DE3122712A1

DE3122712A1 - "verfahren und vorrichtung zum beruehrungslosen messen von oberflaechenprofilen"

Info

Publication number: DE3122712A1
Application number: DE19813122712
Authority: DE
Inventors: Thomas Mario New York Cipolla; Joseph Legrand Mundy; Gilbert Brackett Porter
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-06-11
Filing date: 1981-06-06
Publication date: 1982-03-18
Also published as: IL62959A0; IL62959A; GB2078944B; JPS5724810A; CA1164094A; IT1139362B; FR2484633A1; US4349277A; GB2078944A; IT8122186A0; NL8102813A; JPH0330802B2; FR2484633B1

Description

Verfahren und Vorrichtung zum berührungslos^ Messen von Oberfl 3chenprofilen

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Massen won Dberflächenprofilen unter Verwendung von Farben und mit relativer Unempfindlichkeit gegenüber der Oberflächenreflexion und-rauhigkeit.

Es ist seit vielen Jahren bekannt, daß man mittels optischer Triangulation eine genaue Kenntnis νο,η Oberf lächenprof ilen erhalten kann. Die Grundidee ist in Figur 1 dargestellt. Die Verschiebung des einfallenden Lichtstrahlenbündels am Schnittpunkt mit der Oberfläche,S » erlaubt die Berechnung der Verschiebung der Stellung der Oberfläche bezüglich der Bazugsflache (z=0). Das heißt,

S » ΔΖ Η Sin θ

uobei Π die optische Vergrößerung, Θ des· Parallaxen-Uinkel, AZ die Verschiebung der Oberflächenposition_s und <5 die Verschiebung der beobachteten Punktposition ist. Dieses Verfahren wird bei einer großen Anzahl von Meßsensoren verwandet, weist jsdoch eine Anzahl von Nachteilen auf. Es kann nämlich mit diesem Verfahren zu einer bestimmten Zeit nur ein Punkt gsmssssn warden und die maximale Geschwindigkeit ist 10 000 Punkte/sec. Außerdem muß

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eine genaue Abtastung des Lichtstrahlenbündels aufrechterhalten uerden. Eine höhere Abtastgeschwindigkeit ist möglich, wenn mehrere Lichtstrahlenbündel v/erwendet uerden, wodurch sich jedoch bezüglich der Frage, welcher Lichtstrahl gerade auf dem Sensorfeld ist, Unklarheiten ergeben. Das Ergebnis ist won der Oberflächenreflexion abhängig, die bei Metalloberflächen um mehrere Größenordnungen v/ariieren kann.

Auf dem Gebiet der Oberflächentopographie hat die Parallaxen-Photographie (Photogrammetric) den ersten dieser Nachteile überwunden. In diesem Falle wird jeder Punkt in einer won zwei Oberflächenansichten zu der entsprechenden Umgebung in der anderen Ansicht in Beziehung gesetzt. Die Lokalisierung des Korrelationsscheitels ermöglicht die Berechnung der Verschiebung zwischen den beiden Ansichten, welche ihrerseits zum Oberflächenprofil führt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daQ die Korrelation rechnerisch aufwendig ist und zu Ungenauigkeiten führt, wenn unkorrelierte Störungen in den Bildern v/orhanden sind.

Ein letztes relevantes Verfahren ist die sogenannte Moire-Streutechnik (Moire fringe technique). Bei dieser Technik wird ein Strichraster auf die zu messende Oberfläche projiziert. Die Oberfläche wird durch eine ähnliche Strichmaske beobachtet. Dies führt zu Störsteuungen, die Änderungen im Oberflächenprofil· anzeigen. Der Nachteil bei diesem Verfahren ist, daß das seitliche Auflösungsuermögen nicht über die Teilung des Strichrasters hinaus gehen kann. Zusätzlich stören Änderungen in der Oberflächenreflektiv/itHt die Streuformation.

Erfindungsgemäü sieht das Parallaxen-Verfahren mit UellenlMngen-Markierung vor, daß ein Farbraster won Licht im ultrav/ialetten, sichtbaren oder infraroten Bereich mit mindestens zwei Uellenlängen oder Uellenlängenbändern auf die Oberfläche eines reflektierenden Objektes projiziert wird. Dieses Raster erzeugt eine genau bestimmte räumliche Variation, so daQ Verschiebungen des

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reflektierten Lichts infolge der Profilvariationen leicht festgestellt werden können. Durch die Verwendung verschiedener Wellenlängen wird eine Unabhängigkeit von OberflächenrefIsktivitätsänderungen ermöglicht, wodurch die Verschiebungen den Profilabweichungen entsprechen. Bevorzugt wird ein Komplementärfarbraster verwendet, welches durch das Herausziehen gleicher Energiebänder einer Lichtquelle gebildet wird. Die Stellung jedes Punktes im projezierten Raster wird einzig durch die relativen Beträge der auf die Oberfläche einfallenden Uellenlängenenergie bestimmt. Um eine Tiefenempfindlichkeit zu erreichen, sollte die Energieänderung steil verlaufen} mittels periodischer Sägezahn- oder Kosinus-Lichtstrahlung wird dieses Erfordernis erfüllt.

Die Verwendung der Wellenlängenmarkierung macht die Indentifizierung der Verschiebungen genau. Das reflektierte Licht wird bei einem vorgegebenen Parallaxen-Winkel gemessen und die verschiedenen Wellenlängen oder Wellenlängenbänder werden separat erfaßt und die Verschiebung auf dem Erfassungsfeld hängt von der Tiefe der Objektoberflache von einer Bezugsfläche ab. Separate Sensorsignale werden entsprechend der erfaßten Lichtintensität jedes Wellenlängenbandes erzeugt. Die Sensorsignale werden in einer Farbmasken-Entkopplungsschaltung einer Signalverarbeitungsvorrichtung kombiniert und ein normalisiertes Signal, welches im wesentlichen unabhängig von Oberflächenreflektivitäts- und Rauhigkeitsänderungen ist, wird herausgezogen. Die Phasenverschiebung des normalisierten Signals bezüglich der Referenzfläche wird bestimmt und daraus die Tiefandaten, mit denen das Obarflächenprofil beschrieben werden kann.

Der optische Sensor weist im einzelnen einen Sender mit einer Multispektrallamp8,dichroitischßnSpiageJn zum Herausziehen der sichtbaren und infraroten Baader, Kondensorlinsen» und einen

auf,

Spiegel mit einer Strichmaske /der die Wellenlängenbänder kombiniert und ein periodisch komplementäres Farbmuster projiziert. Der optische Empfänger weist dichroitische Filter auf, um die

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sichtbaren und IR-Bänder aus dem reflektieren Licht zu ziehenjund getrennte lineare Photadioden-Detektoranordnungen. Das normierte Signal uird durch die Gleichung (\l '/\l -\l, ^l/\l. ) berechnet, uobei

a 3D D

Ii ' und V' die ersten Ableitungen der Sensorsignale I/ und \l. sind. Ein Scheitel- und Nullpunktdetektor und ein Interpolator bestimmen periodisch die Phasenverschiebung^und die Tiefendaten ergeben sich entsprechend der Phasenverschiebung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden beschrieben.

Es zeigen:

Figur 1 ein Diagramm des Grundkonzeptes einer bekannten optischen Einpunkt-Tr/'angulation;

Figur 2 das Prinzip des Parallaxen-Verfahrens mit Uellenlängenmarkierung;

Figur 3 ein lineares Anstiegsverhältnis zwischen P-i ^Gesamtenergie und Stellung;

Figur 4 den normalisierten linearen Anstieg mit einer Abweichung infolge einer Profilstufe;

Figur 5 den Verlauf komplementärer "Sägezahn"-Lichttransmissionen für die Wellenlängen X , und ^₂;

Figur 6 ein vereinfachtes Diagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des optischen Sensors zum Erzeugen und Projizieren einer komplementären Farbmaske auf ein Tragflächenprofil und zum separaten Erfassen der empfangenen Farbbänder;

Figur 7 eine graphische Darstellung der Energieverteilung einer UoIfram-Lichtquellej

Figur B eine Draufsicht auf den maskierten Spiegel der Figur 6j

Figur 9 zuei lineare Photodiodenfelder in ihrer Beziehung zu den Kondeneorlinsen und dom maskierten Spiegel;

Figur 10 ein Diagramm der Wellenform komplementärer "kosiunusförmigar" Transmissionen sichtbaren und IR-Liohtes}

Figuren 11 und 12 die verschobenen Uellenfarmen des empfangenen sichtbaren und IR-Lichtes;

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Figur 13 ein System-Blockdiagramm eines berührungsfreien Profil·= sensors (der Fehlerdetektor ist nicht Bestandteil der Erfindung)j

Figuren 14a und 14b detaillierte Blockdiagramme der bevorzugten Ausgestaltung der Farbmasken-Entkopplungsschaltung, und der Signalgestaltung der Profilabbildungs-Schaltung;

Figur 15 ein Diagramm zur Erklärung der Farbmasken-Entkopplungsschaltung;

Figur 16 ein Diagramm der Uellenform des normalisierten Signals,, wobei die von einem erwarteten Signal infolge einer Änderung eines OberflächBnprofils ausgelöste Phasenverschiebung dargestellt ist;

Figur 17 ein Diagramm zur Erklärung der Scheiteldetektor-Schaltung; und

Figur 18 eine Darstellung, wie sie bei der Profilaufzeichnung zur Bestimmung von z, der Tiefen- oder Profildaten, bei gegebenen x, der Phasenverschiebung, verwendet wird.

Die Hauptschwierigkeit bei jedem Parallaxen-Triangulationsverfahren ist die Lokalisierung zusammengehöriger Punkte in den proji= zierten und empfangenen Lichtmustern« Bsi einem einzelnen Punkt wird dieses Problem zu Lasten dar Geschwindigkeit vermieden. Bei der Uellenlängen-Flarkierungstechnik, uie sie in Figur, 2 dargestellt ist, werden viale Punkte parallel nebeneinander ohne Mehrdeutigkeiten abgetastet. Hierbei sind zusi Einfallstrahlanbündel L und L¹ vorgesehen. Die Strahlen werden durch !/©^wandung verschiedener Farben, beispielsweise blöu und rot„ unterschiedlich gemacht,und die reflektierten Strahlen R und R' usrdsn mittels Objsktivlinsen 2ü auf ain'Detektorfsld 21 fokussiert,, Dia Punktbilder werden nun unterschieden^ wann der Detektor aus zwei Feldarn mit Farbtrennfiltarn besteht,, Ein anderer Hos-fesil wird sin·= fach erreicht, die Unempfindlichkai, t gsgenübsr $ndej?ungsn dar Rsflaktion» Die Farbe ist dar interassiarende Parameter und diaeer kann, unabhängig vom absoluten Signalniveay^aus dan beiden Dstaktorsignalen geleitet uardsn. Die einzige vsrblaibende ungewollte Empfindlichkeit besteht gegenüber Farbänderungen dar zu messenden

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Oberfläche. Dies ist bei vielen Anwendungen ohne große Bedeutung, wie beispielsweise bei Tragflügelprofilen, die im allgemeinen einheitliche Wellenlängenreflektionseigenschaften aufweisen. Jedenfalls sind Farbänderungen weniger häufig und besser vorhersehbar als Reflektionsänderungen. Das Verfahren ist für zuei oder mehrere Farben und für eine fortlaufende Änderung der Wellenlängen geeignet.

Der nächste Schritt ist die Betrachtung einer einfachen räumlichen Veränderung der Wellenlänge. Es sei angenommen, daß von der Beleuchtungsquelle zuei verschiedene Wellenlängen Λ-) und λι geliefert werden, uie dies in Figur 3 gezeigt ist, und daß diese dann kombiniert werden. Die Summe der Wellenlängenenergien sei als konstant angenommen und das Verhältnis P.i ../Gesamtenergie oder Ρχ„/Gesamtenergie ist linear und kontinuierlich veränderlich. Die Stellung jedes Punktes im Lichtmuster wird einzig mittels der relativen Größe jeder Wellenlängenenergie, die auf die Oberfläche auftrifft_t bestimmt. Wenn die Detektorfeider nur auf eine der Wellenlängen ansprechen, ist es möglich, daa Verhältnis der gemessenen Lichtsignale zu berechnen und eine einzige Farbstellung zu erhalten. Das Verhältnis der Differenz der Signale bezüglich ihrer Summe steht in direktem Verhältnis zur räumlichen Veränderung des oben genannten Verhältnisses. Dies kann auf einfachste Weise wie folgt gezeigt werden:

P^₁ = kx/W
Ρ_λ2 = k(1-x/W)

^P^1 ^{+ P}/?2 ^{= k}

= 2x/W-1

Letzteres bezieht sich auf die empfangene Lichtenergie und ist als normiertes Signal bekannt. Das normierte Signal V

ist in Figur 4 dargestellt und würde eine gerade Linie bilden, uenn die zu messende Oberfläche eben uäre. Eine Stufe in der Oberfläche verzerrt die Wellenform um einen bestimmten Betrag.

Auf diese Weise führt die Abweichung und Position auf dem Sensor von einem bestimmten l/erhältnis der Uellenllingenenergien direkt zur Veränderung der Oberflächenposition. Da die Beleuchtung eine kontinuierliche Veränderung der Verhältnisse der Energien erzeugt, kann das Profil an jedem Punkt im Sensdr gemessen uerden. Ein wichtiges Merkmal ist, daß mittels einer einfachen mathematischen Berechnung gezeigt uerden kann, daß das normalisierte Signal unabhängig von der Oberflächenreflektivität ist, so daß Änderungen dieser Reflektivität und der Oberflächenrauhigkeit die sich ergebende Änderungsmessung nicht beeinflußt. Dies setzt voraus, daß die Reflektivität unabhängig von der Wellenlänge ist. Die Reflektivität erscheint sowohl in dem Differenz- als auch dem Summenausdruck und fällt heraus, uenn das Verhältnis gebildet wird.

Die Uellenlängenmarkierungstechnik, die eine einzelne Linearanstiegsänderung der Uellenlängenenergien veruendet, hat zwei Erfordernisse, die nicht beide erfüllt uerden können. So wird eine lineare Änderung geuünscht und gleichermaßen eine hohe Empfindlichkeit für Profiländerungen} diese beiden Erfordernisse sind jedoch inkompatibel. Eine hohe Empfindlichkeit für Profiländerungen erfordert eine große Steilheit, die maximale Breite LJ, die zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessen uird, wird dann jedoch klein. Das Lichtübertragungsmuster in Figur 5, in Form von Sägezähnen oder gleichseitigen Dreiecken hat eine gute Tiefenempfindlichkeit und ermöglicht gleichzeitig die Abdeckung eines größeren Gesichtfeldes. Dies ist ein periodisches Komplementärfarbmuster; an jedem Punkt χ ist die gesamte übertragene Energie, P*.. + P^₂ konstant. Es gibt eine Grenze dafür, uie nahe die Perioden aneinander liegen können und diese Perioden können nicht zu kurz werden, da dann wieder Probleme bezüglich der Mehrdeutigkeit auftreten. In dem empfangenen Lichtmuster uerden die Scheitel in Abhängig-

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O I LL I IL

keit von den Profiländerungen verschoben und sie beginnen sich zu kreuzen, uenn die Periode zu kurz ist. Andererseits sollte die Periode nicht zu groß sein, da eine steile Neigung erwünscht ist. Es ist daher ein Kompromiss bezüglich der Unbestimmtheit und der Tiefenempfindlichkeit erforderlich, und die Steilheit des sägezahnübertragenen Lichtmusters uird unter Berücksichtigung dieses Kompromisses ausgewählt. Das Sägezahn-Komplementärfarbmuster kann verwirklicht werden, erfordert jedoch scharfe Lichtstrahlen, wie sie mittels Laserlichtquellen erzeugt werden können.

Die bevorzugte Ausgestaltung des optischen Sensors ist in Figur dargestellt. Dieser Sensor wurde entwickelt, um eine Anzahl spezieller Leistungsziele in Übereinstimmung mit den Erfordernissen bezüglich der Inspektion von Metalloberflächen, insbesondere die Profilmesaungsgenauigkeiten bei Flugtriebwerksflügelprofilen oder Turbinenschaufeln zu erreichen. Die Technik ist bei vielen reflektierenden Oberflächen anwendbar und der Sensor stellt eine generelle Lösung des Profilmessungsproblems dar. Nach der Bestimmung des Oberflächenprofils' ist es dann möglich, nach lokalen Abweichungen der Oberfläche, wie Vertiefungen, Brüche, Beulen, Kerben und Verschiebungen zu suchen. Die Leistungserfordernisse sind, daß es erwünscht ist, Änderungen von 0,0025 cm (0,001 inch) im Oberflächenprofil bei einem 2,5 cm (1 inch) Gesichtsfeld zu messen. Oberflächendefekte mit seitlichen Abmessungen von weniger als 0,025 cm (ü,010 inch) sollen meßbar sein. Die Reflektivität von Teiloberflächen kann infolge Beschichtungen und Oberflächenbearbeitungen um eine Größenordnung schwanken. Es werden Sensor-

6 bzw. BOdelementen

Daten-Übertragungsgeschwindigkeitan von 10 Pixels/ysec erreicht. Dieser optische Sensor, der mit der Uellenlängenmarkierungstechnik arbeitet, erreicht alle diese Spezifikationen.

Der in Figur 6 dargestellte Sensor weist einen optischen Sender 22 und einen optischen Empfänger 23 auf. Der Parallaxen-Uinkel ist sorgfältig ausgewählt, wobei 26° einen guten Kampromiß darstellt. Bei diesem Winkel ergibt sich eine geeignete Empfindlich-

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keit für Profiländerungen und eine verminderte Empfindlichkeit für lokale Oberflächenrauhigkeitsänderungen. Die Lichtquelle 24 ist eine UoIframglühbirne, die eine multispektrale Quelle mit Beleuchtung im sichtbaren und infraroten Gebiet darstellt. Der infrarote Teil der Beleuchtung (λ ? 8000 Ä) bildet etwa 50 % der verfügbaren Energie, und um eine maximale Beleuchtungseffektivität zu erreichen,muß diese Energie verwendet werden. Ein elliptischer Reflektor 25 ist ausgewählt, um alle von der Qualle emittierten Uellen zu reflektieren. Die Spektralverteilung der UoIframlampe kann in vorteilhafter Ueise mittels leicht erhältlicher dichroitischer Reflektoren in zwei gleiche Uellenlängenbänder geteilt werden, wobei es wünschenswert ist, daß beide Uellenlängenbänder die selben Energien aufweisen. Es wird nun auf Figur 7 Bezug genommen, in dar die Verteilung der UoIframquelle dargestellt ist, wobei viele mögliche Uahlmöglichkeiten bestehen, eine im sichtbaren Bereich und die andere im infraroten Bereich, die das Erfordernis erfüllen, daß die Bänder mittels herkömmlicher optischer Filtertechniken getrennt werden, wobei sie gleiche Energien aufweisen. Ein anderes Erfordernis ist, daß die Quelle und der Lichtdetektor gut zusammen passen. Die Energieverteilung der UoIframlampe ist dem Festkörperdetektor gut angepasst.

Ein dichroitischer Spiegel 26 reflektiert die IR-Spektralkompa» nenten und läßt die sichtbaren Komponenten durch. Ein zweiter dichroitischer Spiegel 27 weist sine lichtabsorbierende Schicht 28 auf und reflektiert nur das herausgezogene IR-Uellenlängenband zu einer asphärischen Kondensorlinse 29» Öse sichtbas-θ Licht wird von einem weiteren dichraitischan Spiegel 3Q_S der eins lichtabsorbierande Schicht 31 aufweist, absorbiert und das herausgezogene sichtbare Uellenlängenband geht durch sine asphMrlschs Kondsnsorlinse 32. Ein maskierter Spiegel 33 weist auf der Oberfläche eine Balkenmaske 34 auf, die in Einzelheiten in Figuff B darge= stellt ist. Die Balken 34 sind gleich breit und gleich weit voneinander beabstandet und können aus metallisierten Streifen bestehen. Das IR-Band geht durch die Zwischenräume zwischen den

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Balken hindurch, Figur 6, und das sichtbare Band wird v/on den Balken reflektiert. Die IR- und sichtbaren Bänder wechseln ab und das Licht uird gerichtet und in die selbe Richtung projiziert. Die eine Objektiv/linse 35 fokussiert die komplementären Farbmuster 36 auf die Oberfläche eines Flügelprofils 37.

Das übertragene komplementäre Farbmuster ist in Figur 10 dargestellt, uobei beobachtet werden kann, daü die Uellenformen des sichtbaren und des IR-Bandes "kosinusförmig" sind, eine konstante Amplitude aufweisen und um 180 phasen-v/erschoben sind. Es könnte erwartet werden, daß die Balkenmaske 34 ein Rechteckwellenlichtmuster mit abwechselnden sichtbaren und IR-Streifen projiziert, jedoch wird tatsächlich eine Kosinusuellenv/erteilung der zwei Bänder infolge der Streuungsuirkung der asphärischen Linsen 29 und 32 erzeugt. Die Projektoroptik erzeugt eine kreisförmiges Beleuchtungsmuster, wobei der verwendbare Teil des Musters jedoch ein zentrales Rechteck mit 2,54 cm (1 inch) Länge und 0,32 cm (0,125 inch) Breite. Jede Uellenlängenenergie in dem projezierten Farbmuster, Figur 10, ändert sich kontinuierlich und die Gesamtuellenlängenenergie ist in jedem Punkt etwa konstant. Uie bei der Sägezahnbeleuchtung uird die Stellung jedes Punktes im projizierten Muster einzig mittels der relativen Größen jeder auf die Oberfläche einfallenden Uellenlängenenergie bestimmt. Das komplementäre Farbmuster ermöglicht mehr als nur eine Beleuchtung, da zu-'sätzlich durch die Projektionsoptik ein Signal übertragen wird.

Der.optische Empfänger 23 weist eine Objektiulinse 38 auf sowie einen IR-reflektierenden dichroitischen Spiegel 39, der diB sichtbaren Uellenlängenbänder des reflektierten Lichtmusters durchläßt. Diese Bänder gehen durch ein für sichtbares Licht durchläsaigea Filter 40 und werden uon einem linearen Photodiodenfeld 41 empfangen, dessen einzelne Elemente Sensorsignale entsprechend der empfangenen Lichtintensität erzeugen. Die IR-Uellenlängenbänder werden zu einem IR-durchlässigen Filter 42 reflektiert und mittels eines zweiten linearen Photodiodenfeldee 43 empfangen,

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das senkrecht zum ersten Feld 41 ausgerichtet ist. Figur 9 zeigt die getrennten Detektorfaider 41 und 43 und (siehe Figur 8) ihre Beziehung zum maskierten Spiegel 33 und den Kondensorlinsen 29 und 32. Die Detektorfelder weisen beide 512 Dioden auf, um das erforderliche Gesichtsfeld zu realisieren und sind im Handel erhältliche Bauteile, wie beispielsweise der lineare Diodenfeld-Scanner der Reticon Corp., der elektrisch mit einer 1 MHz-Folge abtastet. Die Feldelemente werden aufeinander folgend nach Art einer Rasterabtastung abgetastet und die einzelnen Photodioden erzeugen ein analoges Signal, welches proportional zu dem auf das Element einfallenden Licht ist. Es uerden separate sichtbare und IR-Sensor-A/ideosirjnals erzeugt.

LJenn die Abtastung erfolgt ist, bewegen sich das Flügelprofil 37 und die optischen Sensoren 22 und 23 relativ zueinander, um alle Oberflächenteile abzutasten. Es wird zunächst ein Ende des Bauteils mechanisch festgehalten und dann das andere Ende, so daü die Profildaten über das gesamte Bauteil erhalten uerden. Das Farbbeleuchtungsmuster fällt zu jeder Zeit annähernd senkrecht zur Oberfläche ein, und der optische Sender 22 ist bezüglich des optischen Empfängers 23 fest angeordnet und der Parallaxen-Uinkel ist unverändert. Änderungen der Tiefe der Oberfläche bewirken ei-ηβ entsprechende Änderung der Phase zwischen den übertragenen und empfangenen Lichtmustern. Im optischen Empfänger verschieben die sichtbaren und IR-Uellenlängenbänder die Position auf den Detektorfeldern 41 und 43 in Abhängigkeit von dar Tiefe von der Bauteiloberflache bezüglich einer Bezugsfläche, die sich im optischen Sensor befindet. Die Figuren 11 und 12 zeigen Verschiebungen der Scheitel der Uellenfarmen des erfaßten sichtbaren oder IR-Lichtes oder der empfangenen Energie infolge von ProfiländB-rungan. Die Verschiebung ist bei beiden Uellenformen in jeder Position die selbe. Die Doppelpfeile zeigen an, daß die Verschiebung der Scheitel bei anderen x-Stsllungen von dar Profiländerung an diesen Punkten abhängt.

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O I t. L I

Bevor eine weitere Beschreibung 8rfolgt, seien andere Möglichkeiten zur Realisierung eines komplementären Farbmusters ermähnt. Laser und Lichtbogenquellen sind auch geeignet. Laser erzeugen eine Beleuchtung mit einer nahezu einzigen Wellenlänge, so daß zwei verschiedene Laser erforderlich sind. Die Argonionen- und Neodym-Yag-Typen haben das erforderliche Energieniveau, erfordern jedoch eine Erregung mittels Lichtbogenröhre (arc tube) einschließlich der zugehörigen komplexen Energieversorgungen. Das Problem des "Fleckens" (speckle) kann zuar überwunden werden, die Lichtquellen benötigen jedoch zuviel Platz, um direkt in der Sensorkopf anordnung angebracht zu werden. Die für die vorliegende Anwendung am leichtesten verfügbare Lichtbogenquelle ist das Indium-Argon System. Diese Lampe hat eine geeignete Uellenlängenverteilung und eine mehr als ausreichende Beleuchtungsenergie, weist jedoch eine unbefriedigende Lebensdauer auf und muß gekühlt werden. Anstelle des maskierten Spiegels 33 können auch Filmraummasken (film spatial patterns) verwendet werden. Es werden zwei derartige Masken vorbereitet und die übertragung der Filmmuster erfolgt komplementär. Ein Ausgangsstrahlsplitter vereinigt die Uellenlängenbänder und ein Nachteil ist das Erfordernis, die beiden Filmmuster und den Strahlsplitter zueinander auszurichten. Ein anderer Nachteil ist der Film selbst} die genaue Amplitudenänderung hängt von der Filmbelichtung und den Entwicklungsbedingungen ab, die schwer zu kontrollieren sind.

Spiegelmasken werden durch Vakuumablagerung .eines Aluminiumfilmes auf einem Glassubstrat und nachfolgendes selektives Ätzen des Filmes mittels photolithographiachBr Techniken erzeugt. Wenn ein bestimmtes Linienmuster ein kleineres Teilungsmaß aufweist, als es dtto Auflösungsvermögen der Sender - Empfängeroptik entspricht, steht die Funktion in Beziehung zum räumlichen Durchschnitt dar Linisnabetände und -breite. Diese kann leicht in kontinuierlicher Ueise variiert werden, um ein Sägezahnübertragungsmuster zu erhalten. Ein Spiegel mit rhombischer Masks (diamond pattern) beruht auf der Verwendung zylindrischer Linsenelemente. Die Grund-

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idee ist die Übertragung und Raflektion gerichteter Strahlen von der Spiegelmaske. Die austretende Spektralmischung uird mittels einer zylindrischen Linse auf die Bautailoberflache fokussiert. Infolge des Rhombenmusters wird eine lineare Sägezahnvariation erzeugt, wenn alle Strahlen in einer senkrecht zur Zylinderachse verlaufenden Linie zusammengebracht werden. Dies erfordert, daß die auf die Spiegelmaske fallenden Strahlen scharf gebündelt sind, woraus sieht ergibt, daß das Rhombenmuster am besten bei Laserquellen verwendbar ist.

Figur 13 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm des berührungsfreien Profilsensors. Sichtbare und IR-Band-Sensorsignale V und V, warden einem Signalprozessor zugeführt, der Tiefen- oder Profildaten im Realzeitbetrieb und mit einer Geschwindigkeit von 10 Punkten/sec erzeugt. Die Farbmusterentkopplungsschaltung 45 kombiniert das Paar von Sensorsignalen V und U. , entkoppelt die Farbmusterdaten von den Dberflächenfunktionsdaten und gewinnt ein einziges normiertes Signal, das im wesentlichen unabhängig von Änderungen der Oberflächenreflektivität und der Rauhigkeit ist. Das normalisierte Signal wird dann eingegeben, um der Profilabbildungsschaltung 46 die Form zu übermitteln} die Phasenverschiebung der Scheitel und dar Nullpunkte des normalisierten Signals bezüglich einer Bezugsgröße wird bestimmt, und die Phasen= verschiebungsinformation wird in Tiefen- oder Profildatan umgewandelt-, aus _denen das Obsrflächenprofil aufgezeichnet werden kann. Der/Fehlerdetektor 47, der nicht Bastandtail der Erfindung ist, erkennt und indentifiziert örtliche Abweichungen des Ober·= flächenprofils, wie Vertiefungen, Brüche, Beulen usu₀, die einen Grund für die Zurückweisung eines Bauteiles sein können.

Bevor dis bevorzugte Hardware-Ausrüstung^ wie sie in Figur 14a dargestellt ist, beschreiben wird, wird noch auf die der Färbmusterentkoppelung zugrunde lisgenda Thaoris eingegangen.

_ 2 2 —

O I LL I \ L

U = Aoc W_b = By₃

uobei A und B für das v/on der Oberfläche zerstreute Licht und t*. und /3 für das Markierungsschema stehpn. Diese Ausdrücke können örtlich als PolynomB beschrieben werden:

A = Ag + A-|X

Λ =PCq +Ot₁X

B = B_Q

_{1X +/}3₂x

nultiplizierung der Polynome

\l_a = A_Q0(₀ + (A₁(X₀ + A₀(X₁Jx + (A₁Ot₁ + A_Q«₂)x² +

Die vorstehenden Ausdrücke sind Taylor-Serien und es kann gezeigt werden, daß:

V Vo ^{+ A}0*1 ^A1 OC₁

^A0«0 ^A0

^Bo

Uobei U ' und V, · die ersten Ableitungen für den Relatiupunkt

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x=0 sind. Dann gilt:

V V / ^A1

Der erste Klammarausdruck geht gegen Q, da die Oberfläche die selbe ist und die Oberflächenfunktionen identisch sind. Als herausgezogene Farbmarkierungsdaten uerbleibeni

V V

Diese Technik ist allgemeiner als die vorherige, welche das Verhältnis der Differenzen der Sensorsignala zur Summe dieser Signale berechnet, da letztere von gleichen Uellenlängenbandenergien ausgeht. Das oben genannte Verfahren ist dagegen gut für gleiche und ungleiche UellenlMngenbandenergien.

Es wird nun auf Figur 14a Bezug genommen, in der dargestellt ist, uie die Videosignale V und V. der Detektoren für das unsichtbare und das IR-Band in digitaler Form zu einem Detektorfeld-Störungs-

weiraen.

eliminierglied 48 und dann zu einem Speicherbus 49 geführt/ Beide Datektorfelder 41 und 43 werden mit hoher Geschwindigkeit elektrisch abgetastet und die seriellen Daten in beiden Linien werden kontinuierlich der Farbmusterentkoppelungsschaltung 45 zugeführt. Die Daten für fünf Punkte oder Pixel wird in vier Operatoren 50 bis 53 ausgelesen. Alle v/ier Operatorglieder sind identisch und mit einem LSI-Multiplizier-Akkumulator-Chip (wie beispielsweise dem TRU-Typ TDC10093) und einem Speicher ausgerüstet, um einen Satz Koeffizienten für jeden dieser fünf Punkte zu speichern. Jeder gegebene Abschnitt der Kosinuswelle wird durch ein Polynom zweiten Grades angenähert. Die Operatoren errechnen das Polynom

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ZZ/ IZ

des kleinsten Fehlerquadrates für eina Anzahl von Punkten über einen gegebenen Pixel. Dia Punkte 1 bis 5 in Figur 15 sind typisch für die aufgenommenen Daten. Das Problem der Bestimmung der Kosinuswalla 54 wird am besten nach dem Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate bestimmt, das heißt, die Summe der Quadrate dar Differenzen zuischen der Kurue und jedem Datanpunkt ist ein Minimum. In jedem Operator 5ü bis 53 uerden die gespeicharten Koeffizienten aufeinander folgend mit den erhaltenen Pixeldaten multipliziert und die Summe für alle fünf Punkte uird errechnet. Unter Bezugnahme auf dia Normalisiargleichung (M '/V - V/. ^f/U. ) errechnen die Operatoren Ιχ und Ιχ dia Ableitungen des Polynoms für jeden gegebenen Punkt und die Operatoren Ig und Ig errechnen die Uerte des Polynoms für jeden gegebenen Punkt. Die Glieder und 56 führen die angezeigten Divisionen aus und das Subtrahierglied 47 erzeugt das normalisierte Signal U . Diese Operatoren uerdan aufeinanderfolgend nach Art einer Serianrasterabtastung auf jede Pixelposition angewandt. Die resultierenden Uerte uon Ig , Ig , I_x und I_x sind die gewünschte Funktion (Uert und Ableitung) der kleinsten Fahlerquadratpolynome (won varbestimmter Ordnung) über dem Pixel der Auswertung.

Nimmt man an, daß die zu messende Oberfläche eben ist, ist das erwartete normalisierte Signal, welches in Figur 16 in gestrichelte Linien dargestellt ist, eine periodische Kosinuskurye mit gleichen Perioden. Eine Änderung im Profil, Δζ, führt zu einer Phasenverschiebung der erfassten Kosinuskurve, die in vollen Linien dargestallt ist. Diese Phasenverschiebung am Scheitel der Kosinuskurve, und auch im Nullpunkt ist proportional zur Tiefe oder zur Profiländerung A z. Die Symbole P⁺ und P~" stehen für positive und negative Scheitel dar Kurve und Z⁺ und Z~ stehen für positive und negative Steigungen im Nulldurchgang der Kosinuskurve, wie in Figur 16 dargestellt. Das normierte Signal ist, was nochmals betont sei, unabhängig von Änderungen in der Oberflächenreflektivität und Rauhigkeit.

Die mathematische Basis für die Scheitelerfassung wird unter Bezugnahme auf Figur 17 erklärt.

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Zwei entgegengesetzt geneigte Kuruenflanken S₁ und S„ treffen einander im Scheitelpunkt x_Q. Die folgenden drei Funktionen streben im Scheitel gegen 0 und ihre Summe hat dort ein Minimum,

^FScheitel ■—^ °·

^F1: öl

Am Scheitel ist die Oberseite flach und das partielle Differen tial des Polynoms P in.der Nähe von x_Q geht gegen Q.

F2: P(S₁(X₀)) - P(S₂(X_n))

Die Polynomannäherung an beiden Flanken S₁ und 5« ergibt den sel ben Punkt.

F3: Steigung (P(S₁)) + Steigung (P (S ₂ ) )

Die Steigung ist auf beiden Seiten etua gleich und entgegengesetzt. Der Scheitel ist erreicht, uenn die Summe der absoluten LJerte dieser drei Funktionen, errechnet an vielen Punkten x«, ein Minimum hat.

Es uird nun wieder auf Figur 14b Bezug genommen} das, normierte te Signal, obwohl mittels des Musterentkoppelungsprozesses geglättet, weist dennoch lokale Schwankungen und Unregelmäßig-

' sogar
keiten auf und kann/m bestimmten Fällen falsche Nullpunkte und Scheitel enthalten. Das normierte Signal wird über einen Speicherbus 60 eingegeben und Sätze υοπ neun Datenpunkten werden aufeinander folgend ausgelesen und einem Scheitel- und Nullpunkt- ■ detektor 61 zugeführt. Lineare Operatoren 62 bis 64 sind identisch zu den Gliedern 50 bis 54; sie errechnen jeweils die Funktionen F1, F2 und F3^und ihre absolute Summe wird im Kreis 65 be~ rechnet und mittels des Selektors 67 auf den Plinimumdetektor 66 gegeben, welcher bestimmt, ob ein Scheitel ader Nullpunkt uor-

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I £. L·. I

liegt. Diese Bestimmung uird durch l/ergleich der Ausgangssignale der ScheitBldetektorkomponenten 62 bis 65 und der Nullpunktedetektorkomponenten 69 und 70 und Auswahl des Signals mit der geringeren Amplitude ausgeführt. Das Signal uird dann verfolgt, bis es einen minimalen Uert erreicht, uobei an diesem Punkt ein Scheitel oder ein Nullpunkt existieren muß. Wenn ein positiv/er oder negativer Scheitel im normalisierten Signal erkannt uird, uird die Indexnummer des Elements (1-512) des Photodiodenfeldes aus dem Speicher 6B gelesen.

Ein Satz uon fünf Datenpunkten uird auch dem Operator 69 eingegeben, uelcher identisch mit den Operatoren 5ü und 52 ist. Dieser Operator I_R bestimmt die Kosinuskurve mit dem geringsten Fehlerquadrat. Ein Absolutuertglied 70 besteht im wesentlichen aus einem Gleichrichter und liefert ein Ausgangssignal zum Flinimumdetektor 66, uenn ein Nullpunkt im normalisierten Signal identifiziert uird. Die den Signalnullpunkten entsprechenden Indexnummern uerden aus dem Speicher 68 ausgelesen. Ein Interpolator 71 liegt parallel zürn Scheitel- und Nullpunktdetektor 61 und bestimmt grob den Ort der Scheitel- und Nullpunkte. Dieser Interpolator teilt das Phasenverschiebungs-Pixelintervall in 32 Teile und erhält die Scheitel-und Nullpunkte zuischen den Pixels. Das hinzugefügte InkrementA Null uird durch Dividieren des normalisierten Signales U durch die erste Ableitung U ' errechnet; das hinzugefügte InkrementΔ Scheitel uird durch Dividieren von V ' durch I/ ' ^f, die zueite Ableitung,errechnet. Der Satz von neun Datenpunkten uird parallelen Gliedern 72 bis 74 zugeführt, die identisch mit dem Operator 69 sind. Der Operator Ig liefert die Kosinuskurve mit dem kleinsten Fehlerquadrat an einem bestimmten Punkt, der Operator L liefert die erste Ableitung des Polynoms eines bestimmten Punktes und der Operator Ι_χχ errechnet die zueite Ableitung an diesem Punkt. Die genannten Divisionen uerden von den Blocks 75 und 76 ausgeführt und das Δ Null- odar Δ Scheitel-Inkrement uird von einem Selektor. 77 gesteuert.

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Ein Klassifizierglisd 73 identifiziert die vier Kosinu3kurvenklassen oder Merkmale P , P", Z und Z~ (siehe Figur 16) und das darunter Ausgewählte hängt worn Vorzeichen v/on I₀ und Ι_χ ab. Die Klasseninformation wird zum Selektor 77 geführt und entweder die interpolierten Nullpunkt- oder Scheiteldaten uerden zu einem Profildarstellungs-Untersystem 79 geführt. Das Profildarstellungsglied 79 weist einen Satz Speicher auf, so daß, bei einer bestimmten Klasse, eine Zugriff zu einem speziellen Speicher erfolgt und die Tiefen- oder Profildaten z, die der Phasenverschiebung entsprechen, ausgelesen werden können. Das Erfordernis von vier Speichern, einen für jede der Klassen Z , P⁺, Z" und P~ ist aus Figur 18 ersichtlich, in der gezeigt ist, daß die vier Klassen einander überlappen. In jeder der vier horizontalen Sätze von Schrägen, deren jede dort beginnt, uo die vorhergehende aufhürt, entspricht die Nummer der Schräge der Nummer der Perioden im komplementären Farbmuster. Nur zwei davon sind aus Platzgründen dargestellt. Es existiert eine bekannte Beziehung zwischen der Verschiebung und der gemessenen Tiefe, und bei gegebener Phasenverschiebung für Bine bestimmte Klasse und Periode werden die Tiefenoder Profildaten in diesem Speicher gespeichert. Die Indexnummer (siehe Figur 14b) wird auch auf eine Tabelle 80 übertragen und die entsprechenden x-Stellungsdaten können ausgelesen werden. Diese Stellung ist einfach der Ort einer gegebenen Markierung relativ zu einem festen Bezugsrahmen, wie dem Markiarungssender. Eine vollständige Identifizierung der Profil- oder Tiefendaten erfordert die Werte sowohl von χ als auch von z.

Ein allgemeineres Verfahren zur Rekonstruktion der Oberfläche kann durch Definieren einer feineren Markiarungastruktur, basierend auf der Form des ursprünglichen Lichtsignalee, erreicht werden. Speziell heißt dies, daß, wenn die Form des normalisierten Signales kosinusförmig ist, die Phasenverschiebung bei jedem Pixel im Signal rekonstruiert werden kann, indem einfach die Verschiebung das entsprechenden Punktes im Bezugssignal bestimmt wird. Dieses Verfahren wird durch Störungen beim Signalnormali-

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O I £L I J

siarungsprozaß beschränkt, uelche durch drei Quellen angeführt werden: Die Implementierungsharduare, die Signalform und die Optik. Mit dem oben dargestellten Normalisierungsschema kann ein adäquates Signal zur Rekonstruktion auf dem Pixelniv/eau erzeugt uerden. Die Scheitel-und Nullpunktdetektormethode uird durch ein geeignetes Zähl- und Korrelationsglied ersetzt, um dem normalisierten Signal ein Bezugssignal gegenüber zu stellen, welches von einer ebenen Oberfläche (z=0) erhalten uird. Diese Korrelation erfordert die Anpassung der Amplituden als eine Funktion des Index und ist daher etwas auf die Scheitel der Signale beschränkt, da dort die Steigung gering ist. Eine Kombination des Scheiteldetektarverfahrens mit dem Korrelationsverfahren ermöglicht ein besseres Verhalten in diesen Bereichen auf Kosten der Glättung.

Vorstehend uurde ein verbessertes Verfahren für das berührungslose Messen von Oberflächenprofilen beschrieben. Ein neuer Aspekt ist der spezielle Weg, der eine Bestimmung des Profils an allen Punkten des Gesichtsfeldes erlaubt. Zusätzlich sind diese Messungen relativ unabhängig von der Oberflächenreflektiuität und -rauhigkeit. Das Farbbeleuchtungsmuster kann aus ultraviolettem, sichtbarem oder infrarotem Licht zusammengesetzt uerden.

Es sei angemerkt, daß die anhand von bevorzugten Ausgestaltungen dargestellte und beschriebene Erfindung vom Fachmann abgeuandelt uerden kann, ohne den Geist und Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Messen von Oberflächenprpfilen, gekannzeichnet durch die folgenden Schritte:

Abtasten eines Objekts mit einem optischen Sender, der ein Farbbeleuchtungsmuster auf die Oberfläche projiziert, welches aus Licht von zumindest zwei verschiedenen Wellenlängen besteht;

Aufnehmen des reflektierten Lichts bsi einem bekannten Parallaxen-Uinkel und separates Nachweisen der verschiedenen Wellenlängen, die die Lage auf einem Dstektorfeld in Abhängigkeit von der Tiefe der Objektoberflache bezüglich einer Bezugsebene verschieben, und Erzeugen getrennter elektrischer Sensorsignale entsprechend den verschiedenen, über die Wellenlänge nachgewiesenen Lichtintensitntenj und

Verarbeitung dieser Sensorsignale zur Ableitung der Tiafendaten, aus denen das Oberflächanprofil bestimmbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Farbmuster derart projiziert uird, daß jede auf die Oberfläche einfallende Uellenlängenenergie sich kontinuierlich ändert.
j. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Farbmuster derart projiziert uird, daß Relativbeträge jeder auf die Oberfläche einfallenden Uellenlängensnergie kontinuierlich veränderlich sind, uodurch die Lage jedes Punktes im projezierten Farbmuster identifizierbar ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasamtuellenlängenenergie für jeden Punkt des projizierten Musters etua konstant ist.
!5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Uellenlängenenergie sich periodisch ändert.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Farbmuster ein komplementäres fluster ist, das sich aus nur zuei Lichtuellenlängen oder Lichtuellenlängenbändern zusammensetzt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitung der SensorsignalB die Ableitung eines nor mierten Signals umfaßt, uelches im uesentlichen unabhängig von Oberflächenreflektivitäts- und Rauhigkeitsänderungen ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Signaluerarbeitung ueiterhin die Bestimmung der Farbverschiebung zwischen dem normalisierten Signal und einer Bezugsgrüßs und die Ableitung der Tiefendaten aus dieser Phasenverschiebung umfaßt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung durch Ortsbestimmung der Scheitel-und Nullpunkte des normierten Signals erfolgt.
10. Verfahren zur Messung won Oberflächenprofilen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Projizieren eines Farbbeleuchtungsmusters» welches zumindest zwei verschiedene Lichtwellenbänder aufweist, deren jedes eine kontinuierliche Energieänderung aufweist, auf die Oberfläche eines Objektesj

Aufnehmen des reflektierten Lichtes bei einem bestimmten parallaxen Uinkel und Herausziehen und getrenntes Nachweisen der Uellenlängenbänder, die die Lage in Abhängigkeit von der Tiefe von der Objektoberfläche bezüglich einer Bezugsebene verschieben, und Erzeugen getrennter elektrischer Sensorsignale entsprechend der nachgewiesenen Lichtintensität jedes Uellenlängenbandes}

Abtasten der Oberfläche des Objektes mit dem projezierten Farbmuster, wobei die Sensorsignale erzeugt werden; und

Verarbeiten dieser Sensorsignale zur Gewinnung eines normalisierten Signals, das im wesentlichen unabhängig von Oberflächenreflektivitäts- und Rauhigkeitsänderungen ist und Verarbeitung dieses normalisierten Signals, um daraus Tiefendaten zu gewinnen, aus denen das Oberflächenprofil bestimmbar ist,
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das projezierte Farbmuster ein komplementäres Farbmuster ist, das aus zwei Lichtwellenbändern zusammengesetzt ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Farbmuster unter einem Parallaxen-Uinkel projiziert wird, um die Empfindlichkeit gegenüber Profiländerungen zu maximieren, während gleichzeitig Änderungen des reflektierten Lichts als Funktion der Oberflächenrauhigkeit optimiert werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das

Farbmuster durch Herausziehen der Uellenlängenbänder mittels optischer Filterung der von einer multispektralen Lichtquelle emittierten Wellenlängen und Wieder-Zusammensetzung der Uellenlängenbänder durch Verwendung eines räumlichen Musters erfolgt.
14. Verfahren zur Messung von Oberflächenprofilen, gekennzeichnet durch die folgenden Schrittes

Abtasten eines Objekts mit einem optischen Sender, der ein komplementäres Farbmuster auf die Oberfläche des Objektes projiziert, welches aus zwei verschiedenen Lichtwellenbändern zusammengesetzt ist, die periodisch kombiniert werden, um eine kontinuierliche Veränderung der Energieverhältnisse zu erhalten;

Aufnehmen des reflektierten Lichts mit einem optischen Empfänger bei einem bestimmten parallaxen Winkel und Herausziehen und getrenntes Nachweisen der Wellenlängenbänder, die die Stellung verschieben, auf einem Paar linearer Detektorfelder, wobei je eines für ein Uellenlängenband vorgesehen ist, in Abhängigkeit von der Tiefe von einer Objektfläche zu einer Bezugsgröße, und Erzeugen erster und zweiter elektrischer Sensorsignale, die jeweils entsprechenden über das WBllenlängenband nachgewiesenen Lichtintensitäten entsprechen; und

Verarbeiten der ersten und zweiten Sensorsignale, um ein normalisiertes Signal abzuleiten, welches im wesentlichen unabhängig van Oberflächenreflektivitäts- und Rauhigkeits-Hnderungen ist, und Verarbeiten diese normalisierten Signals, um Tiefendaten zu erhalten, aus denen das Oberflächenprofil bestimmbar ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daG das projizierte komplementäre Farbmuster durch Herausziehen der

daß ein optischer Sensor (22, 23) zum Abtasten der Oberfläche eines Objektes vorgesehen ist;

daß der Sensor einen optischen Sender .(22) mit einem ersten optischen System zur Erzeugung von zumindest zwei Lichtwellenlängen, die zusammengesetzt werdeo_s um ein Farbmuster auf dBr Oberfläche des Objektes zu projizieren, aufweist}

daß der Sensor weiterhin einen optischen Empfänger (23) aufweist, um das reflektierte Licht bei einem bestimmten Parallaxen-Uinkel aufzunehmen_/und der ein zweites optisches System besitzt, um die Lichtwellanlängan zu extrahieren und ein Detektorfeld (41), auf dem die UellenlHngan die Position verschieben, in Abhängigkeit von der Tiefe

Uellenlängenbänder aus einer einzigen multispektralen Lichtquelle hergestellt uird, wobei die Uellenlängenbänder annähernd gleiche Energien aufweisen und daß die Uellenlängenbänder unter Verwendung eines räumlichen Musters wieder zusammengesetzt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Sensorsignale durch die Berechnung (V '/Vj - (Vh¹Au) verarbeitet werden, wobei V · und V, ·

el el U D ο U

die ersten Ableitungen der Sensorsignale V und V. sind, um

Si U

das normalisierte Signal zu erhalten.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das normalisierte Signal zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen dem normalisierten Signal und einer Bezugsgröße verarbeitet wird, indem die Scheitel-und Nullpunkte des normalisierten Signals örtlich bestimmt und die Tiefendaten aus der Phasenverschiebung erhalten werden.
18. Vorrichtung zur Messung won Oberflächenprofilen, dadurch ge-

von der Oberfläche zu einer Bezugsgröße, und wobei das Detektbrfeld elektrische Sensorsignale entsprechend der nachgewiesenen Lichtintensität jeder Wellenlänge erzeugt} und

eine Signalverarbeitungseinrichtung (45, 46)_f um aus den Sensorsignalen die Ticfendaten abzuleiten, mit denen das Oberflächenprafil aufgezeichnet werden kann.
19. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Farbmuster annähernd senkrecht auf die Oberfläche projiziert ist und daß der parallaxen-Uinkel bei etua 26° fixiert ist, um die Empfindlichkeit gegenüber lokalen Oberflächenrauhigkeitsänderungen zu vermindern.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dab die Signalverarbeitungsvorrichtung (45, 46) ein Farbmuster-Entkopplungsglied (45) aufweist, um aus den Sensorsignalen ein normalisiertes Signal zu erarbeiten, das im wesentlichen unabhängig wan Oberflächenreflektiv/itäts- und Rauhigkeitsänderungen ist, und Einrichtungen (46) zur Verarbeitung dieses normalisierten Signals um die Tiefendaten zu gewinnen.
21. Vorrichtung zur Messung von Oberflächenprofilen, dadurch gekennzeichnet ,

daQ ein optischer Sensor (22, 23) zum Abtasten der Oberfläche vorgesehen ist;

daß der Sensor einen optischen Sender (22) mit einer multispektralen Lichtquelle, ein erstes Ünr-· tersystem zum Herausziehen zweier Uellenlängenbänder mit etwa gleicher Energie aus den von der Lichtquelle emittieten Wellenlängen und ein zweites Untersystem zum Rekombinieren der Uellenlängenbänder und zum Projizieren eines

periodischen komplementären Farbmusters auf die Oberfläche aufweist;

daß der Sensor weiterhin Binen optischen Empfänger (23)

— Y —

aufweist, um das reflektierte Licht bei einem bestimmten Parallaxen Uinkel aufzunehmen und der ein drittes Untersystem (39) aufweist, um die Uellenlängenbänder zu trennen und ein Paar won Detektorfeldern (41, 43) auf denen die Uellenlängenbänder die Stellung in Abhängigkeit uon der Tiefe der Objektoberfläche zu einer Bezugsgröße verschieben, wobei die Detektorfelder ein Paar elektrischer Sensorsignale entsprechend der nachgewiesenen Lichtintensitäten der zwei Uellenlängenbänder erzeugen; und

eine Signaluerarbeitungsv/orrichtung (45, 46) mit einem Farbmuster-Entkopplungsglied (45) zur Verarbeitung der Sensorsignale und zum Herausziehen eines normalisierten Signales, das im wesentlichen unabhängig won Oberflächenreflektiuitäts- und Rauhigkeitsänderungen ist, und Einrichtungen (46) zum Verarbeiten des normierten Signals, um die Phasenverschiebung zwischen dem normierten Signal und einer Bezugsgröße und damit Tiefendaten zu gewinnen, aus denen das Oberflächenprofil aufgezeichnet werden kann.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Untersystem einen Satz dichroitischer Spiegel (26) und das zweite Untersystem eine Kondensorlinse (29, 32) für jedes Uellenlängenband und einen maskierten Spiegel (33), der ein Uellenlängenband durchläßt und das andere reflektiert, aufweist.
23. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der maskierte Spiegel (33) ein Balkenmuster aus reflektierendem Material aufweist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine UdIfram-Glühlampe ist und daß die Uellenlängenbfinder im sichtbaren und Infrarot-Bereich liegen.
25. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Untersystem einendichroitischen Spiegel (39) und Durch

gangsfilter (39, 42) aufweist und daß die Detektorfelder (41, 43)^, eines für jedes Uellenlängenband, lineare Photodiodenfelder sind«
26. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster-Entkopplungsglied V '/V - V, */\l. . errechnet, wobei

^f und V, ' die ersten Ableitungen der Sensorsignale W und , sind, um das normierte · Signal zu erhalten.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Verarbeiten des normalisierten Signales ein Scheitel- und Nullpunktdetektorschaltung (61) aufweist, um die Phasenverschiebung in jeder Periode zwischen dem normalisierten Signal und der Bezugsgröße zu realisieren, und die mit einem Interpolator (71) verbunden ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der

zwei

Scheiteldetektor drei Funktionen für eine Kurve mit den/Seiten S₁ und S₂, die sich bei x„ treffen, berechnet, welche gegen Null gehen, wenn ein Scheitel vorliegt, dann die absoluten Uerte der drei Funktionen summiert und ein Ausgangssignal errechnet, wenn eine minimale Summe errechnet ist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen die sind, bei denen die Ableitung einer polynomischen Annäherung bei x_Q gegen Null geht, die polynomische Annäherung auf beiden Seiten zum selben Punkt führt, und die Steigungen bezüglich der Größe etwa gleich sind und ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen.

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