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Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung zur Messung einer gekrümmten Fläche eines Prüflings. Bei der gekrümmten Fläche kann es sich insbesondere um eine optische Fläche handeln, die in einem optischen System eingesetzt wird.
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Bei dem Design von leistungsfähigen optischen Systemen unter der Vorgabe der Verwendung von möglichst wenigen optischen wirksamen Flächen zur Erzielung einer maximalen Performance werden häufig optische Freiformflächen eingesetzt. Hierunter werden insbesondere solche Flächen verstanden, die gekrümmt sind und keine Rotationssymmetrie aufweisen. Sowohl die Herstellung solcher Freiformflächen als auch deren Qualifizierung und Messung ist eine große Herausforderung. Im Zuge der Miniaturisierung und Integration werden optische Systeme durch immer kleinere optische Freiformflächen realisiert, was bei der Messbarkeit eine zusätzliche Schwierigkeit darstellt.
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Durch die hohen Anforderungen an die Topographie der Fläche mit optischer Güte bezüglich Passe, lokalem Gradienten und Rauheit kommen zur Qualifizierung insbesondere Messverfahren in Frage, welche sowohl eine hohe laterale Auflösung als auch eine hohe Auflösung in Richtung der Flächennormalen aufweisen. Hierfür eignen sich insbesondere interferometrische Messverfahren, welche durch Phasen-Modulation der Messwellenfront mittels Kompensationsoptiken die Messwellenfront an die zu messende Oberfläche anpassen, so dass normal zu der zu messenden Oberfläche gemessen werden kann, Eine Abweichung von der nominellen Oberflächentopographie führt zu einer Modulation des Interferogramms und somit zu einem auswertbaren Messsignal, welches die Abweichung zur Solltopographie beschreibt. Die Messung mit Kompensationsoptik ist jedoch beschränkt auf rotationssymmetrische Oberflächen und somit nicht für Freiformflächen geeignet.
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Zur interferometrischen Messung von Freiformflächen werden daher üblicherweise wellenfrontmodulierende CGHs (CGH = Computer Generated Hologram = computergeneriertes Hologramm) verwendet. CGHs sind plane, optisch transparente Optik-Komponenten, die durch Phasen- und Amplitudenmodulation die Mess-Wellenfront lokal an die zu messende Fläche anpassen. Die zu messende Fläche muss in diesem Fall nicht zwingend rotationssymmetrisch sein, sondern kann eine Freiformfläche sein. Der Nachteil von CGHs ist, dass diese in der Herstellung komplex und teuer sind und mit einem CGH generell nur eine spezifische Flächenpasse gemessen werden kann.
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Des Weiteren muss gerade bei kleiner werdenden Flächen und stärkeren Krümmungen das CGH näher an die zu messende Fläche positioniert werden. Teilweise müsste das CGH die Fläche schneiden, was praktisch nicht möglich ist. Ferner besteht ein hoher Justageaufwand, um die Positionierung des CGH im optischen Strahlengang zur Messung der Fläche durchzuführen. Umfasst ein optisches System mehrere Freiformflächen, welche geprüft werden sollen, muss für jede zu prüfende Fläche ein separates CGH hergestellt werden. Somit ist die Justage und Positionierung eines CGHs mangels mechanischer Zugänglichkeit oft nicht möglich und auch wirtschaftlich uninteressant, da zu teuer.
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Die Messung von kleinen stark gekrümmten Freiformflächen wird mangels Alternativen häufig auch mit taktil messenden Koordinatenmessmaschinen durchgeführt. Koordinatenmessmaschinen haben jedoch die Einschränkung, dass sie nicht berührungslos arbeiten, wenige Messpunkte anfahren und somit keine flächenhafte Messung möglich ist. Des weiteren ist die Messunsicherheit im Mikrometerbereich und dadurch zu groß für eine Qualifizierung von Flächenpassen mit nm-Tolerierung.
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Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine optische Messvorrichtung zur Messung einer gekrümmten Fläche eines Prüflings bereitzustellen, mit der die eingangs genannten Schwierigkeiten möglichst vollständig behoben werden können.
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Die Aufgabe wird durch eine optische Messvorrichtung zur Messung einer gekrümmten Fläche eines Prüflings, mit einem Interferometer zur Messung einer Oberflächentopologie, einem Halter zum Haltern des Prüflings, einer Positioniereinheit zum Einstellen der relativen Ausrichtung zwischen dem Halter und dem Interferometer, einer Auswerteeinheit und einer Steuereinheit, die mittels der Positioniereinheit nacheinander mehrere Abschnitte der gekrümmten Fläche in einem Messfeld des Interferometers positioniert, wobei das Interferometer die Oberflächentopologie der mehreren Abschnitte nacheinander misst und der Auswerteeinheit zuführt, die die gemessenen Oberflächentopologien zur Auswertung zusammensetzt.
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Bei der optischen Messvorrichtung kann die Positioniereinheit insbesondere eine Positionierung entlang von drei Translationsfreiheitsgraden und um zwei oder drei Rotationsfreiheitsgrade durchführen.
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Die Steuereinheit kann die Abschnitte basierend auf den CAD-Daten der gekrümmten Fläche oder einer mathematischen Beschreibung der gekrümmten Fläche ermitteln.
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Ferner kann die Steuereinheit die Abschnitte so ermitteln, dass gemessene Oberflächentopologien benachbarter Abschnitt teilweise überlappen.
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Die Ermittlung der Abschnitte kann bereits bei der Konstruktion der gekrümmten Fläche oder vor der ersten Messung der gekrümmten Fläche durchgeführt werden. Die Messung der gekrümmten Fläche kann somit geplant werden.
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Die Steuereinheit kann die Abschnitte mittels der Postioniereinheit basierend auf CAD-Daten der gekrümmten Fläche oder einer mathematischen Beschreibung der gekrümmten Fläche positionieren.
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Die Positioniereinheit kann die Abschnitte so im Messfeld positionieren, dass jeweils die lokale Flächennormale des Abschnittes parallel zur optischen Achse des Interferometers ist.
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Die Auswerteeinheit kann zum Zusammensetzen der gemessenen Oberflächentopologien die Werte der Positioniereinheit zur Positionierung der Abschnitte im Messfeld des Interferometers berücksichtigen.
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Ferner kann die Auswerteeinheit zum Zusammensetzen der gemessenen Oberflächentopologien Merkmale in den gemessenen Oberflächentopologien berücksichtigen.
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Die Auswerteeinheit kann die zusammengesetzten gemessenen Oberflächentopologien an die Sollform der gekrümmten Fläche fitten, um eine Passeabweichung zu ermitteln.
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Wenn der Prüfling beispielsweise eine erste gekrümmte Fläche und eine zweite gekrümmte Fläche aufweist, die voneinander beabstandet sind, kann bei der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung die Steuereinheit mittels der Positioniereinheit nacheinander mehrere Abschnitte der ersten und zweiten gekrümmten Fläche im Messfeld des Interferometers positionieren, wobei das Interferometer die Oberflächentopologie der mehreren Abschnitte nacheinander misst und der Auswerteeinheit zuführt, die die gemessenen Oberflächentopologien der ersten gekrümmten Fläche zu einer ersten Messfläche und die gemessenen Oberflächentopologien der zweiten gekrümmten Fläche zu einer zweiten Messfläche zur Auswertung zusammensetzt, wobei die Auswerteeinheit der relative Lage der beiden Messflächen zueinander ermittelt.
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Es wird ferner ein optisches Messverfahren zur Messung einer gekrümmten Fläche eines Prüflings, bei dem nacheinander mehrere Abschnitte der gekrümmten Fläche in einem Messfeld eines Interferometers positioniert werden, das die Oberflächentopologie der mehreren Abschnitte nacheinander misst und der Auswerteeinheit zuführt, die die gemessenen Oberflächentopologien zur Auswertung zusammensetzt, bereitgestellt.
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Bei dem erfindungsgemäßen optischen Messverfahren kann zur Positionierung der Abschnitte im Messfeld des Interferometers eine Positioniereinheit zum Einstellen der relativen Ausrichtung zwischen der gekrümmten Fläche und in dem Interferometer vorgesehen sein, die in einem zweistufigen Kalibriervorgang kalibriert wird, wobei in einer ersten Stufe über dem Ort lineare Eigenschaften der Positioniereinheit erfasst werden und in einer zweiten Stufe über dem Ort nichtlineare Eigenschaften der Positioniereinheit iterativ erfasst werden. Die so erfassten Kalibrierwerte können dann zum Kalibrieren der Positioniereinheit eingesetzt werden. Unter einer über dem Ort linearen Eigenschaft der Positioniereinheit wird insbesondere die lineare Abhängigkeit der einzelnen Koordinaten, die mittels der Positioniereinheit zum Einstellen der relativen Ausrichtung zwischen der gekrümmten Fläche und dem Interferometer einstellbar sind, in Abhängigkeit einer gewünschten Ausrichtung verstanden.
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In entsprechender Weise kann die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung kalibriert sein. Hierbei können alle die einzustellende Ausrichtung beeinflussenden Eigenschaften der optischen Messvorrichtung bei der Kalibrierung berücksichtigt werden.
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Das erfindungsgemäße optische Messverfahren kann so weitergebildet werden, dass es die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung beschriebenen Verfahrensschritte aufweist. Ferner kann die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung so weitergebildet werden, dass sie die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen optischen Messverfahren beschriebenen Schritte ausführen kann.
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Mit der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung und dem erfindungsgemäßen optischen Messverfahren kann eine hochpräzise Messung von kleinen Flächen (mit Abmessungen im Millimeterbereich), die gekrümmt sind, mit einer Unsicherheit im nm-Messbereich bei gleichzeitiger Messung von Merkmalen (z. B. Position, Lage, Passe, Rauigkeit, etc.) über mehrere (z. B. drei) Größenordnungen hinweg (vom mm-Bereich über den μm-Bereich bis zum nm-Bereich) durchgeführt werden.
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Im Gegensatz zu der aufwändigen und komplexen Messung von Freiformflächen mit CGHs ermöglicht die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung eine flexible Messung von beliebiger Oberflächengeometrie ohne auf eine spezifische Geometrie limitiert zu sein.
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Bei der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung trägt gerade die Kombination des Interferometers mit der Positioniereinheit in Verbindung mit der Positionierung der Abschnitte im Messfeld des Interferometers dazu bei, die genannten Vorteile zu erreichen.
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Ferner kann die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung kalibriert (bevorzug automatisch) werden, was die Messgenauigkeit weiter erhöht.
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Darüber hinaus führt das Zusammensetzen der gemessenen Oberflächentopologien zu dem Vorteil, dass eine gute Auswertung der Messergebnisse möglich ist. Es kann z. B. ein Vergleich mit der Sollfläche durchgeführt werden. Dabei kann es sich insbesondere um ein Fitten an die Sollfläche handeln. Die Sollfläche kann z. B. als CAD-Modell oder als CAD-Daten oder als mathematische Beschreibung (z. B. mathematische Flächenbeschreibung) vorliegen.
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Erfindungsgemäß kann eine automatisierte Prüfplanerstellung durchgeführt werden, bei der die Messpositionen basierend auf der Flächengeometrie und Flächenkrümmung der gekrümmten Fläche berechnet werden. Ferner kann das geeignete Objektiv des Interferometers automatisiert ausgewählt werden, sofern das Interferometer mehrere Objektive aufweist, die auswählbar sind.
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Die gemessenen Abschnitte der gekrümmten Fläche können zu einer Messfläche rekonstruiert werden (Zusammensetzen der gemessenen Oberflächentopologien). Dabei kann ein 2-fach geschachtelter Stitchingalgorithmus zur Erzielung der Genauigkeit zur Flächennormalen im nm-Bereich auf der Basis eines Achs-Koordinaten- und Oberflächen-texturbasierten Stichings eingesetzt werden. Ferner kann ein Volumenmodell der Messfläche oder der Messflächen erstellt werden.
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Ferner kann die Flächenlage oder die Flächenlagen der Messfläche(n) relativ zu der jeweiligen Nominalposition durch Anwenden von Fit-Algorithmen bestimmt werden.
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Die Messung und die Auswertung (insbesondere mit Protokollerstellung) kann automatisiert durchgeführt werden (beispielsweise entsprechend eines Prüfplans).
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Erfindungsgemäß sind Messungen von gekrümmten mechanischen und optischen Flächen mit nm-Genauigkeit möglich. Es sind Messungen durch Prüfplanerstellung angepasst an die Flächengeometrie auf Basis des CAD-Modells oder der mathematischen Flächenbeschreibung möglich. Es wird eine flexible Messvorrichtung und ein flexibles Messverfahren bereitgestellt, die nicht auf spezifische Flächenformen beschränkt sind, wie dies z. B. bei Messungen mit CGHs der Fall ist. Es können Sphären und Freiformflächen gleichermaßen gemessen werden. Die gekrümmten Flächen können müssen aber nicht optische Qualität aufweisen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren und der erfindungsgemäßen Messvorrichtung kann die Lage von gekrümmten Flächen des Prüflings zueinander, die Flächenform, Gradienten und Welligkeit sowie Rauigkeit gemessen werden. Es ist eine Messung einer beliebigen Anzahl von Flächen eines Prüflings möglich. Die Auswahl oder Festlegung der Abschnitte kann automatisiert erfolgen. Insbesondere kann dabei der Flächengradient berücksichtigt werden. Ferner kann ein optimierter Überlappungsbereich festgelegt werden.
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Es ist eine automatisierte sub-μm genaue Kalibrierung der Positioniereinheit möglich. Insbesondere ist eine Kalibration von Aberrationen des optischen Systems durch Phasenschiebeverfahren möglich. Es kann eine Auswertung der Flächenposition durch Volumenrekonstruktion der Flächen und globalem Fit der Flächen gegen das CAD-Modells bzw. gegen der mathematischen Flächenbeschreibung durchgeführt werden. Die Auswertung der Passeabweichungen durch Extraktion der Einzelflächen (wenn der Prüfling mehrere gekrümmte Fläche aufweist) aus dem Volumenverbund und lokalem Fit der Fläche an die mathematische Beschreibung der Fläche oder an das CAD-Modell ist möglich.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung;
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2 eine schematischen perspektivischen Darstellung der zu messenden gekrümmten Fläche 2; und
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3 eine schematischen perspektivischen Darstellung der einzeln zu messenden Abschnitte der gekrümmten Fläche 2.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die optische Messvorrichtung 1 zur Messung einer gekrümmten Fläche 2 eines Prüflings 3 (der z. B. ein Optikelement wie beispielsweise eine Linse sein kann) ein Interferometer 4 mit einem Objektiv 11 zur Messung der Oberflächentopologie, einen Halter 5 zum Haltern des Prüflings 3, eine Positioniereinheit 6 zum Einstellen der relativen Ausrichtung zwischen dem Halter 5 und dem Interferometer 4, eine Auswerteeinheit 7 sowie eine Steuereinheit 8.
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Das Interferometer 4 ist hier als Weißlichtinterferometer (insbesondere als scannendes Weißlichtinterferometer) ausgebildet und die Positioniereinheit 6 ist als Multiachskinematik ausgebildet, die den Halter 5 und somit den im Halter 5 gehalterten Prüfling 3 in der nachfolgend noch im Detail beschriebenen Art und Weise in einem Messbereich oder Messfeld des Interferometers 4 positionieren kann. Der Halter 5 ist insbesondere so ausgebildet, dass eine Bewegung entlang aller sechs mechanischer Freiheitsgrade (drei Translationsfreiheitsgrade und drei Rotationsfreiheitsgrade) möglich ist. So kann der Halter 5 entlang der x-, der y- sowie der z-Achse bewegt und um jede dieser Achsen rotiert werden.
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Die Multiachskinematik kann beispielsweise als Achskombination, als Hexapod oder als kardanische Aufhängung (Gimbal) realisiert sein.
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Das Interferometer 4 kann eine vergrößerte Abbildung durchführen und weist daher ein relativ eingeschränktes Messfeld auf. Dies führt in der Regel dazu, dass aufgrund des eingeschränkten Messfeldes und/oder der vorliegenden Krümmung der gekrümmten Fläche 2 die zu charakterisierende gekrümmte Fläche 2 nicht mit einer Einfachmessung (= eine einzelne Messung des Messfeldes des Interferometers 4) aufgenommen werden kann. Daher ist die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung 1 so ausgestaltet, dass die zu messende gekrümmte Fläche 2 des Prüflings 3 in mehrere Abschnitte 10 unterteilt wird, wie in den Darstellungen von 2 und 3 angedeutet ist, wobei die Größe jedes Abschnittes 10 so gewählt ist, dass die Oberflächentopologie des Abschnittes 10 mit einer Einfachmessung des Interferometers 4 erfasst werden kann.
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In 2 ist die gekrümmte Fläche 2 schematisch perspektivisch dargestellt, wobei lokale Normale n eingezeichnet sind. In 3 ist die gekrümmte Fläche 2 unterteilt in Abschnitte 10 gezeigt, die bereits alle so ausgerichtet sind, das die lokalen Normalen parallel zur z-Achse ausgerichtet sind. In 3 ist ferner zumindest für ein Teil der Abschnitte 10 angedeutet, dass sie teilweise überlappen. Diese Überlappungsbereiche können beim nachfolgend beschriebenen Zusammensetzen der Aufnahmen der Abschnitte 10 genutzt werden.
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Bei der Messung werden dann die Abschnitte 10 mittels der Positioniereinheit 6 nacheinander in dem Messfeld des Interferometers 4 positioniert. Diese Positionierung wird so durchgeführt, dass eine lokale Normale n des entsprechenden Abschnittes 10 parallel oder gegebenenfalls auch kollinear zur optischen Achse OA des Interferometers 4 positioniert ist. Wenn der entsprechende Abschnitt 10 so positioniert ist, wird die Topologie dieses Abschnittes 10 mittels des Interferometers 4 gemessen.
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Basierend auf den gemessenen Oberflächentopologien, die der Auswerteeinheit 7 zugeführt werden (direkt vom Interferometer 4 oder über die Steuereinheit 8, wie in 1 gezeigt ist), setzt die Auswerteeinheit 7 diese Oberflächentopologien zu einer Gesamtfläche zusammen, so dass dann die gewünschte Charakterisierung der gemessenen gekrümmten Fläche 2 erfolgen kann.
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Bei der Zerlegung der gekrümmten Fläche 2 in die Abschnitte wird insbesondere die lokale Krümmung der Fläche 2, der maximale Akzeptanzwinkel des Objektivs 11 des Weißlichtinterferometers 4 sowie die zur Verfügung stehende Bildfeldgröße berücksichtigt.
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Danach werden der Ortsvektor r auf die Mitte des Abschnittes 10 und der zugeordnete Normalenvektor n zur Mitte des Abschnittes 10 berechnet und daraus die mittels der Positioniereinheit 6 einzustellende Ausrichtung ermittelt. Es werden die anzufahrenden x-, y- und z-Koordinaten (xlin, ylin, zlin) sowie die entsprechenden Rotationswinkel (xrot, yrot) um die x- und y-Achse ermittelt. Die Berechnung der Position des Halters 5 erfolgt aufgrund des Achsmodels der Positioniereinheit 6 gemäß einer analytischen Transformationsvorschrift T T: (r, n) → (xlin, ylin, zlin, xrot, yrot)
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Die Genauigkeit dieser Berechnung kann optional durch lokale Korrekturwerte erhöht werden, die durch eine vorab durchgeführte Kalibrierprozedur bestimmt wurden und z. B. als Tabelle hinterlegt sind.
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Die Berechnung der Position bzw. Ausrichtung des Halters 5 kann somit auf Basis des CAD-Modells der gekrümmten Fläche 2 oder auf Basis einer mathematischen Flächenbeschreibung der gekrümmten Fläche 2 durchgeführt werden.
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Danach werden, wie bereits ausgeführt, alle so berechneten Abschnitte 10 nacheinander im Messfeld des Interferometers 4 positioniert und jeweils die Oberflächentopologie z. B. nach dem Prinzip der scannenden Weißlichtinterferometrie ermittelt bzw. gemessen, so dass für jeden Abschnitt 10 z. B. eine Aufnahme vorliegt. Man kann auch sagen, dass die Navigation durch die Positioniereinheit auf Basis des CAD-Modells des Prülings 3 oder der mathematischen Flächenbeschreibung erfolgt.
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Um die bereits beschriebene Zusammensetzung der gemessenen Oberflächentopologien zu einer Gesamtfläche durchzuführen, kann ein mehrstufiger Stitching-Algorithmus (bzw. Zusammensetzalgorithmus) verwendet werden.
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Hierbei kann zunächst die obige Transformationsvorschrift T umgekehrt und aus den Positionen des Halters 5 der Ortsvektor r und der Normalenvektor n des Abschnittes 10 bezüglich der zu vermessenden Fläche 2 bestimmt werden. T–1: (xlin, ylin, zlin, xrot, yrot) → (r, n)
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Ausgehend von (r, n) kann dann die Transformationsvorschrift berechnet werden, die die gemessene Topologie (die Aufnahme des Abschnittes 10) aus dem Koordinatensystem des Interferometers 4 in das lokale Koordinatensystem der gekrümmten Fläche 2 transformiert. Aufgrund von möglichen Ungenauigkeiten bei der Positionierung des Halters 5 können bei der halterbasierten Datenrekonstruktion Artefakte (z. B. schindelförmige Artefakte) auftreten. Um diese Artefakte zu entfernen, kann ein merkmalsbasierter Stitching-Algorithmus angeschlossen werden, der die Aufnahmen der einzelnen Abschnitte 10 aneinander anpasst. Ausgangspunkt für diesen Stitching-Algorithmus ist die Bestimmung der Nachbarschaftsbeziehungen der Aufnahmen durch eine Analyse ihrer überlappenden Bereiche.
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Mit dem merkmalsbasierten Stitching werden eine Mehrzahl von Interferometer-Einzelmessungen zu einer Gesamtfläche zusammengesetzt. Die Daten des Interferometers 4 werden dabei für die Merkmalsdetektion als Bilddaten und für das eigentliche Zusammensetzen als Punktewolken interpretiert.
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Das merkmalbasierte Zusammensetzen kann zunächst eine Vorverarbeitung der Aufnahme der einzelnen Abschnitte 10 aufweisen. Dabei kann eine Intensitäts-Anpassung, eine Filterung, eine Gradienten-Bildung und/oder eine Ausreißer-Detektion durchgeführt werden.
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Danach werden Merkmale erfasst, die in mehreren der zusammenzusetzenden Aufnahmen der Abschnitte 10 vorhanden sind und es wird versucht, gleiche Merkmale in den Aufnahmen der Abschnitte 10 (bevorzugt in den Überlappungsbereichen) zu finden, um dann zu ermitteln, wie die Aufnahmen der Abschnitte 10 zusammenzusetzen sind.
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Ein Zusammensetzen von insbesondere mehreren Aufnahmen oder Bildern ist in dem Artikel „Automatic Panoramic Image Stitching using Invariant Features" von Matthew Brown und David. G. Lowe, der im International Journal of Computer Vision, 74 (1), Seiten 59 bis 73, 2007, veröffentlicht wurde, zu entnehmen. Der Inhalt dieser Veröffentlichung wird hiermit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
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Zur Charakterisierung der gekrümmten Fläche 2 kann dann die zusammengesetzte Oberflächentopologie an die Sollfläche, die z. B. aus der Konstruktion (z. B. aus dem CAD) bekannt ist, gefittet werden. Aus diesem Fit lässt sich z. B. ermitteln, welcher Fehler bei der Messung durch ein nichtideales Haltern mittels des Halters 5 aufgetreten ist. Dieser Fehler kann im Bereich von mm oder sogar von cm liegen. Ferner kann die Abweichung der gemessenen Topologie von der Solltopologie ermittelt werden. Diese Abweichung kann im nm-Bereich liegen. Auch ist eine Messung der Rauigkeit möglich, die ebenfalls im nm-Bereich (sogar im einstelligen nm-Bereich) liegen kann. Somit sind mit der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung Messungen über mehrere Größenordnungen möglich.
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Wenn der Prüfling 3 mehrere voneinander beabstandete gekrümmte Flächen oder mehrere voneinander beabstandete gekrümmte Flächenbereiche aufweist, die zu messen sind, können diese jeweils einzeln in der bereits beschriebenen Art und Weise in Abschnitte 10 zerlegt und gemessen werden. Dann können auch die relativen Lagefehler der mehreren gekrümmten Flächen/Flächenbereiche zueinander durch einen Fit gegenüber den Sollflächen ermittelt werden. Die relativen Lagefehler können im μm-Bereich liegen. Dies ist z. B. bei optischen Bauteilen von Vorteil, die durch Spritzguss hergestellt werden und bei denen für jede Fläche/jeden Flächenbereich ein Einsatz für den Spritzguss vorgesehen ist. In diesem Fall kann dann der entsprechende Einsatz korrigiert werden, um ein optimales Bauteil zu erhalten.
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Zum Erzielen guter Messergebnisse kann die optische Messvorrichtung 1 kalibriert werden, wie nachfolgend beschrieben wird.
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Aufgrund des mechanischen Aufbaus der optischen Messvorrichtung 1 und insbesondere des Halters 5 zusammen mit der Positioniereinheit 6 liegen die folgenden realen, nicht idealen Eigenschaften vor. Bedingt durch Fertigungstoleranzen besitzen die mechanischen Bauelemente (z. B. Winkel, Verfahrtische, etc.) reale, nicht ideale Abmessungen. Die Positionierung des Halters 5 erfolgt entlang von Bahnen, die nicht ideal sind. Durch die übliche Auslegung der Löcher bei Schraubverbindungen (ggf. mit verbesserter Lage durch geeignete tolerierte Verstiftungen) treten restliche Ablagen auf. Des Weiteren treten durch das Zusammenschrauben von Oberflächen mit Oberflächen-Unebenheiten Verwindungen der Verfahrbahnen auf. Aufgrund der Bewegung in der optischen Messvorrichtung 1 werden Massen verschoben, die zu einer Verbiegung der Mechanik führen kann, wobei dies abhängig von der Lage der Massen im Volumen der optischen Messvorrichtung 1 ist. Dies führt dazu, dass die reale Messposition des Interferometers 4 im allgemeinen in allen sechs mechanischen Freiheitsgraden von der idealen Messposition abweicht. Daher ist es bevorzugt, eine Kalibrierung vorzusehen. Der grundlegende Ansatz ist dabei, die beschriebenen Ablagen und Verkippungen für jede Position des Halters 5 relativ zum Interferometer 4 durch Vorhalt beim Anfahren der Position zu kompensieren. Die Vorhalte können in geeigneten Abständen im ganzen Volumen, in dem der Halter 5 bewegt werden kann, bestimmt werden, unabhängig vom später verwendeten Prüfling 3. Falls nur wenige Formen von Prüflingen 3 verwendet werden, kann es ausreichend sein, weniger Vorhaltewerte nur im benötigten Volumen oder alternativ an den benötigten Messpositionen zu bestimmen. Da sich die Ablage bzw. der Vorhalt langsam über dem Ort ändert, ist es ohne Einbußen des Kalibrierergebnisses möglich, für eine Messung die Vorhalte aus der Nachbarschaft (Größenordnung 1 mm) z. B. mit einer linearen Interpolation heranzuziehen.
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Um die Vorhaltwerte grob zu bestimmen, kann zunächst eine globale Kalibrierung durchgeführt werden. Sie ist dadurch charakterisiert, dass sie vereinfacht davon ausgeht, dass im ganzen Volumen, in dem die Mechanik bewegt wird, ein näherungsweise lineares Verhalten vorliegt.
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Wird beispielsweise eine Bewegung in x-Richtung mit dem Halter 5 ausgeführt, dann bewegt sich der mechanische Aufbau unter dem Interferometer 4 in erster Linie wie gewünscht in x-Richtung, aber auch aufgrund der realen Gegebenheiten ein wenig in y-Richtung, in z-Richtung etc. Vereinfacht lässt sich für alle nicht gewollten Bewegungen ein Faktor angeben, um den die nicht gewollte Bewegung sich im ganzen Volumen bewegt im Verhältnis zur gewollten Bewegung.
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Dieses lineare Verhalten wird an einer geeigneten Stelle im Volumen mit einem geeigneten Muster auf einem Kalibiernormal bestimmt. Es wird so umgerechnet, dass an allen benötigten Positionen typischerweise der lokalen Kalibrierung, die nachfolgend beschrieben wird, ein Vorhalt-Wert gewonnen wird.
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Anschließend wird die lokale Kalibrierung durchgeführt, um alle restlichen über dem Ort nicht linearen Eigenschaften des Messaufbaus zu erfassen. Es werden alle benötigten Positionen angefahren, um die verbleibenden Ablagen typischerweise mit Hilfe von Kalibrierungen auf dem Kalibriernormal zu bestimmen. Die Ablagen werden in Vorhalte umgerechnet und zu den Vorhaltewerten im Vorhaltewerteverzeichnis hinzu addiert.
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Das Kalibriernormal kann z. B. an den Messpositionen für die lokale Kalibrierung zwei Markierungen aufweisen. Bei den zwei Markierungen kann es sich um Vertiefungen der Oberfläche handeln, wobei eine bei +0,5 mm und eine bei –0,5 mm in x-Richtung bezogen auf die Messposition liegt. Mit diesen Markierungen kann die Ablage in x- und y-Richtung und die Verkippung um die z-Achse bestimmt werden. Dabei muss der Abstand der beiden Markierungen nicht bekannt sein, nur die Lage der Mitte ist wesentlich, Sie liegt typischerweise und Idealerweise im Bereich des Messfeldes. Durch die Interferenzmessung kann die Verkippung um die x- und um die y-Achse bestimmt werden, genauso wie die Ablage in z-Richtung.
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Es ist für die lokale Kalibrierung charakteristisch, dass sie iterativ so lange wiederholt wird, bis keine systematischen Ablagen sondern nur noch statische Ablagen als Ergebnis von begrenzter Reproduzierbarkeit bleiben. Damit zusammenhängend ist es charakteristisch, dass keine genaue, separate Vermessung des mechanischen Aufbaus durchgeführt werden muss. Es muss nur eine gewisse Qualität bei der iterativen Aktualisierung der Vorhaltewerte vorhanden sein. Üblicherweise liegt ein näherungsweises lineares Verhalten der Mechanik der Positioniereinheit 6 vor und so wird durch Vorzeichenwechsel aus der aktuell gemessenen Ablage der Vorhaltwert berechnet, der zum alten Vorhaltwert hinzuaddiert werden muss, um den aktualisierten Vorhaltwert zu erhalten. Üblicherweise muss zumindest dieser Vorzeichenwechsel auch bei den letzten Iterationen korrekt funktionieren.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Verhalten des Aufbaus bei der lokalen Kalibrierung zumindest näherungsweise bekannt ist, um aus der Ablage den hinzuzuaddierenden Vorhaltwert zu berechnen. Wie bereits dargelegt, ist das Verhalten üblicherweise näherungsweise linear. Ein dabei auftretender Fehler von +/–10% ist durchaus gut, um aus der Ablage den hinzuzuaddierenden Vorhaltwert zu berechnen. Dabei muss immer das Vorzeichen richtig ermittelt werden. Auch ein deutliches nicht lineares, aber bekanntes Verhalten ist kein Problem. Mit dem bekannten, nicht linearen Verhalten kann die Ablage in einen hinzuzuaddierenden Vorhalt umgerechnet werden.
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Um verbesserte Vorhaltwerte zu bekommen, die näher an den systematischen Werten liegen, können die Vorhaltwerte der letzten Iterationen gemittelt werden. Falls das Kalibriernormal für die lokale und die globale Kalibrierung unverändert das gleiche ist, ist die Kalibrierung schneller abgeschlossen, weil keine zusätzlichen Fehler durch das Wechseln des Kalibriernormals auftreten.
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Die Messungen bei der Kalibrierung werden mittels des Interferometers 4 durchgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Automatic Panoramic Image Stitching using Invariant Features” von Matthew Brown und David. G. Lowe, der im International Journal of Computer Vision, 74 (1), Seiten 59 bis 73, 2007 [0058]
