisch gekrümmt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der der zu prüfenden Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche (c) der konvex-konkaven Linse (10) vom Umfangsteil dieser Linse zur optischen Achse (4) hin allmählich größer wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der der zu prüfenden Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche (d) der konvex-konkaven Linse (10′) vom Umfangsteil dieser Linse zur opti­ schen Achse (4) hin allmählich kleiner wird.