DE102012223878A1

DE102012223878A1 - Kompensation eines chromatischen Punktsensors mit Auswirkungen des Werkstückmaterials

Info

Publication number: DE102012223878A1
Application number: DE102012223878A
Authority: DE
Inventors: David William Sesko
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2013-06-27
Also published as: JP6126375B2; US8587789B2; US20130163006A1; JP2013130580A

Abstract

Ein Verfahren der Fehlerkompensation in einem chromatischen Punktsensor (CPS) reduziert Fehler im Zusammenhang mit dem schwankenden spektralen Reflexionsvermögen von Werkstücken. Die Fehler stehen mit einer entfernungsunabhängigen Profilkomponente der CPS-Messsignale in Zusammenhang. Das spektrale Reflexionsvermögen eines Werkstücks kann anhand eines bekannten spektralen Reflexionsvermögens eines Werkstückmaterials oder durch Messen des spektralen Reflexionsvermögens des Werkstücks mithilfe des CPS-Systems charakterisiert werden. Die CPS-Messung des spektralen Reflexionsvermögens kann ein Abtasten des optischen CPS-Stifts bei einer Vielzahl von Entfernungen relativ zu einer Werkstückoberfläche und das Bestimmen eines entfernungsunabhängigen zusammengefassten Spektralprofils aus einer Vielzahl von resultierenden Wellenlängenspitzen umfassen. Durch Vergleichen des entfernungsunabhängigen zusammengefassten Spektralprofils, das von einem Werkstück erlangt wurde, mit demjenigen, das einem CPS-Entfernungskalibrierungsprozess entspricht, wird der Einfluss der Reflexionseigenschaften des Werkstücks in den Differenzen zwischen den Profilen angezeigt, und mögliche CPS-Positionsfehler, die sich aus Variationen der Reflexionseigenschaften des Werkstücks ergeben, können berechnet und/oder kompensiert werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Präzisionsmessinstrumente und insbesondere chromatische Punktsensoren und ähnliche optische Entfernungsbestimmungsvorrichtungen und ihre Verwendung.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Es ist bekannt, chromatische Konfokalverfahren in optischen Höhen- oder Entfernungssensoren zu verwenden. Wie in US-Patentschrift 7,876,456 (dem Patent '456) beschrieben, die hiermit in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Gegenstand mit einbezogen wird, kann ein optisches Element mit einer axialen chromatischen Aberration, die auch als chromatische Axial- oder Längsdispersion bezeichnet wird, benutzt werden, um eine Breitbandlichtquelle derart zu fokussieren, dass der Axialabstand zum Fokus mit der Wellenlänge variiert. So wird nur eine Wellenlänge genau auf einer Oberfläche fokussiert, und die Oberflächenhöhe oder -entfernung relativ zum Fokussierelement bestimmt, welche Wellenlänge am besten fokussiert wird. Nach dem Reflektieren von der Oberfläche wird das Licht erneut auf eine kleine Detektorapertur wie etwa eine Lochblende oder das Ende eines Lichtwellenleiters fokussiert. Wenn das Licht von der Oberfläche reflektiert und durch das optische System in den Eingangs-/Ausgangslichtwellenleiter getreten ist, wird nur die Wellenlänge gut an der Apertur fokussiert, die auf der Oberfläche gut fokussiert wird. Alle anderen Wellenlängen werden an der Apertur schlecht fokussiert und koppeln daher nicht viel Leistung in den Lichtwellenleiter ein. Bei dem Licht, das durch den Lichtwellenleiter zurückgeleitet wird, ist der Signalpegel daher für diejenige Wellenlänge am höchsten, die der Oberflächenhöhe oder dem Abstand zur Oberfläche entspricht. Ein Detektor in Form eines Spektrometers misst den Signalpegel für die einzelnen Wellenlängen, um die Oberflächenhöhe zu bestimmen.
Das Patent '456 beschreibt ferner, dass bestimmte Hersteller auf praktische und kompakte Systeme verweisen, die wie oben beschrieben arbeiten und sich für chromatische Konfokalentfernungsmessung im industriellen Umfeld als chromatische Punktsensoren (CPS) eignen. Ein kompaktes chromatisch streuendes optisches Bauteil, das mit solchen Systemen benutzt wird, wird als ein „optischer Stift” oder „Stift” bezeichnet. Der optische Stift ist über einen Lichtwellenleiter mit einem elektronischen Abschnitt des chromatischen Punktsensors verbunden, der das Licht durch den Lichtwellenleiter überträgt, damit es vom optischen Stift ausgegeben wird und einen Spektrometer bereitstellt, der das zurückgeleitete Licht detektiert und analysiert. Das zurückgeleitete Licht bildet ein wellenlängengestreutes Intensitätsprofil, das vom Detektor-Array des Spektrometers empfangen wird. Pixeldaten, die dem wellenlängengestreuten Intensitätsprofil entsprechen, werden analysiert, um die „dominante Wellenlängenpositionskoordinate” zu bestimmen, die von einer Spitze oder einem Zentroid des Intensitätsprofils angezeigt wird, und die resultierende Pixelkoordinate der Spitze oder des Zentroids wird zusammen mit einer Referenztabelle benutzt, um die Entfernung zur Oberfläche zu bestimmen. Diese Pixelkoordinate kann mit Subpixelauflösung bestimmt werden und kann als die „Entfernungskoordinate” bezeichnet werden.
Das Patent '456 beschreibt ferner, dass der CPS-Spektrometer im normalen Betrieb für gewöhnlich einen Reichweite oder einen Spitzenbereich von Wellenlängen für eine bestimmte Messentfernung empfängt. Es wird offenbart, dass der CPS-Spektrometer die Form des Spitzenbereichs von Wellenlängen verzerren und dadurch die entsprechende Spitze bzw. den entsprechenden Zentroid und die resultierende Entfernungskoordinate beeinflussen kann. Die Systeme und Verfahren des Patents '456 stellen Komponentenkalibrierungsdaten bereit, die auch als Kompensationsdaten bezeichnet werden und die Auswirkungen von wellenlängenabhängigen Variationen (z. B. uneinheitliche Reaktion) des CPS-Spektrometers und/oder der CPS-Breitbandlichtquelle einschließen. Die Kompensationsdaten des Patents '456 dienen dazu, Fehler im Zusammenhang mit diesen Auswirkungen auf den Spektrometer und die Lichtquelle zu reduzieren oder zu beseitigen. Die Kompensationsdaten des Patents '456 können zu verschiedenen Zeitpunkten erneut bestimmt und/oder ersetzt werden, derart, dass die Kompensationsdaten ihre Wirkung in Bezug auf das Reduzieren oder Beseitigen von Fehlern trotz Änderungen am Spektrometer oder an der Lichtquelle (z. B. aufgrund der Alterung von Bauteilen, umweltbedingten Variationen oder dergleichen) beibehalten. Chromatische Punktsensoren stellen eine sehr hohe Auflösung und Genauigkeit (z. B. eine Auflösung und Genauigkeit im Submikrometerbereich) anhand von Entfernungskalibrierungsdaten bereit, die bekannte Messentfernungen zur resultierenden dominanten Wellenlängenpositionskoordinate (der Entfernungskoordinate) am Array in Beziehung setzen. Auf der Ebene der Auflösung und Genauigkeit, die die chromatischen Punktsensoren bereitstellen, können Messfehler entstehen, da Messbedingungen nicht genau den Bedingungen entsprechen, die zum Zeitpunkt der Kalibrierung vorlagen, obwohl die Verfahren des Patents '456 benutzt werden.
Beispielsweise stellen Variationen des werkstückspezifischen spektralen Reflexionsvermögens eine Fehlerquelle eines chromatischen Punktsensors dar. Ein chromatischer Punktsensor, der angeblich ein Mittel zum Kompensieren von Variationen des spektralen Reflexionsvermögens bereitstellt, ist in der US-Patentschrift Nr. 5,790,242 (dem Patent '242) offenbart. Kurz dargestellt wird ein Konfokalstrahl geteilt, und die geteilten Anteile des Strahls werden mit einer Konfokalapertur und einem zentralen Haltepunkt (bei dem es sich um eine „umgekehrte Lochblende” handelt) räumlich an ihrem Fokus gefiltert, umjeweilige Signale auf jeweiligen Energieaufnahmedetektoren bereitzustellen. Das Patent '242 beschreibt, dass „an einem Zeitpunkt innerhalb des Durchlaufs”, wenn das Verhältnis zwischen dem Apertursignal und dem Signal von der Energie, die den zentralen Haltepunkt passiert, ein Maximum erreicht, die durch die Apertur tretende Energie das Ergebnis von „Fokus” ist, unabhängig vom Reflexionsvermögen der Zieloberfläche. Es wird eine Kalibrierung (durch nicht näher bestimmte Mittel) bereitgestellt, die die Wellenlänge zu diesem Zeitpunkt zur Tiefe auf der Oberfläche in Beziehung setzt. Allerdings hängt die Genauigkeit des Patents '242 somit vom Bereitstellen eines „Durchlaufs” und vom Messen eines Verhältnisses zwischen zwei Signalen „zu einem Zeitpunkt” und vom Detektieren einer dominanten Wellenlänge an einem der Signale zu diesem Zeitpunkt ab. Ein solches System führt zu elektronischer Komplexität und damit zusammenhängenden Rauschquellen und kann für einen Benutzer schwer verständlich und/oder kalibrierbar sein. Ferner sammelt ein solches System keine Daten, die die Zieloberflächenreflexionseigenschaften charakterisieren, was als eine Prüfung der Genauigkeit oder Kalibrierung oder als Materialprüfung in verschiedenen Anwendungen wünschenswert sein kann.
Das Bereitstellen eines verbesserten und/oder zuverlässigeren Betriebs chromatischer Punktsensoren durch Überwinden zusätzlicher Quellen von Messfehlern, die sich aus Veränderungen in den Messbedingungen und insbesondere aus werkstückspezifischen Variationen des spektralen Reflexionsvermögens ergeben, ist wünschenswert.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Diese Kurzdarstellung soll eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form vorstellen, die an späterer Stelle in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese Kurzdarstellung soll keine Hauptmerkmale des beanspruchten Gegenstands identifizieren und soll auch nicht als Hilfsmittel für die Bestimmung des Umfangs des beanspruchten Gegenstands herangezogen werden.
Wie hier offenbart, ist ein chromatisches Punktsensor-(CPS-)System dazu konfiguriert, mögliche Fehler in seinem Spektralprofiloutput zu kompensieren, einschließlich Fehlern, die auf Auswirkungen des Werkstückmaterials (z. B. Auswirkungen des Reflexionsvermögens des Materials) zurückgehen, indem entfernungsunabhängige Kompensationsdaten der Profilkomponente bestimmt und/oder verwendet werden, wie im Folgenden beschrieben werden soll. Die entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente können Bei einigen Ausführungsformen auch dazu verwendet werden, Fehler im Zusammenhang mit Variationen der Lichtquelle und dergleichen zu kompensieren. Gemäß einem Aspekt der Erfindung reduziert die Kompensation Entfernungsmessfehler, die sich anderenfalls aus dem spektralen Reflexionsvermögen der gemessenen Werkstückoberfläche ergeben können, die relativ zu einem spektralen Reflexionsvermögen eines Materials variiert, das der Entfernungskalibrierung des CPS zugrunde liegt (z. B. eines Spiegelmaterials, das beim Bestimmen der Entfernungskalibrierungsdaten benutzt wird). Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff des spektralen Reflexionsvermögens annähernd das wellenlängenabhängige Verhältnis zwischen dem reflektierten Fluss oder der reflektierten Intensität zum einfallenden Fluss oder der einfallenden Intensität. Das spektrale Reflexionsvermögen von Werkstückoberflächen kann je nach Materialzusammensetzung, Einfallswinkel, Oberflächenbehandlung und dergleichen variieren. Die Erfindung stellt kompensierte Entfernungsmessungen bereit, wobei Fehler, die anderenfalls aufgrund der jeweiligen spektralen Reflexionseigenschaften einer Werkstückoberfläche entstehen können, reduziert oder beseitigt werden. Im hier verwendeten Sinne bezieht sich die Begriffsbeschreibung entfernungsunabhängig auf Systemauswirkungen, die nicht im Zusammenhang mit der Messentfernung stehen und daher in verschiedenen Ausführungsformen durch Daten charakterisiert werden können, die auf beliebige oder alle Messentfernungen angewandt werden. Die Konfiguration dieser Erfindung ist leichter zu benutzen und stellt eine genauere und robustere Fehlerkompensation im Vergleich zum Patent '242 bereit. Es ist zu beachten, dass das Patent '242 keine Ausführungsform offenbart, die Variationen des spektralen Materialreflexionsvermögens auf der hier vorgesehenen Ebene tatsächlich kompensiert, da seine Ausführungsform in Abwesenheit einer speziellen Kalibrierung oder Kompensation gegenüber Gewichtungseffekten der Wellenlängenstärke aufgrund des Reflexionsvermögens des Werkstückmaterials empfindlich bleibt, und das Patent '242 lehrt keine spezielle Kalibrierung oder Kompensation zum Anpassen einer detektierten Wellenlänge auf Grundlage des reflektierenden Materials. Die Offenbarung des Patents '456 erwähnt keine Fehler, die auf Variationen des spektralen Materialreflexionsvermögens zurückgehen, und lehrt auch weder eine Systemkonfiguration noch ein Verfahren mit dem Zweck der Kompensation solcher Fehler.
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines chromatischen Punktsensorsystems zum Kompensieren möglicher Fehler einschließlich Fehlern aufgrund von Werkstückmaterialauswirkungen bereitgestellt. Das Verfahren kann Folgendes umfassen:
Bereitstellen eines CPS-Systems, das einen optischen Stift, der einen konfokalen optischen Weg mit einem chromatisch streuenden Element umfasst und dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichen Entfernungen nahe einer Werkstückoberfläche zu fokussieren, die gemessen werden soll, eine Lichtquelle, die verbunden ist, ein Eingabespektralprofil von Wellenlängen an den optischen Stift bereitzustellen, und weiter eine CPS-Elektronik, die einen CPS-Wellenlängendetektor umfasst, der mehrere Pixel umfasst, die entlang einer Messachse des CPS-Wellenlängendetektors verteilt ist, wobei die mehreren Pixel jeweilige Wellenlängen empfangen und Spektralprofildaten bereitstellen, wobei das CPS derart konfiguriert ist, dass dann, wenn der optische Stift mit der CPS-Elektronik verbunden ist und betriebsfähig relativ zur Werkstückoberfläche positioniert ist, um Messvorgänge auszuführen, wobei der optische Stift das Eingabespektralprofil eingibt und entsprechende Strahlung an die Werkstückoberfläche ausgibt und reflektierte Strahlung von der Werkstückoberfläche empfängt und reflektierte Strahlung, um ein Ausgabespektralprofil an den CPS-Wellenlängendetektor auszugeben, wobei das Ausgabespektralprofil eine entfernungsabhängige Profilkomponente mit einer Wellenlängenspitze (in einem Messprofil-Spitzenbereich) umfasst, die eine Messentfernung vom optischen Stift zur Werkstückoberfläche anzeigt, und eine entfernungsunabhängige Profilkomponente, die eine Werkstückmaterialkomponente einschließt, die Spektralprofileffekten im Zusammenhang mit wellenlängenabhängigen Variationen des Reflexionsvermögens des Materials der Werkstückoberfläche entspricht, und die CPS-Elektronik entsprechende Ausgabespektralprofildaten bereitstellt; und Entfernungskalibrierungsdaten dazu benutzt werden, eine Entfernungskoordinate, die der Wellenlängenspitze entspricht, in eine entsprechende Entfernungsmessung umzuwandeln. Das Verfahren kann auch das Identifizieren einer Werkstückoberfläche umfassen, die gemessen werden soll, und kann ferner das Betreiben von wenigstens der CPS-Elektronik umfassen, um entfernungsunabhängige Kompensationsdaten der Profilkomponente zu definieren, die Daten umfassen, die zum Kompensieren der Ausgabespektralprofildaten für mögliche Entfernungsmessfehler benutzbar sind, die Fehler im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente umfassen, die der identifizierten Werkstückoberfläche entspricht.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner Folgendes umfassen: Betreiben des CPS-System derart, dass Messvorgänge an der identifizierten Werkstückoberfläche durchgeführt und die entsprechenden Ausgabespektralprofildaten bereitgestellt werden, Anwenden der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponenten, um die Ausgabespektralprofildaten, die sich aus der identifizierten Werkstückoberfläche ergeben, zu kompensieren, und Bestimmen der Entfernungskoordinate, die der Wellenlängenspitze auf Grundlage der kompensierten Ausgabespektralprofildaten entspricht. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Anwenden der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponenten, um die Ausgabespektralprofildaten zu kompensieren, das Anpassen der Ausgabespektralprofildaten, um Differenzen zwischen einer entfernungsunabhängigen Profilkomponente im Zusammenhang mit Messungen der identifizierten Werkstückoberfläche und einer entfernungsunabhängigen Kalibrierungsprofilkomponente im Zusammenhang mit den Entfernungskalibrierungsdaten zu kompensieren. Bei einigen Ausführungsformen weist die entfernungsunabhängige Kalibrierungsprofilkomponente eine Anpassung auf, derart, dass sie einem im Voraus festgelegten Kalibrierungsspektralprofil entspricht. Bei einigen Ausführungsformen ist das im Voraus festgelegte Kalibrierungsspektralprofil ein flaches Profil. Bei einigen Ausführungsformen kompensiert die Anpassung der entfernungsunabhängigen Kalibrierungsprofilkomponente wellenlängenabhängige Variationen einer Lichtquelle und eines Wellenlängendetektors und wellenlängenabhängige Variationen des Reflexionsvermögens eines Kalibrierungswerkstücks, die für Entfernungsmessungen benutzt werden, um die Entfernungskalibrierungsdaten zu bestimmen, derart, dass sie mit dem im Voraus festgelegten Spektralprofil übereinstimmen.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Schritt des Betreibens der CPS-Elektronik, um die entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente zu definieren, das Definieren von Daten, die dazu benutzt werden können, die Ausgabespektralprofildaten für mögliche Entfernungsmessfehler einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit wellenlängenabhängigen Variationen von wenigstens einem, der Lichtquelle und des Wellenlängendetektors zu kompensieren. Bei einigen Ausführungsformen umfassen die Daten, die dazu benutzt werden können, Fehler im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente zu kompensieren, einen ersten Datensatz, und die Daten, die dazu werden können, Fehler im Zusammenhang mit wellenlängenabhängigen Variationen von wenigstens einem, der Lichtquelle und des Wellenlängendetektors zu kompensieren, einen zweiten Datensatz, der vom ersten Datensatz verschieden ist. Bei einigen Ausführungsformen umfassen die entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente einen Datensatz, der dazu benutzt werden kann, sowohl Fehler im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente als auch Fehler im Zusammenhang mit wellenlängenabhängigen Variationen von wenigstens einem, der Lichtquelle und des Wellenlängendetektors zu kompensieren.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Schritt des Betreibens wenigstens der CPS-Elektronik, um die entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente zu definieren, das Eingeben von im Voraus festgelegten Daten, die die wellenlängenabhängige Variationen des Reflexionsvermögens des Materials der identifizierten Werkstückoberfläche charakterisieren, und das Bestimmen der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente auf Grundlage der eingegebenen im Voraus festgelegten Daten. Bei einigen Ausführungsformen können die im Voraus festgelegten Daten standardmäßige (z. B. allgemein bekannte und/oder veröffentlichte) Daten zum spektralen Reflexionsvermögen umfassen, die den Typ des Materials charakterisieren, der auf der identifizierten Werkstückoberfläche verwendet wurde.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Betreiben von wenigstens der CPS-Elektronik zum Definieren der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente Folgendes: wirksames Positionieren eines Materials relativ zum optischen CPS-Stift, wobei das positionierte Material eins ist von (a) dem Material der identifizierten Werkstückoberfläche und (b) einem Material, das dem Material der identifizierten Werkstückoberfläche entspricht, Durchführen eines Abtastungsvorgangs der Wellenlängenspitze, umfassend die Benutzung des CPS-Systems, um mehrere Messvorgänge durchzuführen, die mehreren jeweiligen Entfernungen relativ zum positionierten Material entsprechen, die um einen Messbereich des optischen CPS-Stifts verteilt sind, wobei die mehreren Messvorgänge entsprechende mehrere Ausgabespektralprofildaten bereitstellen, einschließlich mehrerer Wellenlängenspitzen, die entlang der Messachse des CPS-Wellenlängendetektors verteilt sind, und Bestimmen der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente auf Grundlage der mehreren Ausgabespektralprofildaten, die von dem Abtastungsvorgang der Wellenlängenspitze bereitgestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Bestimmen der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente auf Grundlage der mehreren Ausgabespektralprofildaten, die von dem Abtastungsvorgang der Wellenlängenspitze bereitgestellt werden, Folgendes: Bestimmen einer entfernungsunabhängigen Profilkomponente im Zusammenhang mit der Messung des positionierten Materials auf Grundlage der mehreren Wellenlängenspitzen, die entlang der Messachse des CPS-Wellenlängendetektors verteilt sind, Bestimmen von Differenzen zwischen der entfernungsunabhängigen Profilkomponente im Zusammenhang mit der Messung des positionierten Materials und einer entfernungsunabhängigen Kalibrierungsprofilkomponente im Zusammenhang mit den Entfernungskalibrierungsdaten, und Bestimmen der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente derart, dass sie die bestimmten Differenzen kompensieren. Bei einigen Ausführungsformen werden die entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente in einer Form bestimmt, die eins der folgenden umfasst: (a) Differenzen zwischen einer normierten Größe der Profilkomponenten an mehreren Pixelpositionen, die entlang der Messachse des CPS-Wellenlängendetektors verteilt sind, und (b) ein Verhältnis der Profilkomponenten an mehreren Pixelpositionen, die entlang der Messachse des CPS-Wellenlängendetektors verteilt sind. In verschiedenen Ausführungsformen werden unabhängig davon, ob sie definiert oder bestimmt werden, entfernungsunabhängige Kompensationsdaten der Profilkomponente in einem Speicherabschnitt des CPS-Systems oder eines Hostsystem, das mit dem CPS-System kommuniziert, oder dergleichen gespeichert. Das CPS-System kann dann derart betrieben werden, dass es Messvorgänge an der identifizierten Werkstückoberfläche durchführt und entsprechende Ausgabespektralprofildaten bereitstellt, die entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente aufruft und anwendet, um die Ausgabespektralprofildaten, die sich aus der identifizierten Werkstückoberfläche ergeben, zu kompensieren, und die Entfernungskoordinate bestimmt, die der Wellenlängenspitze entsprechen, die auf den kompensierten Ausgabespektralprofildaten beruht.
Was den Abtastungsvorgang der Wellenlängenspitze betrifft, ist Bei einigen Ausführungsformen oder Anwendungen wenigstens der optische Stift des CPS-Systems in einem Hostsystem installiert, wobei es sich um eins von einem maschinell sehenden Inspektionssystem und einer Koordinatenmessmaschine handelt, derart, dass er relativ zu einer identifizierten Werkstückoberfläche positioniert werden kann, die unter Verwendung des Hostsystems untersucht werden soll. Der Abtastungsvorgang der Wellenlängenspitze kann dann weiter umfassen, das Hostsystem derart zu betreiben, dass es sich zu den mehreren jeweiligen Entfernungen bewegt, die um einen Messbereich des optischen CPS-Stifts relativ zu einem positionierten Material verteilt ist, wobei es sich um das Material der identifizierten Werkstückoberfläche handeln kann. Bei einigen solchen Ausführungsformen können Vorgänge, die das Durchführen des Abtastungsvorgangs der Wellenlängenspitze und das Speichern der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente umfassen, die während eines Einlernmodus des Betriebs des Hostsystems durchgeführt werden können, und Vorgänge, die das Betreiben des CPS-Systems, um Messvorgänge auf der identifizierten Werkstückoberfläche durchzuführen und die entsprechenden Ausgabespektralprofildaten bereitzustellen, und das Aufrufen und Anwenden der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente, um die Ausgabespektralprofildaten zu kompensieren, die von der identifizierten Werkstückoberfläche stammen und das Bestimmen der Entfernungskoordinate umfassen, die der Wellenlängenspitze entspricht, die auf den kompensierten Ausgabespektralprofildaten beruht, können während eines Ausführungsmodus des Hostsystems durchgeführt werden.
Weiterhin umfasst bezüglich des Abtastungsvorgangs der Wellenlängenspitze das Durchführen des Abtastungsvorgangs der Wellenlängenspitze. Bei einigen Ausführungsformen ein kontinuierliches Bewegen von jeweils einem von dem optischen Stift und dem positionierten Material, um wenigstens einige der mehreren jeweiligen Entfernungen bereitzustellen, die an einem Messbereich des optischen CPS-Stifts relativ zum positionierten Material verteilt sind, und ein kontinuierliches Betreiben des CPS-Systems während der Bewegung, um wenigstens einige der mehreren Messvorgänge durchzuführen, die mehreren jeweiligen Entfernungen entspricht. In einigen Anwendungen kann das Bewegen durch manuellen Betrieb eines Gestells oder dergleichen bereitgestellt werden.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Betreiben von wenigstens der CPS-Elektronik, um werkstückspezifische Kompensationsdaten des Messungsspektralprofils zu definieren, Folgendes: Bereitstellen eines optischen Wegs, der einen Teil des normalen optischen Betriebswegs des CPS-Systems umfasst, und Ausschließen des optischen CPS-Stifts, wobei der optische Weg nicht dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichen Entfernungen zu fokussieren, Positionieren eines Materials zum Aufnehmen von Licht von der CPS-Lichtquelle über den optischen Weg, der einen Teil des normalen optischen Betriebswegs umfasst, und zum Reflektieren von Licht von dem positionierten Material über den optischen Weg an den CPS-Wellenlängendetektor, wobei das positionierte Material eins ist von jeweils (a) dem Material der identifizierten Werkstückoberfläche und (b) einem Material, das dem Material der identifizierten Werkstückoberfläche entspricht, Durchführen eines entfernungsunabhängigen Messvorgangs, der entfernungsunabhängige Ausgabespektralprofildaten auf Grundlage des Lichts bereitstellt, das von dem positionierten Material über den optischen Pfad an den CPS-Wellenlängendetektor reflektiert wird, und Bestimmen der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente auf Grundlage dieser entfernungsunabhängigen Ausgabespektralprofildaten. Bei einigen solchen Ausführungsformen kann das Bestimmen der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente auf Grundlage dieser entfernungsunabhängigen Ausgabespektralprofildaten Folgendes umfassen: Bestimmen einer entfernungsunabhängigen Profilkomponente im Zusammenhang mit der entfernungsunabhängigen Messung des positionierten Materials auf Grundlage dieser entfernungsunabhängigen Ausgabespektralprofildaten; Bestimmen von Differenzen zwischen der entfernungsunabhängigen Profilkomponente im Zusammenhang mit der Messung des positionierten Materials und einer entfernungsunabhängigen Kalibrierungsprofilkomponente im Zusammenhang mit den Entfernungskalibrierungsdaten; und Bestimmen der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente derart, dass sie die bestimmten Differenzen kompensieren.
Es sei darauf hingewiesen, dass sich die Spitzenbereichssignale des CPS-Messprofil über einen Bereich von mehreren Pixeln oder mehreren Dutzend Pixeln oder mehr am Wellenlängendetektor erstrecken können. In Abwesenheit der oben erörterten Kompensationsverfahren weist die Form der Spitzenbereichssignale des CPS-Messprofils allgemein eine Art von Verzerrung auf, die sich aus entfernungsunabhängigen Abweichungen in den Messbedingungen ergibt (z. B Abweichungen des Reflexionsvermögens aufgrund von bestimmten Arten von Werkstückmaterialen, Abweichungen des Lichtquellenspektrums, Abweichungen der Empfindlichkeit des Wellenlängendetektors usw.). Solange diese Verzerrung der Spitzenform nicht kompensiert wird, ist die Bestimmung der Spitzenposition für die Messprofilspitzenbereich bei unterschiedlichen Werkstückoberflächenmaterialien usw. uneinheitlich oder fehlerhaft. Dabei werden die oben erörterten Fehlerkompensationsdaten in verschiedenen Implementierungen vor dem Bestimmen der Entfernungskoordinate mit Subpixelauflösung, die die Spitzenposition der Spitzenbereichssignale des Messprofils angibt, auf die Spitzenbereichssignale des Messprofils angewandt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden Aspekte und zahlreiche der begleitenden Vorteile dieser Erfindung werden zum besseren Verständnis durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher werden; es zeigen:
1 ist ein Blockschema einer Ausführungsform eines beispielhaften chromatischen Punktsensor-(CPS-)Systems;
2 ist ein Schema mit Profildaten von einem chromatischen Punktsensor, das Spannungs-Offset-Signalpegel für die Pixel in einem Detektorarray darstellt;
3 ist ein Schema mit Profildaten von einem chromatischen Punktsensor, das ein Spitzenbereichssignal darstellt, das einer Messentfernungskoordinate entspricht;
4 ist ein Schema von Entfernungskalibrierungsdaten eines chromatischen Punktsensors, das bekannte Messentfernungen mit Entfernungskoordinaten für einen chromatischen Punktsensor in Beziehung setzt;
5 ist ein Schema eines Graphen, der Rohintensitätsprofilsignale für ein CPS-Quellen- und Detektorsubsystem darstellt, sowie eine Signalkomponente, die einer CPS-Lichtquelle zugeordnet ist, und ein repräsentatives ideales Spitzenbereichssignal, das einer Messentfernungskoordinate entspricht;
6A und 6B sind Schemata eines ausgewählten Teils des Graphen aus 5, die die Auswirkungen von Signalkomponenten des Rohintensitätsprofils auf die Entfernungskoordinate zeigen, die für ein Spitzenbereichssignal bestimmt wurden, das einer Messentfernungskoordinate entspricht;
7 ist ein Schema eines Graphen, der das spektrale Reflexionsvermögen unterschiedlicher Werkstückmaterialien darstellt;
8 ist ein Blockschema, das ein beispielhaftes System darstellt, das einen entfernungsunabhängigen optischen Weg und CPS-Elektronik zum Bestimmen von Fehlerkompensationsdaten benutzt, die dazu benutzbar sind, Ausgabespektralprofildaten für Fehler einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit dem Reflexionsvermögen eines Werkstückmaterials zu kompensieren;
9 ist ein Schema eines Graphen, der drei beispielhafte Instanzen von Spitzensignalen, die auf unterschiedlichen Wellenlängen erlangt wurden, und/oder Detektorpixel während eines Abtastungsvorgang der Wellenlängenspitze unter Verwendung eines CPS-Systems darstellt;
10 ist ein Schema eines Graphen, der die Ergebnisse darstellt, die von einem Abtastungsvorgang der Wellenlängenspitze unter Verwendung eines CPS-Systems für zwei unterschiedliche Werkstückoberflächenmaterialien erlangt wurden;
11 ist ein Ablaufdiagramm, das eine beispielhafte Routine darstellt, die einen Abtastungsvorgang der Wellenlängenspitze zum Bestimmen entfernungsunabhängiger Kompensationsdaten der Profilkomponente verwendet, die dazu benutzbar sind, Ausgabespektralprofildaten für Fehler einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit dem Reflexionsvermögen eines Werkstückmaterials zu kompensieren; und
12 ist ein Ablaufdiagramm, das eine beispielhafte Routine zum Betreiben eines chromatischen Punktsensors unter Verwendung von entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente darstellt, um Ausgabespektralprofildaten für Fehler einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit dem Reflexionsvermögen eines Werkstückmaterials zu kompensieren
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 ist ein Blockschema eines Ausführungsbeispiels eines chromatischen Punktsensor-(CPS-)Systems 100. Wie in 1 gezeigt, weist das CPS-System 100 einen optischen Stift 120 und einen Elektronikabschnitt 160 auf. Bei der Ausführungsform von 1 weist der Elektronikabschnitt 160 eine Signalverarbeitungseinheit 166, einen Speicherabschnitt 168 und ein Quellen- und Detektorsubsystem 161 auf, das einen Wellenlängendetektor 162 und eine Breitbandlichtquelle 164 (bei einigen Ausführungsformen auch als Weißlichtquelle bezeichnet) umfasst. In verschiedenen Ausführungsformen weist der Wellenlängendetektor 162 ein Detektorarray 163 eines Spektrometers auf. Das Detektorarray 163 kann mehrere Pixel umfassen, die an einer Messachse des Wellenlängendetektors 162 verteilt sind, wobei die mehreren Pixel jeweilige Wellenlängen aufnehmen und Ausgabespektralprofildaten bereitstellen. Der Wellenlängendetektor 162 kann auch eine zugehörige Signalverarbeitung aufweisen (die bei einigen Ausführungsformen z. B. von der Signalverarbeitungseinheit 166 bereitgestellt wird), die bestimmte Fehlerkomponenten in den Profildaten, die vom Detektorarray 163 bereitgestellt werden, anhand von Kompensationsdaten 169 entfernt oder kompensiert, die im Speicherabschnitt 168 gespeichert sein können, wie an späterer Stelle beschrieben werden soll. Bestimmte Aspekte des Wellenlängendetektors 162 und der Signalverarbeitungseinheit 166 können daher bei einigen Ausführungsformen vereint und/oder nicht voneinander unterscheidbar sein. Der Elektronikabschnitt 160 ist über einen optischen Weg, der das Lichtwellenleiterkabel 112 aufweist, an den optischen Stift 120 gekoppelt. Bei der Ausführungsform aus 1 sind optionale oder alternative Aspekte des optischen Wegs gezeigt, darunter der, in dem das Lichtwellenleiterkabel 112 ein erstes und ein zweites Segment 112A und 112B aufweist, die mit einem Anschluss CONNECT-D im Lichtwellenleitersegment 112B verbunden sind, und ein Koppelelement COUPLER-O, das das Segment 112B mit dem Elektronikabschnitt 160 verbindet. Die Lichtquelle 164 ist derart verbunden, um ein Spektralprofil von Wellenlängen in das Lichtwellenleiterkabel 112 einzuspeisen. Der optische Stift 120 weist ein Eingangs-/Ausgangsleitwellenleiter-Unterbauteil 105, ein Gehäuse 130 und einen Optikabschnitt 150 auf. Das Eingangs-/Ausgangsleitwellenleiter-Unterbauteil 105 umfasst einen Eingangs-/Ausgangsleitwellenleiter 113, der durch ein Lichtwellenleiterkabel 112 geführt wird, das ihn umschließt, und einen Lichtwellenleiteranschluss 108. Der Eingangs-/Ausgangsleitwellenleiter 113 gibt über eine Apertur 195 einen Ausgangsstrahl aus und nimmt reflektiertes Messsignallicht durch die Apertur 195 auf.
Im Betrieb wird das Licht, das vom Lichtwellenleiterende durch die Apertur 195 abgestrahlt wird, vom Optikabschnitt 150 fokussiert, der eine Linse aufweist, die eine axiale chromatische Dispersion bereitstellt, derart, dass der Fokuspunkt an der optischen Achse OA abhängig von der Wellenlänge des Lichts in unterschiedlichen Entfernungen angeordnet ist, wie bei chromatischen Konfokalsensorsystemen bekannt ist. Wie im Folgenden detaillierter beschrieben werden soll, wird das Licht während der Messvorgänge an einer Oberflächenposition 190 eines Werkstücks 170 fokussiert. Nach dem Reflektieren an der Oberflächenposition 190 wird das Licht erneut vom Optikabschnitt 150 auf die Apertur 195 fokussiert. Aufgrund der axialen chromatischen Dispersion durch den Optikabschnitt 150 weist nur eine Wellenlänge mit der Messentfernung „Z” eine übereinstimmende Fokussierentfernung auf, bei der es sich um die Entfernung von einer Referenzposition RP, die relativ zum optischen Stift 120 fixiert ist, zur Oberflächenposition 190 handelt. Der chromatische Punktsensor ist derart konfiguriert, dass die Wellenlänge, die an der Oberflächenposition 190 am besten fokussiert wird, auch diejenige Wellenlänge ist, die am besten an der Apertur 195 fokussiert wird. Die Apertur 195 filtert das reflektierte Licht räumlich, derart, dass vor allem die am besten fokussierte Wellenlänge durch die Apertur 195 in den Kern des Lichtwellenleiters 113 des Lichtwellenleiterkabels 112 gelangt. Wie im Folgenden detaillierter beschrieben werden soll, leitet das Lichtwellenleiterkabel 112 das Signallicht zu einem Wellenlängendetektor 162, der dazu benutzt wird, die Wellenlänge mit der dominanten Stärke zu bestimmen, die der Messentfernung Z zur Oberflächenposition 190 entspricht.
Während normaler Messvorgänge ist die Breitbandlichtquelle 164, die von der Signalverarbeitungseinheit 166 gesteuert wird, über einen Lichtwellenleiterweg, der das Beleuchtungsleitersegment 165I, das 2×1-Koppelelement COUPLER-E, CONNECTOR-E und das Lichtwellenleiterkabel 112 aufweist, an den optischen CPS-Stift 120 gekoppelt. Wie oben beschrieben, bewegt sich das Licht durch den optischen Stift 120, der eine chromatische Längsaberration erzeugt. Die Wellenlänge des Lichts, das am effizientesten zurück durch die Apertur 195 und in das Lichtwellenleiterkabel 112 geleitet wird, ist die Wellenlänge, die an der Oberflächenposition 190 fokussiert wird. Die reflektierte wellenlängenabhängige Intensität gelangt dann über den Lichtwellenleiterweg zurück zum Elektronikabschnitt 160 und der Koppler COUPLER-E, so dass etwa 50% des Lichts durch das Signallichtwellenleitersegment 165S zum Wellenlängendetektor 162 geleitet wird. Der Wellenlängendetektor 162 nimmt die wellenlängenabhängige Intensität auf, wandelt sie in ein spektrales Ausgabestärkeprofil (auch vereinfachend als Ausgabespektralprofil bezeichnet) um, das über ein Array von Pixeln an einer Messachse des Detektorarrays 163 verteilt ist, und wirkt derart, dass entsprechende Ausgabespektralprofildaten auf Grundlage der vom Detektorarray 163 ausgegebenen Pixeldaten bereitgestellt werden. Das Ausgabespektralprofil umfasst eine entfernungsabhängige Profilkomponente, die aufgrund des Betriebs des optischen Stifts 120 eine Wellenlängenspitze aufweist, und eine entfernungsunabhängige Profilkomponente, die eine Werkstückmaterialkomponente aufweist, wie im Folgenden detaillierter beschrieben werden soll. Die Ausgabespektralprofildaten weisen die entfernungsabhängige Profilkomponente und die entfernungsunabhängige Profilkomponente auf.
Wie in 1 gezeigt, umfasst die CPS-Elektronik 160 einen werkstückspezifischen Kompensationsabschnitt 167. Der Kompensationsabschnitt 167 kann Ausgabespektralprofildaten verarbeiten und die Ausgabespektralprofildaten in Bezug auf mögliche Fehler einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente (und bei einigen Ausführungsformen anderen entfernungsunabhängigen Profilkomponentenfehlern) kompensieren, z. B. unter Verwendung gespeicherter Kompensationsdaten 169 und/oder werkstückspezifischer Kompensationsdaten 169WS gemäß Verfahren, die an späterer Stelle genauer beschrieben werden sollen. Bei einigen Ausführungsformen kann der werkstückspezifische Kompensationsabschnitt 167 anhand von spektralen Ausgabedaten, die gemäß Verfahren, die an späterer Stelle genauer beschrieben werden sollen, erlangt und analysiert wurden, auch die gespeicherten werkstückspezifischen Spektralprofilkompensationsdaten 169WS bestimmen. Es sei darauf hingewiesen, dass bestimmte Aspekte des Kompensationsabschnitts 167 und der Signalverarbeitungseinheit 166 bei einigen Ausführungsformen vereint und/oder nicht voneinander unterscheidbar sein können.
Nach dem Anwenden der Kompensation auf die entfernungsunabhängige Profilkomponente einschließlich der Werkstückmaterialkomponente wird die Entfernungskoordinate (DIC) der Profildaten mit Subpixelauflösung von der Signalverarbeitungseinheit 166 berechnet, und die DIC bestimmt die Messentfernung Z zur Oberflächenposition 190 anhand einer Entfernungskalibrierungsreferenztabelle oder dergleichen, die im Speicherabschnitt 168 gespeichert ist, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 4 detaillierter beschrieben werden soll. Die Entfernungskoordinate kann durch verschiedene, im Folgenden beschriebene Verfahren bestimmt werden (z. B. durch Bestimmen des Zentroids von Profildaten in einem Spitzenbereich der Profildaten). Wenn die Entfernungskoordinate im Zuge von Kalibrierungsvorgängen bestimmt wird, kann sie als Kalibrierungsentfernungskoordinate bezeichnet werden, und wenn sie im Zuge von Werkstückoberflächenmessvorgängen bestimmt wird, kann sie als Messentfernungskoordinate bezeichnet werden. Die Profildaten, die zum Bestimmen der Subpixel-Entfernungskoordinate benutzt werden, werden im Folgenden detaillierter beschrieben. 1 weist als Bezugsrahmen orthogonale XYZ-Koordinatenachsen auf. Die Z-Richtung ist als parallel zur optischen Achse oder Entfernungsmessachse des optischen Stifts 120 definiert. Wie in 1 gezeigt, wird das Werkstück 170 während des Betriebs entlang der optischen Achse OA des optischen Stifts 120 angeordnet. Bei einer Ausführungsform wird das Werkstück 170 auf einem Verschiebegestell 175 ausgerichtet und angeordnet, das vorteilhaft derart ausgerichtet werden kann, dass es unter Einschränkung durch Führungslager 175b in der X-Achsenrichtung verschoben wird, wobei seine Oberfläche 175A nominell parallel zur XY-Ebene ist. Andere beispielhafte Merkmale und Betriebsvorgänge des chromatischen Punktsensors 100 sollen im Folgenden detaillierter beschrieben werden.
Die folgende Beschreibung von 2 umreißt bestimmte bekannte Hintergrundsignalverarbeitungs- und/oder -kalibrierungsvorgänge, die bei bestimmten Ausführungsformen in Kombination mit dieser Erfindung benutzt werden können. Die Beschreibung soll betonen, dass die an späterer Stelle offenbarten erfindungsgemäßen Verfahren sich von diesen Betriebsvorgängen unterscheiden, aber mit ihnen kompatibel sind. 2 ist ein Schema 200 von Profildaten eines chromatischen Punktsensors, das Spannungs-Offset-Signalpegel Voffset(p) für die Pixel in einem Detektorarray 163 darstellt, wenn keine Messoberfläche vorhanden ist (z. B. die Oberflächenposition 190 des Werkstücks 170 aus 1 nicht vorhanden ist), so dass kein mit Absicht reflektiertes Licht und keine signifikante dominante Wellenlängenspitze in dem resultierenden Intensitätsprofil vorliegt. Wie in 2 gezeigt, wird das Spannungs-Offset-Signal Voffset(p) in normierten Volt für jeweils 1.024 Pixel dargestellt. „Normierte Volt” weisen der Sättigungsspannung des Detektorarrays 163 einen Wert von 1,0 zu. Das Spannungs-Offset-Signal Voffset(p) weist einen Vorspannungssignalpegel Vbias auf, der in der Darstellung im Array nicht variiert, und eine Hintergrundsignalkomponente Vback(p), die in der Darstellung im Array von der Pixelkoordinate p abhängig ist. Das variable Hintergrundsignal Vback(p) stellt Signale wie etwa Hintergrundlicht von wellenlängenabhängigen zufälligen Reflexionen und dergleichen im chromatischen Punktsensor dar, ebenso wie solche, die auf den Dunkelstrom der verschiedenen Pixel p zurückgehen. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist es vorteilhaft, wenn die Signalkomponenten Vback(p) (oder Signale, die die gleiche Variation aufweisen, etwa die Spannungs-Offset-Signale Voffset(p)) zur Kalibrierung oder Kompensation des Pixelarrays des Detektorarrays 163 gespeichert werden und dazu benutzt werden, fortlaufend alle nachfolgenden Profildatensignale von den einzelnen Pixeln p (z. B. durch Subtrahieren) zu kompensieren. Daher versteht es sich, dass davon ausgegangen wird, dass die Hintergrundsignalkomponente Vback(p) bei verschiedenen Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung auf bekannte Weise kompensiert wird und es nicht notwendig ist, sie weiter ausdrücklich in Bezug auf die verschiedenen Intensitätsprofile oder erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorgänge oder dergleichen zu betrachten und zu beschreiben, die im Folgenden beschrieben werden.
Im Gegensatz zur Hintergrundsignalkomponente Vback(p), die im Zeitverlauf relativ stabil sein kann, kann sich der koordinatenunabhängige Vorspannungssignalpegel Vbias aufgrund von Spannungsdrifts im Zusammenhang mit Veränderungen der Umgebungstemperatur und während des Betriebs vom Elektronikabschnitt 160 erzeugter Wärme ändern.
Die folgende Beschreibung von 3 und 4 umreißt bestimmte Signalverarbeitungsvorgänge, die Entfernungskoordinaten auf Grundlage eines Entfernungsteilsatzes der Profildaten bestimmen, der dynamisch zum Kompensieren von Veränderungen des gleichzeitigen Vorspannungssignalpegels Vbias angepasst wird, was zu besser wiederholbaren Entfernungsmessungen führt. Die hier erörterten Vorgänge werden im Patent '456 detaillierter beschrieben. Diese Beschreibung soll Hintergrundinformationen liefern, die für ein Gesamtverständnis des Entfernungsmessvorgangs des chromatischen Punktsensors nützlich sind, und soll betonen, dass die im Folgenden offenbarten erfindungsgemäßen Verfahren sich von diesen Vorgängen unterscheiden, aber mit ihnen kompatibel sind.
3 ist ein Schema 300 von Profildaten 310 (Profilsignalmessdaten) eines CPS-Detektors (z. B. des Detektors 162), wie sie während eines CPS-Messvorgangs entweder im Zuge bestimmter Kalibrierungsvorgänge des optischen Stifts oder des Systems insgesamt oder im Zuge eines regulären Messvorgangs erlangt werden. Die Profildaten 310 können auch als Profilsignale MS(p) bezeichnet werden, wobei MS(p) der Signalpegel (gezeigt in normierten Volt) im Zusammenhang mit den einzelnen Pixeln p eines Detektorarrays (z. B. des Detektorarrays 163) ist. Die Kurve 300 aus 3 wird erstellt, indem eine Zieloberfläche in einiger Entfernung an der optischen Achse OA des optischen Stifts 120 positioniert wird, wodurch die entsprechenden Messprofildaten 310 mit dem in 3 gezeigten dominanten Wellenlängenspitzenbereich erzeugt werden. 3 zeigt einen Vorspannungssignalpegel MVbias (in normierten Volt), eine Spitzenpixelkoordinate ppc, eine Spitzenpositionsindexkoordinate ppic und einen Datenschwellenwert MVthreshold, der die Untergrenze eines Entfernungsteilsatzes der Daten im Spitzenbereich definiert. Alle „MV”-Werte sind in normierten Volt angegeben. 3 zeigt auch eine Entfernungskoordinate (DIC), die auf Grundlage des Entfernungsteilsatzes der Daten in dem spektralen Kalibrierungsspitzenbereich bestimmt wird. Wie in der Anmeldung '214 beschrieben, kann es sich bei einigen Ausführungsformen bei MVthreshhold um einen indexspezifischen Schwellenwert MVthreshhold(ppic) handeln.
Kurz beschrieben können Messvorgänge zum Bestimmen einer Entfernungskoordinate (z. B. einer Entfernungskoordinate DIC, wie sie in Bezug auf die Profildaten 310 beschrieben wurde), Folgendes einschließen:

• Positionieren der Zieloberfläche entlang der optischen Achse OA und Erfassen der Profildaten 310.
• Bestimmen der Spitzenpixelkoordinate (also des Pixels mit dem höchsten Signal).
• Bestimmen der Spitzenpositionsindexkoordinate ppic, die der Index zum Speichern und Abrufen von Kalibrierungsdaten (z. B. indexspezifischen Schwellenwertkalibrierungsdaten) ist. Sie kann bei einigen Ausführungsformen die gleichen wie die Spitzenpixelkoordinate sein.
• Bestimmen des Messungsvorspannungssignalpegels MVbias.
• Bestimmen des Datenschwellenwerts MVthreshhold (z. B. als Prozentsatz der Spitzenhöhe oder auf Grundlage von indexspezifischen Schwellenwertkalibrierungsdaten, die der aktuellen Spitzenpositionsindexkoordinate ppic entsprechen).
• Bestimmen der Entfernungskoordinate (DIC) mit Subpixelauflösung auf Grundlage des Entfernungsteilsatzes von Daten, die in dem Messspitzenbereich einen Wert aufweist, der größer als MVthreshhold ist.
• Für eine Entfernungskalibrierungsmessung, unabhängiges Bestimmen der entsprechenden Entfernung zur Zieloberfläche mit einer gewünschten Genauigkeit (z. B. mittels Interferometer), und Bestimmen eines Entfernungskalibrierungsdatenpunkts in einer Entfernungskalibrierungsstabelle oder -kurve (z. B. einer Entfernungskalibrierungsstabelle oder -kurve, wie sie etwa durch die Entfernungskalibrierungsdaten 410 aus 4 darstellt wird).
• Für eine normale Werkstückentfernungsmessung, Bestimmen der Messentfernung durch Korrelieren der Messung DIC mit einer entsprechenden Entfernung in den gespeicherten Entfernungskalibrierungsdaten (z. B. einer Entfernungskalibrierungsstabelle oder -kurve, wie sie etwa durch die Entfernungskalibrierungsdaten 410 aus 4 darstellt wird).

In den vorstehenden Vorgängen kann die Entfernungskoordinate DIC auf Grundlage des Entfernungsteilsatzes von Daten über MVthreshhold mit Subpixelauflösung bestimmt werden. Eine Messung DIC kann anhand einer Anzahl verschiedener Verfahren bestimmt werden. Bei einer Ausführungsform kann eine Messung DIC als die Subpixelauflösungskoordinate eines Zentroids X_C des Entfernungsdatenteilsatzes bestimmt werden. Für einen Detektor mit 1024 Pixeln etwa kann der Zentroid X_C wie folgt bestimmt werden:
In einem spezifischen Beispiel n = 2 in GLEICHUNG 1. Es versteht sich, dass GLEICHUNG 2 die bei der Zentroidberechnung verwendeten Daten auf einen Entfernungsteilsatz von Daten beschränkt. Wenn die Entfernungskoordinate DIC im Zuge von Kalibrierungsvorgängen bestimmt wird, kann sie als Kalibrierungsentfernungskoordinate sowie als Messentfernungskoordinate bezeichnet werden.
4 ist ein Schema 400 von Entfernungskalibrierungsdaten 410 von einer CPS-Messung, die bekannte oder kalibrierten Messentfernungen ZOUT (in Mikrometern) an der vertikalen Achse zu Entfernungskoordinaten (in Pixeleinheiten) an der horizontalen Achse für den chromatischen Punktsensor 100 oder dergleichen in Beziehung setzen. Das Beispiel aus 4 gilt für einen optischen Stift mit einem festgelegten Messbereich MR von 300 Mikrometern, der Kalibrierungsentfernungskoordinaten im Bereich von etwa 150–490 Pixeln entspricht. Allerdings kann der chromatische Punktsensor 100 bei Bedarf auch über einen größeren Pixelbereich des Detektorarrays 163 kalibriert werden. Die Referenz- oder „Null”-Entfernung ZOUT ist in gewissem Umfang beliebig und kann auf eine gewünschte Referenzentfernung relativ zum optischen Stift 120 eingestellt werden. Obwohl die Entfernungskalibrierungsdaten 410 scheinbar eine gleichmäßige Kurve bilden, versteht es sich, dass die Entfernungskalibrierung 410 für ein typisches CPS-System des Stands der Technik, insbesondere für wirtschaftliche CPS-Systeme, über kurze Strecken Fehler oder Unregelmäßigkeiten aufweisen kann.
Bei einigen Ausführungsformen können die Entfernungskalibrierungsdaten 410 von einer CPS-Messung, wie oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, bestimmt und/oder benutzt werden. Es soll kurz ein beispielhaftes Laborkalibrierungsverfahren erörtert werden, um die CPS-Entfernungskalibrierungsdaten 410 weiter zu verdeutlichen. Kurz gesagt kann ein Spiegel eine Kalibrierungsoberfläche (z. B. anstelle der Oberfläche 190 aus 1) an der optischen Achse OA des optischen CPS-Stifts bereitstellen. Der Versatz des Spiegels kann etwa in Schritten von 0,1 oder 0,2 Mikrometern gesteuert werden. Für jeden Schritt wird die tatsächliche Spiegelposition oder der Spiegelversatz mithilfe eines Referenzstandards wie etwa eines Interferometers ermittelt. Für jede tatsächliche Spiegelposition wird die entsprechende Kalibrierungsentfernungskoordinate (DIC) des chromatischen Punktsensors auf Grundlage der Intensitätsprofildaten bestimmt, die vom CPS-Detektor bereitgestellt werden (wie z. B. zuvor erörtert). Die Kalibrierungsentfernungskoordinate und die entsprechende tatsächliche Position werden dann aufgezeichnet, um die Kalibrierungsdaten 410 bereitzustellen.
Um später während der Messvorgänge eine Entfernungsmessung für eine Werkstückoberfläche (z. B. die Oberfläche 190 aus 1) bereitzustellen, wird die Werkstückoberfläche an der optischen Achse OA des optischen CPS-Stifts positioniert. Die Messentfernungskoordinate des chromatischen Punktsensors wird auf Grundlage der Messentfernungskoordinate bestimmt, die anhand der Intensitätsprofildaten vom CPS-Detektor bestimmt wird. Sodann werden die Entfernungskalibrierungsdaten 410 dazu benutzt, die CPS-Messentfernung ZOUT zu bestimmen, die der spezifischen Messentfernungskoordinate entspricht.
Wie im Patent '456 offenbart, weist die Form der Spitzenbereichssignale des CPS-Messprofils in Abwesenheit der Kompensationsverfahren, die das Patent '456 lehrt, allgemein eine Art von Verzerrung auf, die für eine bestimmte Lichtquelle oder einen Wellenlängendetektor oder beide (das Quellen- und Detektorsubsystem) einzigartig ist, wie im Folgenden detaillierter erläutert wird. Wenn diese einzigartige Formverzerrung nicht kompensiert wird, ist die Bestimmung Spitzenposition für den Profilspitzenbereich bei unterschiedlichen CPS-Systemen und/oder möglicherweise bei diversen Messentfernungen innerhalb eines jeweiligen CPS-Systems uneinheitlich oder fehlerhaft. Das Patent '456 lehrt, dass Verzerrungen entfernende Fehlerkompensationsfaktoren für das Quellen- und Detektorsubsystem vor der Bestimmung der Entfernungskoordinate mit Subpixelauflösung, die die Spitzenposition der Spitzenbereichssignale des Messprofils angibt, auf Spitzenbereichssignale des Messprofils angewandt werden können. Das Patent '456 lehrt auch, dass in verschiedenen Ausführungsformen die CPS-Entfernungskoordinaten, die in den CPS-Entfernungskalibrierungsdaten verwendet werden, auf fehlerkompensierten Profilsignalmessdaten beruhen können, die in Bezug auf Auswirkungen des Quellen- und Detektorsubsystems einer Fehlerkompensation unterzogen werden. Wie beispielsweise im Patent '456 gelehrt wird, kann das zur Kalibrierung verwendete System fehlerkompensierte Messprofilsignale bereitstellen, die auf Grundlage von Quellen- und Detektor-Fehlerkompensationsfaktoren beruhen, die relativ zu einem standardisierten oder Referenzsatz von Profilsignaldaten bestimmen werden. Wenn derselbe optische Stift zu einem späteren Zeitpunkt und/oder mit einem anderen Quellen- und Detektorsubsystem benutzt wird, kann das Quellen- und Detektorsubsystem fehlerkompensierte Profilsignalmessdaten auf Grundlage von Fehlerkompensationsfaktoren bereitstellen, die für das Quellen- und Detektorsubsystem relativ zu demselben standardisierten Satz oder Referenzsatz von Profilsignaldaten bestimmt wurden, derart, dass die CPS-Entfernungskalibrierungsdaten für dieses Quellen- und Detektorsubsystem gültig sind.
5 und 6A und 6B veranschaulichen eine Art von Quellen- und Detektorsubsystemkompensation, die vom Patent '456 gelehrt wird. Die unten erörterten Punkte ähneln denen, die im Zusammenhang mit ähnlichen Figuren im Patent '456 beschrieben werden, welche die folgenden Erläuterungen ergänzend verdeutlichen können. In den nachfolgenden Gleichungen bezeichnet „Z” eine tatsächliche Messentfernung zu einer Werkstückoberfläche, sofern nicht durch Erklärung oder Kontext anders angegeben. „ZOUT” bezeichnet die Entfernungsmessung, die vom CPS auf Grundlage einer bestimmten Entfernungskoordinate DIC ausgegeben wird, welche wiederum von den entsprechenden Profilsignalen MSp abhängt, wie zuvor unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben wurde. Es versteht sich, dass das CPS für jede Messentfernung Z einen eindeutigen Satz dieser Signale bereitstellt, die von Z abhängen. Daher bezeichnen wir einen solchen Satz von Profilsignalen als MSp(Z), der eine entsprechende Entfernungskoordinate DIC(Z) erzeugt (z. B. unter Bestimmung anhand der GLEICHUNGEN 1 und 2), was eine entsprechende CPS-Messausgabe ZOUT(Z) erzeugt. Anhand dieser Konventionen besagt die vorstehende Erläuterung, dass die DIC(Z), die mit einer Entfernung Z in Zusammenhang steht, von der Gesamtform oder dem Gesamtprofil der Spitzenbereich der entsprechenden Messprofildaten MSp(Z) abhängt. Wir stellen außerdem MSp-Hochstellungen vor, die im Folgenden verwendet werden sollen, nämlich die Hochstellungen RAW (mit der Bedeutung „nicht in Bezug auf die aktuellen Messbedingungen kompensiert”), COMP (mit der Bedeutung „kompensiert”), REF (mit der Bedeutung „Referenz- oder Kalibrierungsbedingung”) und PEN (mit der Bedeutung „erzeugt vom optischen Stift 120 auf Grundlage eines festgelegten oder standardisierten Quellenintensitätsspektrums”).
Anhand dieser Konventionen stellen wir den folgenden Ausdruck vor: MS RAW / P(Z) = SI RAW / P·KPEN_P(Z)·DG RAW / P (Gleichung 3) wobei: SI RAW / P die relativen oder normiertenIntensitäten der Wellenlängen beschreibt, die im Breitbandlicht einer CPS-Lichtquelle enthalten sind, entsprechend der Verteilung der Wellenlängen an den einzelnen Pixeln P eines festgelegten oder standardisierten Wellenlängendetektors. KPEN_P(Z) die relative oder normierte Übertragung (oder Attenuation) der Wellenlängen beschreibt, die in einem Satz von Messprofildaten enthalten sind, die für eine Messentfernung Z von einem CPS-Stift in einen CPS-Wellenlängendetektor eingegeben werden, entsprechend der Verteilung der Wellenlängen an den einzelnen Pixeln P eines festgelegten oder standardisierten Wellenlängendetektors. KPEN_P(Z) kann als eine entfernungsabhängige Transferfunktion des CPS-Stiftes für die einzelnen Wellenlängen (oder ihre entsprechenden Detektorpixel) betrachtet werden. DGP RAW / P beschreibt die relative oder normierte Signalverstärkung im Zusammenhang mit den einzelnen Pixeln eines Wellenlängendetektors. Auf diese Weise gibt GLEICHUNG 3 ungefähr an, dass für eine jeweilige Messentfernung Z das Wellenlängendetektorrohsignal MS RAW / P (Z) an einem jeweiligen Pixel P gleich der Rohintensität SI RAW / P ist, die auf den Wellenlängen, die Pixel P erreichen, in den CPS-Stift eingegeben wird, mal der entfernungsabhängigen Transferfunktion des CPS-Stifts KPEN_P(Z) für die Wellenlängen, die Pixel P bei der Entfernung Z erreichen, mal der Signalverstärkung DG RAW / P für Pixel P.
Als kurze Erläuterung einer Art von Quellen- und Detektorsubsystemkompensation, wie das Patent '456 sie lehrt, ist 5 ein Schema einer Kurve 500, die ein Rohintensitätsprofilsignal 520 für ein CPS-Quellen- und Detektorsubsystem darstellt, das eine Langstreckensignalvariationskomponente 530 aufweist, die der CPS-Lichtquelle zugeschrieben werden kann, und andere Langstreckenvariationskomponenten des Durchsatzes des CPS-Systems, etwa die Detektorwellenlängenempfindlichkeit. Es versteht sich, dass die Langstreckenvariationskomponenten 530 nicht einzeln vom Wellenlängendetektor 162 detektiert werden, sondern bei einigen Ausführungsformen annähernd einer geglätteten und/oder Standardform eines Quellen- und Detektorintensitätsprofils entsprechen können und zu Zwecken dieser Offenbarung eine praktische Referenz bereitstellen. Repräsentative ideale Profilsignalmessdaten 510, die einer Messentfernungskoordinate 510-DIC entsprechen, werden ebenfalls gezeigt. Das Rohintensitätsprofilsignal 520 kann auch unter Umgehung eines optischen Stifts ermittelt werden, wie im Patent '456 gelehrt wird, und ist damit eine Instanz eines entfernungsunabhängigen Spektralprofils, das nur eine entfernungsunabhängige Profilkomponente enthält. Das Rohintensitätsprofilsignal 520 kann beispielsweise unter Verwendung einer der Konfigurationen ermittelt werden, die im Patent '456 erörtert werden, wobei eine Lichtwellenleiterschleife (die z. B. CONNECTOR-F in 1 entspricht) angebracht ist, die ein Quelllicht von einem Anschluss (der z. B. CONNECTOR-E in 1 entspricht) einspeist und durch den Anschluss zurück zum Quellen- und Detektorsubsystem 161 leitet. Wir können das Rohintensitätsprofilsignal 520 als einen Satz Signale SDSS RAW / P definieren, die das Quellen- und Detektorsubsystem 161 ungefähr wie folgt charakterisieren: SDSS RAW / P = SI RAW / P·DG RAW / P (Gleichung 4)
Zur künftigen Bezugnahme können wir GLEICHUNG 4 in GLEICHUNG 3 einsetzen werden; dies ergibt: MS RAW / P(Z) = SDSS RAW / P·KPEN_P(Z) (Gleichung 5)
Das Rohintensitätsprofilsignal 520, die Quellen- und Detektorvariationen, die in den Quellen- und Detektortermen SI RAW / P und DG RAW / P und SDSS RAW / P in den GLEICHUNGEN 4 und 5 reflektiert werden, können zu Fehlern beim Bestimmen von Entfernungskoordinaten führen, wie unten unter Bezugnahme auf 6A–6B erörtert.
Die idealen Profilsignalmessdaten 510 entsprechen einem Referenz- oder standardisierten Intensitätsprofil mal dem Term KPEN_P(Z). Der Term KPEN_P(Z) in den GLEICHUNGEN 5 und 3 kann als eine entfernungsabhängige Transferfunktion eines optischen Stifts (z. B., des optischen Stifts 120) für die einzelnen Wellenlängen (oder ihre entsprechenden Detektorpixel) betrachtet werden, wie zuvor angegeben. Es ist zu betonen, dass die idealen Profilsignalmessdaten 510 und die entsprechende Messentfernungskoordinate 510-DIC nicht im Signal 520 enthalten sind. Stattdessen werden sie in 6 nur angegeben, um eine Erklärung eines Segments 550 des Graphen 500 zu ergänzen. Die auf dem Segment 550 beruhende Erklärung soll im Folgenden unter Bezugnahme auf 6A und 6B fortgesetzt werden.
6A und 6B sind Schemata 600A und 600B, die das Segment 550 der Kurve aus 5, einschließlich des Rohintensitätsprofilsignals 520 für ein CPS-Quellen- und Detektorsubsystem, sowie die repräsentativen idealen Profilsignalmessdaten 510 und ihre entsprechenden idealen Entfernungskoordinate 510-DIC enthalten, wie zuvor beschrieben. 6A und 6B enthalten auch ein Referenzprofilsignal 640, das einen standardisierten oder Referenzsatz von Profilsignaldaten darstellt, der zur Kalibrierung gemäß der Lehre des Patents '456 und wie oben erörtert benutzt wird (z. B. entsprechend einem tatsächlichen oder kompensierten Intensitätsprofilsignal, das zum Ermitteln der Entfernungskalibrierungsdaten 410 aus 4 benutzt wird). Bei einigen Ausführungsformen kann das Referenzprofilsignal 640 ungefähr gleich wie die Signalvariationskomponente 530 aus 5 sein, oder ein tatsächliches Profil sein (wie z. B. in GLEICHUNG 4 dargestellt), das zur Kalibrierung benutzt wird. Allerdings kann es allgemein alternativ dazu ein ideales oder standardisiertes Profil (z. B. ein flaches Profil) sein. Wie zuvor angegeben entspricht das Rohintensitätsprofilsignal 520 einem Satz von Signalen SDSS RAW / P , die das Quellen- und Detektorsubsystem 161 charakterisieren, und die idealen Profilsignalmessdaten 510 entsprechen einem Referenz- oder standardisierten Intensitätsprofil mal dem Term KPEN_P(Z), der als eine entfernungsabhängige Transferfunktion eines CPS-Stifts (z. B. des optischen Stifts 120) betrachtet werden kann, für die Wellenlänge(n) an den einzelnen Detektorpixeln P. GLEICHUNG 5 beschreibt einen Satz von Profilsignalrohmessdaten MS RAW / P (Z), die das Produkt eines Roh- oder nicht standardisierten Intensitätsprofils, das von einem CPS-Quellen- und Detektorsubsystem 161 erzeugt wird, mal der entfernungsabhängigen Transferfunktion KPEN_P(Z) eines optischen Stifts sind, und zwar für eine Werkstückoberfläche in der Entfernung Z vom optischen Stift. Dies entspricht den Rohmessdaten des Profilsignals 510A in 6A. Wie in 6A gezeigt, verursachen die wellenlängenabhängigen Variationen in einem jeweiligen Quellen- und Detektorsubsystem 161 (die im Signal 520 reflektiert werden) entsprechende einzigartige Unregelmäßigkeiten und Asymmetrie in der Form des Spitzenbereichs der Rohmessdaten des Profilsignals 510A und verzerren sie auf eine einzigartige Weise relativ zur Spitzenbereich der idealen Profilsignalmessdaten 510, die einem Referenz- oder standardisierten Intensitätsprofil mal dem entfernungsabhängige Transferfunktionsterm KPEN_P(Z) eines optischen Stifts entsprechen. Natürlich wird eine Entfernungskoordinate 510A-DIC, die für die einzigartig verzerrten Profilsignalrohmessdaten 510A bestimmt wird, für das Quellen- und Detektorsubsystem spezifisch sein und wird nicht mit der Entfernungskoordinate 510-DIC übereinstimmen, die den nicht verzerrten idealen Profilsignalmessdaten 510 entspricht. Beispielsweise ist zu beachten, dass eine relativ geringe Verschiebung der Position der Profilsignalmessdaten 510 (z. B. eine Verschiebung um 20 Pixel nach links in 5, 6A und 6B), die einer relativ geringen Veränderung von Z entspricht, die Form der Profilsignalrohmessdaten 510A drastisch verändern würde. Die relative Position der resultierenden Entfernungskoordinate würde sich auf diese Weise im Vergleich zu der geringfügigen Veränderung Z recht unberechenbar verändern. Im größten Teil des Stands der Technik wird ohne gute Begründung davon ausgegangen, dass der Spitzenbereich relativ schmal ist, weshalb die Bedeutung solcher Formverzerrungen und Asymmetrien daher in der Entwicklung von CPS oder der Signalverarbeitung nicht ausreichend berücksichtigt wird (z. B. wird angenommen, dass eine Spitze in der Breite von einigen Pixeln keiner besonderen Verzerrung oder Asymmetrie unterliegt, usw.).
6B zeigt die Ergebnisse eines verbesserten Signalverarbeitungsverfahrens gemäß den Lehren des Patents '456 . In 6B wurden die Variationen der Signale SDSS RAW / P , die das Quellen- und Detektorsubsystem 161 charakterisieren, in Bezug auf ein Referenzprofil (wie es z. B. durch das Referenzprofilsignal 640 dargestellt wird) entfernt oder kompensiert. Unter Verwendung der zuvor definierten Benennungskonventionen entspricht das Referenzprofilsignal 640 einem Satz von Signalen SDSS REF / P , und die kompensierten Profilsignalmessdaten 510E entsprechen einem Satz von Signalen MS COMP / P (Z): MS COMP / P(Z) = SDSS REF / P·KPEN_P(Z) (Gleichung 6)
Wie in 6B gezeigt, stimmt der Spitzenbereich der kompensierten Profilsignalmessdaten 510B, die dem Satz von Signalen MS COMP / P (Z) entsprechen, nominell mit den idealen Profilsignalmessdaten 510 überein, da das Profil, das den Satz von Signalen SDSS REF / P umfasst, nominell mit dem Referenzprofilsignal 640 übereinstimmt. Die Entfernungskoordinate 510B-DIC, die den kompensierten Profilsignalmessdaten 510E entspricht, stimmt deshalb eher mit der Entfernungskoordinate 510-DIC überein, die den idealen Profilsignalmessdaten 510 entspricht.
Zur künftigen Bezugnahme definieren wir einen Satz von Kompensationsfaktoren KCOMP_P, die auf diesen Signalen beruhen können:
Das heißt, da das Profil oder der Satz von Signalen SDSS REF / P bekannt ist, da sie den Referenzsatz bilden (wie er z. B. zur Entfernungskalibrierung benutzt wird) und das Profil oder der Satz von Rohsignalen SDSS RAW / P bekannt sein kann, da sie gemäß den Lehren des Patents '456 und/oder wie hier offenbart gemessen werden können, kann ein Satz von Kompensationsfaktoren KCOMP_P bestimmt werden, der die Rohmesssignalwerte MS RAW / P (Z) in kompensierte Messsignalwerte MS COMP / P (Z) umwandelt, um eine Übereinstimmung mit Entfernungskalibrierungsdaten (z. B. den Entfernungskalibrierungsdaten 410) zu erreichen, wie unten gezeigt.
Anhand der Beziehung aus GLEICHUNG 7 können wir GLEICHUNG 6 wie folgt umschreiben: MS COMP / P(Z) = KCOMP_P·(SDSS RAW / P·KPEN_P(Z)) (Gleichung 8)
In Kombination der GLEICHUNGEN 8 und 5: MS COMP / P(Z) = KCOMP_P·MS RAW / P(Z) (Gleichung 9)
Wie zuvor angegeben, zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, Kompensationsdaten zum Kompensieren von Fehlern im Zusammenhang mit Variationen des spektralen Reflexionsvermögens von Material (und bei einigen Ausführungsformen Fehlern im Zusammenhang mit anderen entfernungsunabhängigen Profilkomponenten) zu verwenden. Bei einigen Ausführungsformen wird das CPS-System auch dazu benutzt, bestimmte Ausgabeprofildaten bereitzustellen und die Daten zu analysieren, um werkstückspezifische Kompensationsdaten zum Kompensieren von Fehlern im Zusammenhang mit Variationen des spektralen Reflexionsvermögens von Material usw. zu bestimmen, wie im Folgenden detaillierter erörtert werden soll. Das Patent '456 und/oder die vorstehenden GLEICHUNGEN berücksichtigen keine Fehler im Zusammenhang mit Variationen des spektralen Reflexionsvermögens von Material. Die Quelle solcher Fehler lässt sich unter Bezugnahme auf 7 nachvollziehen.
7 ist ein Schema einer Kurve 700, die das spektrale Reflexionsvermögen verschiedener Arten von Werkstückmaterialien darstellt, das auf einigen Wellenlängen je nach Materialzusammensetzung, Einfallswinkel und Oberflächeneigenschaften stark variieren kann. 7 zeigt eine spektrale Reflexionskurve eines Aluminiumspiegels 710, eine spektrale Reflexionskurve eines Goldspiegels 720 und eine spektrale Reflexionskurve eines Silberspiegels 730. Alle spektralen Reflexionskurven wurden bei normalen Einfallswinkeln gemessen. Wie dargestellt, ist das Reflexionsvermögen der Materialien wellenlängenabhängig. Als ein konkretes Beispiel verändert sich das Reflexionsvermögen von Gold von 60% auf 95%, wenn sich die Wellenlänge von 500 nm auf 600 nm verändert, was im Allgemeinen innerhalb des Messbereichs eines CPS-Wellenlängendetektors liegt. Es versteht sich, dass derartige Faktoren bei bestimmten Anwendungen besonders relevant sind (so findet z. B. Gold breiten Einsatz in der Elektronik- und/oder Halbleiterindustrie, wo Präzisionsmessungen erforderlich sind). Es ist auch zu beachten, dass die spektrale Reflexionskurve des Aluminiumspiegels 710 relativ flach ist, weshalb sie bei bestimmten Ausführungsformen für Kalibrierungsvorgänge geeignet ist. Andere Materialarten können ein komplexeres und schlechter vorhersagbares spektrales Reflexionsvermögen aufweisen (z. B. lackierte Flächen, Dünnfilme, dielektrische Materialien, Kunststoffe usw.). Es versteht sich, dass Variationen des spektralen Reflexionsvermögens von Materialien, wie sie oben erörtert wurden, bewirken, dass unterschiedliche Materialien unterschiedliche Verzerrungen in ihren resultierenden Rohintensitätsprofilsignalen erzeugen (z. B. ähnlich den zuvor unter Bezugnahmen auf 6A erörterten Verzerrungen), was zu einem Fehler von Wellenlängenspitzenposition und DIC in Bezug auf die Kalibrierungsbedingungen des CPS-Systems führt.
Die Offenbarung des Patents '456 erwähnt keine Fehler, die auf Variationen des spektralen Materialreflexionsvermögens zurückgehen, und lehrt auch keine Konfiguration, die zum Kompensieren solcher Fehler verwendbar ist. Um diese Fehler zu beschreiben und zu berücksichtigen, können wir die oben genannten Gleichungen modifizieren. Insbesondere können wir GLEICHUNG 4 so auslegen, dass sie entfernungsunabhängige Profil- oder Spektralformdeterminanten oder -komponenten darstellt (z. B. wird in GLEICHUNG 4 die auf das Lichtquellenspektrum zurückgehende Profilkomponente durch den Term SI RAW / P dargestellt, und die auf die Detektorverstärkung zurückgehende Profilkomponente wird durch den Term DG RAW / P dargestellt). Das heißt, im Gegensatz zum entfernungsabhängigen Profilkomponententerm KPEN_P(Z), der durch einen optischen Stift bestimmt oder geliefert wird, hängen die Terme von GLEICHUNG 4 nicht von der Messentfernung zum Werkstück ab. Variationen des spektralen Reflexionsvermögens von Material können als eine weitere entfernungsunabhängige Profilkomponente oder Spektralformdeterminante betrachtet werden. Daher können wir GLEICHUNG 4 so modifizieren, dass sie Variationen des spektralen Reflexionsvermögens einer Werkstückoberfläche (und/oder einer Kalibrierungsoberfläche) berücksichtigt, und zwar: SDSS(MAT) RAW / P = SI RAW / P·DG RAW / P·MWF(MAT)_P (Gleichung 10) wobei die Signale SDSS(MAT) RAW / P das entfernungsunabhängige Rohintensitätsprofil im Zusammenhang mit einem Quellen- und Detektorsubsystem 161 charakterisieren, das in Kombination mit einer jeweiligen Werkstückoberfläche (oder einer Kalibrierungsoberfläche) benutzt wird, die ein Material MAT (z. B. Aluminium, Gold usw.) umfasst. Es versteht sich, dass die Materialwellenlängenfaktoren MWF(MAT)_P Faktoren (z. B., normierte Faktoren) sind, die das relative Reflexionsvermögen des Materials (wie z. B. in 7 gezeigt) auf Wellenlängen charakterisieren, die den Detektorpixeln P entsprechen. Basierend auf der vorstehenden Erläuterung versteht es sich, dass die entsprechende Modifikation von GLEICHUNG 5 zum Angeben der Materialauswirkungen der Werkstückoberfläche wie folgt lautet: MS(MAT) RAW / P(Z) = SDSS(MAT) RAW / P·KPEN_P(Z) (Gleichung 11) und die entsprechende Modifikation von GLEICHUNG 7 zum Angeben der Materialauswirkungen der Werkstückoberfläche wie folgt lautet:
Anhand der Beziehung aus GLEICHUNG 12 können wir GLEICHUNG 6 wie folgt umschreiben: MS COMP / P(Z) = KCOMP(MAT)_P·[SDSS(MAT) RAW / P·KPEN_P(Z)] (Gleichung 13)
In Kombination der GLEICHUNGEN 11 und 13: MS COMP / P(Z) = KCOMP(MAT)_P·MS(MAT) RAW / P(Z) (Gleichung 14)
Analog zur vorstehenden Erörterung der GLEICHUNGEN 8 und 9 kann ein Satz von werkstückmaterialspezifischen, entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente KCOMP(MAT)_P bestimmt werden, der Rohmesssignalwerte MS(MAS) RAW / P (Z), die sich aus einem spezifischen Werkstückmaterial ergeben, in kompensierte Messsignalwerte MS COMP / P (Z) umwandelt, um eine Übereinstimmung mit Entfernungskalibrierungsdaten (z. B. die Entfernungskalibrierungsdaten 410) zu erreichen.
Das Patent '456 lehrt ein Verfahren des „Umgehens” zum Charakterisieren und/oder Kompensieren der Quellen- und Detektorterme SI RAW / P und DG RAW / P , die unter Bezugnahme auf die GLEICHUNGEN 4 und 10 beschrieben wurden, befasst sich jedoch nicht mit dem materialspezifischen Term MWF(MAT)_P in GLEICHUNG 10 oder den zugehörigen materialspezifischen Auswirkungen, die in den GLEICHUNGEN 11–14 berücksichtigt werden.
Materialreflexionseigenschaften und damit zusammenhängende Fehler werden im Patent '456 ignoriert, und die „Umgehungsverfahren” der Kalibrierung und/oder Kompensation, die den optischen Stift umgehen, wie das Patent '456 lehrt, umgehen auch die Werkstückoberfläche.
Damit bietet das Patent '456 kein Verfahren zum Sammeln von Daten zum Reflexionsvermögen von Material in Bezug auf eine Werkstückoberfläche oder zum Erkennen oder Korrigieren damit zusammenhängender Fehler.
Unter der Annahme, dass bekannt ist, welches Material eine Werkstückoberfläche bildet, die zur Messung identifiziert wurde, ist ein Weg zum Bestimmen eines brauchbaren materialspezifischen Terms MWF(MAT)_P die Verwendung bekannter im Voraus festgelegter Daten, die die wellenlängenabhängigen Variationen des Reflexionsvermögens des Materials der identifizierten Werkstückoberfläche charakterisieren. Als ein Beispiel zeigt 7, wie oben erörtert, bekannte Daten zum spektralen Reflexionsvermögen als eine Funktion von Wellenlängen für unterschiedliche Arten von Werkstückmaterialien. Es sei darauf hingewiesen, dass es mittels Kalibrierung oder Auslegung möglich ist, zu wissen, welche Pixel eines Wellenlängendetektors eines CPS-Systems welchen Wellenlängen entsprechen. Daher kann ein Wert „Reflexionsgrad in Prozent”, der sich in 7 auf einer bestimmten Wellenlänge für ein Material zeigt, benutzt werden und in Bezug auf das entsprechende Pixel P gespeichert werden (z. B. im Speicherabschnitt 168), und diese Daten können für den materialspezifischen Term MWF(MAT)_P für Pixel P verwendet werden, und so weiter für jeden Pixel des Detektors für das betreffende Material. Solche Daten definieren entfernungsunabhängige Kompensationsdaten der Profilkomponente, die Daten umfassen, die dazu benutzbar sind, die Ausgabespektralprofildaten für mögliche Entfernungsmessfehler zu kompensieren, die entfernungsunabhängige Profilkomponentenfehler im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente umfassen, die einer identifizierten Werkstückoberfläche entspricht. Der werkstückspezifische Kompensationsabschnitt 167 kann diese Daten anwenden, um Fehler im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente zu kompensieren. Um materialbezogene Verzerrungen in Rohintensitätsprofilsignalen zu beseitigen, ist es bei verschiedenen Ausführungsformen wünschenswert, die Rohintensitätsprofilsignale in Bezug auf ihre entfernungsunabhängige Komponente einschließlich der Werkstückmaterialkomponente zu kompensieren, bevor die Spitzenposition und die DIC bestimmt werden, derart, dass die kompensierten Intensitätsprofilsignale Kalibrierungsbedingungen entsprechen, die zum Bestimmen der Beziehung zwischen einer DIC und ihrer entsprechenden Entfernungsmessung benutzt werden. Wie zuvor erwähnt, lehrt das Patent '456 ein „Umgehungsverfahren” zum Charakterisieren und Kompensieren der Quellen- und Detektorterme SI RAW / P und DG RAW / P . So können alle Terme auf der rechten Seite von GLEICHUNG 10 in der CPS-Systemelektronik charakterisiert und kompensiert werden, indem z. B. die oben erörterten Lehren unter Bezugnahme auf die GLEICHUNGEN 10–14 implementiert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die in 7 gezeigten Daten auf unterschiedliche Weise und nicht nur als „Reflexionsgrad in Prozent” charakterisiert werden können. Beispielsweise können die Werte für ein jeweiliges Material normiert werden, derart, dass das maximale Reflexionsvermögen einen Wert von 1 aufweist und die anderen Werte zu normierten Koeffizienten des Reflexionsvermögens als eine Funktion von Wellenlänge oder entsprechendem Pixel werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Kompensationsdaten, die durch die verschiedenen Terme MWF(MAT)_P, SI RAW / P und DG RAW / P dargestellt werden, bei einigen Ausführungsformen gespeichert und/oder separat zur Kompensation der verschiedenen Bestandteile der entfernungsunabhängigen Komponente angewandt werden können. Bei anderen Ausführungsformen können die Kompensationsdaten, die durch die verschiedenen Terme MWF(MAT)_P, SI RAW / P und DG RAW / P dargestellt werden, funktionell kombiniert und gespeichert und/oder zur Kompensation aller Bestandteile der entfernungsunabhängigen Komponente auf einmal angewandt werden (wie z. B. zuvor für die Kompensationsterme KCOMP(MAT)_P dargestellt wurde).
8 zeigt einen Weg zum Bestimmen eines Satzes von entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente KCOMP(MAT)_P, die dazu benutzt werden können, Ausgabespektralprofildaten für mögliche Entfernungsmessfehler zu kompensieren, die alle entfernungsunabhängigen Profilkomponentenfehler einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit einer Werkstückmaterialkomponente umfassen. 8 ist ein Blockschema 800, das die CPS-Elektronik 160 und verschiedene Verbindungskomponenten darstellt, die zuvor unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurden und die in Kombination mit einem nicht streuenden Aufsatz 830 benutzt werden, um einen entfernungsunabhängigen optischen Weg bereitzustellen. Das bedeutet, das im Blockschema 800 gezeigte System weist keinen optischen Stift auf und erzeugt in seinem Ausgabespektralprofil keine entfernungsabhängige Wellenlängenspitze. Durch Verwendung des nicht streuenden Aufsatzes 830, der nicht zum Fokussieren unterschiedlicher Wellenlängen in unterschiedlichen Entfernungen konfiguriert ist, weist sein Ausgabespektralprofil stattdessen nominell nur die entfernungsunabhängige Profilkomponente auf. Bei der konkreten Ausführungsform in 8 umfasst der nicht streuende Aufsatz 830 eine Gehäusebaugruppe 832, die eine angebrachte kollimierende (oder annähernd kollimierende) Linse 831 umfasst, die dazu benutzt werden kann, einen annähernd kollimierten Strahl an eine Materialoberfläche 170' auszugeben, welche ein repräsentatives Material umfasst, dessen Kompensationsdaten erlangt werden sollen. In verschiedenen Implementierungen ist das repräsentative Material entweder das Material einer identifizierten Werkstückoberfläche, die gemessen werden soll, oder ein Material, das dem Material einer identifizierten Werkstückoberfläche, die zu einem späteren Zeitpunkt gemessen werden soll, entspricht, oder dergleichen.
Im Betrieb nimmt das Material über einen optischen Weg, der einen Teil des normalen optischen Betriebswegs und den nicht streuenden Aufsatz 830 umfasst, ein Licht 890 von der CPS-Lichtquelle auf und reflektiert das Licht 890 über den optischen Weg zurück zum CPS-Wellenlängendetektor, der Ausgabespektralprofildaten bereitstellt. Diese Ausgabespektralprofildaten sind entfernungsunabhängige Ausgabespektralprofildaten, die von der CPS-Elektronik 160 (oder alternativ einem Hostsystem) analysiert werden können, um entfernungsunabhängige Kompensationsdaten der Profilkomponente zu bestimmen. Für die Konfiguration in 8 sind die entfernungsunabhängigen Profilkomponenten, die von den Termen SI RAWP und DG RAW / P dargestellt werden, sowie die Werkstückmaterialkomponente, die vom Term MWF(MAT)_P dargestellt wird, allesamt gleichzeitig im entfernungsunabhängigen Ausgabeprofil vorhanden. Daher sind die entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente dazu benutzbar, alle diese Terme zusammen zu kompensieren, einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit dem Reflexionsvermögen eines Werkstückmaterials, das dem repräsentativen Material ähnlich ist. Da bezüglich der Analyse der Kompensationsdaten hinsichtlich der zuvor beschriebenen GLEICHUNGEN das Profil oder der Satz von Signalen SDSS REF / P bekannt ist, da sie bzw. er den Referenzsatz darstellen (der z. B. zur Entfernungskalibrierung benutzt wird), und das Profil oder der Satz von Signalen SDSS(MAT) RAW / P bekannt sein kann, da es bzw. er wie hier beschrieben gemessen werden können, kann ein Satz von entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente KCOMP(MAT)_P bestimmt werden, der Rohmesssignalwerte MS(MAT) RAW / P (Z) (die Ausgabespektralprofildaten bilden), die sich aus einem Werkstückmaterial ergeben, das dem repräsentativen Material ähnlich ist, in Messsignalwerte MS COMP / P (Z) umwandelt, um eine Übereinstimmung mit Entfernungskalibrierungsdaten (z. B. den Entfernungskalibrierungsdaten 410) zu erreichen.
9 zeigt eine nützliche Darstellung für die Erläuterung eines anderen Weges zum Bestimmen eines Satzes von entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente KCOMP(MAT)_P, die dazu benutzbar sind, Ausgabespektralprofildaten für mögliche Entfernungsmessfehler zu kompensieren, die alle entfernungsunabhängigen Profilkomponentenfehler einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit einer Werkstückmaterialkomponente umfassen. 9 zeigt ein Schema einer Kurve 900, die Beispiele von Spitzenbereichssignalen 910, 920, und 930 darstellt, die im Zuge eines Abtastungsvorgangs der Wellenlängenspitze erlangt wurden. Kurz ausgedrückt führt der Abtastungsvorgang eine Abtastung durch Bewegen des optischen Stifts oder der gemessenen Oberfläche in Z-Achsenrichtung (bei mehreren Messentfernungen) relativ zu einer repräsentativen Materialoberfläche durch, die gemessen wird. Während dieses Vorgangs erzeugt jede Z-Position bei einer entsprechenden Wellenlänge und/oder Pixelposition entlang der Messachse des Wellenlängendetektors eine spektrale Spitze. Es sei darauf hingewiesen, dass hinsichtlich der Spitzenwellenlänge in einer bestimmten Messentfernung aufgrund der konfokalen Anordnung des optischen Wegs genau diese Wellenlänge annähernd ideal fokussiert wird, derart, dass das optische Signal für die Spitzenwellenlänge oder das Spitzenpixel vom optischen Stift nicht räumlich gefiltert wird. Im Gegensatz zu von der Spitzenwellenlänge oder dem Spitzenpixel entfernte Wellenlängen weist sie somit keine Attenuation durch die entfernungsabhängige räumliche Filterung des optischen Stifts auf. In diesem Sinne sind die Auswirkungen des optischen Stifts, der eine „entfernungsabhängige Profilkomponente” erzeugt, auf der genauen Spitzenwellenlänge oder dem Spitzenpixel nicht vorhanden. Indem also das CPS-System zum Durchführen mehrerer Messvorgänge benutzt wird, die mehreren repräsentativen Entfernungen entsprechen, die an einem Messbereich des optischen CPS-Stifts relativ zum positionierten Material verteilt sind, können diese mehrfachen Messvorgänge entsprechende mehrere Ausgabespektralprofildaten bereitstellen, einschließlich mehrerer Wellenlängenspitze, die entlang der Messachse des CPS-Wellenlängendetektors verteilt sind, wie etwa die beispielhaften Wellenlängenspitzen 910P, 920P und 930P der Spitzenbereichssignale 910, 920 und 930. Da die einzelnen Wellenlängenspitzen nicht durch die Auswirkungen einer entfernungsabhängigen Profilkomponente abgeschwächt werden, können sie als Darstellung von Datenpunkten betrachtet werden, die an einem „zusammengefassten” entfernungsunabhängigen Spektralprofil 520' erfasst werden. Bei einer Ausführungsform kann der Signalwert an einer Wellenlängenspitze oder einem Spitzenpixel bestimmt werden, indem die Wellenlängenspitze oder das Spitzenpixel, wie oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, lokalisiert wird und der Signalwert an dieser Spitzenposition bestimmt wird. Alternativ kann bei einigen Ausführungsformen ein rekursiver Prozess benutzt werden, um die geringfügigen verbleibenden Fehler des vorstehend genannten Prozesses zu reduzieren. Es sei darauf hingewiesen, dass, obwohl zu Darstellungszwecken nur drei Wellenlängenspitzen in 9 gezeigt werden, in der Praxis im Verlauf eines Abtastungsvorgangs der Wellenlängenspitze eine größere Zahl an Wellenlängenspitzen erreicht werden kann, um eine zusammengefasste entfernungsunabhängigen Profilkomponente an einer gewünschten Anzahl von Pixeln zu charakterisieren. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die zusammengefasste entfernungsunabhängige Profilkomponente bei Bedarf durch die meisten oder alle Detektorpixel charakterisiert werden. In einer Implementierung beispielsweise kann der Abtastungsvorgang der Wellenlängenspitze das kontinuierliche Bewegen des optische Stifts und des repräsentativen Material umfassen, um viele jeweilige Entfernungen bereitzustellen, die an einem Messbereich des optischen CPS-Stifts verteilt sind, und das kontinuierliche Betreiben des CPS-Systems während der Bewegung, um viele Messvorgänge durchzuführen und an den meisten Pixelpositionen Wellenlängenspitzen bereitzustellen.
In jedem Fall können die resultierenden zusammengefassten entfernungsabhängigen Profildaten von der CPS-Elektronik 160 (oder alternativ einem Hostsystem) analysiert werden, um entfernungsunabhängige Kompensationsdaten der Profilkomponente zu bestimmen. Für die Konfiguration in 9 sind die entfernungsunabhängigen Profilkomponenten, die von den Termen SI RAW / P und DG RAW / P dargestellt werden, sowie die Werkstückmaterialkomponente, die vom Term MWF(MAT)_P dargestellt wird, allesamt gleichzeitig im zusammengefassten entfernungsunabhängigen Ausgabeprofil vorhanden. Daher sind die entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente dazu benutzbar, alle diese Terme zusammen zu kompensieren, einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit dem Reflexionsvermögen eines Werkstückmaterials, das dem repräsentativen Material ähnlich ist. Da bezüglich der Analyse der Kompensationsdaten hinsichtlich der zuvor beschriebenen GLEICHUNGEN das Profil oder der Satz von Signalen SDSS REF / P bekannt ist, da es bzw. er den Referenzsatz darstellt (der z. B. zur Entfernungskalibrierung benutzt wird), und das zusammengefasste entfernungsunabhängige Profil oder der Satz von Signalen SDSS(MAT) RAW / P (die jeweils aus einem genauen Spitzenwellenlängensignal ermittelt werden) bekannt sein kann, da es bzw. er wie oben beschrieben gemessen werden kann, kann ein Satz von entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente KCOMP(MAT)_P bestimmt werden, der Rohmesssignalwerte MS(MAT) RAW / P (Z) (die Ausgabespektralprofildaten bilden), die sich aus einem Werkstückmaterial ergeben, das dem repräsentativen Material ähnlich ist, in Messsignalwerte MS COMP / P (Z) umwandelt, um eine Übereinstimmung mit Entfernungskalibrierungsdaten (z. B. den Entfernungskalibrierungsdaten 410) zu erreichen. Der Satz von entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente KCOMP(MAT)_P charakterisiert die Differenzen zwischen der entfernungsunabhängigen Kalibrierungsprofilkomponente, die durch den Satz von Signalen SDSS REF / P dargestellt wird, und der entfernungsunabhängigen Profilkomponente, die durch das zusammengefasste entfernungsunabhängige Profil oder den Satz von Rohsignalen SDSS(MAT) RAW / P dargestellt wird, als einen Satz von Kennzahlen bei mehreren Pixelpositionen, die entlang der Messachse des CPS-Wellenlängendetektors verteilt sind. Allerdings sei darauf hingewiesen, dass bei anderen Ausführungsformen ein Satz von entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente die Differenzen zwischen der entfernungsunabhängigen Kalibrierungsprofilkomponente, die durch den Satz von Signalen SDSS REF / P dargestellt wird, und der entfernungsunabhängigen Profilkomponente, die durch das entfernungsunabhängige Profil oder den Satz von Rohsignalen SDSS(MAT) RAW / P dargestellt wird, als einen Satz von Differenzen zwischen normierten Größen der Profilkomponenten oder als eine kontinuierliche Funktion von Pixelposition oder dergleichen charakterisieren kann. Allgemeiner wird man auf Grundlage dieser Offenbarung verstehen, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, um die individuellen Termen von GLEICHUNG 10 zu charakterisieren und/oder das Referenzprofil oder den Satz von Signalen SDSS REF / P zu charakterisieren, und dass die verschiedenen entfernungsunabhängigen Profilkomponenten oder Formbeiträge bei einigen Ausführungsformen individuell, bei einigen Ausführungsformen kombiniert oder bei anderen Ausführungsformen nacheinander bestimmt und kompensiert werden können. Es sei darauf hingewiesen, dass die vorstehenden GLEICHUNGEN und Verfahren nur veranschaulichend und beispielhaft und nicht einschränkend sind.
10 ist ein Schema einer Kurve 1000, die Daten darstellt, die unter Verwendung eines Abtastungsvorgangs der Wellenlängenspitze erlangt wurden, wie sie oben erörtert wurde. Die Daten zeigen ein entfernungsunabhängiges Spektralprofil 1020, das die entfernungsunabhängige Profilkomponente im Zusammenhang mit einem Goldspiegel für einen ersten Abtastungsvorgang der Wellenlängenspitze veranschaulicht, und ein entfernungsunabhängiges Spektralprofil 1020', das die entfernungsunabhängige Profilkomponente im Zusammenhang mit einer Aluminiumoberfläche für einen zweiten Abtastungsvorgang der Wellenlängenspitze veranschaulicht. 10 zeigt auch Verhältnisdaten 1030, die das Verhältnis zwischen den Profilen 1020 und 1020' an den einzelnen Pixeln darstellen. Zu Darstellungszwecken kann der Goldspiegel bei einer Ausführungsform zum Bestimmen von Entfernungskalibrierungsdaten benutzt werden, wie es unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wurde, und das entfernungsunabhängige Spektralprofil des Goldspiegels 1020 kann als einen Satz von Kalibrierungssignalen SDSS REF / P definierend betrachtet werden, der das Quellen- und Detektorsubsystem in Kombination mit dem Goldspiegelmaterial charakterisiert. Das entfernungsunabhängige Spektralprofil 1020' der Aluminiumoberfläche kann als einen Satz von Signalen SDSS(ALUM) RAW / P definierend betrachtet werden, der dasselbe Quellen- und Detektorsubsystem in Kombination mit dem Aluminiumoberflächenmaterial charakterisiert. Die Verhältnisdaten 1030 können als ein Satz werkstückspezifischer oder materialspezifischer entfernungsunabhängiger Kompensationsdaten der Profilkomponente KCOMP(ALUM)_P definiert werden, wie es unter Bezugnahme auf GLEICHUNG 12 beschrieben wird. Versuche haben gezeigt, dass sich für ein CPS-System mit einem Messbereich von 300 Mikrometern bei einigen Messentfernungen aufgrund von Auswirkungen des Reflexionsvermögens des Materials Messfehler im Umfang von bis zu etwa 1 Mikrometer ergeben, wenn der Goldspiegel zum Erstellen von Entfernungskalibrierungsdaten verwendet wird und wenn die Ausgabespektralprofildaten von der Aluminiumoberfläche nicht anhand der Kompensationsdaten KCOMP(MAT)_P kompensiert werden. Wenn dagegen die Ausgabespektralprofildaten von der Aluminiumoberfläche mithilfe der Kompensationsdaten KCOMP(MAT)_P vor dem Umwandeln der Entfernungskoordinate in ihre kalibrierte Messentfernung kompensiert werden, werden Messfehler im gesamten Messbereich von 300 Mikrometern auf eine Höhe im Nanometerbereich (z. B. 10 Nanometer) reduziert.
11 ist ein Ablaufdiagramm, das eine beispielhafte Routine 1100 darstellt, die einen Abtastungsvorgangs der Wellenlängenspitze zum Bestimmen entfernungsunabhängiger Kompensationsdaten der Profilkomponente verwendet, die dazu benutzbar sind, Ausgabespektralprofildaten für Fehler einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit dem Reflexionsvermögen eines Werkstückmaterials zu kompensieren. Bei einigen Ausführungsformen können Verfahren für die Fehlerkompensationsfaktorbestimmung gemäß dieser Erfindung durch Betriebsvorgänge der CPS-Elektronik implementiert werden (z. B. durch Ausführen von Routinen im Speicherabschnitt 168, wie unter Steuerung durch die Signalverarbeitungseinheit 166 implementiert). Die CPS-Elektronik kann bei Bedarf ein Mittel zum Aktivieren eines Faktorbestimmungsmodus der Fehlerkompensation aufweisen, um Kompensationsdaten gemäß den Lehren zu bestimmen, die beispielsweise unter Bezugnahme auf GLEICHUNGEN 10–14 erörtert wurden, im Gegensatz zum normalen Messbetrieb des CPS. In anderen Ausführungsformen können Verfahren zur Fehlerkompensationsfaktorbestimmung gemäß dieser Erfindung durch Betriebsvorgänge eines Hostsystems (z. B., eines allgemeinen Personal Computers) implementiert werden, das an die CPS-Elektronik angeschlossen ist und damit interagiert.
Wie in 11 gezeigt, wird an einem Block 1105 ein CPS-System bereitgestellt, das Folgendes umfasst: einen optischen Stift, eine Lichtquelle, CPS-Elektronik, die einen Wellenlängendetektor umfasst und Ausgabespektralprofildaten bereitstellt, die eine entfernungsabhängige Profilkomponente mit einer Wellenlängenspitze, die eine Messentfernung vom optischen Stift zur Werkstückoberfläche angibt, und eine entfernungsunabhängigen Profilkomponente umfassen, die eine Werkstückmaterialkomponente, die Spektralprofilauswirkungen im Zusammenhang mit wellenlängenabhängigen Variationen des Reflexionsvermögens des Materials der Werkstückoberfläche entspricht, und Entfernungskalibrierungsdaten aufweist, die dazu benutzt werden, eine Entfernungskoordinate, die der Wellenlängenspitze entspricht, in eine entsprechende Entfernungsmessung umzuwandeln.
An einem Block 1110 wird ein Material wirksam relativ zum optischen CPS-Stift positioniert, wobei das positionierte Material jeweils eins ist von (a) dem Material einer identifizierten Werkstückoberfläche und (b) einem Material, das dem Material einer identifizierten Werkstückoberfläche entspricht.
An einem Block 1115 wird ein Abtastungsvorgangs der Wellenlängenspitze durchgeführt, der Folgendes umfasst: Benutzung des CPS-Systems, um mehrere Messvorgänge, die mehreren jeweiligen Entfernungen, die an einem Messbereich des optischen CPS-Stifts relativ zu dem positionierten Material entsprechen, durchzuführen, wobei die Messvorgänge entsprechende mehrere Ausgabespektralprofildaten bereitstellen, die mehrere Wellenlängenspitzen aufweisen, die entlang der Messachse des CPS-Wellenlängendetektors verteilt sind. An einem Block 1125 wird eine entfernungsunabhängige Profilkomponente im Zusammenhang mit der Messung des positionierten Materials auf Grundlage der mehreren Wellenlängenspitzen bestimmt, die entlang der Messachse des CPS-Wellenlängendetektors verteilt sind. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Vorgänge der Blöcke 1115 und 1125 auf Grundlage der Lehren durchgeführt werden, die beispielsweise unter Bezugnahme auf 9 erörtert wurden.
An einem Block 1130 werden Differenzen zwischen der entfernungsunabhängigen Profilkomponente im Zusammenhang mit der Messung des positionierten Materials und einer entfernungsunabhängigen Kalibrierungsprofilkomponente im Zusammenhang mit den Entfernungskalibrierungsdaten bestimmt, und entfernungsunabhängige Kompensationsdaten der Profilkomponente werden derart bestimmt, dass sie die bestimmten Differenzen kompensieren, wenn sie auf die Ausgabespektralprofildaten angewandt werden, die sich aus der Messung einer Oberfläche ergeben, die Material umfasst, das dem positionierten Material ähnlich ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Vorgänge von Block 1130 auf Grundlage der Lehren durchgeführt werden, die beispielsweise unter Bezugnahme auf 10 erörtert wurden. An einem Block 1135 werden die bestimmten entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente entsprechend wenigstens einem, dem Material und dem identifizierten Werkstück gespeichert, derart, dass die Kompensationsdaten von dem CPS-System zum Kompensieren von Ausgabespektralprofildaten benutzt werden können, die sich aus Messungen einer Werkstückoberfläche eines ähnlichen Materials ergeben, bevor die Wellenlängenspitze der Ausgabespektralprofildaten bestimmt wird. Die resultierende Wellenlängenspitze beruht dann auf Messdaten, die derart kompensiert sind, dass die Entfernungskoordinate der Wellenlängenspitze zusammen mit den Entfernungskalibrierungsdaten, die die Entfernungskoordinate in eine Messentfernung umwandeln, einwandfrei verwendbar ist. Mit anderen Worten, die Wellenlängenspitze und die Entfernungskoordinate beruhen auf den kompensierten Daten, derart, dass die Messentfernung nominell frei von Fehlern ist, die sich anderenfalls aufgrund von Variationen im Werkstückmaterial ergeben würden. Bei einer Ausführungsform können die Fehlerkompensationsdaten in Form einer Referenztabelle gespeichert werden. Allerdings können die Fehlerkompensationsdaten bei anderen Ausführungsformen in jeder beliebigen dienlichen und funktionellen analogen Form bereitgestellt werden (z. B. in der Form einer Polynomfunktion oder dergleichen).
12 ist ein Ablaufdiagramm, das eine beispielhafte Routine 1100 zum Betreiben eines chromatischen Punktsensors unter Verwendung von entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente darstellt, um Ausgabespektralprofildaten für Fehler einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit dem Reflexionsvermögen eines Werkstückmaterials zu kompensieren. Wie in 12 gezeigt, wird an einem Block 1205 ein CPS-System bereitgestellt, das Folgendes umfasst: einen optischen Stift, eine Lichtquelle, CPS-Elektronik, die einen Wellenlängendetektor umfasst und Ausgabespektralprofildaten bereitstellt, die eine entfernungsabhängige Profilkomponente mit einer Wellenlängenspitze, die eine Messentfernung vom optischen Stift zur Werkstückoberfläche angibt, und eine entfernungsunabhängigen Profilkomponente umfassen, die eine Werkstückmaterialkomponente, die Spektralprofilauswirkungen im Zusammenhang mit wellenlängenabhängigen Variationen des Reflexionsvermögens des Materials der Werkstückoberfläche entspricht, und Entfernungskalibrierungsdaten aufweist, die dazu benutzt werden, eine Entfernungskoordinate, die der Wellenlängenspitze entspricht, in eine entsprechende Entfernungsmessung umzuwandeln. An einem Block 1210 wird eine Werkstückoberfläche identifiziert, die gemessen werden soll, und ein CPS-System wird betrieben, um Messvorgänge an der identifizierten Werkstückoberfläche durchzuführen und die entsprechenden Ausgabespektralprofildaten bereitzustellen. Die Vorgänge von Block 1210 können gemäß bekannten Verfahren zum Betreiben eines CPS und/oder wie zuvor hierin offenbart durchgeführt werden.
An einem Block 1215 wird wenigstens die CPS-Elektronik dazu betrieben, entfernungsunabhängige Kompensationsdaten der Profilkomponente zu definieren, die Daten umfassen, die zum Kompensieren der Ausgabespektralprofildaten für mögliche Entfernungsmessfehler benutzbar sind, die Fehler im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente umfassen, die der identifizierten Werkstückoberfläche entspricht. Bei verschiedenen Ausführungsformen und/oder Anwendungen können die Vorgänge von Block 1215 ähnlich wie die zuvor hierin offenbarten Verfahren durchgeführt werden. Beispielsweise umfasst das Definieren der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente bei einer Ausführungsform das Eingeben von im Voraus festgelegten Daten, die die wellenlängenabhängige Variationen des Reflexionsvermögens des Materials der identifizierten Werkstückoberfläche charakterisieren, und das Bestimmen der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente auf Grundlage der eingegebenen im Voraus festgelegten Daten. Bei einigen Ausführungsformen können die im Voraus festgelegten Daten standardmäßige (z. B. allgemein bekannte und/oder veröffentlichte) Daten zum spektralen Reflexionsvermögen umfassen, die die Materialart charakterisieren, die auf der identifizierten Werkstückoberfläche verwendet wurde. Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Definieren der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente das Durchführen von Teilen des oben unter Bezugnahme auf 11 beschriebenen Abtastungsvorgangs der Wellenlängenspitze oder analoger hierin offenbarter Vorgänge. Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Definieren der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente das Durchführen von Vorgängen, die oben unter Bezugnahme auf 8 beschrieben wurden, wobei eine CPS-Elektronik mit einem optischen Weg kombiniert wird, der nicht dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichen Entfernungen zu fokussieren, und ein repräsentatives Material, was dazu benutzt wird, entfernungsunabhängige Ausgabespektralprofildaten bereitzustellen, und die entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente auf Grundlage dieser entfernungsunabhängigen Ausgabespektralprofildaten bestimmt werden.
An einem Block 1220 werden die entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente angewandt, um die Ausgabespektralprofildaten, die sich aus der identifizierten Werkstückoberfläche ergeben, beispielsweise gemäß den Lehren zu kompensieren, die zuvor unter Bezugnahme auf die GLEICHUNGEN 10–14 erörtert wurden, die in der CPS-Elektronik oder bei Bedarf in einem Hostsystem implementiert sein können.
An einem Block 1225 wird die Entfernungskoordinate, die der Wellenlängenspitze entspricht, auf Grundlage der kompensierten Ausgabespektralprofildaten von Block 1220 bestimmt, und an einem Block 1230 wird die CPS-Elektronik dazu betrieben, auf Grundlage der bestimmten Entfernungskoordinate und der CPS-Entfernungskalibrierungsdaten eine Messentfernung zur identifizierten Werkstückoberfläche zu bestimmen. Die Vorgänge der Blöcke 1225 und 1230 können gemäß bekannten Verfahren zum Betreiben eines CPS und/oder wie zuvor hierin offenbart durchgeführt werden.
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, werden für Fachleute anhand dieser Offenbarung zahlreiche Abwandlungen an den dargestellten und beschriebenen Anordnungen auf der Hand liegen. Daher sei hier angemerkt, dass verschiedene Änderungen an diesen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7876456 [0002, 0003, 0004, 0008, 0038, 0046, 0047, 0049, 0053, 0054, 0057, 0060, 0062, 0066, 0067, 0068, 0069]
US 5790242 [0005, 0008]

Claims

Die Ausführungsformen der Erfindung, in denen eine exklusive Eigenschaft oder ein ausschließliches Recht beansprucht wird, sind wie folgt definiert: Verfahren zum Betreiben eines chromatischen Punktsensorsystems (CPS) zum Kompensieren möglicher Fehler einschließlich Fehlern aufgrund von Werkstückmaterialauswirkungen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines CPS-Systems, das Folgendes umfasst: einen optischen Stift, der einen konfokalen optischen Weg umfasst, der ein chromatisch streuendes Element aufweist und dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichen Entfernungen in der Nähe einer Werkstückoberfläche zu fokussieren, die gemessen werden soll; eine Lichtquelle, die dazu verbunden ist, ein Eingabespektralprofil von Wellenlängen an den optischen Stift bereitzustellen; CPS-Elektronik, die einen CPS-Wellenlängendetektor umfasst, der eine Vielzahl von Pixeln umfasst, die entlang einer Messachse des CPS-Wellenlängendetektors verteilt sind, wobei die Vielzahl von Pixeln jeweilige Wellenlängen empfängt und Spektralprofildaten bereitstellt, wobei das CPS derart konfiguriert ist, dass dann, wenn der optische Stift mit der CPS-Elektronik verbunden ist und betriebsbereit relativ zur Werkstückoberfläche positioniert ist, um Messvorgänge auszuführen, der optische Stift das Eingabespektralprofil eingibt und entsprechende Strahlung an die Werkstückoberfläche ausgibt und reflektierte Strahlung von der Werkstückoberfläche empfängt und reflektierte Strahlung ausgibt, um ein Ausgabespektralprofil an den CPS-Wellenlängendetektor auszugeben, wobei das Ausgabespektralprofil eine entfernungsabhängige Profilkomponente mit einer Wellenlängenspitze umfasst, die eine Messentfernung vom optischen Stift zur Werkstückoberfläche anzeigt, und eine entfernungsunabhängige Profilkomponente, die eine Werkstückmaterialkomponente einschließt, die Spektralprofileffekten im Zusammenhang mit wellenlängenabhängigen Variationen des Reflexionsvermögens des Materials der Werkstückoberfläche entspricht, und die CPS-Elektronik entsprechende Ausgabespektralprofildaten bereitstellt; und Entfernungskalibrierungsdaten, die dazu benutzt werden, eine Entfernungskoordinate, die der Wellenlängenspitze entspricht, in eine entsprechende Entfernungsmessung umzuwandeln; und Identifizieren einer Werkstückoberfläche, die gemessen werden soll, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Betreiben von wenigstens der CPS-Elektronik, um entfernungsunabhängige Kompensationsdaten der Profilkomponente zu definieren, die Daten umfassen, die zum Kompensieren der Ausgabespektralprofildaten für mögliche Entfernungsmessfehler benutzbar sind, die Fehler im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente umfassen, die der identifizierten Werkstückoberfläche entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Betreiben des CPS-Systems, um Messvorgänge an der identifizierten Werkstückoberfläche durchzuführen und die entsprechenden Ausgabespektralprofildaten bereitzustellen; Anwenden der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente, um die Ausgabespektralprofildaten zu kompensieren, die sich aus der identifizierten Werkstückoberfläche ergeben; und Bestimmen der Entfernungskoordinate, die der Wellenlängenspitze entspricht, auf Grundlage der kompensierten Ausgabespektralprofildaten.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Anwenden der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente, um die Ausgabespektralprofildaten zu kompensieren, ein Anpassen der Ausgabespektralprofildaten umfasst, um Differenzen zwischen einer entfernungsunabhängigen Profilkomponente im Zusammenhang mit Messungen der identifizierten Werkstückoberfläche und einer entfernungsunabhängigen Kalibrierungsprofilkomponente im Zusammenhang mit den Entfernungskalibrierungsdaten zu kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die entfernungsunabhängige Kalibrierungsprofilkomponente eine Anpassung aufweist, derart, dass sie einem im Voraus festgelegten Kalibrierungsspektralprofil entspricht.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das im Voraus festgelegte Kalibrierungsspektralprofil ein flaches Profil ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Anpassung der entfernungsunabhängige Kalibrierungsprofilkomponente wellenlängenabhängige Variationen einer Lichtquelle und eines Wellenlängendetektors und wellenlängenabhängige Variationen des Reflexionsvermögens eines Kalibrierungswerkstücks kompensiert, was für Entfernungsmessungen und für die Bestimmung der Entfernungskalibrierungsdaten benutzt wird, so dass es mit dem im Voraus festgelegten Spektralprofil übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Betreibens wenigstens der CPS-Elektronik, um die entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente zu definieren, ein Definieren von Daten umfasst, die dazu benutzbar sind, die Ausgabespektralprofildaten für mögliche Entfernungsmessfehler einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit wellenlängenabhängigen Variationen von wenigstens einem, der Lichtquelle und des Wellenlängendetektors zu kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Daten, die dazu benutzbar sind, Fehler im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente zu kompensieren, einen ersten Datensatz umfassen, und die Daten, die dazu benutzbar sind, Fehler im Zusammenhang mit wellenlängenabhängigen Variationen von wenigstens einem, der Lichtquelle und des Wellenlängendetektors zu kompensieren, einen zweiten Datensatz umfassen, der sich vom ersten Datensatz unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente einen Datensatz umfassen, der dazu benutzbar ist, sowohl Fehler im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente als auch Fehler im Zusammenhang mit wellenlängenabhängigen Variationen von wenigstens einem, der Lichtquelle und des Wellenlängendetektors zu kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Betreiben wenigstens der CPS-Elektronik, um die entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente zu definieren, ein Eingeben von im Voraus festgelegten Daten, die die wellenlängenabhängigen Variationen des Reflexionsvermögens des Materials der identifizierten Werkstückoberfläche charakterisieren, und ein Bestimmen der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente auf Grundlage der eingegebenen im Voraus festgelegten Daten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Betreiben wenigstens der CPS-Elektronik, um die entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente zu definieren, Folgendes umfasst: betriebsbereites Positionieren eines Materials relativ zum optischen CPS-Stift, wobei das positionierte Material jeweils eins ist von (a) dem Material der identifizierten Werkstückoberfläche und (b) einem Material, das dem Material der identifizierten Werkstückoberfläche entspricht; Durchführen eines Abtastungsvorgangs der Wellenlängenspitze, der Folgendes umfasst: Verwenden des CPS-Systems, um eine Vielzahl von Messvorgängen, die einer Vielzahl von jeweiligen Entfernungen, die entlang eines Messbereichs des optischen CPS-Stifts relativ zu dem positionierten Material verteilt sind, entspricht, durchzuführen, wobei die Vielzahl der Messvorgänge eine entsprechende Vielzahl von Ausgabespektralprofildaten bereitstellt, die eine Vielzahl von Wellenlängenspitzen aufweist, die entlang der Messachse des CPS-Wellenlängendetektors verteilt ist; und Bestimmen der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente auf Grundlage der Vielzahl von Ausgabespektralprofildaten, die vom Wellenlängenspitzenabtastungsvorgang bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bestimmen der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente auf Grundlage der Vielzahl von Ausgabespektralprofildaten, die vom Wellenlängenspitzenabtastungsvorgang bereitgestellt wird, Folgendes umfasst: Bestimmen einer entfernungsunabhängigen Profilkomponente im Zusammenhang mit der Messung des positionierten Materials auf Grundlage der Vielzahl von Wellenlängenspitzen, die entlang der Messachse des CPS-Wellenlängendetektors verteilt ist; Bestimmen von Differenzen zwischen der entfernungsunabhängigen Profilkomponente im Zusammenhang mit Messungen des positionierten Materials und einer entfernungsunabhängigen Kalibrierungsprofilkomponente im Zusammenhang mit den Entfernungskalibrierungsdaten; und Bestimmen der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente derart, dass sie die bestimmten Differenzen kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente in einer Form bestimmt werden, die eine der Folgenden umfasst: (a) Differenzen zwischen einer normierten Größe der Profilkomponenten an einer Vielzahl von Pixelpositionen, die entlang der Messachse des CPS-Wellenlängendetektors verteilt ist, und (b) ein Verhältnis der Profilkomponenten an einer Vielzahl von Pixelpositionen, die entlang der Messachse des CPS-Wellenlängendetektors verteilt ist.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend: Speichern der bestimmten entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente in einem Speicherabschnitt des CPS-Systems; Betreiben des CPS-Systems, um Messvorgänge an der identifizierten Werkstückoberfläche durchzuführen und die entsprechenden Ausgabespektralprofildaten bereitzustellen; Aufrufen und Anwenden der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente, um die Ausgabespektralprofildaten zu kompensieren, die sich aus der identifizierten Werkstückoberfläche ergeben; und Bestimmen der Entfernungskoordinate, die der Wellenlängenspitze auf Grundlage der kompensierten Ausgabespektralprofildaten entspricht.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei: wenigstens der optische Stift des CPS-Systems in einem Hostsystem installiert wird, wobei es sich um eins von einem Inspektionssystem für maschinelles Sehen und einer Koordinatenmessmaschine handelt, derart, dass er relativ zu einer identifizierten Werkstückoberfläche positioniert werden kann, die unter Verwendung des Hostsystems untersucht werden soll; die positionierte Oberfläche die identifizierte Werkstückoberfläche ist; und das Durchführen des Abtastungsvorgangs der Wellenlängenspitze umfasst das Betreiben des Hostsystems derart, dass es sich zu der Vielzahl der jeweiligen Entfernungen bewegt, die entlang einem Messbereich des optischen CPS-Stifts relativ zu dem positionierten Material verteilt ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei: die Schritte des Durchführens des Abtastungsvorgangs der Wellenlängenspitze und des Speicherns der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente während eines Einlernbetriebsmodus des Hostsystems durchgeführt werden; und die Schritte des Betreibens des CPS-Systems, um Messvorgänge an der identifizierten Werkstückoberfläche durchzuführen und die entsprechenden Ausgabespektralprofildaten bereitzustellen, und des Aufrufens und Anwendens der bestimmten entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente, um die Ausgabespektralprofildaten zu kompensieren, die sich aus der identifizierten Werkstückoberfläche ergeben, und des Bestimmens der Entfernungskoordinate, die der Wellenlängenspitze entspricht, auf Grundlage der kompensierten Ausgabespektralprofildaten, während eines Ausführungsbetriebsmodus des Hostsystems durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Durchführen des Abtastungsvorgangs der Wellenlängenspitze Folgendes umfasst: kontinuierliches Bewegen von jeweils einem von dem optischen Stift und dem positionierten Material, um wenigstens einige der Vielzahl der jeweiligen Entfernungen bereitzustellen, die entlang einem Messbereich des optischen CPS-Stifts relativ zu dem positionierten Material verteilt ist; und kontinuierliches Betreiben des CPS-Systems während des Bewegens, um wenigstens einige der der Vielzahl der Messvorgänge durchzuführen, die mehreren jeweiligen Entfernungen entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Betreiben wenigstens der CPS-Elektronik, um werkstückspezifische Kompensationsdaten des Messungsspektralprofils zu definieren, Folgendes umfasst: Bereitstellen eines optischen Wegs, der einen Teil des normalen optischen Betriebswegs des CPS-Systems umfasst, und Ausschließen des optischen CPS-Stifts, wobei der optische Weg nicht dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichen Entfernungen zu fokussieren; Positionieren eines Materials zum Aufnehmen von Licht von der CPS-Lichtquelle über den optischen Weg, der einen Teil des normalen optischen Betriebswegs umfasst, und zum Reflektieren von Licht von dem positionierten Material über den optischen Weg an den CPS-Wellenlängendetektor, wobei das positionierte Material jeweils eins ist von (a) dem Material der identifizierten Werkstückoberfläche und (b) einem Material, das dem Material der identifizierten Werkstückoberfläche entspricht; Durchführen eines entfernungsunabhängigen Messvorgangs, der entfernungsunabhängige Ausgabespektralprofildaten auf Grundlage des Lichts bereitstellt, das von dem positionierten Material über den optischen Pfad an den CPS-Wellenlängendetektor reflektiert wird; und Bestimmen der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente auf Grundlage dieser entfernungsunabhängigen Ausgabespektralprofildaten.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Bestimmen der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente auf Grundlage dieser entfernungsunabhängigen Ausgabespektralprofildaten Folgendes umfasst: Bestimmen einer entfernungsunabhängigen Profilkomponente im Zusammenhang mit der entfernungsunabhängigen Messung des positionierten Materials auf Grundlage dieser entfernungsunabhängigen Ausgabespektralprofildaten; Bestimmen von Differenzen zwischen der entfernungsunabhängigen Profilkomponente im Zusammenhang mit Messungen des positionierten Materials und einer entfernungsunabhängigen Kalibrierungsprofilkomponente im Zusammenhang mit den Entfernungskalibrierungsdaten; und Bestimmen der entfernungsunabhängigen Kompensationsdaten der Profilkomponente derart, dass die bestimmten Differenzen kompensiert werden.