DD224401A1

DD224401A1 - Einrichtung zur bestimmung geometrischer abmessungen an messobjekten

Info

Publication number: DD224401A1
Application number: DD26368184A
Authority: DD
Inventors: Hans-Guenter Woschni; Alios Erben; Frank Knoff
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1984-06-01
Filing date: 1984-06-01
Publication date: 1985-07-03
Also published as: DE3512002A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung geometrischer Abmessungen an Messobjekten mittels parallel zur Objektflaeche verlaufende Interferenzlinien mit dem Ziel, vor allem den Gebrauchswert der Messgeraete zu erhoehen. Aufgabe ist es, die gegenseitige Ausrichtung von Messobjekt und der Interferenzen erzeugenden Elemente zu vereinfachen, die Interferenzlinie messtechnisch zu erfassen und deren Lage auszuwerten. Erfindungsgemaess sind in der Beleuchtungseinrichtung Interferenzen zu einer beliebig parallel zur optischen Achse gerichteten Messobjektoberflaeche erzeugende Blenden- oder Beugungsgitteranordnungen und in der Bildebene einer Messanordnung eine feststehende zweidimensionale Anordnung optischer Einstellmittel oder fotoelektrischer Abtastelemente oder eine, eine rotierende Relativbewegung zwischen dem Bild der Interferenzlinie und einer eindimensionalen Anordnung optischer Einstellmittel oder fotoelektrischer Abtastelemente zur Bestimmung der Lage der in dieser Bildebene abgebildeten, in definiertem Abstand zur Messobjektoberflaeche im Messpunkt verlaufenden Inteferenzlinien vorgesehen. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung geometrischer Abmessungen an Meßobjekten mit Hilfe von Interferenzen, vorzugsweise durch Bestimmung der Lage einer parallel zur anzutastenden Meßobjektoberfläche verlaufenden Interferenzlinie.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Aus der DD-PS 30682 ist die optische Antastung von Meßobjekten mittels Zweistrahlinterferenzlinie und aus der DD-PS 93641 mittels Mehrstrahlinterferenzlinie bekannt, bei welcher ein oder mehrere monochromatische Strahlenbündel unter vorgegebenen Winkeln zur optischen Achse einer Meßanordnung geneigt verlaufen. Auf das Meßobjekt treffende und daran vorbeilaufende Strahlen interferieren in der Nähe der angestrahlten Meßobjektoberfläche und bilden in definiertem Abstand von dieser eine meßtechnisch ausnutzbare Interferenzlinie.

Aus der DD-PS 146337 ist eine ebensolche Einrichtung mit einer Beleuchtungseinrichtung mit Kollimator bekannt, in dessen Brennebene eine Blende bzw. hinter dem ein Beugungsgitter angeordnet ist. Die lichtdurchlässigen Öffnungen gehören unterschiedlichen Spaltsystemen an. Dabei bestehen Blende bzw. Beugungsgitter aus zwei unmittelbar hintereinander angeordneten Teilblenden bzw. Gittern, die zueinander einstellbar sind.

Diese bekannten Einrichtungen besitzen den Nachteil, daß es zwecks Erzeugung einer kontrastreichen Interferenzlinie notwendig ist, den oder die Blenden- oder Gitterspalte parallel zur anzutastenden Fläche auszurichten. Beim Übergang zu anders gerichteten Meßobjektflächen müssen dann Blende und Gitter neu ausgerichtet werden. So ergibt sich ein hoher Bedienaufwand. Weiterhin nachteilig ist, daß ein Einsatz für Messungen an beweglichen Meßobjekten, also dynamische Messungen, nicht möglich sind.

Ziel der Erfindung:

Es ist Ziel der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, den Bedienaufwand zu senken und den Gebrauchswert und Anwendungsbereich der nach dem Interferenzlinienverfahren arbeitenden Meßgeräte zu erweitern.

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Darlegung des Wesens der Erfindung:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Einrichtung zur Bestimmung geometrischer Abmessungen an Meßobjekten mittels Interferenzen ohne gegenseitige Ausrichtung von Meßobjekt und Blende bzw. Beugungsgitter die Lage der optisch anzutastenden Meßobjektfläche zur Ziellinie der Meßanordnung bzw. bei dynamischer Messung den Ort des Durchganges der auswertbaren Interferenzlinie durch die Ziellinie der Meßanordnung zu bestimmen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Einrichtung zur Bestimmung geometrischer Abmessungen an Meßobjekten mittels Interferenzen, welche durch geneigt zur Tangentialebene im Meßpunkt der anzutastenden Meßobjektfläche auffallendes Licht erzeugt werden, wobei ein Teil des Lichtes an der Meßobjektoberfläche reflektiert wird und der andere Teil daran vorbeiläuft und beide Teile miteinander in definiertem Abstand von der Meßobjektfläche interferieren, bestehend aus einer Meßobjektaufnahme, einer dazu relativ verschiebbaren Meßanordnung mit Meßmarke oder fötoelektrischen Empfängern und einer der Meßanordnung zugeordneten Beleuchtungseinrichtung, welche eine Lichtquelle, um die optische Achse einstellbar angeordnete Blenden in der Brennebene eines der Lichtquelle nachgeordneten Kollimatorobjektives oder um die optische Achse drehbar angeordnete Beugungsgitter hinter dem Kollimatorobjektiv besitzt zur Erzeugung mehrerer unterschiedlich zur Tangentialebene im Meßpunkt geneigter Lichtbündel, wobei von jedem dieser Lichtbündel ein Teil an der Meßobjektoberfläche reflektiert wird und der andere Teil direkt in das Meßmikroskop trifft, dadurch gelöst, daß in der Beleuchtungseinrichtung Interferenzlinien zu einer beliebig parallel zur optischen Achse gerichteten Meßobjektoberfläche erzeugende Blenden- oder Beugungsgitteranordnungen und in der Bildebene einer Meßanordnung eine feststehende zweidimensional Anordnung optischer Einstellmittel oder fotoelektrischer Abtastelemente oder eine/eine rotierende Relativbewegung zwischen einem Bild der Interferenzlinie und. einer eindimensionalen Anordnung optischer Einstellmittel oder fotoelektrisch^ Abtastelemente zur Bestimmung der Lage der in dieser Bildebene abgebildeten, in definiertem Abstand zur Meßobjektoberfläche im Meßpunkt verlaufenden Interferenzlinien vorgesehen sind. Dabei ist es vorteilhaft, wenn in der Brennebene des Kollimators eine Blende mit konzentrisch verlaufenden, lichtdurchlässigen Ringen und in der Bildebene der Meßanordnung eine rotierende eindimensionale Anordnung fotoelektrischer Abtastelemente oder eine feststehende zweidimensionale Anordnung fotoelektrischer Abtastelemente vorgesehen sind.

Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, daß in der Brennebene des Kollimators eine Blende mit konzentrisch verlaufenden lichtdurchlässigen Ringen und unmittelbar davor oder dahinter eine rotierende, einen oder mehrere lichtdurchlässige Sektoren umfassende Sektorscheibe und in der Bildebene der Meßanordnung eine feststehende, zweidimensionale Anordnung fotoelektrischer Abtastelemente oder eine synchron und phasenstarr mit der Sektorscheibe rotierende eindimensionale Anordnung fotoelektrischer Abtastelemente angeordnet sind. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn in der Brennebene des Kollimators eine rotierende, konzentrisch zur Rotationsachse verlaufende, lichtdurchlässige Ringsektoren umfassende Scheibe und in der Bildebene der Meßanordnung eine feststehende, zweidimensionale oder eine synchron und phasenstarr mit der Scheibe rotierende Anordnung fotoelektrischer Abtastelemente angeordnetsind.

Bei Verwendung von Beugungsgittern ist es vorteilhaft, daß dem Kollimator benachbart ein Beugungsgitter mit konzentrischen Beugungsstrukturen mit in radialer Richtung konstantem Abstand und in der Bildebene der Meßanordnung eine rotierende eindimensionale oder eine feststehende zweidimensionale Anordnung fotoelektrischer Abtastelemente vorgesehen sind. Ferner ist es vorteilhaft, wenn unmittelbar hinter dem Kollimator ein Ringspiegelsystem, bestehend aus zwei konzentrischen Kegelspiegeln mit verschiedenem Kegelwinkel, und in der Bildebene der Meßanordnung eine rotierende eindimensionale oder eine feststehende zweidimensionale Anordnung fotoelektrischer Abtastelemente angeordnet sind. Als Lichtquelle kann ein Laser vorgesehen werden, und als fotoelektrische Abtastelemente sind vorzugsweise CCD-Anordnungen vorgesehen. Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung werden vor allem Bedfenaufwand und Meßzeit dadurch verringert, daß beim Übergang zu anders gerichteten Meßobjektflächen eine Einstellung der Blende bzw. des Gitters entsprechend der Lage . der Meßobjektfläche entfällt. Die Einrichtung ermöglicht eine Erzeugung einer auswert- und antastbaren Interferenzlinie an beliebig gerichteten Meßobjektflächen. Grundsätzlich werden dadurch dynamische und automatisierte Messungen ermöglicht.

Ausführungsbeispiel:

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: den Strahlengang der Einrichtung mit CCD-Matrix, '

Fig.2: eine CCD-Zeile,

Fig.3: gekreuzte CCD-Zeilen,

Fig.4: eine Blende mit konzentrischen Ringen,

Fig. 5: eine Blende mit Ringsektoren,

Fig. 6: eine Blende mit geraden Öffnungen,

Fig.7: ein Beugungsgitter mit konzentrischen Beugungsstrukturen,

Fig.8: ein Ringspiegelsystem,

Fig.9: eine Einrichtung mit Beugungsgitter und

Fig. 10: eine Einrichtung mit Laser und Ringspiegelsystem.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Einrichtung zur Bestimmung geometrischer Abmessungen an Meßobjekten mittels Interferenzen umfaßt eine, zu einer Meßobjektaufnahme 1 relativ verschiebbare Meßanordnung, welche ein Objektiv 2 und in dessen Bildebene eine feststehende zweidimensionale Anordnung 3 oder 4 (Fig. 3) fotoelektrischer Abtastelemente, vorzugsweise in Form einer CCD-Matrix 6 oder gekreuzter CCD-Zeilen 7 (Fig. 3) oder eine rotierende, eindimensionale Anordnung 5 (Fig. 2), vorzugsweise in Form einer CCD-Zeile 8 (Fig. 2) enthält. Mit einer gemeinsamen optischen Achse zur Meßanordnung ist ferner eine Beleuchtungseinrichtung vorgesehen, welche eine Lichtquelle 10, einen Kollektor 11 und, in der Brennebene eines Kollimatorobjektes 16 angeordnet, eine Blende 12 mit konzentrischen, lichtdurchlässigen Ringen 13 (Fig.4) enthält.

Dieser Blende 12 unmittelbar benachbart ist eine rotierende, einen oder mehrere lichtdurchlässige Sektoren 14 umfassende Sektorblende 15 im Strahlengang angeordnet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Mittelpunkt der Blende 12 und die Rotationsachse der Sektorscheibe 15 auf der optischen Achse 9 liegen. Das der Sektorscheibe 15 nachgeordnete Kollimatorobjektiv 16 bewirkt, daß von dem von den Ringen 13 ausgehenden Licht ein Anteil 17 an der Oberfläche des Meßobjektes 18 reflektiert wird und der andere Anteil 19 des Lichtes direkt in das Objektiv 2 trifft. Beide Anteile 17 und 19

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interferieren miteinander und bilden in einem definierten Abstand von der Meßobjektf lache 20 eine parallel zur Meßobjektfläche

20 liegende Interferenzlinie 21, welche durch das Objektiv 2 in die Ebene der Anordnung 3 auf die CCD-Matrix 6 abgebildet wird. Die Anordnung 3 ist mit einer Auswerteeinrichtung 22 verbunden, in welcher die Lage des Bildes 23 der Interferenzlinie

21 meßtechnisch bestimmt wird. Bei der Einrichtung nach Fig. 1 kann anstelle der Blende 12 und der rotierenden Sektorscheibe 15 eine mit konzentrisch zu ihrer Rotationsachse angeordneten, lichtdurchlässigen Ringsektoren 24 versehene Scheibe 25 (Fig.5) oder eine mit Schlitzen 26 versehene Scheibe 27 (Fig.6) in der Brennebene des Kollimatorobjektives 16 vorgesehen werden.

Bei den Einrichtungen, die im Strahlengang der Beleuchtungseinrichtung rotierende Elemente besitzen, z. B. die rotierende Sektorscheibe 15, die rotierenden Blenden 25 oder 27, muß bei Verwendung einer rotierenden Anordnung 5 mit CCD-Zeile 8 gewährleistet sein, daß die rotierenden Teile der Beleuchtungseinrichtung und der Meßanordnung synchron und phasenstarr rotieren, derart, daß eine entstehende Interferenzlinie etwa senkrecht zur CCD-Zeile 8 liegt.

Bei Anwendung feststehender Teile im Strahlengang der Beleuchtungseinrichtung, wie Beugungsgitter 28, Blende 12 oder Ringspiegelsystem 38 ist es zur Erfassung der Lage des Bildes 23 der Interferenzlinie 21 bei Verwendung einer CCD-Zeile 8 lediglich Bedingung, daß diese CCD-Zeile 8 rotiert-ln diesem Falle ist eine phasenstarre Rotation der CCD-Zeile nicht erforderlich.

Die Rotation der CCD-Zeile 8 kann durch die Rotation des Bildes 23 der Interferenzlinie 21 mittels an sich bekannter bilddrehender, im Strahlengang angeordneter optischer Elemente (nicht dargestellt in den Figuren) ersetzt werden.

Desgleichen kann auch nur die feststehende Blende 12 (Fig.4) ohne die Verwendung der rotierenden Sektorscheibe 15 zur

Erzeugung der lnterferenzlinie-2-i'im-Strahlengang angeordnet sein. —

Die in Fig.9 schematisch dargestellte Einrichtung umfaßt, wie auch in Fig. 1 angegeben, eine etwa punktförmige Lichtquelle 10 und ein Kollimatorobjektiv 16, hinter dem in unmittelbarer Nähe ein Beugungsgitter 28 (Fig.7) mit konzentrischen, äquidistanten Beugungsstrukturen 29 angeordnet ist. Das durch das Beugungsgitter 28 zum Meßobjekt 31 hin gebeugte Licht wird teils am Meßobjekt 31 reflektiert und verläuft teilweise am Meßobjekt 31 vorbei, wobei beide Anteile interferieren und die Interferenzlinie 33 bilden, die durch das Objektiv 2 in die Ebene der gemäß Fig. 1 dargestellten Anordnung 3 abgebildet wird. Die in Fig. 10 dargestellte Einrichtung umfaßt im Beleuchtungsstrahlengang als Lichtquelle einen Laser 34, dem zur Aufweitung des Strahlenganges ein teleskopisches System 35 und diesem ein aus zwei konzentrischen Kegelspiegeln 36,37 mit verschiedenem Kegetwinkel bestehendes Ringspiegelsystem 38 nachgeordnet sind. Das vom Ringspiegelsystem 38 (Fig. 8) ausgehende direkte Lichtbündel 39 und das am Meßobjekt 40 reflektierte Lichtbündel 41 interferieren und bilden die Interferenzlinie 42, die durch das Objektiv 2 in die Ebene der gemäß Fig. 1 dargestellten Anordnung 3 abgebildet wird.

Claims

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Erfindungsansprüche:

1. Einrichtung zur Bestimmung geometrischer Abmessungen an Meßobjekten mittels Interferenzen, welche durch geneigt zur Tangentialebene im Meßpunkt der anzutastenden Meßobjektfläche auffallendes Licht erzeugt werden, wobei ein Teil des Lichtes an der Meßobjektoberfläche reflektiert wird und der andere Teil daran vorbeiläuft und beide Teile miteinander in definiertem Abstand von der Meßobjektfläche interferieren, bestehend aus einer Meßobjektaufnahme, einer dazu relativ verschiebbaren mit Meßmarke oder fotoelektrischen Empfängern und einer der Meßanordnung zugeordneten Beleuchtungseinrichtung, welche eine Lichtquelle, um die optische Achse einstellbar angeordnete Blenden in der Brennebene eines der Lichtquelle nachgeordneten Kollimatorobjektives oder um die optische Achse drehbar angeordnete Beugungsgitter hinter dem Kollimatorobjektiv besitzt zur Erzeugung mehrerer unterschiedlich zur Tangentialebene im Meßpunkt geneigter Lichtbündel, wobei von jedem dieser Lichtbündel ein Teil an der Meßobjektoberfläche reflektiert wird und der andere Teil direkt in das Meßmikroskop trifft, dadurch gekennzeichnet, daß in der Beleuchtungseinrichtung Interferenzlinien zu einer beliebig parallelzur optischen Achse gerichteten Meßobjektoberfläche erzeugende Blenden- oder Beugungsgitteranordnungen und in der Bildebene einer Meßanordnung eine feststehende zweidimensionale Anordnung optischer Einstellmittel oder fotoelektriAbtastelementeoder eine, eine rotierende Relativbewegung zwischen einem Bild der Interferenzlinie und einer eindimensionalen Anordnung optischer Einstellmittel oder fotoelektrischer Abtastelemente zur Bestimmung der Lage der in dieser Bildebene abgebildeten, in definiertem Abstand zur Meßobjektoberfläche im Meßpunkt verlaufenden Interferenzlinien vorgesehen sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/daß irr der Brennebene des Kollimators eine Blende mit konzentrisch verlaufenden, lichtdurchlässigen Ringen und in der Bildebene der Meßanordnung eine rotierende eindimensionale Anordnung fotoelektrischer Abtastelemente oder eine feststehende zweidimensionale Anordnung fotoelektrischer Abtastelemente vorgesehen sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennebene des Kollimators eine Blende mit konzentrisch verlaufenden lichtdurchlässigen Ringen und unmittelbar davor oder dahinter eine rotierende, einen oder mehrere lichtdurchlässige Sektoren umfassende Sektorscheibe und in der Bildebene der Meßanordnung eine feststehende, zweidimensionale Anordnung fotoelektrischer Abtastelemente oder eine synchron und phasenstarr mit der Sektorscheibe rotierende eindimensionale Anordnung fotoelektrischer Abtastelemente angeordnet sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennebene des Kollimators eine rotierende, konzentrisch zur Rotationsachse verlaufende, lichtdurchlässige Ringsektoren umfassende Scheibe und in der Bildebene der Meßanordnung eine feststehende, zweidimensionale oder eine synchron und phasenstarr mit der Scheibe rotierende Anordnung fotoelektrischer Abtastelemente angeordnet sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, dem Kollimator benachbart, ein Beugungsgitter mit konzentrischen Beugungsstrukturen mit in radialer Richtung konstantem Abstand und in der Bildebene der Meßanordnung eine rotierende eindimensionale oder eine feststehende zweidimensionale Anordnung fotoelektrischer Abtastelemente vorgesehen sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar hinter dem Kollimator ein Ringspiegelsystem, bestehend aus zwei konzentrischen Kegelspiegeln mit verschiedenem Kegelwinkel, und in der Bildebene der Meßanordnung eine rotierende eindimensionale oder eine feststehende zweidimensionale Anordnung fotoelektrischer Abtastelemente angeordnet sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle ein Laser vorgesehen ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als fotoelektrische Abtastelemente vorzugsweise CCD-Anordnungen vorgesehen sind.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen