DE102007010807A1

DE102007010807A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung der Topografie einer Oberfläche eines Messobjekts

Info

Publication number: DE102007010807A1
Application number: DE200710010807
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Schulz
Original assignee: B R DEUTSCHLAND VERTR D D BUND; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: B R DEUTSCHLAND VERTR D D BUND; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2027-03-03
Also published as: DE102007010807B4

Abstract

Bei einem Verfahren zur Vermessung der Topografie einer Oberfläche (2) eines Messobjekts (3), bei dem ein Sensorkopf (1) schrittweise zur optischen Abtastung von Messpunkten (7) über die Oberfläche (2) geführt wird und eine Sensoranordnung (4) des Sensorkopfs (1) mit wenigstens einem definierten Mess-Mittelpunkt auf die Oberfläche (2) gerichtet ist, wird eine Erhöhung der Messgenauigkeit dadurch erreicht, dass zur Festlegung des jeweiligen Messpunkts (7) die Oberfläche mit einer Markierung versehen wird, die von der Sensoranordnung (4) erkannt und bezüglich ihrer Position für die Messung berücksichtigt wird. Angegeben ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung der Topografie einer Oberfläche eines Messobjekts, bei dem ein Sensorkopf schrittweise zur optischen Abtastung von Messpunkten über die Oberfläche geführt wird, und eine Sensoranordnung des Sensorkopfs mit wenigstens einem definierten Mess-Mittelpunkt auf die Oberfläche gerichtet ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Vermessung der Topografie einer Oberfläche eines Messobjekts mit einem zur schrittweisen optischen Abtastung von Messpunkten über die Oberfläche führbaren Sensorkopf mit einer Sensoranordnung, die mit wenigstens einem definierten Mess-Mittelpunkt auf die Oberfläche gerichtet ist.
Eine Vorrichtung der genannten Art ist durch DE 10 2004 033 600 A1 bekannt. Dabei wird ein Sensorkopf, der eine Mehrzahl von Abstandssensoren aufweist, in einer Abtastrichtung befahren, um Messpunkte der Oberfläche auszumessen. Die Abtastschritte (Scanschritte) werden dabei so gewählt, dass Punkte der Oberfläche aufein ander folgenden Abtastschritten von mehreren Abstandssensoren erfasst werden. Durch eine Winkelmesseinrichtung kann der Winkelwert des Sensorkopfes relativ zur Scanrichtung bestimmt werden und für die Auswertung der Messung berücksichtigt werden.
Eine Kalibriereinrichtung einer derartigen Messanordnung enthält eine Aufnahme für den Sensorkopf, durch den der Sensorkopf in Abtastrichtung kippbar ist, wobei die die Kippung durchführende kreisförmige Führung einen Radius aufweisen soll, dessen Mittelpunkt auf einer ebenen Oberfläche liegt. Überträgt man den Gedanken der Verkippung des Sensorkopfes auf eine Messeinrichtung zur Vermessung der Topografie einer unebenen und gegebenenfalls gekrümmten Oberfläche, wird für jeden Abtastschritt, um den der Sensorkopf relativ zur Oberfläche bewegt wird, der Sensorkopf so eingestellt, dass er senkrecht zur lokalen Oberfläche steht. Der jeweilige Messpunkt der Oberfläche wird durch Bewegung des Sensorkopfes um den Abtastschritt festgelegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer unebenen Oberfläche der Mittelpunkt des Radius der kreisförmigen Führung nicht immer genau in dem durch den Abtastschritt des Sensorkopfes vorgegebenen Messpunkt liegen kann, sodass bei der Ausrichtung des Sensorkopfes senkrecht zur lokalen Oberfläche des zu vermessenen Gegenstandes eine geringe seitliche Verschiebung des Messpunktes stattfindet, sodass die durchgeführte Messung wegen der unscharf gewordenen Zuordnung zu einem Messpunkt auf der Oberfläche mit einem Fehler durchgeführt wird, der naturgemäß die Genauigkeit der Messung reduziert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vermessung der Topografie einer Oberfläche eines Messobjekts der eingangs erwähnten Art zu ermöglichen, bei der die bisher aufgetretenen Messfehler vermieden werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung vor, dass zur Festlegung des jeweiligen Messpunktes die Oberfläche mit einer Markierung versehen wird, die von der Sensoranordnung erkannt und bezüglich Ihrer Position für die Messung berücksichtigt wird.
Erfindungsgemäß wird das bekannte Verfahren zur Vermessung der Topografie einer Oberfläche eines Messobjektes daher dahingehend modifiziert, dass der Messpunkt nicht mehr durch den mit dem Sensorkopf durchgeführten Scanschritt bestimmt wird, sondern durch eine Markierung auf der zu vermessenden Oberfläche. Die vorliegende Erfindung sieht somit eine Trennung des bisher bestehenden notwendigen Zusammenhangs zwischen den Scanschritten und der Festlegung der Messpunkte vor. Voraussetzung hierfür ist wenigstens ein Sensor in der Sensoranordnung, der ein sensorfestes Koordinatensystem aufweist und daher in der Lage ist, die Lage des markierten Messpunktes relativ zu seinem Koordinatensystem (Mess-Mittelpunkt) und den zu dem Messpunkt gehörenden Messwert zu ermitteln. Zweckmäßig ist daher ein Sensor, mit dem die Messung, beispielsweise eine Abstandsmessung oder eine Winkelmessung, über eine Messfläche für jeden Punkt der Messfläche bestimmbar ist. Besonders geeignete Sensoren hierfür sind beispielsweise Interferometer, bei denen Interferenzmuster auf dem gesamten Bereich der Bildebene auswertbar sind, aber auch beispielsweise flächig abtastende mechanische Abstandssensoren mit einem Array von Abtaststiften.
Die Markierung kann auf die Oberfläche aufgebracht, beispielsweise aufgedruckt, sein. Hierfür eignet sich beispielsweise eine Markierung in Form eines Gitters oder in Form von aufgedruckten Markierungspunkten. Die Markierung kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aber auch auf die Oberfläche optisch projiziert werden, und zwar in einer bevorzugten Ausführungsform durch eine am Sensorkopf angebrachte Lichtquelle, die auf die Oberfläche einen Markierungspunkt projiziert und mit dem Sensorkopf befahrbar ist. Die auf die Oberfläche projizierte Struktur kann dabei ein kleiner Lichtfleck (Punkt), aber auch jede andere Markierung, wie ein Kreuz o. ä. sein. Auch virtuelle Bilder oder Muster sind als Markierung möglich. Die Projektion einer Markierung auf die Oberfläche gelingt bei durchsichtigen Messobjekten auch dadurch, dass die Projektion des Lichtpunktes auf die Oberfläche von der Unterseite durch das Messobjekt hindurch erfolgt.
Die Sensoren sind vorzugsweise Abstandssensoren, die beispielsweise durch Interferometer, durch Autokollimationsfernrohre u. ä. gebildet sein können.
Die Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft bei einem Messverfahren ausführen, bei dem die Sensoranordnung jeweils zur lokalen Oberfläche im Messpunkt ausgerichtet wird, um beispielsweise jeweils senkrecht zur lokalen Oberfläche im Messpunkt zu stehen. Hierfür kann die Sensoranordnung auf einer kreisförmigen Führung angeordnet sein, deren Kreismittelpunkt im Bereich der Oberfläche positioniert wird.
Die erfindungsgemäße Berücksichtigung der Position des Messpunktes kann dadurch erfolgen, dass die Sensoranordnung der mehreren Sensoren relativ zu dem Sensorkopf, vorzugsweise in einer x-y-Ebene, die im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Messobjekts verläuft, verschiebbar ist, sodass ein Mess-Mittelpunkt der Sensoranordnung auf die Markierung ausgerichtet ist.
Es ist aber auch möglich, lediglich die (geringe) Abweichung des Mess-Mittelpunkts von der Markierung festzustellen und für die Auswertung der Messung zu berücksichtigen.
Für die Feststellung der Position der Markierung relativ zum Mess-Mittelpunkt der Sensoranordnung kann die Sensoranordnung mit einer entsprechenden Kamera fest verbunden sein. Bei der Verwendung von Interferometern als Abstandssensoren ist die Markierung im Interferenzbild des Interferometers erkennbar, sodass der Abstandsvektor des Bildes der Markierung von dem Mess-Mittelpunkt festgestellt und für die Auswertung berücksichtigt werden kann.
Durch die Erfindung ist es möglich, nunmehr auch stärker gekrümmte Oberflächen von Messobjekten mit dem eingangs erwähnten und durch die DE 10 2004 033 600 A1 bekannten Verfahren zu vermessen.
Die beigefügte Zeichnung zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Erkennbar ist ein Sensorkopf 1, der in einer Abtastrichtung A relativ zu einer zu vermessenden Oberfläche 2 eines Messobjekts schrittweise verschoben wird. An dem Sensorkopf 1 ist eine Sensoranordnung 4 mit einer Mehrzahl von Sensoren vorgesehen, die durch entsprechende Abtaststrahlen 5 schematisch angedeutet sind.
Um auch stärker gekrümmte Oberflächen 2 vermessen zu können, ist die Sensoranordnung 4 an dem Sensorkopf 1 mit einer kreisförmigen, in Abtastrichtung A ausgerichteten kreisabschnittsförmigen Führung 6 gelagert. Der Sensorkopf 1 soll dabei einen solchen Abstand von dem Messobjekt 3 aufweisen, dass der Radius der kreisbogenförmigen Führung 6 seinen Mittelpunkt auf der Oberfläche hat. Wäre dies exakt gegeben, könnte die Sensoranordnung auf der kreisbogenförmigen Führung 6 gekippt werden, ohne den Abstand zu der Oberfläche 2 die Position des mit der Sensoranordnung angestrahlten Messpunktes 7 auf der Oberfläche 2 zu verändern. Diese Voraussetzung ist jedoch regelmäßig nicht exakt erfüllt, sodass die für die Durchführung der Messung erforderliche Verkippung der Sensoranordnung 4 zu einer Verschiebung des Mess-Mittelpunkts der Sensoranordnung 4 führt, sodass der Mess-Mittelpunkt der Sensoranordnung 4 nicht mit dem durch einen Abtastschritt ursprünglich vorgesehenen Messpunkt 7 übereinstimmt.
Der Sensorkopf 1 weist daher eine Lichtquelle 8 auf, mit der ein Lichtstrahl 9 auf den Messpunkt 7 fokussiert wird, sodass der Messpunkt 7 durch den Lichtstrahl 9 punktförmig markiert ist. Nach der für den Messpunkt 7 erforderlichen Verkippung der Sensoranordnung 4 so, dass die Sensoranordnung 4 senkrecht zu der lokalen Oberfläche 2 im Messpunkt 7 steht, kann es daher vorgesehen sein, dass die Sensoranordnung 4 in einer x-y-Ebene, die etwa parallel zur Oberfläche 2 des Messobjekts 3 verläuft, verschiebbar ist, um den Mess-Mittelpunkt der Sensoranordnung 4 mit dem durch den Lichtstrahl 9 gebildeten Markierungspunkt im Messpunkt 7 zur Übereinstimmung zu bringen.
Alternativ ist es, beispielsweise bei der Verwendung von Interferometern als Sensoren, möglich, die Lage des Messpunkts 7 relativ zum Mess-Mittelpunkt der Sensoranordnung 4 zu bestimmen und bei der Auswertung mit zu berücksichtigen.
Sofern eine Verschiebung der Sensoranordnung 4 relativ zum Sensorkopf 1 vorgesehen ist, kann es für stark gekrümmte Oberflächen 2 auch zweckmäßig sein, eine Verschiebung in z-Richtung, also senkrecht zur Oberfläche 2 des Messobjekts 3 vorzusehen, damit die Bedingung erfüllt ist, wonach der Mittelpunkt des Radius der kreisbogenförmigen Führung 6 auf der Oberfläche des 2 des Messobjekts 3 liegt, auch bei stärker unebenen Oberflächen 2 durch Nachführen der Sensoranordnung 4 erfüllt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102004033600 A1 [0003, 0015]

Claims

Verfahren zur Vermessung der Topografie einer Oberfläche (2) eines Messobjekts (3), bei dem ein Sensorkopf (1) schrittweise zur optischen Abtastung von Messpunkten (7) über die Oberfläche (2) geführt wird und eine Sensoranordnung (4) des Sensorkopfs (1) mit wenigstens einem definierten Mess-Mittelpunkt auf die Oberfläche (2) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass, zur Festlegung des jeweiligen Messpunktes (7) die Oberfläche mit einer Markierung versehen wird, die von der Sensoranordnung (4) erkannt und bezüglich ihrer Position für die Messung berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (4) jeweils zur lokalen Oberfläche (2) im Messpunkt (7) ausgerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung des Sensorkopfs (1) auf einer kreisförmigen Führung (6) vorgenommen wird, deren Kreismittelpunkt im Bereich der Oberfläche (2) positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (4) relativ zum Sensorkopf (1) verschoben wird, um die senkrecht zur lokalen Oberfläche stehende Sensoranordnung (4) auf die Markierung auszurichten.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (4) mittels einer x-y-Führung verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (4) in dem Sensorkopf (1) zusätzlich in z-Richtung zur Änderung des Abstandes zur Oberfläche (2) verschoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abweichung der Markierung vom Mess-Mittelpunkt der Sensoranordnung (4) mittels der Sensoranordnung (4) festgestellt und für die Auswertung der Messung berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung auf die Oberfläche projiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoranordnung (4) mit Abstandssensoren verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (4) mehrere in Abtastrichtung (A) fest zueinander beabstandete Abstandssensoren aufweist, und dass der Sensorkopf (1) in solchen Abtastschritten in der Abtastrichtung (A) bewegt wird, dass Punkte der Oberfläche (2) in aufeinander folgenden Abtastschritten jeweils von mehreren Abstandssensoren erfasst werden.
Vorrichtung zur Vermessung der Topografie einer Oberfläche (2) eines Messobjekts (3), mit einem zur schrittweisen optischen Abtastung von Messpunkten (7) über die Oberfläche (2) führbaren Sensorkopf (1) mit einer Sensoranord nung, die mit wenigstens einem definierten Mess-Mittelpunkt auf die Oberfläche (2) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (4) eine Erkennungseinrichtung zur Erkennung der Position einer Markierung auf der Oberfläche (2) und eine Einrichtung zur Berücksichtigung der Position der Markierung bezüglich des wenigstens einen Mess-Mittelpunkts der Sensoranordnung (4) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (4) jeweils zur lokalen Oberfläche (2) im Messpunkt (7) ausrichtbar angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine kreisförmige Führung (6) der Sensoranordung (4), deren Kreismittelpunkt im Bereich der Oberfläche (2) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Führung der Sensoranordnung (4) zur Ausrichtung des Mess-Mittelpunkts der Sensoranordnung (4) auf die Markierung enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung eine x-y-Führung enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung zusätzlich eine z-Führung zur Änderung des Abstandes zur Oberfläche (2) enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Auswertungseinrichtung zur Berücksichtigung der Abweichung der Markierung von dem Mess-Mittelpunkt aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (1) einen Lichtstrahlprojektor (8) zum Projizieren der Markierung in Form eines Lichtpunktes auf der Oberfläche (2) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (4) Abstandssensoren aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (4) mehrere in Abtastrichtung (A) fest zueinander beabstandete Abstandssensoren aufweist und in Abtastschritten so in Abtastrichtung (A) bewegbar ist, dass Punkte der Oberfläche (2) in aufeinander folgenden Abtastschritten jeweils von mehreren Abstandssensoren erfasst werden.