DE3703505C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Profilbilddarstellung einer Werkstückoberfläche und die Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Ferti­ gungsüberwachung.

Profilbilder werden entweder in Form perspektivischer Darstellungen oder in Form von Profilschnitten erzeugt, sie werden insbesondere bei der Materialprüfung einge­ setzt. Üblich ist die Bereitstellung von Profilbildern mit Hilfe einer Fernsehkamera.

Derart gewonnene Profilbilder enthalten in den meisten Fällen jedoch nur unzureichende Information. Bei der Fertigung von Bauteilen erfolgt eine Überwachung der Montage mit Hilfe von Fernsehkameras. Bei der Bestückung von Leiterplatten mit elektrischen und elektronischen Bauelementen wird beispielsweise die Oberfläche der Leiter­ platte nach dem Bestücken von einer Videokamera aufge­ nommen, und das Bild wird mit einem Referenzbild ver­ glichen. Das Bild der bestückten Leiterplatten hängt ab von den Farben und den Kontrasten der Oberseiten der Bauelemente. Eine Überprüfung auf ordnungsgemäße Bestückung setzt voraus, daß die in Frage kommenden verschiedenen Bauelemente und die dafür vorgesehenen Stellen auf der Leiter­ platte unterschiedliche Farbe und/oder unterschiedlichen Kontrast aufweisen, da es sonst nicht möglich ist, das Fehlen eines Bauelements festzustellen.

Das obige Beispiel verdeutlicht welche Schwierigkeiten sich bei der Verwendung von Videokameras ergeben können. Auch wenn man mit einer Videokamera ein Werkstück von einer oder mehreren Seiten photographiert, ist die Information über beispielsweise den Profilschnitt (Höhen­ linie) in der Mitte eines Werkstücks in den seltensten Fällen gewinnbar.

Einrichtungen, mit denen die Oberfläche von Werkstücken erfaßt und ausgewertet wird, sind in verschiedenen Aus­ führungsformen bekannt. So z. B. ist aus der DE-OS 22 56 736 eine Vorrichtung zur Oberflächenprofilmessung bekannt, um beispielsweise digitale Angaben über die Beschaffenheit der gesamten abgetasteten Fläche zur Verfügung zu stellen. Allerdings ist eine solche Vorrichtung nicht geeignet, eine Bilddarstellung der Werkstückoberfläche zu erhalten.

In der DE 34 08 106 A1 ist ein Meßgerät zum Ermitteln der Rauhigkeit einer Oberfläche beschrieben. Über eine Optik wird das von einer auszumessenden Oberfläche gestreute Licht auf eine Photowandleranordnung gelenkt, welche das unter verschiedenen Winkeln gestreute Licht nach Winkeln ordnet. Dazu besteht die Photowandleranordnung aus einem Feld von einzelnen Photodioden. Bei (theoretisch) voll­ ständig glatter Oberfläche fällt der von der Oberfläche reflektierte Lichtfleck über eine Optik auf beispielsweise das in der Anordnung in der Mitte gelegene Photodioden­ element. Bei einer gewissen Rauhigkeit werden durch das gestreute Licht auch die den mittleren Elementen benach­ barten Elemente von Licht getroffen. Es wird die Intensität und der Winkel des einfallenden Lichts ausgewertet. Eine Darstellung der abgetasteten Oberfläche ist jedoch nicht vorgesehen.

Aus der DE 33 07 591 A1 ist eine optische Oberflächen­ kontrolle eines Prüflings bekannt, bei der eine Kathoden­ strahlröhre verwendet wird. Zwei senkrecht zueinander angeordnete Meßelement-Strahlen erfassen einen von dem Prüfling reflektierten Lichtstrahl. Auch hier ist keine Profilbilddarstellung möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Profilbilddarstellung einer Werkstückoberfläche anzugeben, die mit relativ geringem Aufwand herstellbar ist und in der Lage ist, Informationen über das Profil (die Höhenlinie) eines Werkstücks an einer gewünschten Stelle der Werkstückoberfläche zu liefern. Außerdem soll eine Verwendungsmöglichkeit für eine solche Vorrichtung angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 bzw. die im Anspruch 5 angegebene Erfindung gelöst.

Die Erfindung macht Gebrauch von einem Abstandsmeßver­ fahren, bei dem es sich um ein an sich bekanntes Meßverfahren handeln kann. Unter Zugrundelegung des Abstands-Meßver­ fahrens werden entlang einer Abtastlinie auf der Werkstück­ oberfläche die Abstände zwischen einer Meßanordnung und den Abtastpunkten auf der Abtastlinie gemessen. Dadurch erhält man ein Signal, welches sich auf einer Anzeigevorrichtung darstellen läßt. Das dargestellte Signal entspricht dem Profilschnitt (= Höhenlinie) der Werkstückoberfläche. Obschon die Abtastanordnung oberhalb des Werkstücks ange­ ordnet ist, läßt sich der Querschnitt der Werkstückober­ fläche darstellen. Dadurch, daß man für jede Zeilenab­ tastung einen Profilschnitt darstellt und zeitlich auf­ einanderfolgend mehrere Profilschnitte - zeitlich ver­ zögert - darstellt, erhält man eine perspektivische Dar­ stellung der Werkstückoberfläche. Besonders günstig ist der Einsatz des an sich bekannten Triangulationsver­ Abtaststrahl abtasten, wobei diese Platine vorher sorg­ fältig auf korrekte Bestückung untersucht wurde. Den dabei erhaltenen Profilschnitt (= Höhenlinie) speichert man als Referenzprofil. Nachfolgend hergestellte und geprüfte, in entsprechender Weise bestückte Schaltungs­ platinen werden dann ebenfalls diagonal abgetastet, und der dabei jeweils gewonnene Profilschnitt wird mit dem Referenz-Profil verglichen. Ist die Platine ordnungsgemäß bestückt, stimmt jeder Profilschnitt mit dem jeweiligen Referenz-Profil überein.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Skizze, die das sog. Triangulationsverfahren als eine bestimmte Art eines Abstandsmeßverfahrens veranschaulicht;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Abtasteinrichtung zum Erzeugen einer Profilbilddarstellung;

Fig. 3 ein Beispiel für eine perspektivische Profilbild­ darstellung, und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Profilbilddarstellung einer Werkstückober­ fläche.

Die vorliegende Erfindung macht speziell Gebrauch von dem sog. Triangulationsverfahren, das ist ein Verfahren zur Abstandsmessung, welches in verallgemeinerter Form auch dazu herangezogen werden kann, Information über die Ober­ flächenstruktur eines Werkstücks zu erhalten.

Fig. 1 zeigt anhand einer Skizze das Prinzip des Triangu­ lationsverfahrens. Von einer Laserlichtquelle Ω wird ein gebündelter Lichtstrahl unter einen Winkel α bezüglich der Flächennormalen des Werkstücks auf die Werkstückoberfläche gerichtet. Am Auftreffpunkt des Lichtstrahls wird das Licht unter einem entsprechenden Reflexionswinkel α reflektiert und fällt auf eine zweidimensional positions­ empfindliche Photodiode PD. Eine solche Photodiode be­ sitzt vier Elektroden in Form von zwei um 90° gegen­ einander versetzten Elektrodenpaaren. Die Ausgangssignale der Photodiode können als Koordinatensignal betrachtet werden, das den Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf der Oberfläche der Diode kennzeichnet. Trifft der Licht­ strahl auf eine erhöhte Stelle der Werkstückoberfläche, verschiebt sich der reflektierte Strahl etwa parallel, so daß er an einer anderen Stelle auf der Photodiode PD auftrifft. In Fig. 1 ist das Ausmaß der Versetzung des reflektierten Strahls mit d bezeichnet. Wenn s der Höhen­ unterschied der gerade betrachteten Stelle auf der Ober- fläche des Werkstücks ist, berechnet sich der "Abstand" s aus der Beziehung (d = s× sin α).

Wenn der Abstand zwischen der Meßanordnung und der Werk­ stückauflage bekannt ist, gewinnt man in der oben be­ schriebenen Weise also ein Abstandssignal. Bewegt man das Werkstück in Richtung des Pfeils P relativ zu der Meßanordnung, gewinnt man ein Signal, welches die Höhen­ schwankungen der Werkstückoberfläche entlang der abge­ tasteten Linie kennzeichnet. Diese Höhenschwankungen erge­ ben also, wenn man sie kontinuierlich auf einer Anzeigevor­ richtung darstellt, ein Profilschnittbild der Werkstück­ oberfläche.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung zum Gewinnen eines Signals, welches sich für die Darstellung eines Profilschnittbildes und/oder einer Perspektivdarstellung einer Werkstückober­ fläche eignet.

Eine Laserlichtquelle 3 gibt einen Lichtstrahl L ab, der von einem Kondensor 4 auf einer bestimmten Stelle eines Ablenkspiegels 5 fokussiert wird. Der Ablenkspiegel 5 wird von einem Antriebsmotor 6 periodisch verschwenkt, so daß der vom Ablenkspiegel reflektierte Lichtstrahl eine Abtast­ zeile einer Oberfläche 3 eines Werkstücks 1 überstreicht. Der von der Werkstückoberfläche reflektierte Lichtstrahl gelangt über ein Objektiv 7 auf eine zweidimensional positionsempfindliche Photodiode 8, deren Aufbau und Funk­ tionsweise oben anhand von Fig. 1 bereits erläutert wurde. Die Ausgangssignale der Photodiode 8 werden verarbeitet, um ein die Höhenschwankungen der Oberfläche 3 des Werkstücks 1 entlang der Abtastlinie A kennzeichnendes Signal, also eine Profilschnittdarstellung zu erhalten.

Das Werkstück 1 wird in Pfeilrichtung P schrittweise und synchron mit der Schwenkbewegung des Ablenkspiegels 5 ver­ schoben. Dadurch erhält man aufeinanderfolgende Profil­ schnittdarstellungen der Werkstückoberfläche.

Fig. 3 zeigt, wie die durch die Abtastung der Werkstückober­ fläche gewonnenen Signale auf beispielsweise einem Bild­ schirm dargestellt werden können. Durch aufeinanderfolgende Darstellung einzelner Profilschnitte mit geringer zeitlicher Verzögerung erhält man eine perspektivische Darstellung.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild der gesamten Vorrichtung zum Erzeugen einer Profilbilddarstellung. Eine Steuerung 10 gibt Synchronisationssignale an eine Treiberschaltung 9 für den Motor 6 des Ablenkspiegels 5 und an eine Anzeige­ vorrichtung 11, beispielsweise an ein Bildschirmgerät. Die Treiberschaltung 9 veranlaßt den Motor 6, den Ablenk­ spiegel 5 mit einer Periodendauer zu verschwenken, die durch das Synchronisationssignal festgelegt wird. Die An­ zeigevorrichtung 11, die ebenfalls das Synchronisations­ signal von der Steuerung 10 empfängt, stellt aufeinander­ folgende Profilschnitte dar. Hierzu empfängt die Anzeige­ Vorrichtung 11 über eine Signalverarbeitungsschaltung 12 von der Photodiode 8 die Meßsignale. In der Signalverar­ beitungsschaltung 12 erfolgt eine Aufbereitung der von der Photodiode 8 kommenden Signale derart, daß die aufbe­ reiteten Signale für die Darstellung auf der Anzeigevor­ richtung 11 geeignet sind.

Insbesondere führt die Signalverarbeitungsschaltung 12 hier eine Kompensation der Signale durch. Betrachtet man Fig. 2, so ist ersichtlich, daß aufgrund des Verschwenkens des Ablenkspiegels 5 während einer Abtastung einer Abtast­ zeile unterschiedlich lange Lichtwege entstehen. Im Bereich der Umkehrpunkte des Ablenkspiegels 5 sind die Lichtwege am längsten; wenn die auf das Werkstück auftreffenden und von diesem reflektierten Lichtstrahlen in einer Ebene senkrecht zur Werkstückoberfläche liegen, sind die Licht­ wege am kürzesten. Die unterschiedlichen Lichtwege verur­ sachen Intensitätsänderungen des auf die Photodiode 8 auf­ treffenden Lichtstrahlenbündels. Durch Normierung läßt sich erreichen, daß das gewonnene Meßsignal von Signal­ verzerrungen befreit ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich zum Beispiel dazu verwenden, die Bestückung von Schaltungsplatinen mit elektri­ schen und elektronischen Bauelementen zu überprüfen. Dazu wird die Oberfläche der Platine nach dem Bestücken in be­ stimmten Abständen zeilenweise abgetastet. Das für jede Abtastzeile gewonnene Profilschnittbild wird mit einem vorgegebenen Referenz-Profil verglichen. Stimmen die ver­ glichenen Profile überein, bedeutet dies, daß die Be­ stückung ordnungsgemäß erfolgt ist.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Erzeugen einer Profilbilddarstellung einer Werkstückoberfläche, mit

• - einer optischen Abtasteinrichtung (3 bis 8), die die Werk­ stückoberfläche zeilenweise mit einem gebündelten Lichtstrahl abtastet und aus dem reflektierten Signal ein die Höhen­ schwankungen auf der Abtastlinie repräsentierendes Signal erzeugt, und dazu aufweist:
  • - eine Lichtquelle, vorzugsweise eine Laserlichtquelle (2),
  • - einen von einem Antriebsmotor (6) periodisch verschwenkten Ablenkspiegel (5), auf den der von der Lichtquelle (2) abgegebene Lichtstrahl (L) auftrifft, um auf die Werkstück­ oberfläche (3) gelenkt zu werden, und
  • - eine positionsempfindliche Photodiode (8), die das reflektierte Signal empfängt,
• - einer Antriebsvorrichtung, die das Werkstück (1) vorzugsweise schrittweise relativ gegenüber der Abtasteinrichtung bewegt,
• - einer an die Abtasteinrichtung angeschlossenen Anzeigevorrich­ tung (11), der die Signale von der Abtasteinrichtung zugeführt werden und die mit der Zeilenabtastung synchronisiert ist, um für jede Zeilenabtastung einen Profilschnitt darzustellen und durch zeitlich aufeinander folgende Profilschnitte eine perspektivische Darstellung der Werkstückoberfläche zu erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuervorrichtung (10) die Schwenkbewegung des Ablenkspiegels (5) mit der als Kathodenstrahlröhre ausgebildeten Anzeigevorrichtung (11) synchronisiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationseinrichtung (12) vorgesehen ist, die die durch die unterschiedlichen Lichtstrahlwege der von dem Ablenkspiegel abgelenkten Lichtstrahlen verursachten Signalverzerrungen kompensiert.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Objektiv (7), das den von der Werkstückoberfläche (3) reflektierten und von dem Ablenkspiegel (5) anschließend abgelenkten Lichtstrahl aufnimmt.

5. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Fertigungsüberwachung, gekennzeichnet durch das Vergleichen der Darstellung mindestens eines Profilschnitts mit einem Referenzprofil.