DE102004045807B4

DE102004045807B4 - Optische Messvorrichtung zur Vermessung von gekrümmten Flächen

Info

Publication number: DE102004045807B4
Application number: DE102004045807A
Authority: DE
Inventors: Jochen STRÄHLE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2004-09-22
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2024-09-23
Also published as: US7483149B2; DE102004045807A1; US20060061774A1

Abstract

Optische Messvorrichtung (1) zur Vermessung von gekrümmten Flächen (5) eines Messobjektes (10) mittels einer Anordnung von optischen Elementen, wobei als optische Elemente mindestens ein Linsensystem (15) und eine erste Ablenkoptik (20) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsensystem (15) und die erste Ablenkoptik (20) so angeordnet sind, dass nur ein erster Teil (25) der auf das Linsensystem (15) einfallenden Lichtstrahlen (35) auf die erste Ablenkoptik (20) auftrifft und über die erste Ablenkoptik (20) senkrecht auf die gekrümmten Flächen (5) des Messobjektes (10) gerichtet wird, und ein zweiter Teil (40) der auf das Linsensystem (15) einfallenden Lichtstrahlen (35) auf ein Referenzobjekt (45) gerichtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung zur Vermessung von gekrümmten Flächen eines Messobjektes mittels einer Anordnung von optischen Elementen. Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung der optischen Messvorrichtung als ein Objektiv für das Messobjekt.
Interferometrische Systeme eignen sich unter anderem für berührungslose Untersuchungen von Oberflächen verschiedener Messobjekte. Zur Erfassung der Oberflächenkontur eines zu untersuchenden Objektes trifft ein Objektstrahl aus einer Lichtquelle des Interferometers die Oberfläche an dem zu messenden Bereich. Der von der Oberfläche reflektierte Objektstrahl wird einem Detektor des Interferometers zugeführt und bildet zusammen mit einem Referenzstrahl ein Interferenzmuster, aus dem sich die Weglängendifferenz der beiden Strahlen ableiten lässt. Diese gemessene Weglängendifferenz der beiden Strahlen entspricht der Topographieänderung der Oberfläche.

Insbesondere mit einem Weisslichtinterferometer, bei dem die Lichtquelle eine kurzkohärente Strahlung abgibt, ist es auch möglich, das Messobjekt mittels Tiefenabtastung abzuscannen. Wie beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE-103 25 443.9 erläutert, wird dabei die kurzkohärente Strahlung über einen Strahlteiler in einen Objektstrahl und in einen Referenzstrahl aufgeteilt. Die zu vermessende Objektoberfläche wird über ein Objektiv auf einen Bildaufnehmer, beispielsweise auf eine CCD-Kamera („charge-coupled device"-Kamera), abgebildet und von der durch den Referenzstrahl gebildeten Referenzwelle überlagert. Die Tiefenabtastung kann durch Bewegen eines den Referenzstahl reflektierenden Referenzspiegels oder des Objektivs relativ zu der Messvorrichtung durchgeführt werden. Beim Bewegen des Objektes sind Bildebene des Objektes und Referenzebene in derselben Ebene. Während der Tiefenabtastung bleibt das Objekt starr im Gesichtsfeld der CCD-Kamera, und das Objekt wird nur in der Tiefenachse relativ zur Referenzebene bewegt. Auf diese Weise können Messungen technischer Oberflächen mit einer Tiefenauflösung im Bereich weniger Nanometer vermessen werden. Technische Grundlagen zu diesem Messverfahren findet man auch im Beitrag „Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar" (T. Dresel, G. Häusler, H. Venzke, Appl. Opt. 31 (7), p. 919–925, 1992).

Ist dabei die zu vermessende Fläche des Messobjektes keine einheitliche, flache Ebene, so ist ein Spezial-Objektiv für das Vermessen des Messobjektes notwendig. Denn bei jedem Messvorgang muss dafür gesorgt werden, dass die Strahlen beim Abtasten senkrecht auf die zu vermessenden Flächen auftreffen. Aus der DE-101 31 778 A1 ist beispielsweise eine Anordnung von optischen Elementen bekannt, mit der auch konische Oberflächen vermessen werden können. Mit der dort vorgestellten Rundsichtoptik können auch Messflächen, die ihrer Form nach den Innen- oder Außenflächen eines Kegels entsprechen, vermessen werden. Die Strahlen werden mittels der Rundsichtoptik derart auf die verschiedenen, zueinander nicht parallelen Flächen des Messobjektes abgelenkt, dass sie senkrecht auf die jeweiligen Messflächen auftreffen. Eine Aufteilung der auf die Rundsichtoptik einfallenden Strahlen in Mess- und Referenzstrahlen ist jedoch nicht vorgesehen. Daher kann ein relativer Vergleich der konischen Messflächen des Messobjektes mit vorzugsweise ebenen Referenzflächen nicht durchgeführt werden.

Schließlich ist aus DE 197 21 843 C1 eine interferometrische Messvorrichtung zur Formvermessung an Oberflächen eines Messobjekts bekannt, bei der eine Strahlerzeugungseinheit eine kurzkohärente Strahlung abgibt. Ein Teil dieser Strahlung fällt über ein Linsensystem auf einen Strahlteiler und wird in zwei weitere Teilstrahlen aufgeteilt, wobei der erste weitere Teilstrahl als Referenz-Teilstrahl auf einen Referenzspiegel geführt wird und der zweite weitere Teilstrahl als Mess-Teilstrahl auf einem Messpunkt des Messobjektes gelenkt wird.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein Vergleich auch von gekrümmten, beispielsweise konischen Messflächen eines Messobjektes mit Referenzflächen ermöglicht wird, ohne dabei einen Strahlteiler zu beanspruchen. Besonders vorteilhaft können auch Messflächen, die für den Lichtstrahl nicht direkt zugänglich sind, vermessen und mit einer Referenzfläche verglichen werden. Alternativ kann die optische Messvorrichtung auch als Spezial-Objektiv für das Messobjekt in einem Messaufbau eines an sich bekannten Interferometers, insbesondere eines Weisslichtinterferometers, verwendet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der interferometrischen Messvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste Anordnung der optischen Elemente in der Messvorrichtung,
2 eine zweite Anordnung der optischen Elemente in der Messvorrichtung,
3 eine Anordnung einer Ablenkoptik bei einer nicht direkt zugänglichen Messfläche, und
4 einen interferometrischen Messaufbau mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung als Spezial-Objektiv.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 mit einer Anordnung von optischen Elementen zeigt 1. Als optische Elemente der Messvorrichtung 1 sind ein Linsensystem 15, eine Ablenkoptik 20 und ein Referenzobjekt 45 dargestellt. Weiter weist ein Messobjekt 10, hier ein Bauteil, gekrümmte Flächen 5 auf. Grundsätzlich kann die gekrümmte Fläche 5 zumindest abschnittsweise die Innen- oder Außenform einer konischen, zylindrischen oder die einer Sattelfläche aufweisen. In diesem Beispiel ist die gekrümmte Fläche 5 eine konische Fläche, d. h. die zu messende Fläche entspricht ihrer Form nach einem Kegelausschnitt. Zur Verdeutlichung ist in der 1 die Kegelform der gekrümmten Fläche 5 durch gestrichelte Linien dargestellt.
Auf das Linsensystem 15 einfallende Lichtstrahlen 35 verlaufen zunächst als Parallelstrahlen in Richtung zur Objektseite, wobei das Linsensystem 15 mindestens eine Linse aufweist. Die Ablenkoptik 20 und das Referenzobjekt 45 sind nun derart angeordnet, dass ein erster Teil 25 der auf das Linsensystem 15 einfallenden Lichtstrahlen 35 über die erste Ablenkoptik 20 senkrecht auf die konischen Flächen 5 des Messobjektes 10 gerichtet werden, während ein zweiter Teil 40 der auf das Linsensystem 15 einfallenden Lichtstrahlen 35 auf das Referenzobjekt 45 gerichtet wird. Die Aufteilung der einfallenden Strahlen 35 in einen ersten Teil 25 und zweiten Teil 40 wird dadurch herbeigeführt, dass nur ein Teil der einfallenden Strahlen 35 auf die Ablenkoptik 20 auftrifft. Die Ablenkoptik 20 besteht in diesem Beispiel aus einem Ablenkspiegel. Bevorzugt kann der Ablenkspiegel ein konisch geformter Spiegel sein, um der Form der zu messenden Fläche 5 anzupassen. Damit weist der Ablenkspiegel und damit die Ablenkoptik 20 eine achsensymmetrische Form auf. Auf jeden Fall trifft der erste Teil 25 der Strahlen nach der Ablenkung durch die Ablenkoptik 20 senkrecht auf die zu messenden Flächen 5 auf.
Der zweite Teil 40 der einfallenden Strahlen 35 trifft ohne jede Ablenkung auf das Referenzobjekt 45 ein. Ist das Messobjekt 10 ein symmetrisches Bauteil, beispielsweise Drehteile, ist das Referenzobjekt 45 bevorzugt ebenfalls symmetrisch um das Bauteil angeordnet. Das Referenzobjekt 45 weist dann eine achsensymmetrische Form auf, ebenso die Ablenkoptik 20. Dadurch teilt die Messvorrichtung 1 die einfallenden Lichtstrahlen 35 in zwei konzentrische, ineinanderliegende „Lichtzylinder" auf, wobei der äußere Lichtzylinder (zweiter Teil 40 der einfallenden Lichtstrahlen 35) das Referenzobjekt 45 erfasst und der innere Lichtzylinder (erster Teil 25 der einfallenden Lichtstrahlen 35) auf das Messobjekt 10 gelenkt wird. Typischerweise hat das Referenzobjekt 45 eine ebene Fläche, auf die der zweite Teil 40 der Strahlen senkrecht auftrifft.
Sowohl der erste Teil 25 als auch der zweite Teil 40 der Strahlen 35 werden an der zu messenden Fläche 5 bzw. an der ebenen Fläche des Referenzobjektes 45 reflektiert und wieder über das Linsensystem 15 aus der erfindungsgemäßen.
Messvorrichtung 1, d. h. in die entgegengesetzte Richtung der Objektseite herausgeführt. Weiter werden der erste Teil 25 und der zweite Teil 40 der Strahlen 35 einem lichtempfindlichen Detektor zugeführt und zu Bilddaten ausgewertet, die idealerweise ebene Flächen darstellen, so dass ein relativer Vergleich der zu messenden Flächen 5 des Messobjektes 10 mit der Fläche des Referenzobjektes 45 ermöglicht wird. Für einen direkten Vergleich sind gegebenenfalls eine geeignete Kalibrierung durchzuführen. Durch den relativen Vergleich beider Flächen kann eine eventuell vorhandene Höhendifferenz festgestellt werden.
In einer zweiten Ausführung der Messvorrichtung 1 wird gemäß 2 bei sonst gleicher Anordnung der optischen Elemente wie in der ersten Ausführung die erste Ablenkoptik 20 aus mehreren Spiegeln gebildet. Dabei sind die Spiegeln so angeordnet, dass der erste Teil 25 der auf das Linsensystem 15 einfallenden Lichtstrahlen 35 nach mehrmaligen Ablenkungen auf die gekrümmten Flächen 5 gerichtet wird. Mehrmalige Ablenkungen sind insbesondere dann vorgesehen, wenn die gekrümmten Flächen 5 optisch schwer zugänglich sind und ein senkrechtes Auftreffen des ersten Teils 25 der einfallenden Strahlen 35 auf die gekrümmten Flächen 5 nicht durch eine einzige Ablenkung erreicht werden kann.
Im übrigen ist es natürlich grundsätzlich möglich, wie 3 veranschaulicht, dass eine durch andere Bereiche verdeckte gekrümmte Fläche 5, die für den ersten Teil 25 der einfallenden Strahlen 35 nicht direkt zugänglich ist, auch mit nur einem Ablenkspiegel der Ablenkoptik 20 erreicht wird.
Weiter ist es auch vorgesehen, dass bei Bedarf der zweite Teil 40 der auf das Linsensystem 15 einfallenden Lichtstrahlen 35 über eine in den Figuren nicht dargestellte zweite Ablenkoptik auf das Referenzobjekt 45 gerichtet wird. Die Verwendung einer zweiten Ablenkoptik, die nun für die Ablenkung des zweiten Teils 40 der Strahlen 35 vorgesehen ist, kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn das Referenzobjekt 45 keine ebene Fläche aufweist. Wie für den ersten Teil 25 der Strahlen 35 wird ein senkrechtes Auftreffen des zweites Teils 40 der Strahlen 35 auf die nicht ebene Fläche des Referenzobjektes 45 mittels der zweiten Ablenkoptik gesichert.
Die Messvorrichtung 1 eignet sich auch für eine Verwendung als ein Spezial-Objektiv für das Messobjekt 10 in einem Messaufbau eines an sich bekannten Interferometers, insbesondere eines Weisslichtinterferometers. Solch ein Messaufbau nach Michelson ist in 4 dargestellt und sein Messprinzip bekannt: Bei der Weisslichtinterferometrie (Kurzkohärenzinterferometrie) sendet eine Lichtquelle 50 eine kurzkohärente Strahlung aus. Das Licht wird über einen Strahlteiler 55 in einen Referenzstrahl 60 und in einen Objektstrahl 65 geteilt. Der Referenzstrahl 60 wird weiter von einem im Referenzlichtweg angeordneten Referenzspiegel 70 reflektiert und gelangt wieder über den Strahlteiler 55 in einen Bildaufnehmer 75. Dort werden die Lichtwellen der Referenzstrahlen 60 überlagert mit den Lichtwellen der Objektstrahlen 65, die ihrerseits über das im Objektlichtweg angeordneten, erfindungsgemäßen Spezial-Objektiv auf die gekrümmten Flächen 5 des Messobjekt 10 oder auf das Referenzobjekt 45 gelenkt und reflektiert wurden. Wie bereits geschildert, werden die Objektstrahlen 65 bzw. die auf das Linsensystem 15 des Spezial-Objektivs einfallenden Lichtstrahlen 35 erfindungsgemäß in einen ersten 25 und zweiten Teil 40 aufgeteilt, um einen Vergleich der Flächen zu ermöglichen. Natürlich ist eine Anwendung der Messvorrichtung 1 als ein Spezial-Objektiv auch in einem Messaufbau eines Autofocus-Sensors oder eines Laser-, Heterodyn- oder sonstigen Interferometers möglich.
Zusammenfassend wird durch eine gezielte Aufteilung und senkrechte Ausrichtung der Lichtstrahlen 35 auf die gekrümmten Flächen 5 des Messobjektes 10 bzw. auf das Referenzobjekt 45 eine gleichzeitige und flächenhafte Vermessung beider Flächen ermöglicht. Insbesondere erlaubt die Anordnung der optischen Elemente, dass auch verdeckte, schwer zugängliche Stellen des Messobjektes 10 erfasst werden können.

Claims

Optische Messvorrichtung (1) zur Vermessung von gekrümmten Flächen (5) eines Messobjektes (10) mittels einer Anordnung von optischen Elementen, wobei als optische Elemente mindestens ein Linsensystem (15) und eine erste Ablenkoptik (20) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsensystem (15) und die erste Ablenkoptik (20) so angeordnet sind, dass nur ein erster Teil (25) der auf das Linsensystem (15) einfallenden Lichtstrahlen (35) auf die erste Ablenkoptik (20) auftrifft und über die erste Ablenkoptik (20) senkrecht auf die gekrümmten Flächen (5) des Messobjektes (10) gerichtet wird, und ein zweiter Teil (40) der auf das Linsensystem (15) einfallenden Lichtstrahlen (35) auf ein Referenzobjekt (45) gerichtet wird.
Optische Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ablenkoptik (20) aus mindestens einem Ablenkspiegel besteht.
Optische Messvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ablenkspiegel ein konisch geformter Spiegel ist.
Optische Messvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ablenkoptik (20) aus mehreren Spiegeln gebildet wird und diese so angeordnet sind, dass der erste Teil (25) der auf das Linsensystem (15) einfallenden Lichtstrahlen (35) nach mehrmaligen Ablenkungen auf die gekrümmten Flächen (5) gerichtet wird.
Optische Messvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkoptik (20) und/oder das Referenzobjekt (45) eine achsensymmetrische Form aufweist.
Optische Messvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzobjekt (45) eine ebene Fläche aufweist.
Optische Messvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil (40) der auf das Linsensystem (15) einfallenden Lichtstrahlen (35) über eine zweite Ablenkoptik auf das Referenzobjekt (45) gerichtet wird.
Verwendung der optischen Messvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (1) als ein Spezial-Objektiv für das Messobjekt (10) in einem Messaufbau eines Autofocus-Sensors oder eines an sich bekannten Interferometers, insbesondere eines Laser-, Heterodyn- oder Weisslichtinterferometers, verwendet wird.