-
Hintergrund der Erfindung
-
Bereich der Erfindung
-
Auf
dem Gebiet der Interferometrie, speziell zum Messen von hergestellten
Bauteilen, werden von optischen Tastern bzw. Messköpfen Strahlen zum
Abscannen von Oberflächen
von Bauteilen positioniert. Die Taster bzw. Messköpfe führen Messstrahlen
zu Punkten auf den Bauteiloberflächen,
und eine Relativbewegung zwischen den Tastern und den Bauteilen
gestattet das Messen von Bauteiloberflächen.
-
Optische
Taster liefern eine berührungslose Vorrichtung
für eine
Oberflächenform-
und eine geometrische Messung von Testobjekten, speziell von hergestellten
Bauteilen. Typischerweise werden Messstrahlen, welche von optischen
Tastern geführt werden,
von Bauteiloberflächen
zurückreflektiert
und werden zur Analyse durch ein Interferometer rückgeführt. In
der herkömmlichen
Praxis werden optische Taster innerhalb eines Testarmes eines Interferometers
platziert, und die Messstrahlen, welche von dem Testarm rückgeführt werden,
werden mit Referenzstrahlen, die von einem Referenzarm rückgeführt werden,
kombiniert, um deren optische Weglängen zu vergleichen.
-
Durch
Relativbewegung zwischen den optischen Tastern und den Testobjekten
wird der Messstrahl über
die Oberflächen der
Testobjekte geführt, um
Information über
unterschiedliche Punkte auf den Oberflächen zu erhalten. Die Relativbewegung,
welche eine Rotation oder Translation beinhalten kann, verläuft auf
Pfaden bzw. Wegen, welche parallel zu den Oberflächen sind, so dass Veränderungen
in den Längendifferenzen
zwischen den Mess- und Referenzstrahlen als Abweichungen von der
erwarteten Form der Bauteiloberflächen interpretiert werden können.
-
Zum
Messen drehender Oberflächen
(d.h. Oberflächen
der Drehung) kann der optische Taster umgesetzt werden, und das
Testobjekt kann gedreht werden. Der Messstrahl des optischen Tasters
wird auf die Testoberfläche
bei einem gegebenen Radius fokussiert, mit Bezug auf das Zentrum
der Drehung des Testobjektes. Durch die Drehung des Testobjektes
ist der Messstrahl in der Lage, eine Umfangslinie des Testobjektes
abzutasten. Darauf folgende Translationen des optischen Tasters
in einer axialen Ebene der Rotation des Testobjekts gestatten es,
dass der Rest der Drehoberfläche
abgescant bzw. abgerastert wird.
-
Das
Messen von zusammengesetzten Oberflächen von Testobjekten stellt
spezielle Herausforderungen dar, speziell wenn die Messungen für das Ableiten
relativer Information zwischen den zusammengesetzten Oberflächen dienenen
sollen. Z.B. können
zusammengesetzte Drehoberflächen
der Testobjekte zum Zwecke der Konzentrizität und der Abweichung davon
verglichen werden. Ein optischer Taster, welcher für diese
Zwecke effektiv ist, ist in dem damit zusammenhängenden US-Patent Nr. 10/277,798
veröffentlicht,
mit dem Titel "Two-wavelength
Confocal Interferometer for Measuring Multiple Surfaces", auf das hiermit
Bezug genommen wird.
-
Der
veröffentlichte
optische Taster teilt einen Messstrahl in zwei Messstrahlanteile
auf, welche von dem Taster zu verschiedenen Punkten des Fokus über unterschiedliche
Neigungswinkel senkrecht zu zwei zusammengesetzten Oberflächen eines
Testobjektes geführt
werden. Beide Strahlteile werden durch die gleichen Fokussieroptiken
fokussiert, bevor sie aufgeteilt werden. Jedoch reflektiert ein
Strahlteiler einen der konvergierenden Strahlteile in eine erste Richtung
von dem Taster. Ein Prisma lenkt den verbleibenden konvergierenden
Strahlteil in eine zweite Richtung von dem Taster ab. Die Tastergeometrie und
der Abtastpfad werden so gewählt,
dass nur ein Strahl auf die zu messende Oberfläche fokussiert wird. Eine konfokale
Abbildung stellt dann sicher, dass das Signal nur von diesem Strahl
erhalten wird.
-
Sowohl
die relative Orientierung als auch die Anzahl der zusammengesetzten
Oberflächen,
welche ein Messen erfordern, können
innerhalb der Testobjekte variieren. Das Konstruieren optischer
Taster, welche jeweils für
eine derartige Situation einzigartig sind, ist teuer und erfordert
das wiederholte Montieren und das wiederholte Kalibrieren der Taster,
um die unterschiedlich ausgerichteten zusammengesetzten Oberflächen zu
messen.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Unsere
Erfindung ist durch einen neuen Taster für das Messen von zusammengesetzten
Oberflächen
von Testobjekten durch das Messen der optischen Interferenz gekennzeichnet.
Eine Vielzahl von Strahlen wird von dem Taster unter unterschiedlichen Winkeln
zum Messen der zusammengesetzten Oberflächen geführt, welche zu dem Taster verschieden geneigt
sind. Andere oder zusätzliche
Oberflächen können gemessen
werden, indem einer oder mehrere der Strahlen unter unterschiedlichen
Winkeln von dem Taster geführt
werden. Die Erfindung wendet die Sicherheit des berührungslosen
Messens und die Genauigkeit der interferometrischen Messung an, während zusätzliche
Flexi bilität
zum Messen anderer oder zusätzlicher
Oberflächen
mit dem gleichen Taster beigesteuert wird.
-
Ein
Beispiel unseres Vielstrahltasters für interferometrisches Messen
von zusammengesetzten Oberflächen
eines Testobjektes beinhaltet einen Tastkörper, welcher eine Referenzachse
besitzt. Ein Strahlteiler teilt einen Strahl in einen ersten und
einen zweiten Messstrahl, welche sich innerhalb des Tastkörpers ausbreiten.
Eine erste Ablenkvorrichtung führt
den ersten Messstrahl von dem Tastkörper unter einem gegebenen
Winkel bezüglich
der Referenzachse zum Messen einer der zusammengesetzten Oberflächen. Eine
zweite Ablenkvorrichtung führt den
zweiten Messstrahl von dem Tastkörper
unter einem aus einer Vielzahl von variablen Winkeln bezüglich der
Referenzachse zum Messen einer anderen der zusammengesetzten Oberflächen. Eine
Strahljustiervorrichtung, welche mit der zweiten Ablenkvorrichtung
verbunden ist, ändert
den variablen Winkel zwischen (a) einem ersten variablen Winkel,
bei welchem der zweite Messstrahl von dem Tastkörper zum Messen einer zweiten
der zusammengesetzten Oberflächen
geführt
wird, und (b) einem zweiten variablen Winkel, bei welchem der zweite
Messstrahl von dem Tastkörper
zum Messen einer dritten der zusammengesetzten Oberflächen geführt wird.
-
Die
Strahljustiervorrichtung beinhaltet vorzugsweise einen Indexierungsmechanismus
zum Ändern
der variablen Winkel. Z.B. kann der Indexierungsmechanismus so angeordnet
sein, dass er intermittierend die zweite Ablenkvorrichtung zwischen variablen
Winkeln durch ein diskretes Inkrement indexiert oder dass er kontinuierlich
die zweite Ablenkvorrichtung zwischen variablen Winkeln über ein Kontinuum
von Inkrementen indexiert.
-
Die
zweite Ablenkvorrichtung beinhaltet vorzugsweise einen Ablenkkörper, welcher
um eine Indexierachse drehbar ist, zum aufeinander folgenden Ablenken
des zweiten Messstrahls über
den ersten und zweiten veränderlichen
Winkel. Die Indexierachse kann sich in verschiedene Richtungen erstrecken, ist
jedoch vorzugsweise entweder parallel oder senkrecht zur Referenzachse
des Tasters. In letzterem Fall ist der variable Winkel vorzugsweise
innerhalb einer axialen Ebene justierbar, welche die Referenzachse
beinhaltet.
-
Die
zweite Ablenkvorrichtung beinhaltet vorzugsweise eine oder mehrere
reflektierende Facetten zum Reflektieren des zweiten Messstrahls über veränderbare
Winkel. Z.B. kann eine erste Facette zum Reflektieren des zweiten
Messstrahls über
den ersten veränderlichen
Winkel angeordnet sein, und eine zweite Facette kann zum Reflektieren
des zweiten Messstrahls über
den zweiten veränderlichen Winkel
angeordnet sein. Die Strahljustiervorrichtung bewegt vorzugsweise
den Justierkörper
zwischen aufeinander folgenden Positionen, bei welchen der zweite
Messstrahl von der ersten und zweiten reflektierenden Facette reflektiert
wird. Es können
zusätzliche
reflektierende Facetten benutzt werden, um den zweiten Messstrahl über andere
veränderliche
Winkel zu reflektieren, und dann kann die Strahljustiervorrichtung
benutzt werden, um den Justierkörper über andere
aufeinander folgende Positionen zu bewegen, bei welchen der zweite
Messstrahl von den zusätzlichen
reflektierenden Facetten reflektiert wird.
-
Der
Taster beinhaltet bevorzugt eine Fokussieroptik, welche mit den
ersten und zweiten Messstrahlen zum Fokussieren der ersten und zweiten Strahlen
auf die zusammengesetzten Oberflächen des
Testobjekts fest verbunden ist. Eine gewöhnliche Fokussieroptik kann
zum Fokussieren beider Messstrahlen benutzt werden, oder getrennte
Fokussieroptiken können
zum individuellen Fokussieren des ersten und zweiten Messstrahls
benutzt werden.
-
Ein
anderes Beispiel unseres neuen Vielstrahltasters kann beschrieben
werden, welcher einen Tastkörper
mit getrennten optischen Pfaden bzw. Strahlengängen zum Lenken der ersten
und zweiten Messstrahlen besitzt. Fokussieroptiken fokussieren getrennt
den ersten und zweiten Messstrahl jenseits des Messkörpers, um
unterschiedliche zusammengesetzte Oberflächen des Testobjektes zu messen. Eine
justierbare Strahlablenkvorrichtung neigt den zweiten Messstrahl
bezüglich
dem ersten Messstrahl über
einen Bereich von Winkeln zum Messen von mehr als einer der zusammengesetzten
Oberflächen mit
dem zweiten Messstrahl.
-
Die
justierbare Strahlablenkvorrichtung beinhaltet vorzugsweise einen
Ablenkkörper,
welcher beweglich zwischen aufeinander folgenden Positionen ist,
welcher den zweiten Messstrahl über
unterschiedliche Winkel bezüglich
dem ersten Messstrahl neigt. Der Ablenkkörper stützt vorzugsweise eine Vielzahl
von reflektierenden Facetten, welche zueinander geneigt sind, wobei
jede der Facetten das Reflektieren des zweiten Messstrahls unter
einem der unterschiedlichen Winkel liefert.
-
Als
Teil eines Indexiermechanismus wird der Ablenkkörper vorzugsweise in einer
kinematischen Befestigung gestützt,
um eine Bewegung des Ablenkkörpers
in drei orthogonalen Richtungen der Rotation und drei orthogonalen
Richtungen der Translation zu erzwingen. Jedoch eine der erzwungenen
Bewegungen ist aufgehängt,
damit der Ablenkkörper zwischen
zwei Positionen indexiert werden kann, bei welchen unterschiedliche
reflektierende Facetten den zweiten Messstrahl reflektieren. Der
Ablenkkörper
kann eine Scheibe sein, welche um eine Indexierachse drehbar ist,
und die Facetten können
als reflektierende Oberfläche
der Scheibe gebildet sein.
-
Die
ersten und zweiten Messstrahlen werden durch den Tastkörper bezüglich einer
Referenzachse geführt.
Eine fixierte Ablenkvorrichtung neigt vorzugsweise den ersten Messstrahl
bezüglich
der Referenzachse. Wenn dem so ist, kann der erste Messstrahl über einen
festen Winkel in einer axialen Ebene geneigt werden, welche die
Referenzachse beinhaltet, und der zweite Messstrahl kann über den
Bereich der Winkel in der gleichen axialen Ebene geneigt werden.
-
Die
justierbare Strahlablenkvorrichtung beinhaltet vorzugsweise einen
Ablenkkörper,
welcher von dem Tastkörper
entfernbar ist und innerhalb des Tastkörpers in unterschiedlicher
Winkelorientierung ummontierbar ist, um die Neigung des zweiten
Messstrahls über
unterschiedliche Winkel bezüglich
des ersten Messstrahls zu verändern.
Der Ablenkkörper stützt vorzugsweise
eine Vielzahl von reflektierenden Facetten, welche zueinander geneigt
sind, und der Ablenkkörper
ist innerhalb des Tastkörpers
in unterschiedlichen Ausrichtungen ummontierbar, welche unterschiedliche
reflektierende Facetten gegenüber dem
zweiten Messstrahl bieten.
-
Der
Vielstrahltaster ist in erster Linie für das Verwenden in interferometrischen
Messsystemen zum Messen von zusammengesetzten Drehoberflächen eines
Testobjektes vorgesehen. Innerhalb eines Beispiels eines derartigen
Systems dreht eine drehbare Testobjekt-Stützvorrichtung das Testobjekt
um eine Drehachse. Der Vielstrahltaster fokussiert den ersten und
zweiten Messstrahl auf unterschiedliche zusammengesetzte Drehoberflächen des
Testobjektes. Eine Strahlführoptik
innerhalb des Vielstrahltasters neigt den ersten und zweiten Messstrahl
in Bezug auf die Drehachse, um eine erste und zweite der zusammengesetzten
Drehoberflächen
zu messen. Ein Justiermechanismus innerhalb des Vielstrahltasters
verändert
die Neigung des zweiten Messstrahls in Bezug auf die Drehachse,
um eine dritte der zusammengesetzten Drehoberflächen zu messen.
-
Vorzugsweise
fokussiert die Fokussieroptik den ersten Messstrahl auf die erste
zusammengesetzte Drehoberfläche
bei senkrechtem Einfall, und nachfolgend fokussiert der zweite Messstrahl
auf die zweite und dritte zusammengesetzte Drehoberfläche unter
senkrechtem Einfall. Der Justiermechanismus beinhaltet vorzugsweise
einen Indexiermechanismus, um die Neigung des zweiten Messstrahls
bezüglich
der Drehachse zu verändern.
Um einen gewünschten
Bezug zwischen den getrennten Messungen, welche durch den ersten
und zweiten Messstrahl aufgenommen werden, beizubehalten, verändert der
Indexiermechanismus vorzugsweise die Neigung des zweiten Messstrahls
bezüglich
der Drehachse innerhalb einer Ebene, welche die Drehachse beinhaltet.
-
Vorzugweise
wird ein Abtastmechanismus benutzt, um den Vielstrahltaster bezüglich des
Objektes umzusetzen, um Flächen
der zusammengesetzten Testoberflächen
abzuscannen (z.B. durch Abtasten). Z.B. beinhaltet der Scan-Mechanismus
vorzugsweise einen ersten Antrieb zum Relativbewegen des Tasters
parallel zur Drehachse des Testobjektes und einen zweiten Antrieb
zum Relativbewegen des Tasters senkrecht zur Drehachse. Die Relativbewegungen
werden bevorzugt in der gleichen axialen Ebene durchgeführt, in
welcher der erste und zweite Messstrahl zueinander geneigt sind,
was speziell zum Messen von Oberflächen der Drehung nützlich ist.
-
Ein
Prozessor verarbeitet vorzugsweise die Information von dem ersten
Messstrahl über
die erste zusammengesetzte drehende Oberfläche, um eine Bezugsachse des
Testobjektes festzulegen, und bearbeitet die Information von dem
zweiten Messstrahl, um eine Information als Referenz über die
zweite und dritte zusammengesetzte Drehoberfläche bezüglich der Referenzachse zu
geben. Die Referenzachse kann sich in gewisser Weise etwas von der
Drehachse unterscheiden. Der Prozessor vergleicht die Phaseninformation
zwischen dem ersten und zweiten Messstrahl und einem gewöhnlichen
Referenzstrahl.
-
Im
Allgemeinen wird ein Interferometeraufbau nach dem Michelson- oder
Twyman-Green-Prinzip bevorzugt. Wenn dem so ist, wird ein gewöhnlicher
Ausgangsstrahl in einen Mess- und einen Referenzarm aufgeteilt.
Der Taster ist entlang des Messarmes platziert, und der erste und
zweite Messstrahl sind vorzugsweise senkrecht zu den jeweiligen
zusammengesetzten Oberflächen
ausgerichtet, so dass die Messstrahlen durch die zusammengesetzten
Oberflächen
in sich reflektiert werden. Eine Reflexionsoptik führt den
Referenzstrahl von dem Referenzarm zurück, um ihn mit beiden Messstrahlen
zu rekombinieren.
-
Für uns wird
vorzugsweise der erste und zweite Messstrahl getrennt mit dem Referenzstrahl kombiniert.
Z.B. kann eine erste Messung vorgenommen werden, indem der erste
Messstrahl mit dem Referenzstrahl kombiniert wird, um eine erste
zusammengesetzte Oberfläche
zu messen. Eine zweite und nachfolgende Messungen können vorgenommen werden,
indem der zweite Messstrahl mit dem Referenzstrahl kombiniert wird,
um eine zweite und eine höhere
Anzahl von zusammengesetzten Oberflächen zu messen. Die Messungen
können
durch ein konfokales Abbildungssystem unterschieden werden, in welchem
nur einer oder der andere der zwei Messstrahlen ausreichend auf
die Oberfläche
des Testobjektes fokussiert wird, um effektiv mit dem Referenzstrahl
rekombiniert zu werden.
-
Die
Wahl der Strahlwellenlänge
kann auf einer Anzahl von Faktoren beruhen, wobei die Kosten der
Bauteile und die Reflektivität
und der Zustand der Testoberflächen
beinhaltet sind. Zum Messen rauer Oberflächen oder zur Ausdehnung des
Bereiches der Messung kann der Strahl (d.h. der Mess- und Referenzstrahl)
aus zwei oder mehreren Hauptwellenlängen zusammengesetzt sein,
von denen jede in der Lage ist, ein Interferenz muster zu erzeugen,
jedoch innerhalb des gleichen Interferenzmusters kombinierbar ist
oder durch einen Zusatz getrennter Interferenzmuster, um einzigartige
Messungen über
einen größeren Bereich
von Oberflächenvariation
zu liefern.
-
Kurze Beschreibung
der verschiedenen Zeichnungsansichten
-
1 ist
eine schematische Darstellung eines interferometrischen Messsystems,
welches entsprechend unserer Erfindung zum Messen zusammengesetzter
Oberflächen
eines Testobjekts angeordnet ist.
-
2 ist
eine Zeichnung, welche einen optischen Strahlengang für einen
neuen Vielstrahltaster zeigt, welcher in dem interferometrischen
System benutzt werden kann.
-
3 ist
eine Explosionszeichnung eines beispielhaften Vielstrahltasters,
welcher die Anordnung von Bauteilen innerhalb des Tasters zeigt.
-
4 ist
eine vergrößerte Explosionsansicht des
Vielstrahltasters, welche aufgebrochen ist, um besser die Bauteile
am Boden des Tasters zu zeigen.
-
5 ist
eine perspektivische Explosionsansicht einer Strahlablenkvorrichtung
und einer Indexierstütze
bzw. -säule,
um einen Messstrahl unter vorbeschriebenen Winkeln von dem Vielstrahltaster abzulenken.
-
6 ist
eine Seitenansicht der Strahlablenkvorrichtung und der Indexiersäule.
-
7 ist
eine Zeichnung einer alternativen Strahlablenkvorrichtung, welche
zur Drehung an einer alternativen Indexierachse befestigt ist.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
Ein
beispielhaftes interferometrisches Messsystem 10, wie es
in 1 gezeigt wird, beinhaltet ein Interferometer 12,
welches im Allgemeinen in einer Twyman-Green-Anordnung angeordnet
ist und auf einer Vielfachachsen-Stufenanordnung montiert ist. Ebenso
ist auf der Vielfachachsen-Stufenanordnung 14 als ein Teil
des Interferometers 12 ein Vielstrahltaster 16 montiert,
welcher zum Messen der zusammengesetzten Oberflächen 22, 24, 26 und 28 eines
Testobjekts 20 adaptiert ist. Auf einer drehbaren Spannvorrichtung 32 ist
das Testobjekt 20 montiert. Eine Grundplatte 34 stützt sowohl
die Vielfachachsen-Stufenanordnung 14 als
auch die Drehspannvorrichtung 32, um Relativbewegungen
zwischen dem Vielstrahltaster 16 und dem Testobjekt 20 in
Bezug zu bringen.
-
Die
Vielfachachsen-Stufenanordnung 14 wird vorzugsweise in
zwei orthogonalen Richtungen X und Z über mechanisch gekreuzte Kugellagerstufen 36 und 38 mit
jeweiligen Motoraktuatoren 40 und 42 angetrieben.
Beide der Motoraktuatoren 40 und 42 sind vorzugsweise
bürstenlose,
schlupflose Gleichstrommotoren mit integralen Encodern. Der Vielstrahltaster 16 wird
durch die Vielfachachsen-Stufenanordnung 14 entlang eines
gewünschten Bewegungsprofils
durch eine programmierbare Führung
eines Mikrocomputers 44 bewegt.
-
Der
Vielstrahltaster 16 wird vorzugsweise durch eine kinematische
Klammer mit einer magnetischen Vorlast montiert, welche gestattet,
dass der Taster 16 entfernt und rückeingefügt oder replatziert werden
kann, während
die ursprüngliche
Justierung beibehalten wird. Die drehbare Spannvorrichtung 32, auf
welcher das Testobjekt montiert ist, ist vorzugsweise eine hydraulische
Expansionsspannvorrichtung, welche um eine Achse 52 auf
einer Luftlagerspindel 48 drehbar ist, welche durch ei nen
Direktantrieb bürstenlos über einen
Gleichstrommotor 50 mit einem integralen Hochauflösungs-Encoder
angetrieben wird. Quadratische Signale von dem Spindel-Encoder werden
zur Taktdatenakquisition benutzt. Verbleibende Neigungs- und Dezentralisierungs-Befestigungsfehler
können
durch Software-Analyse von Prüfmessungen
eliminiert werden.
-
Die
Grundplatte 34, welche sowohl die Vielachsen-Stufenanordnung 14 für den Taster 16 als auch
die drehende Spannvorrichtung 32 für das Testobjekt 20 stützt, wird
vorzugsweise aus Granit hergestellt und beinhaltet eine Hebevorrichtung
(nicht gezeigt), auf welcher die Vielachsen-Stufenanordnung 14 befestigt
ist. Die drehbare Spannvorrichtung 32 ist in einer Öffnung auf
der Grundplatte 34 montiert. Die Granitstruktur der Grundplatte 34 ist
in einer Auflage (nicht gezeigt) integriert, welche durch eine pneumatischen
Isolationsrahmen (ebenfalls nicht gezeigt) gestützt wird, um besser gegen externe
Schwingungsquellen geschützt
zu sein. Die Rotationsachse 52 der drehbaren Spannvorrichtung 32 erstreckt
sich vorzugsweise parallel zur Z-Achse der Bewegung der Vielstufenanordnung 14.
-
Innerhalb
des Interferometers 12 liefert ein Distributed Feedback
(DFB)-Festkörperlaser 56 eine kohärente Lichtquelle,
vorzugsweise innerhalb des nahen Infrarot-Wellenlängenbereiches
(z.B. 1550 nm). Natürlich
können
auch andere Laser mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen oder in Kombination
von mehr als einer Primärwellenlänge benutzt werden.
Die Auswahl der optischen Quelle hängt von den Oberflächencharakteristika
(z.B. Rauigkeit und Reflektivität)
des Testobjekts 20, von dem angewandten Interferometertyp,
und von den Kosten, der Zuverlässigkeit
und der Nutzerfreundlichkeit ab.
-
Ein
Lichtstrahl 58, welcher von dem Laser 56 emittiert
wird, wird durch die Linsenanordnung 60 kollimiert und wird
durch einen Strahlteilerwürfel 62 in
einen Messstrahl 64 und einen Referenzstrahl 66 aufgeteilt.
Der Messstrahl 64 läuft über einen
Messarm 68, welcher den Vielstrahltaster 16 beinhaltet,
und der Referenzstrahl 66 läuft über einen Referenzarm 70.
Ein Umlenkspiegel 72 innerhalb des Referenzarmes 70 führt den
Referenzstrahl 66 zu einer reflektierenden Referenzoptik 74.
Obwohl sie so dargestellt wird, als ob sie einen einzelnen, auf
der Achse liegenden Strahl reflektiert, ist die reflektierende Referenzoptik 74 vorzugsweise
so angeordnet, dass sie die Optik des Vielstrahltasters 16 simuliert,
so dass sie entsprechend der optischen Praxis für einen Bereich von Strahlen
passt, welche die optische Achse zwischen dem Messdem und Referenzarm 68 und 70 umgeben.
-
Der
Messstrahl 64 läuft über den
Vielstrahltaster 16, welcher in unterschiedlichen Details
in den 2-4 gezeigt wird. In dem größtenteils
schematischen optischen Aufbau des Vielstrahltasters 16, welcher
in 2 gezeigt wird, wird der Messstrahl 64,
welcher durch drei parallele Strahlen dargestellt wird, um die Fokussierfunktionen
wiederzugeben, in den ersten und zweiten Messstrahl 76 und 78 durch einen
Strahlteilerwürfel 80 aufgeteilt.
Der erste Messstrahl 76 führt direkt durch den Strahlteilerwürfel 80, und
der zweite Messstrahl 78 wird von einer teilweise reflektierenden
Oberfläche 81 des
Strahlteilerwürfels 80 reflektiert.
Vorzugsweise ist der Strahlteilerwürfel 80 zu 50% transmittierend
und zu 50% reflektierend, obwohl andere Aufteilungen möglich sind,
um eine Aufteilung der optischen Leistung zwischen den zwei Messstrahlen 76 und 78 zu
optimieren. Eine Führungsoptik 82,
welche die Form eines Umlenkspiegels oder eines Prismas, wie dargestellt,
annehmen kann, richtet den zweiten Messstrahl 78 wieder
parallel zu dem ersten Messstrahl 76 entlang einer gewöhnlichen
Referenzachse 84 des Vielstrahltasters 16 aus.
-
Eine
erste Strahlablenkvorrichtung 86 richtet den ersten Messstrahl 76 unter
einem festen Winkel "α" bezüglich der
Referenzachse 84 aus (siehe auch 1). Eine
zweite Strahlablenkvorrichtung 88 richtet wieder den zweiten
Messstrahl 78 unter einem variablen Winkel "β" bezüglich
der Referenzachse 84 aus. Eine erste Fokussieroptik 90,
welche auf die erste Strahlablenkvorrichtung 86 folgt,
fokussiert den ersten Messstrahl 76 auf einen Fokuspunkt 92.
Eine zweite Fokussieroptik 94 vor der zweiten Strahlablenkvorrichtung 88 fokussiert
den zweiten Messstrahl 78 auf einen Fokuspunkt 96.
Die beiden Fokussieroptiken 90 und 94 können vor
oder nach den Strahlablenkvorrichtung 86 und 88 platziert
sein, um die Messstrahlen 76 und 78 zu ihren Fokuspunkten 92 und 96 konvergieren
zu lassen, welche vorzugsweise zu ihrer Aufteilung innerhalb des
Strahlteilerblockes 80 optisch gleich weit entfernt sind.
-
Wie
aus den detaillierteren Explosionsansichten der 3 und 4 ersichtlich
ist, beinhaltet der Vielstrahltaster 16 einen Tastkörper 100,
welcher die unterschiedlichen Tastbauteile stützt, welche den Strahlteilerwürfel 80,
die Führungsoptik 82,
die erste und zweite Strahlablenkvorrichtung 86 und 88 und die
erste und zweite Fokussieroptik 90 und 94 beinhalten.
Die erste Strahlablenkvorrichtung 86 wird als ein Prisma
dargestellt, sie kann jedoch auch als ein Umlenkspiegel oder eine
andere Führungsoptik
ausgeführt
sein, welche in der Lage ist, die Strahlrichtung zu verändern. Die
zweite Strahlablenkvorrichtung 88, welche getrennt in den 5 und 6 dargestellt ist,
ist vorzugsweise als eine Facette 104 oder eine andere
reflektierende Oberfläche
auf einem Ablenkkörper 102 gebildet.
Der Ablenkkörper 102,
welcher in Form einer Scheibe dargestellt ist, kann eine einzelne
Facette 104 oder eine Vielzahl von Facetten 104, 106 und 108 stützen, welche
um eine Indexierachse 110 verteilt sind. Jede der Facetten 104, 106 und 108 ist
gegenüber
der Indexierachse 110 über
einen Winkel "θ" um einen unterschiedlichen
Betrag geneigt.
-
Eine
Indexiersäule 112 ist
mit dem Ablenkkörper 102 verbunden,
wie z.B. über
einen Presssitz, und gestattet das Montieren und Remontieren des Ablenkkörpers 102 innerhalb
des Tastkörpers 100 für einen
Satz von vorher festgelegten Positionen. Die dargestellte Säule 112 hat
eine gleichmäßige prismatische
Form mit einer dreieckigen Basis 114 und drei rechtwinkligen
Seiten 116, 118 und 120. Sechs Kontaktpunkte 122, 124, 126, 128, 130 und 132 liefern eine
kinematische Befestigung, um die Indexiersäule 112 innerhalb
des Tastkörpers 100 zu
stützen.
Obwohl viele andere Konfigurationen genutzt werden können, beinhaltet
der dargestellte Tastkörper 100 drei
der Kontaktpunkte 122, 124 und 126, um
eine der rechtwinkligen Seiten 118 der Indexiersäule 112 einzusetzen,
und zwei der Kontaktpunkte 128 und 130, um eine
andere rechtwinklige Seite 116 der Indexiersäule 112 einzusetzen.
Eine Stellschraube 134, welche in einem Block 136 geführt ist,
welcher an dem Tastkörper 100 befestigt
ist, enthält
den letzten Kontaktpunkt 132, um die Triangulationsbasis 114 zu
befestigen.
-
Die
Indexiersäule 112 wird
vorzugsweise aus ferromagnetischem Material hergestellt, und Permanentmagnete 140 und 142 halten
die Indexiersäule 112 innerhalb
des Tastkörpers 100 am
Platz. Der Permanentmagnet 140 ist in dem Tastkörper 100 positioniert,
um die Indexiersäule 112 gegen
die fünf
Kontaktpunkte 122, 124, 126, 128 und 130 zu
ziehen, welche an benachbarten Seiten 116 und 118 der
Indexiersäule
befestigt sind. Der Permanentmagnet 142 ist innerhalb der
Stellschraube 134 platziert, um die dreieckige Basis 114 gegen
die Stellschraube 134 zu drücken. Eine Position der Indexiersäule 112 und der
Ablenkkörper 102 können entlang
der Referenzachse 84 durch Drehen der Stellschraube 134 justiert
werden.
-
Die
sechs Kontaktpunkte 122, 124, 126, 128, 130 und 132,
welche die kinematische Befestigung zusammen mit der In dexiersäule 112 bilden,
fungieren als ein Indexiermechanismus für die zweite Strahlablenkvorrichtung 88.
Die Indexiersäule 112, welche
mit der Indexierachse 110 ausgerichtet ist, kann in einer
der drei Winkelorientierungen innerhalb des Tastkörpers 100 montiert
werden, wobei jede an unterschiedlichen Paaren der benachbarten
Seiten 118 und 120, 120 und 116 oder 116 und 118 mit
den Tastkörperkontaktpunkten 122, 124, 126, 128 und 130 eingreift.
Jede der unterschiedlichen Winkelorientierungen stellt eine der
unterschiedlichen drei Facetten 104, 106 oder 108 gegenüber dem
zweiten Messstrahl 78 dar, um den zweiten Messstrahl 78 über einen
unterschiedlichen variablen Winkel "β" abzulenken.
-
Zum
Indexieren der zweiten Strahlablenkvorrichtung 88 wird
die Indexiersäule 112 zusammen
mit dem Ablenkkörper 102 aus
dem Tastkörper 100 entlang
der allgemeinen Richtung der Referenzachse 84 und der Indexierachse 110 gezogen.
Ein Zug, welcher ausreichend groß ist, um den Zug der Permanentmagneten 140 und 142 zu überwinden,
ist erforderlich. Wenn diese nicht mehr in Eingriff sind, wird die
Indexiersäule 112 und
der Ablenkkörper 102 um die
Indexierachse 110 über
ein Inkrement von 120 Grad gedreht, und die Indexiersäule 112 wird
wieder in den Tastkörper 100 eingefügt. In der
winkelmäßig indexierten
Position, welche durch die Magnete 140 und 142 wiedererlangt
wird, fängt
eine andere der reflektierenden Facetten 106 oder 108 den
zweiten Messstrahl 78 ab, um den zweiten Messstrahl 78 um einen
unterschiedlichen Winkel "β" zu neigen. Irgendeine
der drei reflektierenden Facetten 104, 106 oder 108 kann
den zweiten Messstrahl 78 auf diese Weise abfangen.
-
Um
die zusammengesetzte Testoberfläche 22 des
Testobjekts 20 zu messen, wird der erste Messstrahl 76 durch
die erste Strahlablenkvorrichtung 86 über den festen Winkel "α" (z.B. 90 Grad) bezüglich der Referenzachse 84 bei
einer Orien tierung, welche senkrecht zur zusammengesetzten Testoberfläche 22 ist,
reflektiert. Der reflektierte Strahl konvergiert auf den Fokuspunkt 92.
Die Vielfachachsen-Stufenanordnung 14 bewegt zuerst den
Fokuspunkt 92 relativ zu einer Position auf der zusammengesetzten Oberfläche 22 unter
senkrechtem Einfall, so dass der einfallende Strahl von der zusammengesetzten Oberfläche 22 in
sich reflektiert wird. Eine Kombination aus der Drehung des Testobjektes
durch die drehbare Spannvorrichtung 32 und die Translation des
Tasters durch die Vielachsen-Stufenanordnung 14 liefert
ein Abscannen einer Fläche
der Testoberfläche 22.
Inzwischen wird der Fokuspunkt 96 des zweiten Messstrahls 78 weiterhin
von der Berührung
mit den verbleibenden zusammengesetzten Oberflächen 24, 26 und 28 ferngehalten.
-
Die
Retroreflexion von der zusammengesetzten Testoberfläche 22 richtet
den ersten Messstrahl 76 über den Vielstrahltaster 17 des
Messarmes 68 auf den Strahlteiler 62 zurück, wo der
erste Messstrahl 76 mit dem Referenzstrahl 66,
welcher von dem Referenzarm 70 zurückkommt, rekombiniert wird.
Ein konfokales optisches System, welches eine Abbildungsoptik 146 beinhaltet,
bildet den kombinierten Messstrahl 76 und den Referenzstrahl 66 auf
einen Detektor 150 ab, dessen begrenzte aktive Fläche als
eine Aperturblende fungiert. Ein Fokuspunkt der abbildenden Optik 146 auf
dem Detektor 150 ist vorzugsweise zu beiden Brennpunkten 92 und 96 konjugiert.
Jedoch blockiert die Aperturblende 148 jegliches Licht
von dem zweiten Messstrahl 78, welches nicht von dem Fokuspunkt 92 retroreflektiert
wird. Entsprechend wird ein Interferenzsignal, welches aus dem Detektor 150 extrahiert
wird, zwischen dem Referenzstrahl 66 und dem ersten Messstrahl 76 gebildet,
welcher auf die zusammengesetzte Oberfläche 22 fokussiert
ist. Alternativ könnte
eine separate Aperturblende in Verbindung mit einer geeignet positionierten
Abbildungsoptik platziert werden, so dass der konjugierte Punkt
der Fokuspunkte 92 und 96 auf der Aperturblende
platziert ist.
-
Die
zusammengesetzte Oberfläche 24 wird in ähnlicher
weise durch Positionieren des Fokuspunktes 96 des zweiten
Messstrahles 78 auf der zusammengesetzten Oberfläche 24 gemessen.
Die zweite Strahlablenkvorrichtung 88 richtet den zweiten
Messstrahl 78 unter einem variablen Winkel "β" senkrecht auf die zusammengesetzte
Oberfläche 24 aus.
Die Vielfachachsenstufe 14 setzt den Fokuspunkt 96 in
die orthogonale X- und Z-Richtung
um, während
die drehbare Spannvorrichtung 32 das Testobjekt 20 um
die Rotationsachse 52 dreht, um ein Feld der zusammengesetzten
Oberfläche 24 abzuscannen.
In der Zwischenzeit ist der Fokuspunkt 92 des ersten Messstrahles 76 auf
keiner der zusammengesetzten Oberflächen 22, 24, 26 oder 28 platziert.
Ein Interferenzsignal, welches von dem Detektor 150 zwischen
dem Referenzstrahl 66 und dem zweiten Messstrahl 78 empfangen
wird, beschreibt die zusammengesetzte Oberfläche 24.
-
Die
Messungen der beiden zusammengesetzten Oberflächen 22 und 24 können miteinander in
Bezug gebracht werden, indem die zwei Messstrahlen 76 und 78 zueinander
bezogen werden. Vorzugsweise werden die ersten und zweiten Messstrahlen 76 und 78 beide
innerhalb einer gewöhnlichen
axialen Ebene der Referenzachse 84 geneigt, um Drehpositionen
der zwei Messstrahlen 76 und 78 über die
Referenzachse 84 in Bezug zu bringen. Eine Bezugsachse
des Testobjektes 20 kann durch die Messungen des ersten
Messstrahles 76 definiert werden, um geometrische Charakteristika
(z.B. Abweichung und Konzentrizität) der zusammengesetzten Oberfläche 22 unabhängig von
der Drehachse 52 zu beschreiben. Durch das Beziehen des
zweiten Messstrahles 78 auf den ersten Messstrahl 76,
wie vorgeschlagen, können
die geometrischen Charakteristika der zusammengesetzten Oberfläche 24 bezüglich der
gleichen Bezugsachse beschrieben werden.
-
Der
zweite Messstrahl 78 kann auch zum Messen der verbleibenden
zusammengesetzten Oberflächen 26 und 28 benutzt
werden. Unterschiedliche variable Neigungswinkel "β" sind für diesen Zweck erforderlich.
Dies kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Jedoch ist, wie
dies speziell durch die 3 und 4 dargestellt
wird, die zweite Strahlablenkvorrichtung 88 dafür indexierbar,
den zweiten Messstrahl 78 mit einer anderen reflektierenden
Facette 106 oder 108 zu unterbrechen, welche um
einen unterschiedlichen Betrag bezüglich der Indexierachse 110 geneigt
ist. Der Strahlablenkkörper 102 wird
zusammen mit der Indexiersäule 112 von dem
Tastkörper 100 zurückgezogen,
um 120 Grad um die Indexierachse gedreht und in den Taster 100 in
einer Winkelposition wiedereingesetzt, welche eine der anderen Facetten 106 oder 108 für den zweiten
Messstrahl 78 darstellt.
-
Die
andere Facette 106 oder 108 neigt den zweiten
Messstrahl 78 senkrecht zu einer der verbleibenden zusammengesetzten
Oberflächen 26 oder 28.
Vorzugsweise ist der zweite Messstrahl 78 durch die Facette 106 oder 108 in
der gleichen axialen Ebene geneigt, wie der Messstrahl 78 durch
die Facette 104 geneigt wurde. Jeglicher Unterschied zwischen der
Neigung der Ebenen kann für
eine Anfangskalibrierung des Tasters 16 aufgezeichnet werden.
Jedoch behält
der Indexiermechanismus, welcher die Indexiersäule 112 und die Kontaktpunkte 122, 124, 126, 128, 130 und 132 beinhaltet,
ausreichend Genauigkeit, um wiederholbare Messungen von jedem der
drei Indexierpositionen zu liefern.
-
Obwohl
es als indexierbar zwischen den drei Indexierpositionen gezeigt
wurde, kann die zweite Strahlablenkvorrichtung mit mehr oder weniger
Indexierpositionen angeordnet werden. Z.B. können fünf reflektierende Facetten
auf dem Ablenkkörper
gebildet werden, wobei die Indexiersäule als ein gleichwinkliges
Prisma mit einer pentagonalen Basis gebildet ist. Die Kontaktpunkte
des Tastkörpers 100 können schließlich angeordnet
werden, um die Veränderung
aufzunehmen. Die zweite Strahlablenkvorrichtung kann auch mit einer
einzelnen reflektierenden Facette hergestellt werden, und unterschiedliche zweite
Strahlablenkvorrichtungen können
substituiert werden, um den Neigungswinkel "β" zu variieren. Natürlich können solche
Substitutionen auch zwischen den zweiten Strahlablenkvorrichtungen
mit mehr als einer reflektierenden Facette durchgeführt werden.
-
In
der Ausführungsform
der 3-6 ist die Indexierachse 110 parallel
zu der Referenzachse 84 des Tasters 16 ausgerichtet.
Jedoch kann eine alternative Indexierachse 160 unterschiedlich
ausgerichtet sein, wie z.B. senkrecht zur Referenzachse 84,
wie dies schematisch in 7 gezeigt ist. Die Indexierachse 160 der 7 erstreckt
sich auch senkrecht zu einer axialen Ebene der Referenzachse 84, welche
den Fokuspunkt 92 des ersten Messstrahls 76 beinhaltet.
-
Eine
einzelne reflektierende Facette 164 ist auf einem Ablenkkörper 162 gebildet,
welcher als ein Halbzylinder geformt ist, um eine kontinuierliche
Indexierfunktion zu liefern. Der Ablenkkörper 162 ist um die
Indexierachse 160 auf einem Satz von Kontaktpunkten 166 angeordnet,
welcher mit Permanentmagneten, Elektromagneten oder anderen Sicherungsvorrichtungen
zum Halten des Ablenkungskörpers 162 an
seinem Ort versehen sein kann. Ein Aktuator 168, wie z.B.
ein kleiner Servo-Antrieb oder ein piezoelektrischer Stapel, kann
das Drehen des Ablenkkörpers 162 liefern,
um den Neigungswinkel "β" bezüglich der
Referenzachse zu verändern.
In Richtung der Drehung um die Indexierachse 160 verbleibt der
zweite Messstrahl 178 nominal in der gleichen axialen Ebene
wie der erste Messstrahl 176, was Kalibrierungen zwischen
den Strahlen 76 und 78 vereinfachen kann. Da die
reflektierende Facette 164 bezüglich der Indexierachse 160 zentriert
ist, bleibt der zweite Messstrahl 78 auf der reflektierenden
Facette 164 zentriert, trotz der Änderungen im Neigungswinkel "β".
-
Die
indexierte Drehung des Ablenkkörpers 162 kann
automatisch stattfinden, wie z.B. durch den dargestellten Motor 168,
oder manuell, wie z.B. durch eine Stellschraube. Zusätzlich ist
der Ablenkkörper 162 indexierbar,
entweder über
einen kontinuierlichen Bereich von Neigungswinkeln "β" oder über einen Satz von inkrementalen
veränderlichen
Neigungswinkeln "β".
-
In
den bisher beschriebenen Ausführungsformen
ist gerade der zweite Messstrahl 78 im Winkel innerhalb
des Tasters justierbar. Obwohl wir es vorziehen, eine feste Referenz
zu liefern, können ähnliche
Justierungen an dem ersten Messstrahl vorgenommen werden. Es können auch
mehr als zwei Messstrahlen entweder als feste oder als winkelmäßig justierbare
Strahlen angeordnet werden. Die Relativbewegungen zwischen dem Taster 16 und
dem Testobjekt 20 können
in verschiedene Kombinationen aufgeteilt werden. So kann z.B. das
Testobjekt 20 entweder in Translation versetzt werden oder auch
gedreht werden.
-
Obwohl
der zweite Messstrahl 78 vorzugsweise durch die Reflexion
zurückgerichtet
wird, können
Ablenkvorrichtungen auch durch diffraktive oder refraktive Optik
gebildet werden, welche in der Lage sind, Licht abzulenken. Der
Taster 16 in seinen verschiedenen Festlegungen kann auch
in unterschiedlichen interferometrischen Konfigurationen benutzt werden.
Eine derartige Anordnung beschreibt das damit zusammenhängende US-Patent Nr. 10/277,798
mit dem Titel "Two-wavelength
Confocal Interferometer for Measuring Multiple Surfaces".