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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung
der Topographie und/oder von Profilen eines Probenkörpers, wobei der
Probenkörper
eine sphärisch
bzw. annähernd sphärisch oder
asphärisch
bzw. annähernd
asphärisch
oder gemäß einer
Freiformfläche
oder einer Zylinderfläche
gekrümmte
Oberfläche
mit einem Krümmungsmittelpunkt
oder mit einer Krümmungsmittelachse
aufweist und wobei die Messvorrichtung wenigstens einen Sensor aufweist.
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Solche
Messvorrichtungen sind allgemein bekannt. Insbesondere ist es bekannt,
mittels Interferenzmethoden die Form der Oberfläche von Probenkörpern zu
messen bzw. zu bestimmen. Hierbei können sphärische Oberflächen mit
Interferometern vermessen werden, wobei kleine Abweichungen von
der idealen Kugelfläche
mit hoher Empfindlichkeit erfasst werden können. Asphärische Flächen und gekrümmte Freiformflächen können mit
Interferometern nur dann aufgenommen werden, wenn die Verformung der
Wellenfront an der Probenoberfläche
durch Korrekturoptiken kompensiert wird. Üblicherweise werden dafür aufwändig herzustellende
computergenerierte Hologramme, so genannte CGHs, eingesetzt, die
für jede
zu untersuchende Probengeometrie hergestellt werden müssen. Jedoch
können
raue, d.h. insbesondere noch nicht polierte, Oberflächen mit
Interterometern nicht
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein flexibles Messverfahren und
eine Messvorrichtung bereitzustellen, mit der beliebige Oberflächen, insbesondere
sphärische,
annähernd
sphärische,
asphärische,
annähernd
asphärische
und zylindrische Oberflächen
und gekrümmte
Freiformflächen
schnell und mit geringem Aufwand derart vermessen bzw. untersucht
werden können,
dass ihre Oberflächenbeschaffenheit
und die Form ihrer Oberfläche
leicht und mit geringen apparativem, zeitlichem und verarbeitungstechnischem
Aufwand zugänglich
ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Topographie und/oder von
Profilen eines Probenkörpers,
wobei der Probenkörper
eine sphärisch
bzw. annähernd
sphärisch oder
asphärisch
bzw. annähernd asphärisch gekrümmte Oberfläche oder
eine Freiformfläche
mit einem zugeordneten Krümmungsmittelpunkt
oder zylindrischer Oberfläche
mit einer zugeordneten Krümmungsmittelachse
aufweist, wobei die Messvorrichtung wenigstens einen Sensor aufweist,
wobei besonders bevorzugt der Sensor relativ zu der gekrümmten Oberfläche auf
einer vom Krümmungsmittelpunkt
oder von der Krümmungsmittelachse
ausgehenden Halbgerade linear beweglich vorgesehen ist. Hierdurch
ist es möglich,
dass der Sensor relativ zu der Oberfläche des Probenkörpers mit
einer sehr hohen Genauigkeit positionierbar ist. Es ist klar, dass der
Sensor relativ zu der Oberfläche
nicht nur auf einer einzigen vom Krümmungsmittelpunkt oder von der
Krümmungsmittelachse
ausgehenden Halbgerade linear beweglich vorgesehen ist, sondern
dass der Sensor relativ zu der Oberfläche über einen gewissen Winkelbereich
um den Krümmungsmittelpunkt oder
die Krümmungsmittelachse
schwenkbar jeweils auf der vom Krümmungsmittelpunkt oder von
der Krümmungsmittelachse
ausgehenden Halbgerade linear beweglich und schwenkbar vorgesehen
ist. Hierdurch ist es insbesondere möglich, dass an jeder Stelle
der Oberfläche,
die von dem Sensor erfasst wird, eine Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit
bzw. der Form der Oberfläche
mit einer sehr hohen und darüber
hinaus über
den Winkelbereich gleichbleibend hohen Genauigkeit möglich ist.
Gegenüber
einer Bewegung des Sensors ausschließlich in kartesischen Koordinaten
ist eine erheblich präzisere
Messung der gesamten Oberfläche
bzw. der gesamten Form des Probenkörpers möglich. Im Zusammenhang dieser
Patentanmeldung bezieht sich eine sphärische Oberfläche auch
auf eine annähernd sphärische Oberfläche, eine
asphärische
Oberfläche auch
auf eine annähernd
asphärische
Oberfläche und
eine zylindrische Oberfläche
auch auf eine annähernd
zylindrische Oberfläche.
Weiterhin ist im Zusammenhang dieser Patentanmeldung mit einer Bewegung
des Sensors immer eine Relativbewegung des Sensors relativ zur Oberfläche gemeint,
wobei eine solche Relativbewegung auch durch eine Bewegung der Oberfläche (bei
beispielsweise feststehendem Sensor) erfolgen kann. Ferner bezieht
sich der Krümmungsmittelpunkt
bzw. die Krümmungsmittelachse
im Zusammenhang dieser Patentanmeldung auf den zugeordneten Krümmungsmittelpunkt
bzw. die zugeordnete Krümmungsmittelachse.
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Bevorzugt
ist, dass die Relativbewegung des Sensors gegenüber dem Krümmungsmittelpunkt oder gegenüber der
Krümmungsmittelachse
auf einer Kreisbahn oder auf einer sphärischen Fläche oder auf einer Zylindermantelfläche vorgesehen
ist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass lediglich die Variation
einer Winkelkoordinate zur Bestimmung der Oberflächentopographie bzw. zur Bestimmung
eines Oberflächenprofils
bzw. eines Profils des Probenkörpers
notwendig ist, so dass die Genauigkeit der Messvorrichtung bei der
Bestimmung der Topographie und/oder des Oberflächenprofils der gesamten zu
messenden Oberfläche
mit vergleichsweise geringem Aufwand sehr hoch ist. Insbesondere
ergibt sich daraus der Vorteil, dass der Sensor im wesentlichen immer
senkrecht auf den jeweils abzutastenden Bereich der Oberfläche des
Probenkörpers
gerichtet ist, so dass die präzise
Messung der vollständigen
Oberfläche
oder zumindest eines Großteils
der Oberfläche
möglich
ist. Insbesondere bei einer eine Topographie oder Strukturierung
aufweisende Oberfläche
ist es dadurch möglich,
dass auch vergleichsweise steile Wände bzw. Oberflächenstrukturen
mit steil abfallenden Flanken mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
erkennbar und detektierbar sind.
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Erfindungsgemäß ist ferner
bevorzugt, dass die Bewegung des Sensors relativ zu dem Krümmungsmittelpunkt
oder relativ zu der Krümmungsmittelachse
um eine erste Rotationsachse um einen ersten Drehwinkel bevorzugt
von etwa 180° oder
etwa 360° vorgesehen
ist und/oder dass die Bewegung des Sensors relativ zu dem Krümmungsmittelpunkt oder
relativ zu der Krümmungsmittelachse
um eine zur ersten Rotationsachse verkippte, insbesondere senkrecht
stehende, zweite Rotationsachse um einen zweiten Drehwinkel von
bevorzugt etwa 360° vorgesehen
ist und/oder dass die Bewegung des Sensors entlang der Krümmungsmittelachse
und relativ zu der Krümmungsmittelachse
um eine zweite Rotationsachse um einen zweiten Drehwinkel von bevorzugt
etwa 360° vorgesehen
ist. Hierdurch ist es möglich,
mittels lediglich zweier Koordinaten (erster und zweiter Drehwinkel
im Fall von sphärischen
oder zumindest teilweise annähernd
asphärischen
Oberflächen;
Drehwinkel und Sensorposition in axialer Richtung im Fall von zylindrischen
oder zumindest teilweise annähernd
zylindrischen Proben) die Topographie bzw. Profile auf der gesamten
Oberfläche des
Probenkörpers,
welche in gewissen Toleranzbereichen den gleichen Krümmungsmittelpunkt
bzw. die gleiche Krümmungsmittelachse
aufweist, zu bestimmen.
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Bevorzugt
ist ferner, dass der Sensor ein Abstandssensor, bevorzugt ein im
Messbetrieb den Probenkörper
berührender
Tastsensor oder ein optischer Sensor ist. Mittels eines solchen
Sensors ist es beispielsweise möglich,
den Abstand zu einer Probenoberfläche mit einer Auflösung im
Nanometerbereich zu bestimmen werden kann. Bei einer solchen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
mit einem Sensor ist es aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung
bzw. Beweglichkeit des Sensor relativ zur Oberfläche des Probekörpers (im wesentlichen
immer senkrecht auf den jeweils abzutastenden Bereich der Oberfläche) möglich, dass trotz
vorhandener Einschränkungen
hinsichtlich abzutastender Strukturen etwa aufgrund der Tastspitzengeometrie
(Tastsensoren) oder der numerischen Apertur (optische Sonsoren)
oder dergleichen eine vergleichsweise gute und hochpräzise Bestimmung der
Topographie bzw. von Profilen über
die gesamte Oberfläche
möglich
ist. Mittels eines optischen Sensors ist es erfindungsgemäß möglich, eine
vergleichsweise schnelle Abtastung der Oberfläche der Probenkörpers zu
erzielen, wobei erfindungsgemäß als optischer
Sensor beispielsweise ein sogenannter CWL-Sensor (Chromatic Whitelight-Sensor)
bevorzugt Verwendung finden kann. Hierdurch ist es möglich, dass
mit einfachen Mitteln und sehr schnell eine Abstandsinformation
zwischen dem Sensor und der Oberfläche des Probenkörpers im
Bereich eines Messbereichs erhältlich
ist.
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Ferner
ist bevorzugt, dass der Sensor einen Messbereich aufweist, der im
Vergleich zur Ausdehnung der Oberfläche eine kleine laterale Abmessung aufweist.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, dass
beliebige Freiformflächen – insbesondere
im wesentlichen gekrümmte
Freiformflächen
wie auch sphärische,
asphärische
und zylindrische optische Oberflächen – einer
Messung durch die erfindungsgemäße Messvorrichtung
zugänglich
sind. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, dass Topographie bzw.
Oberflächenprofile
unabhängig
von der Gesamtform trotz des vergleichsweise kleinen Messbereichs
des Sensors gemessen werden können.
Auf die Gesamtform des Probekörpers
kann durch Zusammensetzung vieler einzelner Messungen bzw. vieler
einzelner Profile geschlossen werden. Dies ist mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
deswegen möglich,
weil die Bewegung des Sensors relativ zu der Oberfläche des
Probenkörpers
mit besonders hoher Präzision
möglich
ist, nämlich
insbesondere auf einer Kreisbahn, einer sphärischen Fläche oder auf einer Zylindermantelfläche.
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Erfindungsgemäß ist ferner
bevorzugt, dass der Probenkörper
eine optische Linse oder ein optischer Spiegel oder ein Werkzeug
zur Herstellung einer optische Komponente ist. Mittels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
können
solche Probenkörper
mit besonders einfachen Mitteln und besonders schnell vermessen
werden und mit hoher Präzision
die Oberflächenform-
und -güte
bestimmt werden. Hierbei ist es erfindungsgemäß selbstverständlich möglich, sowohl
konkave als auch konvexe Oberflächen
mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zu
messen. Im Falle einer konkaven wie auch einer konvexen Oberfläche ist
der Sensor und die gekrümmte
Oberfläche
des Probenkörpers
relativ zu einander derart beweglich, dass der Sensor auf der vom
Krümmungsmittelpunkt
bzw. der Krümmungsmittelachse
des Probenkörpers
ausgehenden Halbgeraden linear beweglich auf die zu vermessende
gekrümmte
Oberfläche
des Probenkörpers
hin bzw. von dieser weg linear beweglich vorgesehen ist. Der einzige
Unterschied zwischen der Messung einer konkaven bzw. einer konvexen
Oberfläche
besteht darin, dass bei einer konkaven Oberfläche ausgehend vom zugeordneten
Krümmungsmittelpunkt
bzw. ausgehend von der zugeordneten Krümmungsmittelachse zuerst der
Sensor und dann die Oberfläche
angeordnet ist und dass bei einer konvexen Oberfläche ausgehend
vom zugeordneten Krümmungsmittelpunkt bzw.
ausgehend von der zugeordneten Krümmungsmittelachse zuerst die
Oberfläche
und dann der Sensor angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist es
insbesondere möglich,
auch Oberflächen
mit einer im Vergleich zu polierten Oberflächen relativ hohen Rauheit zu
vermessen.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Bestimmung der Topographie und/oder von Profilen eines Probenkörpers, wobei
der Probenkörper
eine sphärisch
oder asphärisch
gekrümmte
Oberfläche
mit einem Krümmungsmittelpunkt
oder mit einer Krümmungsmittelachse
aufweist, wobei besonders bevorzugt wenigstens ein Sensor relativ
zu der gekrümmten
Oberfläche
auf einer vom Krümmungsmittelpunkt
oder von der Krümmungsmittelachse
ausgehenden Halbgerade linear bewegt wird. Hierdurch ist es mit
besonders robusten und einfachen Maßnahmen möglich, eine hoch präzise Positionierung
des Sensors relativ zur messenden gekrümmten Oberfläche zu realisieren. Erfindungsgemäß ist ferner
bevorzugt,
- – dass der Sensor auf den Krümmungsmittelpunkt oder
auf die Krümmungsmittelachse
ausgerichtet wird und derart auf der vom Krümmungs mittelpunkt oder von
der Krümmungsmittelachse
ausgehenden Halbgeraden linear bewegt wird, dass der Krümmungsradius
der gekrümmten
Oberfläche
in einem in Richtung der Halbgeraden verlaufenden und eine axiale
Abmessung aufweisenden Messbereich des Sensors liegt und/oder dass
- – die
gekrümmte
Oberfläche
derart relativ zu dem Sensor positioniert wird, dass mit dem der
Oberfläche
zugeordneten Krümmungsmittelpunkt
oder mit der der Oberfläche
zugeordneten Krümmungsmittelachse
und der Position des Sensors auf einer vom Krümmungsmittelpunkt oder von der
Krümmungsmittelachse
ausgehenden Halbgeraden der zu messende Bereich der gekrümmten Oberfläche innerhalb
des Messbereichs des Sensors ist. Dies hat den Vorteil, dass der
Sensor zur Bestimmung einer kompletten Oberfläche des Probenkörpers entlang
der vom Krümmungsmittelpunkt
oder von der Krümmungsmittelachse ausgehenden
Halbgeraden fest vorgesehen sein kann und eine Bewegung lediglich
um eine erste und/oder zweite Rotationsachse bzw. eine Linearachse
notwendig ist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass auch stark gekrümmte Oberflächen vollständig und
genau vermessen werden können,
weil der Sensor immer senkrecht auf der Kreisbahn um den zugeordneten
Krümmungsmittelpunkt
bzw. die Krümmungsmittelachse
steht.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin
bevorzugt, dass zur Messung eines Profils die Relativbewegung des
Sensors gegenüber
der Oberfläche
derart vorgesehen ist, dass der Sensor relativ zu dem Kümmungsmittelpunkt
oder relativ zu der Krümmungsmittelachse
um eine erste Rotationsachse um einen ersten Drehwinkel und um eine
zweite Rotationsachse um einen zweiten Drehwinkel gedreht wird,
wobei die zweite Rotationsachse verkippt zur ersten Rotationsachse,
insbesondere auf die erste Rotationsachse senkrecht stehend, vorgesehen
ist und wobei der erste Drehwinkel und/oder der zweite Drehwinkel
insbesondere etwa 180° oder
etwa 360° beträgt. In diesem
Fall können
auch die Drehwinkel feststehend gewählt werden und für eine zumindest
teilweise im wesentlichen zylindrische Probenoberfläche eine Längsverschiebung
entlang der Zylindermittelachse vorgenommen werden. Weiterhin ist
es bevorzugt, dass zur Messung eines Profils die Relativbewegung des
Sensors gegenüber
der Oberfläche
derart vorgesehen ist, dass der Sensor relativ zu der Krümmungsmittelachse
um eine zweite Rotationsachse um einen zweiten Drehwinkel gedreht
wird, wobei der zweite Drehwinkel insbesondere etwa 180° oder etwa
360° beträgt. Hierdurch
ist die komplette Abtastung der Oberfläche des Probenkörpers entlang
eines Profils möglich,
wobei über
die gesamte Erstreckung des Profils hinweg eine präzise Oberflächenbestimmung
möglich
ist.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in den nachfolgenden Beschreibungen
näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
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2–6 schematische
Darstellungen von verschiedenen Ausführungsformen der Messvorrichtung
und
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7 eine
schematische Darstellung der Relativbewegung von Sensoren relativ
zu der auszumessenden Oberfläche.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 10 schematisch
dargestellt. Auf einem Messtisch 15, welcher vibrationsarm
und drehbar gelagert ist (beispielsweise auf einer Granitplatte),
ist ein Probenkörper 20 mit
einer sphärisch
oder asphärisch
gekrümmten
Oberfläche 21 bzw.
einer gekrümmten
Freiformfläche 21 angeordnet.
Die Oberfläche 21 bzw.
die Freiformfläche 21 weist
einen Krümmungsmittelpunkt 22 oder
eine Krümmungsmittelachse 22 (etwa
als ein im wesentlichen zylindrischer Körper) auf. Ob es sich um einen
Krümmungsmittelpunkt 22 oder
um eine Krümmungsmittelachse 22 handelt,
hängt davon
ab, ob es sich bei der gekrümmten
Oberfläche 21 bzw.
bei der Freiformfläche 21 um
eine zumindest teilweise im wesentlichen kugelförmig gekrümmte Oberfläche 21 oder um eine
zumindest teilsweise im wesentlichen zylinderförmig gekrümmte Oberfläche 21 handelt. Ein
Beispiel für eine
zumindest teilweise im wesentlichen zylinderförmig gekrümmte Oberfläche ist in 6 dargestellt. Im
Folgenden wird das Messprinzip im wesentlichen anhand einer zumindest
teilweise im wesentlichen kugelförmig
ausgebildeten Oberfläche 21 mit
einem entsprechenden Krümmungsmittelpunkt 22 beschrieben,
wobei jedoch auch die alternative Anwendung einer zumindest teilweise
im Wesentlichen zylinderförmig
gekrümmten
Oberfläche 21 mitzudenken
ist.
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Die
Messvorrichtung 10 weist einen Sensor 30 auf,
welcher relativ zu der Oberfläche 21 des
Probenkörpers 20 auf
einer bzw. entlang einer vom Krümmungsmittelpunkt 22 oder
von der Krümmungsmittelachse 22 ausgehenden
Halbgeraden 23 linearbeweglich vorgesehen ist. Der Sensor 30 ist
darüber hinaus
mittels einer lediglich schematisch dargestellten Justierungsvorrichtung
entlang einer ersten Justagerichtung 35, welche sich im
wesentlichen parallel zur Halbgeraden 23 erstreckt, und
entlang einer bevorzugt senkrecht dazu stehenden zweiten Justagerichtung 35 einstellbar
bzw. positionierbar vorgesehen. Der Sensor 30 ist mittels
einer Verbindungsleitung 36 mit einer lediglich schematisch
dargestellten Auswerteeinheit 37 verbunden, welche die
vom Sensor 30 gelieferten Informationen bzw. Signale bzw. die
die Topographie bzw. das Profil des Probenkörpers 20 betreffenden
Daten verarbeitet. Erfindungsgemäß ist der
Probenkörper 20 ebenfalls
entlang Linearverstellungsmitteln 25 relativ zum Messtisch 15 (in
vertikaler und horizontaler Richtung) justierbar bzw. einstellbar
vorgesehen. Die zur Justierung durchzuführenden Schritte werden nachfolgend
im Zusammenhang mit der Beschreibung sowohl der 7 als
auch der 1 näher erläutert.
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Erfindungsgemäß ist die
Messvorrichtung 10 derart vorgesehen, dass eine Relativbewegung
des Sensors 30 relativ zur Oberfläche 21 des Probenkörpers 20 um
den Krümmungsmittelpunkt 22 bzw.
die Krümmungsmittelachse 22 möglich ist.
Hierzu ist der Messtisch 15 beispielsweise in der 1 dafür vorgesehen,
dass der Probenkörper 20 zusammen
mit den Linearverstellungsmitteln 25 um eine zweite Drehachse 12 drehbar
vorgesehen ist. Der Probenkörper 20 ist
in einer bevorzugten Ausführungsform weiterhin
um eine in 1 lediglich angedeutete erste
Drehachse 11 drehbar vorgesehen. Wenn der Krümmungsmittelpunkt 22 bzw.
die Krümmungsmittelachse
des Probenkörpers 20 bzw.
der Oberfläche 21 auf
der zweiten Rotationsachse 12 einjustiert ist, ist es möglich, durch
Drehung des Probenköpers 20 um
die zweite Rotationsachse 12 eine Relativbewegung des Sensors 30 relativ
zur Oberfläche 21 derart zu
erzielen, dass der Sensor 30 auf einer Kreisbahn (in 1 nicht
dargestellt) beweglich ist. Hierdurch ist es möglich, auch bei festgehaltener
Einstellung des Sensors 30 entlang der Halbgeraden 23 zu
einer Abtastung des kompletten Profils der Oberfläche 21 (d.h.
bei der Abtastung einer Mehrzahl von Profilen zu der Abtastung der
gesamten Oberfläche 21)
zu gelangen. Durch das Festhalten der Einstellung des Sensors 30 entlang
der Halbgeraden 23 ist es hierdurch möglich, die relative Position
zwischen Sensor 30 und Oberfläche 21 besonders genau
und reproduzierbar zu messen, weil lediglich eine Winkelkoordinate
(zweiter Drehwinkel 12) geändert wird. Im in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist der Probenkörper 20 auf
dem Messtisch 15 um die zweite Rotationsachse 12 herum
um einen Drehwinkel 12 drehbar. Um zu einer möglichst
vollständigen
Abtastung der Oberfläche 21 zu
gelangen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass der zweite Drehwinkel 12' insbesondere 360° umfassen
kann. Jedoch ist es erfindungsgemäß selbstverständlich auch
möglich,
dass jeder kleinere Winkelbereich zur Messung eines Profils der
Oberfläche 21 benutzt
wird. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau
der Messvorrichtung bzw. durch die erfindungsgemäße hochpräzise Beweglichkeit des Sensors 30 relativ
zu der positionierten Oberfläche 21 des
Probenkörpers 20 ist
es möglich,
eine besonders präzise
Einstellung der Relativposition des Sensors 30 und Oberfläche 21 mit vergleichsweise
geringem aparativem Aufwand zu realisieren, wodurch die Messung
der Topographie der Oberfläche 21 erleichtert
und die Genauigkeit der Messung erhöht wird. Hierbei finden Polarkoordinaten
(1 bis 5) bzw. Zylinderkoordinaten (6)
Anwendung.
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In 7 ist
das Messprinzip der erfindungsgemäßen Messvorrichtung und des
erfindungsgemäßen Messverfahren
veranschaulicht. Dargestellt ist ein Schnitt einer Topographie der
Oberfläche 21 des Probenkörpers 20,
wobei es sich bei dem Schnitt durch die Topographie 100 auch
um ein sogenanntes Profil 110 handelt. Der Probenkörper 20 ist
entweder sphärisch
oder asphärisch
oder gemäß einer
Freiform oder eines Zylinders geformt. Im Beispiel der 7 ist
eine asphärische
Ausführung
des Probenkörpers
bzw. der Topographie 100 mit durchgezogener Linie dargestellt.
Gegenüber
einer gestrichtelt dargestellten kreisförmigen Form, welche im folgenden
auch als Best-Fit-Fläche
bezeichnet wird, weist der Probenkörper 20 bzw. seine
Oberfläche 21 entlang
der Halbgeraden 23 Abweichungen auf. Diese Abweichungen
schlagen sich in einer Höhenveränderung
der Oberfläche
relativ zur Kreisform bzw. in drei Dimensionen zur Kugelform der
Best-Fit-Fläche 150,
nieder. Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist der Probenkörper 20 bzw. die Topographie 100 derart angeordnet,
dass die erste bzw. zweite Rotationsachse 11, 12 durch
den Krümmungsmittelpunkt 22 bzw.
durch die Krümmungsmittelachse 22 der Best-Fit-Fläche, an
die der Probenkörper „anjustiert" ist, verlaufen.
Der Sensor 30 ist auf der Halbgeraden 23 grundsätzlich linearbeweglich,
jedoch während
einer Messung eines Profils 110 im wesentlichen fest angeordnet.
Durch eine Variation allein des ersten und/oder des zweiten Drehwinkels 11', 12' (bzw. des zweiten
Drehwinkels 12' und
einer Linearachse bei zylindrischer Probenform) wird der Sensor 30 um
den Krümmungsmittelpunkt
bzw. die Krümmungsmittelachse
auf einer Kreisbahn 24, einer sphärischen Fläche 24' oder auf einer Zylindermantelfläche 24'' bewegt. Der Probenkörper 20 ist
dabei so genau gegenüber der sphärischen
Fläche 24' bzw. der Zylindermantelfläche 24'' justiert, dass die gesamte zu
messende bzw. abzutastende Oberfläche 21 immer in einem
Messbereich 33 des Sensors 30 befindet. Hierdurch
ist es zur gesamten Messung eines Profils 110 lediglich
notwendig, einen der Drehwinkel 11, 12 (Polarkoordinaten)
(bzw. einen Drehwinkel 11' oder 12' und eine Linearachse)
zu verändern,
wodurch die Fehleranfälligkeit
bzw. die Anfälligkeit
für Ungenauigkeiten
des erfindungsgemäßen Messverfahrens stark
reduzierbar ist. Der Sensor 30 weist den Messbereich 33 auf,
der in lateraler Richtung, d. h. im wesentlichen tangential zur
gerade abgetasteten Oberfläche,
eine laterale Abmessung 34 aufweist und der in Richtung
der Halbgeraden 23 eine axiale Abmessung 34 aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die
Positionierung des Probenkörpers 20 für die in 1 dargestellte und
die erste Drehachse 11 aufweisende Ausführungsform (3D-Vorrichtung) der
erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 wie
nachfolgend beschrieben durchgeführt:
Auf
dem um die zweite Drehachse 12 drehbar zu denkenden Messtisch 15 sind
die Linearverstellungsmittel 25 (vgl. 1)
derart vorgesehen, dass der Probenkörper 20 mitsamt einer
nicht eigens dargestellten Probenhalterung einerseits linear (insbesondere
parallel zur meist horizontal verlaufenden Haupterstreckungsebene
des Messtisches 15) entlang einer dritten Justagerichtung 25a verstellbar
ist und andererseits mittels eines nicht eigens dargestellten Drehverstellers
um die erste Drehachse 11 drehbar ist. Gegenüber dem
die erste Drehachse 11 definierenden Drehversteller ist
der Probenkörper 20 nochmals
in einer zur ersten Drehachse 11 senkrechten Ebene in zwei
bevorzugt senkrecht aufeinanderstehenden Querjustagerichtungen (vierte
Justagerichtung 25b und fünfte Justagerichtung 25c)
verstellbar vorgesehen. Diese Querjustagerichtungen 25b, 25c drehen
sich mit dem Probenkörper
um die erste Drehachse 11.
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Der
Krümmungsradius
derjenigen Fläche (spärische Fläche oder
Zylindermantelfläche),
die der abzutastenden Oberfläche 21 zugeordnet
ist, ist vor der Durchführung
einer Messung zumindest näherungsweise
bekannt bzw. kann Modellierungsdaten für die abzutastende Oberfläche 21 entnommen werden.
Es wird daher in einem ersten Schritt die den Sensor 30 justierende
Justagevorrichtung derart entlang der ersten Justagerichtung 35 (mit
großer
Genauigkeit) verstellt, dass die abzutastende Oberfläche 21 den
Messbereich 33 zumindest potentiell schneidet. Erfindungsgemäß ist der
Sensor 30 beispielsweise auf einem in 1 nicht
dargestellten, den Messtisch 15 bevorzugt U-förmig von
oben übergreifenden
und feststehenden Rahmen mit hoher Präzision positionierbar.
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In
einem zweiten Schritt wird der (die erste Drehachse 11 definierende)
Drehversteller mitsamt der Probenhalterung und dem Probenkörper 21 gemäß der dritten
Justagerichtung 25a derart einjustiert, dass die abzutastende
Oberfläche 21 den
Messbereich 33 schneidet, der Sensor 30 also die
Oberfläche 21 erfassen
kann. Idealerweise fluchtet die zweite Drehachse 12, ein
Scheitelpunkt bzw. eine Scheitelebene der abzutastenden Oberfläche 21 und
der Sensor 30 entlang der von der zweiten Drehachse 12 ausgehenden
Halbgerade 23. Dies kann mittels Testdrehungen um die zweite
Drehachse 12 um vergleichsweise kleine Testwinkel in positiver
und negativer Drehrichtung und die Auswertung der dazugehörigen Sensorsignale
des Sensors 30 geprüft
werden. Falls ein solches Fluchten nicht in ausreichendem Maße (und
zwar abhängig
von insbesondere der axialen Ausdehnung 34 des Messbereichs 33)
vorliegt, kann mittels einer Justage des Probenkörpers 20 in entweder
der vierten Justagerichtung 25b oder der fünften Justagerichtung 25c (je
nach dem welche der vierten bzw. fünften Justagerichtung 25b, 25c senkrecht
auf die zweite Drehachse 12 steht) solange nachjustiert
werden, bis über
den gesamten Winkelbereich um die zweite Drehachse 12 die
Oberfläche 21 innerhalb
des Messbereichs 33 liegt und vorzugsweise symmetrisch
zur Null-Grad-Position
der Achse 12 verläuft.
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In
einem dritten Schritt wird der Probenkörper 20 um die erste
Drehachse 11 um beispielsweise 90° gedreht. Weiterhin wird wieder
die Justage (mittels Drehungen um Testwinkel um die zweite Drehachse
und mittels einer Verstellung um die (gegenüber dem zweiten Schritt) andere
der Querjustagerichtungen (vierte bzw. fünfte Justagerichtung 25b, 25c) derart
vorgenommen, dass wiederum ein Fluchten der zweite Drehachse 12,
des Scheitelpunkts bzw. der Scheitelebene der abzutastenden Oberfläche 21 und
des Sensors 30 erzielt ist. Gegebenenfalls wird die im
zweiten Schritt erfolgte Justage durch die im dritten Schritt durchgeführte Justage
verstellt, so dass die Justierung insgesamt iterationsweise durch wiederholte
Durchführung
des zweiten und dritten Schrittes solange verbessert werden muss,
bis die zu vermessende Oberfläche 21 bei
einer Drehung um die erste und/oder zweite Drehachse 11, 12 über den gesamten
zu vermessenden Bereich der Oberfläche 21 innerhalb des
Messbereichs 33 des während
der Messung stationär
angeordneten Sensors 30 liegt. Bei rotationssymmetrischen
Proben kann die Probenjustage in 25b und 25c alternativ
auch dadurch erfolgen, dass die Probe um die erste Drehachse 11 gedreht
wird, vorzugsweise um eine volle Umdrehung. Die Querjustagerichtungen 25b, 25c werden so
eingestellt, dass der Sensor dabei eine konstante Höhe misst.
Dadurch wird erreicht, dass der zugeordnete Krümmungsmittelpunkt 21 möglichst
nahe am Schnittpunkt der ersten und zweiten Drehachse 11, 12 liegt
bzw. dass die Scheitellinie einer im wesentlichen zylindrischen
Probe möglichst
parallel zur Achse 12 verläuft und Probenscheitel mit
Sensor und Achse 12 fluchtet.
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Alternativ
kann es zusätzlich
vorgesehen sein, dass der zweite und/oder dritte Schritt der Justierung
neben den Testdrehungen um die zweite Drehachse 12 weiterhin
noch Testeinstellungen des Sensors 30 in die zweite Justagerichtung 35' umfasst, um
möglichst
schnell ein Fluchten des Scheitelpunktes mit der zweiten Drehachse 12 und
dem Sensor 30 zu erzielen.
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Anschließend wird
durch lediglich die Veränderung
entweder des ersten Drehwinkels 11 oder des zweiten Drehwinkels 12 oder
auch mittels einer gemeinsamen Änderung
beider Drehwinkel 11, 12 eine Messung der Oberfläche 21 des
Probekörpers 20 bzw.
die Messung eines Oberflächenprofils 110 durchgeführt. Je
nach Anordnung der Drehachsen 11, 12 bzw. der
Variation der ersten oder zweiten Drehwinkel 11', 12 können nacheinander
mehrere Profile 110 aufgenommen werden, aus denen die Probentopographie
zusammengesetzt wird. Beispielsweise sind gegeneinander verkippte
Profile oder auch sternförmige
Profile oder auch konzentrische Ringe oder Spiralen über die
Oberfläche
möglich.
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Für eine in 1 dargestellte
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10, bei
der keine erste Drehachse 11 vorhanden ist (2D-Vorrichtung) entfällt bei
der Justierung des Probenkörpers 20 der
dritte Schritt. Das gleiche trifft für den Fall eines im wesentlichen
zylindrischen Probenkörpers 20 zu.
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Bei
dem Sensor 30 kann es sich erfindungsgemäß insbesondere
um einen berührenden
Tastsensor 31 oder bevorzugt um einen nicht berührenden
optischen Sensor 32 handeln. Ein berührender Tastsensor 31 weist
erfindungsgemäß eine Tastspitze 31 auf,
welche die Oberfläche 21 abtastet.
Mit einem optischen Sensor 32 kann die Oberfläche 21 berührungslos
und zerstörungsfrei
gemessen werden. Beispielsweise wird die Oberfläche mit einem sogenannten CWL-Sensor
abgetastet. Bei einem solchen optischen Sensor 32 weist
dessen Optik eine chromatische Aberration auf, so dass für unterschiedliche Wellenlängen des
Lichts unterschiedliche Brennpunkte vorhanden sind. Hierdurch ist
es möglich, durch
die Detektion der Wellenlänge
des hauptsächlich
von der Oberfläche
reflektierten Lichts Informationen über den Abstand der reflektierenden
Oberfläche
zu dem abtastenden Sensor 32 zu gewinnen.
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Erfindungsgemäß ist es
bevorzugt, dass die erste und zweite Rotationsachse 11, 12 senkrecht
auf einander stehen, wobei jedoch auch eine nicht senkrecht aufeinander
stehende Anordnung möglich
ist. Durch die Variation des ersten Drehwinkels 11 bzw. des
zweiten Drehwinkels 12 zwischen verschiedenen Profilmessungen
ist es möglich,
die Oberfläche
mit zueinander verkippten Profilen 110 abzutasten oder auch
eine sternförmige,
ringförmige
oder spiralförmige
Abtastung der Oberfläche 21 durchzuführen. Bei der
Abtastung einer zylindrischen bzw. angenähert zylindrischen Oberfläche 21 können zur
Definition eines Profils 110 die beiden Koordinaten des
zweiten Drehwinkels 12' und
der Sensorposition in axialer Richtung (d.h. parallel zur Krümmungsmittelachse 22' variiert werden.
Hierbei findet bei der Variation lediglich des zweiten Drehwinkels 12' eine ringförmige Abtastung
der Oberfläche 21 statt.
Bei der Variation lediglich der Sensorposition in axialer Richtung
findet eine lineare Abtastung der Oberfläche 21 statt, während bei
der gleichzeitigen Variation beider Koordinaten eine spiralförmige Abtastung
der Oberfläche 21 stattfindet.
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Bei
der sphärischen
Fläche
in 7 handelt es sich erfindungsgemäß insbesondere
um die sogenannte Best-Fit-Fläche 150,
worunter erfindungsgemäß eine sphärische Fläche verstanden
werden soll, die zu der zu messenden Oberfläche 21 eine vergleichsweise
kleine Abweichung aufweist und die der zu messenden Oberfläche 21 zugeordnet
wird. Die Best-Fit-Fläche 150 wird
letztlich durch den Ort der zweiten Drehachse 12 bzw. der
zweiten und ersten Drehachse 11, 12 definiert.
Die Zuordnung erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass der zu vermessende Probenkörper 20 derart
genau relativ zur Best-Fit-Fläche 150 justiert
wird, dass sämtliche
Abweichungen zwischen beiden innerhalb des Messbereichs 33 des
Sensors 30 liegen. Es kann sich bei der Best-Fit-Fläche 150 beispielsweise
um diejenige zugeordnete spärische
Fläche
mit der kleinst möglichen Abweichung
zur zu messenden asphärischen
Oberfläche 21 handeln
(beispielsweise über
die Methode der kleinsten Quadrate oder dergleichen). Es kann sich
dabei aber auch um eine sphärische
Fläche
mit einem solchen Krümmungsradius
handeln, der dem Soll-Krümmungsradius
im Zentrum der zu messenden ashärischen
Oberfläche 21 entspricht.
Der Krümmungsmittelpunkt 22 im
Sinne der vorliegenden Erfindung ist der Krümmungsmittelpunkt der Best-Fit-Fläche 150.
Das in diesem Absatz zur sphärischen
Fläche
Gesagte gilt entsprechend auf für
die zylindrische Fläche
und entsprechend auch für
die Krümmungsmittelachse 22'.
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In
den 2–6 sind
verschiedene Ausführungsbeispiele
von Anordnungen zwischen einem Sensor 30 und einem konvexen
Probenkörper 20 bzw.
dessen Oberfläche 21 dargestellt.
Erfindungsgemäß ist es
selbstverständlich
auch möglich,
dass ein konkaver Probenkörper 20 vermessen
wird. Bei einer Vermessung eines Probenkörpers 20 wird im allgemeinen
der Sensor 30 relativ zur Oberfläche 21 des Probenkörpers 20 um
den Krümmungsmittelpunkt
um zwei Drehachsen 11, 12 gedreht (im Fall einer
sphärischen
bzw. annähernd
sphärischen
zu vermessenden Oberfläche 21 des
Probenkörpers 20) bzw.
um eine Drehachse gedreht und entlang einer Linearachse verschoben
(im Fall einer zylindrischen bzw. annähernd zylindrischen zu vermessenden Oberfläche 21 des
Probenkörpers 20).
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Für das Beispiel
einer sphärischen
bzw. annähernd
sphärischen
zu vermessenden Oberfläche 21 des
Probenkörpers 20 kann
dies erfindungsgemäß entweder
dadurch erfolgen, dass der Probenkörper 20 um beide Drehachsen 11, 12 gedreht
wird oder dass der Sensor 30 um beide Drehachsen 11, 12 gedreht
wird oder aber dadurch erfolgen, dass der Sensor 30 um
die eine Drehachse 11 und der Probenkörper 20 um die zweite
Drehachse 12 gedreht wird. Beide Drehachsen 11, 12 sind
zueinander verkippt und erlauben so die Aufnahme der Probentopographie
durch zusammengesetzte Einzelprofile. In 2 ist außer der
zweiten Rotationsachse 12 mit ihrem zweiten Rotationswinkel 12 eine
senkrecht zur Zeichenebene verlaufende und daher nicht bezeichnete
erste Rotationsachse 11 realisiert, welche ein zweiter
Drehwinkel 11 zugeordnet ist. Der Sensor 30 ist
im Ausführungsbeispiel
der 2 um die erste Rotationsachse 11, d.h.
mittels einer Veränderung des
Drehwinkels 11 um die Oberfläche 21 des Probenkörpers 20,
verfahrbar bzw. drehbar vorgesehen. Weiterhin ist wieder der Sensor 30 entlang
der Halbgeraden 23, d.h. vom Krümmungsmittelpunkt 22 weg,
linear beweglich vorgesehen. Der Winkelbereich des ersten Drehwinkels 11' beträgt bevorzugt etwa
180° oder
auch etwa 360°,
so dass zusammen mit einer bevorzugten 360°-Beweglichkeit des zweiten Drehwinkels 12 die
komplette Oberfläche 21 des Probenkörpers 20 mittels
des Sensors 30 abtastbar ist. In 3 ist im
Unterschied zu 2 auch der Probenkörper 20 um
die erste Drehachse 11 (senkrecht zur Zeichenebene, daher
nicht dargestellt) drehbar vorgesehen. An der Relativbewegung zwischen
dem Sensor 30 und dem Probenkörper 20 bzw. seiner
Oberfläche 21 ändert sich
dadurch nichts. In 4 ist im Unterschied zu 2 zusätzlich zu
einer Verstellbarkeit des Sensors 30 um die erste Achse 11 (in 4 senkrecht
zur Zeichenebene verlaufend, daher nicht dargestellt) eine Drehbarkeit
des Sensors 30 um die zweite Rotationsachse 12 vorgesehen.
Auch hier ändert
sich an der Relativbewegung des Sensors 30 zur Oberfläche 21 nichts.
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In 5 ist
eine andere Konfiguration der ersten und zweiten Drehachse 11, 12 dargestellt,
wobei die erste Drehachse 11 bevorzugt horizontal und die
zweite Drehachse 12 bevorzugt vertikal verläuft. Auch
hierbei ist erfindungsgemäß durch
die Wahl eines Wertes für
den ersten Drehwinkel 11 und des zweiten Drehwinkels 12 eine
beliebige Positionierbarkeit des in diesem Ausführungsbeispiel feststehenden
Sensors 30 relativ zur Oberfläche 21 des Probenkörpers 20 möglich.
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In 6 ist
die Vermessung eines zumindest teilweise im wesentlichen zylinderförmig vorgesehenen
Probenkörpers 20 dargestellt.
Zur Abtastung des Probenkörpers 20 bzw.
dessen Oberfläche 21 ist
der Probenkörper 20 auf
dem Messtisch 15 (in 6 nicht
dargestellt) entlang seiner Krümmungsmittelachse 22' drehbar entlang
der zweiten Rotationsachse 12 angeordnet. Zur Abtastung
der gesamten Oberfläche 21 ist
der Sensor 30 darüber
hinaus entlang der z-Achse höheneinstellbar
relativ zum Probenkörper 20 vorgesehen.