DE102011083421A1

DE102011083421A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Vermessen homogen reflektierender Oberflächen

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Publication number: DE102011083421A1
Application number: DE102011083421A
Authority: DE
Inventors: Detlef Gerhard; Werner Gergen; Martin Weber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2013-03-28
Also published as: WO2013045210A2; EP2721370A2; WO2013045210A3; CN103842770A; US20140233040A1

Abstract

Mittels eines konfokalen Sensorsystems (A) wird ein durch dieses erzeugter Brennpunkt (BP), entlang einer zur x-, y-Ebene eines x-, y-, z-Koordinatensystems orthogonalen optischen Achse (4), in eine Soll-z-Koodinate eines zu vermessenden Punktes (P) einer zu vermessenden Oberfläche (7) eines Objektes (B) verschoben, wobei eine von einem Abstand des Brennpunktes (BP) entlang der z-Achse zum Punkt (P) abhängige Lichtintensität (I(z)) des von der Oberfläche (7) reflektierten Lichts erfasst und mit dieser mittels einer Auswerteeinrichtung (21) die Ist-z-Koordinate (Z_P) des Punktes (P) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen einer insbesondere gekrümmten, homogenen und reflektierenden Oberfläche eines in einem orthogonalen x-, y-, z-Koordinatensystem positionierten Objektes.
Herkömmlicherweise wird eine so genannte Deflektometrie zur Formvermessung spiegelnder Oberflächen verwendet. Dieses herkömmliche Verfahren ist jedoch relativ ungenau.
Des Weiteren ist eine konfokale Formvermessung von Oberflächen bekannt, wobei je nach einer Spiegelkrümmung relativ große Objekte erforderlich sind. Herkömmlicherweise ist eine konfokale Formvermessung einer Oberfläche sehr zeitaufwändig. Herkömmliche Systeme sind relativ teuer. Herkömmliche Systeme sind für stärker gekrümmte Oberflächen aufgrund deren relativ großen Optiken ungeeignet. Aufgrund der Größe herkömmlicher Optiken sind nicht alle zu vermessenden Oberflächenteile mit einem herkömmlichen Sensorsystem zugänglich.
Zu vermessende Oberflächen können beispielsweise gekrümmt sein und spiegelnd sein. Beispielsweise können konkav oder konvex gekrümmte Oberflächen vermessen werden. Die Oberflächen sollen geometrisch hochgenau mit Genauigkeiten von maximal 10 μm vermessen werden können. Die Oberflächen sollen insbesondere hinsichtlich Reflexionskoeffizienten der Oberfläche homogen sein.
Es ist Aufgabe eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen insbesondere gekrümmter, homogener, reflektierender Oberflächen bereit zu stellen, wobei ein Messbereich einer erfassten z-Größe unbegrenzt und eine Auflösung im Mikrometer- und Submikrometerbereich erzeugt sein sollen. Im Vergleich zu herkömmlichen Systemen soll die Vorrichtung kostengünstig und kompakt mit kleinem Objektiv ausgebildet sein und ein Vermessen schnell ausführbar sein. Es sollen Oberflächen mit Steigungen und insbesondere großen Steigungen vermessen werden können. Oberflächen sollen vollständig vermessen werden können.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Vermessen einer homogen reflektierenden Oberfläche eines in einem orthogonalen x-, y-, z-Koordinatensystem positionierten Objekts bereitgestellt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass x-, y-, z-Koordinaten einer Vielzahl von Punkten und der Oberfläche des Objekts punktweise vermessen werden, wobei ein Sensorsystem Licht auf einen Brennpunkt in bekannten x-, y-, z-Koordinaten fokussiert und Koordinaten eines jeweiligen Abstandsvektors eines jeweiligen zu vermessenden Punktes zum Brennpunkt misst.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zum Vermessen einer homogen reflektierenden Oberfläche eines in einem orthogonalen x-, y-, z-Koordinatensystem positionierten Objekts bereitgestellt. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass x-, y-, z-Koordinaten einer Vielzahl von Punkten der Oberfläche des Objekts punktweise vermessen werden, wobei ein Sensorsystem Licht auf einen Brennpunkt in bekannten x-, y-, z-Koordinaten fokussiert und Koordinaten eines jeweiligen Abstandsvektors eines jeweiligen zu vermessenden Punktes zum Brennpunkt misst.
Mittels Addition der Koordinaten eines Abstandsvektors zu den bekannten x-, y-, z-Koordinaten des Brennpunkts können die x-, y-, z-Koordinaten eines zu vermessenden Punktes bestimmt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Sensorsystem ein konfokales Sensorsystem sein, das Licht einer Lichtquelle mittels einer Fokussiereinrichtung in Richtung auf die Oberfläche auf einen Brennpunkt auf einer optischen Achse in einer Brennweiter fokussiert und die x-, y-, z-Koordinaten des Brennpunktes mittels Vermessen der räumlichen Position des Sensorsystems im Koordinatensystem mittels einer Längenmesseinrichtung vermessen werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das konfokale Sensorsystem mittels einer Justiereinrichtung derart justiert werden, dass die optische Achse orthogonal zur x-, y-Ebene verläuft; das Sensorsystem und das Objekt derart mittels einer Relativbewegungseinrichtung relativ zueinander justiert werden, dass die optische Achse durch den zu vermessenden Punkt hindurch verläuft und die x-, y-Koordinaten des Brennpunktes mit den x-, y-Koordinaten des zu vermessenden Punktes übereinstimmen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können das konfokale Sensorsystem und das Objekt derart mittels der Relativbewegungseinrichtung relativ zueinander justiert werden, dass die z-Koordinate des Brennpunktes mit einer z-Soll-Koordinate des zu vermessenden Punktes übereinstimmt. Die z-Soll-Koordinate kann aus einem Modell der Oberfläche des Objektes bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das konfokale Sensorsystem mittels einer Erfassungseinrichtung eine von der z-Koordinate des Brennpunktes abhängige Lichtintensität des von der Oberfläche reflektierten Lichts erfassen, mit der die z-Koordinate des Punktes mittels einer Auswerteeinrichtung bestimmt werden kann. Es kann an einer definierten x-, y-Position im Koordinatensystem der z-Wert der Oberfläche ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die z-Koordinate des Brennpunktes in z-Richtung derart verändert werden, bis die Auswerteeinrichtung die erfasste Lichtintensität als maximal und die z-Koordinate des Brennpunktes als mit der z-Koordinate des Punktes übereinstimmend bewertet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Auswerteeinrichtung mittels eines vorab ermittelten von der z-Koordinate des Brennpunktes abhängigen Lichtintensitätsverlaufes eine erfasst Lichtintensität als maximal und die z-Koordinate des Punktes als mit der z-Koordinate des Brennpunktes übereinstimmend bewerten. Auf diese Weise kann ein Messzeitintervall verkleinert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Auswerteeinrichtung mittels eines vorab ermittelten von der z-Koordinate des Brennpunktes abhängigen Lichtintensitätsverlaufes und mittels zweiter erfasster Lichtintensitäten bei zwei verschiedenen z-Koordinaten des Brennpunktes die z-Koordinate des zu vermessenden Punktes bestimmen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Auswerteeinrichtung mittels zweier verschiedener vorab gespeicherter von der z-Koordinate des Brennpunktes abhängigen Lichtintensitätsverläufen der Erfassungseinrichtung und mittels zweiter erfasster Lichtintensitäten bei einer z-Koordinate des Brennpunktes die z-Koordinate des zu vermessenden Punktes bestimmen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Sensorsystem zusätzlich ein chromatisch konfokaler Abstandssensor sein, der einen Abstand des zu vermessenden Punktes von dem Sensorsystem in z-Richtung entlang der optischen Achse misst, wobei einer Wellenlänge einer erfassten maximalen Lichtintensität der Abstand und die z-Koordinate des zu vermessenden Punktes bestimmt werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Auswerteeinrichtung jeweils in einem Punkt eine Steigung der Oberfläche in x- und/oder y-Richtung mittels eines durch die Erfassungseinrichtung ausgeführten Erfassens einer Verschiebung eines bei einer Steigung von 0 erfassten von der z-Koordinate des Brennpunktes abhängigen Lichtintensitätswertes aus einer optischen Achse bestimmen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die x- und y-Koordinaten des zu vermessenden Punktes durch ein Messpunktemuster in der x-y-Ebene festgelegt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Messpunktemuster zu einander equidistante Messpunkte an Ecken von Gitterquadraten aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die z-Koordinate des Brennpunktes mittels einer durch die Relativbewegungseinrichtung bewirkten Relativbewegung des Sensors vom Sensorsystem und Objekt in z-Richtung verändert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die z-Koordinate des Brennpunktes mittels einer durch die Fokussiereinrichtung bewirkten Veränderung der Brennweite in z-Richtung verändert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Längenmesseinrichtung zur Messung von x-, y-, z-Koordinatenwerten jeweils einen Glasmaßstab aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann beim Vermessen der Vielzahl von Punkten eine Veränderung der x-, y-, z-Koordinaten des Brennpunktes maximal bis zum Ende einer für alle zu vermessenden Punkte gleichen Messdauer beziehungsweise Messintervalls ausgeführt werden und die Auswerteeinrichtung mittels der erfassten Lichtintensitätswerte die z-Koordinate des Punktes mindestens angenähert bestimmen kann.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Intensitätsverlaufes einer erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung;
3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines zu vermessenden Oberflächenverlaufes;
4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines zu vermessenden Oberflächenverlaufes;
5 ein Ausführungsbeispiel eines Messwerteverlaufes;
6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Lichtintensitätsverlaufes einer Erfassungseinrichtung;
7 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Lichtintensitätsverlaufes, insbesondere eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
8 eine Darstellung zur Festlegung einer maximalen Messdauer;
9 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
10 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Eine homogen reflektierende Oberfläche 7 eines in einem orthogonalen x-, y-, z-Koordinatensystem positionierten Objektes B soll vermessen werden. 1 zeigt ein konfokales Sensorsystem A, bei dem ein Licht emittierendes System und ein Licht erfassendes System auf einen gemeinsamen Brennpunkt BP fokussiert sind. Das konfokale Sensorsystem weist eine Lichtquelle 1 auf, die Licht in Richtung zu der zu vermessenden Oberfläche 7 aussendet. Das Licht kann eine Blende 3 durchlaufen und wird mittels einer Fokussiereinrichtung 5 in einem Brennpunkt BP fokussiert. Wird das Licht im Brennpunkt BP reflektiert, kann es beispielsweise mittels eines Strahlenteilers 11 in einer Erfassungseinrichtung 15 erfasst werden. Der Erfassungseinrichtung 15 kann eine Blende 13 zur Erzeugung eines definierten Strahlenverlaufs vorgelagert sein. Die Blende 3 bewirkt ebenso einen definierten Strahlenverlauf von der Lichtquelle 1 entlang einer optischen Achse 4 in Richtung zu der zu vermessenden Oberfläche 7 des in einem orthogonalen x-, y-, z-Koordinatensystem positionierten Objektes B. Das Licht der Lichtquelle 1 wird mittels der Fokussiereinrichtung 5, die beispielsweise eine optische Linse sein kann, in bekannte Brennpunkt x-, y-, z-Koordinaten fokussiert. Es ist offensichtlich, dass die Position der Lichtquelle 1 und des Erfassungssystems 15 vertauscht sein kann. Der Brennpunkt BP liegt in einer Fokusebene 9, die parallel zu oder in der x-y-Ebene liegt. Der Brennpunkt BP liegt auf der optischen Achse 4 in einer Brennweite von der Fokussiereinrichtung 5. Auf diese Weise ist die Lage des Brennpunktes BP in dem konfokalen Sensorsystem A bekannt. Auf diese Weise kann mittels Messung einer Position des konfokalen Sensorsystems A im x-, y-, z-Koordinatensystem mittels einer Längenmesseinrichtung 17 die Lage des Brennpunktes BP im Koordinatensystem gemessen werden. Eine Längenmessung kann beispielsweise mittels eines Glasmaßstabes ausgeführt werden. 1 zeigt einen Glasmaßstab 19, zur Messung der z-Koordinate des Brennpunktes im Koordinatensystem. Werden nun mittels einer Relativbewegungseinrichtung 23 Sensorsystem A und Objekt B derart zueinander bewegt, dass das Licht der Lichtquelle 1 entlang der optischen Achse 4 in Richtung auf die Oberfläche 7 ausgesendet wird, wobei die optische Achse 4 orthogonal zur x-y-Ebene eingestellt ist, so kann von der Erfassungseinrichtung 15 eine Lichtintensität des von der Oberfläche 7 reflektierten Lichtes erfasst werden. Dabei hängt ein erfasster Intensitätswert bei einer homogen reflektierenden Oberfläche lediglich von der Position des Brennwertes BP in Bezug auf die Oberfläche 7 ab. Mittels des Sensorsystems A kann ein Abstandsvektor eines zu vermessenden Punktes P auf der Oberfläche 7 des Objektes B von einem voreingestellten Brennpunkt BP bestimmt werden. Mittels der durch die Erfassungseinrichtung 15 erfassten Lichtintensitätswerte und gegebenenfalls weiterer in einer Speichereinrichtung gespeicherten Daten kann eine Auswerteeinrichtung 21 bei Verwendung der durch die Längenmesseinrichtung 17 bereitgestellten Messwerten die x-, y-, z-Koordinaten eines zu vermessenden Punktes P der Oberfläche 7 des Objektes B bestimmen.
1 zeigt ein Messsystem, bei dem ein Brennpunkt BP erzeugt wird, dessen x-, y-, z-Koordinaten verändert werden können und beispielsweise mittels der Längenmesseinrichtung 17 gemessen werden können. Vom Schutzumfang dieser Anmeldung sind ebenso Sensorsysteme umfasst, die eine Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen 15 aufweisen können. Diese können parallel verwendet werden. Um dies zu veranschaulichen, ist in 1 eine Vielzahl n von Erfassungseinrichtungen 15 dargestellt.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines von einer erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung erfassten Intensitätsverlaufs. 2 zeigt einen Verlauf der von der Erfassungseinrichtung 15 erfassten Lichtintensität I in Abhängigkeit von der z-Koordinate des Brennpunktes BP, auf den das Licht der Lichtquelle 1 fokussiert ist. Das Licht wird von der Oberfläche 7 des Objektes B in die Erfassungseinrichtung 15 reflektiert. Verläuft die optische Achse 4 der Fokussiereinrichtung 5 des konfokalen Sensorssystems A orthogonal zur x-, x-Ebene des Koordinatensystems, und zwar durch die x-, y-Koordinaten eines zu vermessenden Punktes P der Oberfläche 7, so hängt ein durch die Erfassungseinrichtung 15 erfasster Intensitätswert I bei einer homogen reflektierenden Oberfläche von der z-Koordinate des Brennpunktes BP in Bezug auf die z-Koordinate des zu vermessenden Punktes P ab. Der Intensitätsverlauf I(z) zeigt, dass bei einem großen Abstand beziehungsweise Abstandsvektor des Brennpunkts BP von dem zu vermessenden Punkt P der Oberfläche 7 die von der Erfassungseinrichtung 15 erfasste Lichtintensität klein ist. Nähert sich der Brennpunkt BP dem zu vermessenden Punkt 7 so vergrößert sich der jeweilige von der Erfassungseinrichtung 15 erfasste Intensitätswert I, wobei bei einem Abstand von 0, dass heißt, wenn der Brennpunkt BP in dem zu vermessenden Punkt 7 erzeugt wird, ist der erfasste Intensitätswert I maximal. Der hier dargestellte Intensitätsverlauf hat hier eine Ähnlichkeit mit einer Gaußschen Kurve. 2 zeigt, dass anhand eines bekannten Intensitätsverlaufes I(z), der beispielsweise vorab gemessen wird und in einer Speichereinrichtung abgelegt wird, eine z-Koordinate des zu vermessenden Punktes P bestimmt werden kann. Beispielsweise wird der Brennpunkt BP bei einem konfokalen Sensorsystem an einer Koordinate Z_M0 positioniert, so wird ein dazugehöriger Intensitätswert I_M0 erfasst. An dieser ersten Messposition ist noch nicht eindeutig, in welcher Beziehung der Brennpunkt BP zu den Punkt P liegt. Der Brennpunkt BP kann entweder eine größere oder eine kleinere z-Koordinate aufweisen als der Punkt P. Einer erfassten Intensität I_M0 können also zwei z-Koordinaten des Punktes P zugeordnet werden. Es muss also eine zweite Messung ausgeführt werden, zu der der Brennpunkt BP in z-Richtung verschoben und ein weiterer Intensitätswert I_MA ermittelt wird. Gemäß 2 wird die z-Koordinate des Brennpunktes BP von Z_M0 um ΔZ_AB vergrößert. Da der gemessene Intensitätswert I_MA größer als I_M0 ist, ist bei Kenntnis des Intensitätsverlaufes I(z) die z-Koordinate z_P des zu vermessenden Punktes P der Oberfläche 7 eindeutig bestimmbar. Alternativ kann, falls der Intensitätsverlauf I(z) nicht bekannt ist, die z-Koordinate des Brennpunktes BP derart verändert werden, bis eine maximale Intensität I_max bestimmt worden ist. Dazu können mehrere zusätzliche Messungen von Intensitätswerten, beispielsweise I_MB, erforderlich sein. Der Doppelpfeil rechts in 2 zeigt, dass eine relative Veränderung der z-Koordinaten von Brennpunkt BP und zu vermessenden Punkt P beispielsweise mittels einer Relativverschiebung von Sensorsystemen A und Objekt B entlang der z-Achse breit gestellt werden kann.
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines zu vermessenden Oberflächenverlaufs. 3 zeigt einen Verlauf der z-Koordinaten einer zu vermessenden Oberfläche 7 in Abhängigkeit von den x-Koordinaten zu vermessender Punkte P der Oberfläche 7 des Objektes B. Oberflächenverläufe können beispielsweise konvex oder konkav sein. Eine zu vermessende Oberfläche 7 kann Wendepunkte aufweisen. 3 zeigt in der x-z-Ebene einen Brennpunkt BP, der auf einer zur z-Achse parallelen optischen Achse 4 an der x-y-Koordinate des zu vermessenden Punktes P zunächst in einen z-Koordinatenwert entsprechend einem z-Koordinatenwert einer Soll-Oberfläche OB_S eines gegebenen Modells des Objektes B verschoben wird. Für diese erste Positionierung kann mittels einer Relativbewegungseinrichtung 23 eine Relativbewegung von Sensorsystem A und Objekt B entlang der z-Achse ausgeführt werden. Dadurch dass der Brennpunkt BP beliebig entlang der z-Achse verschoben werden kann, ist der Messbereich ΔZ einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beliebig einstellbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einen Unterschied d_Z der z-Koordinaten von Brennpunkt BP und zu vermessenen Punkt P auflösen. Diese Auflösung ist in 3 als d_z dargestellt und entspricht beispielsweise einer Differenz Z_P – Z_M0 = d_z in 2.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Oberflächenverlaufs zur Ermittlung einer Steigung in einem zu vermessenden Punkt P der Oberfläche 7. 4 zeigt zunächst die Oberfläche 7 von 3 in der x-z-Ebene. Der Oberflächenverlauf im Punkt P weist dabei eine Steigung 0 auf. Eine Erfassungseinrichtung 15 erfasst einen Lichtintensitätswert, bei dem der Brennpunkt BP beispielsweise im zu vermessenden Punkt P liegt. Wird die Oberfläche 7 um einen Kippwinkel φ_x gekippt, ändert sich die Steigung der Oberfläche 7 im Punkt P. Dies ist durch den Oberflächenverlauf 8 dargestellt. Durch die Kippbewegung verschiebt sich der bei der Oberfläche 7 erfasste Intensitätswert der Erfassungseinrichtung 15 entsprechend dem Kippwinkel φ_x. Eine Auswerteeinrichtung 21 kann für jeden Punkt P eine Steigung der Oberfläche 7 entlang der x- und/oder y-Achse mittels eines durch die Erfassungseinrichtung 15 ausgeführten Erfassens einer Verschiebung eines bei einer Steigung von 0 erfassten von der z-Koordinate des Brennpunktes BP abhängigen Lichtintensitätswerts I(z) aus der optischen Achse in einer Position α in eine Position β bestimmen. Die Auswerteeinrichtung 21 kann, mittels vorab ermittelter Intensitätsverläufe in Abhängigkeit von Steigungsänderungen der Oberfläche 7 in einem festen Punkt, der Verschiebung des Lichtintensitätswertes I(z) die jeweilige Steigung für den Punkt P zuordnen. Das mit Bezug auf 4 beschriebene Vorgehen gilt ebenso entsprechend für die y-z-Ebene.
5 zeigt ein Abtastsignal, mit dem für eine Vielzahl von punktweise abgetasteten Punkten P einer zu vermessenden Oberfläche 7 eines Objektes B, jeweils Messungen von z-Koordinatenwerten z_{x, y} und Kippwinkel φ_x und φ_y ausgeführt werden. Eine Abtastung beziehungsweise punktweise Messung einer Oberfläche 7 ist besonders vorteilhaft, für den Fall, dass die jeweilige Messdauer T_M konstant ist. Auf diese Weise können die Messwerte leichter verarbeitet werden. Des Weiteren ist es zur Verkleinerung der Messdauer zur Vermessung der gesamten Oberfläche 7 besonders vorteilhaft, wenn die x-, y-Koordinaten aller zu vermessenden Punkte P durch ein Messpunktemuster in der x-, y-Ebene festgelegt werden. Für eine einfachere Standardisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist es besonders vorteilhaft, wenn ein derartiges Messpunktemuster zueinander gleich beabstandete Messepunkte beispielsweise an Ecken von Gitterquadraten aufweist.
6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines gemessenen Intensitätsverlaufs eines konfokalen Sensorsystems A. Dieses ist als ein bifokales Sensorsystem ausgebildet, bei dem eine Anzahl von n = 2 Erfassungseinrichtungen 15 mit zwei zueinander verschiedenen Lichtintensitätsverläufen I₁ und I₂ verwendet wird. Es sind in der Auswerteeinheit 21 in einer Speichereinrichtung von der z-Koordinate des Brennpunktes BP abhängige Lichtintensitätsverläufe I₁ und I₂ der Erfassungseinrichtung 15 vorab gespeichert. Mittels dieser Intensitätsverläufe I₁ und I₂ können bei einer einzigen Messposition des Brennpunktes BP gleichzeitig zwei Lichtintensitätswerte I_M1 und I_M2 erfasst werden und daraus die z-Koordinate Z_P des zu vermessenden Punktes P bestimmt werden. Bei dieser einzigen Messposition ist die z-Koordinate Z_P eindeutig bestimmbar.
7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Intensitätsverlaufs eines konfokalen Sensorsystems A. Dieses ist als ein Sensorsystem ausgebildet, bei dem eine Anzahl von n = 3 Erfassungseinrichtungen 15 mit drei zueinander verschiedenen Lichtintensitätsverläufen I₁, I₂ und I₃ verwendet wird. Eine derartige Überlagerung von Lichtintensitätsverläufen I₁, I₂ und I₃ kann sich beispielsweise ergeben, wenn die Erfassungseinrichtungen 15 jeweils verschiedene Wellenlängenbereiche des von der Lichtquelle 1 ausgesendeten Licht erfassen. Entsprechend einer jeweiligen erfassten Wellenlänge ist der Brennpunkt BP hinsichtlich der z-Koordinate verschoben. Das heißt, wird der ursprüngliche Brennpunkt BP in die z-Koordinate Z_M0 verschoben, erfassen die Erfassungseinrichtungen 15 für einen ersten Wellenlängenbereich einen Intensitätswert I_M1, für einen zweiten Wellenlängebereich einen Intensitätswert I_M2 und für einen dritten Wellenlängenbereich einen Intensitätswert I_M3. Mit diesen gemessenen Intensitätswerten und den bekannten Intensitätsverläufen kann auf einfache Weise die z-Koordinate Z_P des Punktes P ermittelt und sowohl ein Messbereich ΔZ und eine Auflösung d_Z vergrößert werden. Mit diesem Sensorsystem ist eine Relativbewegung von Sensorsystem A und Objekt B zur Bestimmung eines Abstandsvektors zwischen dem Brennpunkt und dem zu vermessenden Punkt P nicht erforderlich.
8 zeigt die Abhängigkeit einer Messdauer T_M, zur Bestimmung der x, y-, z-Koordinaten eines zu vermessenden Punktes P einer Oberfläche 7 eines Objektes B, von der Differenz der z-Koordinate Z_P des Punktes P zur ersten Messposition des Brennpunktes BP in der z-Koordinate Z_M0. Die Messdauer T_M ist direkt proportional zum Abstand von der ersten Messposition eines Brennpunktes BP zu der Position des zu vermessenden Punktes P. Der Abstandsvektor und damit die Messzeit T_M kann bereits dadurch wirksam verringert werden, dass die erste Messposition des Brennpunktes BP in der z-Koordinate Z_M0 einer Position in einer Soll-Z-Koordinate Z_P-Soll entspricht. Derartige Werte können ausgehend von einem Modell der Oberfläche 7 des Objektes B bestimmt werden. Des Weiteren kann ein Messen und Abtasten einer zu vermessenden Oberfläche 7 mit einem Abtastsignal ausgeführt werden, wobei zwischen jeder Abtastung eine gleiche konstante Zeitdauer festgelegt wird. Zur Vereinfachung der Verarbeitung der Messwerte kann beim Vermessen der Vielzahl von Punkten P eine Veränderung der x-, y-, z-Koordinaten eines Brennpunktes BP maximal bis zum Ende einer für alle zu vermessenden Punkte P gleichen Messdauer T_Mmax ausgeführt werden, wobei die Auswerteeinheit 21 mittels der erfassten Lichtintensitätswerte I(z) die z-Koordinate des Punktes P mindestens angenähert bestimmt.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Zu Formvermessung wird ein konfokal arbeitendes Fokussensorsystem A verwendet. Ausführungsbeispiele sind gemäß 1 und 10 dargestellt. Derartige Systeme messen, ob ein angefahrener zu vermessender Punkt P einer Oberfläche 7 im Brennpunkt BP liegt. Falls dies nicht der Fall ist, wird gemessen, in welche Richtungen die zu vermessende Oberfläche 7 und das Sensorsystem A relativ zueinander verfahren werden müssen, damit der zu vermessende Punkt P der Oberfläche 7 im Brennpunkt BP liegt. Das Fokussensorsystem soll eine ausreichend genaue Aussage der Position eines Brennpunktes BP im Mikrometer- beziehungsweise Sub- Mikrometerbereich ermöglichen. In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Anfahren der x- und y-Position des zu vermessenden Punktes P der Oberfläche 7, wobei hochgenaue x-, y-Achsen verwendet werden. Mit einem Schritt S2 erfolgt ein Verfahren der z-Position eines Brennpunktes BP, wobei ebenso eine hochgenaue z-Achse mit einem hochgenauen Messsystem, beispielsweise einem Glasmaßstab, verwendet wird. Mit einem Schritt S3 wird bestimmt, dass der Brennpunkt BP in dem zu vermessenden Punkt P der Oberfläche 7 liegt, wobei danach die x-, y- und z-Positionswerte von den Glasmaßstäben ausgelesen und gespeichert werden. Die hochgenauen Messungen werden jeweils mit einem relativ schnell auslesbaren Glasmaßstab durchgeführt. Für die Vermessung der gesamten Oberfläche wird das konfokale Fokussensorsystem A in x- und/oder y-Richtung relativ zur vermessenen Oberfläche 7 verfahren und die z-Achse wird jeweils so nachgestellt, dass ein zu vermessender Punkt P im Brennpunkt BP des Fokussensors liegt.
10 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 10 zeigt einen chromatischen konfokalen Abstandssensor. Ausgehend von einer Lichtquelle 1 wird Licht über einen y-Koppler yk und einen Sensorkopf sk auf ein Objekt B gelenkt, wobei das zurück reflektierte Licht in einem Spektrometer SM erfasst und mittels einer Auswerteeinrichtung 21 ausgewertet wird. Ebenso mit dem chromatischen konfokalen Sensorsystem A gemäß 10 ist ein Vermessen eines Punktes P einer reflektierenden Oberfläche 7 eines Objektes B ausführbar. Zusätzlich können eine Vorrichtung gemäß 1 mit einer oder mehreren Erfassungseinrichtungen 15, denen jeweils ein Intensitätsverlauf I(z) zugeordnet ist, und eine Vorrichtung gemäß 10 zur Vermessung kombiniert werden.

Claims

Verfahren zum Vermessen einer homogen reflektierenden Oberfläche (7) eines in einem orthogonalen x-, y-, z-Koordinatensystem positionierten Objekts (B), dadurch gekennzeichnet, dass x-, y-, z-Koordinaten einer Vielzahl von Punkten (P) der Oberfläche (7) des Objekts (B) punktweise vermessen werden, wobei ein Sensorsystem Licht auf einen Brennpunkt (BP) in bekannten x-, y-, z-Koordinaten fokussiert und Koordinaten eines jeweiligen Abstandsvektors zwischen einem jeweiligen zu vermessenden Punkt (P) und dem Brennpunkt (BP) misst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem ein konfokales Sensorsystem (A) ist, dass Licht einer Lichtquelle (1) mittels einer Fokussiereinrichtung (3, 5) in Richtung auf die Oberfläche (7) auf einen Brennpunkt (BP) auf einer optischen Achse (4) in einer Brennweite fokussiert und die x-, y-, z-Koordinaten des Brennpunktes (BP) mittels Vermessen der räumlichen Position des Sensorsystems (A) im Koordinatensystem mittels einer Längenmesseinrichtung (17) vermessen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das konfokale Sensorsystem (A) mittels einer Justiereinrichtung derart justiert wird, dass die optische Achse (4) orthogonal zur x-, y-Ebene verläuft; das Sensorsystem (A) und das Objekt (B) derart mittels einer Relativbewegungseinrichtung (23) relativ zueinander justiert werden, dass die optische Achse (4) durch den zu vermessenden Punkt (P) hindurch verläuft und die x-, y-Koordinaten des Brennpunktes (BP) mit den x-, y-Koordinaten des zu vermessenden Punktes (P) übereinstimmen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das konfokale Sensorsystem (A) und das Objekt (B) derart mittels der Relativbewegungseinrichtung (23) relativ zueinander justiert werden, dass die z-Koordinate des Brennpunktes (BP) mit einer z- Soll-Koordinate des zu vermessenden Punktes (P) übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das konfokale Sensorsystem (A) mittels einer Erfassungseinrichtung (15) eine von der z-Koordinate des Brennpunkts (BP) abhängige Lichtintensität (I(z)) des von der Oberfläche (7) reflektierten Lichts erfasst, wobei mit der Lichtintensität (I(z)) die (Ist-) z-Koordinate (Z_P) des Punktes (P) mittels einer Auswerteeinrichtung (21) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die z-Koordinate des Brennpunktes (BP) in z-Richtung derart verändert wird, bis die Auswerteeinrichtung (21) die erfasste Lichtintensität I(z) als maximal (Imax) und die z-Koordinate des Brennpunktes (BP) als mit der z-Koordinate des Punktes (P) übereinstimmend bewertet.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (21) mittels eines vorab ermittelten von der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) abhängigen Lichtintensitätsverlaufes (I(z)) eine erfasste Lichtintensität als maximal (Imax) und die z-Koordinate des Punktes (P) als mit der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) übereinstimmend bewertet.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (21) mittels eines vorab ermittelten von der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) abhängigen Lichtintensitätsverlaufes (I(z)) und mittels zweier erfasster Lichtintensitäten (I_M0; I_MA) bei zwei verschiedenen z-Koordinaten ((z_M0); (z_M0 + Δ)) des Brennpunktes (BP) die z-Koordinate (z_OB) des zu vermessenden Punktes (P) bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (21) mittels zweier verschiedener vorab gespeicherter von der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) abhängigen Lichtintensitätsverläufen (I₁(z); I₂(z)) zweier Erfassungseinrichtungen (15) und mittels zweier erfasster Lichtintensitäten (I_M1; I_M2) bei einer z-Koordinate (Z_M0) des Brennpunktes (BP) die z-Koordinate (Z_P) des zu vermessenden Punktes (P) bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (A) zusätzlich ein chromatisch konfokaler Abstandssensor ist, der einen Abstand des zu vermessenden Punktes (P) von dem Sensorsystem (A) in z-Richtung entlang der optischen Achse (4) misst, wobei mittels eines Wellenlängenbereichs einer erfassten maximalen Lichtintensität (Imax) der Abstand und die z-Koordinate (z_P) des zu vermessenden Punktes (P) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (21) jeweils in einem Punkt (P) eine Steigung der Oberfläche (7) in x- und/oder y-Richtung mittels einen durch die Erfassungseinrichtung (15) ausgeführten Erfassen einer Verschiebung eines bei einer Steigung von null erfassten von der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) abhängigen Lichtintensitätswertes (I(z)) aus der optischen Achse (4) bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die x- und y-Koordinaten des zu vermessenden Punktes (P) durch ein Messpunktemuster in der x-y-Ebene festgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Messpunktemuster zueinander äquidistante Messpunkte aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die z-Koordinate des Brennpunktes (BP) mittels einer durch die Relativbewegungseinrichtung (23) bewirkten Relativbewegung von Sensorsystems (A) und Objekt (B) in z-Richtung verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die z-Koordinate des Brennpunktes (BP) mittels einer durch die Fokussiereinrichtung (5) bewirkten Veränderung der Brennweite in z-Richtung verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenmesseinrichtung (17) zur Messung von x-, y-, z-Koordinatenwerten jeweils einen Glasmaßstab (19) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vermessen der Vielzahl von Punkten (P) eine Veränderung der x-, y-, z-Koordinaten des Brennpunktes (BP) maximal bis zum Ende einer für alle zu vermessenden Punkte (P) gleichen Messdauer (T_Mmax) ausgeführt wird und die Auswerteeinrichtung (21) mittels der erfassten Lichtintensitätswerte (I(z)) die z-Koordinate des Punktes (P) mindestens angenähert bestimmt.
Vorrichtung zum Vermessen einer homogen reflektierenden Oberfläche (7) eines in einem orthogonalen x-, y-, z-Koordinatensystem positionierten Objekts (B), dadurch gekennzeichnet, dass x-, y-, z-Koordinaten einer Vielzahl von Punkten (P) der Oberfläche (7) des Objekts (B) punktweise vermessen werden, wobei ein Sensorsystem Licht auf einen Brennpunkt (BP) in bekannten x-, y-, z-Koordinaten fokussiert und Koordinaten eines jeweiligen Abstandsvektors zwischen einem jeweiligen zu vermessenden Punkt (P) und dem Brennpunkt (BP) misst.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem ein konfokales Sensorsystem (A) ist, das Licht einer Lichtquelle (1) mittels einer Fokussiereinrichtung (3, 5) in Richtung auf die Oberfläche (7) auf einen Brennpunkt (BP) auf einer optischen Achse (4) in einer Brennweite fokussiert und die x-, y-, z-Koordinaten des Brennpunktes (BP) mittels Vermessen der räumlichen Position des Sensorsystems (A) im Koordinatensystem mittels einer Längenmesseinrichtung (17) vermessen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das konfokale Sensorsystem (A) mittels einer Justiereinrichtung derart justiert wird, dass die optische Achse (4) orthogonal zur x-, y-Ebene verläuft; das Sensorsystem (A) und das Objekt (B) derart mittels einer Relativbewegungseinrichtung (23) relativ zueinander justiert werden, dass die optische Achse (4) durch den zu vermessenden Punkt (P) hindurch verläuft und die x-, y-Koordinaten des Brennpunktes (BP) mit den x-, y-Koordinaten des zu vermessenden Punktes (P) übereinstimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das konfokale Sensorsystem (A) und das Objekt (B) derart mittels der Relativbewegungseinrichtung (23) relativ zueinander justiert werden, dass die z-Koordinate des Brennpunktes (BP) mit einer z- Soll-Koordinate des zu vermessenden Punktes (P) übereinstimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das konfokale Sensorsystem (A) mittels einer Erfassungseinrichtung (15) eine von der z-Koordinate des Brennpunkts (BP) abhängige Lichtintensität (I(z)) des von der Oberfläche (7) reflektierten Lichts erfasst, mit der die (Ist-) z-Koordinate (Z_P) des Punktes (P) mittels einer Auswerteeinrichtung (21) bestimmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die z-Koordinate des Brennpunktes (BP) in z-Richtung derart verändert wird, bis die Auswerteeinrichtung (21) die erfasste Lichtintensität (I(z)) als maximal (Imax) und die z-Koordinate des Brennpunktes (BP) als mit der z-Koordinate des Punktes (P) übereinstimmend bewertet.
Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (21) mittels eines vorab ermittelten von der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) abhängigen Lichtintensitätsverlaufes (I(z)) eine erfasste Lichtintensität als maximal (Imax) und die z-Koordinate des Punktes (P) als mit der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) übereinstimmend bewertet.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (21) mittels eines vorab ermittelten von der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) abhängigen Lichtintensitätsverlaufes (I(z)) und mittels zweier erfasster Lichtintensitäten (I_M0; I_MA) bei zwei verschiedenen z-Koordinaten ((z_M0); (z_M0 + Δ)) des Brennpunktes (BP) die z-Koordinate (Z_OP) des zu vermessenden Punktes (P) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (21) mittels zweier verschiedener vorab gespeicherter von der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) abhängigen Lichtintensitätsverläufen (I₁(z); I₂(z)) zweier Erfassungseinrichtungen (15) und mittels zweier erfasster Lichtintensitäten (I_M1; I_M2) bei einer z-Koordinate (z_M0) des Brennpunktes (BP) die z-Koordinate (Z_P) des zu vermessenden Punktes (P) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (A) zusätzlich ein chromatisch konfokaler Abstandssensor ist, der einen Abstand des zu vermessenden Punktes (P) von dem Sensorsystem (A) in z-Richtung entlang der optischen Achse (4) misst.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (21) jeweils in einem Punkt (P) eine Steigung der Oberfläche (7) in x- und/oder y-Richtung mittels einem durch die Erfassungseinrichtung (15) ausgeführten Erfassen einer Verschiebung eines bei einer Steigung von null erfassten von der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) abhängigen Lichtintensitätswertes (I(z)) aus der optischen Achse (4) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die x- und y-Koordinaten des zu vermessenden Punktes (P) durch ein Messpunktemuster in der x-y-Ebene festgelegt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Messpunktemuster zueinander äquidistante Messpunkte aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die z-Koordinate des Brennpunktes (BP) mittels einer durch die Relativbewegungseinrichtung (23) bewirkten Relativbewegung von Sensorsystem (A) und Objekt (B) in z-Richtung verändert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass die z-Koordinate des Brennpunktes (BP) mittels einer durch die Fokussiereinrichtung (5) bewirkten Veränderung der Brennweite in z-Richtung verändert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenmesseinrichtung (17) zur Messung von x-, y-, z- Koordinatenwerten jeweils einen Glasmaßstab (19) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vermessen der Vielzahl von Punkten (P) eine Veränderung der x-, y-, z-Koordinaten des Brennpunktes (BP) maximal bis zum Ende einer für alle zu vermessenden Punkte (P) gleichen Messdauer (T_Mmax) ausgeführt wird und die Auswerteeinrichtung (21) mittels der erfassten Lichtintensitätswerte (I(z)) die z-Koordinate des Punktes (P) mindestens angenähert bestimmt.