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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermessung der Topographie
einer Oberfläche,
insbesondere einer großen
Oberfläche,
eines auf einer Basis gelagerten Körpers, mit einem über die
Oberfläche
verfahrbaren Messkopf mit mehreren berührungslosen Sensoren, insbesondere
Abstands- oder Winkelsensoren.
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Durch
DE 198 42 190 C1 ist
es bekannt, die Oberfläche
von Körpern
hochgenau mit einem Messkopf zu vermessen, der berührungslose
Sensoren, insbesondere optische Winkelsensoren, aufweist. Bei der
Verwendung mehrerer, vorzugsweise mindestens drei Sensoren, die
in einer festen räumlichen Beziehung
zueinander stehen, können
durch das Verfahren des Messkopfes über die Oberfläche die Bewegungsfehler
bei der Bewegung des Messkopfes durch einen geeigneten Algorithmus
herausgerechnet werden, weil der Messkopf mehrere, vorzugsweise
mindestens drei, Sensoren aufweist.
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Durch
DE 41 38 562 A1 ist
ein Mikroprofilometermesskopf bekannt, der über eine Oberfläche zur
Vermessung der Topografie dieser Oberfläche verfahrbar ist. Auf die
Oberfläche
werden ein Messlichtstrahl und ein Referenzstrahl geleitet, die
nach Durchlaufen zweier Polarisations-Strahlteiler interferometrisch
ausgewertet werden.
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Der
Messkopf kann dabei mit einem Neigungssensor versehen sein, der
die Neigung der normalen der zu vermessenen Oberfläche bezüglich der optischen
Achse des Interferometermesskopfes detektiert. Damit soll auch eine
Messung an gekrümmten
Oberflächen
möglich
sein.
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Für viele
Anwendungszwecke müssen
großen
Oberflächen
vermessen werden, deren Erstreckung größer als 10 cm ist und bis zu
viele Meter betragen kann. Die Anforderungen an die Genauigkeit sind
hierbei sehr hoch, insbesondere um langfristige Verformungen feststellen
zu können,
die durch Montage, Alterung, Plastizität, Spannung oder Strahlenschäden verursacht
werden. Dabei wird eine Unsicherheit in der Grundkrümmung von
fast ebenen Flächen
verlangt, die einer Krümmung
von wesentlich mehr als 1000 km beträgt. Funktionsflächen dieser Art
werden insbesondere für
die Synchrotronstrahlungsformung, die EUV-Lithographie, Fotolithographiemasken,
Spiegelteleskope, Koordinatenmessmaschinen und für die Montage von Mikrosystemen benötigt.
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Mit
bekannten Sensoren wird die Abweichung der Oberfläche zu einer
Referenzfläche
bzw. Referenzlinie gemessen. Als Referenz wird dabei eine mechanisch
gefertigte Führung
oder eine Referenzfläche
benutzt, die in besonderer Weise erstellt wird, beispielsweise durch
Rückführung einer
ebenen Fläche
auf einen Quecksilberspiegel mittels Fizeau-Interferometer, durch
die Verwendung von Laserstrahlen als Referenzstrahl oder die Verwendung mechanischer
Referenzen. Dabei werden unterschiedliche Messunsicherheiten erzeugt.
Ein Quecksilberspiegel ist gegenüber
seismischen Schwankungen anfällig.
Die Abweichung von der Geradlinigkeit der Lichtausbreitung in Luft
ist auf mindestens etwa 1 Mikrorad pro Meter unsicher.
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DE 198 56 510 A1 offenbart
ein Verfahren und System zur Ermittlung von Unebenheiten und Schadstellen
in der Oberfläche
einer Verkehrsfläche, die
insbesondere eine Bundesstraße,
eine Autobahn oder eine Start- und Landebahn eines Flugplatzes sein
kann. Die Prüfeinrichtung
weist einen quer zur Fahrtrichtung angeordneten Messbalken auf,
der mit einem Fahrzeug über
die Verkehrsfläche
gefahren wird. Die gemessenen Unebenheiten werden dabei mit globalen
Positionsdaten korreliert, die über
ein Satelliten-Positionssystem erhalten werden können. Die Korrelierung mit dem
globalen Positionsdaten soll ermöglichen,
das Zusammenwirken mehrerer Unebenheiten („Schlaglöcher") im Hinblick auf eine dadurch bewirkte
Verkehrsgefährdung
zu ermitteln. Für
die erfindungsgemäß angestrebte
hochgenaue Vermessung der Oberfläche
eines auf einer Basis gelagerten Körpers können hieraus keine Hinweise
entnommen werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vermessung
der Topographie einer Oberfläche,
insbesondere einer großen
Oberfläche, zu
ermöglichen,
mit der auch Topographien unterhalb der typischen seismischen Amplituden
von 100 nrad erfasst werden können.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung
der eingangs erwähnten
Art dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Messkopf ein Neigungssensor
zur Bestimmung der Neigung relativ zu einer festen Raumrichtung
verbunden ist.
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Erfindungsgemäß wird somit
als Referenz die feste Raumrichtung, beispielsweise bevorzugt die Schwerkraftrichtung,
verwendet. Dadurch werden die Vorteile von vorzugsweise optischen
Multisensorsystemen zur Erfassung mittlerer und kurzer Ortswellenlängenanteile
von Oberflächentopographien
mit einer absoluten Bezugnahme auf die feste Raumrichtung, vorzugsweise
die Schwerkraftrichtung der Erde, vereinigt. Dadurch ist es möglich, beispielsweise
Winkeltopographien unterhalb der typischen seismischen Amplituden
von 100 nrad zu erfassen. Die erfindungsgemäße Neigungsmessung ermöglicht auch die
Eliminierung von mechanischen Führungsfehlern für den Messkopf,
der zweckmäßigerweise
auf einem Schlitten verfahrbar ist.
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Die
Neigungsmessung kann je nach Anwendungsfall ein- oder zweiachsig
erfolgen. Als besonders geeignete Neigungssensoren kommen 3-Platten-Kondensatoren
in Frage. Bei der ebenfalls möglichen
Verwendung eines Lasergyros muss der Einfluss der Erdrotation herausgerechnet
werden.
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Der
Messkopf kann mit dem Neigungssensor fest verbunden sein. Es ist
aber auch möglich,
den Messkopf in definiertem Maße
schwenkbar zum Neigungssensor zu befestigen, sodass der Neigungssensor
in einem definierten Winkel zum Messkopf angeordnet wird.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Basis, auf der der Körper gelagert ist, oder der
Körper
selbst mit mindestens einem weiteren Neigungssensor zur Bestimmung
der Neigung relativ zu einer festen Raumrichtung verbunden ist,
wobei die feste Raumrichtung zweckmäßigerweise dieselbe ist wie
die für den
Neigungssensor des Messkopfes. Durch den zusätzlichen Neigungsmesser wird
eine Richtung im Laborsystem definiert. Die vektorielle Differenz
der Richtungen der beiden Neigungsmesser definiert die Richtung
zwischen der Bewegung des Messkopfes (auf einem Schlitten) und dem
Körper,
dessen Oberfläche
vermessen wird. Der zusätzliche
Neigungsmesser ermöglicht
die Berücksichtigung
seismischer Schwankungen während
der Messdauer. Die seismischen Schwankungen sind auch fernab der
Küste in Abhängigkeit
von der Tide feststellbar. Ferner können seismische Schwankungen
auch durch sonstige seismische Wellen entstehen, die in unmittelbarer Umgebung
der Messvorrichtung, beispielsweise auf den Boden, auf dem die Basis
positioniert ist, einwirken. In größerer Entfernung können Mikro-Erdbeben, beispielsweise
durch Schwerlaster usw. Ursache solcher seismischer Wellen sein.
Durch den weiteren Neigungssensor ist es daher möglich, eine etwaige Bewegung
des zu vermessenden Körpers
relativ zu dem Messkopf zu berücksichtigen
und die durch den Sensor oder die Sensoren aufgenommenen Messwerte
entsprechend zu korrigieren. Dieser Korrekturwert kommt zu dem vom
Neigungssensor des Messkopfes generierten Korrekturwert hin zu, mit
dem beispielsweise Führungsfehler
für die
Bewegung des Messkopfes berücksichtigt
werden.
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Die
Erfindung soll im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
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Die
Zeichnung zeigt eine Basis 1, die in definierter Weise
auf einem Fundament 2 gelagert ist. Die Basis 1 trägt einen
Körper 3 dessen
Oberfläche 4 vermessen
werden soll. Die Orientierung der Basis 1 wird durch einen
Neigungssensor NM1 relativ zu einer festen Raumrichtung, hier relativ
zur Schwerkraftrichtung, gemessen.
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Oberhalb
des Körpers 3 ist
ein Messkopf MS mit zahlreichen nebeneinander angeordneten Sensoren
auf einem Schlitten S verfahrbar. Die jeweilige Orientierung des
Messkopfes MS wird in jedem Verfahrzustand des Schlittens S durch
einen weiteren Neigungssensor NM2, vorzugsweise ebenfalls relativ zur
Schwerkraftrichtung, bestimmt. Je nach Verfahrrichtung des Schlittens
S können
die Neigungssensoren NM1 und NM2 ein- oder zweiachsig ausgebildet
sein.
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Der
Messkopf MS verläuft
nahezu parallel zur Oberfläche 4 des
Körpers 3 und
weist zu dem Neigungssensor NM2 eine bekannte Orientierung auf.
Wird der Schlitten S beschleunigungsfrei verfahren oder vorher wieder
gestoppt, so gibt der Vektor v2 die Richtungsdifferenz
der Neigungssensoren NM1 und NM2 an. Dieser Vektor muss um die Erdkrümmung korrigiert
werden, wenn der Schlitten S horizontal verschoben wurde. Der Korrekturvektor
(Verschiebeweg/6370 km·rad)
wird als v'2 bezeichnet. Wenn v1 die
Ausgangsdifferenz der Richtungen der Neigungssensoren in NM2 und
NM1 angibt, stellt v'2 – v1 die Richtungsänderung w des Messkopfes MS an
der zweiten Position gegenüber
der Richtung an der ersten Position an.
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Wenn
der Messkopf zumindest auch winkelmessend ist, ergibt sich mit den
Ablesewerten r1 und r2 ein Führungsfehler
des Schlittens zu: (r2 – ri) – (v'2 – v1). Wenn mindestens zwei Abstandssensoren
mit definiertem Abstand vorhanden sind, ergibt sich aus der Quotientenbildung
ein Winkel.
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Bei
diesem Verfahren wird die Oberflächenneigung
einzelner Oberflächenelemente
des Körpers
3 zueinander
oder die Höhenunterschiede
einzelner Oberflächenelemente
zueinander bestimmt. Daraus ist die Topographie der Oberfläche bestimmbar.
Dabei reichen zwei Punkte aus, um die Grundkrümmung des Prüflings zu
bestimmen. Zusätzlich
können
Fehler durch die Redundanz bei der Verwendung mehrerer Sensoren
reduziert werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise durch
DE 198 42 190 C1 bekannt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann beim Einsatz der Neigungssensoren NM1 und NM2 auch in vertikaler
Anordnung verwendet werden.