DE102011081596A1

DE102011081596A1 - Verfahren zum Betreiben eines Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems zum gleichzeitigen Messen zweier Oberflächenzonen

Info

Publication number: DE102011081596A1
Application number: DE102011081596A
Authority: DE
Inventors: Casey Edward Emtman; Yong Xie
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2012-04-19
Also published as: US8194251B2; CN102384721A; US20120050723A1; JP2012047743A; JP5871519B2; CN102384721B

Abstract

Ein System und Verfahren stellen ein Zweistrahl-Farbpunktsensor(CPS)-System zur Verfügung, das dahingehend funktionsfähig ist, gleichzeitig zwei Oberflächenzonen zu messen. In einem Ausführungsbeispiel kann an einem Einstrahl-CPS-Optikstift eine Zweistrahlvorrichtung angebracht sein. Ein erster und zweiter Messstrahl des Systems können auf jeweiligen ersten und zweiten Oberflächenzonen positioniert werden und beide reflektieren Licht durch eine konfokale Blende des Zweistrahl-CPS. Es wird zumindest ein Satz von Messungen bestimmt, der eine erste und eine zweite Messung umfasst, die sich aus dem ersten bzw. zweiten Messstrahl ergeben. Zumindest die erste Oberflächenzone kann bewegt werden, um Sätze von Messungen an verschiedenen Positionen zu erfassen. Jede Messung kann mit extrem feiner Auflösung (zum Beispiel mindestens 10 nm fein) bestimmt werden. Das System und Verfahren erfüllen Anwendungszwecke, die eine solche Auflösung und Genauigkeit erfordern, ohne die Verwendung eines Interferometers oder anderer kostenaufwändiger und komplexer Elemente.

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Die vorliegende Erfindung ist eine Teilfortführungsanmeldung der US-Patentanmeldung Seriennr. 12/869,687, eingereicht am 26. August 2010, deren Anmeldungsdatum und Priorität hiermit gemäß 35 U. S. C. § 120 beansprucht werden. Der Schlüsselinhalt der US-Patentanmeldung Nr. 12/869,687 ist vorliegend eingeschlossen und ansonsten durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit vorliegend aufgenommen.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Präzisionsmessinstrumente und insbesondere ein Verfahren zum Betreiben eines Farbpunktsensorsystems, in dem zusätzliche optische Elemente verwendet werden, um zweifache Strahlen für eine gleichzeitige Messung zweier Oberflächenzonen zu erzeugen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gesteuerte Farbaberrationstechniken können zu Anwendungszwecken der Entfernungsmessmetrologie eingesetzt werden. Wie in „Pseudocolor Effects of Longitudinal Chromatic Aberration", G. Molesini und S. Quercioli, J. Optics (Paris), 1986, Band 17, Nr. 6, Seiten 279–282 beschrieben ist, kann eine gesteuerte Längsfarbaberration (vorliegend auch als axiale Farbdispersion bezeichnet) in einem optischen Abbildungssystem eingeführt werden, was bewirkt, dass die Abbildungssystem-Brennweite gemäß der Wellenlänge variiert, was Mittel zur optischen Metrologie bereitstellt. Insbesondere kann eine Linse entworfen werden, deren Schnittweite (back focal length, BFL) eine monotone Wellenlängenfunktion ist. Im Weißlichtbetrieb zeigt eine solche Linse einen Regenbogen axial verteilter Fokusse, die als Spektralsonde für Entfernungsmessanwendungen eingesetzt werden können.
Als weiteres Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 7,477,401 , das vorliegend in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist, dass ein optisches Element mit einer axialen Farbaberration, die auch als axiale oder Längsfarbdispersion bezeichnet wird, verwendet werden kann, um eine Breitbandlichtquelle so zu fokussieren, dass der axiale Abstand zum Brennpunkt gemäß der Wellenlänge variiert. Somit wird nur eine Wellenlänge präzise auf eine Oberfläche fokussiert und der axiale Abstand oder die Höhe der Oberfläche bestimmt, welche Wellenlänge am besten fokussiert wird. Bei einer Reflexion von der Oberfläche wird das Licht auf eine kleine Detektorblende zurück fokussiert, wie etwa ein Nadelloch und/oder das Ende einer Faseroptik. Bei einer Reflexion von einer Oberfläche wird nur die Wellenlänge, die gut auf die Oberfläche fokussiert wird, gut auf das Nadelloch und/oder die Faser fokussiert. Alle anderen Wellenlängen werden schlecht auf die Faser fokussiert und koppeln somit nicht viel Leistung in die Faser. Daher ist der Signalpegel am größten für die Wellenlänge, der der Höhe des Gegenstands entspricht. Ein Spektrometer am Detektor misst den Signalpegel für jede Wellenlänge, was die Höhe des Gegenstands wirksam angibt.
Bestimmte Hersteller nehmen Bezug auf eine praktische und kompakte optische Baugruppe bzw. Vorrichtung, die für eine chromatische konfokale Entfernungsmessung in einer industriellen Einstellung geeignet ist, wie etwa ein Farbkonfokalpunktsensor und/oder ein „optischer Stift” bzw. „Optikstift”. Ein Beispiel für Optikstiftinstrumente, die die Z-Höhe messen, sind jene, die von STIL, S. A. in Aix-en-Provence, Frankreich (STIL S. A.) hergestellt werden. Als spezifisches Beispiel misst der STIL-Optikstift mit der Modellnummer OP 300NL die Z-Höhen und hat einen Bereich von 300 μm.
Eine weitere Konfiguration für einen Farbkonfokalpunktsensor ist in dem allgemein übertragenen US-Patent Nr. 7,626,705 (das '705-Patent) beschrieben, das hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist. Das '705-Patent offenbart eine Linsenkonfiguration, die einen verbesserten optischen Durchsatz und eine verbesserte Fleckgröße liefert, was zu einer verbesserten Messauflösung im Vergleich zu verschiedenen im Handel erhältlichen Konfigurationen führt.
Für verschiedene Anwendungszwecke können Verbesserungen beim Betrieb verschiedener Aspekte derzeit erhältlicher optischer Stifte wünschenswert sein (beispielsweise die Fähigkeit, mehrere Punkte auf verschiedenen Oberflächen und/oder in verschiedenen Abständen zu messen, auch gleichzeitig, etc.). Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zum Betreiben eines verbesserten Farbpunktsensors gerichtet, in dem zusätzliche optische Elemente verwendet werden, um zweifache Strahlen zum gleichzeitigen Messen zweier Oberflächenzonen zu erzeugen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Zusammenfassung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form einzuführen, die nachstehend in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben sind. Diese Zusammenfassung soll weder Schlüsselmerkmale des beanspruchten Gegenstands identifizieren noch soll sie als Unterstützung beim Bestimmen des Umfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet werden.
Es wird ein Farbkonfokalpunktsensorsystem bereitgestellt, das eine Zweistrahl-Farbkonfokalpunktsensorstiftanordnung umfasst. Der Zweistrahl-Farbkonfokalpunktsensorstift (auch als der optische Stift bzw. Optikstift bezeichnet) ist so konfiguriert, dass ein erster Messstrahl, der Licht vom optischen Stift umfasst, auf einer ersten Oberflächenzone (beispielsweise eines Werkstücks) positioniert werden kann und ein zweiter Messstift, der Licht vom optischen Stift umfasst, gleichzeitig auf einer zweiten Oberflächenzone positioniert werden kann, und Messlicht, das aus dem ersten und zweiten Messstrahl hervorgeht, kann durch den optischen Stift und die konfokale Apertur bzw. Blende zurück empfangen werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist eine Zweistrahlbaugruppe bzw. -vorrichtung vorgesehen, die am Ende eines Farbkonfokalpunktsensorstifts angebracht sein kann. Bei Fehlen der Zweistrahlvorrichtung stellt ansonsten der Farbkonfokalpunktsensorstift einen Einzelquellstrahl mit einem Messbereich R bereit. In einer Ausführungsform umfasst die Zweistrahlanordnung ein Anbringungselement, das dazu konfiguriert ist, am Ende des Farbkonfokalpunktsensorstifts angebracht zu werden, und ein erstes reflektierendes Element ist am Anbringungselement befestigt. Das erste reflektierende Element ist im Quellstrahl vom optischen Stift positioniert (beispielsweise im konvergierenden Abschnitt des Quellstrahls, der die Farbaberration einschließt), und teilt den Quellstrahl in einen ersten Messstrahl und einen zweiten Messstrahl. Die Zweistrahlvorrichtung gibt den ersten und zweiten Messstrahl entlang erster und zweiter Messachsen aus und führt Werkstückmesslicht, das aus dem ersten und zweiten Messstrahl hervorgeht, zum Farbkonfokalpunktsensorstift zurück.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das erste reflektierende Element in einer Umsetzung ein Muster aus reflektierenden Zonen und durchlässigen Zonen umfassen. In einer Ausführungsform können die reflektierenden Zonen ebene oberflächenreflektierende Spiegelzonen umfassen und die durchlässigen Zonen können offene Löcher umfassen. In einer Umsetzung kann das Muster als geätztes Blendenmuster ausgebildet sein, in dem Teile des Strahls durch Blendenlöcher (beispielsweise Löscher durch dünnes Material, wie etwa einen Siliciumchip oder Blattmetall etc.) übertragen werden, und einige Teile des Strahls werden von den ungeätzten Materialzonen der Blendenmembran oder -platte reflektiert. In bestimmten Ausführungsformen kann die Verwendung solcher Blendentechniken gegenüber dem Gebrauch von Strahlteilerkuben etc. bevorzugt sein, die in einigen Umsetzungen Aberrationen in den übertragenen Strahlen bewirken können. In anderen Ausführungsformen können Kalibrierungstechniken eingesetzt werden, um die Wirkungen irgendwelcher Aberrationen auszugleichen, die durch irgendwelche durchlässigen Elemente (beispielsweise Strahlteiler, prismatische Elemente etc.) verursacht werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung weisen die reflektierenden Zonen des ersten reflektierenden Elements einen Gesamtreflexionsbereich im Quellstrahl auf und die durchlässigen Zonen haben einen Gesamtdurchlässigkeitsbereich im Quellstrahl, und der Gesamtreflexionsbereich kann in einem spezifizierten Prozentsatz (zum Beispiel +/– 25%) des Gesamtdurchlässigkeitsbereichs liegen. In bestimmten Ausführungsformen kann der Gesamtreflexionsbereich eine spezifizierte Differenz (zum Beispiel zumindest +/– 5%) zum Gesamtdurchlässigkeitsbereich aufweisen. In bestimmten Umsetzungen kann das Muster der reflektierenden und durchlässigen Zonen im Allgemeinen so entworfen sein, dass sie quer über seine Mitte eine reflektierende Symmetrie aufweisen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist ein zweites reflektierendes Element eingeschlossen, das dazu konfiguriert ist, den zweiten Messstrahl entlang der zweiten Messachse umzulenken. In einer Ausführungsform umfasst das zweite reflektierende Element einen planen ersten oberflächenreflektierenden Spiegel
In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Zweistrahlvorrichtung so konfiguriert, dass plane reflektierende Oberflächen des ersten und zweiten reflektierenden Elements parallel zueinander sind. In einer anderen Ausführungsform sind die planen reflektierenden Oberflächen des ersten und zweiten reflektierenden Elements senkrecht zueinander.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die ersten und zweiten Messachsen für den ersten und zweiten Messstrahl in verschiedenen Konfigurationen ausgerichtet sein, so dass sie ausgewählte Messvorgänge erzielen. Beispielsweise können die Messachsen in der gleichen Richtung wie die optische Achse des optischen Stifts, quer (beispielsweise senkrecht) zur optischen Achse, quer (beispielsweise senkrecht) zueinander, koplanar, in entgegengesetzten Richtungen etc. ausgerichtet sein.
Es wird anerkannt werden, dass eine Konfiguration, in der der erste und zweite Messstrahl senkrecht zueinander sind, für verschiedene Arten von Messungen nützlich ist (beispielsweise Messen eines veränderlichen Winkels zwischen zwei Oberflächen, gleichzeitiges Messen einer Oberflächenrauigkeit einer Boden- und Seitenwand etc.). Es wird auch anerkannt werden, dass eine Konfiguration, in der der erste und zweite Messstrahl entlang paralleler Messachsen gerichtet sind, ebenfalls nützlich für verschiedene Arten von Messungen sein kann (beispielsweise Messen einer Stufenhöhe etc.). Vorteile dieses Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik beinhalten, dass eine Gleichtakt-Oberflächenwelligkeit (beispielsweise aufgrund eines Werkzeugwanderns oder einer Werkzeugvibration) keine Kanal- oder Schrittdimensionsmessung bewirkt, dass zwei Messungen von einem einzigen Stift erzielt werden können und der Stift und/oder die Messoberfläche nicht seitlich vor und zurück bewegt werden müssen, um eine Reihe von Messungen entlang verschiedener Achsen oder Linien vorzusehen, was entsprechend schnellere Messungen und verbesserte Genauigkeit vorsieht (d. h. Vibrationen, Arbeitstischbewegungen usw. heben sich auf). Darüber hinaus erlaubt das Verfahren zwei Messungen gleichzeitig über unterschiedliche Messbereiche mittels eines einzigen optischen Stifts. Außerdem kann die Zweistrahlvorrichtung zur Bereitstellung der Mehrfach-Messpunkt-Funktionsweise leicht an konventionelle optische Stifte angebracht werden. Spezifische Beispiele der Umsetzung, bei denen es gewünscht sein kann, eine Stufenhöhe zu messen, beinhalten eine Leiterbahnhöhe, eine Siliciumwaferschichtdicke (zum Beispiel für opake Schichten), Elemente auf einer integrierten Schaltung, Ätzen, MEMS-Metrologie, eine Nut entlang einer geraden Kante, eine O-Ring-Nut, etc..
Für bestimmte Arten von Messungen (beispielsweise Messungen einer Nut entlang einer geraden Kante oder eine O-Ring-Nut) können in einer Umsetzung der optische Stift oder die Oberfläche, die gemessen wird, relativ zueinander durch eine motorbetriebene Anbringung bewegt werden (beispielsweise linear für eine gerade Kante oder gedreht für eine O-Ring-Nut bewegt), so dass eine ununterbrochene Messung längs des gesamten zu messenden Merkmals erzielt werden kann. In einer anderen Umsetzung kann die Geradheit oder Flachheit eines Arbeitstisches gemessen werden. Darüber hinaus kann bei bestimmten Umsetzungen das dynamische Rollen, Nicken oder Gieren eines Arbeitstisches gemessen werden. Ohne die Zweistrahlvorrichtung der vorliegenden Erfindung sind einige dieser Messarten im Stand der Technik mit Interferometern und Spezialoptiken durchgeführt worden, die dazu neigen, kostenaufwändig und sperrig zu sein. Die Zweistrahlvorrichtung der vorliegenden Erfindung weist gegenüber solchen Interferometerkonfigurationen des Standes der Technik insofern Vorteile auf, als sie leichter einzurichten ist, kostengünstiger ist (d. h. die Optiken sind einfacher) und weniger Platz einnimmt (d. h. die Optiken sind kleiner etc.).
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Anbringungselement zumindest eine externe Ausrichtungsfläche aufweisen, die eine von einer parallelen und senkrechten Ausrichtungsfläche zu einer der ersten und zweiten Messachsen ist. In einer anderen Ausführungsform beinhaltet das Anbringungselement eine Schnittstellenfläche, die so konfiguriert ist, dass, wenn sie an einer Schnittstellenfläche des Farbkonfokalpunktsensorstifts anliegt, zumindest eine der ersten und zweiten Messachse eine parallele oder senkrechte Messachse zu einer optischen Achse des Farbkonfokalpunktsensorstifts ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet die Zweistrahlvorrichtung eine verstellbare Anbringung zum Positionieren des ersten reflektierenden Elements relativ zum Anbringungselement, so dass eine reflektierende Ebene des ersten reflektierenden Elements entlang einer Achse des Quellstrahls verstellbar positioniert ist. In einer anderen Ausführungsform beinhaltet die Zweistrahlvorrichtung eine verstellbare Anbringungsanordnung zum Positionieren des Anbringungselements relativ zum Farbkonfokalpunktsensorstift, so dass eine reflektierende Ebene des ersten reflektierenden Elements entlang einer Achse des Quellstrahls verstellbar positioniert ist. In einer anderen Ausführungsform beinhaltet die Zweistrahlvorrichtung eine verstellbare Anbringungsanordnung zum Positionieren des zweiten reflektierenden Elements relativ zum ersten Anbringungselement, so dass eine reflektierende Ebene des zweiten reflektierenden Elements entlang einer Achse des zweiten Messstrahls verstellbar positioniert ist. Solche Ausführungsformen können verwendet werden, um eine Beziehung zwischen zwei Messbereichen einzustellen, die von der Zweistrahlvorrichtung bereitgestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist in einigen Ausführungsformen ein Abstand SEPP zwischen den reflektierenden Oberflächen des ersten und zweiten reflektierenden Elements entlang des zweiten Messstrahls kleiner als ein maximaler Fokusabstand MF des Farbkonfokalpunktsensorstifts. In einer Ausführungsform ist der Abstand SEPP kleiner als der Messbereich R. Es wird anerkannt werden, dass in dem Fall, in dem die Separation SEPP kleiner als der Messbereich R ist, das System ideal dazu entworfen sein kann, zwei Messungen zu nehmen, die in den Bereich R fallen (beispielsweise für zwei Messungen auf derselben Oberfläche oder für kleine Stufen). In einer anderen Ausführungsform ist der Abstand SEPP zumindest der Messbereich R. Es wird anerkannt werden, dass dies in dem Fall, in dem der Trennabstand SEPP zumindest gleich dem Messbereich R ist, erlaubt, dass der wirksame Messbereich des Stifts im Wesentlichen über seinen normalen Bereich hinaus erweitert wird (beispielsweise zum Messen einer Stufenhöhe, die höher als der normale Messbereich des optischen Stifts ist, etc.).
Wenn in einigen Ausführungsformen der Erfindung der Abstand zwischen zwei Oberflächen, die gemessen werden sollen, größer als der Messbereich ist, der inhärent von der Optik eines optischen Stifts vorgesehen ist (d. h. wenn der Trennabstand SEPP gleich oder größer als der Messbereich R ist), dann kann die Zweistrahlvorrichtung dazu konfiguriert sein, eine Verschiebung vorzusehen, so dass der erste Messstrahl einen ersten Messbereich über eine erste nominale Distanzierung vorsieht und der zweite Messstrahl einen zweiten nominalen Messbereich über eine zweite nominale Distanzierung vorsieht. Als spezifische numerische Beispiele kann, wenn der allgemeine Messbereich R des optischen Stifts ursprünglich dazu entworfen wäre, nur 50 μm abzudecken, indem der Trennabstand SEPP eingestellt wird, der Messbereich so ausgebildet sein, dass er bei 50 μm (womit konservativ zumindest ungefähr ein 50 bis 100 μm-Stufenhöhenbereich abgedeckt würde) oder 100 μm (womit konservativ zumindest ungefähr ein 100 bis 150 μm-Stufenhöhenbereich abgedeckt würde) oder bis 150 μm beginnt (womit konservativ zumindest ungefähr ein 150 bis 200 μm-Stufenschrittbereich abgedeckt würde), etc. Es wird anerkannt werden, dass eine solche Konfiguration beträchtliche Vorteile gegenüber bisherigen optischen Stiften bereitstellt, bei denen es, wenn es gewünscht wurde, zwei Oberflächen zu messen (beispielsweise mit einer Stufenhöhe zwischen den beiden Oberflächen), die durch einen Abstand getrennt waren, der größer als der Messbereich des optischen Stifts war, die physische Position des optischen Stifts oder der Oberflächen dann jedes Mal, wenn gewünscht wurde, zwischen dem Messen der beiden Oberflächen hin und her zu schalten, in der Z-Richtung verstellt werden musste. Im Gegensatz hierzu können gemäß der vorliegenden Erfindung solche Messungen gleichzeitig erhalten werden, ohne eine zusätzliche Bewegung des optischen Stifts in Z-Richtung zu erfordern, und zwar durch die Verwendung einer korrekt konfigurierten Zweistrahlvorrichtung. Als weiterer bedeutender Vorteil kann, wenn mehrere Messpunkte genommen werden sollen (beispielsweise Messen einer Stufenhöhe nicht nur an einer einzelnen Stelle, sondern kontinuierlich an mehreren Messpunkten entlang einer Kante), der optische Stift oder das Werkstück, das gemessen wird, auf einem beweglichen Element platziert werden (beispielsweise einem Lager, einem Arbeitstisch, einem Drehelement, etc.) und so bewegt werden, dass entlang der Kante abgetastet wird, so dass die mehreren kontinuierlichen Messungen leicht erhalten werden können, ohne eine zusätzliche Bewegung in der Z-Richtung zu erfordern.
Bei den meisten Anwendungen ist es im Allgemeinen wünschenswert, dass die Verschiebung so eingestellt ist, dass sie sich von der Z-Höhendifferenz zwischen den beiden zu messenden Oberflächen unterscheidet. Mehr im Besonderen wird es hinsichtlich des Abstands entlang der Detektormessachse zwischen der ersten und zweiten Spektralspitze, die der ersten und zweiten zu messenden Oberfläche entsprechen, anerkannt werden, dass, wenn der Verschiebungsabstand äquivalent der Z-Höhendifferenz zwischen den beiden Oberflächen ist, die beiden Spektralspitzen dann ungefähr übereinander sitzen würden. Daher wird es für eine gegebene Z-Höhendifferenz, die zwischen zwei Oberflächen zu messen ist, im Allgemeinen gewünscht, das System so zu konfigurieren, dass der Verschiebungsabstand sich von der Z-Höhendifferenz ausreichend unterscheidet, so dass die Spektralspitzen für die beiden Messhöhen bis zu einem bestimmten Grad differenziert werden können. Jedoch wird auch anerkannt werden, dass es in bestimmten Ausführungsformen ebenfalls wünschenswert ist, dass die Differenz ausreichend klein ist, so dass beide Spektralspitzen in den gewünschten Bereich der Detektormessachse fallen, so dass beide an demselben Detektor gemessen werden können.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist es hinsichtlich der Amplitude der Signale in Beziehung zu den Spektralspitzen wünschenswert, dass beide Signale von dem ersten und zweiten Messstrahl so groß wie möglich sind, um den höchsten Durchsatz und die höchsten Geschwindigkeitsmessungen zu erzielen. Wenn es in einer alternativen Ausführungsform gewünscht ist, dass es möglich ist, den ersten und zweiten Messstrahl voneinander gemäß ihrer Amplituden zu unterscheiden, kann in bestimmten Umsetzungen einer von dem ersten oder zweiten Messstrahl absichtlich so erzeugt werden, dass er eine geringere Signalstärke als der andere hat, so dass die Strahlen weiter unterschieden werden können.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Linsen des Optikabschnitts des optischen Stifts in eine Linse, die sich am Ende eines Einstrahlabschnitts des optischen Stifts befindet, und eine oder mehrere Linsen, die sich am Ende einer Zweistrahlvorrichtung befinden, unterteilt werden. In einer bestimmten Umsetzung ist eine separate Linse für jeden der dualen Messstrahlen am Ende des optischen Wegs durch die Zweistrahlvorrichtung vorgesehen. Es wird anerkannt werden, dass durch Vorsehen der Linsen als separate Elemente vom Einstrahlabschnitt des optischen Stifts eine größere Flexibilität beim Entwurf und der Auswahl der Linsen erlaubt ist, einschließlich der Verwendung von Linsen mit spezifizierten wünschenswerten Eigenschaften (beispielsweise die Verwendung von Linsen mit ähnlichen oder unterschiedlichen axialen Farbdispersionseigenschaften, etc.).
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betätigen eines Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems zum ungefähr gleichzeitigen oder gleichzeitigen Messen zweier unterschiedlicher Oberflächenzonen bereitgestellt. In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann das Zweistrahl-Farbpunktsensorsystem einen optischen Stift mit einer Konfokalblende und einer angebrachten Zweistrahlvorrichtung umfassen. In einer anderen Ausführungsform kann das Zweistrahl-Farbpunktsensorsystem einen optischen Stift mit einer Konfokalblende und einer Zweistrahlvorrichtung umfassen, die zwischen Linsen positioniert ist, die die Längsfarbaberration vorsehen, die normalerweise mit dem optischen Stift eines Farbpunktsensors assoziiert wird. In verschieden Ausführungsformen der Erfindung wird ein erster Messstrahl von dem System auf eine erste Oberflächenzone positioniert und ein zweiter Messstrahl von dem System wird auf eine zweite Oberflächenzone Zweistrahl-Farbpunktsensor positioniert. Der Begriff Werkstück, wie er vorliegend verwendet wird, bezieht sich auf ein beliebiges Element, das einen Messstrahl reflektiert und relativ zum optischen Stift bewegt werden kann. Messlicht, das aus dem ersten und zweiten Messstrahl hervorgeht, wird durch den optischen Stift und die Konfokalblende zurück empfangen. Zumindest ein Satz von Messungen, die eine erste und zweite Messung umfassen, die sich aus dem ersten bzw. zweiten Messstrahl ergeben, wird/werden bestimmt. Zumindest eine Werkstückmerkmalsmessung oder eine Positionsänderung eines Werkstückmerkmals werden auf der Grundlage des zumindest einen Satzes von Messungen bestimmt. In einem Ausführungsbeispiel wird jede Messung mit einer relativ feinen Auflösung (beispielsweise zumindest 10 nm fein) bestimmt. Es wird anerkannt werden, dass die Systeme der vorliegenden Erfindung imstande sind, solch hochgenaue Messungen zu erzielen, ohne den Gebrauch eines Interferometers oder anderer komplexerer Systeme zu erfordern.
In einigen Ausführungsformen werden zumindest die erste Oberflächenzone und das Farbkonfokalpunktsensorsystem relativ zueinander bewegt, um mehrere der Sätze von Messungen zu erfassen. In einigen Ausführungsformen veranlasst die Bewegung den ersten und zweiten Messstrahl, entlang der ersten und zweiten Oberflächenzone abzutasten, um die mehreren Sätze von Messungen zu erfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die relative Bewegung linear sein oder kann durch Drehen des Werkstücks erzielt werden. In einigen Ausführungsformen ist das Farbkonfokalpunktsensorsystem so konfiguriert, dass eine Z-Verschiebung zwischen einem ersten Messbereich, der dem ersten Messstrahl entspricht, und einem zweiten Messbereich, der dem zweiten Messstrahl entspricht, größer als 5% eines Messbereichs R des Farbkonfokalpunktsensorsystems ist, um getrennt unterscheidbare Signalspitzen auf einem Detektor des Systems bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen ist das Farbkonfokalpunktsensorsystem so konfiguriert, dass eine Z-Verschiebung zwischen einem ersten Messbereich, der dem ersten Messstrahl entspricht, und einem zweiten Messbereich, der dem zweiten Messstrahl entspricht, kleiner als ein Messbereich R des Farbkonfokalpunktsensorsystems ist.
In einigen Ausführungsformen ist ein Verfahren zum Konfigurieren des Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems zum Messen einer Nuttiefe/Stufenhöhe vorgesehen. Beispielsweise können der erste und zweite Messstrahl parallel ausgerichtet sein und die erste Oberflächenzone kann zumindest ein Nutsitz oder eine untere Stufenflächenzone sein und die zweite Oberflächenzone kann zumindest eine Nutschulter oder eine obere Stufenflächenzone sein, und die mehreren Sätze von Messungen geben zumindest eine Höhe oder eine Höhenvariation der Nut oder Stufe an mehreren Positionen entlang der Nut oder Stufe an. In manchen solchen Ausführungsformen kann das Farbkonfokalpunktsensorsystem so konfiguriert sein, dass eine Z-Verschiebung zwischen einem ersten Messbereich, der dem ersten Messstrahl entspricht, und einem zweiten Messbereich, der dem zweiten Messstrahl entspricht, minus einem Wert, der einer nominalen Dimension der Höhe der Nut oder Stufe entspricht, kleiner als ein Messbereich R des Farbkonfokalpunktsensorsystems ist und zumindest 5% des Messbereichs R beträgt.
In einigen Ausführungsformen ist ein Verfahren zum Konfigurieren des Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems zum Messen einer Nut-/Spaltbreite und/oder -position vorgesehen. Beispielsweise können der erste und zweite Messstrahl in entgegengesetzten Richtungen ausgerichtet sein, wobei die erste Oberflächenzone auf einer ersten Seitenfläche einer Nut oder eines Spalts ist und die zweite Oberflächenzone auf einer gegenüberliegenden Seitenfläche der Nut oder des Spalts ist und die mehreren Sätze von Messungen geben zumindest eine Breite oder eine Breitenvariation der Nut oder des Spalts an mehreren Positionen entlang der Nut oder des Spalts an.
In einigen Ausführungsformen ist ein Verfahren zum Konfigurieren des Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems zum Messen eines Oberflächen-/Lagerauslaufs vorgesehen. Beispielsweise können der erste und zweite Messstrahl parallel ausgerichtet sein und die erste Oberflächenzone ist eine Auslaufoberflächenzone und die zweite Oberflächenzone ist eine Bezugsoberflächenzone, die relativ zum Farbkonfokalpunktsensorsystem fest ist, und die mehreren Sätze von Messungen zeigen zumindest eine Höhe oder eine Höhenvariation der Auslaufoberfläche relativ zur Bezugsoberfläche an mehreren Positionen entlang der Auslaufoberfläche an. In einigen solchen Ausführungsformen kann das Farbkonfokalpunktsensorsystem so konfiguriert sein, dass eine Z-Verschiebung zwischen einem ersten Messbereich, der dem ersten Messstrahl entspricht, und ein zweiter Messbereich, der dem zweiten Messstrahl entspricht, minus einem Wert, der einer nominalen Höhendifferenz zwischen der Auslaufoberfläche und der Bezugsoberfläche entspricht, kleiner als ein Messbereich R des Konfokal-Farbpunktsensorsystems ist und zumindest 55 des Messbereichs R beträgt.
In einigen Ausführungsformen ist ein Verfahren zum Konfigurieren des Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems zum Messen eines Oberflächen-/Lagerrollens oder -nickens gegenüber einer Bewegung vorgesehen. Beispielsweise sind der erste und zweite Messstrahl parallel ausgerichtet, die erste und zweite Oberflächenzone befinden sich auf dem Werkstück und Messachsen des ersten und zweiten Messstrahls weisen eine Trennung auf, die zumindest einen Trennabstand SEPPROLL senkrecht zu einer Bewegungsrichtung oder einen Trennabstand SEPPPITCH parallel zur Bewegungsrichtung während der Erfassung der mehreren Sätze von Messungen definiert. In einigen solchen Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, wenn die Trennung kleiner als ein Messbereich R des Farbkonfokalpunktsensorsystems ist. In einigen solchen Ausführungsformen werden die mehreren Messungen in Kombination mit einem Wert des Trennabstands SEPPROLL verwendet, um ein Winkelrollen des Werkstücks um eine Achse zu bestimmen, die parallel zur Bewegungsrichtung ist. In einigen solchen Ausführungsformen werden die mehreren Sätze von Messungen in Kombination mit einem Wert des Trennabstands SEPPPITCH verwendet, um ein Winkelnicken des Werkstücks um eine zur Bewegungsrichtung parallele Achse zu bestimmen.
In einigen Ausführungsformen ist eine Maschinensichtprüfungsanbringungs- und -einsatzanordnung für eine Zweistrahlvorrichtung vorgesehen und das Verfahren wird mittels der Maschinensichtprüfungsanbringungs- und -einsatzanordnung durchgeführt.
In einigen Ausführungsformen ist eine Rundheitsmessmaschinenanbringungs- und -einsatzanordnung für eine Zweistrahlvorrichtung vorgesehen und das Verfahren wird mittels der Rundheitsmessmaschinenanbringungs- und -einsatzanordnung durchgeführt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden Aspekte und viele der begleitenden Vorteile dieser Erfindung werden leichter anerkannt werden, wenn diese durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, worin:
1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Farbkonfokalpunktsensors ist, der einen einzelnen Messstrahl mit einem spezifizierten Messbereich erzeugt;
2 ein Blockdiagramm des Farbkonfokalpunktsensors der 1 ist, der durch eine schematisch dargestellte Zweistrahlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werter verbessert ist, die zwei Messstrahlen mit zwei spezifizierten Messbereichen vorsieht;
3 ein Diagramm von Spektralprofildaten von einem Farbkonfokalpunktsensor ist, wie etwa demjenigen der 2, das zwei Spektralspitzen veranschaulicht, die zu den beiden Messstrahlen zugeordnet sind;
4 ein Diagramm einer auseinander gezogenen Ansicht einer ersten beispielhaften Ausführungsform einer Zweistrahlvorrichtung ist, die mit einem optischen Stift gekoppelt ist;
5 ein Diagramm einer auseinander gezogenen Ansicht ausgewählter Bestandteile der Zweistrahlvorrichtung der 4 ist;
6 ein Diagramm einer Querschnittsseitenansicht der Zweistrahlvorrichtung und des optischen Stifts der 4 im Gebrauch ist;
7 ein Diagramm von Mustern ist, die auf der reflektierenden Oberfläche des ersten reflektierenden Elements der 4 verwendet werden können;
8 ein Diagramm einer Querschnittsseitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer Zweistrahlvorrichtung ist, die mit einem optischen Stift gekoppelt ist;
9 ein Diagramm einer Querschnittsseitenansicht einer dritten Ausführungsform einer Zweistrahlvorrichtung ist, die mit einem optischen Stift gekoppelt ist;
10 ein Diagramm einer Querschnittseitenansicht einer vierten Ausführungsform einer Zweistrahlvorrichtung ist, die mit einem optischen Stift gekoppelt ist;
11 ein Diagramm ist, das schematisch alternative Reflektierendes-Element-Konfigurationen veranschaulicht, die in verschiedenen Formen zur Verwendung in einer Zweistrahlvorrichtung vorgesehen werden können;
12 ein Diagramm einer Querschnittsseitenansicht einer fünften Ausführungsform einer Zweistrahlvorrichtung ist, die mit einem optischen Stift gekoppelt ist;
13 ein Flussdiagramm ist, das eine beispielhafte allgemeine Routine zum Verwenden eines Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems zum gleichzeitigen Messen zweier unterschiedlicher Oberflächenzonen veranschaulicht;
14 ein Flussdiagramm ist, das eine beispielhafte Routine zum Konfigurieren eines Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems zum Messen einer Nuttiefe/Stufenhöhe veranschaulicht;
15 ein Flussdiagramm ist, das eine beispielhafte Routine zum Konfigurieren eines Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems zum Messen einer Nut-/Spaltbreite und/oder -position veranschaulicht;
16 ein Flussdiagramm ist, das eine beispielhafte Routine zum Konfigurieren eines Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems zum Messen eines Oberflächen-/Lagerauslaufs veranschaulicht;
17 ein Flussdiagramm ist, das eine beispielhafte Routine zum Konfigurieren eines Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems zum Messen eines Rollens oder Nickens einer Oberfläche während einer Bewegung veranschaulicht;
18A–18D Diagramme sind, die eine beispielhafte Ausführungsform einer Maschinensichtsystemanbringungs- und -einsatzanordnung für eine Zweistrahlvorrichtung veranschaulichen; und
19A–19D sind Diagramme, die eine beispielhafte Ausführungsform einer Rundheitsmessmaschinenanbringungs- und -einsatzanordnung für eine Zweistrahlvorrichtung veranschaulichen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Farbkonfokalpunktsensors 100. Der Farbkonfokalpunktsensor 100 weist bestimmte Ähnlichkeiten mit Sensoren auf, die in der mit -anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 11/940,214 und US-Patentanmeldung Nr. 12/463,936 (die '214- bzw. '936-Anmeldung) beschrieben sind, welche hiermit vorliegend durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind. Wie in 1 gezeigt, beinhaltet der Farbkonfokalpunktsensor 100 einen optischen Stift 120 und einen Elektronikabschnitt 160. Der optische Stift 120 beinhaltet einen Faseroptikverbinder 107, ein Gehäuse 130 und einen Optikabschnitt 150. Der Faseroptikverbinder 107 ist am Ende des Gehäuses 130 angebracht. Der Faseroptikverbinder 107 nimmt eine (nicht im Detail gezeigte) Ein-/Aus-Glasfaser durch ein Faseroptikkabel 112, das sie ummantelt, auf. Die Ein-/Aus-Glasfaser gibt Quelllicht durch eine Faserblende 195 aus und empfängt reflektierte Messsignallicht durch die Faserblende 195.
Im Betrieb wird ein Breitband-(beispielsweise weißes)Quelllicht, das aus dem Faserende durch die Faserblende 195 emittiert wird, von dem Optikabschnitt 150 fokussiert, der eine Linse oder Linsen beinhaltet, die eine axiale chromatische Dispersion vorsehen, so dass sich der Brennpunkt entlang der optischen Achse OA in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts in verschiedenen Abständen befindet, wie für Farbkonfokalsensorsysteme bekannt ist. Das Quelllicht beinhaltet eine Wellenlänge, die an einer Position Z relativ zum optischen Stift 120 auf einer Werkstückoberfläche 190 fokussiert ist. Bei Reflexion von der Werkstückoberfläche 190 wird reflektiertes Licht von dem Optikabschnitt 120 auf die Faserblende 195 zurückfokussiert. Das operative Quelllicht und das reflektierte Licht werden von dem Begrenzungsstrahlen LR1 und LR2 beschränkt. Aufgrund der axialen chromatischen Dispersion weist nur eine Wellenlänge eine vordere Brennpunktdimension FF auf, die dem Messabstand vom optischen Stift 120 zur Oberfläche 190 entspricht. Der optische Stift ist so konfiguriert, dass die Wellenlänge, die am besten an der Oberfläche 190 fokussiert ist, auch die Wellenlänge des reflektierten Lichts ist, das am besten an der Faserblende 195 fokussiert ist. Die Faserblende 195 filtert das reflektierte Licht räumlich so, dass vorrangig die am besten fokussierte Wellenlänge durch die Filterblende 195 hindurch und in den Kern des Glasfaserkabels 112 geht. Wie nachstehend und in den aufgenommenen Bezugsdokumenten eingehender beschrieben ist, leitet das Glasfaserkabel 112 das reflektierte Signallicht zu einem Wellenlängendetektor 162, der zum Bestimmen der Wellenlänge mit der dominanten Intensität verwendet wird, die dem Messabstand zur Werkstückoberfläche 190 entspricht.
Der Elektronikabschnitt 160 beinhaltet einen Faserkoppler 161, den Wellenlängendetektor 162, eine Lichtquelle 164, einen Signalprozessor 166 und einen Speicherabschnitt 168. In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet der Wellenlängendetektor 162 eine Spektrometer- oder Spektrografanordnung, wobei ein dispergierendes Element (beispielsweise ein Gitter) das reflektierte Licht durch das Glasfaserkabel 112 aufnimmt und das resultierende Spektralintensitätsprofil an eine Detektoranordnung 163 überträgt. Der Wellenlängendetektor 162 kann ebenfalls eine diesbezügliche Signalverarbeitung einschließen (die beispielsweise in einigen Ausführungsformen durch den Signalprozessor 166 vorgesehen ist), die bestimmte mit dem Detektor zusammenhängende Fehlerkomponenten aus den Profildaten entfernt oder sie kompensiert. Somit können bestimmte Aspekte des Wellenlängendetektors 162 und des Signalprozessors 166 in einigen Ausführungsformen miteinander vermischt und/oder ununterscheidbar sein.
Die Weißlichtquelle 164, die vom Signalprozessor 166 gesteuert wird, ist durch den optischen Koppler 161 (beispielsweise ein 2 × 1 optischer Koppler) mit dem Faserkabel 112 gekoppelt. Wie vorstehend beschrieben, fließt das Licht durch den optischen Stift 120, der eine Längsfarbaberration erzeugt, so dass sich seine Brennweite mit der Wellenlänge des Lichts ändert. Die Wellenlänge des Lichts, die am wirksamsten zurück durch die Faser übertragen wird, ist die Wellenlänge, die auf der Oberfläche 190 an der Position Z im Fokus ist. Die reflektierte wellenlängenabhängige Lichtintensität geht dann wieder durch den Faserkoppler 161 hindurch, so dass ungefähr 50% des Lichts zum Wellenlängendetektor 162 geleitet werden, der ein Spektralintensitätsprofil empfangen kann, das über eine Anordnung von Pixeln entlang einer Messachse der Detektoranordnung 163 verteilt ist, und dazu funktionieren kann, entsprechende Profildaten bereitzustellen, wie nachstehend in Bezug auf 3 und in den aufgenommenen Bezugsdokumenten eingehender beschrieben ist. Kurz gesagt, es wird vom Signalprozessor 166 ein Teilpixel-Auflösungsabstand berechnet, der eine Koordinate der Profildaten (beispielsweise eine Spitzenpositionskoordinate) angibt, und die den Abstand angebende Koordinate, die der Wellenlängenspitze entspricht, bestimmt den Messabstand zur Oberfläche über eine Abstandskalibrierungs-Nachschlagetabelle, die im Speicherabschnitt 168 gespeichert ist. Die den Abstand angebende Koordinate kann durch verschiedene Verfahren bestimmt werden, wie etwa Bestimmen des Schwerpunkts von Profildaten, der in einer Spitzenzone der Profildaten beinhaltet ist.
Wie nachstehend eingehender beschrieben, kann es gemäß der vorliegenden Erfindung in manchen Fällen wünschenswert sein, dass der Farbkonfokalpunktsensor 100 nicht nur imstande ist, einen Abstand zu einer ersten Oberfläche 190 zu messen, sondern dass er auch imstande ist, einen Abstand zu einer zweiten Oberfläche 190' zu messen. Beispielsweise kann es in einigen Umsetzungen wünschenswert sein, dass es möglich ist, eine „Stufenhöhe” oder anderweitig zwei Oberflächen zu messen. Wie in 1 dargestellt, kann in solchen Fällen eine zweite Messfläche 190' weit genug weg von der ersten Messfläche 190 sein, so dass der Abstand Zdiff zwischen den beiden außerhalb des normalen Messbereichs des optischen Stifts 120 liegt. Mit anderen Worten, der optische Stift 120 hat einen Messbereich R, der von einem Minimalbereichsabstand ZMIN und einem Maximalbereichsabstand ZMAX begrenzt ist, und an der Position, die in 1 veranschaulicht ist, fällt die Oberfläche 190' außerhalb des Messbereichs, während die Oberfläche 190 in die Mitte des Messbereichs R fällt. Beispielsweise kann der Messbereich R in einigen Fällen bekannter optischer Stifte ungefähr 1/10 der nominalen Distanzierung oder des Arbeitsabstands vom Ende des Stifts betragen (beispielsweise im Bereich von mehreren zehn Mikron bis zu einigen Millimetern). In Anwendungen, die die Messung einer Stufenhöhe erfordern, oder anderen Umsetzungen, die Messungen beider Oberflächen 190 und 190' erfordern, kann es wünschenswert sein, diese beiden Oberflächen von einer einzigen Z-Positionierung des optischen Stifts 120 messen zu können. Selbst in Fällen, in denen die Oberfläche 190' in den normalen Messbereich R des optischen Stifts 120 fällt, kann es dennoch in bestimmen Umsetzungen wünschenswert sein, die Abstände zu beiden Oberflächen 190 und 190' messen zu können, ohne dass eine weitere Bewegung des optischen Stifts 120 erforderlich ist. Wie nachstehend unter Bezugnahme auf 2 eingehender beschrieben ist, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Zweistrahlvorrichtung bereitgestellt, die am Ende eines Optikstifts 120 angebracht werden kann, die die Messung von zwei Oberflächen (beispielsweise den Oberflächen 190 und 190') erlaubt, die über verschiedene Messbereiche erzielt werden soll, ohne eine zusätzliche Bewegung des optischen Stifts 120 zu erfordern.
2 ist ein Blockdiagramm des Farbkonfokalpunktsensors 100 der 1 mit einer schematisch dargestellten Zweistrahlvorrichtung 200, die an ihm angebracht ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie nachstehend eingehender beschrieben wird, gibt die Zweistrahlvorrichtung 200 in einer Konfiguration einen ersten Messstrahl FMB entlang einer ersten Messachse MA1 und einen zweiten Messstrahl SMB entlang einer zweiten Messachse MA2 aus. Wie in 2 gezeigt, beinhaltet die Zweistrahlvorrichtung 200 ein ersten reflektierendes Element 210, das sich im Weg des Quellstrahls SB des optischen Stifts 120 befindet. Das erste reflektierende Element 210 teilt den Quellstrahl SB wirksam in zwei Teile. Genauer gesagt, überträgt das erste reflektierende Element 210 einen ersten Teil des Quellstrahls SB als ersten Messstrahl FMB und reflektiert einen zweiten Teil des Quellstrahls SB als zweiten Messstrahl SMB. Die Zweistrahlvorrichtung 200 kann auch ein optionales zweites reflektierendes Element 220 beinhalten, das den gesamten oder einen Teil des zweiten Messstrahls SMB reflektieren kann. In einer Ausführungsform mit dem zweiten reflektierenden Element 220 kann der zweite Messstrahl SMB entlang der zweiten Messachse MA2 reflektiert werden, die parallel zur ersten Messachse MA1 des ersten Messstrahls FMB ist. Ein Trennabstand SEPP ist zwischen den Messachsen MA1 und MA2 gezeigt, der auch der Abstand zwischen dem ersten reflektierenden Element 210 und dem zweiten reflektierenden Element 220 ist.
Hinsichtlich des Betriebs des optischen Stifts 120 mit der an ihm angebrachten Zweistrahlvorrichtung 200 ist für Messungen, die mit dem ersten Messstrahl FMB erzielt werden, gezeigt, dass ein Messereich R1 einen Minimalbereichsabstand Z1MIN und einen Maximalbereichsabstand Z1MAX hat. In einer Ausführungsform können der Bereich R1 und die Abstände Z1MIN und Z1MAX ungefähr dem Bereich R und den Abständen ZMIN und ZMAX entsprechen, wie in 1 dargestellt. Wie in 2 gezeigt, fällt die Oberfläche 190 an der Position Z1 in einen Mittelabschnitt des Messbereichs R1.
Hinsichtlich des zweiten Messstrahls SMB, der von dem zweiten reflektierenden Element 220 entlang der zweiten Messachse MA2 reflektiert wird, wird ein Messbereich R2 erreicht. Wie in 2 gezeigt, weist der Messbereich R2 einen Minimalbereichsabstand Z2MIN und einen Maximalbereichsabstand Z2MAX auf. Wie in 2 gezeigt, fällt die Oberfläche 190' an der Position Z2 in einen Mittelbereich des Messbereichs R2. Darüber hinaus gibt ein Verschiebungsabstand OFFSET die differenzielle Verschiebung zwischen den Messbereichen R1 und R2 an. Wie nachstehend eingehender beschrieben wird, können verschiedene Techniken zum Einstellen des Trennabstands SEPP verwendet werden (beispielsweise Verwenden fester Abstandselemente von unterschiedlicher Breite zwischen dem ersten und zweiten reflektierenden Element 210 und 220 und/oder Verstellbarmachen der Abstände zwischen oder der Stellen des ersten und zweiten reflektierenden Elements 210 und 220, usw.).
Es mag anerkannt werden, dass für die in 2 gezeigte Konfiguration der Verschiebungsabstand OFFSET ungefähr oder identisch gleich dem Trennabstand SEPP ist und somit durch den Entwurf oder die Einstellung der Zweistrahlvorrichtung 200 gesteuert oder eingestellt werden kann. Es wird anerkannt werden, dass in einer spezifischen beispielhaften Ausführungsform eine verstellbare Halterung zum Positionieren des ersten reflektierenden Elements 210 relativ zum optischen Stift 120 (beispielsweise entlang einer Achse des Quellstrahls SB) vorgesehen sein kann, um die wirksamen Abstände SEPP und OFFSET verstellbar zu machen. Dies kann auch die Distanzierung der Bereiche R1 und R2 relativ zur Zweistrahlvorrichtung 200 verstellbar machen. In Bezug auf 2 wird anerkannt werden, dass die wirksame Positionierung des zweiten Messstrahls SMB und/oder seines nominalen Messbereichs auf zumindest zweierlei Weise eingestellt werden kann. Als erstes Beispiel kann das erste reflektierende Element 210 in der Richtung des ersten Messstrahls FMB bewegt werden, was die Stelle entlang des ersten reflektierenden Elements 210, wo der zweite Messstrahl SMB reflektiert wird, wirksam verändert, und entsprechend die Abstände zwischen dem Ende des optischen Stifts 120 und der Position, wo der zweite Messstrahl SMB reflektiert wird, nach oben leicht erhöht oder verringert werden. Als zweites Beispiel kann das zweite reflektierende Element 220 in die Richtung des zweiten Messstrahls SMB bewegt werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, wenn der maximale und minimale Abstand der Messbereiche (d. h. Z1MAX und Z1MIN für den Messbereich R1 und Z2MAX und Z2MIN für den Messbereich R2) gemäß bestimmter optischer Systembeschränkungen bestimmt werden. Kurz gesagt, ein erster Faktor beim Bestimmen des Minimums und Maximums der Messbereiche ist der physikalische Abstand, über den der spezifizierte Satz von Linsen einen spezifizierten Satz Wellenlängen mit seinem spezifizierten Genauigkeitsniveau fokussieren kann. Allgemeiner gesagt, entspricht jeder Bereich mit seinen minimalen und maximalen Grenzen allgemein dem Bereich, über den das verfügbare eingegebene Spektrum unter Verwendung einer Farbaberration gut fokussiert werden kann. Darüber hinaus sind die Begrenzungen des Detektors selbst ein weiterer Faktor in den Bereichen. Mit anderen Worten ist es für die verschiedenen erwarteten und gewünschten Wellenlängen, die zu messen sind, gewünscht, dass sich die Wellenlängen über die Anordnung des Detektors ausbreiten, so dass ein hoher Auflösungspegel erzielt werden kann. Zusammengefasst werden die Bereiche mit den spezifizierten minimalen und maximalen Abständen im Allgemeinen durch Begrenzungen bestimmt, die sich auf die Fähigkeit beziehen, das Spektrum wirksam über einen Abstand entlang der spezifizierten Achse zu fokussieren, und durch Entwurfsauswahlen in Bezug auf die Verteilung der Wellenlängen auf dem Detektor.
Es wird anerkannt werden, dass durch die Verwendung der Zweistrahlvorrichtung 200 mehrere Punkte mit einem einzigen optischen Stift 120 gemessen werden können. Darüber hinaus können verschiedene Messbereiche (zum Beispiel die Messbereiche R1 und R2 mit einem Versetzungsabstand zwischen ihnen) den verschiedenen Messbereichen zugeordnet werden, so dass Oberflächen an verschiedenen Z-Stellen wirksam gemessen werden können, ohne eine zusätzliche Einstellung der Position des optischen Stifts 120 relativ zu den Oberflächen 190 und 190' zu erfordern.
Wie nachstehend eingehender unter Bezugnahme auf die 6, 8, 9, 10 und 11 beschrieben wird, können die ersten und zweiten Messachsen MA1 und MA2 in verschiedenen Ausführungsformen in verschiedenen Richtungen relativ zum optischen Stift 120 und/oder relativ zueinander ausgerichtet sein, um gewünschte Messfunktionen zu erzielen. Beispielsweise können die Messachsen MA1 und MA2 in die gleiche Richtung wie die optische Achse OA des optischen Stifts 120, quer (d. h. senkrecht) zur optischen Achse OA, koplanar, in entgegengesetzte Richtungen, quer (d. h. senkrecht) zueinander usw. ausgerichtet sein. Als Beispiel dafür, dass die Messstrahlen senkrecht zueinander sind, wie in 2 in einer Ausführungsform veranschaulicht, in der das zweite reflektierende Element 220 entweder nicht vorhanden ist oder einen Anteil des zweiten Messstrahls SMB überträgt, setzt sich der zweite Messstrahl SMB entlang einer alternativen zweiten Messachse MA2' fort. In dieser Ausführungsform ist ein Messbereich R2' mit einem minimalen Bereichsabstand Z2MIN' und einem maximalen Bereichsabstand Z2MAX' vorgesehen. Wie nachstehend eingehender unter Bezugnahme auf 9 beschrieben wird, kann eine solche Umsetzung verwendet werden, wenn gewünscht ist, den zweiten Messstrahl SMB in eine Richtung auszurichten, die effektiv quer (beispielsweise senkrecht) zur derjenigen des ersten Messstrahls FMB ist (zum Beispiel zum Messen eines sich ändernden Winkels zwischen zwei Oberflächen usw.).
3 ist ein Diagramm 300 spektraler Profildaten 310 von einem Farbkonfokalpunktsensor, das spektrale Spitzendaten für zwei Oberflächenabstände von einem optischen Stift, an dem eine Zweistrahlvorrichtung (beispielsweise die Zweistrahlvorrichtung 200) angebracht ist, gemäß den vorliegend offenbarten Prinzipien veranschaulicht. Spektraldaten, wie etwa diejenigen, die in 3 gezeigt sind, werden auf dem technischen Gebiet allgemein verstanden, beispielsweise wie sie in den aufgenommenen Bezugsdokumenten beschrieben sind. Die Profildaten 310 zeigen einen Signalpegel, der mit jedem Pixel p (in normierten Volt) verknüpft ist. Die Profildaten 310 entsprechen Messvorgängen, die mit dem optischen Stift, an dem die Zweistrahlvorrichtung angebracht ist (beispielsweise analog zu dem Farbkonfokalpunktsensor 100 und der Zweistrahlvorrichtung 200, die in 2 gezeigt sind), durchgeführt werden.
Die Profildaten 310 zeigen Spektralspitzen, die Spitzenpositionskoordinaten (d. h. P(Z1) und P(Z2 + OFFSET)) aufweisen, wie nachstehend eingehender beschrieben wird. Die Spitzenpositionskoordinaten P(Z1) und P(Z2 + OFFSET) können mit einer Teilpixelauflösung auf der Grundlage des Bestimmens der Spitze einer Kurve bestimmt werden, die zu den Spitzenzonen der Profildaten 310 passt, oder auf der Grundlage des Schwerpunkts von Spitzenzonen der Profildaten 310 oder verschiedenen anderen Kalibrierungs- und Signalverarbeitungsverfahren (wie beispielsweise eingehender in den aufgenommenen Bezugsdokumenten beschrieben). Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 1 erörtert, kann ein Messabstand „Z” als der Messabstand bestimmt werden, der dem Wert der Spitzenpositionskoordinate in den gespeicherten Abstandskalibrierungsdaten entspricht. In verschiedenen Ausführungsformen können die gespeicherten Abstandskalibrierungsdaten interpoliert werden, um einen Messabstand zu ergeben, der der Teilpixel-Spitzenpositionskoordinate genau entspricht.
Hinsichtlich der Beziehung zwischen den Signalen auf dem Detektor und den tatsächlichen Messflächenstellen oder -werten Z1 und Z2 können zum Bestimmen der tatsächlichen Dimensionen des Werkstücks in einem Ausführungsbeispiel die folgenden Konventionen befolgt werden. Die Z-Werte sind als absolute Messstellen oder -werte in der Z-Richtung definiert. Somit werden die Werte Z1 und Z2 in den 2 und 3 und in den folgenden Gleichungen als Messwerte (Z-Werte) interpretiert, die durch den ersten Messstrahl FMB oder durch den zweiten Messstrahl SMB zu bestimmen sind. Die Messwerte Z1 und Z2 können als Werte in Relation zu einer bestimmten Bezugsstelle (beispielsweise dem Ende des optischen Stifts 120) interpretiert werden. Somit kann im Allgemeinen ein spezifizierter Distanzierungswert oder Verschiebungswert, der sich auf die Stelle des Bezugspunkts bezieht, zur Position innerhalb des Messbereichs addiert werden.
In bestimmten Umsetzungen kann der Messwert Z1 als der „repräsentativere” der beiden Messwerte angesehen werden. Das heißt, in der Ausführungsform der 2 wird der Messwert Z1 von dem ersten Messstrahl FMB genommen, der nicht von der Messachse zu einem zweiten reflektierenden Element weg abgelenkt worden ist. Somit hat der Messwert Z1 nominal denselben Wert, als wenn die Zweistrahleinrichtung 200 nicht vorhanden wäre (beispielsweise wie etwa in 1 dargestellt). Genauer gesagt, ist, wie in 2 dargestellt, der erste Messstrahl FMB, der den Messwert Z1 bestimmt, ungefähr aus denselben Strahlen zusammengesetzt, die für den Messstrahl (d. h. den unveränderten Quellstrahl) zum Bestimmen des Messwerts Z in 1 gezeigt sind. Somit sollten in diesem besonderen Beispiel der Messwert Z1, der aus dem ersten Messstrahl FMB bestimmt wird, und die Z-Abstandskalibrierungskurve, die eine Spektralspitzen-Positionskoordinate zu einem entsprechenden Z-Abstand in Beziehung setzt, mit oder ohne Zweistrahlvorrichtung 200 im Allgemeinen die gleichen sein. In diesem Fall kann man sagen, das Z1 im Wesentlichen identisch mit dem Kalibrierungskurven- Z-Wert ist, der dem Signal P(Z1) entspricht, das sich aus dem ersten Messstrahl FMB ergibt. Dies trifft im Allgemeinen nicht für irgendeinen zweiten Messstrahl zu, der eine zweite Reflexion erfahren hat, so dass er in eine andere Richtung gedreht wird (beispielsweise der zweite Messstrahl SMB), der eine gewisse Trenndimension SEPP aufweist und der daher einen Verschiebungsabstand OFFSET in Z-Achsenrichtung besitzt, wie nachstehend detaillierter erörtert wird.
Auf der Grundlage der vorstehenden Prinzipien und unter Bezugnahme auf 2 und 3 können die folgenden Gleichungen definiert oder abgeleitet werden: Z1 = Zcal P(FMB) = P(Z1) (Gl. 1) Z2 = Zcal P(SMB) – OFFSET = Zcal P(Z2 + OFFSET) – OFFSET (Cl. 2)
Hinsichtlich GLEICHUNG 2 wird anerkannt werden, dass sich der zweite Messstrahl SMB, bevor er die „absolute Messposition” Z2 in Z-Achsenrichtung erreicht, in der zusätzlichen Dimension SEPP = OFFSET quer zur Z-Achsenrichtung in dem abgelenkten Weg bewegt, auf dem sich der zweite Messstrahl SMB entlang bewegt, so dass das entstehende Signal so ist, als würde es weiter weg von dem Stift als die Position Z2 in Z-Achsenrichtung messen. Daher muss OFFSET von dem anscheinenden Messabstand, der durch das sich aus dem zweiten Messsignal SMB ergebende Signal angegeben ist, subtrahiert werden, um den wahren Abstand Z2 entlang der Z-Achsenrichtung zu bestimmen.
In weiterer Hinsicht auf GLEICHUNG 2 können die Signale in einer Umsetzung durch die Spitzenpixel dargestellt werden und somit ist auch die in 3 linke Spitze P(SMB), die Messungen vom zweiten Messstrahl SMB entspricht, ebenfalls als P(Z2 + OFFSET) benannt worden, und da Z1 als konsistent mit dem Wert betrachtet werden kann, der bei Fehlen der Zweistrahlanbringung (wie vorstehend beschrieben) zurückgeführt wird, ist auch die Spitze P(FMB), die der Signalspitze des ersten Messstrahls FMB zugeordnet ist, als P(Z1) benannt worden.
Somit kann in einem Ausführungsbeispiel die Standard-Nachschlagetabelle für den optischen Stift 120 zum Bestimmen des Werts Z1 verwendet werden. Hinsichtlich der Spitze vom zweiten Messstrahl SMB entspricht der nachzuschlagende Wert der Summe (Z2 + OFFSET). Der Verschiebungswert OFFSET kann durch Entwurf (beispielsweise vom Trennabstand SEPP) oder durch Kalibrierung (beispielsweise beide Strahlen zu einer flachen, senkrechten Oberfläche gerichtet – mit der Differenz als OFFSET eingestellt) bekannt sein, so dass die Werte für Z2 und Z1 auf der Grundlage der Signale und des bekannten OFFSET bestimmt werden können.
In 3 ist die Trennung zwischen den Spitzen auf der Erfassungseinrichtung als Funktion von f(Z1, Z2 und Offset) benannt worden, die alternativ als Funktion von f(Z1, Zdiff und Offset) geschrieben werden könnte. Der Grund, dass die Spitzentrennung hinsichtlich der Pixelstelle eine Funktion sowohl von Z1 als auch Zdiff ist, ist, dass die Kalibrierung für ein gegebenes Pixel zu einem gegebenen Abstand nicht linear ist, so dass eine Kalibrierung hinsichtlich einer bestimmten Stelle auf der nichtlinearen Kurve vorgesehen sein muss. In einer alternativen Umsetzung, wo nur eine lineare Umwandlung verwendet wurde, würde die Trennung dann nur von den Werten Zdiff und OFFSET abhängen.
Auf der Grundlage der vorstehenden Prinzipien und unter Bezugnahme auf 2 und 3 werden die Spitzen P(FMB) und P(SMB), wenn die Stufenhöhe Zdiff = Z1 – Z2 dieselbe OFFSET ist, an derselben Stelle auf dem Detektor sein (das heißt, sie werden auf der Kurve 310 ununterscheidbar sein). Angesichts dieser Überlegungen ist es in verschiedenen Umsetzungen gewünscht, dass der Verschiebungsabstand OFFSET unter Bezugnahme auf den erwarteten Bereich des Abstands Zdiff = Z1 – Z2 ausgewählt oder eingestellt wird, so dass die Spitzen für P(FMB) = P(Z1) und (P(SMB) = P(Z2 + OFFSET) nicht zusammenfallen und differenziert werden können. Hinsichtlich der Fähigkeit, die Spitzen differenzieren zu können, kann es in bestimmten Umsetzungen gewünscht sein, dass sie nicht näher als ungefähr 5–10% des Messbereichs auf dem Detektor kommen (etwa ein Beispiel von Spitzen mit ungefähr einer 70-Pixel-Trennung ist in 3 als Darstellung in punktierter Linie eines Satzes von Spektralprofildaten 310a gezeigt). Der Einfachheit halber kann dies neu formuliert werden, dass es erforderlich ist, dass der Abstand OFFSET so hergestellt wird, dass (Zdiff – OFFSET) > 0,05·R ist oder in einer konservativeren Umsetzung, dass (Zdiff – OFFSET) > 0,1 R für alle erwarteten Werte von Zdiff ist.
Somit ist es in bestimmten Umsetzungen gewünscht, dass die Einstellung des Farbpunktsensorsystems 100 einschließlich der Zweistrahleinrichtung 200 gemäß den vorstehenden Überlegungen konfiguriert wird. Insbesondere kann gemäß dem Vorstehenden ein ununterbrochener Z-Gesamtmessbereich der Zweistrahlvorrichtungs- und Lesestrahleinstellung so viel wie R + Offset sein. Wenn jedoch der Abstand OFFSET den Messbereich R überschreitet, entsteht eine Lücke oder Unterbrechung in der Mute des Gesamtmessbereichs, wo keiner der Strahlen eine gültige Messung ermitteln kann. Theoretisch kann sich ein ununterbrochener Messbereich N·R nähern, wobei N für die Anzahl der Strahlen steht. Wenn es akzeptabel ist, mit weniger Signal zu arbeiten, kann jeder Strahl mehrmals geteilt werden und es kann ein Bereich erhalten werden, der sich einem großen Anteil der maximalen Brennweite des optischen Stifts nähert (beispielsweise ähnlich dem Distanzierungsabstand, der in einer spezifischen Beispielumsetzung in der Größenordnung von 10R liegen kann). In einer etwas konservativeren Schätzung für eine solche Umsetzung kann ein wahrer Arbeitsbereich von zumindest 8R erreicht werden, mit einiger Verschlechterung im S/N oder der Probenrate, aufgrund der niedrigeren Lichtintensität in jedem Strahl und der optischen Verschlechterung in den mehrfachen Teilvorgängen.
4 ist ein Diagramm einer auseinander gezogenen Ansicht einer ersten beispielhaften Ausführungsform einer Zweistrahlvorrichtung 400, die mit einem optischen Stift 120 gekoppelt ist. In 4 sind dieselben oder analoge Elemente wie diejenigen in der Zweistrahlvorrichtung 200 der 2 mit denselben oder ähnlichen Bezugsnummern bezeichnet. Die Zweistrahlvorrichtung 400 der 4 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen, schematisch dargestellten Zweistrahlvorrichtung 200 darin, dass der erste und zweite Messstrahl FMB und SMB beide abwärts entlang Messachsen gerichtet sind, die senkrecht zur optischen Achse des optischen Stifts 120 sind.
Wie in 4 gezeigt, wird ein Anbringungselement 402 (beispielsweise ein Anbringungskragen mit einem oberen Schlitz, so dass er verengt werden kann) verwendet, um die Zweistrahlvorrichtung 400 sicher am optischen Stift 120 anzubringen. Ein Klemmbolzen 403 ist zum Verengen und Zusammendrücken des Anbringungselements 402 rund um das Ende des optischen Stifts 120 vorgesehen. Eine erste reflektierende Elementvorrichtung 210' kann am Anbringungselement 402 befestigt sein und eine zweite reflektierende Elementvorrichtung 220' kann an der ersten reflektierenden Elementvorrichtung 210' befestigt sein. Die erste und zweite reflektierende Elementvorrichtung 210' und 220' können in bestimmten Ausführungsformen Komponenten umfassen, die ähnlich dem ersten und zweiten reflektierenden Element 210 und 220 der 2 sind. Wie in 4 gezeigt, kann die erste reflektierende Elementvorrichtung 210' einen ersten reflektierenden Elementhalter 406, einen ersten reflektierenden Elementrahmen 408 und ein erstes reflektierendes Element 410 einschließen. Ein Abstandselement 404 kann vorgesehen sein, um die Beabstandung der ersten reflektierenden Elementvorrichtung 210' relativ zum Anbringungselement 402 und dem optischen Stift 120 einzustellen. Die zweite reflektierende Elementvorrichtung 200' kann einen zweiten reflektierenden Elementhalter 416 und ein zweites reflektierendes Element 420 einschließen. Ein Abstandselement 414 kann vorgesehen sein, um die Beabstandung der zweiten reflektierenden Elementvorrichtung 220' relativ zur ersten reflektierenden Elementvorrichtung 210', dem Anbringungselement 402 und dem optischen Stift 120 einzustellen. Wie in 6 gezeigt, kann das Abstandselement 414 verwendet werden, um die Dimension SEPP (und daher den Wert OFFSET, wie vorstehend umrissen) einzustellen. Das Abstandselement 404 kann dazu verwendet werden, die nominale Distanzierungsdimension oder den Arbeitsabstand einzustellen.
Wie in 4 gezeigt, kann das Abstandselement 404 das Anbringungselement 402 und den ersten reflektierenden Elementhalter 406 verstellbar trennen. Der erste reflektierende Elementhalter 406 beinhaltet eine präzise dimensionierte und ausgerichtete quadratische Öffnung zum sicheren Aufnehmen des ersten reflektierenden Elementrahmens 408, an dem das erste reflektierende Element 410 angebracht ist, wie auch nachstehend unter Bezugnahme auf 5 eingehender beschrieben wird. Das Abstandselement 414 kann den ersten reflektierenden Elementhalter 406 vom zweiten reflektierenden Elementhalter 416 verstellbar trennen. Der zweite reflektierende Elementhalter 416 beinhaltet eine präzise dimensionierte und ausgerichtete quadratische Öffnung zum sicheren Aufnehmen des zweiten reflektierenden Elements 420 (beispielsweise ein erstes oberflächenreflektierendes 45-45-90-Prisma), das durch ein Klebe- oder anderes Verbindungsverfahren mit ihm verbunden ist. Montagebolzen 417 können verwendet werden, um die Komponenten der Zweistrahlvorrichtung 400 in korrekter Ausrichtung durch präzise Montagelöcher zusammenzufügen.
Während des Betriebs sieht die Zweistrahlvorrichtung 400 den ersten und zweiten Messstrahl FMB und SMB entlang Messachsen vor, die im Allgemeinen quer oder senkrecht zur ursprünglichen optischen Achse des optischen Stifts 120 sind. Der erste Messstrahl FMB wird vom ersten reflektierenden Element 410 nach unten reflektiert (quer zur optischen Achse des optischen Stifts), während der zweite Messstrahl SMB vom zweiten reflektierenden Element 420 nach unten (quer zur optischen Achse des optischen Stifts) reflektiert wird. Wie nachstehend unter Bezugnahme auf 5 eingehender beschrieben wird, sind der erste und zweite reflektierende Elementhalter 406 und 416 dazu ausgestaltet, das erste und zweite reflektierende Element 410 und 420 sicher zu halten und auszurichten, um die korrekte Ausrichtung des ersten und zweiten Messstrahls FMB und SMB herzustellen.
5 ist ein Diagramm einer auseinandergezogenen Ansicht ausgewählter Komponenten der Zweistrahlvorrichtung 400 der 4. Wie in 5 gezeigt, hat der erste reflektierende Elementhalter 406 ein quadratisches Loch, das zum Aufnehmen und Ausrichten des ersten reflektierenden Elementrahmens 408, an dem das erste reflektierende Element 410 angebracht ist, präzise dimensioniert und ausgerichtet ist. Der erste reflektierende Elementhalter 406 weist auch bezeichnete Anbringungsoberflächen MSPA, MSPB und MSRE auf. Die Anbringungsoberfläche MSPA kann zum optischen Stift 120 in einer ersten Konfiguration angebracht sein, in der der Quellstrahl SB durch das Loch HA hindurchgeht, und der erste und zweite Messstrahl FMB und SMB sollen entlang Messachsen gerichtet sein, die senkrecht zur optischen Achse OA des optischen Stifts 120 sind (beispielsweise wie nachstehend unter Bezugnahme auf 6 näher beschrieben wird). In einer alternativen Konfiguration kann die Anbringungsoberfläche MSPB so angebracht sein, dass sie dem optischen Stift 120 zugewandt ist, wobei der Quellstrahl SB durch das Loch HB hindurchgeht und der erste und zweite Messstrahl FMB und SMB entlang Messachsen gerichtet sein sollen, die parallel zur optischen Achse OA des optischen Stifts 120 sind (beispielsweise wie nachstehend unter Bezugnahme auf 8 näher beschrieben wird). Die Anbringungsoberfläche MSRE ist im Allgemeinen dem zweiten reflektierenden Element 420 zugewandt, das im zweiten reflektierenden Elementhalter 416 enthalten ist, wenn er in einer Konfiguration vorhanden ist. Es wird anerkannt werden, dass eine korrekte Ausrichtung der Anbringungsoberflächen und Montagelöcher eine korrekte Ausrichtung zum Herstellen des ersten und zweiten Messstrahls FMB und SMB in ihren korrekten Ausrichtungen sicherstellt. Diese korrekte Ausrichtung wird auch durch einen sorgfältigen Aufbau des ersten reflektierenden Elementhalters 406 zum sicheren Halten des ersten reflektierenden Elementrahmens 408 sichergestellt, an dem das erste reflektierende Element 410 angebracht ist, und des zweiten reflektierenden Elementhalters 416 zum sicheren Halten des zweiten reflektierenden Elements 420.
Der erste reflektierende Elementhalter 406 beinhaltet Löcher HA, HB und HC, während der erste reflektierende Elementrahmen 408 Löcher H1, H2 und H3 einschließt, sowie eine erste reflektierende Elementanbringungsoberfläche MSFRE. Das erste reflektierende Element ist an der ersten reflektierenden Elementanbringungsoberfläche MSFRE des ersten reflektierenden Elementrahmens 408 (beispielsweise durch ein Klebe- oder anderes Verbindungsverfahren) angebracht. In einigen Ausführungsformen ist es von Vorteil, dass der erste und zweite Messstrahl FMB und SMB Strahlen umfassen, die durch keine optischen Werkstoffe und/oder potenziell Verzerrungen erzeugende refraktive Zwischenschichten in einer Zweistrahlvorrichtung hindurchgegangen sind. Daher ist in den Ausführungsformen, die in den 4–10 gezeigt sind, das erste reflektierende Element ein strukturiertes Spiegelelement, das Erste-Oberfläche-planereflektierende-Spiegelzonen (beispielsweise Materialzonen aus einem polierten Metallblech) und durchlässige Zonen, die offene Löcher (beispielsweise Löcher durch das polierte Metallblech) beinhalten. Das zweite reflektierende Element (falls vorhanden) kann alles Licht in verschiedenen Ausführungsformen reflektieren. Daher kann in solchen Ausführungsbeispielen das zweite reflektierende Element durch einen ersten Oberflächenspiegel eines beliebigen praktischen Elements vorgesehen sein (beispielsweise das prismatische Element 420, das in 5 gezeigt ist).
Wie nachstehend in Bezug auf 6 eingehender beschrieben wird, empfangen in einer Konfiguration (d. h. in der die Anbringungsoberfläche MSPA) so angebracht ist, dass sie dem optischen Stift 120 zugewandt ist) die Löcher HA und H1 den Quellstrahl vom optischen Stift 120, während ein Anteil des Strahls durch das Loch H2 und durch die offenen Sektionen des ersten reflektierenden Elements 410 als der zweite Messstrahl SMB hindurchgeht, und ein Anteil wird nach unten durch die Löcher H3 und HC als erster Messstrahl FMB reflektiert. Wie nachstehend unter Bezugnahme auf 8 eingehender beschrieben wird, kann in einer alternativen Konfiguration (d. h., in der die Anbringungsoberfläche MSPB so angebracht ist, dass sie dem optischen Stift 120 zugewandt ist) der Quellstrahl vom optischen Stift 120 durch das Loch HB empfangen werden, während ein Anteil des Strahls durch die offenen Sektionen des ersten reflektierenden Elements 410 und dann durch die Löcher H3 und HC als der erste Messstrahl FMB hindurchgeht, und ein Anteil wird von den reflektierenden Sektionen des ersten reflektierenden Elements 410 als der zweite Messstrahl SMB reflektiert.
6 ist ein Diagramm einer Querschnitts-Seitenansicht der montierten Zweistrahlvorrichtung 400 und des optischen Stifts 120 der 4 und 5 (beispielsweise, wie sie im Gebrauch erscheinen würden). Wie in 6 gezeigt, umgibt das Anbringungselement 402 das Ende des optischen Stifts 120 und ist an Ort und Stelle mit dem Klemmbolzen 403 festgeklemmt. Das Anbringungselement 402 kann eine externe Ausrichtungsfläche AS einschließen, die zur Unterstützung bei der korrekten Messachsenausrichtung und Stabilität der Zweistrahlvorrichtung 400 zum Messen der Abstände zu den Oberflächen 190 und 190' auf einer anderen Oberfläche lagern kann. Im Ausführungsbeispiel der 6 ist die Ausrichtungsfläche AS gezeigt, dass sie senkrecht zu den Messachsen des ersten und zweiten Messstrahls FMB und SMB ist. Es wird anerkannt werden, dass andere Ausrichtungsflächen in alternativen Ausführungsformen auf anderen Abschnitten des Anbringungselements 402 oder auf anderen Elementen vorgesehen sein können (beispielsweise auf dem ersten oder zweiten reflektierenden Elementhalter 406 oder 416, usw.).
Es ist gezeigt, dass das Abstandselement 404 eine gewünschte Beabstandungsdistanz zwischen dem Anbringungselement 402 und dem ersten reflektierenden Elementhalter 406 vorsieht. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben ist, hält der erste reflektierende Elementhalter 406 den ersten reflektierenden Elementrahmen 408, an dem das erste reflektierende Element 410 angebracht ist. Das Abstandselement 414, das auf den ersten reflektierenden Elementhalter 406 folgt, sieht eine gewünschte Beabstandungsdistanz zwischen dem ersten reflektierenden Elementhalter 406 und dem zweiten reflektierenden Elementhalter 416 vor (zum Beispiel, um eine gewünschte Dimension SEPP = OFFSET in einigen Ausführungsformen bereitzustellen, wie zuvor umrissen). Wie vorstehend unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben ist, hält der zweite reflektierende Elementhalter 416 das zweite reflektierende Element 420 in korrekter Ausrichtung sicher an Ort und Stelle. Montagebolzen 417 dienen zum korrekten Ausrichten und Montieren der Komponenten der Zweistrahlvorrichtung 400.
Während des Betriebs bewegt sich Licht, das von der Blende 195 durch die Linsen 150 des optischen Stifts 120 hindurchgeht, als Quellstrahl SB, der zum ersten reflektierenden Element 410 weitergeht, von dem ein Anteil durch offene Sektionen des ersten reflektierenden Elements 410 als der zweite Messstrahl SMB weitergeht, der von dem zweiten reflektierenden Element 420 in einer Abwärtsrichtung entlang einer zweiten Messachse zur Oberfläche 190' hin reflektiert wird. Ein Anteil des Quellstrahls wird ebenfalls von den reflektierenden Sektionen des ersten reflektierenden Elements 410 als der erste Messstrahl FMB reflektiert, der sich entlang einer ersten Messachse abwärts zur Oberfläche 190 hin bewegt.
Wie vorstehend in Bezug auf 2 und 3 beschrieben ist, können verschiedene Dimensionen, wie etwa der Trennabstand SEPP und der Verschiebungsabstand OFFSET unter entsprechender Berücksichtigung erwarteter Werkstückdimensionen ausgewählt oder eingestellt werden, um Spektralspitzen an gewünschten Stellen oder mit einer gewünschten minimalen Trennung entlang der Detektormessachse herzustellen (wie zum Beispiel unter Bezugnahme auf 3 umrissen). Somit wird anerkannt werden, dass die Abstandselemente 404 und 414, wie in 6 veranschaulicht, so ausgewählt werden können, dass sie eine gewünschte Dicke für diese Zwecke haben. Wie in 6 gezeigt, bestimmt das Abstandselement 414 sowohl die physische Trennung als auch die entsprechende Messbereichsverschiebung des ersten und zweiten Messstrahls FMB und SMB. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, ist es gewünscht, dass die Verschiebung groß genug ist, so dass die Spektralspitzen unterschieden werden können, aber auch klein genug, so dass beide Spektralspitzen in einen gewünschten Messbereich des Detektors fallen. Wie ebenfalls in 6 gezeigt, bestimmt das Abstandselement 404 eine Gesamtdistanzierungsdimension des Arbeitsabstands für die Messstrahlen relativ zur Zweistrahlvorrichtung 400. In verschiedenen Ausführungsformen können die Breiten der Abstandselemente 404 und 414 variiert werden (beispielsweise durch Einfügen einer variablen Anzahl von Abstandselementen oder Abstandselementen verschiedener Breiten, usw.).
Es wird anerkannt werden, dass die Konfiguration der 6, in der der erste und zweite Messstrahl FMB und SMB zu den Oberflächen 190 bzw. 190' gerichtet sind, gestattet, dass die Stufenhöhe zwischen den Oberflächen 190 und 190' als die Dimension Zdiff gemessen wird (zum Beispiel wie in 2 veranschaulicht und wie vorstehend beschrieben). Vorteile dieses Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik beinhalten, dass zwei Messungen von einem einzigen optischen Stift 120 erhalten werden können, dass Zdiff den normalen Messbereich R eines Optikstifts überschreiten kann und dennoch der Stift und/oder die Messfläche nicht vorwärts und rückwärts bewegt werden müssen, um die Messungen bereitzustellen, was entsprechend für schnellere Messungen und eine verbesserte Genauigkeit sorgt (d. h. Erschütterungen, Tischbewegungen usw. heben einander auf). Es wird auch anerkannt werden, dass ein konventioneller optischer Stift leicht zum Durchführen einer Zweistrahlfunktionalität umgewandelt werden kann, einschließlich dualer Messbereiche oder eines erweiterten Messbereichs, einfach durch Anbringen des Messelements 402 der Zweistrahlvorrichtung 400.
7 ist ein Diagramm einer Reihe reflektierender Muster 410A–410D, die in beispielhaften Ausführungsformen für die Oberfläche des reflektierenden Elements 410 der 4–6 verwendet werden können. Die Muster sind Innerhalb gestrichelter Linien-„Grenzen” definiert, die ungefähr der von dem Muster erhaltenen Darstellung entsprechen. Wie in 7 gezeigt, können die Muster in einem erweiterten Bereich einer Materialschicht oder -dünnschicht auf Glas beinhaltet sein (beisplelsweise einer rechteckigen Schicht- oder Dünnschichtbereich, wie gezeigt), wie zuvor umrissen und weiter unten beschrieben. Wie in 7 gezeigt, ist das reflektierende Muster 410A in vier Sektionen S1A–S4A unterteilt, wobei die erste und dritte Sektion S1A und S3A offen (oder durchlässig) sind und die zweite und vierte Sektion S2A und S4A reflektierend sind. Es ist gezeigt, dass das Muster 410B in acht Sektionen S1B–S8B unterteilt ist, wobei die Sektionen S1B, S3B, S5B und S7B offen sind, während die Sektionen S2B, S4B, S6B und S8B reflektierend sind. In dem Muster 410C ist eine mittlere kreisförmige Sektion S1C offen, während eine äußere Ringsektion S2C reflektierend ist. In dem Muster 410D ist eine zentrale kreisförmige Sektion S1D offen und von einer inneren kreisförmigen Sektion S2D umgeben, die reflektierend ist, die von einer kreisförmigen Sektion S3D umgeben ist, die offen ist, die weiterhin von einer äußeren kreisförmigen Sektion S4D umgeben ist, die reflektierend ist. Wenn das reflektierende Muster 410D in einer Materialschicht ausgebildet ist, kann das Muster minimale Brückensektionen BR zum Tragen der Sektion S2D einschließen. Die Brückensektionen BR können weggelassen werden, wenn das Muster in Dünnschicht auf Glas oder dergleichen ausgebildet ist.
Wie nachstehend eingehender beschrieben werden wird, sind alle Muster 410A–410D mit einer Symmetrieart ausgebildet, die für den Betrieb der Zweistrahlvorrichtung 400 vorteilhaft ist. Insbesondere ist es in bestimmen Umsetzungen bevorzugt, dass die Muster eine reflektierende Symmetrie über die Mustermitte hinweg haben, oder anders gesagt, das Muster sollte ähnlich oder identisch aussehen, wenn es um 180° um seine Mitte gedreht wird. Wie in den Mustern 410A und 410B der 7 veranschaulicht ist, kann dies bei einer Art der Umsetzung erreicht werden, indem ein Muster mit einer geraden Anzahl offener Sektionen und einer geraden Anzahl reflektierender Sektionen vorgesehen wird, wobei jede offene Sektion eine entsprechende offene Sektion aufweist, die über die Mustermitte von ihr hinweg symmetrisch ist, und jede reflektierende Sektion weist eine entsprechende reflektierende Sektion auf, die über die Mustermitte von ihr hinweg symmetrisch ist. Diese Art von Konfiguration ist insofern funktionsfähig, als im Hinblick auf den Quellstrahl vom optischen Stift 120 ein Lichtstrahl im oberen Anteil des Quellstrahls im unteren Abschnitt der Optik in dem von der Werkstückoberfläche reflektierten Messstrahl zurückgeworfen wird. Gleichermaßen wird ein Lichtstrahl vom unteren Anteil des Quellstrahls im oberen Abschnitt der Optik in dem von der Werkstückoberfläche reflektierten Messstrahl zurückgeworfen. Somit wird, beispielsweise in Bezug auf das Muster 410A, ein Anteil des Quellstrahls, der sich durch die offene Sektion S1A bewegt, von der Oberfläche zurückreflektiert, die durch die offene Sektion S3A gemessen wird. Gleichermaßen wird ein Anteil des Quellstrahls, der von der reflektierenden Sektion S2A reflektiert wird, von der Oberfläche zurückreflektiert, die von der Sektion S4A in Richtung des optischen Stifts 120 gemessen und reflektiert wird, um die gewünschte Messinformation bereitzustellen. Gleichermaßen wird ein Quellstrahlanteil, der sich durch die offene Sektion S3A bewegt, durch eine offene Sektion S1A zurückreflektiert, und ein Anteil, der von der vierten Sektion S4A reflektiert wird, zur zweiten Sektion S2A zurückreflektiert. Es wird anerkannt werden, dass ähnliche Vorgänge für das Muster 410B für jede der acht symmetrischen Sektionen S1B-S8B vorkommen.
Hinsichtlich der Muster 410C und 410D wird anerkannt werden, dass eine ähnliche Vorgangssymmetrie für die entsprechenden kreisförmigen Muster vorhanden ist. Beispielsweise wird ein Anteil des Quellstrahls, der sich durch einen offenen Bereich nahe einer Kante der offenen Sektion S1C bewegt, durch einen Bereich nahe einer gegenüberliegenden Kante der offenen Sektion S1C zurückreflektiert. Gleichermaßen wird ein Anteil des Quellstrahls, der von einem reflektierenden Abschnitt nahe einer Kante der reflektierenden Sektion S2C reflektiert wird, von der Messoberfläche in Richtung eines reflektierenden Abschnitts an einer gegenüberliegenden Kante der reflektierenden Sektion S2C zurückreflektiert. Es wird anerkannt werden, dass ein ähnlicher Vorgang für jede der offenen und reflektierenden Sektionen des kreisförmigen Musters 410D vorkommt.
In einigen Ausführungsformen sind die reflektierenden Zonen dazu entworfen, einen reflektierenden Gesamtbereich im Quellstrahl (innerhalb der punktierten Linien) zu haben, und die durchlässigen Zonen, einen durchlässigen Gesamtbereich im Quellstrahl zu haben, und der reflektierende Gesamtbereich kann innerhalb eines spezifizierten Prozentsatzes (beispielsweise +/– 25%) des durchlässigen Gesamtbereichs liegen, so dass die Energie innerhalb des ersten und zweiten Messstrahls zumindest teilweise ausgeglichen ist, und sie beide einen gewünschten Signalstärkepegel liefern. In bestimmten anderen Ausführungsformen kann der reflektierende Gesamtbereich eine spezifizierte Differenz (zum Beispiel mindestens +/– 5%) zum durchlässigen Gesamtbereich haben, so dass die Energie im ersten und zweiten Messstrahl nachweisbar verschieden ist, und ihre Signale können voneinander auf der Grundlage ihrer Signalstärken (beispielsweise ihrer Spitzenhöhen) auf dem Detektor unterschieden werden.
8 ist ein Diagramm einer Querschnitts-Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer Zweistrahlvorrichtung 800, die mit einem optischen Stift 120 gekoppelt ist. Es wird anerkannt werden, dass die Komponenten der Zweistrahlvorrichtung 800 ähnlich oder identisch mit ähnlich nummerierten Komponenten der Zweistrahlvorrichtung 400 der 4–7 sind. Ein Hauptunterschied der Zweistrahlvorrichtung 800 ist, dass der erste Messstrahl FMB und der zweite Messstrahl SMB beide entlang Messachsen gerichtet sind, die parallel zur optischen Achse OA des optischen Stifts 120 sind.
Wie in 8 gezeigt ist, wird ein Anbringungselement 802 verwendet, um die Zweistrahlvorrichtung 800 am Ende des optischen Stifts 120 anzubringen, und wird mit einem Klemmbolzen 803 festgezogen. Es ist gezeigt, dass eine externe Ausrichtungsfläche AS auf dem Anbringungselement 802 parallel zu den Messachsen des ersten und zweiten Messstrahls FMB und SMB ist, die von der Zweistrahlvorrichtung 800 ausgegeben werden. Die übrigen Komponenten der Zweistrahlvorrichtung 800 befinden sich allgemein in einer 90°-Ausrichtung relativ zu den vergleichbaren Komponenten der Zweistrahlvorrichtung 400 der 6. Genauer gesagt, ist in der Zweistrahlvorrichtung 808 der erste reflektierende Elementhalter 806 unter dem zweiten reflektierenden Elementhalter 816 ausgerichtet (im Vergleich zu einer Links/Rechts-Ausrichtung des ersten reflektierenden Elementhalters 406 und eines zweiten reflektierenden Elementhalters 416, die in 6 gezeigt sind).
Der erste reflektierende Elementhalter 806 enthält einen ersten reflektierenden Elementrahmen 808, an dem ein erstes reflektierendes Element 810 angebracht ist. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 7 beschrieben ist, kann das erste reflektierende Element 810 ein Muster mit offenen und reflektierenden Sektionen umfassen. Der zweite reflektierende Elementhalter 816 enthält ein zweites reflektierendes Element 820. Montagebolzen 817 sind für die Montage und korrekte Ausrichtung der Komponenten der Zweistrahlvorrichtung 800 vorgesehen.
Im Betrieb wird der Quellstrahl vom optischen Stift 120 zum ersten reflektierenden Element 810 gelenkt. Anteile des Quellstrahls, die sich durch die offenen Sektionen des ersten reflektierenden Elements 810 bewegen, fahren als der erste Messstrahl FMB fort, der entlang einer ersten Messachse zur Oberfläche 190 gelenkt wird. Anteile des Quellstrahls, die von den reflektierenden Sektionen des ersten reflektierenden Elements 810 reflektiert werden, werden zum zweiten reflektierenden Element 820 gelenkt, das dann den zweiten Messstrahl SMB entlang einer zweiten Messachse zur Oberfläche 190' lenkt. Es wird anerkannt werden, dass der erste und zweite Messstrahl FMB und SMB somit parallel in dieselbe Richtung wie die optische Achse OA des optischen Stifts 120 gelenkt werden.
In einem Ausführungsbeispiel können Elemente mit ähnlichen Suffixen in den 8 und 4 ähnlich oder identisch sein und einfach in verschiedenen Ausrichtungen relativ zueinander unter Verwendung alternativer Befestigungslöcher zusammengebaut werden, die allgemein in 4 dargestellt sind.
9 ist ein Diagramm einer Querschnitts-Seitenansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Zweistrahlvorrichtung 900, die mit einem optischen Stift 120 gekoppelt ist. Es wird anerkannt werden, dass die Komponenten der Zweistrahlvorrichtung 900 ähnlich oder identisch mit ähnlich nummerierten Komponenten der Zweistrahlvorrichtungen 400 und 800, wie vorstehend beschrieben, sind. Ein Hauptunterschied der Zweistrahlvorrichtung 900 ist, dass der erste Messstrahl FMB entlang einer ersten Messachse in dieselbe Richtung wie die optische Achse des optischen Stifts 120 gerichtet ist, während der zweite Messstrahl SMB entlang einer zweiten Messachse in eine Richtung gerichtet ist, die senkrecht zur optischen Achse des optischen Stifts 120 ist.
Wie in 9 gezeigt, wird ein Anbringungselement 902 verwendet, um die Zweistrahlvorrichtung 900 am Ende des optischen Stifts 120 zu befestigen, und wird durch einen Klemmbolzen 903 festgezogen. Es ist gezeigt, dass eine externe Ausrichtungsfläche AS des Anbringungselements 902 parallel zur Messachse des ersten Messstrahls FMB und senkrecht zur Messachse des zweiten Messstrahls SMB ist. Ein Abstandselement 904 sieht einen bezeichneten Abstand zwischen dem Anbringungselement 902 und einem ersten reflektierenden Elementhalter 906 vor. Der erste reflektierende Elementhalter 906 enthält einen ersten reflektierenden Elementrahmen 908, an dem ein erstes reflektierendes Element 910 angebracht ist. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 7 beschrieben ist, kann das erste reflektierende Element 910 ein Muster mit offenen und reflektierenden Sektionen umfassen.
Im Betrieb wird der Quellstrahl vom optischen Stift 120 zum ersten reflektierenden Element 910 gelenkt. Anteile des Quellstrahls, die sich durch die offenen Sektionen des ersten reflektierenden Elements 910 bewegen, fahren als der erste Messstrahl FMB fort, der sich entlang einer ersten Messachse zur Oberfläche 190 bewegt. Anteile des Quellstrahls, die von den reflektierenden Sektionen des ersten reflektierenden Elements 910 reflektiert werden, werden als der zweite Messstrahl SMB abwärts gelenkt, der sich entlang einer zweiten Messachse bewegt. Somit sind, wie in 9 veranschaulicht ist, der erste und zweite Messstrahl FMB und SMB im Allgemeinen senkrecht zueinander. Es wird anerkannt werden, dass eine solche Konfiguration zum Messen verschiedener Arten von Oberflächenkonfigurationen nützlich sein kann (beispielsweise zum Messen eines sich ändernden Winkels zwischen zwei Oberflächen, zum gleichzeitigen Messen einer Oberflächenrauigkeit von Boden- und Seitenwänden, usw.).
In einer Ausführungsform können Elemente, die mit ähnlichen Suffixen in den 9 und 4 beziffert sind, ähnlich oder identisch sein, und einige der in 4 dargestellten Elemente können einfach weggelassen sein.
10 ist ein Diagramm einer Querschnitts-Seitenansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer Zweistrahlvorrichtung 1000, die mit einem optischen Stift 120 gekoppelt ist. Es wird anerkannt werden, dass die Komponenten der Zweistrahlvorrichtung 1000 ähnlich oder identisch mit ähnlich nummerierten Komponenten der Zweistrahlvorrichtungen 400, 800 und 900, wie vorstehend beschrieben, sein können. Ein Hauptunterschied der Zweistrahlvorrichtung 1000 ist, dass der erste Messstrahl FMB entlang einer ersten Messachse in einer Aufwärtsrichtung gelenkt wird, die senkrecht zur optischen Achse OA des optischen Stifts 120 ist, während der zweite Messstrahl SMB in einer Abwärtsrichtung entlang einer zweiten Messachse in eine Richtung gelenkt wird, die der Richtung des ersten Messstrahls FMB entgegengesetzt ist.
Wie in 10 gezeigt, wird ein Anbringungselement 1002 verwendet, um die Zweistrahlvorrichtung 1000 am Ende des optischen Stifts 120 zu befestigen, und wird durch einen Klemmbolzen 1003 festgezogen. Es ist gezeigt, dass eine externe Ausrichtungsfläche AS des Anbringungselements 1002 senkrecht zu den Messachsen des ersten und zweiten Messstrahls FMB und SMB ist. Ein Abstandselement 1004 sieht einen bezeichneten Abstand zwischen dem Anbringungselement 1002 und einem ersten reflektierenden Elementhalter 1006 vor. Der erste reflektierende Elementhalter 1006 enthält einen ersten reflektierenden Elementrahmen 1008, an dem ein erstes reflektierendes Element 1010 angebracht ist. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 7 beschrieben ist, kann das erste reflektierende Element 1010 ein Muster mit offenen und reflektierenden Sektionen umfassen.
Nachfolgend auf den ersten reflektierenden Elementhalter 1006 sieht ein Abstandselement 1014 eine bezeichnete Beabstandung zwischen dem ersten reflektierenden Elementhalter 1006 und einem zweiten reflektierenden Elementhalter 1016 vor. Der zweite reflektierende Elementhalter 1016 enthält ein zweites reflektierendes Element 1020. Montagebolzen 1017 sind für die Ausrichtung und Montage der Komponenten der Zweistrahlvorrichtung 1000 vorgesehen.
Im Betrieb wird der Quellstrahl SB vom optischen Stift 120 zum ersten reflektierenden Element 1010 gelenkt. Die Anteile des Quellstrahls, die von den reflektierenden Sektionen des ersten reflektierenden Elements 1010 nach unten reflektiert werden, fahren in einer Abwärtsrichtung als der erste Messstrahl FMB fort, der sich entlang einer ersten Messachse bewegt. Die Anteile des Quellstrahls, die durch die offenen Sektionen des ersten reflektierenden Elements 1010 hindurchgehen, werden von dem zweiten reflektierenden Element 1020 reflektiert, so dass sie in Aufwärtsrichtung als der zweite Messstrahl SMB gerichtet werden, der sich entlang einer zweiten Messachse bewegt. Es wird anerkannt werden, dass die Ausrichtungen des ersten und zweiten Messstrahls in entgegengesetzte Richtungen zum Erhalt verschiedener Arten von Messungen eingesetzt werden können beispielsweise zum Messen der Breite eines Spalts, usw.).
In einer Ausführungsform können Elemente, die mit ähnlichen Suffixen in den 10 und 4 beziffert sind, ähnlich oder identisch sein, und einfach in verschiedenen Ausrichtungen relativ zueinander unter Verwendung alternativer Anbringungslöcher, die allgemein in 4 dargestellt sind, zusammengebaut werden. Beispielsweise kann gesehen werden, dass die Komponenten der Zweistrahlvorrichtung 1000 praktisch identisch mit denjenigen der Zweistrahlvorrichtung 400 sind, wie in 6 dargestellt, mit der Ausnahme, dass der zweite reflektierende Elementhalter 1016 um 180° gedreht ist. Es wird anerkannt werden, dass durch einen Aufbau einer Zweistrahlvorrichtung dergestalt, dass die Komponenten gedreht und/oder verstellt werden können, verschiedene Zweistrahlvorrichtungs-Konfigurationen mit einem einzigen Satz von Zweistrahlvorrichtungsteilen erzielt werden können.
11 ist ein Diagramm, das exemplarische reflektierende Elementkonfigurationen 1100A–1100F veranschaulicht, die in verschiedenen Formen (beispielsweise unter Verwendung von prismatischen Blockelementen oder -vorrichtungen) zur Verwendung in einer Zweistrahlvorrichtung vorgesehen sein können. Wie nachstehend eingehender beschrieben wird, können die reflektierenden Elementkonfigurationen 1100A–1100F bestimmte Ausrichtungen des ersten und zweiten Messstrahls FMB und SMB erzeugen, die ähnlich denjenigen der zuvor beschriebenen Zweistrahlvorrichtungen 600, 800, 900 und 1000 sind. Es wird verstanden werden, dass der Quellstrahl SB in einigen Ausführungsformen von einem Muster, das den Prinzipien entspricht, die unter Bezugnahme auf 7 umrissen wurden, auf der ersten reflektierenden Elementoberfläche reflektiert werden kann, die als Dünnschichtmuster auf beispielsweise einem prismatischen Block ausgebildet sein kann. Alternativ kann der Quellstrahl SB in manchen Ausführungsformen von einer halb-versilberten Spiegelfläche oder dergleichen auf der ersten reflektierenden Elementoberfläche reflektiert werden. Obwohl dies wirtschaftlich sein mag, führt es jedoch zu verlorenem oder verschwendetem Licht, wenn die Messstrahlen durch jene Oberfläche zurückkehren. In Ausführungsformen, in denen eine zweite reflektierende Elementoberfläche den zweiten Messstrahl entlang der Messachse MA2 ablenkt, kann jene Oberfläche eine komplett verspiegelte Oberfläche sein. Bei Verwendung prismatischer Blockelemente wird anerkannt werden, dass bestimmte Verzerrungsniveaus von den prismatischen Elementen in den ersten und zweiten Messstrahl FMB und SMB eingeführt werden können, aber sogar in solchen Fällen können sich noch funktionsfähige Vorrichtungen ergeben, und in bestimmten Umsetzungen können jegliche Verzerrungsniveaus durch Kalibrierungstechniken, wie sie auf dem Gebiet bekannt sind, behoben werden.
Wie in 11 gezeigt ist, beinhaltet in dieser besonderen Konfiguration die reflektierende Elementkonfiguration 1100A ein dreieckiges prismatisches Element 1110A, das auf beiden Seiten vollständige reflektierende Oberflächen aufweist. Das reflektierende Element 1110A teilt einen Quellstrahl SB, der sich entlang einer optischen Achse OA bewegt, in einen ersten Messstrahl FMB, der entlang einer ersten Messachse MA1 aufwärts gerichtet ist, und einen zweiten Messstrahl SMB, der entlang einer zweiten Messachse MA2 abwärts gerichtet ist. Es wird anerkannt werden, dass eine solche Konfiguration eine Alternative zur Zweistrahlvorrichtung 1000 der 10 bereitstellen kann, die, wie vorstehend beschrieben, auch den ersten und zweiten Messstrahl FMB und SMB in entgegengesetzte Richtungen lenkt.
In bestimmten Umsetzungen kann es wünschenswert sein, dass die Seiten des dreieckigen prismatischen Elements 1110A in einem Winkel θ ausgerichtet sind, der kleiner als 45° ist. Dies kann darin gewünscht sein, dass jede Seite des Elements 1110A eine Hälfte des konvergierenden Quellstrahls SB empfängt. Mit anderen Worten, wenn es gewünscht ist, dass der gesamte konvergierende Quellstrahl SB durch die Vorrichtung zurück abgebildet wird, müssen die Oberflächen des dreieckigen prismatischen Elements 1110A geneigt sein, um die Konvergenz und die Tatsache, dass die Hälfte der Konvergenz auf jeder Seite involviert ist, zu berücksichtigen. Somit weicht in einer spezifischen beispielhaften Ausführungsform der Winkel θ um ungefähr die halbe numerische Apertur (NA) von 45° ab. Durch korrektes Bestimmen des Winkels θ kehren der erste und zweite Messstrahl FMB und SMB, nachdem sie von den jeweiligen Oberflächen 190 und 190' zurück reflektiert worden sind, überkreuzt zurück und weisen ungefähr dieselbe Konfiguration auf, die vorhanden war, als die Strahlen geteilt wurden. Auf diese Weise werden ähnliche Strahlen entlang ihrer ursprünglichen Linien zurück in den optischen Stift 120 reflektiert, so dass präzise Messungen erzielt werden können.
Wie weiterhin in 11 gezeigt, beinhaltet die nächste reflektierende Elementkonfiguration 1100B ein erstes reflektierendes Element 1110B und ein zweites reflektierendes Element 1120B. Das erste reflektierende Element 1110B kann eine teilweise reflektierende, teilweise durchlässige Schicht (d. h., wie sie in der Optik bekannt sind) sein, so dass ein Anteil eines entlang einer optischen Achse OA vorgesehenen Quellstrahls aufwärts als erster Messstrahl entlang einer ersten Messachse MA1 reflektiert werden kann. Außerdem kann auch ein Anteil des Quellstrahls zum zweiten reflektierenden Element 1120B übertragen und aufwärts als der zweite Messstrahl entlang einer zweiten Messachse MA2 reflektiert werden. Es wird anerkannt werden, dass diese Konfiguration eine Ausrichtung des ersten und zweiten Messstrahls entlang der ersten und zweiten Messachse MA1 und MA2 vorsieht, die ähnlich derjenigen der Zweistrahlvorrichtung 400 ist, wie in 6 veranschaulicht.
Die nächste reflektierende Elementkonfiguration 1100C beinhaltet einen Strahlteiler 1107C. Der Strahlteiler 1107C überträgt einen Anteil eines Quellstrahls, der sich entlang einer optischen Achse OA als erster Messstrahl entlang einer ersten Messachse MA1 bewegt. Der Strahlteiler 1107C reflektiert auch an einer internen reflektierenden Oberfläche 1110C einen Anteil des Quellstrahls aufwärts als zweiten Messstrahl entlang einer zweiten Messachse MA2. Es wird anerkannt werden, dass die Ausgabe des ersten und zweiten Messstrahls entlang der ersten und zweiten Messachse MA1 und MA2 in diesen Ausrichtungen ähnlich derjenigen der Zweistrahlvorrichtung 900 ist, wie in 9 dargestellt.
Die nächste reflektierende Elementkonfiguration 1110D beinhaltet ein prismatisches Element 1107D. Als erste interne Oberfläche 1110D des prismatischen Elements 1107D wird ein Anteil eines Quellstrahls, der sich entlang einer optischen Achse OA bewegt, aufwärts als erster Messstrahl entlang einer ersten Messachse MA1 reflektiert. Darüber hinaus wird ein übriger Anteil des Quellstrahls durch die interne Oberfläche 1110D zu einer zweiten Oberfläche 1120D des Elements 1107D übertragen, wo er aufwärts als zweiter Messstrahl entlang einer zweiten Messachse MA2 reflektiert wird. Es wird anerkannt werden, dass diese Konfiguration eine Ausrichtung für den ersten und zweiten Messstrahl entlang der ersten und zweiten Messachsen MA1 und MA2 erzeugt, die ähnlich derjenigen der Zweistrahlvorrichtung 400 ist, wie in 6 veranschaulicht.
Die nächste reflektierende Elementkonfiguration 1100E beinhaltet ein rautenförmiges prismatisches Element 1107E. An einer ersten Oberfläche 1110E des prismatischen Elements 1107E wird ein entlang einer optischen Achse OA gelenkter Quellstrahl teilweise aufwärts als erster Messstrahl entlang einer ersten Messachse MA1 reflektiert. Darüber hinaus wird ein übriger Anteil des Quellstrahls durch die erste Oberfläche 1110E zu einer zweiten Oberfläche 1120E des Elements 1107E übertragen, wo er aufwärts als zweiter Messstrahl entlang einer zweiten Messachse MA2 reflektiert wird. Es wird anerkannt werden, dass diese Konfiguration auch den ersten und zweiten Messstrahl entlang der ersten und zweiten Messachse MA1 und MA2 in einer Ausrichtung leitet, die ähnlich derjenigen der Zweistrahlvorrichtung 400 ist, wie in 6 veranschaulicht.
Die nächste reflektierende Elementkonfiguration 1100F beinhaltet ein trapezförmiges prismatisches Element 1107F. An einer ersten Oberfläche 1110F des trapezförmigen prismatischen Elements 1107F wird ein Anteil eines entlang einer optischen Achse OA vorgesehenen Quellstrahls aufwärts als erster Messstrahl entlang einer ersten Messachse MA1 reflektiert. Darüber hinaus überträgt die erste Oberfläche 1110F ebenfalls einen Anteil des Quellstrahls zu einer zweiten Oberfläche 1120F des Elements 1107F, wo er abwärts als zweiter Messstrahl entlang einer zweiten Messachse MA2 reflektiert wird. Es wird anerkannt werden, dass diese Konfiguration den ersten und zweiten Messstrahl entlang der ersten und zweiten Messachse MA1 und MA2 in einer Ausrichtung leitet, die ähnlich derjenigen der Zweistrahlvorrichtung 1000 ist, wie in 10 veranschaulicht.
12 ist ein Diagramm einer Querschnittsseitenansicht eines fünften Ausführungsbeispiels einer Zweistrahlvorrichtung 1200, die mit einem optischen Stift 120 gekoppelt ist. Es wird anerkannt werden, dass die Komponenten der Zweistrahlvorrichtung 1200 ähnlich oder identisch mit ähnlich nummerierten Komponenten der Zweistrahlvorrichtungen 200, 400, 800, 900 und 1000 sind, wie vorstehend beschrieben. In der Zweistrahlvorrichtung 1200 ist die Ausrichtung des ersten und zweiten Messstrahls FMB und SMB ähnlich derjenigen der Zweistrahlvorrichtung 800 der 8 (d. h. der erste und zweite Messstrahl FMB und SMB sind beide entlang Messachsen parallel in derselben Richtung wie die optische Achse OA des optischen Stifts 120). Ein Hauptunterschied der Zweistrahlvorrichtung 1200 (mit besonderer Bezugnahme auf die Zweistrahlvorrichtung 200 der 2) liegt darin, dass die Zweistrahlvorrichtung 1200 zwischen den Linsen des Optikabschnitts 150 positioniert worden ist. Das heißt, der Optikabschnitt 150 ist aufgeteilt worden, mit einer Linse 150A am Ende des optischen Stifts 120 und Linsen 150B und 150B' am Ende der Zweistrahlvorrichtung 1200. In einigen Ausführungsbeispielen kann dies als Positionieren der Komponenten der Zweistrahlvorrichtung 1200 innerhalb des optischen Stifts 120 betrachtet werden, was dann als Zweistrahl-Optikstift betrachtet werden kann. Da die zweifachen Strahlen durch die Zweistrahlvorrichtung 200 vor dem Eintritt in die letzte Linse des chromatisch zerstreuenden optischen Systems des CPS-Systems ausgebildet werden, erfordert jeder der zweifachen Strahlen jedenfalls eine separate Linse, wie sie durch die Linsen 150B und 150B' zur Verfügung gestellt wird.
Genauer gesagt, wie in 12 gezeigt, befindet sich die Linse 150B entlang der Messachse MA1 des ersten Messstrahls FMB, während die Linse 150B' entlang der Messachse MA1 des zweiten Messstrahls SMB positioniert ist. Im Betrieb wird der Quellstrahl SB vom optischen Stift 120 zu einem ersten reflektierenden Element 1210 hin gerichtet. Anteile des Quellstrahls, die sich durch die offenen Sektionen des ersten reflektierenden Elements 1210 bewegen, fahren als der erste Messstrahl FMB fort, der sich durch die Linse 150B bewegt und entlang einer ersten Messachse MA1 gerichtet ist. Anteile des Quellstrahls, die von den reflektierenden Sektionen des ersten reflektierenden Elements 1210 reflektiert werden, sind zu einem zweiten reflektierenden Element 1220 hin gerichtet, das dann den zweiten Messstrahl SMB durch die Linse 150B' entlang einer zweiten Messachse MA2 leitet.
Hinsichtlich der durch die Linsen 150A, 150B und 150B' vorgesehenen axialen chromatischen Verteilung bzw. Dispersion ist der Betrieb ähnlich demjenigen, der vorstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist. Jede der Linsen 150B und 150B' arbeitet mit der Linse 150A zusammen, um eine gewünschte axiale chromatische Dispersion zu liefern, so dass der Brennpunkt entlang der Messachsen MA1 und MA2, je nach der Wellenlänge des Lichts, an unterschiedlichen Abständen ist, wie für Farbkonfokalsensorsysteme bekannt ist. Bei Reflexion von einer Werkstückoberfläche oder -oberflächen wird reflektiertes Licht durch die Linsen 150B und 150B' für den ersten bzw. zweiten Messstrahl FMB bzw. SMB in Zusammenarbeit mit der Linse 150A auf die Faserblende 195 neu fokussiert. Es wird anerkannt werden, dass durch Bereitstellen der Linsen 150B und 150B' als vom optischen Stift 120 separate Elemente eine größere Flexibilität im Entwurf und der Auswahl der Linsen gestattet ist, einschließlich der Verwendung von Linsen mit spezifizierten gewünschten Eigenschaften (beispielswiese die Verwendung von Linsen mit ähnlichen oder unterschiedlichen axialen chromatischen Dispersionseigenschaften, usw.). In einer solchen Konfiguration kann es von Vorteil sein, wenn der Strahl SB, der die Linse 150A verlässt, nominal kollimiert wird. In einem solchen Fall verursacht die Weglängendifferenz zwischen dem ersten Messstrahl FMB und dem zweiten Messstrahl SMB nicht so viele Entwurfsschwierigkeiten und die Linsen 150B und 150B' können in einigen Ausführungsformen ähnlich oder identisch sein. Des Weiteren können die Linsen 150B und 150B' entlang ihrer jeweiligen optischen Wege in einem nominal kollimierten Strahl relativ frei sein, was es einfacher macht, eine gewünschte Beziehung zwischen den Messbereichen des ersten Messstrahls FMB und des zweiten Messstrahls SMB vorzusehen (zum Beispiel einen gewünschten Messbereich OFFSET). In einigen Ausführungsbeispielen können die Linsen 150B und 150B' unterschiedlich sein, so dass sie jeweilige Messbereiche vorsehen können, die sich, falls gewünscht, in der Länge unterscheiden (beispielsweise einen 300-Mikron-Messbereich und einen 3-Millimeter-Messbereich).
Es wird anerkannt werden, dass jegliche Arten der vorstehend umrissenen Zweistrahl- oder Multistrahl-Farbkonfokalpunktsensorsysteme eingesetzt werden können, um die Multistrahl-CPS-System-Messverfahren oder -anwendungen, die nachstehend umrissen sind, auszuführen.
13 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte allgemeine Routine 1300 für die Verwendung eines Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems zum gleichzeitigen Messen von zwei unterschiedlichen Oberflächenzonen gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Wie in 13 an einem Block 1310 gezeigt, ist ein Zweistrahl-Farbpunktsensorsystem vorgesehen, das für die gleichzeitige Messung von zwei unterschiedlichen Oberflächenzonen, von denen sich zumindest eine auf einem Werkstück befindet, konfiguriert ist. In einem Ausführungsbeispiel kann das System einen optischen Stift mit einer konfokalen Blende umfassen, an dem eine Zweistrahlvorrichtung angebracht ist. Spezifische Beispiele verschiedener Verfahren zum Konfigurieren eines Farbpunktsensorsystems zur gleichzeitigen Messung von zwei unterschiedlichen Oberflächenzonen werden nachstehend unter Bezugnahme auf die 14–18 eingehender beschrieben.
An einem Block 1320 wird ein erster Messstrahl vom System auf einer ersten Oberflächenzone positioniert und ein zweiter Messstrahl vom System wird auf einer zweiten Oberflächenzone positioniert. Mehrere Beispiele der ersten und zweiten Oberflächenzonen sind nachstehend in größeren Einzelheiten umrissen. Kurz gesagt, die erste und zweite Oberflächenzone weisen eine räumliche Beziehung auf, die einer Beziehung zwischen den Positionen des ersten und zweiten Messstrahls entspricht. Unterschiedliche Abschnitte einer Werkstückoberfläche können in die Positionen des ersten und/oder zweiten Messstrahls eintreten und während eines entsprechenden Satzes von Messungen am Block 1340, wie nachstehend umrissen, vorübergehend zur ersten und/oder zweiten Oberflächenzone werden. An einem Block 1330 wird Werkstückmesslicht, das sich aus dem ersten und zweiten Messstrahl ergibt, durch das System und die konfokale Blende zurück empfangen. An einem Block 1340 wird zumindest ein Satz von Messungen bestimmt, der jeweils eine erste und zweite Messung umfasst, die aus dem ersten bzw. zweiten Messstrahl entstehen. In einem Ausführungsbeispiel wird jede Messung mit einer relativ feinen Auflösung bestimmt {beispielsweise zumindest 10 nm fein). Es wird anerkannt werden, dass die Systeme der vorliegenden Erfindung imstande sind, solch hoch präzise Messungen zu erzielen, ohne die Verwendung eines Interferometers oder anderer komplexerer Systeme zu erfordern.
An einem Block 1350 wird zumindest eine Werkstückmerkmalsmessung oder eine Positionsänderung eines Werkstückmerkmals auf der Grundlage des zumindest einen Satzes von Messungen bestimmt. Beispielsweise kann ein Höhenunterschied zwischen einer ersten und einer zweiten Oberflächenzone bestimmt werden oder eine Änderung eines Höhenunterschieds kann bestimmt werden, wenn sich ein Werkstück durch den ersten und zweiten Messstrahl bewegt. Die Änderung des Höhenunterschieds kann eine Änderung einer Stufenhöhe oder eine Änderung eines Oberflächenwinkels oder eines Oberflächenauslaufs oder dergleichen angeben, wie nachstehend eingehender beschrieben ist.
14 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Subroutine 1420 zum Konfigurieren eines Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems zum Messen einer Nuttiefe/Stufenhöhe veranschaulicht. Beispielsweise können die Betätigungen der Subroutine 1420 ungefähr Betätigungen entsprechen oder als diese verwendet werden, die am Block 1320 der 13 durchgeführt werden, sowie in einigen Ausführungsformen, um eine Bewegung am Block 1340 vorzusehen, und zwar in dem Fall, dass eine Nuttiefe/Stufenhöhe durch die Routine 1300 gemessen werden soll. An einem Block 1421 wird eine Nuttiefe/Stufenhöhe zur Verwendung beim Konfigurieren des Systems bestimmt. Beispielsweise kann eine nominale Nuttiefe/Stufenhöhe aus einer Zeichnung oder Beschreibung oder vorläufigen Messung oder dergleichen bestimmt werden. An einem Block 1422 wird der Zweistrahl-Farbpunktsensormessaufbau so konfiguriert, dass die festgelegte Z-Verschiebung minus der beim Block 1421 bestimmten Nuttiefe/Stufenhöhe kleiner als ein maximaler Wert (beispielsweise der Messbereich R der CPS), aber auch größer als ein minimaler Wert ist (beispielsweise 0,05·R), so dass die zwei Messstrahlen getrennt unterscheidbare Messspitzen innerhalb des Messbereichs eines Detektors des Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems erzeugen. An einem Block 1423 ist die Zweistrahlvorrichtung so konfiguriert, dass die Messstrahlen (beispielsweise parallel) entlang Messachsen geleitet werden, die so ausgerichtet sind, dass einer auf dem Nutsitz/der unteren Stufenflächenregion positioniert ist, während der andere auf der Nutschulter/oberen Stufenflächenregion positioniert ist. Eine solche Ausrichtung der Messstrahlen (d. h. wo sie parallel gerichtet sind) ist in den 6 und 8 sowie in den Konfigurationen 1100B, 1100D und 1100E der 11 und in 12 veranschaulicht.
An einem Entscheidungsblock 1424 erfolgt eine Bestimmung, ob das Werkstückteil relativ zur Zweistrahlvorrichtung gedreht werden soll (beispielsweise ist ein Zweistrahl-Optikstift in einem Rundheitsprüfer angebracht und das Werkstück wird von dem Rundheitsprüfer gedreht). Wenn das Werkstück gedreht werden soll, geht die Subroutine zu einem Block 1425 weiter, wo ein Drehmechanismus für das Werkstück vorgesehen ist, nach welchem die Subroutine 1420 endet. Ein Beispiel eines Optikstifts, der in einem Rundheitsprüfer zum Messen einer Nuttiefe angebracht ist, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 20A–20D eingehender beschrieben. Wenn das Werkstück nicht gedreht werden soll, geht die Subroutine zu einem Entscheidungsblock 1426 weiter, wo eine Entscheidung erfolgt, ob das Werkstückteil relativ zur Zweistrahlvorrichtung linear bewegt werden soll (beispielsweise ist ein Zweistrahl-Optikstift auf einer Bezugsstruktur oder einem Maschinengestell oder dem Messkopf eines Sichtsystems angebracht, wie in 19A gezeigt, oder dergleichen, und das Werkstück wird auf einem linearen Lagersystem bewegt). Wenn das Werkstück linear bewegt werden soll, dann geht die Subroutine zu einem Block 1427 weiter, wo ein sich linear bewegender Mechanismus vorgesehen ist (beispielsweise der Arbeitstisch eines Maschinensichtsystems), nach welchem die Subroutine endet (beispielsweise geht der Betrieb mit dem Block 1330 der 13 weiter und eine Werkstückbewegung ist an den Blöcken 1330 und/oder 1340 vorgesehen). Wenn das Werkstück nicht linear bewegt werden soll, dann endet die Subroutine.
15 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Subroutine 1520 zum Konfigurieren eines Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems zum Messen einer Nut-/Spaltbreite und/oder -position veranschaulicht. Beispielsweise können die Betätigungen der Subroutine 1520 ungefähr Betätigungen entsprechen oder als diese verwendet werden, die am Block 1320 der 13 durchgeführt werden, sowie in einigen Ausführungsformen, um eine Bewegung am Block 1340 vorzusehen, und zwar in dem Fall, dass eine Nut-/Spaltbreite und/oder -position durch die Routine 1300 gemessen werden soll. An einem Block 1521 wird eine Nut-/Spaltbreite und/oder -position zur Verwendung beim Konfigurieren des Systems bestimmt. Beispielsweise kann eine nominale Nut-/Spaltbreite und/oder -position aus einer Zeichnung oder Beschreibung oder vorläufigen Messung oder dergleichen bestimmt werden. An einem Block 1522 wird der Zweistrahl-Farbpunktsensormessaufbau so konfiguriert, dass die Messbereiche der zweifachen Strahlen durch einen Abstand getrennt sind, der mit der am Block 1421 bestimmten Nut/-Spaltbreite vergleichbar ist, und so, dass die festgelegte Z-Verschiebung kleiner als ein maximaler Wert (beispielsweise der Messbereich R der CRS), aber auch größer als ein minimaler Wert ist (beispielsweise mindestens 0,05·R), so dass die zwei Messstrahlen getrennt unterscheidbare Messspitzen innerhalb des Messbereichs eines Detektors des Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems erzeugen. An einem Block 1523 ist die Zweistrahlvorrichtung so konfiguriert, dass die Messstrahlen (beispielsweise parallel, aber in entgegengesetzte Richtungen) entlang Messachsen geleitet werden, die so ausgerichtet sind, dass einer auf einer ersten Seitenflächenregion der Nut/des Spalts positioniert wird, während der andere auf einer gegenüberliegenden zweiten Seitenflächenregion der Nut/des Spalts positioniert wird. Eine solche Ausrichtung der Messstrahlen (d. h. wo sie in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind) ist in 10 sowie in den Konfigurationen 1100A und 1100E der 11 veranschaulicht.
An einem Entscheidungsblock 1524 erfolgt eine Bestimmung, ob das Werkstückteil relativ zur Zweistrahlvorrichtung gedreht werden soll (beispielsweise ist ein Zweistrahl-Optikstift in einem Rundheitsprüfer angebracht und das Werkstück wird von dem Rundheitsprüfer gedreht). Wenn das Werkstück gedreht werden soll, geht die Subroutine zu einem Block 1525 weiter, wo ein Drehmechanismus für das Werkstück vorgesehen ist, nach welchem die Subroutine 1520 endet. Wenn das Werkstück nicht gedreht werden soll, geht die Subroutine zu einem Entscheidungsblock 1526 weiter, wo eine Entscheidung erfolgt, ob das Werkstückteil relativ zur Zweistrahlvorrichtung linear bewegt werden soll. Wenn das Werkstück linear bewegt werden soll, dann geht die Subroutine zu einem Block 1527 weiter, wo ein sich linear bewegender Mechanismus vorgesehen ist (beispielsweise ist ein Zweistrahl-Optikstift auf einer Referenzstruktur oder einem Maschinengestell oder dem Messkopf eines Sichtsystems angebracht, wie in 19A gezeigt, oder dergleichen, und das Werkstück wird auf einem linearen Lagersystem bewegt), nach welchem die Subroutine endet (beispielsweise geht der Betrieb mit dem Block 1330 der 13 weiter und eine Werkstückbewegung ist an den Blöcken 1330 und/oder 1340 vorgesehen). Wenn das Werkstück nicht linear bewegt werden soll, dann endet die Subroutine.
16 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Subroutine 1620 zum Konfigurieren eines Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems zum Messen eines Oberflächen-/Lagerauslaufs veranschaulicht. Beispielsweise können die Betätigungen der Subroutine 1420 ungefähr Betätigungen entsprechen oder als diese verwendet werden, die am Block 1320 der 13 durchgeführt werden, sowie in einigen Ausführungsformen, um eine Bewegung am Block 1340 vorzusehen, und zwar in dem Fall, dass ein Oberflächenauslauf durch die Routine 1300 gemessen werden soll. Ausläufe betreffen die Abweichung einer flachen oder zylindrischen Oberfläche in der Richtung ihrer Normalen, wenn sie in eine Richtung bewegt wird, die parallel zur Oberfläche sein soll. An einem Block 1621 wird ein Höhenunterschied zwischen einer nominalen Auslauffläche und einer Bezugsoberfläche dazu bestimmt, zum Konfigurieren des Systems verwendet zu werden. Beispielsweise kann ein nominaler Höhenunterschied aus einer Zeichnung oder Beschreibung oder vorläufigen Messung oder dergleichen bestimmt werden. An einem Block 1622 wird der Messaufbau so konfiguriert, dass die festgelegte Z-Verschiebung vergleichbar mit, aber unterschiedlich zu dem Höhenunterschied zwischen der nominalen Auslauffläche und der Bezugsfläche ist, so dass die zwei Messstrahlen getrennt unterscheidbare Messspitzen innerhalb des Messbereichs eines Detektors des Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems erzeugen.
An einem Block 1623 ist die Zweistrahlvorrichtung so konfiguriert, dass die Messstrahlen (beispielsweise parallel) entlang Messachsen geleitet werden, die so ausgerichtet sind, dass ein erster Messstrahl auf einer Auslaufoberflächenzone positioniert wird, während der zweite Messstrahl auf einer Bezugsoberflächenzone positioniert wird, der neben der Auslaufoberfläche positioniert und die relativ zum optischen Stift fixiert ist. An einem Block 1624 ist ein Mechanismus vorgesehen, um die Auslaufoberfläche relativ zum optischen Stift so zu bewegen, dass mehrere Sätze von Messungen, die sich aus dem ersten und zweiten Messstrahl ergeben, erfasst werden können. Beispielsweise ist der Zweistrahl-Optikstift auf einer Bezugsstruktur oder einem Maschinengestell angebracht und das Werkstück wird auf einem linearen oder Rotationslagersystem bewegt, nach welchem die Subroutine endet (beispielsweise geht der Betrieb mit dem Block 1330 der 13 weiter und eine Werkstückbewegung ist an den Blöcken 1330 und/oder 1340 vorgesehen).
17 ist ein Flussdiagram, das eine beispielhafte Subroutine 1700 zum Konfigurieren eines Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems zum Messen des Rollens oder Nickens einer Oberfläche während ihrer Bewegung auf einem Lagersystem veranschaulicht. An einem Block 1721 wird ein Trennabstand SEPP (beispielsweise senkrecht zu einer Bewegungsrichtung für eine Rollmessung oder parallel zu einer Bewegungsrichtung für eine Nickmessung) zwischen zwei Messstrahlen bestimmt, um zum Konfigurieren des Systems verwendet zu werden. An einem Block 1722 wird der Messaufbau so konfiguriert, dass die festgelegte Z-Verschiebung zumindest ein minimaler Wert ist (zum Beispiel 0,05·R, so dass die zwei Messstrahlen getrennt unterscheidbare Messspitzen innerhalb des Messbereichs eines Detektors des Zweistrahl-Farbpunktsensorsystems erzeugen). An einem Block 1723 ist die Zweistrahlvorrichtung so konfiguriert, dass der erste und zweite Messstrahl entlang Messachsen gerichtet werden, die so ausgerichtet sind, dass der erste Messstrahl auf einer ersten Oberflächenzone der Roll- oder Nickfläche positioniert wird und der zweite Messstrahl auf einer zweiten Oberflächenzone der Roll- oder Nickfläche positioniert wird. An einem Block 1724 ist ein Mechanismus zum Bewegen der Rollfläche relativ zum optischen Stift vorgesehen, so dass mehrere Sätze von Messungen, die sich aus dem ersten und zweiten Messstrahl ergeben, erfasst werden können. Beispielsweise ist der Zweistrahl-Optikstift auf einer Bezugsstruktur oder einem Maschinengestell angebracht und das Werkstück wird auf einem linearen oder rotierenden Lagersystem bewegt, nach welchem die Subroutine endet (beispielsweise geht der Betrieb mit dem Block 1330 der 13 weiter und eine Werkstückbewegung wird an den Blöcken 1330 und/oder 1340 vorgesehen). Die Winkelroll- oder -nickvariation gegenüber einer Bewegung kann auf der Grundlage der Bestimmung von Änderungen im Unterschied zwischen der ersten und zweiten Strahlmessung für mehrere Sätze von Messungen an unterschiedlichen Bewegungspositionen, geteilt durch die Dimension SEPP, berechnet werden.
18A–18D sind Diagramme, die eine beispielhafte Ausführungsform einer Maschinensichtsystem-Anbringungs- und Einsatzanordnung 1800 einschließlich einer Zweistrahlvorrichtung 1801 veranschaulichen. Die Anbringungs- und Einsatzanordnung 1800 ist auf einem Mikroskoptyp-Maschinensicht- und -prüfsystem mit einem optischen Abbildungssystem 1834 vorgesehen, wie etwa demjenigen, das in der ebenfalls anhängigen und allgemein übertragenen US-Vorerteilungs-Veröffentlichungsschrift Nr. 20090109285 und ebenfalls im allgemein übertragenen US-Patent Nr. 7,454,053 beschrieben ist, die jeweils vorliegend durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind. Verschiedene Aspekte von Sichtmessmaschinen und Steuersystemen sind ebenfalls eingehender im allgemein übertragenen US-Patent Nr. 7,324,682 , eingereicht am 25. März 2004, und in der allgemein übertragenen US-Vorerteilungs-Veröffentlichungsschrift Nr. 20050031191 , eingereicht am 4. August 2003, beschrieben, die auch jeweils vorliegend durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind.
Wie im '682-Patent und der '191-Veröffentlichungsschrift eingehender beschrieben ist, kann das Maschinensichtprüfsystem einen Steuersystemabschnitt einschließen, der dazu verwendet werden kann, aufgenommene und gespeicherte Werkstück-Prüfbilder wieder aufzurufen, um Werkstückmerkmale in solchen Werkstück-Prüfbildern zu prüfen und zu analysieren und die Prüfergebnisse zu speichern und/oder auszugeben.
Wie in 18A veranschaulicht, weist das optische Abbildungssystem 1834 einschließlich der Objektivlinse 1870 eine optische Achse OA auf und vergrößert und bildet die Oberfläche des Werkstücks 1880 ab. Es kann fokussieren, indem es sich entlang eines Z-Achsen-Führungslagers 1834a bewegt. Das Werkstück 1880 befindet sich im Sichtfeld (field of view, FOV) des optischen Abbildungssystems 1834 auf dem Werkstückarbeitstisch 1872, der entlang X- und Y-Achsen auf Führungslagern 1872a bewegt werden kann. Das Maschinensichtprüfsystem kann ein mechanisches Sondensystem 1836 und zugehörige Steuersoftware einschließen, die ungefähr mit denjenigen vergleichbar sind, die mit der QUICK VISION^® QV Apex-Serie von Sichtsystemen erhältlich sind, die von Mitutoyo America Corporation (MAC) mit Sitz in Aurora, IL., erhältlich sind. Das Sondensystem 1836 kann dazu angepasst werden, einen optischen Stift 120 mit einer daran angebrachten Zweistrahlvorrichtung 1801 zu halten, der in Verbindung mit verschiedenen Messfunktionen verwendet werden soll. In dieser Konfiguration können Standardkoordinaten-Messmaschinentechniken in Verbindung mit Standard-Maschinensichttechniken zum Steuern des Sondensystems 1836 verwendet werden, um den optischen Stift 120 und die Zweistrahlvorrichtung 1801 in Bezug auf das Werkstück 1880 automatisch zu positionieren, während das Maschinensichtsteuersystem verwendet wird, um den Werkstückarbeitstisch 1872 und das Werkstück 1880 zu bewegen, so dass Messfunktionen wie diejenigen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 13–17 beschrieben sind, durchgeführt werden können.
Wie in 18A veranschaulicht, kann das Sondensystem 1836 entlang eines Z-Achsen-Führungslagers 1836a bewegt werden und eine Sondenkopfvorrichtung 1839 beinhalten, die einen motorisch angetriebenen Kopf 1845 einschließen kann, der sich um seine Z-Achse dreht, und ist senkrecht zu jener Achse. Der optische Stift 120 mit der Zweistrahlvorrichtung 1801 ist mechanisch mit dem motorisch angetriebenen Kopf 1845 durch eine Verbindung 1844 gekoppelt und eine Faseroptik 112 verbindet den optischen Stift 120 mit dem Optikstift-Elektronikabschnitt 160. In einem Ausführungsbeispiel kann der motorisch angetriebene Kopf 1845 von einer der motorisch angetriebener Kopfserien PH10 vorgesehen sein, die in der Renishaw^TM-Veröffentlichung H-1000-5070-11-B beschrieben sind, die alle von Renishaw PLC, Gloucestershire, UK, erhältlich sind. 18A zeigt auch Blöcke, die beispielhafte Steuerschaltungen und/oder -routinen darstellen. Die Blöcke beinhalten eine Computer- und Benutzerschnittstelle 1860 und eine Sichtsystemsteuerung 1810, die als Wirtssystem zum Kommunizieren mit dem Optikstift-Elektronikabschnitt 160 fungieren können, sowie eine Sondenkopfsteuerung 1830, die alle untereinander und mit verschiedenen Komponenten des Maschinensicht- und -prüfsystems durch einen Leistungs- und Steuerbus 1815 verbunden sind, der im Ausführungsbeispiel in 18A mit dem Sondensystem 1836 durch eine Verbindung 1892 verbunden ist. Der Optikstift-Elektronikabschnitt 160 kann Messungen unter Verwendung des optischen Stifts mit der Zweistrahlvorrichtung durchführen und Steuer- und Datensignale mit der Computer- und Benutzerschnittstelle 1860 und/oder der Sichtsystemsteuerung 1810 austauschen. Im Allgemeinen können die vorstehend umrissenen verschiedenen Blöcke unter Verwendung von Komponenten und Vorgängen konfiguriert sein, die ähnlich oder identisch mit denjenigen sind, die für ähnliche Vorgänge im Stand der Technik verwendet werden. Es wird anerkannt werden, dass die Vorgänge der vorstehend umrissenen Blöcke in verschiedenen Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Allzweckprozessoren oder dergleichen ausgeführt werden können und dass in verschiedenen Ausführungsbeispielen die Schaltungen und/oder Routinen, die verschiedenen Blöcken zugeordnet sind, zusammengelegt oder ununterscheidbar sind.
18B und 18C sind Diagramme einer Querschnitts-Seitenansicht bzw. einer Querschnitts-Draufsicht der Zweistrahlvorrichtung 1801 und eines Werkstücks 1880 bei einer Messvorgangsart. Wie in den 18B und 18C veranschaulicht, ist der erste Messstrahl FMB zu einer ersten Oberflächenzone FSR des Werkstücks 1880 gerichtet, während der zweite Messstrahl SMB zu einer zweiten Oberflächenzone SSR gerichtet ist. Das Sondensystem 1836 oder der Werkstücktisch 1872 oder alle beide können verwendet werden, um die Zweistrahlvorrichtung 1801 relativ zum Werkstück 1880 zu positionieren und zu bewegen, so dass der erste Messstrahl FMB entlang der ersten Oberflächenzone FSR abtastet, während der zweite Messstrahl SMB entlang der zweiten Oberflächenzone SSR abtastet, so dass mehrere Sätze von Messpunkten erfasst werden können.
18D ist ein Diagramm einer dreidimensionalen Ansicht des Werkstücks 1880, das Messpunkte angibt, die sich aus dem ersten und zweiten Messstrahl FMB und SMB ergeben, wenn die Zweistrahlvorrichtung 1801 und/oder das Werkstück 1880 relativ zueinander (d. h. in Y-Achsen-Richtung) bewegt werden, so dass der erste und zweite Messstrahl FMB und SMB veranlasst werden, entlang der ersten bzw. zweiten Oberflächenzone FSR bzw. SSR abzutasten. Wie in 18D gezeigt, wird an einer ersten Messposition ein Satz von Messungen erfasst, die einen ersten Oberflächenmesspunkt FSMP1 und einen zweiten Oberflächenmesspunkt SSMP1 umfassen, die unter Verwendung des ersten Messstrahls FMB auf der ersten Oberflächenzone FSR bzw. des zweiten Messstrahls SMB auf der zweiten Oberflächenzone SSR erfasst wurden. An einer zweiten Messposition wird ein ähnlicher Satz von ersten und zweiten Oberflächenmesspunkten FSMP2 und SSMP2 erfasst und an einer dritten Messposition wird ein ähnlicher Satz von ersten und zweiten Oberflächenmesspunkten FSMP3 und SSMP3 erfasst. Zusätzliche Messpunkte können auf ähnliche Weise erfasst werden.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Sätze von Messpunkten zum Bestimmen verschiedener Messungen (beispielsweise ausgewählter Dimensionen des Werkstücks 1880 oder anderer Messungen, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 13–17 beschrieben) verwendet werden. In einem spezifischen Ausführungsbeispiel können Sätze von Messpunkten, wie etwa diejenigen, die in 18D veranschaulicht sind, zu Zwecken verwendet werden, wie etwa das gleichzeitige Messen einer Oberflächenrauigkeit und/oder -flachheit oder des Auslaufs der ersten und zweiten Oberflächenzone FSR und SSR, usw.. Wenn ebenfalls eine Bewegung in der X- oder Z-Richtung vorgesehen ist, ist es möglich, Messsätze bereitzustellen, die dazu verwendet werden können, den Winkel A zwischen der ersten und zweiten Oberflächenzone FSR und SSR oder Änderungen von A an verschiedenen Stellen (zum Beispiel A1, A2, A3) zu messen.
19A–19D sind Diagramme, die eine exemplarische Ausführungsform einer Rundheitsmessmaschinen-Anbringungs- und -Einsatzanordnung 1900 für eine Zweistrahlvorrichtung 1901 veranschaulichen. Die Anbringungs- und Einsatzanordnung 1900 ist auf einer Rundheitsmessmaschine 1902 (d. h. einem Rundheitsprüfer) wie derjenigen vorgesehen, die im US-Patent Nr. 5,926,781 beschrieben ist, das vorliegend durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist.
Wie in 19A veranschaulicht, kann die Rundheitsmessmaschine 1902 mit einer Verarbeitungseinrichtung 1929 des Rundheitsmessinstruments durch ein Steuer- und Datensignalkabel 1931 verbunden sein. Die Rundheitsmessmaschine 1902 kann ein Hauptgehäuse 1903 beinhalten, das einen (nicht gezeigten) Motor enthält, der dazu gesteuert wird, eine Zentrierungs- und Ausgleichseinheit 1905 und einen Drehtisch 1907 durch eine Antriebsspindel in verschiedene Winkel zu drehen. Die Winkel werden unter Verwendung eines (nicht gezeigten) Rotationskodierers gemessen. Die Zentrierungs- und Ausgleichseinheit 1905 ist mit Zentrierungs- und Ausgleichsdrehknöpfen ausgestattet. Eine Säule 1915 verläuft vom Hauptgehäuse 1903 nach oben. Ein Schieber 1917 kann an der Säule 1915 aufwärts und abwärts bewegt werden und trägt einen sich horizontal erstreckenden Arm 1919. Das Ende des Arms 1919 trägt einen Sondenhalter 1921, der dazu angeordnet ist, einen optischen Stift 120 mit einer angebrachten Zweistrahlvorrichtung 1901 zu tragen, die in Verbindung mit verschiedenen Messfunktionen von der Rundheitsmessmaschine 1902 zu verwenden ist. Eine Faseroptik 112 verbindet den optischen Stift 120 mit dem Optikstift-Elektronikabschnitt 160, der durch ein Steuer- und Datensignalkabel 1931' mit der Verarbeitungseinrichtung 1929 verbunden sein kann, die als Wirtssystem zum Kommunizieren mit dem Optikstift-Elektronikabschnitt 160 fungieren kann. In dieser Konfiguration können Standard-Rundheitsmessmaschinentechniken angewendet werden, um den Sondenhalter 1921 und den optischen Stift 120 und die Zweistrahlvorrichtung 1901 in Beziehung zum Werkstück 1980 zu positionieren und den Drehtisch 1907 und das Werkstück 1880 so zu drehen, dass Messfunktionen wie diejenigen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die 13–17 beschrieben sind, durchgeführt werden können. Beispielsweise werden Werte, die vom Ausgangssignal vom optischen Stift 120 und der Zweistrahlvorrichtung 1901 abgeleitet sind, die während der Rotation des Drehtisches 1907 rund um die Achse der Antriebsspindel beabstandet sind, für mehrere Messpositionen (beispielsweise gemessene Winkelpositionen) aufgezeichnet.
19B und 19C sind Diagramme einer Querschnitts-Seitenansicht bzw. einer Querschnitts-Draufsicht der Zweistrahlvorrichtung 1901 und des Werkstücks 1980 bei einer Messvorgangsart. Wie in den 19B und 19C gezeigt, ist der erste Messstrahl FMB zu einer ersten Oberflächenzone FSR des Werkstücks 1980 gerichtet, während der zweite Messstrahl SMB zu einer zweiten Oberflächenzone SSR des Werkstücks 1980 gerichtet ist. Wenn der Drehtisch 1907 gedreht wird, tastet der erste Messstrahl FMB entlang der ersten Oberflächenzone FSR ab, während der zweite Messstrahl SMB entlang der zweiten Oberflächenzone SSR abtastet, so dass mehrere Sätze von Messpunkten an bekannten Winkeln erfasst werden können (beispielsweise Messpunkten, die dazu verwendet werden können, eine Nutkonzentrizität und/oder -tiefe an jeder Winkelposition zu bestimmen).
19D ist ein Diagramm einer dreidimensionalen Schnittansicht der ersten und zweiten Oberflächenzonen FSR und SSR, das Messpunkte angibt, die sich aus dem ersten und zweiten Messstrahl FMB und SMB ergeben, wenn das Werkstück 1980 gedreht wird. Wie in 19D gezeigt, wird an einer ersten Messposition ein Satz von Messungen erfasst, die einen ersten Oberflächenmesspunkt FSMP1 und einen zweiten Oberflächenmesspunkt SSMP1 umfassen, die unter Verwendung des ersten Messstrahls FMB auf der ersten Oberflächenzone FSR bzw. des zweiten Messstrahls SMB auf der zweiten Oberflächenzone SSR erfasst wurden. An einer zweiten Messposition wird ein ähnlicher Satz von ersten und zweiten Oberflächenmesspunkten FSMP2 und SSMP2 erfasst und an einer dritten Messposition wird ein ähnlicher Satz von ersten und zweiten Oberflächenmesspunkten FSMP3 und SSMP3 erfasst. Zusätzliche Messpunkte können auf ähnliche Weise erfasst werden.
In einem Ausführungsbeispiel können die mehreren Sätze von Messpunkten (beispielsweise FSMP1 und SSMP1, FSMP2 und SSMP2, FSMP3 und SSMP3 usw.) verwendet werden, um Messungen des Werkstücks 1980 zu bestimmen. In einer spezifischen Beispielsumsetzung können die Messpunkte dazu verwendet werden, eine Nuttiefe/Stufenhöhe zu bestimmen, wobei der erste und zweite Oberflächenmesspunkt FSMP1 und SSMP1 eine Dimension D1 bestimmen (d. h. entsprechend einer Nuttiefe/Stufenhöhe an der ersten Messposition). Gleichermaßen bestimmen der erste und zweite Oberflächenmesspunkt FSMP2 und SSMP2 eine Dimension D2, während der erste und zweite Oberflächenmesspunkt FSMP3 und SSMP3 eine Dimension D3 bestimmen, die jeweils einer Nuttiefe/Stufenhöhe an der entsprechenden Messposition entsprechen.
Es wird anerkannt werden, dass zusätzlich zu den in den 18A–18D und 19A–19D veranschaulichten Konfigurationen zusätzliche Konfigurationen verwendet werden können, um die mehreren Sätze von Messungen zu erhalten. Beispielsweise können verschiedene Mechanismen eingesetzt werden, um die Abtastbewegung zu erzeugen, und verschiedene Ausrichtungen und Konfigurationen der Zweistrahlvorrichtung (beispielsweise wie sie in den 2–12 veranschaulicht sind), können in Abhängigkeit von den zu erfassenden Messungen verwendet werden. Vorteile der Verfahren der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik beinhalten, dass eine asymmetrische Oberflächenwelligkeit (beispielsweise aufgrund von Schneidwerkzeugwanderung oder -erschütterung) eine Kanal- oder Stufendimensionsmessung nicht beeinträchtigt, dass zweifache Messungen von einem einzigen Stift erzielt werden können und der Stift und/oder die Messfläche nicht in zwei Dimensionen oder Achsen abgetastet werden müssen, um eine Reihe von Messungen entlang verschiedener Achsen oder Linien bereitzustellen, was für eine schneller Messung und verbesserte Genauigkeit sorgt (d. h. Erschütterungen, Arbeitstischbewegungen usw. heben sich auf). In bestimmten Umsetzungen kann das dynamische Rollen, Nicken oder Gieren eines Arbeitstisches gemessen werden. Ohne die vorliegend offenbarte Zweistrahlvorrichtung und die vorliegend offenbarten Verfahren sind einige dieser Arten von Messungen im Stand der Technik mit Interferometern und speziellen Optiken durchgeführt worden, die dazu neigen, kostenintensiv und sperrig zu sein. Die Zweistrahlvorrichtung und Verfahren der vorliegenden Erfindung bieten gegenüber solchen Interferometer-Messkonfigurationen des Standes der Technik insofern Vorteile, als die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung leichter aufzubauen sind, kostengünstiger sind (d. h. die Optik ist einfacher) und weniger Raum einnehmen (d. h. die Optik ist kleiner, usw.).
Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht und beschrieben worden ist, sind für den Fachmann auf dem Gebiet auf der Grundlage dieser Offenbarung zahlreiche Variationen in den veranschaulichten und beschriebenen Anordnungen von Merkmalen und Reihenfolgen von Vorgängen offensichtlich. Somit wird anerkannt werden, dass daran verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Konzept und Umfang der Erfindung abzuweichen.
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

US 7477401 [0004]
US 7626705 [0006]
US 20090109285 [0128]
US 7454053 [0128]
US 7324682 [0128, 0129]
US 20050031191 [0128, 0129]
US 5926781 [0135]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Pseudocolor Effects of Longitudinal Chromatic Aberration”, G. Molesini und S. Quercioli, J. Optics (Paris), 1986, Band 17, Nr. 6, Seiten 279–282 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Mehrstrahl-Farbkonfokalpunktsensorsystems zum gleichzeitigen Messen zweier Oberflächenzonen, wobei das System einen optischen Stift mit einer konfokalen Blende aufweist, mit: Positionieren eines ersten Messstrahls von dem System auf einer ersten Oberflächenzone und eines zweiten Messstrahls von dem System auf einer zweiten Oberflächenzone, wobei sich zumindest die erste Oberflächenzone auf einem Werkstück befindet; Empfangen von Werkstück-Messlicht, das sich aus dem ersten und zweiten Messstrahl ergibt, zurück durch das System und die konfokale Blende; Bestimmen zumindest eines Satzes von Messungen, der eine erste und zweite Messung umfasst, die sich aus dem ersten bzw. zweiten Messstrahl ergeben; und Bestimmen zumindest einer Werkstückmerkmalsmessung oder einer Änderung der Position eines Werkstückmerkmals auf der Grundlage des zumindest einen Satzes von Messungen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest die erste Oberflächenzone oder das Farbkonfokalpunktsensorsystem relativ zueinander bewegt werden, um mehrere der Sätze von Messungen zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Bewegung linear ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der optische Stift in einem Maschinensichtprüfsystem angebracht ist und die Bewegung von einem Bewegungssystem des Maschinensichtprüfsystems vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Bewegung umlaufend ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der optische Stift in einem Rundheitsprüfer angebracht ist und die Bewegung von dem Rundheitsprüfer vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Bewegung den ersten und zweiten Messstrahl veranlasst, entlang der ersten und zweiten Oberflächenzone abzutasten, um die mehreren Sätze von Messungen zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der erste und zweite Messstrahl parallel ausgerichtet sind und die erste Oberflächenzone zumindest ein Nutsitz oder eine untere Stufenflächenzone ist und die zweite Oberflächenzone zumindest eine Nutschulter oder eine obere Stufenflächenzone ist und die mehreren Sätze von Messungen zumindest eine Höhe oder eine Höhenvariation der Nut oder Stufe an mehreren Positionen entlang der Nut oder Stufe angeben.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Farbkonfokalpunktsensorsystem so konfiguriert ist, dass eine Z-Verschiebung zwischen einem ersten Messbereich, der dem ersten Messstrahl entspricht, und einem zweiten Messbereich, der dem zweiten Messstrahl entspricht, minus einem Wert, der einer nominalen Dimension der Höhe der Nut oder Stufe entspricht, weniger als ein Messbereich R des Farbkonfokalpunktsensorsystems ist und mindestens 5% des Messbereichs R beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste und zweite Messstrahl in entgegengesetzten Richtungen ausgerichtet sind und sich die erste Oberflächenzone auf einer ersten Seitenfläche einer Nut oder eines Spalts befindet und sich die zweite Oberflächenzone auf einer gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche der Nut oder des Spalts befindet und die mehreren Sätze von Messungen zumindest eine Breite oder eine Breitenvariation der Nut oder des Spalts an mehreren Positionen entlang der Nut oder des Spalts angeben.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste und zweite Messstrahl parallel ausgerichtet sind und die erste Oberflächenzone eine Auslauf-Oberflächenzone ist und die zweite Oberflächenzone eine Bezugsoberflächenzone ist, die in Bezug auf das Farbkonfokalpunktsensorsystem fest ist und die mehreren Sätze von Messungen zumindest eine Höhe oder eine Höhenvariation der Auslauf-Oberfläche relativ zur Bezugsoberfläche an mehreren Positionen entlang der Auslauf-Oberfläche angeben.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Farbkonfokalpunktsensorsystem so konfiguriert ist, dass eine Z-Verschiebung zwischen einem ersten Messbereich, der dem ersten Messstrahl entspricht, und einem zweiten Messbereich, der dem zweiten Messstrahl entspricht, minus einem Wert, der einer nominalen Höhendifferenz zwischen der Auslauf-Oberfläche und der Bezugsoberfläche entspricht, kleiner als ein Messbereich R des Farbkonfokalpunktsensorsystems ist und zumindest 5% des Messbereichs R des Farbkonfokalpunktsensorsystems beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste und zweite Messstrahl parallel ausgerichtet sind, die erste und zweite Oberflächenzone sich auf dem Werkstück befinden und Messachsen des ersten und zweiten Messstrahls eine Trennung aufweisen, die zumindest einen Trennabstand SEPPROLL, der senkrecht zu einer Bewegungsrichtung ist, oder einen Trennabstand SEPPPITCH, der parallel zur Bewegungsrichtung ist, während der Erfassung der mehreren Sätze von Messungen begrenzt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Trennung kleiner als ein Messbereich R des Farbkonfokalpunktsensorsystems ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die mehreren Messungen in Kombination mit einem Wert des Trennabstands SEPPROLL verwendet werden, um ein Winkelrollen des Werkstücks um eine zur Bewegungsrichtung parallele Achse zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die mehreren Messungen in Kombination mit einem Wert des Trennabstands SEPPPITCH verwendet werden, um ein Winkelnicken des Werkstücks um eine zur Bewegungsrichtung parallele Achse zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede der ersten und zweiten Messungen mit einer Auflösung bestimmt wird, die mindestens 10 nm fein ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Farbkonfokalpunktsensorsystem so konfiguriert ist, dass eine Z-Verschiebung zwischen einem ersten Messbereich, der dem ersten Messstrahl entspricht, und einem zweiten Messbereich, der dem zweiten Messstrahl entspricht, größer als 5% eines Messbereichs R des Farbkonfokalpunktsensorsystems ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Farbkonfokalpunktsensorsystem so konfiguriert ist, dass eine Z-Verschiebung zwischen einem ersten Messbereich, der dem ersten Messstrahl entspricht, und einem zweiten Messbereich, der dem zweiten Messstrahl entspricht, kleiner als ein Messbereich R des Farbkonfokalpunktsensorsystems ist.