DE19511195C2 - Verfahren und Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Prüfen einer Oberfläche eines Gegenstandes gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum optischen Prüfen der Oberfläche eines Gegenstandes gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 7. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind für den Fall "reflektiertes Licht" aus der DE 40 32 327 A1 bekannt. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die optische Prüfung der bedruckten Oberfläche einer Compact-Disc, so daß im folgenden überwiegend von einer CD die Rede ist, ohne daß damit eine Beschränkung verbunden sein soll.

In der letzten Zeit haben sich CD's aufgrund der hohen möglichen Klangqualität als Tonträger für den Hausgebrauch und der hohen möglichen Datendichte als reiner Datenträger in der Datenverarbeitung immer mehr durchgesetzt. Es handelt sich daher um ein Massenprodukt, das jedoch hohen bis höchsten Qualitätsansprüchen, insbesondere bei der Verwendung als reiner Datenträger, genügen muß.

Eine CD besteht im allgemeinen aus einer im Querschnitt mehrschichtigen kreisrunden Scheibe mit einem mittigen Kernloch für die Aufnahme und Zentrierung in einem Abspielgerät. Die CD setzt sich von unten, d. h. von der Leseseite des Abspielgerätes her gesehen, nach oben aus einer lichtdurchlässi­ gen Kunststoffschicht, auf der alle Informationen in Form von Vertiefungen (Pits) enthalten sind, einer dünnen metallischen Schicht, im allgemeinen aus Aluminium, zum Verspiegeln der Kunststoffschicht, und einer dünnen Lackschicht, die im allgemeinen durch UV-Licht gehärtet wird, zum Schutz der Metallschicht zusammen. Auf die UV-Lackschicht wird dann der Aufdruck, das sogenannte Label, für die Information des Verbrauchers mit bekannten Druckverfahren aufgebracht.

In radialer Richtung kann man bei einer CD mehrere koaxiale, kreisringförmige Bereiche vom Kernloch ausgehend nach außen unterscheiden. Unmittelbar am Kernloch befindet sich der Bereich, der zum Einspannen der CD in dem Abspielgerät dient. Daran schließt sich ein Bereich an, in dem der sogenannte Ident-Code eingeprägt ist, anhand dessen die CD eindeutig identifiziert werden kann. Anschließend folgt der Bereich, der zur eigentlichen Datenspeicherung dient. Falls die CD bis zu ihrer maximalen Speicherkapazität bespielt ist, endet der Bereich unmittelbar am äußeren Randbereich. Andernfalls ist zwischen dem Randbereich der CD und dem Datenbereich noch das sogenannte Lead- Out oder ein Spiegelband angeordnet.

Bei der Herstellung wird zunächst ein Rohling aus Polycarbonat im Druckgußverfahren hergestellt, wobei durch die Matrize bereits alle Informationen eingeprägt werden. Anschließend wird die eine Oberfläche des Rohlings mit der metallischen Spiegelschicht im Sputterverfahren versehen und mit der Lackschicht versiegelt. Um eine gleichförmige Verteilung der Lackschicht zu erhalten und um eine möglichst dünne Schicht zu erzielen, wird die CD bei diesem Vorgang zentrifugiert. Anschließend erfolgt das Bedrucken der CD mit dem Label.

Das Label ist für die Funktion der CD grundsätzlich ohne Bedeutung, da das Ablesen einer CD von der Unterseite her erfolgt. Für den Verbraucher ist jedoch ein einwandfreies Label häufig ein Kriterium für eine einwandfreie Abspielbarkeit der CD, so daß es erforderlich ist, einen fehlerfreien Druck auf der Oberfläche der CD zu erzeugen. Die UV-Lackschicht einer CD muß jedoch stets einwandfrei sein, da ansonsten die Gefahr besteht, daß die darunter liegende Metallschicht frühzeitig oxidiert, wodurch Ablesefehler entstehen können. Es sind daher Verfahren erforderlich, mit denen die Oberfläche der CD, also das Label und gegebenenfalls auch die UV-Lackschicht geprüft werden können.

Die Oberfläche der CD ist im allgemeinen beliebig bedruckt. So können beispielsweise Farbflächen, Bilder, Schriften oder dergleichen mit den unterschiedlichsten Farbauftragsverfahren aufgebracht sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, daß die CD teilweise nicht bedruckt ist, so daß von oben die Metallschicht durch den UV-Lack erkennbar ist. Weiterhin ist die CD häufig am inneren und äußeren Randbereich weder bedruckt noch mit einer Metallschicht versehen und somit dort durchsichtig.

Für die Prüfung der bedruckten Oberfläche der CD wird im allgemeinen ein optisches Verfahren eingesetzt, bei welchem die Oberfläche der CD von einem lichtempfindlichen Empfänger in der Draufsicht von oben aufgenommen wird. Das aufgenommene Istbild wird in einer Datenverarbeitungsanlage mit einem vorher eingelesenen Sollbild von einer einwandfreien Oberfläche mit bestimmten Prüfungskriterien verglichen. Jede Abweichung wird dann als Fehler erfaßt, und die CD wird in Abhängigkeit von der Größe und der Art der Abweichung aussortiert.

Ein derartiges Verfahren und der prinzipielle Aufbau einer derartigen Prüfvorrichtung sind beispielsweise aus der eingangs genannten DE 40 32 327 A1 bekannt. Hier wird der korrekte Einbau von Halbleiterbauelementen überprüft, wobei durch eine optimierte Beleuchtung der Anschlußdräte das durch den lichtempfindlichen Empfänger aufgenomme Ist-Bild den jeweiligen Prüfkriterien angepaßt werden kann. Ein anderer Aufbau einer optischen Prüfvorrichtung ist aus der US 5,268,735 bekannt, bei der eine CD sowohl von oben als auch von unten beleuchtet wird, um Fehler beispielsweise in der metallischen Spiegelschicht zu detektieren. Bei beiden bekannten Vorrichtungen werden als lichtempfindliche Empfänger CCD-Kameras eingesetzt.

CCD-Kameras setzen das empfangene Licht direkt in elektrische Signale um. Das im wesentlichen ebene lichtempfindliche Element einer CCD-Kameria ist in Form eines Rasters aufgebaut und weist in Zeilen- und in Spaltenrichtung eine Vielzahl von Pixeln auf. Dieses Raster ist gleichzeititg ein Maß für das Auflösevermögen der Kamera. Bei üblichen CCD-Kameras weist das lichtempfindliche Element beispielsweise in Zeilenrichtung etwa 750 und in Spaltenrichtung etwa 580 Pixel auf, und es ergibt sich ein Auflösevermögen von etwas 0,22 mm.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß dieses Auflösevermögen häufig nicht ausreicht, die Prüfung einer Oberfläche mit den gewünschten Kriterien durchzuführen. Insbesondere erfordern unterschiedliche Bereiche unterschiedliche Kriterien, da beispielsweise flächige Aufdrucke anderen Kriterien genügen müssen als Bereiche mit scharfen Hell-Dunkel-Kontrasten, die zum Beispiel durch Beschriftungen entstehen. Bei flächigen Aufdrucken besteht beispielsweise bei Metallic-Drucken ein Problem darin, daß der metallische Effekt durch Metallpartikel erreicht wird, die unregelmäßig in dem Aufdruck enthalten sind. Es ist daher insbesondere bei solchen Aufdrucken möglich, daß ein für das menschliche Auge einwandfreier Aufdruck von dem Prüfverfahren als Fehler detektiert wird. Bei kontrastarmen Aufdrucken, beispielsweise bei lediglich hinterlegten Bildern, besteht die Gefahr, daß die Begrenzungslinien nicht einwandfrei erfaßt werden, so daß eventuelle Fehler nicht erkannt werden können.

Insbesondere bei der Verwendung von elektronischen CCD-Kameras besteht ein weitere Problem darin, daß ein Pixel tatsächlich nur einen begrenzten fotoempfindlichen Bereich aufweist, der von einem Bereich umgeben ist, der nicht fotoempfindlich ist. In diesem Bereich sind dann beispielsweise Leiterbahnen angeordnet. Dies führt dazu, daß die Oberfläche nicht vollständig aufgenommen wird und das unmittelbare Umfeld eines belichteten Pixels überhaupt nicht erfaßt wird.

Es ist daher aus der Veröffentlichung Funkschau 15/1989, S. 46-47 und 16/1989, S. 61-63 "Hohe Auflösung mit 21 Millionen Pixel" bekannt, zwei Bilder einer Oberfläche aufzunehmen und dabei den CCD-Flächensensor um Bruchteile eines Pixels zu verschieben, um Aufnahmen eines Gegenstandes mit erhöhten Auflösevermögen zu ermöglichen. Aus der DE 38 37 063 C1 ist ein optoelektronischer Farbbildwandler bekannt, bei welchem das Bild zwischen der Aufnahme von einzelnen Teilbildern derart verschoben wird, daß identische Bildpunkte jeweils von den für Rot, Grün und Blau empfindlichen CCD-Matrix- Pixeln aufgenommen werden. Bei beiden in diesem Absatz genannten Vorrichtunges ist es erforderlich, daß die CCD-Kamera und der Gegenstand relativ zueinander um eine äußerst geringe Wegstrecke bewegt werden müssen. Dies erfordert zum einen genaue Antriebe. Zum anderen besteht die Gefahr, daß sich die im allgemeinen empfindliche CCD-Kamera durch die häufigen Bewegungen, die im laufenden Prozeß zudem häufig schnell und abrupt ablaufen müssen, verstellt, so daß eine einwandfreie Prüfung nicht mehr gewährleistet werden kann.

Grundsätzlich ist es natürlich möglich, durch Erhöhung des Auflösevermögens der verwendeten Kamera die Prüfung zu verbessern. Eine Erhöhung des Auflösevermögens ist jedoch nicht ohne kostenaufwendige Maßnahmen möglich. Ferner besteht eine Nachteil darin, daß das lichtempfindliche Element wesentlich mehr Pixel hätte, wodurch die erforderliche Rechenzeit zur Prüfung der Oberfläche verlängert wird. Ferner wird dann der lichtempfindliche Empfänger größere Abmessungen aufweisen und kann nicht mehr ohne weiteres in der Prüfvorrichtung, die häufig aufgrund der Eingliederung in bestehende Herstellungsanlagen nur ein begrenztes Bauvolumen aufweisen darf, eingebaut werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und die Vorrichtung der eingangs geschilderten Art so zu verbessern, daß ein Bild der Oberfläche mit wesentlich mehr Informationen bei unverändertem Auflösevermögen des lichtempfindlichen Empfängers erstellt werden kann.

Die Aufgabe wird bei dem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß während der Einlesephase und/oder der Prüfphase wenigstens zwei Bilder der Oberfläche aufgenommen werden, wobei das von der Oberfläche reflektierte und/oder gestreute Licht vor dem Auftreffen auf das lichtempfindliche Element an wenigstens einem Spiegelelement reflektiert wird, das um wenigstens eine Achse derart verschwenkt wird, daß das auf dem lichtempfindlichen Element projizierte Bild der Oberfläche für das wenigstens zweite Bild um wenigstens einen Bruchteil der Abmessung eines Pixels in wenigstens eine Richtung relativ zum lichtempfindlichen Element verschoben wird.

Dies hat den Vorteil, daß sowohl der lichtempfindliche Empfänger als auch der Gegenstand fixierte Positionen einbehalten, während lediglich ein optisches Zwischenglied bewegt wird. Insbesondere besteht ein Vorteil darin, daß der Spiegel lediglich verschwenkt werden muß, was mit relativ einfachen Mitteln und mit hoher Präzision möglich ist. Ferner besteht nicht die Gefahr, daß sich die Optik im Laufe der Zeit verstellt.

Durch die im Anspruch 1 angegebene Maßnahme wird zusätzlich zu dem Bild, das in der Ruhe- oder Ausgangslage aufgenommen worden ist, noch wenigstens ein weiteres Bild erzeugt, bei welchem die Pixel des lichtempfindlichen Elementes einen Teil des ursprünglich aufgenommenen Bildpunktes und einen Teil des ursprünglich benachbarten Bildpunktes aufnehmen. Dadurch kann in vorteilhafter Weise das Umfeld jedes einzelnen Bildpunktes erfaßt werden. Ferner ist es möglich, durch Vergleich mit den anderen Bildern, die aufgrund dieser relativen Verschiebung erstellt werden, den Bereich der CD und/oder die Art des Aufdruckes zu klassifizieren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß nunmehr auch die Bereiche der Oberfläche erfaßt werden können, die vorher auf Bereiche des lichtempfindlichen Elementes projiziert worden sind, in denen die nicht-fotoempfindlichen Bereiche eines Pixels angeordnet sind.

Beispielsweise kann beim Einlesen einer einwandfreien CD davon ausgegangen werden, daß ein gesamter Bereich einen hellen oder dunklen im wesentlichen einfarbigen Aufdruck hat, wenn zum Beispiel das Pixel sowohl in der Ruhelage als auch nach der relativen Verschiebung hell oder dunkel belichtet ist. Sind beispielsweise zwei nebeneinanderliegende Pixel in der Ruhelage grau und wenigstens ein Pixel nach der relativen Verschiebung dunkel oder hell, so liegen dort scharfe Hell-Dunkel-Kontraste vor. Auf jeden Fall erhält man mit dem Verfahren gemäß der Erfindung zusätzliche Informationen, die zum Beispiel während der Einlesephase zum Erstellen eines Sollbildes verarbeitet werden können.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß eine relative Verschiebung um die Abmessungen eines halben Pixels erfolgt. Dabei kann zweckmäßiger Weise vorgesehen werden, daß während der Prüfphase und/oder der Einlesephase vier Bilder aufgenommen werden, wobei das projizierte Bild ausgehend von einer Ruhelage relativ zum lichtempfindlichen Element jeweils um einen Bruchteil der Abmessung eines Pixels in Zeilenrichtung, in Spaltenrichtung sowie in Zeilen- und Spaltenrichtung des Rasters des lichtempfindlichen Elementes verschoben wird. Dies hat den Vorteil, daß das gesamte Umfeld eines Pixels erfaßt werden kann. Grundsätzlich wären zur Erfassung des gesamten Umfeldes eines freiliegenden Pixels ausgehend von der Ruhelage acht Verschiebungen und somit acht zusätzliche Bilder erforderlich. Bei einer Verschiebung um die Abmessung eines halben Pixels werden jedoch fünf Bereiche des Umfeldes, die durch fünf zusätzliche Bilder aufgenommen werden müßten, durch die verschobenen benachbarten Pixeln aufgenommen, so daß die Erstellung von drei zusätzlichen Bildern ausreicht.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Spiegelelement durch wenigstens ein piezoelektrisches Element verschwenkt wird. Derartige Elemente erlauben in vorteilhafter Weise eine geringe Bewegung bei hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit. Ferner sind piezoelektrische Elemente einfach durch elektronische Impulse beispielsweise einer Datenverarbeitungs­ anlage schnell und problemlos anzusteuern, so daß eine Automatisierung des Einlesevorgangs zur Erstellung des Sollbildes und/oder die Aufnahme von mehreren Bildern während der Prüfphase ohne weiteres möglich sind.

Weiterhin kann vorgesehen werden, daß die von der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten Lichtstrahlen durch wenigstens eine Linsenanordnung auf das Objektiv des lichtempfindlichen Empfängers gebündelt werden. Zweckmäßig kann es dann sein, wenn die durch die Linsenanordnung gebündelten Lichtstrahlen relativ zum lichtempfindlichen Empfänger bewegt werden. Besonders zweckmäßig ist es hierbei, wenn die gebündelten Lichtstrahlen durch das Spiegelelement relativ zum lichtempfindlichen Empfänger bewegt werden. Dies hat den Vorteil, daß der Spiegel für die Umlenkung der Lichtstrahlen auf den lichtempfindlichen Empfänger und zur Bewirkung der relativen Verschiebung relativ kleine Abmessungen aufweisen kann. Dadurch können Probleme bei der Bewegung des Spiegels, die beispielsweise durch ein zu hohes Trägheitsmoment oder ein zu hohes Gewicht auftreten würden, vermieden werden.

Die Aufgabe wird bei der Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 gemäß der Erfindung, dadurch gelöst, daß zwischen dem lichtempfindlichen Empfänger und der Oberfläche wenigstens ein Spiegelelement angeordnet ist, an dem das Licht vor dem Auftreffen auf das lichtempfindliche Element zumindest teilweise reflektiert wird, und das Spiegelelement durch wenigstens ein Stellmittel um wenigstens eine Achse verschwenkbar ist, um das projizierte Bild der Oberfläche in wenigstens eine Richtung um wenigstens einen Bruchteil der Abmessung eines Pixels relativ zu dem lichtempfindlichen Element zu verschieben. Dies hat den Vorteil, daß die Stellmittel relativ einfach ausgebildet sein können, da ein optisches Element mit relativ geringem Gewicht verschwenkt werden muß. Ferner besteht ein Vorteil darin, daß ein relativ unempfindliches optisches Element bewegt wird, so daß die Gefahr einer unerwünschten Verstellung der Optik durch das Bewegen vermieden wird.

Zweckmäßig kann es dabei sein, daß das Stellmittel wenigstens ein piezoelektrisches Element aufweist. Derartige piezoelektrische Elemente haben den Vorteil, daß sie kleine Bewegungen mit hoher Präzision ausführen können. Ferner sind sie in einfacher Weise durch elektrische Signale steuerbar, die beispielsweise mit einer Datenverarbeitungsanlage erzeugt werden können.

Es kann vorgesehen werden, daß das piezoelektrische Element auf der Rückseite des Spiegelelementes befestigt ist. Auch kann es zweckmäßig sein, daß das piezoelektrische Element wenigstens drei piezoelektrisch arbeitende Stempel aufweist, die so auf das Spiegelelement wirken, daß eine Verschwenkung um eine erste Achse parallel zur Spiegeloberfläche, um eine zweite Achse parallel zur Oberfläche und senkrecht zu der ersten Achse sowie eine gleichzeitige Verschwenkung um beide Achsen bewirkt werden können. Durch eine derartige Verschwenkung um ein oder zwei Achsen wird das projizierte Bild relativ zum lichtempfindlichen Element verschoben, und es kann das gesamte Umfeld des ursprünglich aufgenommenen Bildpunktes, also des ursprünglich belichteten Pixels, erfaßt werden. Insbesondere bei einer relativen Verschiebung um die Abmessung eines halben Pixels kann das gesamte Umfeld durch drei zusätzliche Bilder detektiert werden, da ein Teil des Umfeldes durch die benachbarten Pixel nach den obigen Verschiebungen aufgenommen werden.

Zweckmäßig kann es sein, daß das Spiegelelement durch eine Feder an dem piezoelektrischen Element in der Ruhelage gehalten wird. Dies hat den Vorteil, daß die gesamte Optik eine festgelegte Ruheposition hat, die erst durch die Betätigung der piezoelektrischen Elemente verändert wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine relative Verschiebung des projizierten Bildes nur während der Einlesephase erfolgen soll, da zum Beispiel während der Prüfphase nicht ausreichend Zeit für eine Erstellung von mehreren Bildern zur Verfügung steht. Während der Prüfphase verbleibt der Spiegel dann in seiner Ruhelage.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß zwischen dem lichtempfindlichen Empfänger und der Oberfläche wenigstens eine Linsenanordnung vorgesehen ist, um die von der Oberfläche reflektierten und/­ oder gestreuten Strahlen vor dem Eintritt in das Objektiv des lichtempfindli­ chen Empfängers zu bündeln. Dabei ist es zweckmäßig, wenn das durch das Stellmittel verschwenkbare Spiegelelement zwischen der Linsenanordnung und dem lichtempfindlichen Empfänger angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, daß der verschwenkbare Spiegel relativ kleine Abmessungen aufweisen kann, so daß Probleme bei der Betätigung, die beispielsweise durch ein hohes Gewicht oder ein hohes Trägheitsmoment auftreten könnten, vermieden werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht des verschwenkbaren Spiegels in Richtung des Pfeiles II in Fig. 1 und

Fig. 3a-3c jeweils ein Raster der zu prüfenden Oberfläche eines Gegenstandes.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 10 zum optischen Prüfen einer Oberfläche einer Compact-Disc (CD) weist einen im allgemeinen säulenförmigen vertikalen Aufbau auf, an dem die einzelnen Funktionselemente befestigt sind. Der Übersichtlichkeit halber sind in der Zeichnung die für die Befestigung der einzelnen Funktionselemente erforderlichen Haltemittel nicht dargestellt.

Die Vorrichtung 10 weist an ihrem unteren Abschnitt eine ebenfalls nicht dargestellte Aufnahmeeinrichtung auf, um eine CD 11 für die Prüfung aufzunehmen und zu zentrieren. Die Oberfläche 12 der CD 11 kann von der Seite mit einem unter einem spitzen Winkel einfallenden Licht durch ein Unterlicht 13 beleuchtet werden. Im einzelnen ist die Anordnung so getroffen, daß das Unterlicht 13 nur auf einer Seite der CD angeordnet ist. Das Unterlicht weist eine Lichtquelle 14 auf, deren Lichtstrahlen durch eine Linsenanordnung 15 und einen Spiegel 16 auf die Oberfläche 12 der CD 11 gerichtet werden. In Strahlrichtung der Lichtquelle 14 sind eine runde Sammellinse 17 und eine Zylinderlinse 18 angeordnet, um die Oberfläche 12 mit einem Lichtstrahlbündel zu beleuchten, das von oben her gesehen leicht konvergierende und von der Seite her gesehen im wesentlichen parallele Lichtstrahlen aufweist. Die Zylinderlinse 18 ist verkippbar um eine Längsachse senkrecht zur Zeichenebene gelagert. Dadurch kann die Zylinderlinse 18 so ausgerichtet werden, daß durch die Ausnutzung der Linsenfehler eine Beleuchtung der gesamten Oberfläche mit im wesentlichen gleicher Lichtstärke bewirkt werden kann. Hinter der Lichtquelle 14 kann noch ein Hohlspiegel 19 vorgesehen werden, um die Lichtausbeute zu erhöhen.

Oberhalb der CD 11 ist ein Oberbau 20 der Prüfvorrichtung 10 vorgesehen, in dem ein lichtempfindlicher Empfänger 21 für die fotografische Aufnahme der Oberfläche 12 der CD 11 in der Draufsicht, eine Lichtquelle 22 für ein Oberlicht 23 und eine Linsenanordnung 24 zum Ausrichten der Lichtstrahlen auf die Oberfläche 12 und zum Bündeln des von der Oberfläche 12 kommenden reflektierten und/oder gestreuten Lichtes in das Objektiv 25 des lichtempfindlichen Empfängers 21 angeordnet sind. Durch die Linsenanordnung 24, beispielsweise ein Achromat, wird das von dem Oberlicht 23 ausgestrahlte Licht parallel auf die Oberfläche 12 ausgerichtet und gleichzeitig das von der Oberfläche 12 kommende Licht in das Objektiv 25 des lichtempfindlichen Empfängers 21 projiziert. Durch den im wesentlichen parallelen Strahlenverlauf zwischen der Linsenanordnung 24 und der Oberfläche 12 der CD 11 kann die Breite der Vorrichtung 10 senkrecht zur Zeichenebene verringert werden.

Der lichtempfindliche Empfänger 21 weist hinter seinem Objektiv 25 ein im wesentlichen ebenes lichtempfindliches Element 26 auf, das eine Vielzahl von Pixeln 27 aufweist. Die Pixel 27 sind in Zeilenrichtung (X-Richtung) und Spaltenrichtung (Y-Richtung) unter Bildung eines Rasters angeordnet.

In Strahlrichtung des von der Oberfläche 12 kommenden Lichtes wird das Licht durch ein erstes ebenes Spiegelelement 28 und durch ein zweite ebene Spiegelfläche 29 zweimal umgelenkt, bevor es in das Objektiv 25 des lichtempfindlichen Empfängers eintritt. Durch diese Strahlfaltung kann eine Verringerung der Bauhöhe bewirkt werden. Dies ist deshalb zweckmäßig, da die Brennweite beispielsweise eines Achromats nicht beliebig klein sein kann, so daß ohne die Strahlfaltung die Vorrichtung relativ hoch wäre.

Der Oberbau 20 ist mit einem hülsenförmigen Abdeckelement 30 umgeben, um eine Blendung der Umgebung durch das Oberlicht 23 und eine Beeinflussung des lichtempfindlichen Empfängers 21 durch Umgebungslicht zu vermeiden. Dieses hülsenförmige Abdeckelement 30 kann einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, dessen lichte Breite zumindest dem äußeren Durchmesser der Linsenanordnung 24 entspricht. Zwischen der Lichtquelle 22 für das Oberlicht 23 und dem Objektiv des lichtempfindlichen Empfängers 21 können entsprechende Abdeckelemente 31 vorgesehen sein, um eine direkte Belichtung zu vermeiden. Derartige Abdeckelemente 31 sind an entsprechenden Stellen auch für die Lichtquelle 14 für das Unterlicht 13 vorgesehen. Ferner kann vorgesehen werden, daß die Lichtquellen mit entsprechenden, nicht dargestellten Abdeckmitteln versehen sind, um Licht nur in eine bevorzugte Richtung auszustrahlen.

Durch den parallelen Strahlenverlauf zwischen der Linsenanordnung 24 und der Oberfläche 12 der CD 11 in Form eines telezentrischen Aufbaus ist es möglich, daß der Abstand des Oberbaus 20 zu der Oberfläche des Gegenstandes ohne Veränderung der Optik im Oberbau variiert werden kann. Dazu können entsprechende Führungsschienen vorgesehen sein, an denen der Oberbau 30 verschiebbar gelagert werden kann. Diese Konstruktionselemente sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

Das Oberlicht 23 wird bei der dargestellten Vorrichtung 10 durch ein optisches Prisma 32 in Richtung auf die Linsenanordnung 24 eingebracht. Durch das Prisma wird erreicht, daß die Linsenanordnung 24 Strahlen auf zwei Brennpunkte fixieren kann. Dies ist deshalb erforderlich, da zum einen für eine optimale Ausleuchtung durch das Oberlicht sich die Lichtquelle 22 für das Oberlicht in einem Brennpunkt der Linsenanordnung 24 befinden muß. Zum anderen muß sich für ein scharfes Bild der Oberfläche 12 das Objektiv 25 des lichtempfindlichen Empfängers 21 in einem Brennpunkt der Linsenanordnung 24 befinden. Durch die Verwendung eines Prismas wird erreicht, daß zwei Brennpunkte der Linsenanordnung erzeugt werden und daß die Brennpunkte keine direkte optische Verbindung aufweisen, d. h., daß ein Lichtstrahl von der Lichtquelle 22 nur über die Oberfläche 12 der CD 11 zum lichtempfindlichen Empfänger 21 gelangen kann.

Im einzelnen ist die Anordnung so getroffen, daß das optische Prisma 32 eine teildurchlässige Spiegelfläche aufweist, die die Spiegelfläche 29 bildet. Das Prisma 32 weist ferner eine zweite Seitenfläche 33 auf, auf deren der teildurchlässigen Spiegelfläche abgekehrten Seite die Lichtquelle 22 für das Oberlicht angeordnet ist. Diese zweite Seitenfläche 33 verläuft in einem solchen Winkel α zu der teildurchlässigen Spiegelfläche 29, daß die von der Lichtquelle 22 ausgehenden Lichtstrahlen durch Brechung an der zweiten Seitenfläche und durch erneute Brechung an der teildurchlässigen Spiegelfläche genau entgegengesetzt zu den von der Oberfläche kommenden Lichtstrahlen verlaufen. Die Lichtquelle 22 ist hier in dem durch das als Strahlteilungsmittel wirkende Prisma 32 erzeugten zweiten Brennpunkt der Linsenanordnung 24 angeordnet.

Ferner ist der Winkel α so gewählt, daß der lichtempfindliche Empfänger 21 nicht direkt in die Lichtquelle 22 sehen kann. Dies bedeutet, daß Lichtstrahlen, die von dem lichtempfindlichen Empfänger 21 ausgehen würden, an der inneren Grenzfläche 34 der zweiten Seitenfläche 33 eine Totalreflexion erfahren. Diese Strahlen treffen dann auf eine dritte Seite 35 des Prismas, die beispielsweise geschwärzt ist. Eine Schwärzung dieser Seite hat auch den Vorteil, daß eine Beeinflussung durch Streulicht vermieden werden kann. Durch eine entsprechende Einstellung des Winkels α zwischen den Seitenflächen 29 und 33 kann daher eine direkte Beleuchtung des lichtempfindlichen Empfängers durch die Lichtquelle 22 für das Oberlicht vermieden werden.

Der Winkel α ist in Abhängigkeit von den örtlichen Gegebenheiten, also insbesondere durch die Lage des Prismas im Strahlenverlauf, und von dem verwendeten Material für das Prisma auszuwählen. Die Bestimmung des Winkels zur Erfüllung der gestellten Anforderungen ist dem Fachmann bekannt und bedarf daher keiner weiteren Erläuterung.

Das erste Spiegelement 28 ist mit einem Stellglied, das beispielsweise als piezoelektrisches Element 36 ausgebildet ist, versehen. Durch entsprechende Betätigung des Stellgliedes wird erreicht, daß der Spiegel 28 um seine in der Spiegelebene verlaufenden Achsen 37 und/oder 38 verschwenkt werden kann, um die Verschiebung des projizierten Bildes relativ zum lichtempfindlichen Element 26 zu bewirken. Im einzelnen ist die Anordnung so getroffen, daß das piezoelektrische Elemtent 36 auf der Rückseite 39 des Spiegels angeordnet ist, wobei der Spiegel 28 gleichzeitig von dem piezoelektrischen Element 36 innerhalb des Oberbaus 30 gehalten wird. Dazu ist eine in der Zeichnung nicht dargestellte Tellerfeder vorgesehen, die den Spiegel 28 in einer Ruhelage hält. Für die Verschwenkung des Spiegels aus seiner Ruhelage sind drei Stempel 40, 41 und 42 vorgesehen, um durch entsprechende Betätigung den Spiegel um die Achsen 37 und/oder 38 zu verschwenken.

Der Hubweg der Stempel (40, 41, 42) ist dabei so bemessen, daß die Verschwenkung des Spiegels 28 um die entsprechende Achse jeweils eine Verschiebung des projizierten Bildes um die Abmessung eines halben Pixels bewirkt. Je nach Ausrichtung des Spiegels kann dabei eine Verschwenkung um die Achse 37 eine Verschiebung in X-Richtung (Fig. 3a), eine Verschwenkung um die Achse 38 eine Verschiebung in Y-Richtung (Fig. 3b) und eine Verschwenkung um beide Achsen eine Verschiebung in X- und Y- Richtung (Fig. 3c) bewirken.

Wie insbesondere aus den Fig. 3a bis 3c ersichtlich, kann durch diese relative Verschiebung das Umfeld eines Pixels 27 abgetastet werden, ohne daß eine Erhöhung des Auflösevermögens des lichtempfindlichen Empfängers erfolgen muß. In der Zeichnung ist das Raster des lichtempfindlichen Elementes 26 mit durchgezogenen Linien in der Ausgangslage dargestellt. Wie in den Figuren dargestellt, weist ein Pixel 27 einen fotoempfindlichen Bereich 46 auf, der von einem nicht-fotoempfindlichen Bereich 47 umgeben ist. Eine Belichtung nur in Ruhelage würde daher ein nur unvollkommenes Bild der Oberfläche erzeugen.

Durch die Verschiebung in X-Richtung wird der in Fig. 3a gezeigte gestrichelte Bereich 27a durch das in der Ausgangslage belichtete Pixel aufgenommen, der sich zur einen Hälfte aus dem ursprünglich aufgenommenen und zur anderen Hälfte aus dem benachbarten Bildpunkt zusammensetzt. Entsprechendes gilt für die Verschiebung in Y-Richtung (gestrichelter Bereich 27b in Fig. 3b) und in X- und Y-Richtung (gestrichelter Bereich 27c in Fig. 3c). Bei einer Verschiebung in beiden Richtungen setzt sich der Bereich aus einem Teil des in der Ausgangslage aufgenommenen Bildpunktes, aus Teilen der zwei benachbarten Bildpunkte sowie einem Teil eines an einer Ecke angrenzenden Bildpunktes zusammen. Die anderen Randbereiche fallen mit den Belichtungen der benachbarten Pixel zusammen, die durch die Verschiebungen erhalten worden sind. Dadurch kann das gesamte Umfeld eines Pixels abgetastet werden. Es sind daher bei einer relativen Verschiebung um ein halbes Pixel nur vier Bilder, d. h. ausgehend von der Ausgangslage drei zusätzliche Bilder, erforderlich. Insbesondere wird der fotoempfindliche Bereich 46 des Pixels bei der gezeigten Ausführungsform in den vorher nicht-fotoempfindlichen Bereich 47 zweier benachbarter Pixel verschoben.

Grundsätzlich kann das Auflösevermögen durch eine kleiner Verschiebung als um ein halbes Pixel erhöht werden. Dann sind jedoch mehr Aufnahmen für die Erfassung des Umfeldes erforderlich, die entsprechend mehr Zeit benötigen, die in einem laufenden Prüfverfahren häufig nicht zur Verfügung steht.

Der lichtempfindliche Empfänger 21 steht in Verbindung mit einer Datenverarbeitungsanlage 43, die die aufgenommenen Istbilder mit wenigstens einem vorher eingelesenen Sollbild vergleicht. Ferner steht die Datenverarbei­ tungsanlage 43 in Verbindung mit dem piezoelektrischen Element 36, um die relativen Verschiebungen zu steuern und um den lichtempfindlichen Empfänger und gegebenenfalls die Beleuchtungen mit den Verschiebungen zu synchronisieren.

Weiterhin sind ein erstes und ein zweites Steuermittel 44 und 45 vorgesehen, um die Belichtungszeit des lichtempfindlichen Empfängers 21 beziehungsweise die Beleuchtung der Oberfläche durch das Oberlicht 23 und/oder das Unterlicht 13 einzustellen. Das erste Steuermittel steht in Verbindung mit dem zweiten Steuermittel, um eine Synchronisation zwischen der Beleuchtung und dem lichtempfindlichen Empfänger zu ermöglichen.

Es kann beispielsweise vorgesehen werden, daß innerhalb einer Prüfzeit zwei Bilder der Oberfläche aufgenommen werden, um eine Kontrastschwächung, die bei einer gleichzeitigen Beleuchtung durch das Oberlicht und das Unterlicht auftreten könnte, bei den jeweiligen Bildern zu vermeiden. Dabei kann vorgesehen werden, daß das Oberlicht als Blitzlicht ausgebildet ist, während das Unterlicht ein Dauerlicht ist. Während des Blitzens wird der lichtempfindliche Empfänger, im allgemeinen eine CCD-Kamera, in den sogenannten Shutter-Mode geschaltet, um die entsprechend kurze Belichtungszeit einzustellen. Das Blitzlicht bewirkt eine wesentlich stärkere Belichtung der Kamera, so daß die gleichzeitige Belichtung mit dem kontinuierlichen Unterlicht bei der gemachten Aufnahme kaum zur Geltung kommt. Dadurch können in einfacher Weise zwei Bilder einer Oberfläche in kürzester Zeit erstellt werden.

In der Zeichnung und in der Beschreibung sind die einzelnen einzuhaltenden Winkel nicht näher dargestellt worden, da sie insbesondere von den jeweils unterschiedlichen Abmessungen der einzelnen Elemente abhängen. Die exakten Ausrichtungen der jeweiligen Elemente können, ohne daß es einer weiteren Erläuterung bedarf, durch den Fachmann anhand der vorliegenden Beschreibung ermittelt und eingestellt werden.

Bezugszeichenliste

10

Vorrichtung

11

CD

12

Achse

13

Unterlicht

14

Lichtquelle

15

Linsenanordnung

16

Spiegel

17

Linse

18

Zylinderlinse

19

Hohlspiegel

20

Oberbau

21

lichtempfindlicher Empfänger

22

Lichtquelle

23

Oberlicht

24

Linsenanordnung

25

Objektiv

26

lichtempfindliches Element

27

Pixel (Bildpunkt)

28

Spiegel

29

Spiegelfläche

30

Abdeckelement

31

Abdeckelement

32

Prisma

33

Seite

34

Grenzfläche

36

Piezoelement

37

Achse

38

Achse

39

Rückseite

40

Stempel

41

Stempel

42

Stempel

43

Datenverarbeitungsanlage

44

erstes Steuermittel

45

zweites Steuermittel

46

fotoempfindlicher Bereich

47

nicht-fotoempfindlicher Bereich

Claims (13)

1. Verfahren zum optischen Prüfen einer Oberfläche (12) eines Gegenstandes, insbesondere einer Compact-Disc (CD), bei welchem die Oberfläche durch wenigstens eine Lichtquelle (14, 22) beleuchtet wird und das von der Oberfläche (12) reflektierte und/oder gestreute Licht auf wenigstens ein ebenes lichtempfindliches Element (26) eines lichtempfindlichen Empfängers (21) projiziert wird, das sich in Zeilenrichtung (X) und in Spaltenrichtung (Y) aus mehreren Pixeln (27) in Form eines Rasters zusammensetzt, wobei in einer Prüfphase wenigstens ein Istbild erzeugt wird, das mit wenigstens einem Sollbild, das in einer Einlesephase erstellt worden ist, verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Einlesephase und/oder der Prüfphase wenigstens zwei Bilder der Oberfläche (12) aufgenommen werden, wobei das von der Oberfläche reflektierte und/oder gestreute Licht vor dem Auftreffen auf das lichtempfindliche Element an wenigstens einem Spiegelelement (28) reflektiert wird, das um wenigstens eine Achse (37, 38) derart verschwenkt wird, daß das auf dem lichtempfindlichen Element (26) projizierte Bild der Oberfläche zumindest für das zweite Bild um wenigstens einen Bruchteil der Abmessung eines Pixels (27) in wenigstens eine Richtung relativ zum lichtempfindlichen Element (26) verschoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine relative Verschiebung um die Abmessung eines halben Pixels erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Prüfphase und/oder der Einlesephase vier Bilder aufgenommen werden, wobei das projizierte Bild der Oberfläche ausgehend von einer Ruhelage relativ zum lichtempfindlichen Element (26) jeweils um einen Bruchteil der Abmessung eines Pixels (27) in Zeilenrichtung (X), in Spaltenrichtung (Y) sowie in Zeilen- und Spaltenrichtung des Rasters des lichtempfindlichen Elementes (26) verschoben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelelement (28) durch wenigstens ein piezoelektrisches Element (36) verschwenkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten Lichtstrahlen durch wenigstens eine Linsenanordnung (24) auf das Objektiv (25) des lichtempfindlichen Empfängers (21) gebündelt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Linsenanordnung (24) gebündelten Lichtstrahlen durch das Spiegelelement relativ zum lichtempfindlichen Empfänger (21) bewegt werden.

7. Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche (12) eines Gegenstandes, insbesondere einer Compact-Disc (CD), bei der die Oberfläche durch zumindest eine Lichtquelle (14, 22) beleuchtbar ist und das von der Oberfläche reflektierte und/oder gestreute Licht auf wenigstens ein ebenes lichtempfindliches Element (26) eines lichtempfindlichen Empfängers (21) projiziert wird, das sich in Zeilenrichtung (X) und in Spaltenrichtung (Y) aus mehreren Pixeln (27) in Form eines Rasters zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem lichtempfindlichen Empfänger (21) und der Oberfläche (12) wenigstens ein Spiegelelement (28) angeordnet ist, an dem das Licht vor dem Auftreffen auf das lichtempfindliche Element (26) zumindest teilweise reflektiert wird, und das Spiegelelement (28) durch wenigstens ein Stellmittel (36) um wenigstens eine Achse (37, 38) verschwenkbar ist, um das projizierte Bild der Oberfläche (12) in wenigstens eine Richtung um wenigstens einen Bruchteil der Abmessung eines Pixels (27) relativ zu dem lichtempfindlichen Element (26) zu verschieben.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellmittel wenigstens ein piezoelektrisches Element (36) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (36) auf der Rückseite (39) des Spiegelelementes (28) befestigt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (36) wenigsten drei Stempel (40, 41, 42) aufweist, die so auf das Spiegelelement (28) wirken, daß eine Verschwenkung um eine erste Achse (37) parallel zur Spiegeloberfläche, um eine zweite Achse (38) in der Spiegeloberfläche und senkrecht zu der ersten Achse sowie eine gleichzeitige Verschwenkung um beide Achsen bewirkt werden kann.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelelement (28) durch eine Feder an dem piezoelektrischen Element (36) in der Ruhelage gehalten wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem lichtempfindlichen Empfänger (21) und der Oberfläche (12) wenigstens eine Linsenanordnung (24) vorgesehen ist, um die von der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten Strahlen vor dem Eintritt in das Objektiv (25) des lichtempfindlichen Empfängers zu bündeln.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das durch das Stellmittel verschwenkbare Spiegelelement (28) zwischen der Linsenanordnung (24) und dem lichtempfindlichen Empfänger angeordnet ist, um die gebündelten Strahlen relativ zum lichtempfindlichen Element zu bewegen.