德国专利DE102004022454A1 Messeinrichtung mit optischer Tastspitze

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专利摘要:
EineMesseinrichtung (1) zur Vermessung der Form, Kontur und/oder Rauheiteines Werkstücksberuht auf einem berührungslosenoptischen Taster mit großernumerischer Apertur, der wenigstens zwei verschiedene Brennpunktehat, denen wenigstens zwei Fotoempfänger zugeordnet sind. Dieseerzeugen ein Differenzsignal zur Ansteuerung einer Positioniereinrichtung(13) zur Nachführungdes optischen Tasters so, dass die Werkstückoberfläche innerhalb des Messbereichsdesselben gehalten wird. Das Differenzsignal bewährt sich zur schnellen undgenauen Nachführungzur Position der Senoranordnung (3).
公开号:DE102004022454A1
申请号:DE200410022454
申请日:2004-05-06
公开日:2005-12-01
发明作者:Peter Dr.-Ing. Lehmann
申请人:Carl Mahr Holding GmbH；
IPC主号:G01B5-28

专利说明:
[0001] DieErfindung betrifft eine Messeinrichtung, insbesondere zur Rauheitsmessung,Konturenmessung oder zur Formenmessung.
[0002] ZurRauheits-, Form- oder Konturenmessung sind bislang optische odertaktile Messverfahren in Gebrauch, die jeweils typischen Beschränkungenunterliegen. Taktile Messprinzipien beruhen grundsätzlich aufder Berührungeiner Werkstückoberfläche durcheinen Tastkörper.Dies kann eine Verformung der Oberfläche, eine Verschmutzung derselbenoder auch eine Beschädigungder Oberflächeverursachen.
[0003] OptischeMessprinzipien unterliegen wiederum anderen Beschränkungen,die gelegentlich ebenfalls zur Schwierigkeiten führen können. Beispielsweise können Problemebeim optischen Messen geneigter Flächen, Einschränkungender Messgeschwindigkeit, Messfehler in Folge von Beugung an Kantenusw. auftreten.
[0004] Ausder GB 2144537 A isteine optische Profilmesseinrichtung bekannt, die auf der konfokalen Mikroskopieberuht. Die Messeinrichtung weist eine punktförmige Weißlichtquelle und ein Objektivauf, das das zuvor durch einen Kollimator zu einem parallelen Lichtbündel umgewandelteLicht auf Brennpunkte konzentriert. Der Abstand der Brennpunkte hängt in Folgeder gewünschtenchromatischen Aberration des Objektivs von der Wellenlänge ab.Das von dem Werkstückreflektierte Licht wird von dem Objektiv wieder aufgenommen und über einen Strahlteilerzu einem Spektralanalysator geleitet. Dieser enthält eineFotodiodenzeile. Der Spektralanalysator lässt je nach aufgenommener Wellenlänge das Lichtauf eine bestimmte Stelle der Fotodiodenzeile fallen. Aus der Positiondes auf die Fotodiodenzeile fallenden Lichtpunkts kann auf den Abstandzwischen dem Objektiv und der Werkstückoberfläche geschlossen werden.
[0005] DiesesPrinzip bewährtsich gut zur schnellen Abstandserfassung.
[0006] Ausder gleichen Druckschrift ist es bekannt, die dem Werkstück zugewandteLinse des Objektivs in Richtung ihrer optischen Achse hin und heroszillieren zu lassen, um den Fokus in Messrichtung hin und herschwingen zu lassen. Aus dem oszillierenden Signal des Fotoempfängers kannwiederum auf den Abstand zwischen dem Objektiv und der Werkstückoberfläche geschlossenwerden.
[0007] Ausder US-PS 5 785 651 isteine insbesondere zur Vermessung von Augenlinsen vorgesehene Messeinrichtungmit mehreren parallel zueinander arbeitenden optischen Messsystemenbekannt, die jeweils als konfokales Mikroskop arbeiten. Zu jedem solchenkonfokalen Mikroskop gehörteine polychromatische Lichtquelle, eine Lichtleitfaser, die als Punktblendedient, ein Objektiv, das das Licht auf das Objekt richtet und vondiesem empfängtund eine erhebliche chromatische Aberration aufweist, ein Strahlteilerund ein Fotoempfänger,der ein die Wellenlängedes empfangenen Lichts kennzeichnendes Signal abgibt.
[0008] ZurErfassung der Form gewölbterKörper, wiebeispielsweise einer Augenlinse, ist eine Vielzahl von Einzelsensorenerforderlich, die als Matrix oder Linie angeordnet sind.
[0009] Ausder US-PS 5 804 813 istein konfokaler Sensor bekannt, der zur Vermessung eines auf einempiezaelektrischen Aktor angeordneten Werkstücks vorgesehen ist. Es wirdeine kohärenteLichtquelle und ein Objektiv mit hoher numerischer Apertur verwendet.Zur Vermessung des Werkstückswird dieses quer zu dem Lichtstrahl des Sensors bewegt, wobei derAbstand zwischen dem Sensor und der Werkstückoberfläche von der Objektivbrennweitegeringfügigabweicht. Der Brennpunkt des Objektivs befindet sich geringfügig oberhalboder unterhalb der Werkstückoberfläche. Diesteile Flanke des Sensorsignals bei Durchgang der Werkstückoberfläche durchden Brennpunkt wird als Messkennlinie verwendet.
[0010] SolcheSensoren weisen eine äußerst geringeTiefenschärfeauf. Der Messbereich ist auf wenige Nanometer beschränkt.
[0011] Davonausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen optischen Sensor zurVermessung von gekrümmtenOberflächenzu schaffen.
[0012] DieseAufgabe wird mit der Messeinrichtung nach Anspruch 1 gelöst: Dieerfindungsgemäße Messeinrichtungberuht auf einem konfokalen Sensor nach Art eines konfokalen Mikroskops,der mit wenigstens zwei Fotoempfängernausgerüstetist. Die konfokale Sensoranordnung erzeugt wenigstens zwei voneinanderin Messrichtung beabstandete Brennpunkte, die mit gleicher oderunterschiedlichen Lichtfarben sowie gleicher oder unterschiedlicherPolarisation erzeugt werden können.Die Zuordnung der Fotoempfängerzu den Brennpunkten erfolgt überdie Lichtfarbe durch einen wellenlängenunterscheidende Weiche,wie beispielsweise ein Spektrometer, ein Prisma, einen wellenlängenabhängigen Reflektoroder dergleichen. die Unterscheidung der Brennpunkte bzw. die Zuordnung derFotoempfängerzu den Brennpunkten kann auch durch räumliche Beabstandung der Fotoempfänger zueinanderoder durch Polarisationsfilter oder anderweitige entsprechende Mittelerfolgen.
[0013] DieMesseinrichtung enthälteine Differenzbildungsschaltung, die die Differenz aus den von beidenFotoempfängerngelieferten Signalen bildet. Damit wird ein nahezu linearer Messbereichzwischen beiden Brennpunkten erhalten. Das Differenzsignal verläuft beimDurchgang der Werkstücko berfläche durchden Bereich zwischen den beiden Brennpunkten etwa s-förmig, wobeiin der Mitte des Messbereichs ein Nullsignal festgelegt sein kann.Auf diese Weise kann einerseits die Lage der Werkstückoberfläche in derMitte des Messbereichs sehr leicht und einfach festgestellt werden.Andererseits kann jede andere, innerhalb des Messbereichs liegendeFlächenpositionsehr schnell und ohne mechanische Verstellung der Messeinrichtungerfasst werden. Dies eröffneteinerseits den Weg zu schnellen Messverfahren und andererseits dieMöglichkeiteiner erheblichen Messtiefe in Z-Richtung.Außerdemeignet sich das Differenzsignal auf ideale Weise als Nachführungssignalfür eineRegelschleife, die die Sensoranordnung der Oberflächenkonturanalog oder in Stufen nachführt.Damit wird die Möglichkeitgeschaffen, räumlichausgedehnte Körper,wie beispielsweise Linsen, insbesondere asphärische Linsen, schnell undpräziseberührungsloszu vermessen. Der dabei zu treibende technische Aufwand ist gering.Es wird ein einfaches, robustes und dabei flexibel an verschiedeneWerkstückgrößen und-formen anzupassendes Messsystem geschaffen.
[0014] Vorzugsweisewird die konfokale Sensoranordnung mit einer zweiachsigen Positioniereinrichtungverbunden. Währendeine Achse wie bei einem Vorschubgerät als Schleppachse im Wesentlichen parallelzu der Werkstückoberfläche orientiertist, ist die andere Achse im Wesentlichen rechtwinklig zu dieserorientiert. Die parallele Achse dient der Festlegung eines Messwegswie bei einem Tastschnittmessverfahren. Tastschnittmessverfahrensind solche, bei denen die Werkstückoberfläche entlang einer Linie durcheinen Taster abgetastet wird. Die senkrechte Achse dient der Nachführung derkonfokalen Sensoranordnung, so dass die gewölbte Werkstückoberfläche stets in deren Messbereich bleibt. Beispielsweisekann diese Achse durch einen langen Schwenkarm gebildet werden,der die Sensoranordnung trägt.Der Schwenkarm erstreckt sich dabei ungefähr parallel zu der Werkstückoberfläche. Erist mit einer Positioniereinrichtung verbunden, die über eine Proportionalsteuereinrichtungoder eine Zweipunktsteuereinrichtung stets in einem konstanten oderinnerhalb einer toleranzkonstanten Abstand zu dem Messpunkt bzw.der Werkstückoberfläche gehalten wird.Die Toleranz ist dabei kleiner als der Messbereich.
[0015] Prinzipiellkönnenunterschiedliche Bauformen konfokaler Sensoranordnungen verwendetwerden. Im einfachsten Fall beruht dieser auf einer nicht kohärenten oderkurz kohärenten,wenigstens zweifarbigen Lichtquelle, die über einen Faserkoppler an dasObjektiv angeschlossen ist. Der Faserkoppler verbindet dieses außerdem miteinem Spektrometer, das wenigstens zwei Fotoempfänger aufweist, deren Ausgangssignaleeinem Differenzverstärkerzugeführtsind. Das erzeugte Differenzsignal (Intensitäts-Differenzsignal) kann alsMesssignal und/oder als Stellsignal für die erste Positioniereinrichtungdienen. Diese führtdie Sensoranordnung an die Werkstückoberfläche heran oder von dieser weg.Ein weiterer Sensor erfasst dabei die Position dieser Positioniereinrichtungund somit die Position der Sensoranordnung. Dies kann beispielsweisedurch ein interferometrisches oder inkrementales Messsystem geschehen.Das Messsignal wird dann durch Addition des Positionssignals derersten Positioniereinrichtung mit dem von der Sensoranordnung gelieferten Positionssignalerhalten. Wird die Sensoranordnung stets auf die Mitte des Messbereichsnachgeführt(im Falle der Proportionalsteuereinrichtung nach Anspruch 7) kann auchdas Positionssignal der Positioniereinrichtung als alleiniges Messsignaldienen.
[0016] WeitereEinzelheiten vorteilhafter Ausführungsformender Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung odervon Ansprüchen.
[0017] Inder Zeichnung sind Ausführungs-und Anwendungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
[0018] 1 eineMesseinrichtung in schematisierter Prinzipdarstellung,
[0019] 2 dieMesseinrichtung nach 1 bei der Formmessung an einemWerkstück,
[0020] 3 dieSensoranordnung der Messeinrichtung nach 1 in einemersten prinzipiellen Ausführungsbeispiel,
[0021] 4 eineabgewandelte Ausführungsform einerSensoranordnung mit zwei monochromatischen Lichtquellen in Prinzipdarstellung,
[0022] 5 einAusführungsbeispieleiner Sensoranordnung mit unterschiedlich polarisiertem Licht in Prinzipdarstellung,
[0023] 6 denIntensitätsverlaufdes von einem Fotoempfängerabgegebenen Signals bei Durchgang der Werkstückoberfläche durch den ihm zugeordnetenBrennpunkt,
[0024] 7 dasDifferenzsignal, erhalten durch Subtraktion zweier Fotoempfänger, diezwei räumlich voneinanderbeabstandeten Brennpunkten zugeordnet sind, bei Durchgang der Werkstückoberfläche durchdie Brennpunkte,
[0025] 8 dieSteuereinrichtung in einer ersten Ausführungsform als Proportionalsteuereinrichtung alsBlockschaltbild und
[0026] 9 dieSteuereinrichtung in einer Ausführungsformals Zweipunktsteuereinrichtung als Blockschaltbild.
[0027] In 1 isteine Messeinrichtung 1 veranschaulicht, die zur Vermessungeines Werkstücks 2 dient.Bei der Messung kann es sich um eine Rauheitsmessung, um eine Formmessungoder um die Messung der Kontur handeln. Es können auch verschiedene Messaufgabenerfülltwerden, indem beispielsweise sowohl eine Rauheitsmessung als auch eineFormmessung vorgenommen wird.
[0028] Zuder Messeinrichtung 1 gehört ein optischer Sensor inForm einer konfokalen Sensoranordnung 3, deren Aufbau später in Zusammenhangmit den 3 bis 5 beschriebenist. Die Sensoranordnung 3 dient dazu, die Oberfläche desWerkstücks 2 berührungslosabzutasten. Sie wird von einem Arm 4 getragen, der im Vergleichzu dem Messweg relativ lang und im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche desWerkstücks 2 angeordnetist. Der Arm 4 ist an einem Drehpunkt 5 schwenkbaran einem Schlitten 6 gelagert. Die mögliche Schwenkbewegung desArms 4 ist in 1 durch einen Pfeil 7 veranschaulicht.Dieser bestimmt die bogenförmige Bewegungsrichtungder Sensoranordnung 3, die im Wesentlichen mit der durcheinen Pfeil 8 veranschaulichten Messrichtung der Sensoranordnung 3 übereinstimmt.
[0029] Dagegenist der Schlitten 6 an einer Führungseinrichtung 9 querzu der Messrichtung 8 ungefähr in Längsrichtung des Arms 4 bewegbar.Diese Bewegung ist in 1 durch einen Pfeil 11 veranschaulicht.Um den Schlitten 6 an der Führungseinrichtung 9 zuverschieben, ist eine lediglich schematisch angedeutete Antriebseinrichtung 12 vorgesehen.Diese bildet eine zweite Positioniereinrichtung für die Sensoranordnung 3.Hingegen dient eine erste Positioniereinrichtung 13 zurkontrollierten Verschwenkung des Arms 4 um den Drehpunkt 5.Die Positioniereinrichtung 13 wird bei spielsweise durch einenTauchspulenantrieb gebildet, der von einer Steuereinrichtung 14 angesteuertwird. Zur präzisen Erfassungder Schwenkposition des Arms 4 dient ein Positionssensor 15,der beispielsweise als interferometrischer Sensor oder als inkrementalesMesssystem ausgebildet ist. Der Positionssensor 15 istan die Steuereinrichtung 14 angeschlossen. Desgleichenist die Sensoranordnung 3 über eine Leitung 16 andie Steuereinrichtung 14 angeschlossen.
[0030] Einerstes Ausführungsbeispielder Sensoranordnung 3 geht aus 3 hervor.Zu der Sensoranordnung 3 gehört ein Sensorkopf 16,der an dem freien Ende des Arms 4 (1) angeordnetist. Der Sensorkopf 16 ist über eine Lichtleitfaser 17 undeinen Faserkoppler 18, der als Strahlteiler dient, an eine Lichtquelle 19 undeinen Lichtempfänger 21 angeschlossen.Die Lichtquelle 19 ist eine mindestens bichromatische Lichtquelle,vorzugsweise eine Lichtquelle, die ein kontinuierliches Spektrumaussendet, wie beispielsweise eine Glühlampe oder dergleichen. Eskönnenauch sonstige Lichtquellen Anwendung finden, die zumindest zweiLichtfarben generieren. Das von der Lichtquelle 19 ausgesandteLicht wird in den von dem Faserkoppler 18 zu der Lichtquelle 19 führendenZweig 22 der Lichtleitfaser 17 eingekoppelt.
[0031] DerLichtempfänger 21 istein wellenlängensensitiverLichtempfänger.Er enthältbeispielsweise ein Prisma oder ein optisches Gitter 23.Das von der Oberflächedes Werkstücks 2 reflektierteund von dem Sensorkopf 16 wieder aufgenommene Licht wird über einenZweig 24 der Lichtleitfaser auf das Gitter 23 undvon diesem auf eine Gruppe von Fotoempfängern 25, 26, 27 geworfen.Diese sind voneinander räumlichbeabstandet. Ihre Ausgangssignale werden einer Rechenschaltung 28 zugeführt.
[0032] DerFotoempfänger 25 erzeugtdas Ausgangssignal U1. Der Fotoempfänger 26 erzeugt das AusgangssignalU2. Der Fotoempfänger 27 erzeugt dasAusgangssignal U3. Die Fotoempfängersind in Bezug auf das optische Gitter 23 so angeordnet, dassder mittlere Fotoempfänger 26 dasLicht der Wellenlänge λ0 empfängt. Diezu seinen beiden Seiten angeordneten Fotoempfänger 25 und 27 empfangenLicht der Wellenlängen λ0 – Δλ bzw. λ0+Δλ. Bei genaudiesen Wellenlängenhaben die Ausgangsspannungen U1 bzw. U3 ihr Maximum. Die Abstände derFotoempfänger 25 bis 27 sowiedie Wellenlängen undder Messbereich des Sensorkopfs 16 sind dabei so aufeinanderabgestimmt, dass der Messbereich des Sensorkopfs 16 undder Wellenlängenbereich vorzugsweisenäherungsweisemit der Halbwertsbreite (FWHM) des konfokalen Signals übereinstimmt.Dazu wird auf 6 verwiesen. Diese veranschaulichtden Verlauf der Spannung U2 an dem Fotoempfänger 26 bei einerBewegung des Sensorkopfs 16 in Richtung seiner optischenAchse 29. Geht die Oberfläche des Werkstücks 2 durchden dem Fotoempfänger 26 zugeordnetenBrennpunkt 31 hindurch durchläuft das Ausgangssignal U2 einMaximum. Das Spannungssignal weist die Form einer Glockenkurve auf.Die Kurve der Spannung U2 wird auch als konfokales Signal bezeichnet.Die Abweichung h von der Messbereichsmitte wird als Höhenlagebezeichnet. Der aktuelle Höhenwertkann unter Zugrundelegung der Wellenlänge λ0 sowie Δλ aus den AusgangsspannungenU1 bis U3 nach folgender Beziehung berechnet werden, denn er istproportional zu der Lichtwellenlänge λ. Diese wirdnach der Beziehung
[0033] Zudem Sensorkopf 16 gehörtein Objektiv 32 mit einer Kollimatorlinse 33 undeiner Fokussierlinse 34. Die Stirnfläche der Lichtleitfaser 17 wirktals punktförmigeLichtquelle. Das Objektiv 32 weist eine hohe chromatischeAberration auf und erzeugt entlang der optischen Achse 29 verschiedenfarbige Brennpunkte 35, 31, 36. Die Länge desvon den Brennpunkten 35, 36 eingenommenen Bereichsauf der optischen Achse 29 ist durch die chromatische Aberrationdes Objektivs 32 und die maximale Frequenzdifferenz ΔF in demLicht der Lichtquelle 19 bestimmt. Weist die Lichtquelle 19 einkontinuierliches Spektrum auf, bildet sich auf der optischen Achse 29 einlinienförmigerBrennpunktbereich. Die Fotoempfänger 25, 26, 27 sindjeweils einer ausgewählten Spektrallinieund somit einem in dem Brennbereich liegenden Brennpunkt der ausgewählten Lichtfarbe zugeordnet.Die Ausgangsspannungen der Fotoempfänger 25 und 27 entsprechendem in 6 dargestellten Ausgangssignal U2.
[0034] DieRechenschaltung 28 kann mit der durch die obige Formelveranschaulichten Auswertestrategie ein Messsignal liefern, dasden Abstand zwischen dem Objektiv 32 und der Werkstückoberfläche kennzeichnet.Des Weiteren kann die Rechenschaltung Teil der Steuereinrichtung 14 seinund dazu die in 8 veranschaulichten Blöcke aufweisen,die eine Nachführschaltungin Form einer Proportionalsteuereinrichtung 37 bilden.Die Proportionalsteuereinrichtung 37 weist wenigstens einenDifferenzverstärker 38 miteinem nicht invertierenden Eingang 39 und einem invertierendenEingang 41 sowie einen Ausgang 42 auf, an dendie Positioniereinrichtung 13 angeschlossen ist. An dieEingänge 39, 41 sinddie Fotoempfänger 25, 27 angeschlossen.Der Differenzverstärker 38 kanneine lineare oder, wie in 7 veranschaulicht,auch leicht s-förmiggekrümmte Kennlinieaufweisen.
[0035] Dieinsoweit beschriebene Messeinrichtung 1 arbeitet wie folgt: InBetrieb wird die Messeinrichtung 1 zunächst so positioniert, dassdie Sensoranordnung 3 oberhalb der interessierenden Stelledes Werkstücks 2 schwebt. DurchAnsteuerung der ersten Positioniereinrichtung 13 wird derArm 4 dann so weit abgesenkt bis die Oberfläche desWerkstücks 2 inden mit ΔFbezeichneten Bereich zwischen den Brennpunkten 35, 36 in 3 gerät. Das vonder Oberflächereflektierte Licht wird von dem Objektiv 32 aufgenommen.Dabei gerät nurdas Licht, dessen Brennpunkt von der Oberfläche des Werkstücks 2 getroffenwird, auf die punktförmigeApertur der Lichtleitfaser 17. Dieser Lichtanteil wird über denZweig 24 ausgekoppelt. Das Gitter 23 lenkt dasvon dem Zweig 24 abgegebene Licht dann entsprechend seinerWellenlängeab. Es fälltdadurch auf eine seiner Wellenlängenentsprechende Stelle der durch die Fotoempfänger 25 bis 27 gebildeten Zeile.Die Rechenschaltung 28 bestimmt nun gemäß der oben angegebenen Formeldie genaue Höhenlagedes abgetasteten Oberflächenpunkts.Zugleich erzeugt die Proportionalsteuereinrichtung 37 einSignal zur Ansteuerung der ersten Positioniereinrichtung 13.Dies erfolgt durch Differenzbildung der Ausgangsspannungen U1, U3(8). Die Ausgangsspannung UA des Differenzverstärkers 38 weistfür verschiedenePositionen der Werkstückoberfläche inner halbdes Bereichs ΔFin 3 den in 7 veranschaulichtenVerlauf auf. Um die Mittellage 43 herum hängt dasausgangssignal UA im Wesentlichen linear von der Abweichung Δh von derWerkstückoberfläche vonder Mittellage ab.
[0036] DasAusgangssignal UA wird der Positioniereinrichtung 13 zugeführt, sodass diese den Sensorkopf 16 im Wesentlichen in konstantemAbstand zu der Oberflächedes Werkstücks 2 führt. Jedenfalls hält sie dieOberflächedes Werkstücksinnerhalb des Messbereichs ΔFund zwar auch dann, wenn zugleich die zweite Positioniereinrichtung,d.h. die Antriebseinrichtung 12 angesteuert wird, um dieOberflächedes Werkstücks 2 entlangeiner Linie abzutasten. Das von der Rechenschaltung 28 gelieferteSignal und das Positionssignal des Positionssensors 16 werdendann addiert, um daraus den wahren wert der Höhe des jeweils gemessenen Punktsder Oberflächein Z-Richtung (Pfeil 8 in 1) zu bestimmen.
[0037] Mitdiesem Verfahren und der Messeinrichtung 1 lassen sichWerkstücke,wie beispielsweise asphärischeLinsen 44 vermessen. In dem Beispiel nach 2 istdiese auf einem Drehtisch 45 montiert. Dreht dieser tastetdie Sensoranordnung 3 einen kreisförmigen Bereich der Oberfläche derLinse 44 ab. Die zweite Positioniereinrichtung 12 kanndabei ruhen. Die erste Positioniereinrichtung 13 führt die Sensoranordnung 3 denErhebungen und Vertiefungen der Oberfläche der Linse 44 nach.Alternativ kann der Drehtisch 45 ruhen und es kann dieAntriebseinrichtung 12 angesteuert werden, um die Wölbung derLinse 44 an geeigneten Meridianen zu überprüfen. Bedarfsweise können derDrehtisch 45 und die zweite Antriebseinrichtung 12 auchzugleich angesteuert werden.
[0038] 9 veranschaulichteine alternative Ausführungsformeiner Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Positioniereinrichtung 13.Die Steuereinrichtung ist als Zweipunktsteuereinrichtung 46 ausgebildet.Sie ist wiederum an die Fotoempfänger 25, 27 undsomit an die Ausgangsspannungen U1, U3 angeschlossen. Ihr Differenzverstärker 38 istmit seinem Ausgang 42 jedoch nicht direkt an die Positioniereinrichtung 13 angeschlossen.Vielmehr ist der Ausgang 42 mit einem Schwellwertschalter 47 verbunden,der nur dann ein positives Ausgangssignal abgibt, wenn sein Eingangssignaleine positive Schwelle 48 überschreitet. Er gibt ein negativesAusgangssignal ab, wenn sein Eingangssignal eine negative Schwelle 49 unterschreitet.Ansonsten ist sein Ausgangssignal 0. Nachgeschaltet ist eine Schrittvorgabeeinrichtung 51.Diese gibt der Positioniereinrichtung 13 einen positivenPositionierschritt vor wenn sie ein positives Eingangssignal empfängt. Bei Empfangeines negativen Eingangssignals gibt sie der Positioniereinrichtung 13 einennegativen Positionierschritt vor.
[0039] DieseZweipunkt-Steuereinrichtung 46 führt die Sensoranordnung 3 derOberflächenkonturdes Werkstücks 2 ineiner treppenförmigenBahn nach. Die Messwertgewinnung erfolgt wiederum durch Additiondes Positionssignals des Positionssensors 15 mit dem vonder Rechenschaltung 28 abgegebenen Signal.
[0040] DieRechenschaltung 28 und der von dieser verwirklichte Auswertealgorithmusist insbesondere im Hinblick auf kritische lokale Oberflächeneigenschaftendes Werkstücks 2 vorteilhaft.Z.B. kann die lokale Oberflächensteigungoder die Mikrostruktur der Oberfläche variieren. Dies führt zu einersich änderndenSteilheit des linearen Teils der Kenn linie gemäß 7 und erschwertsomit die genaue Zuordnung eines Ausgangsspannungswert UA zu derHöhenlagedes zugehörigenOberflächenpunktsdes Werkstücks 2.Diese Zuordnung übernimmtdie Rechenschaltung 28 auf Basis der mindestens drei Fotoempfänger 25, 26, 27.Alternativ könnenauch noch weitere Fotoempfängervorgesehen werden, um die Auflösungzu erhöhen.Es sind dann der oben angegebenen Rechenvorschrift entsprechendeGleichungen anzuwenden. Bei N Fotoempfängern wird der (evtl. zunächst logarithmierte)Signalverlauf durch ein Polynom der Ordnung N-1 approximiert. DieLage des Maximums dieses Polynoms verhält sich proportional zu demgesuchten Höhenwert.Für Anwendungen,bei denen eine geringere Auflösungausreicht oder die Mikrostruktur bzw. der Steigungsänderung derzu messenden Oberflächenunkritisch ist, kann die Rechenschaltung 28 auch an lediglichzwei Fotoempfänger 25, 27 angeschlossen.Die Rechenschaltung 28 kann dann außerdem durch den Differenzverstärker 38 ersetztwerden.
[0041] 4 veranschaulichteine weitere Ausführungsformder Sensoranordnung 3. Das Objektiv 32 stimmtmit dem vorbeschriebenen Objektiv 32 gemäß 3 überein.Entsprechend wird auf die vorige Beschreibung verwiesen.
[0042] DieLichtquelle 19 wird durch zwei monochromatische Lichtquellen,beispielsweise zwei Leuchtdioden 52, 53 gebildet,die übereinen Faserkoppler 54 an den Zweig 22 der Lichtleitfaser 17 angeschlossensind. Die Leuchtdioden 52, 53 senden unterschiedlicheLichtfarben aus. Es kann sich um Laserdioden oder auch um gewöhnlicheLeuchtdioden handeln.
[0043] DerLichtempfänger 21 kann,wie in 3 veranschaulicht, ausgebildet sein. Er kann jedoch auch,wie in 4 veranschaulicht, an Stelle des optischen Gitters 23 einenwellenlängenabhängigen Reflektor 55 aufweisen.Dies gilt insbesondere wenn die Wellenlängen der Leuchtdioden 52, 53 sichstark unterscheiden. An die unterschiedlichen Ausgänge desReflektors 55 sind die Fotoempfänger 25 und 27 angeschlossen,die wiederum an den Differenzverstärker 38 angeschlossensind. Dieser erzeugt das Signal gemäß 7, das alsNachführsignalfür die Positioniereinrichtung 13 dient.Außerdemkann es als Messsignal dienen.
[0044] Eineweiter abgewandelte Ausführungsform derSensoranordnung 3 ist in 5 dargestellt.Es wird unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen auf die vorigenBeschreibungen verwiesen. Anders als bei diesen ist jedoch zwischender Lichtaustrittsöffnungder Lichtleitfaser 17 und der Linse 33 ein Strahlteiler 56 angeordnet,der Licht einer vorgegebenen Polarisation gerade durchgehen lässt. Radial zuder optischen Achse 29 ist eine weitere Lichtleitfaser 57 vorgesehen.Der Strahlteiler 56 reflektiert Licht dessen Polarisationsebenerechtwinklig zu dem Licht der Lichtleitfaser 17 steht,in Richtung parallel zu der optischen Achse 29. Die Lichtleitfaser 57 ist über einenFaserkoppler 58 an die Lichtquelle 19 angeschlossen.Diese kann eine monochromatische oder auch eine polychromatischeLichtquelle sein. Der Faserkoppler 58 teilt das von derLichtquelle 19 kommende Licht auf die Lichtleitfasern 17, 57 auf.
[0045] Während derFaserkoppler 18 das von der Lichtleitfaser 17 wiederaufgenommene, von dem Werkstück 2 reflektierteLicht zu dem Fotoempfänger 25 leitet,ist an die Lichtleitfaser 57 ein Faserkoppler 58 angeschlossen,der das empfangene Licht zu dem Fotoempfänger 27 leitet. DieFotoemp fänger 25, 27 sindwiederum an den Differenzverstärker 38 angeschlossen.
[0046] DerAbstand der Lichtaustrittsöffnungder Lichtleitfaser 17 von dem Strahlteiler 56 weistvon dem Abstand der Lichtaustrittsöffnung der Lichtleitfaser 57 vondem Strahlteiler 56 ab. Bei Verwendung monochromatischenLichts bestimmt der Abstandsunterschied die Länge des Messbereichs ΔZ. Wird polychromatischesLicht verwendet, beispielsweise Licht zweier Leuchtdioden oder Lichtmit kontinuierlichem Spektrum, entarten die Brennpunkte 35, 36 zu langen,farbigen Brennlinien. Diese könnensich überschneidenoder berühren.In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Fotoempfänger 25, 27 einwellenlängenabhängiges Signalerzeugen, beispielsweise indem sie ein Beugungsgitter oder ein Prismaenthalten und indem der jeweilige Fotoempfänger 25, 27 ineine Reihe von Einzelempfängernaufgeteilt wird. In diesem Fall weist das Objektiv 32 einechromatische Aberration auf. An die aufgeteilten Einzelzellen derFotoempfänger 25, 27 kanndann wieder eine Rechenschaltung 28, wie gemäß 3,angeschlossen werden. Diese Rechenschaltung kann sowohl lediglichfür dievon dem Fotoempfänger 25 odervon dem Fotoempfänger 27 abgeleiteteFotoempfängergruppezuständigsein. Sie kann auch die Signale aller Fotoempfänger verarbeiten.
[0047] EineMesseinrichtung 1 zur Vermessung der Form, Kontur und/oderRauheit eines Werkstücksberuht auf einem berührungslosenoptischen Taster mit großernumerischer Apertur, der wenigstens zwei verschiedene Brennpunktehat, denen wenigstens zwei Fotoempfänger 25, 27 zugeordnetsind. Diese erzeugen ein Differenzsignal zur Ansteuerung einer Positioniereinrichtung 13 zurNachführungdes optischen Tasters so, dass die Werkstückoberfläche innerhalb des Messbereichsdesselben gehalten wird. Das Differenzsignal bewährt sich zur schnellen und genauenNachführungzur Position der Sensoranordnung 3.

权利要求:
Claims (16)
[1] Messeinrichtung (1), insbesondere zurFormmessung und/oder Rauheitsmessung von Werkstückoberflächen, mit einer konfokalenSensoranordnung (3), die wenigstens eine Lichtquelle (19)und ein Objektiv (32), das wenigstens zwei voneinanderräumlichbeabstandete Brennpunkte (35, 36) erzeugt, sowiewenigstens zwei Photoempfänger(25, 27) aufweist, die den unterschiedlichen Brennpunkten(35, 36) zugeordnet sind, mit einer Rechenschaltung(28, 38), an deren Eingänge (41, 42)die Photoempfänger(25, 27) angeschlossen sind, und die an ihremAusgang (42) ein Differenzsignal (UA) erzeugt, das zurAbstandsmessung dient.
[2] Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Wert desjenigen Differenzsignals, das entsteht, wenn dieWerkstückoberfläche zwischenden Brennpunkten (35, 36) steht, als Nullpunkt(43) festgelegt ist.
[3] Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die konfokale Sensoranordnung (3) mit einer erstenPositioniereinrichtung (13) verbunden ist, die eine erstePositionierrichtung (7) aufweist, die im Wesentlichen mitder Messrichtung (8) der Messeinrichtung (1) übereinstimmt.
[4] Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die konfokale Sensoranordnung (3) mit einer zweitenPositioniereinrichtung (12) verbunden ist, die eine zweitePositionierrichtung (11) aufweist, die im Wesentlichenrechtwinklig zu der Messrichtung (8) der Messeinrichtung(1) orientiert ist.
[5] Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die zweite Positioniereinrichtung (12) zu einem Vorschubgerät mit einem Schwenkarm(4) gehört,der mit einem Schwenkantrieb (13) und einem Winkelgeberoder Positionssensor (15) verbunden ist, wobei der Schwenkarm(4) die Sensoranordnung (3) trägt.
[6] Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Differenzsignal (UA) als Nachführsignal für die erste Positioniereinrichtung (13)dient.
[7] Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das die erste Positioniereinrichtung (13) an eineProportionalsteuereinrichtung (37) angeschlossen ist.
[8] Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die erste Positioniereinrichtung (13) an eine Zweipunktsteuereinrichtung(46) angeschlossen ist.
[9] Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Lichtquelle (19) eine wenigstens zweifarbige Lichtquelleist und dass das Objektiv (32) eine chromatische Aberrationaufweist.
[10] Messeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,dass die Lichtquelle (19) ein kontinuierliches Spektrumaufweist.
[11] Messeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,dass die Lichtquelle (19) wenigstens zwei monochromatischeEinzellichtquellen (52, 53) umfasst.
[12] Messeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,dass den Photoempfängern(25, 27) ein Spektrometer (23) vorgeschaltetist.
[13] Messeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,dass den Photoempfängern(25, 27) ein wellenlängenselektiver Reflektor (55)vorgeschaltet ist.
[14] Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Lichtquelle (19) eine monochromatische Lichtquelleist.
[15] Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Sensoranordnung (3) einen polarisationsoptischenStrahlteiler (56) enthält.
[16] Messeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,dass der Strahlteiler (56) in dem Objektiv (32)angeordnet und mit zwei Fasern (17, 57) an diesesangeschlossen ist, deren Lichtaustrittsflächen in unterschiedlichen Abständen zudem Strahlteiler (56) angeordnet sind.

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