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Dokumentenidentifikation DE202006008310U1 14.09.2006
Titel Vorrichtung zum optischen Prüfen von Gestaltabweichungen
Anmelder Brodmann, Rainer, Dr., 76316 Malsch, DE
Vertreter Schaumburg, Thoenes, Thurn, Landskron, 81679 München
DE-Aktenzeichen 202006008310
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 14.09.2006
Registration date 10.08.2006
Application date from patent application 24.05.2006
IPC-Hauptklasse G01B 11/30(2006.01)A, F, I, 20060524, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen der Gestaltabweichung eines Prüfobjektes durch Erfassen der Verteilung von Streulicht, das vom Prüfobjekt reflektiert wird.

Eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 30 37 622 B1 bekannt. Diese Vorrichtung dient zum Ermitteln der Gestaltabweichung höherer Ordnung, z.B. der Oberflächenrauheit. Gestaltabweichungen niedriger Ordnung, d.h. erster bis dritter Ordnung, werden als Unebenheit, Unrundheit und Welligkeit bezeichnet. Ein aus der vorgenannten DE 30 37 622 B1 abgewandelte Prüfeinrichtung, die in der EP 0 210 263 B1 beschrieben ist, ermöglicht die Ermittlung von Gestaltsabweichungen erster bis dritter Ordnung. Hierbei hat man bereits erkannt, dass durch Verändern der Messfleckgröße eine bestimmte Filterwirkung erzielt werden kann, mit der der Einfluß der Rauheit auf das Messsignal von dem Einfluß der Welligkeit getrennt werden kann. Insbesondere wird zur Ermittlung der Gestaltabweichungen erster bis dritter Ordnung die Änderung des Schwerpunktes der Streulichtverteilung, welche von den Detektoren des Detektorarrays gemessen wird, ausgewertet, wenn der Messfleck sich relativ zum Prüfobjekt bewegt. Die hierbei erfolgende Verschiebung des Schwerpunkts der Streulichtverteilung ist dann ein Maß für solche Gestaltabweichungen. Beispielsweise kann die Standardabweichung der Schwerpunktvariation der Streulichtverteilung als Kennwert für solche Gestaltabweichungen verwendet und daraus indirekt die Gestaltabweichung von einer Referenzgestalt in &mgr;m berechnet werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, bei der unter Verwendung eines einzigen Abtastkopfes Gestaltabweichungen höherer Ordnung, insbesondere Rauheit, und Gestaltabweichungen niedriger Ordnung, insbesondere Rundheit und Welligkeit, durch Erfassen der Verteilung von Streulicht ermittelt werden können.

Diese Aufgabe wird für eine Vorrichtung durch den Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß der Erfindung enthält ein einziger Abtastkopf zwei Halbleiterbauelemente, deren jeweiliger Strahlengang im Bereich zwischen Linsensystem und Prüfobjekt weitgehend übereinstimmt. Jedoch unterscheiden sich die beiden Strahlengänge in der auf dem Prüfobjekt erzeugten Größe des Messflecks. Mit Hilfe eines kleinen Messflecks kann mit verbesserter Genauigkeit auf die Gestaltabweichung höherer Ordnung, insbesondere Rundheit und Welligkeit, geschlossen werden. Bei Verwendung des Halbleiterbauelements mit vergrößertem Messfleck umfasst dieser Messfleck eine größere Anzahl von Ortswellenlängen der Oberflächengestalt, so dass in der Streulichtverteilung Informationen über höhere Gestaltabweichungen enthalten sind, insbesondere über die Rauheit.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

1 den schematischen Aufbau eines optischen Abtastkopfes mit zwei Halbleiterbauelementen und zentrischem Strahlengang,

2 ein Beispiel eines optischen Abtastkopfes mit außermittigem Strahleinfall, und

3 eine um 90° gedrehte Ansicht der Darstellung nach 2.

1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein erstes Halbleiterbauelement LED1 ist als lichtemittierende Diode ausgebildet und hat eine Lichtemissionsfläche mit linearer Ausdehnung oder Durchmesser y'1. Die vom Halbleiterbauelement LED1 ausgesendete Strahlung durchsetzt einen ersten Teilerspiegel T1 und wird von einer Kollimeterlinse oder Sammellinse S1 gesammelt. Die Sammellinse S1 hat einen Abstand von dem ersten Halbleiterelement LED1 entsprechend ihrer Brennweite fk. Die Sammellinse S1 parallelisiert die Strahlung, die einen zweiten Tellerspiegel T2 durchsetzt und zentrisch auf ein Linsensystem L1 auftrifft, welches die Strahlung auf das Prüfobjekt P lenkt. Der Abstand zwischen Prüfobjekt P und Linsensystem L1 beträgt annähernd die Brennweite fs des Linsensystems L1. Die auf dem Prüfobjekt P auftreffende Strahlung erzeugt einen Messfleck mit linearer Ausdehnung y1. Die von diesem ersten Messfleck reflektierte Streustrahlung hat eine den Gestaltabweichungen auf der Oberfläche des Prüfobjektes entsprechende Streulichtverteilung zur Folge. Diese Streulichtverteilung wird vom Linsensystem L1 in einem relativ großen Winkelbereich erfasst, dargestellt durch gestrichelte Pfeile. Die Streulichtverteilung wird in Rückwärtsrichtung am Tellerspiegel T2 abgelenkt und trifft auf ein Detektorarray D1 mit einer Vielzahl von strahlungsempfindlichen Detektoren. Dieses Detektorarray D1 erzeugt Signale entsprechend der Streulichtverteilung. Die genannten Bauteile, mit Ausnahme des Prüfobjekts P, sind innerhalb eines kompakten optischen Abtastkopfes angeordnet.

Eine Auswerteeinrichtung (nicht dargestellt) ermittelt aus den Signalen des Detektorarrays D1 mindestens einen Kennwert für die Gestaltabweichung auf der Oberfläche des Prüfobjektes P. Diese Auswerteeinrichtung ist nicht im Abtastkopf enthalten und umfasst typischerweise einen Personal Computer.

Der optische Abtastkopf enthält auch ein Strahlung emittierendes zweites Halbleiterbauelement LED2, das als lichtemittierende Diode ausgebildet ist. Es hat eine Strahlungsemissionsfläche mit linearer Ausdehnung oder Durchmesser y'2, der kleiner ist als der Durchmesser y'1 des ersten Halbleiterbauelements LED1. Die vom zweiten Halbleiterbauelement LED2 ausgesandte Strahlung wird am Teilerspiegel T1 reflektiert, so dass im weiteren Verlauf die Strahlengänge des ersten Halbleiterbauelements LED1 und des zweiten Halbleiterbauelements LED2 im Wesentlichen übereinstimmen. Die Strahlung des zweiten Halbleiterbauelements LED2 erzeugt auf der Oberfläche des Prüfobjekts P einen kleineren Leuchtfleck mit linearer Abmessung oder Durchmesser y2. Die reflektierte Strahlung wird über das Linsensystem L1 und den Tellerspiegel T2 ebenfalls dem Detektorarray D1 zugeführt und dessen Signale in der Auswerteeinrichtung ausgewertet.

Die Größe des Lichtflecks auf der Oberfläche des Prüfobjektes P berechnet sich annähernd zu y1,2 = y'1,2·fs/fk, worin y1,2 der Leuchtfleckdurchmesser des vom ersten Halbleiterbauelement LED1 bzw. des zweiten Halbleiterbauelement LED2 erzeugten Leuchtflecks, y'1,2 der Durchmesser oder eine lineare Ausdehnung der Lichtemissionsfläche des ersten Halbleiterbauelements LED1 bzw. des zweiten Halbleiterbauelements LED2, fs die Brennweite des Linsensystems L1 und fk die Brennweite der Sammellinse S1 ist. Somit können durch den Einsatz von zwei Halbleiterbauelementen mit unterschiedlicher Lichtemissionsfläche zwei Leuchtflecke mit unterschiedlicher Größe auf der Oberfläche des Prüfobjektes erzeugt werden. Die Einkopplung in den Strahlengang erfolgt über den Strahlteiler T1, der typischerweise zu 50 % durchlässig ist und zu 50 % reflektiert. Über eine Steuerelektronik ist es möglich, je nach Messaufgabe das erste Halbleiterbauelement LED1 oder das zweite Halbleiterbauelement LED2 zu aktivieren.

Zur Ermittlung der Gestaltabweichungen niedriger Ordnung, insbesondere Rundheit und Welligkeit, wird das zweite Halbleiterbauelement LED2 aktiviert, welches den Messfleck mit kleinerem Durchmesser y2 erzeugt. Typischerweise hat der Messfleck einen Durchmesser von 0,1 bis 0,4 mm. Aus den Signalen des Detektorarrays D1 können sodann aus der Streulichtverteilung die innerhalb des Messflecks auftretenden Neigungswinkel der abgetasteten Oberfläche ermittelt werden. Zur Auswertung wird auf die bereits erwähnte EP 0 210 263 B1 verwiesen. Vereinfacht ausgedrückt, wird aus der Streulichtverteilung deren Schwerpunkt als M-Wert ermittelt. Die Variation des M-Wertes über die Oberfläche des Prüfobjektes P bei einer Relativbewegung zwischen Abtastsensor und Prüfobjekt P ist dann ein Maß für die Gestaltabweichung, insbesondere Ebenheit, Rundheit und Welligkeit.

Wird das erste Halbleiterbauelement LED1 aktiviert, so wird auf dem Prüfobjekt P ein größerer Messfleck erzeugt, der eine Vielzahl von Ortswellenlängen der Rauheitsstruktur umfasst. Die bei der Reflexion entstehende Streulichtverteilung enthält somit Informationen über die Rauheit des Prüfobjektes. Typischerweise hat der Messfleck einen Durchmesser y1 von 1 bis 2 mm. Gemäß der bereits erwähnten DE 30 37 622 B1 können Kennwerte ermittelt werden, die ein Maß für die Rauheit sind, also ein Maß für die höheren Gestaltsabweichungen. Vereinfacht ausgedrückt, wird als Maß für die Rauheit die Standardabweichung der Streulichtverteilung ermittelt, die nach einer Normierung als Wahrscheinlichkeitsverteilung aufgefasst wird.

2 und 3 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel eines optischen Abtastkopfes. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 1 ist der Teilerspiegel T2 weggelassen worden. Die Strahlung des ersten Halbleiterbauelements LED1 und des zweiten Halbleiterbauelements LED2 fällt außermittig auf das Linsensystem L1 ein. Die entstehende Streulichtverteilung wird über das Linsensystem L1 dem ebenfalls außermittig angeordneten Detektorarray D1 zugeführt und es erfolgt die Auswertung der Signale des Detektorarrays D1. Der Vorteil der Anordnung nach den 2 und 3 liegt darin, dass die auf das Detektorarray D1 fallende Strahlung eine höhere Intensität hat, da der Teilerspiegel T2 entfällt.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zum Prüfen der Gestaltabweichung eines Prüfobjektes (P) durch Erfassen der Verteilung von Streulicht, das vom Prüfobjekt (P) reflektiert wird,

    bei der durch ein Linsensystem (L1) Strahlung eines ersten Halbleiterbauelementes (LED1) auf die Oberfläche des Prüfobjektes (P) lenkbar ist und dort einen ersten Messfleck erzeugt,

    die vom ersten Messfleck reflektierte Strahlung durch das Linsensystem (L1) einem Detektorarray (D1) zuführbar ist, aus dessen Signale eine Auswerteeinrichtung mindestens einen Kennwert für die Gestaltabweichung ermittelt,

    dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites Halbleiterbauelement (LED2) vorgesehen ist, dessen Strahlung durch das Linsensystem (L1) auf die Oberfläche des Prüfobjektes (P) gelenkt wird und dort einen zweiten Messfleck erzeugt, der kleiner als der erste Messfleck ist,

    und dass die vom zweiten Messfleck reflektierte Strahlung durch das Linsensystem (L1) dem Detektorarray (D1 zuführbar ist,

    wobei im Strahlengang von Linsensystem (L1) zum Prüfobjekt (P) die Mittelstrahlen des ersten Halbleiterbauelementes (LED1) und des zweiten Bauelementes (LED2) übereinstimmen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Steuereinheit wahlweise das erste Halbleiterbauelement (LED1) oder das zweite Halbleiterbauelement (LED2) aktiv schaltet.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der bei Aussendung der Strahlung durch das erste Halbleiterbauelement (LED1) die Auswerteeinrichtung einen Kennwert für die Rauheit des Prüfobjektes (P) ermittelt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der bei Aussendung der Strahlung durch das zweite Halbleiterbauelement (LED2) die Auswerteeinrichtung einen Kennwert (M) für langwellige Gestaltsabweichungen ermittelt, vorzugsweise für die Welligkeit und/oder die Rundheit.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das erste Halbleiterbauelement (LED1) eine größere Lichtemissionsfläche hat als das zweite Bauelement (LED2).
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die jeweilige Lichtemissionsfläche (y'1, y'2) des ersten Bauelements (LED1) oder des zweiten Halbleiterbauelements (LED2) direkt proportional dem Durchmesser (y1, y2) des ersten Messflecks bzw. des zweiten Messflecks ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der als Halbleiterbauelement eine LED oder eine Laserdiode vorgesehen ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste Halbleiterbauelement (LED1) und das zweite Halbleiterbauelement (LED2) im Brennpunkt einer Sammellinse (S1) angeordnet sind, die die jeweilige Strahlung parallelisiert und sie dem Linsensystem (L1) zuführt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der in den Strahlengang zwischen dem ersten Halbleiterbauelement (LED1) und der Sammellinse (S1) ein teildurchlässiger Spiegel (T1) angeordnet ist, der die von den Halbleiterbauelementen (LED1, LED2) ausgesandte Strahlung in einem gemeinsamen Strahlengang zusammenführt.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die von der Sammellinse (S1) ausgehende Strahlung dem Linsensystem (L1) zentrisch zuführbar ist.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die von der Sammellinse (S1) ausgehende Strahlung der beiden Halbleiterbauelemente (LED1, LED2) dem Linsensystem (L1) außermittig zuführbar ist, wobei die vom Prüfobjekt (P) reflektierte Streulichtverteilung vom Linsensystem (L1) dem außermittig angeordneten Detektorarray (D1) zuführbar ist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der vom ersten Halbleiterbauelement (LED1) erzeugte Messfleck eine lineare Ausdehnung oder Durchmesser (y1) von 1 bis 2 mm hat.
  13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der vom zweiten Halbleiterbauelement (LED2) erzeugte Messfleck eine lineare Ausdehnung oder Durchmesser (y2) von 0,2 bis 0,4 mm hat.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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