DE102009019217B4

DE102009019217B4 - Verfahren zur Messung der Aussenkontur einer Tastnadel eines Messtasters und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102009019217B4
Application number: DE200910019217
Authority: DE
Inventors: Dr. Breitmeier Ulrich
Original assignee: Breitmeier Messtechnik GmbH
Current assignee: Breitmeier Messtechnik GmbH
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2029-05-01
Also published as: DE102009019217A1

Abstract

Verfahren zur Messung der Außenkontur einer Tastspitze einer Tastnadel für einen Rauheits- oder Profilmesstaster oder eines Rauheits- oder Profilmesstasters zur Erfassung oder Messung eines mikroskopischen Oberflächenprofils eines Messobjekts, insbesondere eines Werkstücks, bei dem die Tastspitze mit Hilfe einer Lichtquelle derart mit Licht beleuchtet wird, dass ein maßstabstreues oder maßstäbliches Schattenbild der Tastspitze auf eine Kamera, vorzugsweise eine CCD-Kamera, abgebildet wird, das mit einer Schattenkontur begrenzt ist, wobei an jeder Stelle entlang der Schattenkontur eine Lichtintensitätsverteilung auftritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der zu der Außenkontur der Tastspitze maßstabsgetreuen oder maßstäblichen Schattenkante derart bestimmt wird, dass an einer Vielzahl von Messpunkten entlang der Schattenkontur die Intensitätsverteilung des Lichts quer oder senkrecht zu der Schattenkontur erfasst und die maximale Lichtintensität bestimmt wird, wobei oder wonach derjenige Lichtintensitätswert ermittelt oder berechnet wird, der das 0,1 bis 0,5-fache der maximalen Lichtintensität beträgt, wobei der Ort, an dem dieser Lichtintensitätswert auftritt, für jeden Messpunkt entlang der Schattengrenze als Ist-Position der zur Außenkontur der Tastspitze maßstabstreuen oder maßstäblichen Schattenkante angenommen oder ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Außenkontur einer Tastspitze einer Tastnadel für einen Rauheits- oder Profilmesstaster oder eines Rauheits- oder Profilmesstasters zur Erfassung bzw. Messung eines mikroskopischen Oberflächenprofils eines Messobjekts, insbesondere eines Werkstücks, bei dem die Tastspitze mit Hilfe einer Lichtquelle derart mit Licht beleuchtet wird, dass ein maßstabsgetreues bzw. maßstäbliches Schattenbild der Tastspitze auf eine Kamera, vorzugsweise eine CCD-Kamera, abgebildet wird, das mit einer Schattenkontur begrenzt ist, wobei an jeder Stelle entlang der Schattenkontur eine Lichtintensitätsverteilung auftritt. Mit andern Worten tritt prinzipbedingt trotz optimaler Fokussierung eine hinsichtlich ihrer Hell-Dunkel-Begrenzung „unscharfe” Schattenkontur auf bzw. wird diese mit Hilfe der Kamera erfasst. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Der Radius und die Form der Tastspitze von Tastnadeln von/für Oberflächenrauheits- oder Profilmessgeräte/n bestimmen die Wiedergabetreue des abgetasteten Oberflächenprofils und die Präzision der daraus berechneten Kennwerte. Weil die Tastnadeln bzw. deren Tastspitzen einem Verschleiß unterworfen wind, ist es geboten, die Tastnadelspitze von Zeit zu Zeit auf Verschleiß, abgebrochene Splitter oder Radiusänderungen zu überprüfen.
Man kann dies dadurch vornehmen, dass man mit der Tastnadel über eine scharfe Kante, z. B. eine Rasierklinge, mit einem Radius fährt, der kleiner als der Tastnadelradius ist. Da immer der größere Radius am kleineren Radius abgebildet wird, ist das Ergebnis eine „Faltung” der beiden Radiusprofile von Kante und Nadel. Durch geeignete mathematische „Entfaltung” kann man den Tastnadelradius ermitteln.
Dieses Verfahren ist jedoch aufwendig, langsam und wenig intuitiv.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Messung der Außenkontur einer Tastspitze einer Tastnadel und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen, dass schnell, kostengünstig und intuitiv durchführbar ist.
Die Erfindungsaufgabe wird hinsichtlich des Messverfahrens durch die Merkmale des Anspruches 1, insbesondere dadurch gelöst, dass die Position der zu der Außenkontur der Tastspitze maßstabsgetreuen bzw. maßstäblichen Schattenkante derart bestimmt wird, dass an einer Vielzahl von Messpunkten entlang der Schattenkontur die Intensitätsverteilung des Lichts quer bzw. senkrecht zu der Schattenkontur erfasst und die maximale Lichtintensität bestimmt wird, wobei oder wonach derjenige Lichtintensitätswert ermittelt bzw. berechnet wird, der das 0,1 bis 0,5-fache der maximalen Lichtintensität, d. h. des hellen Beugungssaums, beträgt, wobei der Ort, an dem dieser Lichtintensitätswert auftritt, für jeden Messpunkt entlang der Schattengrenze als Ist-Position der zur Außenkontur der Tastspitze maßstabsgetreuen bzw. maßstäblichen Schattenkante angenommen bzw. ermittelt wird. Mit anderen Worten kann die Position der Schattenkante an jeder Stelle durch denjenigen Ort bestimmt werden, an dem der Helligkeitswert bei optimaler Fokussierung das 0,1 bis 0,5-fache der Maximalhelligkeit des Kamerabildes, d. h. des hellen Beugungsraums, beträgt.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass derjenige Lichtintensitätswert ermittelt bzw. berechnet wird, der das 0,15 bis 0,35-fache, vorzugsweise das 0,2- bis 0,3-fache, insbesondere das 0,22-fache, der maximalen Lichtintensität beträgt. Dieser Lichtintensitätswert kann für jeden Messpunkt entlang der Schattengrenze als Ist-Position der zur Außenkontur der Tastspitze maßstabstreuen bzw. maßstäblichen Schattenkante angenommen bzw. ermittelt werden. Vorteilhaft kann der Ort der Schattenkante als der 0,15 bis 0,35-fache, vorzugsweise der 0,2- bis 0,3-fache, insbesondere der 0,22-fache, Wert der Maximalhelligkeit bestimmt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Tastspitze mit monochromatischem oder quasimonochromatischem Licht beleuchtet wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass aus den für jeden Messpunkt oder für bestimmte Messpunkte ermittelten Lichtintensitätswerten ein Bogen oder Radius der Tastspitze berechnet wird.
In vorteilhafter Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass während der Messung der Außenkontur der Tastspitze die mittels der Kamera erfasste Bildhelligkeit konstant gehalten wird.
Es kann auch oder zusätzlich vorgesehen sein, dass die Bildhelligkeit bzw. Bildintensität durch Regeln der Lichtstärke der Lichtquelle und/oder durch Änderung der Belichtungszeit der Kamera konstant gehalten wird.
Bevorzugt kann die Messung bei bzw. mit nach unten hängender Tastspitze durchgeführt werden.
Die Erfindungsaufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 8 gelöst.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Objektiv eine numerische Objektivapertur von mindestens 0,8 aufweisen bzw. dass die Objektivapertur mindestens 0,8 beträgt.
Bevorzugt kann das Messmikroskop die Lichtquelle zur Beleuchtung der Tastspitze und die Kamera, vorzugsweise eine CCD-bzw. Digital-Kamera, zur Erfassung eines mit Hilfe der Lichtquelle erzeugten Schattenbildes der Tastspitze aufweisen.
Bevorzugt kann mit Hilfe der Lichtquelle quasi-monochromatisches Licht zur Beleuchtung der Tastspitze erzeugt bzw. zur Verfügung gestellt werden.
Ferner können Mittel zur gesteuerten Verschiebung des Objektivs und/oder der Tastnadel in Richtung der Objektivachse vorhanden sein.
Alternativ oder zusätzlich können Mittel zur gesteuerten Verschiebung des Messmikroskops in Richtung der Objektivachse des Objektivs vorhanden sein.
Ferner können, ggf. zusätzlich, Mittel zur Drehung der Tastnadel vorhanden sein.
Schließlich können Mittel zur Verstellung der Tastnadel in wenigstens zwei zueinander senkrechten Richtungen (x und y), vorzugsweise in drei jeweils zueinander senkrechten Richtungen (x, y und z), vorhanden sein.
Auch können Mittel zur automatischen Kalibrierung des Messmikroskops vorgesehen sein, mit deren Hilfe das Messmikroskop automatisch kalibriert werden kann bzw. kalibriert wird.
Ferner können Mittel zur Einstellung der Vergrößerung vorgesehen sein.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Objektiv senkrecht unterhalb der Tastspitze angeordnet sein bzw. werden.
Bei dem Messmikroskop kann es sich um ein Auflichtmikroskop oder um ein Durchlichtmikroskop oder um ein konfokales Mikroskop oder um ein kurzkohärentes Interferenzmikroskop handeln.
Schneller und intuitiver als bisher lässt sich die Qualität der Tastnadel bzw. deren Tastspitze mit einem Mikroskop überprüfen und aus dem aufgenommenen Bild auch der Radius berechnen. Dabei sind einige praxisrelevante Gesichtspunkte wesentlich:
Der Arbeitsabstand sollte nicht zu klein sein, sollte also beispielsweise wenigstens 5 mm oder mehr betragen, da man sonst kaum Zugang zur Tastnadel im eingebauten Zustand hat (Die Nadel ist im Messtaster montiert).
Außerdem sollte die Abbildung beugungsbegrenzt sein. Dies bedeutet, dass man die Abbildungseigenschaften einer mikroskopischen Vorrichtung dahingehend voll ausnutzen kann, dass eine weitere Steigerung der Vergrößerung eine sog. leere Vergrößerung ohne weiteren Informationsgewinn wäre. Bevorzugt können dazu die Größe und Anzahl der Kamerapixel, die Vergrößerung, die Lichtwellenlänge, das Objektfeld und die Beleuchtungs- und Abbildungsapertur aufeinander abgestimmt sein, um die physikalisch vorgegebene theoretische Auflösungsgrenze von ca. 200 nm zu erreichen. Dies ist deshalb wichtig, weil übliche Nadelradien ca. 2 μm betragen. Die Aperturen sollen möglichst hoch sein wobei ein Kompromiss hinsichtlich des daraus resultierenden Arbeitsabstand geschlossen werden muss. Die größtmögliche Auflösung bedingt zudem eine möglichst kleine Lichtwellenlänge, weshalb sich blaues Licht einer LED als vorteilhaft erweist.
Noch besser wird die Messung des Nadelradius, wenn man das Rayleighkriterium für die mikroskopisch bestmögliche Auflösung durch Maßnahmen für eine ”Überauflösung” abschwächt. Dabei kann durch eine definierte Auswertung der Schattenkante eine optimale Auflösung erzielt werden. Dies ist der Fall, wenn als berechnete Objektkante die relative Intensität I_x genommen wird, und zwar durch Schwellwertbildung bevorzugt bei I_x/I₀ = 0,22. Diese wird nur bei bestmöglicher Fokussierung auf das Objekt erreicht. Bei der Schattenwurfmethode ist ein Kriterium dafür das Erscheinen eines hellen Beugungssaums erster Ordnung um die dunkle Objektkontur. Bei diesem Abstand Objekt-Objektiv kann das Kamerabild aufgenommen werden.
Aus dem Kamerabild kann der Nadelradius durch Anpassen eines Kreises berechnet werden. Der dafür verwendete Bildausschnitt kann von Anwender gesetzt werden.
Für eine gute Auswertung ist es erforderlich, dass die Bildhelligkeit konstant gehalten wird. Dies kann durch Nachregeln der Lichtquelle und/oder durch Änderung der Belichtungszeit der Kamera erreicht werden.
Für die durch den Beugungssaum gegebene Helligkeit I_max gilt näherungsweise: I_max = 1,094 × I₀. Die Helligkeit I₀ soll somit auf den Wert: Anzahl der Digitalisierungsschritte/1,09 geregelt werden.
Hilfreich ist es, wenn man zunächst eine kleinere Vergrößerung mit entsprechend großem Objektfeld einstellt, damit man die Tastnadel leichter innerhalb des Bildes justieren kann. Zur eigentlichen Messung schaltet man dann auf die größtmögliche Vergrößerung um.
Es versteht sich, dass die vorstehenden Merkmale und Maßnahmen im Rahmen der Ausführbarkeit beliebig kombinierbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Gesichtspunkte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus dem nachfolgenden Beschreibungsteil.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Messverfahrens;
2 den Helligkeitsverlauf bzw. Intensitätsverlauf des Schattenbildes des Messobjekts an einem bestimmten Messpunkt.
Die geometrische Kante bzw. die Position der Schattenkante wird an jeder Stelle bzw. an jedem Messpunkt dort angenommen bzw. bestimmt, wo der Helligkeitswert bzw. die Lichtintensität das 0,22-fache der maximalen Helligkeit bzw. Lichtintensität des Kamerabildes beträgt
Die Erfindung kann auch wie folgt zusammengefasst werden: Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. ein optisches Messmikroskop zur Konturmessung im Mikrometerbereich, wobei eine beugungsbegrenzte Abbildung des Messobjekts erfolgt, und wobei mathematische Verfahren der Superresolution, d. h. der Überauflösung, angewandt werden.
Bezugszeichenliste

1: Lichtquelle
2: Tastspitze
3: (hochaperturiges) Objektiv
4: Beleuchtungsstrahlengang
5: (CCD-)Kamera
6: (telezentrisches) Objektiv
7: Abbildungsstrahlengang

Claims

Verfahren zur Messung der Außenkontur einer Tastspitze einer Tastnadel für einen Rauheits- oder Profilmesstaster oder eines Rauheits- oder Profilmesstasters zur Erfassung oder Messung eines mikroskopischen Oberflächenprofils eines Messobjekts, insbesondere eines Werkstücks, bei dem die Tastspitze mit Hilfe einer Lichtquelle derart mit Licht beleuchtet wird, dass ein maßstabstreues oder maßstäbliches Schattenbild der Tastspitze auf eine Kamera, vorzugsweise eine CCD-Kamera, abgebildet wird, das mit einer Schattenkontur begrenzt ist, wobei an jeder Stelle entlang der Schattenkontur eine Lichtintensitätsverteilung auftritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der zu der Außenkontur der Tastspitze maßstabsgetreuen oder maßstäblichen Schattenkante derart bestimmt wird, dass an einer Vielzahl von Messpunkten entlang der Schattenkontur die Intensitätsverteilung des Lichts quer oder senkrecht zu der Schattenkontur erfasst und die maximale Lichtintensität bestimmt wird, wobei oder wonach derjenige Lichtintensitätswert ermittelt oder berechnet wird, der das 0,1 bis 0,5-fache der maximalen Lichtintensität beträgt, wobei der Ort, an dem dieser Lichtintensitätswert auftritt, für jeden Messpunkt entlang der Schattengrenze als Ist-Position der zur Außenkontur der Tastspitze maßstabstreuen oder maßstäblichen Schattenkante angenommen oder ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derjenige Lichtintensitätswert ermittelt oder berechnet wird, der das 0,15 bis 0,35-fache, vorzugsweise das 0,2- bis 0,3-fache, insbesondere das 0,22-fache, der maximalen Lichtintensität beträgt, wobei dieser Lichtintensitätswert für jeden Messpunkt entlang der Schattengrenze als Ist-Position der zur Außenkontur der Tastspitze maßstabstreuen oder maßstäblichen Schattenkante angenommen oder ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tastspitze mit monochromatischem oder quasi-monochromatischem Licht beleuchtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus den für jeden Messpunkt oder für bestimmte Messpunkte ermittelten Lichtintensitätswerten ein Bogen oder Radius der Tastspitze berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der Messung der Außenkontur der Tastspitze die mittels der Kamera erfasste Bildhelligkeit konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildhelligkeit oder Bildintensität durch Regeln der Lichtstärke der Lichtquelle und/oder durch Änderung der Belichtungszeit der Kamera konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung bei oder mit nach unten hängender Tastspitze durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, die ein Messmikroskop, insbesondere ein optisches Messmikroskop, mit wenigstens einem Objektiv, eine Lichtquelle und eine Kamera enthält, wobei die Lichtquelle eine Tastspitze einer Tastnadel für einen Rauheits- oder Profilmesstaster oder eines Rauheits- oder Profilmesstasters zur Erfassung oder Messung eines mikroskopischen Oberflächenprofils eines Messobjekts, insbesondere eines Werkstücks, derart mit Licht beleuchtet, dass ein maßstabstreues oder maßstäbliches Schattenbild der Tastspitze auf die Kamera abgebildet wird, das mit einer Schattenkontur begrenzt ist, wobei an jeder Stelle entlang der Schattenkontur eine Lichtintensitätsverteilung auftritt, und wobei Mittel vorgesehen sind, um die Position der zu der Außenkontur der Tastspitze maßstabstreuen oder maßstäblichen Schattenkante derart zu bestimmen, dass an einer Vielzahl von Messpunkten entlang der Schattenkontur die Intensitätsverteilung des Lichts quer oder senkrecht zu der Schattenkontur erfasst und die maximale Lichtintensität bestimmt wird, wobei oder wonach derjenige Lichtintensitätswert ermittelt oder berechnet wird, der das 0,1 bis 0,5-fache der maximalen Lichtintensität beträgt, und wobei der Ort, an dem dieser Lichtintensitätswert auftritt, für jeden Messpunkt entlang der Schattengrenze als Ist-Position der zur Außenkontur der Tastspitze maßstabstreuen oder maßstäblichen Schattenkante angenommen oder ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv eine Objektivapertur von mindestens 0,8 aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmikroskop die Lichtquelle zur Beleuchtung der Tastspitze und die Kamera, vorzugsweise eine CCD-Kamera, zur Erfassung eines mit Hilfe der Lichtquelle erzeugten Schattenbildes der Tastspitze enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Lichtquelle quasi-monochromatisches Licht zur Beleuchtung der Tastspitze erzeugt und/oder zur Verfügung gestellt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur gesteuerten Verschiebung des Objektivs und/oder der Tastnadel in Richtung der Objektivachse vorhanden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur gesteuerten Verschiebung des Messmikroskops in Richtung der Objektivachse des Objektivs vorhanden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Drehung der Tastnadel vorhanden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Verstellung der Tastnadel in wenigstens zwei zueinander senkrechten Richtungen (x und y), vorzugsweise in drei jeweils zueinander senkrechten Richtungen (x, y und z), vorhanden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur automatischen Kalibrierung des Messmikroskops vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmikroskop mit Hilfe der Mittel zur automatischen Kalibrierung automatisch kalibriert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Einstellung der Vergrößerung vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv senkrecht unterhalb der Tastspitze angeordnet ist oder wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Messmikroskop um ein Auflichtmikroskop handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Messmikroskop um ein Durchlichtmikroskop handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Messmikroskop um ein konfokales Mikroskop handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Messmikroskop um ein kurzkohärentes Interferenzmikroskop handelt.