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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lage- und Positionsbestimmung eines Objekts, insbesondere von optischen Komponenten, wie zum Beispiel von Linsen. Die Erfindung betrifft zudem ein dementsprechendes Verfahren sowie ein Computerprogramm zur Lage- und Positionsbestimmung von Objekten sowie zur geometrischen Vermessung derartiger Objekte.
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Hintergrund
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Zur Qualitätssicherung als auch zur Überwachung von industriellen Herstellungsprozessen, insbesondere im Bereich der Feinwerktechnik, Optik sowie in der Fertigungstechnik mechanischer und elektrischer Mikrostrukturen, besteht ein wachsender Bedarf hinsichtlich hochauflösender und präziser Vermessungen von Werkstücken oder allgemein von Objekten.
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So ist aus der
DE 10 2011 011 065 B4 eine Vorrichtung zur Vermessung zumindest eines Oberflächenabschnitts eines auf einem Träger gelagerten Objekts bekannt. Die Vorrichtung weist dabei ein gegenüber dem Träger fixierbares Referenzobjekt und einen in zumindest einer ersten Richtung gegenüber dem Referenzobjekt beweglichen Halter auf. An dem Halter sind ein Referenzkörper sowie ein Abstandssensor angeordnet, die relativ zueinander drehbar gelagert sind. Der Abstandsmesser ist dabei dazu ausgebildet, einen ersten Abstand zu einem ersten Punkt des Oberflächenabschnitts des Objekts und einen zweiten Abstand zu einem hiermit korrespondierenden zweiten Punkt des Referenzkörpers zu bestimmen. Der Abstandsmesser weist dabei einen ersten, dem Objekt zugewandten Abstandssensor und einen zweiten, dem Referenzkörper zugewandten Abstandssensor auf. Diese sind dabei diametral entgegengesetzt zueinander ausgerichtet.
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Mit einer derartigen Vorrichtung kann die Oberfläche eines Objekts hochpräzise und berührungslos optisch abgetastet bzw. gescannt werden.
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Für ein abscannendes Vermessen der Oberfläche des Objekts erweist es sich je nach Objektgeometrie als vorteilhaft, das Objekt an der Basis der Messvorrichtung beweglich zu lagern. Für ein rotationssymmetrisches Objekt, wie beispielsweise sphärische oder asphärische Linse kann eine drehbare Lagerung von Vorteil sein, während für ein längserstrecktes Objekt, beispielsweise einer Zylinderlinse, ein translatorisches Verschieben des Objekts relativ oder senkrecht zur Messebene der Messvorrichtung von Vorteil sein kann.
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Sämtliche Möglichkeiten zur beweglichen Lagerung des Objekts an der Basis weisen einen Toleranzbereich auf, der die geforderte Messgenauigkeit der Messvorrichtung bei weitem übersteigt. Durch das Verschieben oder Drehen des Objekts relativ zur Basis der Messvorrichtung entsteht unweigerlich ein Messfehler, der zu kompensieren bzw. zu korrigieren ist.
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Insoweit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur geometrischen Lage- und Positionsbestimmung eines Objekts bereitzustellen, mittels welcher unweigerlich Schwankungen und Abweichungen einer Objektlagerung hinreichend genau kompensierbar sind. Die Vorrichtung soll sich ferner und insbesondere zur hochpräzisen geometrischen Vermessung des Objekts eignen.
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Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1, einem Verfahren nach Patentanspruch 16 sowie mit einem Computerprogramm gemäß Patentanspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind dabei Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
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Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen
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Die insoweit vorgesehene Vorrichtung zur Lage- und Positionsbestimmung eines Objekts weist eine ortsfeste Basis mit einer Trägereinrichtung für das Objekt auf. Die zur Lagerung des Objekts vorgesehene Trägereinrichtung weist einen an der Basis angeordneten Sockel und einen beweglich an jenem Sockel gelagerten Objektträger auf. Das zu vermessende Objekt ist dabei am Objektträger fixierbar. Durch die bewegliche Lagerung des Objektträgers relativ zum Sockel ist somit das zu vermessende Objekt relativ zur Basis beweglich.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass an dem Objektträger zumindest ein Referenzgebilde mit wenigstens zwei Referenzstrukturen angeordnet ist. Zur Bestimmung der Position und der Ausrichtung des Objektträgers sind ferner an der Basis drei Referenzsensoren angeordnet, die jeweils zur Messung eines Abstands zu einer der zumindest zwei Referenzstrukturen ausgebildet sind.
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Mittels der drei an der Basis fixierten Referenzsensoren, die typischerweise beabstandet voneinander an der Basis angeordnet sind und die typischerweise den Abstand zu drei unterschiedlichen Punkten der zumindest zwei Referenzstrukturen messen, kann die Position als auch die Ausrichtung des Referenzgebildes und des starr hiermit verbundenen Objektträgers sowie des hiermit starr verbundenen Objekts relativ zur Basis sowie relativ zu einem bspw. an der Basis angeordneten Referenzobjekt präzise bestimmt werden. Auf diese Art und Weise kann die korrekte und jeweilige Position des Objektträgers in der Bewegungsebene als auch senkrecht hierzu sowie seine Ausrichtung relativ zur Bewegungsebene ermittelt werden. Im vorliegenden Kontext ist die Bewegungsebene starr mit der ortsfesten Basis gekoppelt. Die Bewegungsebene kann sich beispielsweise horizontal oder unter einem vorgegebenen beliebigen Winkel geneigt hierzu erstrecken.
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Die drei Sensoren sind datentechnisch mit einer Steuerung gekoppelt, welche zur Auswertung entsprechender Messsignale ausgebildet ist, anhand derer die genaue Lage und Position des zumindest einen Referenzgebildes und damit des daran befestigten Objekts bestimmbar ist.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Objektträger in der bereits genannten Bewegungsebene beweglich am Sockel gelagert. Die naturgemäß zweidimensionale Bewegungsebene erstreckt sich typischerweise senkrecht zu einer Messebene einer Abstandsmesseinrichtung oder anderweitig, senkrecht zu einer Bearbeitungsebene eines Bearbeitungseinrichtung für das Objekt. Beispielsweise kann die Bewegungsebene mit einer x-Richtung und mit einer sich senkrecht hierzu erstreckenden y-Richtung zusammenfallen. Der Objektträger kann eindimensional, das heißt entlang eines Bewegungsfreiheitsgrads am Sockel gelagert sein, wobei der bewegliche Objektträger stets in der Bewegungsebene bleibt.
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Der Objektträger kann beispielsweise linear translatorisch, beispielsweise in y-Richtung am Sockel gelagert sein. Alternativ oder ergänzend ist denkbar, dass der Objektträger rotatorisch in der Bewegungsebene am Sockel gelagert ist. Das heißt, der Objektträger kann, bezüglich einer Drehachse, gegenüber dem Sockel gedreht werden, welche Drehachse sich senkrecht zur Bewegungsebene und/oder parallel zur oder in der Messebene erstreckt.
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Die Beweglichkeit des Objektträgers relativ zum Sockel, bezüglich zumindest eines translatorischen oder rotatorischen Freiheitsgrads, erweist sich in messtechnischer Hinsicht als vorteilhaft. Auf diese Art und Weise kann das Objekt sukzessive z. B. durch die Messebene (x, z) einer Abstandsmesseinrichtung oder durch einen Bearbeitungsebene eines Objekt-Bearbeitungsvorrichtung bewegt werden. Für ein vollständiges Abscannen der Oberfläche des Objekts ist somit eine Beweglichkeit der Abstandsmesseinrichtung lediglich in einer solchen Messebene (x, z) erforderlich.
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Nach einer Weiterbildung ist zumindest eine der Referenzstrukturen parallel zur Bewegungsebene ausgerichtet. Die Referenzstruktur weist dabei insbesondere eine Referenzfläche auf, die sich parallel zur Bewegungsebene erstreckt oder die auch mit der Bewegungsebene zusammenfallen kann. Mittels der parallel zur Bewegungsebene ausgerichteten Referenzstruktur können die Bewegung, die Position als auch die Ausrichtung des Objektträgers senkrecht zur Bewegungsebene, insbesondere in z-Richtung sowohl qualitativ erfasst als auch quantitativ gemessen werden.
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Hinsichtlich Bewegungen des Objektträgers in der Bewegungsebene ist die sich parallel zur Bewegungsebene erstreckende Referenzstruktur weitgehend invariant. Mit der sich parallel zur Bewegungsebene erstreckenden Referenzstruktur, konkret mit zumindest einer, bevorzugt mit zwei Referenzstrukturen oder mit zwei gleichartigen parallel zur Bewegungsebene und damit horizontal ausgerichteten Referenzstrukturen, ist die vertikale Positionierung als auch die Lage des Objektträgers in Bezug auf die Bewegungsebene präzise ermittelbar.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung sind zwei der Referenzsensoren versetzt zur Bewegungsebene angeordnet und in Richtung zur Bewegungsebene ausgerichtet.
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Erstreckt sich die Bewegungsebene in etwa horizontal, so sind die zwei Referenzsensoren vertikal von der Bewegungsebene beabstandet. Sie können sich wahlweise oberhalb und/oder unterhalb der Bewegungsebene befinden. Die Referenzsensoren wirken jedoch mit der sich parallel zur Bewegungsebene erstreckenden Referenzstruktur zusammen. Von daher sind die zwei Referenzsensoren stets der Bewegungsebene bzw. der sich parallel zur Bewegungsebene erstreckenden Referenzstruktur zugewandt.
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Die Referenzsensoren sind typischerweise senkrecht zur Bewegungsebene ausgerichtet, um den Abstand zwischen dem betreffenden Referenzsensor und der Referenzstruktur optisch in Reflexionsgeometrie zu ermitteln. Indem zwei Referenzsensoren typischerweise in der oder parallel zur Bewegungsebene beabstandet voneinander und versetzt zur Bewegungsebene, das heißt oberhalb oder unterhalb zur Bewegungsebene an der Basis angeordnet sind, kann unter Annahme einer bekannten oder vorab normierten bzw. kalibrierten Referenzstruktur die Ausrichtung und Position der Referenzstrukturen und hiermit auch des mit der Referenzstruktur versehenen Objektträgers, damit letztlich auch die die Ausrichtung des Objekts bestimmt werden. Insbesondere kann mittels der zwei versetzt zur Bewegungsebene angeordneten und in Richtung zur Bewegungsebene ausgerichteten Referenzsensoren eine Verkippung des Objektträgers und des Objekts relativ zur Bewegungsebene ermittelt werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung hiervon sind die versetzt zur Bewegungsebene angeordneten Referenzsensoren in einer mit der Bewegungsebene zusammenfallenden Richtung, beispielsweise in x-Richtung und/oder in y-Richtung voneinander beabstandet. Jene Referenzsensoren können ferner in einem ungefähr identischen Abstand zur Bewegungsebene an der Basis angeordnet sein. Es sind aber auch Konfigurationen denkbar, bei welchen der Abstand eines der genannten Referenzsensoren vom Abstand des anderen der beiden Referenzsensoren differiert.
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Die insbesondere horizontale Beabstandung der beiden vertikal von der Bewegungsebene versetzt angeordneten Bewegungssensoren ist insbesondere zur Ermittlung einer Verkippung des Objektträgers von Vorteil. So kann zum Beispiel einer dieser beiden Referenzsensoren den Abstand zu einem linken und nach oben weisenden Rand des Referenzgebildes messen, während der andere der beiden Abstandssensoren einen rechten oberen Rand desselben oder eines weiteren Referenzgebildes misst. Aus einem Vergleich jener beiden Abstände lassen sich Rückschlüsse über die Lage und Orientierung des Referenzgebildes und somit der mit dem Referenzgebilde verbundenen Trägereinrichtung treffen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung sind an dem Objektträger zwei senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Objektträgers voneinander beabstandete Referenzgebilde mit jeweils einer parallel zur Bewegungsebene ausgerichteten Referenzstruktur angeordnet. Jene beiden Referenzgebilde sind ferner in einer mit der Bewegungsebene zusammenfallenden Richtung voneinander beabstandet. Beispielsweise kann eines der Referenzgebilde an einem linken Außenrand des Objektträgers angeordnet sein, während das andere Referenzgebilde am gegenüberliegenden rechten Seitenrand des Objektträgers angeordnet ist. Die sich parallel zur Bewegungsebene erstreckenden bzw. parallel zur Bewegungsebene ausgerichteten Referenzstrukturen jener Referenzgebilde sind typischerweise an einer Oberseite und/oder an einer Unterseite des betreffenden Referenzgebildes angeordnet. Die mit jenen Referenzstrukturen zusammenwirkenden Referenzsensoren befinden sich dabei entweder oberhalb oder unterhalb des betreffenden Referenzgebildes. Sie sind jeweils zur Referenzstruktur des Referenzgebildes ausgerichtet.
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Der Objektträger erstreckt sich typischerweise in oder parallel zur Bewegungsrichtung. Das Vorsehen zweier Referenzgebilde mit je einer parallel zur Bewegungsebene ausgerichteten Referenzstruktur ist insbesondere für eine translatorische Bewegung des Objektträgers relativ zum Sockel vorgesehen. Mittels jeweils eines den beiden Referenzstrukturen der Referenzgebilde zugeordneten Referenzsensors, kann ein Höhenversatz als auch eine Verkippung des Objektträgers relativ zur Bewegungsebene gemessen werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung hiervon ist der Objektträger linear verschiebbar am Sockel gelagert. In dieser Ausgestaltung ist der Objektträger typischerweise mit zwei beabstandet zueinander angeordneten Referenzgebilden versehen. Diese weisen typischerweise in Verschieberichtung (y) eine längserstreckte schienenartige Kontur auf. Die Referenzgebilde können insbesondere als eine im Querschnitt L- oder T-förmige Schienen ausgestaltet sein, wobei sich die parallel zur Bewegungsebene erstreckenden Referenzstrukturen typischerweise an einer Oberseite und/oder an einer Unterseite des jeweiligen Referenzgebildes befinden. Ferner ist denkbar, dass eine Referenzstruktur an der Unterseite eines nach außen ragenden Profilabschnitts des schienenartigen Referenzgebildes ausgestaltet ist.
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Nach einer alternativen Ausgestaltung hierzu ist an dem Objektträger lediglich ein einziges ringartig ausgestaltetes Referenzgebilde mit einer parallel zur Bewegungsebene ausgerichteten Referenzstruktur angeordnet. Ein ringartiges Referenzgebilde eignet sich insbesondere für eine rotatorische oder drehbare Lagerung des Objektträgers am Sockel. Das ringartige Referenzgebilde kann insbesondere als eine den Außenumfang des Objektträgers umschließende Struktur ausgebildet sein. Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die zwei beabstandet zur Bewegungsebene angeordneten und zur Bewegungsebene hin ausgerichteten Referenzsensoren mit voneinander beabstandeten, etwa gegenüberliegenden Bereichen des ringartigen Referenzgebildes zusammenwirken. Insoweit ist vorgesehen, dass mittels zwei der Referenzsensoren jeweils ein Abschnitt ein und desselben typischerweise ringartig ausgestalteten Referenzgebildes bzw. seiner zugehörigen ringartigen Referenzstruktur sensorisch erfassbar ist.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Objektträger bezüglich einer Drehachse am Sockel drehbar gelagert. Die Drehachse erstreckt sich hierbei typischerweise senkrecht zur Bewegungsebene bzw. parallel zur oder in der Messebene. Mittels des ringartig und etwa umlaufend am Objektträger vorgesehenen und sich parallel zur Bewegungsebene erstreckenden Referenzgebildes, kann eine geringfügige, das Messergebnis aber mithin ungemein beeinflussende Abweichung der Drehachse von der Flächennormalen der Bewegungsebene präzise ermittelt werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung ist an jedem der Referenzgebilde jeweils zumindest eine senkrecht zur Bewegungsebene ausgerichtete Referenzstruktur angeordnet. Die sich senkrecht zur Bewegungsebene, typischerweise in vertikal und in z-Richtung erstreckende flächige Referenzstruktur dient der Messung einer Position des Objektträgers in der Bewegungsebene und typischerweise senkrecht zur Bewegungsrichtung (y). Ein transversaler oder radialer Versatz in x-Richtung oder in Radialrichtung kann hiermit gemessen werden. Jene Referenzstruktur weist zumindest eine gewisse Erstreckung senkrecht zur Bewegungsebene auf, damit selbst bei einem Höhenversatz oder bei einer Bewegung des Objektträgers in Vertikalrichtung der betreffende Referenzsensor nach wie vor mit der senkrecht zur Bewegungsebene ausgerichteten Referenzstruktur unverändert zusammenwirken kann.
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Je nach Ausgestaltung des Referenzgebildes kann die senkrecht zur Bewegungsebene ausgerichtete Referenzstruktur entweder als geradliniges Band oder als ein Ring, jeweils mit einer gewissen Stärke, in Vertikalrichtung ausgebildet sein.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung erstreckt sich die senkrecht zur Bewegungsebene ausgerichtete Referenzstruktur entlang eines parallel zur Bewegungsebene verlaufenden Außenrands des Referenzgebildes. Bei einer schienenartigen und geradlinigen Ausbildung des Referenzgebildes ist insbesondere vorgesehen, die betreffende Referenzstruktur an einer Außenseite des Referenzgebildes anzuordnen, die sich typischerweise senkrecht zur Bewegungsebene erstreckt. Bei einer ringartigen Ausgestaltung des Referenzgebildes ist vorgesehen, dass die senkrecht zur Bewegungsebene ausgerichtete Referenzstruktur an einem radial außen nach außen weisenden Randabschnitt des Referenzgebildes ausgebildet ist.
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Schließlich ist nach einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass der mit der senkrecht zur Bewegungsebene (x, y) ausgerichteten Referenzstruktur zusammenwirkende Referenzsensor bezüglich einer mit der Bewegungsebene zusammenfallenden Richtung (x) und/oder (y) seitlich außerhalb des Referenzgebildes an der Basis angeordnet und zu jener Referenzstruktur hin ausgerichtet ist.
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Das heißt, die mit den am Seitenrand des Objektträgers zusammenwirkenden Referenzsensoren befinden sich radial außerhalb des Objektträgers. Bei einer schienenartigen und längserstreckten Kontur des Referenzgebildes befindet sich der betreffende Referenzsensor außenseitig der betreffenden Schiene, das heißt außerhalb der Trägereinrichtung, wobei der betreffende Referenzsensor in etwa in x-Richtung, das heißt senkrecht zur Bewegungsrichtung des Objektträgers als auch parallel oder in der Bewegungsebene zum Objektträger bzw. zu dessen mit der Referenzstruktur versehenen Referenzgebilde hin ausgerichtet ist.
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Bei einer bekannten bzw. kalibrierten oder zuvor gemessenen Geometrie des Objektträgers und der daran angeordneten Referenzgebilde ist es ausreichend, wenn lediglich einer der drei Referenzsensoren senkrecht zur Bewegungsrichtung, aber in oder parallel zur Bewegungsebene beabstandet zum Objektträger bzw. zu den Referenzgebilden angeordnet ist. Mittels jenes einen Sensors und der hiermit zusammenwirkenden, an der Außenseite des zumindest einen Referenzgebildes ausgestalteten, typischerweise reflektierenden Referenzstruktur ist die radiale oder transversale Position des Objektträgers relativ zur Basis präzise ermittelbar.
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Es ist nach einer weiteren Ausgestaltung insbesondere vorgesehen, dass sämtliche Referenzsensoren in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Jene Ebene kann sich beispielsweise senkrecht zur Bewegungsebene des Objekts erstrecken.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Lage- und Positionsbestimmung des Objekts zumindest ein gegenüber der Basis fixierbares oder fixiertes Referenzobjekt auf. Die Vorrichtung ist ferner mit einer Abstandsmesseinrichtung ausgestattet, mittels welcher ein Abstand zwischen dem ortsfesten Referenzobjekt und der dem Referenzobjekt zugewandten Oberfläche des Objekts bestimmbar ist. Die Abstandsmesseinrichtung ist insbesondere zum Abscannen der Objektoberfläche und zur Erzeugung eines Oberflächenabbilds des Objekts ausgestaltet. Mittels der Abstandsmesseinrichtung ist die Vorrichtung nicht nur zur Lage- und Positionsbestimmung eines Objekts sondern vielmehr zur geometrischen Vermessung des Objekts, insbesondere seiner Oberfläche geeignet.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Abstandsmesseinrichtung einen gegenüber dem Referenzobjekt beweglichen Halter auf, an welchem ein Referenzkörper, ein erster Abstandssensor und ein zweiter Abstandssensor angeordnet sind. Der erste und der zweite Abstandssensor sind dabei relativ zum Referenzkörper drehbar gelagert. Die drehbare Lagerung der Abstandssensoren ist insbesondere zum Einstellen einer Orthogonalitätsbedingung in Bezug auf die zu vermessende Objektoberfläche von Vorteil.
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Es ist hierbei ferner denkbar, dass die zumindest drei Referenzsensoren und die zumindest zwei Abstandsensoren in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Diese kann sich insbesondere senkrecht zur Bewegungsebene des Objektträgers erstrecken.
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Um insbesondere den Abstand zwischen der Abstandsmesseinrichtung bzw. einem ihrer Abstandssensoren und der zu vermessenden Oberfläche des Objekts präzise ermitteln zu können, muss der betreffende Sensor im Wesentlichen orthogonal zur zu vermessenden Oberfläche ausgerichtet sein und seine Ausrichtung entsprechend der Kontur des zu vermessenden Objekts anpassen. Für diese Anpassung sind sowohl Translations- als auch Drehbewegungen des Sensors durchzuführen. Während die Translationsbewegungen und Position des Abstandssensors im Raum mittels zumindest eines weiteren am Halter angeordneten und zum Referenzobjekt hin ausgerichteten Abstandssensors gegenüber dem zumindest einen Referenzobjekt mit ausreichend hoher Genauigkeit problemlos ermittelbar ist, erweist sich ein Drehen bzw. Verkippen des Sensors in messtechnischer Hinsicht als problematisch.
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Das Vorsehen eines am beweglichen Halter angeordneten Referenzkörpers erweist sich für eine präzise Abstandsbestimmung trotz schwenkbarer Lagerung des Abstandssensors überaus vorteilhaft, wie dies in der
DE 10 2011 011 065 B4 bereits beschrieben ist.
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Typischerweise sind der erste und der zweite Abstandssensor starr zueinander angeordnet. Der erste Abstandssensor ist im Betrieb der Vorrichtung auf die zu vermessende Oberfläche des Objekts gerichtet, während der zweite Abstandssensor typischerweise diametral entgegengesetzt dem Referenzkörper zugewandt ist. Der Referenzkörper weist eine der Drehbewegung der beiden Abstandssensoren korrespondierende und systemweit bekannte bzw. zuvor mittels Kalibrierung ermittelte Referenzfläche auf, sodass mittels der beiden diametral entgegengesetzt ausgerichteten ersten und zweiten Abstandssensoren der Abstand eines ausgewählten Punkts auf der zu vermessenden Oberfläche des Objekts relativ zum Referenzkörper des Halters der Messeinrichtung bestimmbar ist.
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Der Halter selbst ist mittels zumindest des bereits genannten weiteren Abstandssensors hinsichtlich seiner Position gegenüber dem zumindest einen Referenzobjekt im Raum referenziert. Seine Lage ist mittels eines oder mehrerer ergänzender Abstandssensoren in Bezug auf das zumindest eine bzw. in Bezug auf mehrere Referenzobjekte präzise bestimmbar.
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Die Referenzfläche des Referenzkörpers des Halters kann beispielsweise als Hohlspiegel mit einer im Wesentlichen kreissegmentartigen Geometrie ausgestaltet sein. Der Mittelpunkt des Hohlspiegels kann dabei typischerweise mit der Drehachse der Abstandsmesseinrichtung, das heißt mit einer gemeinsamen Drehachse von erstem und zweiten Abstandssensor zusammenfallen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung ist zumindest ein als dritter Abstandssensor ausgestalteter Referenzsensor am Halter, mittels welchem ein Abstand oder eine Ausrichtung des Halters relativ zum Referenzobjekt bestimmbar ist. Das Referenzobjekt weist dabei eine mit dem Abstandssensor korrespondierende, typischerweise reflektierende Referenzfläche auf.
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Mittels der Abstandsmesseinrichtung ist der Abstand einzelner bzw. einer Vielzahl von Punkten der zu vermessenden Oberfläche des Objekts relativ zum Referenzkörper des Halters der Vorrichtung bzw. der Abstandsmesseinrichtung bestimmbar. Mittels des zumindest einen Referenzsensors einem weiteren zweiten, ebenfalls als Abstandssensor ausgebildeten Referenzsensors ist die Position oder Lage des Halters relativ zu dem zumindest einen oder zu mehreren Referenzobjekten präzise bestimmbar.
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Die Abstandssensoren bzw. Referenzsensoren sind typischerweise mit mehreren Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge gekoppelt, um den Abstand zum Objekt oder zum Referenzkörper oder Referenzobjekt mittels eines Mehrwellenlängenmessprinzips zu bestimmen. Ein derartiges Heterodyn-Messverfahren ermöglicht eine hochpräzise Abstandsmessung mit einer Auflösung im Nanometer- und Subnanometerbereich und kann ferner einen Eindeutigkeitsbereich des Messergebnisses bis in den Millimeterbereich hinein bereitstellen. Bevorzugt werden als Lichtquellen weitgehend monochromatische Laser vorgesehen, deren Wellenlänge im Bereich zwischen 1520 und 1630 nm liegt. Typischerweise liegen die verwendeten Laserwellenlängen im S-, C- oder L-Band des optischen Telekommunikationsspektrums. Es sind aber auch grundsätzlich Wellenlängen im sichtbaren und/oder UV-Spektralbereich denkbar.
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Prinzipiell ist die Erfindung auch für eine mit lediglich einer Wellenlänge operierende Abstandsmesseinrichtung implementierbar. Mittels eines Mehrwellenlängen-Messverfahrens kann jedoch der Eindeutigkeitsbereich der empfangenen Signale sichtlich vergrößert werden. Die jeweilige Phase oder Phasenlage der von der Objektoberfläche reflektierten Strahlen wird wellenlängenselektiv detektiert und im Zuge einer elektronischen Auswertung zur Bestimmung des Abstandes verarbeitet.
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Die Abstandssensoren können ferner faseroptisch mit den betreffenden Lichtquellen gekoppelt sein. Etwaige umweltbedingte Störeinflüsse können auf diese Art und Weise auf ein Minimum begrenzt werden.
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Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur geometrischen Vermessung eines Objekts mittels einer zuvor beschriebenen Vorrichtung. Das Verfahren umfasst hierbei die Schritte des Anordnens des zu vermessenden Objekts an der Trägereinrichtung, insbesondere an dem Objektträger der Trägereinrichtung. Alsdann wird die Oberfläche des Objekts mittels der Abstandsmesseinrichtung typischerweise berührungslos abgetastet bzw. abgescannt. Hierbei wird der Objektträger in der Bewegungsebene relativ zum Sockel bewegt. Jene Bewegung kann beispielsweise schrittweise erfolgen, wobei nach jedem Bewegungsschritt in der Bewegungsebene die Abstandsmesseinrichtung die gesamte Oberflächenkontur des Objekts abtastet oder abscannt, die sich in der typischerweise senkrecht zur Bewegungsrichtung erstreckenden Messebene der Abstandsmesseinrichtung befindet. Durch jenes sukzessive Abscannen der Oberfläche des Objekts wird ein der Oberfläche entsprechendes Oberflächenabbild erzeugt, insbesondere aus den mittels der Abstandsmesseinrichtung gemessenen Abständen berechnet.
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Hiernach oder zeitgleich hierzu werden die Messsignale der drei Referenzsensoren ausgewertet, um die Position um die genaue Position und Ausrichtung des Objektträgers während der Bewegung des Objektträgers im Verlauf des Scannprozesses zu bestimmen. Anhand jener Messsignalauswertung ist für jede Position des Objektträgers in Bewegungsrichtung die vertikale Position als auch die Ausrichtung des Objektträgers, insbesondere in der Messebene der Abstandsmesseinrichtung, bestimmbar. Mittels jener Positions- und Ausrichtungsbestimmung des Objektträgers wird schließlich eine Fehlerkorrektur am Oberflächenabbild durchgeführt. Es ist dabei gleichermaßen denkbar, dass jene Fehlerkorrektur unmittelbar und direkt in die ursprüngliche Erzeugung und Berechnung des Oberflächenabbilds einfließt.
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Das genannte Verfahren ergibt sich insbesondere aus der bestimmungsgemäßen Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung. Insoweit gelten sämtliche in Bezug auf die Vorrichtung genannten Merkmale und Vorteile auch gleichermaßen für das Verfahren; und umgekehrt.
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Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Computerprogramm zur Lage- und Positionsbestimmung eines Objekts mittels der zuvor beschriebenen Vorrichtung. Das Computerprogramm, welches typischerweise in einer Steuerung der Vorrichtung abläuft, weist Programmmittel zum Abscannen der Oberfläche des Objekts mittels der Abstandsmesseinrichtung auf. Das Computerprogramm ist ferner mit Programmmitteln zum Bewegen des Objektträgers in der Bewegungsebene relativ zum Sockel als auch mit Programmmitteln zum Erzeugen eines der Oberfläche entsprechenden Oberflächenabbilds ausgestattet.
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Das Computerprogramm weist zudem Programmmittel zum Auswerten der Messsignale der drei Referenzsensoren sowie Programmmittel zur Bestimmung der Position und der Ausrichtung des Objektträgers während der Bewegung des Objektträgers auf. Das Computerprogramm ist schließlich mit Programmmitteln zum Durchführen einer Fehlerkorrektur am Oberflächenabbild auf der Basis der Positions- und Ausrichtungsbestimmung des Objektträgers versehen. Das Computerprogramm dient insbesondere der rechnergestützten Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens auf Basis der zuvor beschriebenen Vorrichtung. Insoweit gelten sämtliche in Bezug auf die Vorrichtung und das Verfahren genannten Merkmale und Vorteile auch gleichermaßen für das Computerprogramm; und umgekehrt.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung von schräg vorn betrachtet,
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2 eine Seitenansicht der Messvorrichtung,
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3 eine Prinzipskizze des der Abstandsmesseinrichtung zugrundeliegenden Messprinzips,
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4 einen Querschnitt durch die Trägereinrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltung,
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5 einen Querschnitt durch die Trägereinrichtung gemäß einer zweiten Ausgestaltung und
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6 einen Querschnitt durch die Trägereinrichtung nach einer dritten Ausgestaltung,
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7 eine isolierte Darstellung der Referenzsensoren in Bezug auf zwei am Objektträger anordenbare Referenzgebilde,
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8 eine perspektivische Darstellung einer mit längserstreckten Referenzgebilden versehenen Trägereinrichtung,
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9 eine isolierte Darstellung der in 8 gezeigten und an der Basis 100 angeordneten Trägereinrichtung,
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10 eine isolierte Darstellung einer als Drehlager ausgestalteten Trägereinrichtung,
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11 eine isolierte Darstellung eines ringartig und mit der Trägereinrichtung gemäß 10 verbindbaren Referenzgebildes von unten betrachtet,
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12 eine isolierte Darstellung der mit Sockel und Objektträger versehenen linear verschieblichen Trägereinrichtung,
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13 ein am Objektträger der Trägereinrichtung gemäß 12 anordenbares Referenzgebilde von schräg unten betrachtet und
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14 ein Flussdiagramm des Verfahrens
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Detaillierte Beschreibung
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Die Vorrichtung 10 zur Lage- und Positionsbestimmung eines Objekts 14 weist eine Basis 100 und hieran fixiertes Gestell 104 auf, welches die an der Basis 100 angeordnete Trägereinrichtung 12 überspannt und welches eine Messebene (x, z) für eine an der Basis 100 beweglich und verstellbar angeordnete Abstandsmesseinrichtung 70 definiert. Das Gestell 104 weist zwei seitliche Schenkel 105, 106 sowie oberhalb eines der Trägereinrichtung 12 einen sich zwischen den Schenkelen 105, 106 erstreckenden Verbindungsbalken 108 auf. An der Unterseite des Verbindungsbalkens 108 ist eines der Referenzobjekte 18 angeordnet, während an einem der nach oben ragenden Schenkels 105 das zweite Referenzobjekt 20 angeordnet ist. Mittels des Gestells 104 sind die Referenzobjekte 18, 20 ortsfest an der Basis 100 angeordnet. Die Vorrichtung 10 ist vorliegend als Messvorrichtung zur geometrischen Vermessung der Oberfläche des Objekts 14 implementiert. Sie kann aber auch gleichermaßen z. B. mit einer vorliegend nicht gezeigten Bearbeitungsvorrichtung, bspw. mit einer CNC-Fräse oder mit einem Laser zur Materialbearbeitung gekoppelt sein.
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Das Referenzobjekt 18 erstreckt sich im Wesentlichen in einer ersten horizontalen Richtung (x) und das zweite Referenzobjekt 20 in einer hierzu senkrechten vertikalen Richtung (z). An beiden Referenzobjekten 18, 20 sind einzelne Referenzflächen 22, 24 vorgesehen, die typischerweise als Spiegelflächen oder als reflektierende Flächen ausgebildet sind.
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An der Basis 100 ist, wie in den 1 bis 3 gezeigt, ferner ein Halter 26 beweglich angeordnet. Am Halter 26 selbst sind ein Referenzkörper 28 und die hiermit in Wirkverbindung stehende Abstandsmesseinrichtung 70 angeordnet. Am Halter 26 ist ein Lager 32 zur drehbaren Lagerung der Abstandsmesseinrichtung 70 vorgesehen. Die Abstandsmesseinrichtung 70 weist zwei entgegengesetzt ausgerichtete Abstandssensoren 34, 36 auf. Der Referenzkörper 28 weist eine den Abstandssensoren 34, 36 zugewandte, vorliegend etwa nach Art einer Zylinderinnenwandung ausgebildete Spiegel- oder Referenzfläche 30 auf. Diese ist bevorzugt als Hohlspiegel ausgebildet. Die Kontur der Referenzfläche 30 ist zur Kalibrierung der Messeinrichtung 10 präzise zu vermessen. Die Kontur und die einzelnen auf der Referenzfläche 30 abzutastenden Punkte 44 sind hinsichtlich ihrer Position bekannt und in einer Auswerteeinheit der Steuerung 60 hinterlegt.
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Die zwei entgegengesetzt ausgerichtete Abstandssensoren 34, 36 aufweisende Abstandsmesseinrichtung 70 ist bezüglich einer Drehachse 33 drehbar am Lager 32 gehalten. Die Drehachse 33 verläuft hierbei bevorzugt orthogonal zu der von den beiden Referenzobjekten 18, 20 aufgespannten Ebene (x, z). Der zum Objekt 14 gerichtete Abstandssensor 34 ist hierbei bevorzugt als Mehrwellenlängen-Sensor ausgebildet, der zur Bestimmung eines absoluten Abstands zu einem ausgewählten ersten Punkt 42 auf der zu vermessenden Oberfläche des Objekts 14 ausgebildet ist.
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Die Anordnung des Referenzkörpers 28 am Halter 26 erfolgt über einen sich horizontal und parallel zur Drehachse 33 des Lagers 32 erstreckenden Ausleger 26a während die Anordnung der Abstandsmesseinrichtung 70 am Halter 26 über einen sich parallel hierzu erstreckenden weiteren, drehbar an der Basis 100 angeordneten Ausleger 26b erfolgt, wie dies in der Seitenansicht der 2 gezeigt ist.
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Die beiden Sensoren 34, 36 sind hierbei zueinander fixiert. Sie sind zudem bezogen auf die Drehachse 33 diametral zueinander ausgerichtet. Eine Veränderung der Ausrichtung des Sensors 34 geht somit stets mit einer entsprechenden Richtungsänderung des Sensors 36 einher.
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Beide Sensoren 34, 36 messen in Reflexionsgeometrie. Das heißt, der auf den Messpunkt 42 gerichtete Messstrahl wird identisch zurückgespiegelt und vom Sensor 34 wieder detektiert und schließlich einer mit dem Sensor 34 gekoppelten, in 1 angedeuteten Sensor- bzw. Detektionseinheit einer Steuerung 60 zugeführt. Je nach Kontur des zu vermessenden Objekts 14 und der relativen Positionierung des Halters 26 gegenüber dem Objekt 14 ist die Ausrichtung bzw. Orientierung des Sensors 34 zu verändern. Eine Drehung der Abstandsmesseinrichtung 70, d. h. der beiden miteinander gekoppelten Sensoren 34, 36 um die Drehachse 33 kann jedoch eine Verschiebung des Abstandssensors 34 gegenüber dem Halter 26 mit sich bringen.
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Indem der zweite Abstandssensor 36 in einer dem ersten Sensor 34 entgegengesetzten Richtung auf die Referenzfläche 30 des Referenzkörpers 28 ausgerichtet ist, kann eine etwa durch die Drehbewegung der Abstandsmesseinrichtung 70 unweigerlich hervorgerufene Verschiebung in Bezug auf den bekannten Referenzkörper 28 präzise gemessen und im Zuge der elektronischen Auswertung aufgenommener bzw. detektierter Messsignale kompensiert werden.
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Erfährt der Sensor 34 etwa rotationsbedingt eine Verschiebung zum Beispiel in Richtung zum Objekt 14, würde dies den zu messenden Abstand 38 verringern. Eine solche Verschiebung würde aber gleichzeitig auch den zweiten Abstand 40, zwischen dem gegenüberliegenden Sensor 36 und der feststehenden Referenzfläche 30 quantitativ um das gleiche Maß vergrößern. Auf diese Art und Weise können etwaige drehbedingte Positionsungenauigkeiten der Abstandsmesseinrichtung 70 präzise vom zweiten Abstandssensor 36 durch Messung eines zweiten Abstands 40 gegenüber einem ausgewählten zweiten Messpunkt 44 auf der Referenzfläche 30 kompensiert werden.
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Die Ausrichtung der Abstandssensoren 34, 36 gegenüber der Geometrie bzw. Position des Referenzkörpers 28 ergibt sich durch den zu vermessenden Punkt 42 auf der Oberfläche des Objekts 14. Es ist hierbei denkbar, mittels geeigneter Sensoren und elektromechanischer Stelleinrichtungen den zum Objekt 14 hin gerichteten Abstandssensor 34 stets orthogonal zum jeweiligen Punkt 42 auszurichten. Der hierbei eingestellte Winkel des ersten und/oder des zweiten Abstandssensors 34, 36 kann sodann zur Bestimmung des Abstands 40 Verwendung finden.
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Der zu dem vorgegebenen Winkel tatsächlich gemessene Abstandswert 40 kann mit einem im Zuge eines Kalibrierprozesses aufgenommenen Referenzwert verglichen werden. Aus der Abweichung ergibt sich unmittelbar eine Längenkorrektur für den gemessenen Abstand 38.
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Die Position des Halters 26 gegenüber den Referenzobjekten 18, 20 und damit die Lage der Sensoren 34, 36 relativ zu den Referenzobjekten 18, 20 kann mittels zumindest zweier weiterer als Abstandssensoren 50, 54 erfolgen, die jeweils einen Abstand 51 in z-Richtung bzw. einen Abstand 55 in x-Richtung zum jeweiligen Referenzobjekt 18, 20 ermitteln.
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In der vorliegend in 3 gezeigten Ausgestaltung sind insgesamt drei Abstandssensoren vorgesehen, wobei zwei der Abstandssensoren 50, 52 dem ersten Referenzobjekt 18 zugewandt und in einem Abstand zueinander am Referenzkörper 28 oder am Träger 26 angeordnet sind. Der Abstandssensor 50 dient der Messung eines ersten Abstands 51 zum ersten Referenzobjekt 18 bzw. zu dessen Referenzfläche 22. Entsprechend der jeweiligen Position in z-Richtung wird hierbei der Abstand 51 vom Abstandssensor 50 zu einem ersten Punkt 21 auf der Referenzfläche 22 bestimmt. Gleichermaßen wird mittels eines weiteren Abstandssensors 52, welcher parallel zum Abstandssensor 50 ausgerichtet ist, ein zweiter Abstand 53 zu einem zweiten Punkt 23 der Referenzfläche 22 des Referenzobjekts 18 gemessen.
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Aus einem Vergleich von erstem und zweitem Abstand 51, 53 ist eine etwaige Verkippung oder Neigung des Referenzkörpers 28 bzw. des Halters 26 relativ zu den Referenzobjekten 18, 20 ermittelbar. Die Neigung ist dabei sowohl qualitativ als auch quantitativ bestimmbar, sodass eine hieraus resultierende Positionsveränderung der Abstandsmesseinrichtung 70 und der Drehachse 33 rechnerisch kompensiert werden kann. Die auf der Basis der Messung des ersten und des zweiten Abstands 51, 53 ermittelbare Neigung oder Verkippung des Referenzkörpers 28 bzw. des Halters 26 kann somit messtechnisch kompensiert werden. Die mittels der Abstandsmesseinrichtung 70 ermittelbaren Abstände und ein hieraus bildbares Oberflächenabbild des Objekts 14 kann hinsichtlich etwaiger Positionier- bzw. Neigungsfehler des Referenzkörpers 28 bzw. der Abstandsmesseinrichtung 70 rechnerisch korrigiert werden. Die Position des Halters 26 bzw. des daran angeordneten Referenzkörpers 130 bezüglich der x-Richtung ist mittels des weiteren Abstandssensors 54 bestimmbar. Mittels diesem wird ein Abstand 55 zum zweiten Referenzobjekt 20, bzw. zu einer Referenzfläche 24 des Referenzobjekts 20 gemessen.
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In der Querschnittsdarstellung gemäß 4 ist die Trägereinrichtung 12 in der Messebene (x, z) geschnitten dargestellt. Die Trägereinrichtung 12 kann dabei entweder als translatorische Verschiebeeinheit 200 oder als Drehlager 300 implementiert sein. Insoweit gelten sämtliche Querschnittsdarstellungen der 4, 5 und 6 gleichermaßen für eine beispielsweise in 8 perspektivisch dargestellte translatorische Verschiebeeinheit 200 als auch für ein in 10 perspektivisch gezeigtes Drehlager 300. Die mit 200 beginnenden Bezugsziffern beziehen sich dabei jeweils auf die translatorische Verschiebeeinheit 200, während die Bezugsziffern ab 300 Bezug auf den Drehlager 300 nehmen.
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Die Trägereinrichtung 12 weist einen an der Basis 100 fixierbaren bzw. fest daran angeordneten Sockel 202 oder 302 auf. An der der Basis 100 abgewandten Oberseite des jeweiligen Sockels 202, 302 ist ein Objektträger 204, 304 beweglich gelagert. Der Objektträger 204 der translatorischen Verschiebeeinheit 200 ist senkrecht zur in 4 dargestellten Zeichenebene, das heißt in y-Richtung, relativ zum Sockel 202 verschiebbar. Der Objektträger 304 des Drehlagers 300 ist hingegen bezüglich einer Drehachse 16 drehbar am entsprechenden Sockel 302 gelagert. Die Drehachse 16 erstreckt sich typischerweise senkrecht zu der von der x-Richtung und y-Richtung gebildeten Bewegungsebene (x, y). An der dem Sockel 202, 302 jeweils abgewandten Oberseite des Objektträgers 204, 304 ist ein zu vermessendes Objekt 14 positionierbar und fixierbar.
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Die Vorrichtung 10 ist im Bereich der Trägereinrichtung 12 mit insgesamt drei Referenzsensoren 220, 222, 224 ausgestattet, die mit am jeweiligen Objektträger 204, 304 angeordneten oder hieran ausgebildeten Referenzstrukturen 210a, 210b, 310 bzw. 212a, 212b, 312 zusammenwirken. Um die Position des Objektträgers 204, 304 in Vertikalrichtung, das heißt senkrecht zur Bewegungsebene (x, z) präzise zu bestimmen, sind in der Ausgestaltung gemäß 4 zwei horizontal voneinander beabstandete Referenzsensoren 222, 224 vorgesehen, die nach unten auf an der Oberseite der Trägereinrichtung 12 ausgestaltete Referenzstrukturen 212a, 212b, 312 gerichtet sind. Mittels der Referenzsensoren 222, 224 können sowohl an der linken als auch an der rechten Außenseite, an welcher sich die genannten Referenzstrukturen 212a, 212b, 312 befinden, die jeweiligen vertikalen Abstände 223, 225 zur Trägereinrichtung 12, insbesondere zum Objektträger 204, 304 bestimmt bzw. gemessen werden. Aus einem Vergleich der Abstände 223, 225 ist vor allem auch eine Neigung oder Ausrichtung 204, 304 relativ zur Horizontalen, das heißt relativ zur Bewegungsebene (x, y) bestimmbar.
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Die Referenzstrukturen 210a, 210b, 310, 212a, 212b, 312 sind sämtlichst entweder an einem einzigen ringartigen, in 11 gesondert gezeigten Referenzgebilde 306 oder an zwei separaten längserstreckten und schienenartigen Referenzgebilden 206a, 206b, wie in den 7 und 8 gezeigt, vorgesehen und hieran ausgebildet.
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Bei der in den 7 und 8 gezeigten Ausgestaltung einer translatorischen Verschiebeeinrichtung 200 sind an den oberen und senkrecht zur Verschiebebewegung (y) beabstandeten Außenrändern des Objektträgers 204 jeweils symmetrisch zueinander ausgestaltete schienenartige Referenzgebilde 206a, 206b angeordnet. Diese sind beispielsweise mittels geeigneter Befestigungselemente 230 an den linken und rechten Randbereichen des Objektträgers 204 befestigt, typischerweise hieran angeschraubt.
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Die Anordnung der in den 7 und 8 gezeigten Referenzsensoren 220, 224, 222 entspricht der Querschnittsdarstellung gemäß 5. Die schienenartigen Referenzgebilde 206a, 206b weisen jeweils an ihren dem Objektträger 204 abgewandten linken und rechten Außenseiten 208a, 208b oder Außenrändern jeweils eine Referenzstruktur 210a, 210b auf, die sich senkrecht zur Bewegungsebene (x, y) und in Bewegungsrichtung (y) erstreckt. Insoweit weisen die Referenzstrukturen 210a, 210b eine sich in z-Richtung und y-Richtung erstreckende Referenzfläche auf. Mittels des außerhalb bzw. rechts vom rechten Referenzgebilde 206b an der Basis 100 angeordneten Referenzsensor 220, kann ein horizontaler Abstand 221 zwischen dem Referenzsensor 220 und dem Referenzgebilde 206b bzw. seiner daran ausgestalteten Referenzstruktur 210b gemessen werden.
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Da die Position und Geometrie des Referenzgebildes 210b relativ zum Objektträger 204 bekannt ist oder durch Kalibrierung bei Inbetriebnahme der Vorrichtung 10 bestimmt wird, kann über die Messung des horizontalen Abstands 221 die x-Position des in y-Richtung verschiebbaren Objektträgers 204 ermittelt werden. Die beiden übrigen links und rechts des Objektträgers 204 angeordneten Referenzsensoren 222 und 224 wirken mit einer sich parallel zur Bewegungsebene (x, y) erstreckenden Referenzstruktur 212a, 212b zusammen.
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Jene Referenzstrukturen 212a, 212b befinden sich oberhalb der Referenzsensoren 222, 224. Mittels eines an den Sensoren 222, 224 vorgesehenen Umlenkspiegels 232, kann der von den betreffenden Referenzsensoren 222, 224 ausgesendete Messstrahl nach oben umgelenkt und auf die parallel zur Bewegungsebene (x, y) ausgerichteten an beiden Referenzgebilden 206a, 206b vorgesehenen Referenzstrukturen 212a, 212b gelenkt werden.
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In der Ausgestaltung gemäß 5 befinden sich die beiden Referenzstrukturen 212a, 212b an einer Unterseite eines nach außen, weg vom Objektträger 204 ragenden Schenkelabschnitts 214a, 214b. Durch die Wechselwirkung der Referenzsensoren 222, 224 mit je einer Referenzstruktur 212a, 212b, die an gegenüberliegenden Außenseiten des Objektträgers 204 angeordnet sind, kann eine Verkippung bzw. eine Ausrichtung des Objektträgers 204 relativ zur Horizontalen und in der Messebene x, z präzise ermittelt werden. Die mittels der Abstandsmesseinrichtung 70 abscannbare Oberfläche 15 des Objekts 14 und das hiervon gewonnene Oberflächenabbild kann entsprechend der über die Referenzsensoren 220, 222, 224 erhältlichen Messsignale korrigiert werden. Die Anforderungen an die mechanische Lagerung für den Objektträger 204, 304 können somit in kosteneinsparender Weise reduziert werden. Der Objektträger 204 kann insoweit rollengelagert, luftgelagert als auch magnetgelagert am Sockel 202, 302 angeordnet sein.
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Die in 5 gezeigte Querschnittsdarstellung gilt auch gleichermaßen für das in den 10 und 11 isoliert gezeigt Drehlager 300. Hierbei ist der Objektträger 304 bezüglich einer Drehachse 16 drehbar am mit der Basis 100 fest verbundenen Sockel 302 gelagert. An der Oberseite des Objektträgers 304 ist das in 11 gesondert und von unten gezeigte ringartige Referenzgebilde 306 befestigbar. Dieses weist der Basis 100 zugewandt, einen umlaufenden Außenrand 308 auf, an welchem die ringartig und sich in Z-Richtung, also parallel zur Drehachse 16 erstreckende Referenzstruktur 310 ausgebildet ist. An der Unterseite eines oben am Referenzgebilde 306 radial nach außen abstehenden Schenkelabschnitts 314 ist eine gleichermaßen umlaufende ringartige und sich im Wesentlichen parallel zur Bewegungsebene (x, y) ausgerichtete Referenzstruktur 312 angeordnet. Das Messprinzip ist hierbei weitgehend identisch zu dem zur translatorischen Verschiebeeinheit 200 beschriebenen Mess- und Korrekturprinzip.
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In den beiden übrigen Ausgestaltungen, gemäß der 4 und 6, sind sowohl für die Ausgestaltung einer translatorischen Verschiebeeinrichtung 200 als auch für die Ausgestaltung eines Drehlagers 300 die sich parallel zur Bewegungsebene (x, y) erstreckenden Referenzstrukturen 212a, 212b bzw. 312 entweder, wie in 4 dargestellt, an der Oberseite der schienenartigen Referenzgebilde 306a, 306b oder an der in 11 nicht explizit gezeigten Oberseite des ringartigen Referenzgebildes 306 vorgesehen. Die hiermit in Wirkverbindung stehenden Referenzsensoren 224 befinden sich dabei oberhalb der Bewegungsebene bzw. oberhalb des Objektträgers 204. Sie sind jedoch nach unten zu den jeweiligen Referenzstrukturen 212a, 212b, 312 gerichtet.
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In der weiteren Ausgestaltung gemäß 6 ist eine umgekehrte Konstellation vorgesehen, bei welcher die Referenzstrukturen 212a, 212b, 312 an der Unterseite des seitlich vom Objektträger 204 übersehenden Referenzgebildes 206a, 206b, 306 angeordnet sind. Dementsprechend befinden sich die hiermit in Wirkverbindung tretenden Referenzsensoren 222, 224 unterhalb der Referenzgebilde 206a, 206b bzw. 306. Sie sind demgemäß nach oben, zu den betreffenden Referenzstrukturen 212a, 212b, 312 ausgerichtet.
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Die parallele Anordnung sämtlicher Referenzsensoren 220, 222, 224 und die Implementierung von Umlenkspiegeln 232 bei zweien der Referenzsensoren 222, 224 erweist sich aus bauraumtechnischen Gründen durchaus als vorteilhaft. Mit jener Strahlumlenkung kann eine besonders kompakte und platzsparende Anordnung der Referenzsensoren 220, 222, 224 erfolgen.
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In 14 ist schließlich ein Flussdiaramm des Verfahrens gezeigt. In einem ersten Schritt 400 wird das zu vermessende Objekts 14 an der Trägereinrichtung 12, insbesondere an dem Objektträger 204, 304 der Trägereinrichtung 12 angeordnet. In einem weiteren Schritt 402 wird die Oberfläche 15 des Objekts 14 mittels der Abstandsmesseinrichtung 70 typischerweise berührungslos abgetastet bzw. abgescannt. Hierbei wird der Objektträger 204, 304 in der Bewegungsebene (x, y) relativ zum Sockel 202, 302 bewegt. Jene Bewegung kann beispielsweise schrittweise erfolgen, wobei nach jedem Bewegungsschritt in der Bewegungsebene (x, y) die Abstandsmesseinrichtung 70 die gesamte Oberflächenkontur des Objekts 14 abtastet oder abscannt, die sich in der typischerweise senkrecht zur Bewegungsrichtung erstreckenden Messebene der Abstandsmesseinrichtung befindet. Durch jenes sukzessive Abscannen der Oberfläche des Objekts wird ein der Oberfläche entsprechendes Oberflächenabbild erzeugt, insbesondere aus den mittels der Abstandsmesseinrichtung gemessenen Abständen berechnet.
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Hiernach oder zeitgleich werden in einem Schritt 404 die Messsignale der drei Referenzsensoren ausgewertet, um die Position um die genaue Position und Ausrichtung des Objektträgers 204, 304 während der Bewegung des Objektträgers 204, 304 im Verlauf des Scannprozesses zu bestimmen. Anhand jener Messsignalauswertung ist für jede Position des Objektträgers in Bewegungsrichtung die vertikale Position als auch die Ausrichtung des Objektträgers 204, 304, insbesondere in der Messebene (x, z) der Abstandsmesseinrichtung 70, bestimmbar.
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Mittels jener Positions- und Ausrichtungsbestimmung des Objektträgers wird schließlich im Schritt 406 eine Fehlerkorrektur am Oberflächenabbild durchgeführt. Es ist dabei gleichermaßen denkbar, dass jene Fehlerkorrektur unmittelbar und direkt in die ursprüngliche Erzeugung und Berechnung des Oberflächenabbilds einfließt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Trägereinrichtung
- 14
- Objekt
- 15
- Oberfläche
- 18
- Referenzobjekt
- 20
- Referenzobjekt
- 21
- Punkt
- 22
- Referenzfläche
- 23
- Punkt
- 24
- Referenzfläche
- 26
- Halter
- 26a
- Ausleger
- 26b
- Ausleger
- 28
- Referenzkörper
- 30
- Referenzfläche
- 32
- Lager
- 33
- Drehachse
- 34
- Abstandssensor
- 36
- Abstandssensor
- 38
- Abstand
- 40
- Abstand
- 42
- Messpunkt
- 44
- Messpunkt
- 50
- Abstandssensor
- 51
- Abstand
- 52
- Abstandssensor
- 53
- Abstand
- 54
- Abstandssensor
- 55
- Abstand
- 60
- Steuerung
- 70
- Abstandsmesseinrichtung
- 100
- Basis
- 104
- Gestell
- 105
- Schenkel
- 106
- Schenkel
- 108
- Verbindungsbalken
- 200
- Translatorische Verschiebeeinrichtung
- 202
- Sockel
- 204
- Objektträger
- 206a, b
- Referenzgebilde
- 208a, b
- Außenseite
- 210a, b
- Referenzstruktur
- 212a, b
- Referenzstruktur
- 214a, b
- Schenkelabschnitt
- 220
- Referenzsensor
- 221
- Abstand
- 222
- Referenzsensor
- 223
- Abstand
- 224
- Referenzsensor
- 225
- Abstand
- 230
- Befestigungselement
- 232
- Umlenkspiegel
- 300
- Drehlager
- 302
- Sockel
- 304
- Objektträger
- 306
- Referenzgebilde
- 308
- Außenseite
- 310
- Referenzstruktur
- 312
- Referenzstruktur
- 314
- Schenkelabschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011011065 B4 [0003, 0039]
