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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Erfassung von geometrischen
Eigenschaften einer Objekt oberfläche entlang einer gedachten
Linie, bei welchem von der Objektoberfläche gestreutes und/oder reflektiertes
Licht erfaßt
wird.
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Das
Ziel der vorliegenden Entwicklung ist ein konfokales Meßverfahren,
eine bevorzugte Anordnung zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
sowie einige vorteilhafte Ergänzungen
der beiden zur sehr schnellen Ermittlung der geometrischen Daten
einer abgetasteten Objektoberfläche vorzuschlagen.
Eine derartige Messung eines geometrischen Profils kann bekanntlich
mit Triangulationsmeßverfahren
erfolgen, jedoch sind die Nachteile von solchen Verfahren im Vergleich
zur vorliegenden Erfindung so groß, daß sie erst gar nicht näher zitiert werden.
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Ferner
sind aus dem Stand der Technik sogenannte AutoFokus-Meßvorrichtungen
bekannt, womit eine Punkt-Messung durchgeführt werden kann, so daß durch
einen seitlichen translatorischen Versatz der Vorrichtung auch Objektprofile
ermittelt werden können.
Bei diesen konfokal arbeitenden Vorrichtungen wird üblicherweise
kollimiertes Laserlicht über
eine Linse auf die zu messende Oberfläche fokussiert, wobei die Fokussierlinse
entlang der optischen Achse der Meßvorrichtung schnell oszillierend bewegt
wird und zur Ermittlung des Objektabstandes das Maximum des von
der Objektoberfläche
reflektierten Lichtes ermittelt wird.
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Das
beschriebene Verfahren ist zwar sehr präzise, zeigt aber große Nachteile
im Bezug auf die Meßgeschwindigkeit
und Größe des Meßbereiches in
axialer Richtung. Dies liegt daran, daß die Beschleunigung und das
Abbremsen der Masse der Fokussierlinse nicht beliebig schnell erfolgen
kann.
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Um
die Messung jedoch möglichst
schnell durchzuführen,
ist die Amplitude der oszillierenden Bewegung der Fokussierlinse
sehr klein und entspricht damit dem Meßbereich der Meßvorrichtung, d.h.
um eine stark profilierte Objektfläche zu vermessen, muß die beschriebene
bekannte Vorrichtung sowohl lateral, als auch vertikal mit einem übergeordneten
Bewegungssystem positioniert werden.
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Solche
Vorrichtungen errechen beispielsweise Schwingungsfrequenzen der
Fokussierlinse im Bereich von 100 Hz. Bei höheren Frequenzen nimmt die
mechanische Belastung der Vorrichtung und der Linse zu, so daß Verzerrungen
und Verfälschungen der
Meßwerte
entstehen.
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Im
allgemeinen sind im Bild einer konventionellen optischen Abbildung
auch Objektteile sichtbar, die außerhalb der Fokusebene des
Abbildungssystems liegen, d.h. der Betrachter sieht also die zweidimensionale
Projektion einer dreidimensionalen Verteilung von Licht aus dem
Objektbereich. In der konfokalen Abbildung (z.B. Mi kroskopie) wird
ein Lichtpunkt auf das Objekt abgebildet und dort gestreut und/oder
reflektiert.
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Anschließend wird
das Streulicht auf ein Pinhole abgebildet, dessen Abbild in der
Fokusebene am Objekt genau auf dem Abbild des Lichtpunkts liegt.
Daher wird Streulicht, das nicht von der Fokusebene ausgeht, unscharf
auf das Pinhole abgebildet und dort zu einem großen Teil weggefiltert. Der
Lichtdetektor hinter dem Pinhole „sieht" also nur Streulicht aus der Fokusebene.
Um dieses punktförmige
Abbildungsverfahren zur Messung von zwei- oder dreidimensionalen
Objektprofilen einzusetzen, ist es bekannt, das Objekt relativ zum
gemeinsamen Bildpunkt von Lichtpunkt und Pinhole zu verschieben, wie
z.B. in Patent Nr.
US 4,863,252 ,
das die Integration eines konfokalen Sensors in ein Lichtmikroskop beschreibt.
Um die Justage von solchen Vorrichtungen zu vereinfachen und die
Anzahl der Komponenten zu verringern, ist es bekannt, nur ein einziges
Abbildungssystem für
die Strahlengänge
zur Objektbeleuchtung und Streulichtdetektion zu verwenden und ein
Strahiteilerelement zur Aufspaltung der Strahlengänge und
zur räumlichen
Trennung von Lichtpunkt und Pinhole einzusetzen.
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Um
die Scangeschwindigkeit insbesondere bei schweren Meßobjekten
zu steigern, ist es bekannt, einen Teil der Abbildungsoptik beweglich
auszuführen.
In Patent Nr.
US 5,880,465 (Boettner
et al.) wird die Objektivlinse, die das kollimierte Meßlicht auf das
Objekt fokussiert, in allen drei Raumrichtungen verfahren; der Fokuspunkt
vollzieht diese Bewegung nach. Das Patent Nr.
US 4,748,322 (Breitmeier, 5/1988)
sieht eine schnelle geregelte Bewegung der Objektivlinse parallel
zur optischen Achse vor, wobei der Fokuspunkt mit Hilfe eines Autofokussensors nachgeführt wird
und immer auf der Objektoberfläche steht;
in lateraler Richtung wird entweder das Meßobjekt oder der gesamte Meßapparat
verschoben. Im US-Patent Nr. 5035476 (Ellis, 6/90) wird zur lateralen Fokusverschiebung
jeweils ein Ablenkmodul pro Raumrichtung eingesetzt, das die Richtung
des kollimierten Meßstrahls
steuert. Das Ablenkmodul besteht aus einem Kippspiegel mit Motorantrieb,
der den Strahl umlenkt und einer afokalen Optik, die für die zentrierte
Ausleuchtung der Fokussierlinse sorgt.
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Wie
bereits prinzipiell beschrieben, ist die Scanrichtungsumkehr bei
diesen kartesischen Scanverfahren sehr nachteilig.
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Um
die Meßgeschwindigkeit
und den Meßbereich
des erfindungsgemäßen Meßverfahrens
zu erhöhen,
wurde die schnelle translatorische Linsenbewegung in eine äquivalente
Rotationsbewegung eines Spiegels umgewandelt, wodurch das fokus sierte
Licht eine kreisförmige
Trajektorie in einer Ebene vorzugsweise senkrecht auf der optischen
Achse erzeugt. Durch die Drehbewegung wurden die Probleme verbunden
mit der Überwindung
der mechanischen Trägheit
der Linse im Falle der „Autofokus-Messung" und insbesondere
die begrenzte Meßgeschwindigkeit
eliminiert.
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Die
translatorische Bewegung der Fokussierlinse ist weiterhin notwendig,
aber sie ist zur Einstellung des Meßbereiches verwendet und kann
daher verhältnismäßig langsam
erfolgen.
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Der
schnell rotierende Spiegel (vorzugsweise 90°-Umlenkung), (L6 in Bild 1)
ist nach der Fokussierlinse des konfokalen Systems (L2 in Bild 1)
so angeordnet, daß seine
Drehachse vorzugsweise mit der optischen Achse des konfokalen Systems
(Systemachse) übereinstimmt.
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Der
Bahnradius der o.g. Fokustrajektorie wird synchron oder asynchron
zur Spiegeldrehung durch die lineare Verschiebung der Fokussierlinse des
konfokalen Systems in Richtung der Systemachse verändert. Zur
Verdeutlichung: Bei einer konstanten linearen Geschwindigkeit der
Fokussierlinse und gleichzeitiger Drehung des Spiegels mit konstanter Drehzahl
beschreibt der Fokuspunkt des Systems eine spiralförmige Trajektorie.
Für 3D-Messungen wird
die gesamte Meßvorrichtung
vorzugsweise parallel mit der optischen Achse der konfokalen Vorrichtung
verfahren.
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Die
Position des Fokuspunktes im Meßvolumen
wird deshalb zweckmäßigerweise
mit Polarkoordinaten angegeben (Bahnradius r entspricht der axialen
Position z, Drehwinkel des Spiegels phi). Vorteilhaft ist, daß die Koordinaten
des Fokuspunkts direkt aus den Koordinaten der bewegten Scannerelemente
ohne Umrechnung hervorgehen. Eine Kalibrierung der Position, wie
sie bei der Verwendung von Ablenkmodulen wie in US-Patent Nr. 5,035,476
(Ellis, 6/90) notwendig ist, kann entfallen.
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Unter
anderem ist das erfindungsgemäße Verfahren
besonders gut zur Vermessung von zylindrischen Hohlräumen (Bohrungen,
Rohre) geeignet. Dank des konfokalen Meßprinzips können auch innerhalb der Meßebene,
definiert durch die Fokustrajektorie, stark geneigte Objektoberflächen zuverlässig erfaßt werden.
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Ferner
kann durch eine seitliche translatorische Bewegung der gesamten
Meßvorrichtung
in der Meßebene
erfindungsgemäß die Meßauflösung mit Hilfe
der entstehenden „synthetischen
Apertur" wesentlich
erhöht
werden.
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Die
Pupille des Abbildungssystems ist aufgeteilt in einen inneren Bereich,
der den Beleuchtungsstrahlengang enthält, und einen äußeren ringförmigen Bereich
für den Detektorstrahlengang.
Diese Anordnung vermeidet die Nachteile von halbdurchlässigen Strahlteilerplatten
(Lichtverluste durch Strahlaufspaltung, direkte Einkopplung von
Beleuchtungslicht in den Detektor, d.h. Crosstalk).
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Beschreibung
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Das
von einer Laserdiode, einem Faserende oder einer anderen Quelle
ausgehende Meßlicht
wird von einer mit L1 bezeichneten Kollimatoroptik, die nur den
inneren Pupillenbereich ausfüllt,
kollimiert, von einer mit L2 bezeichneten Fokussieroptik, die die gesamte
Pupille ausfüllt,
fokussiert und von dem rotierenden Scanspiegel auf das Meßobjekt
gelenkt. Das am Objekt reflektierte Licht läuft über den Scanspiegel und die
Fokussieroptik zurück
und ist danach kollimiert. Das im äußeren Pupillenbereich laufende Licht
wird an der Kollimatoroptik vorbeigeführt und trifft auf einen Fokushohlspiegel,
mit L3 bezeichnet, der den Strahl auf einen Pinhole-Hohlspiegel
L5 fokussiert, in den ein Pinhole mit ca. 5 bis 20 μm Durchmesser
gebohrt ist. Das durch das Pinhole tretende Licht trifft auf einen
Photodetektor und erzeugt ein zur Lichtleistung proportionales Signal
S1. Vorzugsweise wird an dieser Stelle ein APD (Avalanche-PhotoDetector)
verwendet.
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Das
außerhalb
des Pinholes eintreffende Licht wird in Richtung Fokusoptik L3 reflektiert,
wobei durch den Feldlinsen-Effekt des Pinhole-Hohlspiegels der Öffnungswinkel
des reflektierten Strahls verringert ist. Daher kann dieses Licht
durch ein zentrales Loch im Fokussierhohlspiegel auf einen zweiten Photodetektor
gebracht werden, wo er ein zur auftreffenden Lichtleistung proportionales
Signal S2 erzeugt.
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Mit
Hilfe des Defokus-Signals S2 ist eine Normierung des konfokalen
Signals S1 möglich,
wodurch das Meßverfahren
auch bei großen
Variationen der Objektreflektivität sicher funktioniert. Denn
das Verhältnis
der Signale S1 und S2 bildet ein Maß für die Brennpunktgröße des Rückreflexes
und damit für die
Defokussierung des Objektpunkts. Darüber hinaus entspricht die Summe
der beiden Signale der rückgestreuten
Lichtintensität.
Bei bekannter Beleuchtungsstärke
kann damit die gerichtete Reflektivität der Probenoberfläche bestimmt
werden.
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Auch
das plötzliche
Auftreten der Glanzbedingung (spiegelnde Objektoberfläche steht
senkrecht zum Beleuchtungsstrahl) wird mit Hilfe des Signals S2
problemlos erkannt. Herkömmliche
Detektionsmethoden, die nur S1 auswerten, könnten den plötzlichen
Lichtanstieg fälschlich
darauf zurückführen, daß die Objektoberfläche soeben
die Fokusebene gekreuzt hat.
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Wegen
des Scanwinkels von 360° ist
es möglich,
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht
nur das Meßobjekt,
sondern gleichzeitig auch einen Referenzkörper zu vermessen, dessen Lage und
Form bekannt ist. Dieser Umstand kann in vielfältiger Weise genutzt werden:
- 1. Der Referenzkörper, vorzugsweise als Hohlzylinder
ausgeführt,
erlaubt die Absolutbestimmung des Bahnradius.
- 2. Drehwinkel phi und axiale Position können durch auf den Referenzkörper aufgebrachte
Rastermarken relativ oder absolut bestimmt werden. Damit ist eine
Regelung der Scan-Antriebe (Drehzahl bzw. Vorschub) möglich.
- 3. Periodische Störungen
der Fokusposition (durch Rattern, Vibrationen, usw.) können in
Stärke
und Richtung bestimmt und bei der Meßauswertung herausgerechnet
werden.
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Für die meisten
bekannten Applikationen werden jedoch keine 360° Meßwinkelbereiche benötigt, so
daß erfindungsgemäß ein Teil
des Winkelbereiches mit einer geometrisch bekannten starren Haube
abgedeckt wird. In diesem Bereich (vorzugsweise ca. 50% von 360°) wird die
Meßeinrichtung und
der Verstärkungsfaktor
der APD kalibriert. Damit werden die 360° in einen Meßwinkel (vorzugsweise 200°) und einen
Kalibrierwinkel (360 – 200
= 160°) geteilt.
Außerdem
ist die technisch realisierbare maximale Drehzahl des Scannerspiegels
so groß (ca. 24.000,
-Umdrehungen/min), daß die Übertragung der
Meßdaten
in einen übergeordneten
Rechner in Echtzeit schwierig wird und erfindungsgemäß während der
Kalibrierungsphase erfolgen kann. Die dabei erzielte Auflösung von
ca. 2 μm
in einem z-Meßbereich
von ca. 60 mm zeigt, wie vorteilhaft das hier vorgeschlagene Meßverfahren
ist.
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Da
das verwendete Pinhole nicht beliebig klein gemacht werden kann,
wird vom Detektor 1 noch etwas Licht von außerhalb der Fokustrajektorie „gesehen". Dies kann in Verbindung
mit der monotonen linearen Bewegung der Fokussierlinse in z-Richtung
erfindungsgemäß korrekt
interpretiert werden, so daß eine
gewisse Tiefenschärfe
der Messung auch im Stillstand der linearen Achse angegeben und ausgewertet
werden kann. Das führt
dazu, daß erfindungsgemäß die Linearbewegung
der Fokussierlinse schrittweise erfolgen kann.
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Um
das Pinhole möglichst
klein zu halten, wurde der Detektor 1, wie oben beschrieben, als
APD ausgelegt. Jedoch auch das Signal S1 der Avalanche-Photodiode
muß möglichst
hoch verstärkt
werden. Erfahrungsgemäß erzeugt
eine APD bei höchster
Verstärkung
ein deutliches Rauschsignal. Die mittlere Amplitude des Rauschsignals
ist gut mit dem Verstärkungsfaktor
korreliert, so daß die
Rauschsignalamplitude erfindungsgemäß zur Regelung und Kalibrierung
des Verstärkungsfaktors
vorteilhafterweise herangezogen werden kann. Die Kalibrierung der
Verstärkung
der APD erfolgt erfindungsgemäß während der
Scanspiegel L6 den Strahl auf die Kalibrierhaube im Kalibrierwinkelbereich
umlenkt. Während
der Meßphase
(Strahl im Meßwinkelbereich
umgelenkt) wird das Signal S2 (Glanzsignal) erfindungsgemäß gemessen
und bei Bedarf zur Korrektur des APD-Verstärkungfaktors verwendet. Dies
verhindert u.a., daß Meßsignale
falsch interpretiert werden. Bild 2 zeigt einen prinzipiellen Signalverlauf
von S1 und von S2 beim Scannen einer schrägen Objektoberfläche. Die
reellen Kurven sind asymmetrisch, da die Tiefenschärfe für kleinere
und größere Abstände als die
Brennweite unterschiedlich ist. Die Amplitude des Signals S2 im
Maximum von S1 beträgt
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
0V, falls kein störender
direkter Rückreflex
von der Objektoberfläche
entsteht. Größere Werte
sind ein Maß für den Rückreflex und
werden erfindungsgemäß zur Änderung
der APD-Verstärkung und
der korrekten Interpretation der Meßergebnisse verwendet. Zur
Verbesserung der Meßsicherheit
und/oder Glättung
der Meßwerte können erfindungsgemäß einzelne
Meßwerte
beim selben Scanwinkel über
zwei oder mehrere Umdrehungen gemittelt werden.
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Ferner
ist der Einbau einer Matrix-Kamera in den Strahlengang der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vorgesehen, um den praktischen Einsatz der Vorrichtung zu verbessern,
wobei die Kamera stets erfindungsgemäß an einer bestimmten vorwählbaren Winkelposition
des Scannerspiegels getriggert wird, um ein stehendes Bild zu erhalten
(ohne Abbildung). Da die Scannergeschwindigkeit viel größer ist
als die Bildwiederholfrequenz der Matrix-Kamera, erfolgt der Triggerzeitpunkt
der Kamera jeweils nach einer einstellbaren Anzahl von Scannerumdrehungen.
Vorzugsweise wird die Kamera in der Mitten-Position des Meßwinkelbereiches
getriggert. Ein vorteilhafter Platz für den Einbau der Kamera ist
hinter dem Scannerspiegel, so daß erfindungsgemäß die spiegelnde Rückseite
des Scannerspiegels zur Umlenkung des Kamerastrahlenganges verwendet
werden kann. Diese Einbaulage hat jedoch den Nachteil, daß das Bild
ohne den Auftreffpunkt des Meßstrahles
erfolgt. Alternativ kann die Kamera zwischen der Linse L1 und L2 über einen
Strahlteiler eingekoppelt werden.
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Ein
wichtiges konstruktives Detail wurde bei der Entwicklung der vorliegenden
Vorrichtung ebenfalls erfindungsgemäß vorteilhaft gelöst, nämlich das Auswuchten
des elliptischen Scannerspiegels, um die hohen erforderlichen Drehzahlen
fahren zu können.
Dabei wurde ein ebenfalls elliptischer Ring aus Stahl konstruiert
und so mit dem Scannerspiegel starr beidseitig im Endbereich der
kurzen Achse der Ellipse verbunden, daß der Ring den gleichen Winkel zur
optischen Achse nur mit umgekehrtem Vorzeichen im zusammengebauten
Zustand bildet.
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Besonders
voreilhaft ist ferner die Verwendung einer fasergekoppelten Weißlichtquelle
als Lichtquelle, denn dadurch und in Verbindung mit einer chromatisch
nicht korrigierten Linse L2 kann die Meßgenauigkeit in einem verhältnismäßig großen Meßbereich
um die jeweilige Fokuslage erhöht
werden. Dabei wird die Fokussierlinse der beanspruchten Vorrichtung
mit einem möglichst
großen
und linear verlaufenden chromatischen Fehler ausgelegt, ohne dabei
den Öffnungsfehler
zu groß werden
zu lassen, so daß die
Brennpunkte von unterschiedlichen Wellenlängen, die gleichzeitig auf
das zu messende Objekt projiziert werden, in unterschiedlichen Entfernungen
liegen.
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Erfindungsgemäß wird dann
die o.g. Rückreflex-Meßvorrichtung
mit einer spektralen Trenn- und Analysevorrichtung ergänzt, die
in der Lage ist, die Wellenlänge
und die Intensität
des Rückreflexes
kontinuierlich zu erfassen (s. Bild 3). Für einfache Aufgaben reichen
zwei oder drei diskrete Wellenlängen
zur Ermittlung eines groben geometrischen Höhenprofils aus dem Fokus der
beanspruchten Vorrichtung aus. Für
komplexe Aufgaben kann weißes
Licht einer Lampe (1) (Bild 3) verwendet werden, wobei
die chromatisch nicht korrigierte Fokussierlinse der beanspruchten
Vorrichtung das vorhandene Spektrum der Weißlichtquelle im Bereich der
Meßlinie
in spektrale Bestandteile zerlegt, so daß eine in diesem Fokusbereich
liegende Oberfläche
nur die Lichtanteile zurückreflektiert,
die exakt auf die zu messenden Oberfläche fokussiert sind. Demnach
entspricht die Wellenlänge
des Rückreflexes
der Lage der Objektoberfläche
im Fokus, wobei der Rückreflex
auf demselben optischen Weg in die Faser (2) gelangt, um
dann über den
Verzweiger (3) im Spektrumanalysator (4) erfaßt zu werden,
so daß in
Verbindung mit der Scannerbewegung die gesamte Profilform der Objektoberfläche im Fokus
ohne Nachstellen der linearen Achse gemessen wird. Eine entsprechende
Vorrichtung kann auch an anderen Stellen im Strahlengang des Scanners
in die optische Achse integriert werden (o. weitere Angaben). Auf
dieser Art und Weise kann bei einer Brennweite der Fokussierlinse
von ca. 100 mm der chromatisch aufgelöste Meßbereich im Fokus ca. 5 mm
betragen. Erfahrungsgemäß beträgt dabei
die erreichbare Auflösung
ca. 1:30.000 vom Meßbereich. Das
Meßprinzip
ist linear skalierbar.
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Erfindungsgemäß kann der
lineare Antrieb und der Scannerspiegel auch im Zusammenspiel gezielt
positioniert werden, um bestimmte bekannte zu messende Punkte eines
Objektes im Rahmen eines QS-Prüfplans
(Qualitätssicherung)
anzufahren und zu vermessen. Damit können komplexe Maßhaltigkeitsprüfaufgaben
sehr schnell und präzise
erfolgen.
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Um
die Meßgeschwindigkeit
zu erhöhen, oder
den Meßwinkelbereich
zu reduzieren, kann der Scannerspiegel erfindungsgemäß mit einem
Polygonspiegelsystem ersetzt werden, dabei kann auch die Scannrichtung
geändert
werden. Eine sehr vorteilhafte Ergänzung ergibt sich aus der Verwendung eines
Polygonspiegelsystems mit den Facetten derart versetzt, daß bei jeder
Facette der Meßstrahl
einen Winkel- oder einen translatorischen Offset in Richtung der
optischen Achse erfährt.
Dadurch beschreibt der Meßstrahl
auf der Objektoberfläche
die Anzahl von parallel liegenden Meßlinien, wie der Polygonscanner
versetzte Facetten aufweist, so daß der Scanner ohne insgesamt
bewegt zu werden, eine 3D-Fläche
abtasten kann.