DE2620091A1

DE2620091A1 - Messystem zum bestimmen der kontur der oberflaeche eines gegenstands

Info

Publication number: DE2620091A1
Application number: DE19762620091
Authority: DE
Inventors: Jun Orvey Preston Lowrey; Frederick Porter Molden; James Preston Waters
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1975-05-08
Filing date: 1976-05-06
Publication date: 1976-11-25
Also published as: FR2310550A1; DK176576A; IE42799L; NL7604486A; BE841513A; CA1059752A; LU74901A1; GB1547624A; ES447690A1; US3986774A; AU1303476A; IE42799B1; BR7602733A; SE7604469L; JPS51137444A

Description

Meßsystem zum Bestimmen der Kontur der Oberfläche eines Gegenstands

Die Erfindung bezieht sich auf das Vermessen von Oberflächen und insbesondere auf ein Gerät zum Messen der Kontur einer streuenden Oberfläche mit einer fokussierten elektromagnetischen Strahlung.

Die Herstellung von vielen Präzisionsgegenständen, wie beispielsweise Teile der Instrumentierung und verschiedene Formen für Gasturbinentriebwerke, erfordert die genaue Kontrolle der Kontur

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von verschiedenen Oberflächen auf solchen Gegenständen und die Möglichkeit, die Kontur dieser Oberflächen bestimmen zu können. Die herkömmlichen Meßverfahren, die bei diesem Problem anwendbar sind, sind überprüft worden und in den meisten Fällen haben sich berührungsfreie optische Meßsysteme als am geeignetsten herausgestellt, die relativ strengen Anforderungen an solche Gegenstände einzuhalten Ein in der US-PS 3 671 126 beschriebener berührungsfrei arbeitender optischer Meßfühler ist für einige Verwendungszwecke einfach nicht genau genug. Ein sehr gutes System, das sich bei der Oberflächenvermessung als erfolgreich erwiesen hat, ist in der deutschen Patentanmeldung P 25 02 941.8 vorgeschlagen. Dieser ältere Vorschlag betrifft ein besonderes Verfahren zur Fernvei— folgung eines Strahlungsflecks, welcher auf die zu vermessende Oberfläche fokussiert ist. Das Verfahren ist äußerst genau und gestattet die Konturaufnahme von äußerst unregelmäßigen Oberflächen in einer relativ kurzen Zeitspanne. Einer der Nachteile eines solchen Systems ist der Schattenbildungseffekt, der sich bei gewissen Arten von Oberflächenkonturen ergibt. Beispielsweise können bei dem Vermessen einer gekrümmten Oberfläche, welche rippenartige Vorsprünge hat, diese Oberflächenunregelmäßigkeiten die Sichtlinie zwischen dem Detektor und dem Fleck auf der Obei— fläche, an welcher die einfallende Strahlung gestreut wird, untei— brechen. Somit Hegen verschiedene Punkte auf der zu vermessenden Oberfläche neben erhabenen oder vertieften Bereichen gegenüber dem Detektor im Schatten und es ist nicht möglich, mit dem Verfahren gemäß dem älteren Vorschlag Daten für solche Punkte

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zu gewinnen.

Ein Hauptziel der Erfindung ist es, eine Konturmessung einer

ungleichmäßigen Oberfläche mit einem optischen Fernverfolgungssystem vorzunehmen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß, wenn eine Oberfläche mit einem Fleck einer elektromagnetischen Strahlung abgetastet wird und wenn die Strahlung, die durch die Oberfläche gestreut wird, durch einen Detektor überwacht wird, Änderungen in der Oberflächenkontur manchmal den Detektor in den Schatten bringen. Die Kontinuität der gestreuten Strahlung, die die Detektoranordnung erreicht, kann jedoch mit mehreren einzelnen, in geeigneter Weise in bezug auf die Oberfläche angeordneten Detektoren aufrechterhalten werden, so daß zu allen Zeiten zumindest einer dieser Detektoren eine Sichtlinie zu dem Strahlungsfleck auf der Oberfläche hat.

Gemäß der Erfindung ist eine Quelle elektromagnetischer Strahlung auf die zu vermessende Oberfläche gerichtet und mehrere optische Fühlelemente sind in mit Bezug auf die Oberfläche und die in einer Rückkopplungsschleife liegenden Elemente genauen Positionen angeordnet,wodurch ein ununterbrochenes,gesteuertes System vorhanden ist, welches eine Information erzeugt, die die Kontur der Oberfläche auf dem Gegenstand beschreibt, der vermessen wird.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist die Verwendung von mehreren

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Detektoren, die jeweils diskrete lichtempfindliche Oberflächenbereiche haben, wobei entsprechende Flächen aus jedem Detektor elektrisch parallelgeschaltet sind. Eine relativ rauhe Oberfläche, wie sie für einen gegossenen Metallgegenstand typisch ist, wird leicht vermessen. Außerdem kann in jedem Detektor— kreis eine Vergrößerung vorgesehen werden, die sich von den anderen unterscheidet, um Daten zu erzeugen, welche Genauigkeiten haben, die von grob bis fein reichen.

Ein Vorteil der Erfindung ist die Zunahme der Stärke des Detektorsignals, die sich aus der Verwendung von mehreren Detektoren ergibt. Das Detektorsignal wird gewöhnlich für entweder ebene oder gekrümmte Oberflächenkonturen vergrößert. Die Erfindung gestattet das Abnehmen von Daten über der gesamten Oberfläche eines Gegenstands selbst dann, wenn der Gegenstand Diskontinuitäten in der Oberflächenhöhe enthält. Die Verwendung von mehreren Detektoren beseitigt das Nichtvorhandensein von Daten bei einer Oberflächenänderung, das sonst durch das Abschatten der gestreuten Strahlung verursacht wird, und ermöglicht das Aufzeichnen von Daten an Stellen, die unmittelbar neben Vorsprüngen liegen, welche vertikal von der Oberfläche vorstehen.

Ein weiterer Vorteil ist der vergrößerte Aufnahmewinkel, der

ο mit der Erfindung möglich ist und in einigen Fällen bis zu 80 auf jeder Seite der Ausbreitungsachse der auf den Gegenstand auftreffenden Quellenstrahlung beträgt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der

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folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Dar

stellung, welche die optischen Elemente zeigt, die bei dem Betrieb des Systems nach der Efindung benutzt werden,

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung, welche

die Schattenwirkung auf einen Detektor zeigt, die durch eine Plattform hervorgerufen wird, welche sich von der vermessenen Oberfläche erhebt,

Fig. 3 eine Darstellung des Intensitätsprofils

für eine optische Strahlung, die durch eine typische rauhe Oberfläche gestreut wird,

Fig. 4 ' in einem Diagramm die relative

Signalstärke des Detektors in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Einfallsachse und der Detektor— achse, und

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Fig. 5 ein vereinfachtes Diagramm, welches

die Haupt bestandteile in einer praktischen Ausfuhrungsform zeigt.

Ein einfaches Gerät, welches bei der Ausführung der Erfindung benutzt wird, ist in Fig. 1 dargestellt. Eine Quelle 10 elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise ein Laser, liefert ein Quellenbündel 12, welches mit einer negativen Linse 14 aufgeweitet und dann mit einer positiven Linse 16 zu einem fokussierten Fleck 18 auf der Oberfläche 20 eines Gegenstands 22 fokussiert wird. Detektor linsen 24a und 24b, die in bezug auf die auf den Gegenstand auftreffende Strahlung geeignet positioniert sind, wie im folgenden noch näher erläutert, sammeln und fokussieren die gestreute Strahlung als einen Abbildungsfleck 28a und 28b auf Detektoren 26a bzw. 26b.

Der Betrieb des Systems nach der Erfindung basiert auf der genauen gegenseitigen Lage der Strahlungsquelle, der Detektoren und des zu vermessenden Gegenstands entsprechend dem Verfahren, von welchem bei dem oben genannten älteren Vorschlag Gebrauch gemacht wird. Die Quellenstrahlung wird längs einer Einfallsachse 30 auf die Stelle 18 der Kontur gerichtet, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Oberfläche 20 zerstreut diese Strahlung, von welcher ein Teil längs der Detektorachsen 32a und 32b durch die Detektoi— linsen gesammelt wird, um die Flecken auf ihrem Detektor 26a bzw. 26b abzubilden. Jeder Detektor ist eine Mehrelementzelle, die eine Nullposition auf ihrer Oberfläche hat und _am Anfang

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mit der Nullposition in einer Linie mit einer Detektor achse liegt. Jeder Detektor erzeugt ein elektronisches Signal, welches den Ort des abgebildeten Fleckes auf der Oberfläche des Detektors beschreibt und angibt, ob der Abbildungsfleck links von der Nullposition, rechts von der Nullposition oder i.i der Nullposition liegt. Wenn nötig, werden die Detektoren in bezug auf die Oberfläche bewegt, was zur Folge hat, daß die abgebildeten Flecken sich zu einer Bezugs- oder Nullposition auf dem Detektor bewegen, und jedesmal dann, wenn ein abgebildeter Fleck in die Bezugsposition zurückkehrt, wird die Größe der Detektorbewegung, die zur Erzielung dieses Ergebnisses erforderlich ist, festgehalten. Diese Detektorbewegung ist analytisch in eine entsprechende Änderung der Oberflächenkontur umwandelbar und das Verfahren wird im wesentlichen wiederholt. Allerdings können als praktische Maßnahme sowohl der Gegenstand als auch die Detektoren sich während einer Meßfolge kontinuierlich bewegen.

Wenn ein Fernverf Olgungssystem, wie beispielsweise das in Fig. 1 dargestellte, zum Messen der Kontur einer Oberfläche benutzt wird, welche eine abrupte Änderung in ihrer Kontur aufweist, rufen verschiedene Kombinationen von Relativpositionen zwischen der Quelle der einfallenden Strahlung, der Oberfläche und dem Detektor Schatteneffekte hervor, für welche keine gestreute Strahlung einen der Detektoren erreicht. Ein diskreter Bereich des Gegenstands 22, der ein Plateau 34 hat, ist in Fig. 2 vergrößert dargestellt. Das Quellenbündel, welches den fokussierten Fleck bildet, ist um die Einfallsachse 30 herum symmetrisch und die

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Oberfläche streut die einfallende Strahlung aus dem Quellenbündel, wie im folgenden erläutert. Die längs der Detektorachse 32b gestreute Strahlung trifft auf eine Seite des Plateaus 34 auf und wird dadurch daran gehindert, die Detektorlinse 24b zu erreichen. Bei einem Detektorsystem, wie es in der älteren deutschen Patentanmeldung vorgeschlagen ist, hält das Plateau den fokussierten Fleck 18 von der Detektorlinse 24b ab und es wird kein Rückkehrsignal erzeugt. Mit der zusätzlichen Detektorlinse 24a und einer zugeordneten Schaltung erfolgt jedoch eine kontinuierliche Aufnahme der Oberfläche 20 geradewegs bis zur Basis des Plateaus.

Fig. 3 zeigt in einem vereinfachten Diagramm eine typische Intensitätsverteilung einer durch den Gegenstand 22 gestreuten Strahlung aus dem Fokussierungsfleck 18. Die Strahlung trifft längs der Einfallsachse 30 auf die Oberfläche auf und die gestreute Strahlung ist um die Spiegelreflexionsachse 36 symmetrisch. Wenn die Größe des Winkels zwischen einer Normalen 39 zu der Oberfläche und der Einfallsachse 30 mit θ bezeichnet wird, so ist der Winkel zwischen der Spiegelreflexionsachse 36 und der Oberflächennormalen 39 ebenfalls Θ. Die relative Intensität der in einer bestimmten Richtung gestreuten Strahlung in bezug auf den fokussierten Fleck 18 ist durch ein Strahlungsprofil dargestellt. Das Anbringen eines Detektors auf jeder Seite der Einfallsachse führt zu einem kombinierten Detektorsignal, welches leicht unterscheidbar ist, obwohl die Oberflächenwinkel θ und der Winkel zwischen der Oberflächennormalen 39 und der Einfallsachse 30 in einem großen Bereich geändert werden. Wie Fig. 3 zeigt,

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ist die Gesamtsignalstärke längs der beiden Detektorachsen eine Funktion des Winkels zwischen den beiden Detektoren, des Winkels θ und der Position der Oherflächennormalen in bezug auf die Einfallsachse.

Ein Diagramm des Detektorausgangssignals in Abhängigkeit von dem Winkel θ ist für ein typisches Detektorsystem in Fig. 4 dargestellt. Jede Detektorachse war unter einem Winkel von

ο
30 gegenüber der Einfallsachse 30 angeordnet. Die Signalstarke ist in normierten Einheiten im wesentlichen konstant, bis der Wert des Winkels θ gleich der Hälfte des Winkels zwischen einem Detektor und der Einfallsachse wird, was im Fall dieses Bei-

o ο

spiels 15 sind. Wenn der Winkel θ kleiner als 15 wird, nimmt die Signalstärke in der gezeigten Weise ab. Wenn der Wert des Winkel θ gleich dem des Winkels zwischen einer Detektorachse und der Einfallsachse 30 ist, ist die Stärke des Signals halb so groß wie die ursprünglich Spitzenintensität. Bei einem Wert von

ο
ungefähr 80 wird im wesentlichen kein nutzbares Signal von der Oberfläche zurückgeworfen. Der Punkt, an welchem kein nutzbares Signal festgestellt werden kann, ändert sich mit der Struktur der Oberfläche 22 und der Kohärenz der Strahlungsquelle.

In praktischer Hinsicht wird die Position jedes Detektors durch das tatsächliche Strahlungsstreuprofil festgelegt. In einem 2-Detektor-System ist jeder Detektor so angeordnet, daß er ungefähr der Hälfte der Spitzenintensität ausgesetzt ist, die längs der Spiegelreflexionsachse 36 gestreut wird. In dieser Geometrie

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liegt die Spiegelreflexionsachse in der Mitte zwischen den Detektorachsen 32a und 32b für den Zustand, in welchem das einfallende Bündel normal zu der Oberfläche und somit die Stärke des Kollektivsignals aus den mehreren Detektoren über einen großen Bereich von Oberflächenänderungen konstant ist. Nachdem die Detektoren eingestellt sind, kann sich die Spiegelreflexionsachse 35 beliebig zwischen den beiden Detektorachsen mit einer maximalen Abnahme um die Hälfte des Signals beliebig ändern.

Fig. 5 zeigt in einem Schaubild das Grundsystem von Pig. 1 mit mehreren Umlenkspiegeln 41 in einem praktischen System, bei welchem es erforderlich ist, daß die optischen Fokussierungs- und Empfangselemente in einen kompakten optischen Kopf 38 integriert sind. Die gesamte Kombination der Elemente innerhalb der gestrichelten Linien ist zu einem einzelnen System mit geringer Trägheit zusammengebaut, welches sich als eine Einheit bewegen kann. Die gezeigte Reihe von Umlenkspiegeln ist manchmal erforderlich, um einen ausreichenden Weg zu schaffen für die reflektierte Energie, nachdem diese durch die Sammellinsen hindurchgegangen ist, um das Fokussieren dieser Strahlung auf den Detektor zu ermöglichen. Der Kopf 38 spricht schnell auf die Signale an, die in den Detektoren erzeugt werden, und hält die reflektierte Energie aus dem auf den Gegenstand fokussierten Fleck an einer vorbestimmten Stelle auf der Detektoroberfläche. Ein linearer Stellantrieb 40 bewegt den Kopf in einer X-Richtung und ein Gegenstandspositionierer 44 bewegt den Gegenstand in einer Y-Richtung 46. Eine X-Positionssteu er einrichtung 48 empfängt

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Detektorsignale 50 aus den Detektoren 26a und 26b und gibt X-Antriebssignale an den Stellantrieb 40 ab. Eine Y-Positionssteuereinrichtung 52 gibt Y-Antriebssignale an den Gegenstandspositionierer 44 in Abhängigkeit von einem vorprogrammierten Plan ab, welcher durch einen Steuercomputer 55 geliefert werden kann. Ein X-Codierer 54 mit einem X-Positionssignal 56 und ein Y-Codierer 58 mit einem Y-Positionssignal 60 verfolgen die Linearbewegungen des optischen Kopfes 38 bzw. des Gegenstands 22. Als eine praktische Maßnahme werden die Positionssignale 56, 60 häufig optisch angezeigt und außerdem in den Steuercomputer 55 eingegegen, in welchem die Istabmessungen mit Standardbezugsabmessungen verglichen werden.

Ein Meßsystem mit mehreren Detektoren kann viele der Probleme überwinden, die durch Schattenbildung verursacht werden, wie oben beschrieben. Darüberhinaus können die mehreren Detektorschaltungen so eingestellt werden, daß sich die Empfindlichkeit der betreffenden Schaltung ändert. Beispielsweise, wenn die Brennweite der Detektorlinse 24b größer gemacht wird als die Brennweite der Linse 24a, erfolgt eine gleichzeitige Fein- und Grobaufnahme der Oberflächenkontur. Ebenso kann der Winkel zwischen irgendeiner besonderen Detektorachse und der Einfallsachse verändert werden, um die Empfindlichkeit zu beeinflussen, da die Sy stern empfindlichkeit abnimmt, wenn die Größe dieses Winkels abnimmt.

Die in Fig. 1 gezeigte negative Linse wird in das System hauptsächlich in denjenigen Anwendungsfällen eingefügt, in

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welchen die Quellenstrahlung ein kollimiertes Bündel mit relativ kleinem Durchmesser ist, da sie hilft, den Durchmesser des fokussierten Fleckes zu verringern. In anderen Anwendungsfällen, insbesondere in denjenigen, in welchen die Quelle 10 eine Punktquelle ist, wird eine negative Linse nicht verwendet. Der Durchmesser des fokussierten Fleckes kann ein wichtiger Gesichtspunkt insbesondere bei dem Vermessen einer Oberfläche mit einer Kontur sein, die sich schnell ändert, weil die Kontur— messung, die durch das System vorgenommen wird, einen Mittelwert über dem Bereich des fokussierten Fleckes liefert. Für einige Oberflächen mit einer hohen Oberflächenänderungs— rate ist eine Genauigkeit von etwa 0,0025 mm mit einem Fokussierung: fleckdurchmesser in der Größenordnung von 0,025 mm möglich.

Im Rahmen der Erfindung bietet sich dem Fachmann über die oben beschriebenen bevorzugten Ausfuhrungsbeispiele hinaus eine Vielzahl von Änderungs- und Vereinfachungsmöglichkeiten.

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Claims

Patentansprüche :

1 .) Meßsystem zum Bestimmen der Kontur der Oberfläche eines Gegenstands, gekennzeichnet durch:
eine Einrichtung, welche eine Quellenstrahlung längs einer Einfallsachse zu der Oberfläche des Gegenstands schickt, eine Einrichtung zum Bilden eines ersten Abbildungsflecks der Quellenstrahlung, die durch die Oberfläche längs einer ersten Detektorachse gestreut wird,

eine Detektor einrichtung, die auf die gestreute Strahlung anspricht, um die Position des ersten Abbildungsfleckes in bezug auf die erste Detektorachse zu bestimmen, eine Einrichtung zum Bilden eines zwei ten Abbildungsflecks der Quellenstrahlung, die durch die Oberfläche längs einer zweiten Detektorachse gestreut wird,

durch eine Detektoreinrichtung, die auf die gestreute Strahlung anspricht, um die Position des zweiten Abbildungsflecks in bezug auf die zweite Detektorachse zu bestimmen, eine Einrichtung zum Verschieben der Detektoreinrichtung und der Quellenstrahlung in bezug auf den Gegenstand, um den ersten und den zweiten Abbildungsfleck zu veranlassen, zu seiner zugeordneten Detektorachse zurückzukehren, eine Einrichtung zum Verschieben des Gegenstands in bezug auf die Einfallsachse, und

eine Einrichtung zum Messen der Linearverschiebung der Detektoreinrichtung in bezug auf den Gegenstand.

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2. Meßsystem nach Anspruch 1 ,gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Konzentrieren der Quellenstrahlung zu einem Fleck auf der Oberfläche.
3. Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung zum Korrelieren der Linearverschiebungsmessungen mit genauen Stellen auf der Oberfläche des Gegenstands.
4. Meßsystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Umwandlung jeder der Linearverschiebungsmessungen in eine entsprechende Änderung der Kontur der Oberfläche.
5. Meßsystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Vergleichen der Änderung der Kontur der Oberfläche mit einer Bezugskontur.
6. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtungen zum Bestimmen der Position des ersten und des zweiten Abbildungsflecks Ausgangssignale liefern, welche elektrisch parallelgeschaltet sind.
7. Meßsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Bilden des zweiten Abbildungsflecks eine Brennweite hat, die größer ist als die Brennweite der Einrichtung zum Bilden des ersten Abbildungsflecks.

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8. Meßsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der zweiten Detektor achse und der Einfallsachse kleiner ist als der Winkel zwischen der ersten Detektorachse und der Einfallsachse.
9.Meßsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Detektorachse symmetrisch um die Einfallsachse angeordnet sind_c
10. Meßsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeschlossene Winkel, der an dem Schnittpunkt der Einfallsachse mit der Detektorachse gebildet ist, kleiner ist als 80 .
11. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellenstrahlung eine sichtbare Strahlung ist.

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