DE102019102873A1

DE102019102873A1 - Sensorsystem zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts

Info

Publication number: DE102019102873A1
Application number: DE102019102873.6A
Authority: DE
Inventors: Nico Correns; Uwe Nehse; Stefan Mühlig
Original assignee: Carl Mahr Holding GmbH; Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Mahr Holding GmbH; Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2019-02-06
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2039-02-07
Also published as: DE102019102873B4

Abstract

Ein Sensorsystem (9) zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts (10) weist einen Sensor (11) und eine Auswerte- und Steuereinrichtung (28) auf. Der Sensor (11) weist eine Weißlichtquelle (12), eine optische Anordnung (16), eine erste Sonde (20) und eine Spektrometeranordnung (22) auf. Die Weißlichtquelle (12) ist ausgebildet, um einen ersten Lichtstrahl (14) auszusenden. Die erste Sonde (20) ist ausgebildet, um aus dem ersten Lichtstrahl (14) durch Aufprägung einer chromatischen Längsaberration einen ersten Messstrahl (18) zu generieren. Die erste Sonde (20) ist zur Beaufschlagung des Messobjekts (10) mit dem ersten Messstrahl (18) ausgebildet. Die Spektrometeranordnung (22) ist dazu ausgebildet, von dem Messobjekt (10) reflektiertes Licht (24) des ersten Messstrahls (18) spektral in erstes spektral zerlegtes Licht (86) zu zerlegen und mindestens einen zweiten Lichtstrahl (26) spektral in zweites spektral zerlegtes Licht (88) zu zerlegen. Die Spektrometeranordnung (22) ist dazu ausgebildet, das erste spektral zerlegte Licht (86) in erste elektrische Signale (90) umzuwandeln und das zweite spektral zerlegte Licht (88) in zweite elektrische Signale (92) umzuwandeln. Die Auswerte- und Steuereinrichtung (28) ist dazu ausgebildet, aus den ersten elektrischen Signalen (90) eine erste spektrale Verteilung zu ermitteln und aus der ersten spektralen Verteilung einen ersten Abstandswert zu ermitteln. Die Auswerte- und Steuereinrichtung (28) ist ferner dazu ausgebildet, aus den zweiten elektrischen Signalen (92) eine zweite spektrale Verteilung zu ermitteln. Die Spektrometeranordnung (22) ist dazu ausgebildet, die erste spektrale Verteilung und die zweite spektrale Verteilung wahlweise simultan oder zeitversetzt zu ermitteln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts, wobei das Sensorsystem einen Sensor und eine Auswerte- und Steuereinrichtung aufweist, wobei der Sensor eine Weißlichtquelle, eine optische Anordnung, eine erste Sonde und eine Spektrometeranordnung aufweist, wobei die Weißlichtquelle ausgebildet ist, um einen ersten Lichtstrahl auszusenden, wobei die erste Sonde ausgebildet ist, um aus dem ersten Lichtstrahl durch Aufprägung einer chromatischen Längsaberration einen ersten Messstrahl zu generieren, wobei die erste Sonde zur Beaufschlagung des Messobjekts mit dem ersten Messstrahl ausgebildet ist, wobei die Spektrometeranordnung dazu ausgebildet ist, von dem Messobjekt reflektiertes Licht des ersten Messstrahls spektral in erstes spektral zerlegtes Licht zu zerlegen und mindestens einen zweiten Lichtstrahl spektral in zweites spektral zerlegtes Licht zu zerlegen. Die Spektrometeranordnung ist dazu ausgebildet, das erste spektral zerlegte Licht in erste elektrische Signale umzuwandeln und das zweite spektral zerlegte Licht in zweite elektrische Signale umzuwandeln. Die Auswerte- und Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, aus den ersten elektrischen Signalen eine erste spektrale Verteilung zu ermitteln und aus der ersten spektralen Verteilung einen ersten Abstandswert zu ermitteln. Die Auswerte- und Steuereinrichtung ist ferner dazu ausgebildet, aus den zweiten elektrischen Signalen eine zweite spektrale Verteilung zu ermitteln.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts, mit den Schritten:

- Bereitstellen eines Sensorsystems mit einem Sensor und einer Auswerte- und Steuereinrichtung, wobei der Sensor eine Weißlichtquelle, eine optische Anordnung, eine erste Sonde und eine Spektrometeranordnung aufweist,
- Anordnen des Messobjekts relativ zu dem Sensorsystem,
- Aussenden eines ersten Lichtstrahls mittels der Weißlichtquelle,
- Generieren eines ersten Messstrahls mittels der ersten Sonde durch Aufprägung einer chromatischen Längsaberration auf den ersten Lichtstrahl,
- Beaufschlagen des Messobjekts mit dem ersten Messstrahl mittels der ersten Sonde,
- Spektrales Zerlegen von von dem Messobjekt reflektiertem Licht des ersten Messstrahls in erstes spektral zerlegtes Licht mittels der Spektrometeranordnu ng,
- Spektrales Zerlegen eines zweiten Lichtstrahls in zweites spektral zerlegtes Licht mittels der Spektrometeranordnung,
- Umwandeln des ersten spektral zerlegten Lichts in erste elektrische Signale und des zweiten spektral zerlegten Lichts in zweite elektrische Signale mittels der Spektrometeranordnung,
- Ermitteln einer ersten spektralen Verteilung aus den ersten elektrischen Signalen mittels der Auswerte- und Steuereinrichtung,
- Ermitteln eines ersten Abstandswerts aus der ersten spektralen Verteilung mittels der Auswerte- und Steuereinrichtung, und
- Ermitteln einer zweiten spektralen Verteilung aus den zweiten elektrischen Signalen mittels der Auswerte- und Steuereinrichtung.

DE 102014008584 A1 offenbart eine optische Messvorrichtung zur in-situ Erfassung einer Abstandsdifferenz zwischen einem Träger und einem Randbereich eines zu vermessenden Objekts. Die optische Messvorrichtung weist einen Messkopf mit dualer Strahlführung, die einen ersten Messstrahl auf den Träger und einen zweiten Messstrahl auf den Randbereich des zu messenden Objekts richtet, auf. Mittel sind zum Erfassen und Bilden von Reflexionsspektren des ersten auf den Träger gerichteten Messstrahls und des zweiten auf den Randbereich des zu vermessenden Objekts gerichteten Messstrahls vorgesehen. Die Messvorrichtung weist ein mehrkanaliges Messgerät mit einer Spektrometerzeile auf. Eine Auswerteeinheit für die Reflexionsspektren zum Erfassen der Stufenhöhe zwischen dem Träger und dem Randbereich des Objekts steht mit einem Spektrometer und einem Anzeigegerät in Wirkverbindung.
DE 102012210954 A1 beschreibt eine Spektrometeranordnung, welche in einer Lichtausbreitungsrichtung nacheinander eine Sammeloptik, ausgebildet zur Bündelung und Ausrichtung des einfallendes Lichtes auf einen Eintrittsspalt, und ein dem Eintrittsspalt nachgeordnetes Abbildungssystem mit mindestens einem dispersiven Element, ausgebildet zur Abbildung eines Dispersionsspektrum des einfallenden Lichtbündels auf eine ortsauflösende Detektionseinrichtung, umfasst. Der Eintrittsspalt ist reflektierend ausgeführt. Mindestens die Sammeloptik, der Eintrittsspalt und ein abbildendes Gitter sind in einem Modul zusammengefasst, wobei sie als Komponenten in einen monolithischen Grundkörper integriert sind oder als optisch wirksame Formen oder Strukturen an einem monolithischen Grundkörper ausgebildet sind.
DE 102011084348 A1 beschreibt ein miniaturisiertes optoelektronisches System zur Spektralanalyse. Das in DE 102011084348 A1 offenbarte System zur Spektralanalyse kann insbesondere als Mehrkanalspektrometer ausgebildet sein.
Auf der Internetseite http://www.precitec.de/produkte/optische-messtechnik/chromatisch-konfokale-sensoren/chrocodile-c/ (Download am 12.12.2017) wird ein chromatisch-konfokaler Sensor, CHRocodile C, präsentiert. Der ultrakompakte CHRocodile C Sensor soll hochgenaue Abstands- und Dickenmessungen erlauben, sich hervorragend für Inprozesskontrollen eignen und sei einfach in Inline-Inspektionsmaschinen zu integrieren.
DE 102005022819 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der absoluten ortsaufgelösten doppelseitigen Topographie und Dicke von Proben mittels zweier gegenüberliegender konfokal arbeitender Mikroskope. Hierbei wird nach Kalibrierung des Geräts von beiden Seiten der Probe die Topographie gemessen, summiert und die Kalibrationsebene subtrahiert.
DE 102012021179 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergrößerung des Auflösungsvermögens beim Linienscannen technischer Oberflächen mittels zweier aus mindestens einer Lichtquelle emittierten kollimierten Lichtstrahlen, die über ein diffraktives optisches Element und eine fokussierende Linse jeweils auf einer Zeile in gleichmäßigen Abständen nebeneinander angeordnete Lichtspots erzeugen.
WO 2015/082683 A2 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur taktiloptischen Messung geometrischer Merkmale beziehungsweise Strukturen an einem Werkstück. Um eine exakte Ausrichtung der Tasterverlängerung zur Durchführung präziser Messungen problemlos vornehmen zu können, wird ein Taster umfassend eine zumindest abschnittsweise biegeelastisch ausgebildete Tasterverlängerung mit einem Befestigungsabschnitt zum Einbringen in eine Aufnahme vorgeschlagen, die einen als Verdrehsicherung ausgebildeten Befestigungsabschnitt aufweist.
WO 03/008898 A1 offenbart ein Koordinatenmessgerät mit zumindest einem diesen zugeordneten und/oder in diesem integrierten wärmeabgebenden Element wie Motor oder Lichtquelle. Um temperaturbedingte Messungenauigkeiten auszuschließen, wird vorgeschlagen, dass dem wärmeabgebenden Element eine Zusatzwärmequelle derart zugeordnet ist, dass eine auf das Koordinatenmessgerät einwirkende Gesamtleistung konstant oder nahezu konstant ist.
DE 102010060124 A1 offenbart ein Verfahren zur Temperaturkompensation bei der Bestimmung von Strukturen und/oder Geometrie eines Objektes wie Werkstücks mittels eines Sensorsystems, vorzugsweise eines optischen oder taktilen oder optisch-taktilen oder computertomographischen Sensorsystems. Zur Korrektur der Messergebnisse kann zumindest ein Temperatursensor in das Sensorsystem integriert werden.
Aus dem Stand der Technik sind mehrere Möglichkeiten zur optischen Abstandsmessung bekannt, welche sich durch die verwendete Auswerteeinheit unterscheiden. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit ein Interferometer beinhalten. In diesem Fall hat das Licht der verwendeten Lichtwelle vorteilhafterweise ein schmalbandiges Spektrum. Typische Kohärenzlängen liegen im Bereich von einigen fünf bis zehn µm. Dieses Licht wird durch einen Strahlteiler aufgeteilt. Ein Teil des Lichts wird mittels einer optischen Verbindung direkt zu dem Interferometer übertragen. Hierbei handelt es sich um das Referenzsignal. Ein zweiter Teil des Lichts wird durch die Sonde auf die zu messende Oberfläche geleitet. Von der Oberfläche reflektiertes Licht wird durch die Sonde aufgenommen und anschließend durch eine optische Verbindung zu dem Interferometer übertragen. Hierbei handelt es sich um das Messsignal. Das Interferometer bestimmt einen Weglängenunterschied zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal. Dieser Weglängenunterschied lässt sich anhand der Schwerpunktswellenlänge des Spektrums in einen Abstandswert zwischen Sonde und zu messender Oberfläche umrechnen. Durch Verwendung von kohärentem Licht ist eine absolute Bestimmung des Weglängenunterschieds und damit eine absolute Abstandsmessung möglich. Beispiele für die Anwendung dieser sogenannten Weißlichtinterferometrie sind der IPS 15 der Firma Mahr, der White Point der Firma Bosch sowie der LuphoSmart der Firma Luphos.
Eine zweite Möglichkeit zur optischen Abstandsmessung basiert auf der Verwendung eines Spektrometers als Auswerteeinheit. Bei chromatisch-konfokalen Distanzsensoren wird üblicherweise Licht mit einem relativ breiten Spektrum eingesetzt, beispielsweise eine weiße Punktlichtquelle von nur wenigen Mikrometern Durchmesser, und beispielsweise mit einer nicht farbkorrigierten Optik auf das Objekt fokussiert. Üblicherweise werden durch Dispersion kurzwellige Lichtanteile in einer anderen Distanz hinter einer Linse fokussiert als langwellige Lichtanteile. Beispielsweise fokussiert die Sonde das Licht auf die zu messende Oberfläche. Durch den Farblängsfehler der Sonde liegen die Fokuspunkte der Sonde üblicherweise entlang der optischen Achse auseinander. Kurzwelliges Licht wird üblicherweise näher zu der Sonde fokussiert und langwelliges Licht weiter von der Sonde entfernt. An dem Objekt reflektiertes Licht wird über die gleiche Optik wieder abgebildet und mittels eines Strahlteilers von dem Beleuchtungsstrahlengang ausgekoppelt und auf eine Blende abgebildet. Je nach Abstand der Sonde zu der zu messenden Oberfläche wird ein bestimmter spektraler Anteil besonders stark von der zu messenden Oberfläche reflektiert. Hierbei handelt es sich üblicherweise um den Anteil, den die Sonde auf die zu messende Oberfläche fokussiert. Dieser Anteil wird vorrangig durch die Sonde wieder aufgenommen und durch die optische Verbindung zu dem Spektrometer übertragen. Mittels des Spektrometers können die Amplituden der jeweiligen spektralen Anteile ausgewertet werden. Das Spektrometer kann beispielsweise die dominanten Wellenlängen des reflektierten Lichtes hinter einer Lochblende bestimmen. Aus dem Wissen über die Fokusweiten der einzelnen Wellenlängen kann aus den dominanten Wellenlängen direkt ein Objektabstand bestimmt werden. Beispielsweise kann eine zuvor durchgeführte Kalibrierung eine Umrechnung der spektralen Komponente mit der höchsten Amplitude in einen Abstandswert zwischen Sonde und zu messender Oberfläche erlauben. Beispiele für eine chromatisch-konfokale Abstandsmessung können Precitec CHRocodile und nanoFocus sein.
Optisch messende Abstandssysteme sind zum Teil modular aufgebaut. Sie umfassen üblicherweise eine Sonde und eine Auswerteinheit sowie eine optische Verbindung beider. Die Sonde fokussiert Licht eines bestimmten Spektralbereiches auf eine zu messende Oberfläche des Messobjektes. Das Licht wird an der Oberfläche reflektiert und durch die Sonde aufgenommen. Eine optische Verbindung überträgt das aufgenommene Licht zu der Auswerteeinheit. Bei der Auswerteeinheit kann es sich beispielsweise um ein Interferometer oder ein Spektrometer handeln, je nach verwendetem Messprinzip. Die Auswerteeinheit kann eine Kamera umfassen und aus dem optischen Signal ein elektrisches Signal erzeugen. Das elektrische Signal ist das Messergebnis. Das Messergebnis bezieht sich hierbei auf einen Punkt der Oberfläche des Messobjektes.
Ein modularer Aufbau mit Sonde, optischer Übertragung und Auswerteeinheit weist mehrere Nachteile auf. Bei Umsetzung der optischen Übertragung durch einen Lichtwellenleiter darf der Lichtwellenleiter bei der Messung nicht bewegt werden, um Einflüsse durch Verdrillung und/oder Verbiegung zu minimieren. Dies ist häufig schwierig, da die Sonde über das zu messende Objekt üblicherweise bewegt werden muss.
Beispielsweise werden breitbandige Weißlichtquellen hoher Intensität und gleichmäßiger spektraler Verteilung eingesetzt. Bei breitbandigen Lichtquellen sind die Intensität und die spektrale Verteilung unter variablen Umgebungsbedingungen üblicherweise weder konstant noch vorhersehbar.
Marktübliche Spektrometer sind üblicherweise bezüglich der Baugröße bei einer Integration in einen Sensor nachteilig. Handelsübliche mehrstrahlige Spektrometer haben eine Baugröße, welche eine direkte Montage im Sensor ausschließt.
Ein Einsatz von Fasern kann zu einer Veränderung der Intensität und der spektralen Verteilung des übertragenen Lichtes führen. Fasern, insbesondere Lichtwellenleiter, haben beispielsweise die Eigenschaft, bei einer Änderung des Biegeradius die Intensität und die spektrale Verteilung des weitergeleiteten Lichtes zu verändern. Weiterhin können Verluste an Koppelstellen auftreten.
Eine optische Verbindung zwischen der Sonde und der Auswerteeinheit mittels eines Lichtwellenleiters kann problematisch sein. Lichtwellenleiter sind üblicherweise flexibel in der Anwendung und kostengünstig. Allerdings weisen Lichtwellenleiter üblicherweise eine niedrige optische Koppeleffizienz auf und/oder eine Veränderung einer optischen Übertragungsfunktion bei Verdrillung und/oder Verbiegung der Lichtwellenleiter, wie insbesondere oben beschrieben. Hierdurch kann es zu einer Veränderung des aufgenommenen Lichtes der Sonde, beispielsweise der Phasenlage und/oder des Spektrums kommen, was final zu einer Veränderung des detektierten Messsignales führen kann. Die optische Übertragungsfunktion des Lichtwellenleiters ist weiterhin üblicherweise abhängig von der Umgebungstemperatur.
Kommen Lichtwellenleitern als optischer Verbindung zwischen Sonde und Auswerteeinheit bei beiden obigen Messverfahren zum Einsatz, werden beispielsweise eine Verbiegung und ein Verdrillen der Lichtwellenleiter während der Messung vermieden, beispielsweise durch eine Vermeidung einer Bewegung des Lichtwellenleiters während der Messung.
Nachteilig können eine thermische Drift des Sensors, der Lichtquelle und/oder des Spektrometers sein. Der Farblängsfehler kann sich durch Änderung der Temperatur, insbesondere der Umgebungstemperatur, verändern, beispielsweise aufgrund einer Temperaturabhängigkeit der Dispersion der optischen Elemente. Dies kann zu Verfälschungen der Messergebnisse führen.
Umwelteinflüsse können durch Kalibrierung des Messsystems bei bekannter Umgebungstemperatur und bekanntem Druck ermittelt werden. Durch Konstanthalten der Umgebungsbedingungen während der Messung kann deren Einfluss minimiert werden. Dieses Konstanthalten kann allerdings nicht immer gewährleistet werden kann, insbesondere bei Messungen unter Fertigungsbedingungen.
Intensität und spektrale Verteilung des Umgebungslichtes sind üblicherweise weder konstant noch vorhersehbar. Bei Messungen bei starkem Umgebungslicht kann es weiterhin zu Verfälschungen der Messergebnisse kommen. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen wird die Änderung der Intensität und der spektralen Verteilung des Umgebungslichtes üblicherweise vernachlässigt.
Weiterhin kann eine Oberflächenbeschaffenheit der Probe das Messergebnis beeinflussen. Verfälschungen können sich beispielsweise aus Flüssigkeitsschichten auf der Oberfläche des Messobjektes ergeben. Beispielsweise kann eine Ölschicht auf der Oberfläche einer Probe das Messsignal beeinflussen.
Aus dem Stand der Technik bekannte optische Messsysteme sind üblicherweise einkanalig ausgelegt. Pro Messtakt wird im Allgemeinen ein einziger Abstandswert als Messsignal ausgegeben. Ein Einfluss von Umgebungsänderungen, beispielsweise hinsichtlich einer Temperatur und/oder eines Drucks, auf das ermittelte Abstandssignal kann nicht erfasst werden.
Optisch messende Abstandssysteme müssen in der Regel auch einen Antastvorgang, insbesondere eine Annäherung der Sonde an das Messobjekt bis zu einem Erreichen einer Messposition, optisch durchführen. Demnach ist es üblicherweise erforderlich, dass bei dem Antastvorgang immer ein optisches Signal an der Oberfläche reflektiert wird und ein reflektiertes optisches Signal durch die Sonde detektiert werden kann. Ist dies nicht der Fall, kann von der Auswerteeinheit kein Abstandssignal detektiert werden und es kann zu Kollisionen der Sonde mit dem Messobjekt kommen. Es kann eine Beeinträchtigung der verwendeten Optik erfolgen, beispielsweise eine Verschmutzung und Beschädigung der optischen Elemente der Sonde.
Um eine mögliche Beschädigung bei einer Kollision der Sonde mit dem zu messenden Objekt zu minimieren wird beim Antasten mittels optischen Signalen üblicherweise mit sehr geringen Antastkräften und Antastgeschwindigkeiten gearbeitet.
Bei Verwendung eines Interferometers als Auswerteeinheit ist üblicherweise das gesamte Messsystem, von der Lichtquelle bis zu dem elektronischen Abstandssignal, im Vergleich zu taktilen Tastern relativ groß. Weiterhin haben Interferometer vergleichsweise hohe Herstellungskosten.
Bei Verwendung eines Spektrometers als Auswerteeinheit kann hinsichtlich des Bauraums prinzipiell eine Vorrichtung vergleichbar zu einem taktilen Taster erzielt werden. Allerdings weisen solche miniaturisierten Spektrometer üblicherweise verschiedene Probleme auf, wie beispielsweise einen geringen Lichtleitwert, eine geringe Koppeleffizienz oder eine unzureichende spektrale Auflösung. Spektrometer, welche die beschriebenen Probleme nicht aufweisen, sind in der Regel mit einem großen Bauraum verbunden. Herstellungskosten von Spektrometern sind im Vergleich zu Herstellungskosten von Interferometern reduziert. Allerdings weisen Spektrometer üblicherweise eine starke Temperaturabhängigkeit auf, welche durch einkanalige Messsysteme nicht erfasst werden kann.
Angesichts dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor und ein Verfahren bereit zu stellen, die in Bezug auf Messzeit, Kosten und Bauraum eine effiziente Messung an einem Messobjekt mit hoher Messgenauigkeit ermöglichen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Sensor der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Spektrometeranordnung dazu ausgebildet ist, die erste spektrale Verteilung und die zweite spektrale Verteilung wahlweise simultan oder zeitversetzt zu ermitteln. Gemäß einem weiteren Aspekt wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei die erste spektrale Verteilung und die zweite spektrale Verteilung wahlweise simultan oder zeitversetzt mittels der Spektrometeranordnung ermittelt werden. Das Sensorsystem kann eine Vorrichtung sein, welche eingerichtet ist, um zumindest eine räumliche Koordinate des Messobjekts, wie etwa den Abstand eines Messpunktes zu einem Referenzpunkt, zu erfassen. Der Referenzpunkt kann beispielsweise an einem Element des Sensorsystems sein. Das Sensorsystem kann eingerichtet sein zur Bestimmung von Eigenschaften einer Oberfläche und/oder von Eigenschaften einer Grenzfläche und/oder von Eigenschaften einer definierten Schicht eines geschichteten Messobjekts. Das Sensorsystem kann beispielsweise ausgebildet sein, um mindestens eine Messgröße zu erfassen, die ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend mindestens einen Abstandswert, beispielsweise zwischen einem Punkt auf einer Oberfläche des Messobjekts und dem Referenzpunkt, mindestens eine Distanz, beispielsweise eine Differenz zwischen zwei Abstandswerten, mindestens eine Dicke, eine Topografie, eine Textur, eine Oberflächenqualität und eine Eigenschaft mindestens einer Beschichtung. Das Messobjekt kann beispielsweise homogen ausgestaltet sein. Alternativ hierzu kann das Messobjekt eine Vielzahl von Schichten umfassen.
Der Sensor kann vorteilhaft eine breitbandige Lichtquelle, insbesondere eine kostengünstige Weißlichtquelle, aufweisen. Die Weißlichtquelle kann eine chromatische Lichtquelle sein, beispielsweise eine breitbandige Lichtquelle im für das menschliche Auge sichtbaren Spektrum, beispielsweise mit einem Spektrum zwischen 380 nm und 780 nm. Alternativ oder zusätzlich kann die Weißlichtquelle eingerichtet sein, um Licht in einem nicht sichtbaren Bereich zu liefern, beispielsweise Infrarotstrahlung und/oder Ultraviolettstrahlung. Die breitbandige Lichtquelle kann eine spektrale Breite von beispielsweise mindestens 300 nm, bevorzugt von mindestens 800 nm, besonders bevorzugt von mindestens 1000 nm aufweisen.
Bevorzugt kann die spektrale Breite der Spektrometeranordnung der spektralen Breite der Weißlichtquelle entsprechen. Vorteilhaft kann die spektrale Breite der ersten spektralen Verteilung der spektralen Breite der zweiten spektralen Verteilung entsprechen. Bevorzugt kann das Spektrum der ersten spektralen Verteilung dem Spektrum der zweiten spektralen Verteilung entsprechen. Beispielsweise kann das Spektrum der Weißlichtquelle dem Spektrum der ersten spektralen Verteilung entsprechen.
Insbesondere kann die Weißlichtquelle eine breitbandige Lichtquelle aufweisen. Die Weißlichtquelle kann beispielsweise eine Weißlichtquelle mit einer kontinuierlichen spektralen Verteilung sein. Alternativ hierzu kann die Weißlichtquelle beispielsweise mindestens zwei diskrete Frequenzbereiche, beispielsweise diskrete Linien, aufweisen. Die Weißlichtquelle kann beispielsweise mindestens ein Element aufweisen ausgewählt aus der Gruppe, umfassend einen Laser, eine Leuchtdiode, eine Glühlampe, eine Leuchtstoffröhre, und eine Gasentladungslampe.
Die erste Sonde kann bevorzugt ausgebildet sein, um eine chromatische Längsaberration auf den ersten Lichtstrahl aufzuprägen. Alternativ oder zusätzlich können zumindest Teile der optischen Anordnung ausgebildet sein, um eine chromatische Längsaberration auf den ersten Lichtstrahl aufzuprägen. Die optische Anordnung kann beispielsweise ausgebildet sein, um den ersten Lichtstrahl und/oder den ersten Messstrahl aufzuteilen, beispielsweise auf unterschiedliche Sonden, insbesondere mittels eines Strahlteilers und/oder eines Gitters. Beispielsweise kann die optische Anordnung in die erste Sonde integriert sein. Alternativ hierzu kann die erste Sonde in die optische Anordnung integriert sein. Die optische Anordnung und/oder die erste Sonde können beispielsweise ein dispersives Element, insbesondere eine Linse oder Linsengruppe, und/oder ein diffraktives Element, beispielsweise ein oder mehrere Beugungsgitter, aufweisen. Das dispersive Element ist ein Element, bei welchem eine Eigenschaft der Lichtausbreitung von der Frequenz des Lichts abhängt, bevorzugt ein Brechungsindex. Bevorzugt kann das dispersive Element eine Linse und/oder ein Prisma aufweisen. Das diffraktive Element ist ein Element, an welchem Beugungseffekte auftreten. Beispielsweise kann das diffraktive Element ein Gitter aufweisen.
Die optische Anordnung kann beispielsweise die erste Sonde umfassen. Alternativ hierzu kann die erste Sonde separat von der optischen Anordnung ausgestaltet sein.
Die optische Anordnung und/oder die erste Sonde sind insbesondere ausgebildet, um im Bereich einer Oberfläche des Messobjekts entlang einer optischen Achse eine, vorzugsweise kontinuierliche, Verteilung von Fokusebenen von Lichtanteilen unterschiedlicher Frequenz auszubilden.
Die erste Sonde und/oder die optische Anordnung können ausgebildet sein, um den ersten Messstrahl auf das Messobjekt zu leiten. Alternativ oder zusätzlich können die erste Sonde und/oder die optische Anordnung ausgestaltet sein, um reflektiertes Licht, insbesondere reflektiertes Licht des ersten Lichtstrahls, von dem Messobjekt zu der Spektrometeranordnung zu leiten. Der Sensor kann bevorzugt konfokal ausgestaltet sein.
Der erste Abstandswert kann beispielsweise ein Abstand zwischen einem Messpunkt des Messobjekts und einem Referenzpunkt sein. Der Referenzpunkt kann beispielsweise an dem Sensor angeordnet sein, beispielsweise an der ersten Sonde.
Die optische Anordnung kann eine raumfeste Optik aufweisen, insbesondere um den ersten Lichtstrahl zu verteilen. Die optische Anordnung kann beispielsweise einen Spiegel und/oder einen halbtransparenten Spiegel und/oder eine Linse und/oder einen Strahlteiler und/oder einen Polarisator aufweisen.
Die Spektrometeranordnung kann insbesondere ausgestaltet sein, um eine spektrale Verteilung mindestens eines Lichtstrahls zu erfassen. Die erste spektrale Verteilung und/oder die zweite spektrale Verteilung können bevorzugt digitale Daten sein. Die erste spektrale Verteilung und/oder die zweite spektrale Verteilung kann eine Intensitätsverteilung, beispielsweise eine Strahlungsintensität oder eine Photonenzahl, in Abhängigkeit von einer Frequenz oder einer Wellenlänge oder einer Energie des Lichts sein. Die erste spektrale Verteilung und/oder die zweite spektrale Verteilung kann beispielsweise ein Spektrum sein, also Informationen zu einem Vorhandensein bestimmter Frequenzbereiche oder Wellenlängenbereiche.
Beispielsweise können das erste spektral zerlegte Licht und/oder das zweite spektral zerlegte Licht als eine räumliche Aufspaltung von Licht ausgestaltet sein. Bevorzugt kann das erste spektral zerlegte Licht eine räumliche Aufspaltung des von dem Messobjekt reflektierten Lichts sein. Das zweite spektral zerlegte Licht kann eine räumliche Aufspaltung des zweiten Lichtstrahls sein. Bei der Umwandlung des ersten spektral zerlegten Lichts in die ersten elektrischen Signale und/oder bei der Umwandlung des zweiten spektral zerlegten Lichts in die zweiten elektrischen Signale kann beispielsweise die räumliche Verteilung in eine Frequenz oder eine Wellenlänge umgerechnet und/oder umgewandelt werden. Alternativ hierzu kann auf diese Umrechnung verzichtet werden. Die räumliche Aufspaltung kann beispielsweise direkt in einen Abstandswert, insbesondere in den ersten Abstandswert, umgerechnet werden. Beispielsweise kann bei der Umwandlung des ersten spektral zerlegten Lichts in die ersten elektrischen Signale und/oder bei der Umwandlung des zweiten spektral zerlegten Lichts in die zweiten elektrischen Signale Licht in elektrische Spannung und/oder elektrischen Strom umgewandelt werden, beispielsweise mittels einer Verteilung von Lichtsensoren, beispielsweise einer Matrixkamera. Hierbei kann bevorzugt ohne eine Umrechnung in eine Frequenz oder in eine Wellenlänge der erste Abstandswert bestimmt werden.
Vorteilhaft kann die Spektrometeranordnung ausgebildet sein, um das Licht, insbesondere des ersten Messstrahls und/oder des mindestens einen weiteren Messstrahls, in Abhängigkeit von den Frequenzen in Teilstrahlen räumlich aufzuteilen und die Intensität der Teilstrahlen zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Spektrometeranordnung eine Fouriertransformation des eintretenden Lichts, insbesondere des ersten Messstrahls und/oder des mindestens einen weiteren Messstrahls, durchführen.
Die Spektrometeranordnung und/oder die Auswerte- und Steuereinrichtung können vorteilhaft ausgebildet sein, um mindestens eine Differenzfrequenz und/oder mindestens eine Summenfrequenz zwischen zwei eintretenden Lichtstrahlen zu erfassen. Beispielweise können die Spektrometeranordnung und/oder die Auswerte- und Steuereinrichtung ausgebildet sein, um die Differenzfrequenz und/oder mindestens eine Summenfrequenz zwischen mindestens einem zweiten Lichtstrahl und mindestens einem weiteren Lichtstrahl, beispielsweise dem von dem Messobjekt reflektierten Licht des ersten Messstrahls, zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich können die Spektrometeranordnung und/oder die Auswerte- und Steuereinrichtung ausgebildet sein, um die Differenzfrequenz und/oder die Summenfrequenz zwischen dem ersten Lichtstrahl und dem von dem Messobjekt reflektierten Licht des ersten Messstrahls zu bestimmen.
Beispielsweise kann die Spektrometeranordnung ausgebildet sein, um das von dem Messobjekt reflektierte Licht des ersten Messstrahls mit Licht des zweiten Lichtstrahls, beispielsweise Licht des ersten Messstrahls, optisch zu überlagern und somit erstes spektral zerlegtes Licht zu erhalten. Dieses erste spektral zerlegte Licht kann mittels einer Fotodiode, bevorzugt einer Avalanche- Fotodiode, in erste elektrische Signale umgewandelt werden. Die Spektrometeranordnung kann insbesondere eingerichtet sein, um erste elektrische Signale aufweisend Differenzfrequenzen zwischen dem von dem Messobjekt reflektierten Licht und dem zweiten Lichtstrahl zu erfassen. Da es sich bei den Differenzfrequenzen um niedrigere Frequenzen als die Frequenzen des reflektierten Lichts handelt, können diese üblicherweise genauer elektronisch erfasst werden und beispielsweise eine Messgenauigkeit erhöht werden. Beispielsweise kann die erste spektrale Verteilung durch Fouriertransformation der ersten elektrischen Signale, insbesondere der Differenzfrequenzen, ermittelt werden. Insbesondere kann hierdurch beispielsweise die Bestimmung des ersten Abstandswerts optimiert werden, da Fluktuationen der Weißlichtquelle kompensiert werden können. Die Spektrometeranordnung kann insbesondere eine Avalanche- Fotodiode, vorzugsweise mehrere Avalanche- Fotodioden, aufweisen.
Beispielsweise kann das Sensorsystem ausgestaltet sein, um die erste spektrale Verteilung und die zweite spektrale Verteilung räumlich separat und/oder simultan zu erfassen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, um eine Differenz zwischen der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung zu bestimmen, um daraus den ersten Abstandswert zu bestimmen. Dies kann insbesondere der Optimierung der Erfassung des ersten Abstandswerts dienen, beispielsweise um Fluktuationen der Weißlichtquelle zu kompensieren.
Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung ausgestaltet sein, um eine Division der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung durchzuführen, insbesondere um die Erfassung des ersten Abstandswerts zu optimieren, beispielsweise um Fluktuationen der Weißlichtquelle zu kompensieren.
Bevorzugt kann es sich bei der Spektrometeranordnung um eine in DE 102012210954 A1 oder in DE 102011084348 A1 beschriebene Spektrometeranordnung handeln.
Die Spektrometeranordnung kann bevorzugt mehrkanalig ausgeführt sein. Beispielsweise kann das Sensorsystem eingerichtet sein, um simultan mehrere spektrale Verteilungen, insbesondere die erste spektrale Verteilung und die zweite spektrale Verteilung, beispielsweise von unterschiedlichen Messorten, zu erfassen. Das Sensorsystem, insbesondere die Spektrometeranordnung, kann mindestens ein Spektrometer, bevorzugt genau ein Spektrometer, zur wahlweise zeitversetzten oder simultanen Erfassung mindestens zweier spektral zerlegter Lichtstrahlen umfassen. Beispielsweise kann die Spektrometeranordnung mindestens zwei Elemente ausgewählt aus der Gruppe, umfassend eine Fotodiode, beispielsweise eine Avalanche- Fotodiode, eine Matrixkamera, und eine EMCCD (electron multiplying charge-coupled device)- Kamera, aufweisen. Beispielswiese kann die Spektrometeranordnung mindestens eine Matrixkamera mit mindestens zwei Zeilen aufweisen.
Die Spektrometeranordnung kann insbesondere mindestens zwei separate Eingänge für zu analysierende Lichtstrahlen aufweisen. Beispielsweise kann die Spektrometeranordnung einen ersten Eingang für einen ersten Eingangsstrahl, insbesondere für von dem Messobjekt reflektiertes Licht des ersten Messstrahls, und einen zweiten Eingang für einen zweiten Eingangsstrahl, insbesondere für den zweiten Lichtstrahl, aufweisen, wobei die spektralen Verteilungen des ersten Eingangsstrahls und des zweiten Eingangsstrahls bevorzugt simultan bestimmt werden.
Die Spektrometeranordnung kann mindestens ein mehrstrahliges miniaturisiertes Spektrometer aufweisen. Die Spektrometeranordnung kann mindestens ein Spektrometer aufweisen. Das Spektrometer kann ausgebildet sein, um das von dem Messobjekt reflektierte Licht des ersten Messstrahls entsprechend der Frequenz und/oder der Wellenlänge und/oder der Energie zu zerlegen, beispielsweise räumlich. Alternativ oder zusätzlich kann das Spektrometer eingerichtet sein, um das erste spektral zerlegte Licht und/oder das zweite spektral zerlegte Licht mittels Interferenz zu erzeugen. Die Spektrometeranordnung kann beispielsweise mindestens einen Frequenzkamm zur Erfassung des ersten spektral zerlegten Lichts und/oder des zweiten spektral zerlegten Lichts aufweisen.
Die Spektrometeranordnung kann beispielsweise ein Spektrometergehäuse aufweisen, insbesondere zur Abschirmung von Umgebungslicht. Das Spektrometergehäuse kann eine erste Öffnung für den ersten Eingang, insbesondere für den ersten Eingangsstrahl, und eine zweite Öffnung, insbesondere für den zweiten Eingangsstrahl, aufweisen. Bevorzugt kann die Spektrometeranordnung derart ausgestaltet sein, dass alle Messstrahlen, insbesondere das von dem Messobjekt reflektierte Licht des ersten Messstrahls und der zweite Lichtstrahl, innerhalb des Spektrometers gleichen Einflüssen, beispielsweise Temperatureinflüssen, unterliegen. Hierzu kann die Spektrometeranordnung beispielsweise eine Temperaturregelung aufweisen, insbesondere um die Spektrometeranordnung auf eine räumlich homogene Temperatur zu stabilisieren.
Der Sensor kann insbesondere eine mehrkanalig ausgelegte Auswerte- und Steuereinrichtung umfassen.
Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann beispielsweise ausgebildet sein, um aus der ersten spektralen Verteilung einen ersten Abstandswert zu bestimmen und um aus der zweiten spektralen Verteilung einen zweiten Abstandswert zu bestimmen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, um aus mindestens zwei spektralen Verteilungen, beispielsweise aus der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung, eine Dicke des Messobjekts, insbesondere die Dicke einer oder mehrere Beschichtungen, zu erfassen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann alternativ oder zusätzlich eingerichtet sein, um den ersten Abstandswert und/oder die Erfassung des ersten Abstandswerts zu optimieren.
Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung eingerichtet sein, um mittels der zweiten spektralen Verteilung zu entscheiden, ob die erste spektrale Verteilung und/oder der erste Abstandswert verworfen wird und/oder erneut bestimmt wird und/oder ob Korrekturen an der ersten spektralen Verteilung und/oder an dem ersten Abstandswert durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung eingerichtet sein, um mittels der zweiten spektralen Verteilung Einflüsse der Umgebung und/oder Temperatureffekte und/oder Änderungen der Weißlichtquelle und/oder Einflüsse der Oberfläche des Messobjekts an der ersten spektralen Verteilung und/oder an dem ersten Abstandswert zu kompensieren. Beispielsweise kann das Sensorsystem eingerichtet sein, um die erste spektrale Verteilung und/oder um den ersten Abstandswert mehrfach zu erfassen. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung eingerichtet sein, um einen Mittelwert aus mindestens zwei ersten spektralen Verteilungen oder aus mindestens zwei ersten Abstandswerten zu berechnen, um hieraus einen optimierten ersten Abstandswert zu berechnen. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung eingerichtet sein, um bei einer erneuten Bestimmung des ersten Abstandswerts und/oder der ersten spektralen Verteilung einen Parameter des Sensors zu verändern, beispielsweise eine spektrale Verteilung der Weißlichtquelle, beispielsweise eine Bandbreite, und/oder eine Intensität der Weißlichtquelle.
Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerte- und Steuereinrichtung eingerichtet sein, um mittels der zweiten spektralen Verteilung einen optimierten ersten Abstandswert zu berechnen.
Die Ausdrücke „erster Lichtstrahl“ und/oder „zweiter Lichtstrahl“ werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Bezeichnungen verwendet, ohne einen Hinweis auf eine Anzahl der Lichtstrahlen oder eine zeitliche Reihenfolge. Beispielsweise können mehrere erste Lichtstrahlen und/oder mehrere zweite Lichtstrahlen mittels der Spektrometeranordnung analysiert werden. Beispielsweise kann die Spektrometeranordnung eingerichtet sein, um mehrere erste spektrale Verteilungen und/oder mehrere zweite spektrale Verteilungen simultan zu bestimmen.
Beispielsweise kann die erste spektrale Verteilung räumlich getrennt von der zweiten spektralen Verteilung bestimmt werden, beispielsweise an unterschiedlichen Orten innerhalb des Spektrometers und/oder der Auswerte- und Steuereinrichtung, beispielsweise an unterschiedlichen optischen Eingangskanälen oder unterschiedlichen elektronischen Eingangskanälen des Spektrometers, oder an unterschiedlichen Orten innerhalb der Spektrometeranordnung, beispielsweise an unterschiedlichen Spektrometern.
Der erste Lichtstrahl und/oder der zweite Lichtstrahl und/oder das von dem Messobjekt reflektierte Licht des ersten Messstrahls können bevorzugt Gauß-Strahlen sein, wobei ein Gauß-Strahl eine gaußförmige Intensitätsverteilung aufweist. Alternativ hierzu können der erste Lichtstrahl und/oder der zweite Lichtstrahl und/oder das von dem Messobjekt reflektierte Licht des ersten Messstrahls auch andere Strahlprofile aufweisen. Beispielsweise kann das Strahlprofil des ersten Lichtstrahls und/oder des zweiten Lichtstrahls und/oder des von dem Messobjekt reflektierten Lichts des ersten Messstrahls mindestens eine Symmetrieachse aufweisen.
Das reflektierte Licht des ersten Messstrahls kann beispielsweise ohne Überlagerung mit einem weiteren Messstrahl in die Spektrometeranordnung eintreten. Beispielsweise kann das reflektierte Licht des ersten Messstrahls lediglich Licht aufweisen, welches von der ersten Sonde erfasst wurde.
Alternativ hierzu kann das reflektierte Licht des ersten Messstrahls vor oder nach Eintritt in die Spektrometeranordnung mit einem weiteren Lichtstrahl überlagert werden, beispielsweise um Interferenzeffekte, beispielsweise Schwebungseffekte, auszunutzen und/oder um eine gemeinsame spektrale Verteilung zu erfassen.
Der erste Messstrahl und/oder der erste Lichtstrahl können bevorzugt zumindest über eine Teilstrecke räumlich getrennt von dem zweiten Lichtstrahl geleitet werden. Beispielsweise kann der erste Lichtstrahl von dem zweiten Lichtstrahl an der Weißlichtquelle oder an der optischen Anordnung räumlich getrennt werden, beispielsweise durch mindestens einen Strahlteiler.
Das von dem Messobjekt reflektierte Licht des ersten Messstrahls kann beispielsweise von der Oberfläche und/oder von einer Grenzfläche des Messobjekts reflektiertes Licht aufweisen.
Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, um mittels einer dominierenden Frequenz der ersten spektralen Verteilung auf den ersten Abstandswert eines Teils des Messobjekts zu der Sonde zu schließen. Die erste spektrale Verteilung kann ein oder mehrere Maximalpunkte, sogenannte Peaks, aufweisen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann anhand dieser Peaks beispielsweise Aussagen über mindestens eine geometrische Eigenschaft, beispielsweise eine Dicke einer transparenten Beschichtung, treffen.
Das Sensorsystem kann insbesondere ausgestaltet sein, um eine chromatisch-konfokale Messung auszuführen. Das Sensorsystem kann insbesondere ausgestaltet sein, um mittels Ausnutzung der chromatischen Längsaberration den ersten Abstandswert zu bestimmen. Die erste Sonde und/oder die optische Anordnung können eingerichtet sein, um sowohl durch Aufprägung einer chromatischen Längsaberration aus dem ersten Lichtstrahl den ersten Messstrahl zu generieren, als auch um das von dem Messobjekt reflektierte Licht des ersten Messstrahls zu der Spektrometeranordnung zu führen.
Die Spektrometeranordnung ist dazu ausgebildet, die erste spektrale Verteilung und die zweite spektrale Verteilung wahlweise simultan oder zeitversetzt zu ermitteln. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung eingerichtet sein, um eine Wahl zwischen einer simultanen Ermittlung der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung und einer zeitversetzten Ermittlung der ersten spektralen Verteilung im Vergleich zu der Ermittlung der zweiten spektralen Verteilung zu treffen. Alternativ hierzu kann die Wahl von einem Bediener getroffen werden und/oder mittels Herstellereinstellungen, insbesondere zu einem Zeitpunkt vor der Aussendung des ersten Lichtstrahls.
Die Wahl zwischen der simultanen Ermittlung und der zeitversetzten Ermittlung kann beispielsweise zu einem Zeitpunkt getroffen werden ausgewählt aus einer Gruppe umfassend einen Zeitpunkt vor der Aussendung des ersten Lichtstrahls, einen Zeitpunkt zwischen der Aussendung des ersten Lichtstrahls und der spektralen Zerlegung des reflektierten Lichts und/oder des zweiten Lichtstrahls, einen Zeitpunkt zwischen der spektralen Zerlegung des reflektierten Lichts und/oder des zweiten Lichtstrahls und der Umwandlung des ersten spektral zerlegten Lichts in erste elektrische Signale und/oder der Umwandlung des zweiten spektral zerlegten Lichts in zweite elektrische Signale, und einen Zeitpunkt nach der Umwandlung des ersten spektral zerlegten Lichts in erste elektrische Signale und/oder der Umwandlung des zweiten spektral zerlegten Lichts in zweite elektrische Signale.
Die Wahl zwischen der simultanen Ermittlung und der zeitversetzten Ermittlung kann beispielsweise abhängig sein von ein oder mehreren Bedingungen ausgewählt aus einer Gruppe von Bedingungen umfassend einen Bedienmodus des Sensorsystems, einen Bedienmodus des Koordinatenmessgeräts, einem Verlauf des zweiten Lichtstrahls, und einer Auslastung der Auswerte- und Steuereinrichtung.
Die Auswerte- und Steuereinrichtung und/oder die Spektrometeranordnung kann beispielsweise derart eingerichtet sein, dass die Ermittlung der ersten spektralen Verteilung und die Ermittlung der zweiten spektralen Verteilung beispielsweise um mindestens 100 µs, beispielsweise mindestens 1 ms, insbesondere mindestens 10 ms, insbesondere mindestens 100 ms, insbesondere mindestens 1s, insbesondere mindestens 1 Minute, insbesondere mindestens 1 Stunde zeitversetzt sind. Beispielsweise können die Auswerte- und Steuereinrichtung und/oder die Spektrometeranordnung derart eingerichtet sein, dass die Ermittlung der ersten spektralen Verteilung vor der Ermittlung der zweiten spektralen Verteilung stattfindet. Alternativ hierzu können die Auswerte- und Steuereinrichtung und/oder die Spektrometeranordnung derart eingerichtet sein, dass die Ermittlung der zweiten spektralen Verteilung vor der Ermittlung der ersten spektralen Verteilung stattfindet. Beispielsweise können die Auswerte- und Steuereinrichtung und/oder die Spektrometeranordnung eingerichtet sein, um mehrere erste spektrale Verteilungen zu ermitteln bevor die zweite spektrale Verteilung ermittelt wird. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung und/oder die Spektrometeranordnung eingerichtet sein, um vor der Ermittlung einer zweiten spektralen Verteilung mindestens zwei, beispielsweise mindestens 10, insbesondere mindestens 100 erste spektrale Verteilungen zu ermitteln. Alternativ oder zusätzlich können die Auswerte- und Steuereinrichtung und/oder die Spektrometeranordnung eingerichtet sein, um mehrere zweite spektrale Verteilungen zu ermitteln bevor die erste spektrale Verteilung ermittelt wird.
Die Spektrometeranordnung kann ausgebildet sein, um mehrere erste spektrale Verteilungen, beispielsweise zwei erste spektrale Verteilungen, simultan oder zeitversetzt, insbesondere wahlweise simultan oder zeitversetzt, zu ermitteln. Alternativ oder zusätzlich kann die Spektrometeranordnung eingerichtet sein, um mehrere zweite spektrale Verteilung simultan oder zeitversetzt, insbesondere wahlweise simultan oder zeitversetzt, zu ermitteln, beispielsweise zwei zweite spektrale Verteilungen.
Beispielsweise wird die zweite spektrale Verteilung schon ermittelt, bevor die Ermittlung der ersten spektralen Verteilung beendet ist. Besonders bevorzugt kann die Spektrometeranordnung ausgebildet sein, um simultan mindestens eine erste spektrale Verteilung zur Erfassung des ersten Abstandswerts und mindestens zwei zweite spektrale Verteilungen zu erfassen, beispielsweise eine spektrale Verteilung zur Überwachung der Weißlichtquelle und eine spektrale Verteilung zur Erfassung einer internen Referenzlänge.
Die simultane Ermittlung der spektralen Verteilungen, insbesondere der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung, kann beispielsweise eine gleichzeitige Ermittlung sein. Beispielsweise können die Ermittlungen der spektralen Verteilungen, insbesondere der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung, zeitlich überlappen. Beispielsweise kann die simultane Ermittlung der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung innerhalb von höchstens 10 Mikrosekunden, beispielsweise höchstens 1 Mikrosekunde, besonders bevorzugt höchstens 0,1 Mikrosekunden statt.
Eine simultane Ermittlung der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung weist eine Vielzahl von Vorteilen auf. Die simultane Erfassung der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung kann insbesondere eine Taktzahl der Bestimmung der geometrischen Eigenschaften erhöhen, beispielsweise, wenn die zweite spektrale Verteilung zur Erfassung mindestens eines zweiten und/oder mindestens eines weiteren Abstandswerts dient. Durch simultane Ermittlung der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung kann insbesondere die Möglichkeit gegeben sein die erstes spektrale Verteilung zu einem definierten Zeitpunkt und die zweite spektrale Verteilung zu dem gleichen definierten Zeitpunkt zu erfassen.
Eine, insbesondere wahlweise, zeitversetzte Ermittlung der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung kann vorteilhaft sein, um eine Auslastung der Auswerte- und Steuereinrichtung zu optimieren. Hierdurch kann eine Auswerte- und Steuereinrichtung kleiner dimensioniert werden. Das Sensorsystem kann kostengünstiger hergestellt werden und/oder kann effizienter sein.
Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
Die Auswerte- und Steuereinrichtung und/oder die Spektrometeranordnung kann eingerichtet sein, um mit einer ersten Umwandlungsrate mehrere erste elektrische Signale und mit einer zweiten Umwandlungsrate mehrere zweite elektrische Signale zu erzeugen. Die erste Umwandlungsrate gibt an, wie viele erste elektrische Signale in einer Zeiteinheit, beispielsweise in einer Minute, erzeugt werden. Die zweite Umwandlungsrate gibt an, wie viele zweite elektrische Signale in der Zeiteinheit erzeugt werden. Die erste Umwandlungsrate kann identisch zu der zweiten Umwandlungsrate sein. Alternativ hierzu kann die erste Umwandlungsrate gleich der zweiten Umwandlungsrate sein. Die erste Umwandlungsrate und/oder die zweite Umwandlungsrate können konstant sein, beispielsweise über mindestens 5 Zeiteinheiten, vorzugsweise mindestens 50 Zeiteinheiten, besonders bevorzugt mindestens 100 Zeiteinheiten.
Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, um mit einer ersten Abtastrate mehrere erste spektrale Verteilungen zu ermitteln und mit einer zweiten Abtastrate mehrere zweite spektrale Verteilungen zu ermitteln. Die erste Abtastrate kann ungleich der zweiten Abtastrate sein. Hierdurch kann die Ermittlung des ersten Abstandswerts optimiert werden, beispielsweise hinsichtlich einer Effizienz und/oder hinsichtlich Herstellkosten. Alternativ hierzu kann die erste Abtastrate gleich der zweiten Abtastrate sein. Die erste Abtastrate gibt an, wie viele erste spektrale Verteilungen in einer Zeiteinheit, beispielsweise in einer Minute, ermittelt werden. Die zweite Abtastrate gibt an, wie viele zweite spektrale Verteilungen in der Zeiteinheit ermittelt werden. Beispielsweise kann die erste Abtastrate wahlweise gleich oder ungleich der zweiten Abtastrate sein, wobei die Wahl mittels der Auswerte- und Steuereinrichtung getätigt werden kann. Die erste Abtastrate kann beispielsweise gleich der zweiten Abtastrate und wahlweise synchron oder zeitversetzt sein. Die erste Abtastrate und/oder die zweite Abtastrate können konstant sein, beispielsweise über mindestens 5 Zeiteinheiten, vorzugsweise mindestens 50 Zeiteinheiten, besonders bevorzugt mindestens 100 Zeiteinheiten. Die Zeiteinheit kann eine Sekunde oder eine Minute oder eine Stunde sein.
Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, um mittels der zweiten spektralen Verteilung die Erfassung des ersten Abstandswerts zu optimieren. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann insbesondere ausgebildet sein, um mittels der zweiten spektralen Verteilung die Erfassung des ersten Abstandswerts derart zu optimieren, dass systematische Abweichungen eines spektroskopisch ermittelten Messwertes, insbesondere des ersten Messwerts, durch Messung mindestens einer Einflussgröße weitestgehend eliminiert werden. Die Einflussgröße kann beispielsweise eine Temperatur sein. Die Erfassung des ersten Abstandswerts kann insbesondere derart optimiert werden, dass nach der Optimierung der erste Abstandswert mit dem wahren Wert übereinstimmt oder zumindest dem wahren Wert näher kommt, insbesondere abgesehen von statistischen Einflüssen.
Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung dazu ausgebildet sein, um mittels der zweiten spektralen Verteilung die Erfassung des ersten Abstandswerts zu optimieren. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung dazu ausgebildet sein, um mittels mehrerer zweiter spektraler Verteilungen, insbesondere mittels mehrerer simultan erfasster zweiter spektraler Verteilungen, die Erfassung des ersten Abstandswerts zu optimieren. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung dazu ausgebildet sein, um mittels ein oder mehrerer zweiter spektraler Verteilungen den ersten Abstandswert, oder mehrere erste Abstandswerte, insbesondere mehrere simultan erfasste Abstandswerte, zu korrigieren.
Die Optimierung der Erfassung des ersten Abstandswerts kann beispielsweise eine Optimierung der Methode der Erfassung des ersten Abstandswerts und/oder eine Korrektur des ersten Abstandswerts selbst sein. Die Optimierung der Erfassung des ersten Abstandswerts kann eine Erhöhung der Messgenauigkeit und/oder eine Beschleunigung der Erfassung und/oder eine Erfassung von Zusatzinformationen, beispielsweise hinsichtlich einer weiteren geometrischen Eigenschaft des Messobjekts, und/oder eine Kompensation von wechselnden Umwelteinflüssen erzielen.
Mittels der zweiten spektralen Verteilung kann beispielsweise eine Überwachung mindestens eines Elements des Sensors, beispielsweise der Weißlichtquelle und/oder der optischen Anordnung und/oder der ersten Sonde und/oder der Spektrometeranordnung, erzielt werden, insbesondere um die Erfassung des ersten Abstandswert zu optimieren.
Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung eingerichtet sein, um die zweite spektrale Verteilung mit einer abgespeicherten spektralen Verteilung oder einer anderen zweiten spektralen Verteilung zu vergleichen. Aus einem Vergleich der spektralen Verteilung der Weißlichtquelle mit einer abgespeicherten spektralen Verteilung der Weißlichtquelle kann beispielsweise eine Entscheidung hinsichtlich einer Änderung der Betriebsparameter der Weißlichtquelle getroffen werden und/oder eine Entscheidung über eine Korrektur des ersten Abstandswerts.
Mittels der zweiten spektralen Verteilung kann vorteilhaft eine Korrektur des ersten Abstandswerts durchgeführt werden. Beispielsweise kann mittels der zweiten spektralen Verteilung eine Korrektur des ersten Abstandswerts hinsichtlich durch Rauscheffekte und/oder Umwelteffekte verursachte Abweichungen durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung ausgebildet sein, um mittels der zweiten spektralen Verteilung eine Entscheidung bezüglich eines Verwerfens des ersten Abstandswerts und/oder der ersten spektralen Verteilung zu tätigen. Insbesondere kann mittels der zweiten spektralen Verteilung eine Entscheidung hinsichtlich einer erneuten Messung der zweiten spektralen Verteilung und/oder des ersten Abstandswerts getroffen werden. Alternativ oder zusätzlich kann mittels der zweiten spektralen Verteilung zusätzlich zu dem ersten Abstandswert auf mindestens eine weitere geometrische Eigenschaft geschlossen werden.
Durch die simultane Bestimmung der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung kann eine Optimierung der Erfassung des ersten Abstandswerts hinsichtlich einer erhöhten Genauigkeit der Erfassung des ersten Abstandswerts erfolgen. Rauscheffekte können beispielsweise zeitlich stark variieren. Durch eine simultane Bestimmung der spektralen Verteilung von mindestens zwei Lichtstrahlen, bevorzugt von mindestens einem zweiten Lichtstrahl und von dem von dem Messobjekt reflektierten Licht des ersten Messstrahls, kann beispielsweise eine Korrektur, insbesondere eine Kompensation, von sich zeitlich schnell ändernden Rauscheffekten durchgeführt werden.
Der zweite Lichtstrahl kann beispielsweise mindestens einen Lichtquellenlichtstrahl umfassen. Der Lichtquellenlichtstrahl kann einen oder mehrere Lichtstrahlen ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Licht der Weißlichtquelle, dem ersten Lichtstrahl, und dem ersten Messstrahl, umfassen.
Die zweite spektrale Verteilung kann insbesondere eine spektrale Verteilung der Weißlichtquelle sein oder umfassen. Bevorzugt kann ein Teilstrahl des zweiten Lichtstrahls mindestens einen Lichtquellenlichtstrahl umfassen. Beispielsweise kann der zweite Lichtstrahl identisch mit dem Lichtquellenlichtstrahl sein. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, um die spektrale Verteilung der Weißlichtquelle zur Überwachung der Weißlichtquelle zu nutzen. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerte- und Steuereinrichtung ausgebildet sein, um mittels der spektralen Verteilung der Weißlichtquelle die erste spektrale Verteilung und/oder den ersten Abstandswert zu korrigieren oder zu verwerfen. Beispielsweise kann mindestens eine zweite spektrale Verteilung der mindestens einen zweiten spektralen Verteilung eine spektrale Verteilung der Weißlichtquelle sein. Insbesondere kein mindestens ein zweiter Lichtstrahl des mindestens einen zweiten Lichtstrahls den Lichtquellenlichtstrahl umfassen.
Alternativ oder zusätzlich kann mittels der simultanen Erfassung der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung die Weißlichtquelle geregelt werden, beispielsweise hinsichtlich der spektralen Verteilung und/oder der Intensität der Weißlichtquelle. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann beispielsweise eingerichtet sein, um mittels der simultanen Bestimmung der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung eine Fluktuation der Weißlichtquelle zu kompensieren. Vorteilhaft ist hierbei insbesondere, dass durch die simultane Erfassung der spektralen Verteilung der Weißlichtquelle und der ersten spektralen Verteilung zur Bestimmung des ersten Abstandswerts auch Fluktuationen der Weißlichtquelle und/oder mindestens eines Lichtquellenlichtstrahls berücksichtigt werden, welche sich auf einer zeitlichen Skala kleiner als dem Abstand zwischen zwei Erfassungen des ersten Abstandswerts signifikant ändern.
Die spektrale Verteilung und/oder die Intensität eines Lichtquellenlichtstrahls, bevorzugt des zweiten Lichtstrahls, kann simultan zu jeder Bestimmung der ersten spektralen Verteilung mittels der Spektrometeranordnung, umfassend bevorzugt genau einen mehrstrahligen Spektrometer, bestimmt werden. Eine simultane Bestimmung einer spektralen Verteilung des ersten Lichtstrahls zusammen mit der spektralen Verteilung des Lichtstrahls der eigentlichen Messung, also des von dem Messobjekt reflektierten Lichts des ersten Messstrahls, kann nützlich sein, insbesondere hinsichtlich einer Korrektur von Messwerten, beispielsweise hinsichtlich einer Korrektur des ersten Abstandswerts.
Die Spektrometeranordnung und/oder die Auswerte- und Steuereinrichtung kann insbesondere ausgebildet sein, um eine Intensität und eine spektrale Verteilung des Lichts der breitbandigen Lichtquelle permanent zu messen. Das Sensorsystem kann insbesondere ausgebildet sein, um die Intensität der Weißlichtquelle und/oder das Spektrum der Weißlichtquelle und/oder den ersten Abstandswert simultan zu messen. Weiterhin ist die Spektrometeranordnung und/oder die Auswerte- und Steuereinrichtung ausgebildet, um die Weißlichtquelle, bevorzugt die breitbandige Lichtquelle, zu referenzieren. Das Sensorsystem kann insbesondere eine Mehrkanaligkeit von mindestens zwei Kanälen zulassen. Beispielsweise können ein mehrkanaliges Spektrometer und/oder mindestens eine mehrkanalige optische Verbindung vorgesehen sein. Das Sensorsystem kann beispielsweise eingerichtet sein, um eine permanente Referenzierung der Weißlichtquelle zu ermöglichen.
Insbesondere kann die Spektrometeranordnung eine Mehrkanaligkeit zur permanenten Referenzierung der Weißlichtquelle aufweisen. Die simultane Bestimmung der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung und/oder die Mehrkanaligkeit können beispielsweise eine permanente Referenzierung der Weißlichtquelle und/oder ein Erfassen der Umwelteinflüsse ermöglichen, wobei die Umwelteinflüsse vorzugsweise simultan korrigiert werden können. Mittels der permanenten Referenzierung der Weißlichtquelle können die Anforderungen an die Weißlichtquelle für die Erfassung des ersten Abstandswerts, insbesondere für eine chromatisch-konfokale Abstandsmessung, deutlich relaxiert werden. Die spektrale Verteilung der Weißlichtquelle kann sich hinsichtlich der Amplitude und/oder als Funktion der Zeit und/oder der Umgebungseinflüsse ändern, was mittels des Sensorsystems erfasst und vorzugsweise korrigiert und/oder kompensiert und/oder berücksichtigt werden kann.
Der Sensor kann mindestens eine zweite Sonde zur Messung mindestens eines weiteren Abstandswerts aufweisen. Das Sensorsystem kann eingerichtet sein, um den weiteren Abstandswert, insbesondere wahlweise, simultan oder zeitversetzt zu dem ersten Abstandswert zu erfassen. Die zweite Sonde kann beispielsweise baugleich zu der ersten Sonde ausgestaltet sein. Alternativ hierzu kann die zweite Sonde unterschiedlich zu der ersten Sonde ausgestaltet sein. Der zweite Abstandswert kann ein Abstand eines Teils des Messobjekts zu der zweiten Sonde sein. Der erste Abstandswert kann beispielsweise der Abstand eines ersten Teils des Messobjekts zu der ersten Sonde sein. Der zweite Abstandswert kann beispielsweise der Abstand eines zweiten Teils des Messobjekts zu der zweiten Sonde sein. Der erste Teil des Messobjekts kann unterschiedlich zu dem zweiten Teil des Messobjekts sein oder identisch zu dem zweiten Teil des Messobjekts sein. Beispielsweise kann mindestens eine zweite spektrale Verteilung der mindestens einen zweiten spektralen Verteilung zur simultanen Messung eines weiteren Abstandswerts, insbesondere eines zweiten Abstandswerts, dienen. Insbesondere kann mindestens ein zweiter Strahl des mindestens einen zweiten Strahls von dem Messobjekt reflektiertes Licht der Weißlichtquelle aufweisen.
Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann beispielsweise ausgestaltet sein, um aus dem ersten Abstandswert und dem weiteren Abstandswert, beispielsweise dem zweiten Abstandswert, eine Dicke, beispielsweise des Messobjekts, und/oder mindestens einer Schicht des Messobjekts, zu erfassen.
Die zweite Sonde kann beispielsweise ausgestaltet sein, um den zweiten Lichtstrahl auszusenden, insbesondere auf den zweiten Teil des Messobjekts, und/oder um den zweiten Lichtstrahl zu erfassen. Insbesondere kann die zweite Sonde ausgestaltet sein, um die erste spektrale Verteilung und die zweite spektrale Verteilung simultan zu erfassen. Das Sensorsystem kann beispielsweise ausgebildet sein, um eine Schichtdickenmessung, bevorzugt an einer transparenten Schicht des Messobjekts, durchzuführen. Mittels der ersten Sonde und der zweiten Sonde können mehrere Messpunkte simultan vermessen werden, beispielsweise an dem gleichen Messobjekt oder an unterschiedlichen Messobjekten.
Prinzipiell kann der Sensor mehrere Sonden aufweisen, beispielsweise die erste Sonde und die zweite Sonde und mindestens eine weitere Sonde. Hierdurch können beispielsweise komplexere Messaufgaben ermöglicht werden. Die optische Anordnung kann beispielsweise ausgestaltet sein, um Licht des ersten Lichtstrahls auf unterschiedliche Sonden aufzuteilen. Beispielsweise kann das Licht für die erste Sonde eine andere spektrale Verteilung aufweisen als das Licht der zweiten Sonde. Alternativ oder zusätzlich kann das Licht der ersten Sonde eine andere Intensität und/oder eine andere Polarisation und/oder eine andere Phase aufweisen als das Licht der zweiten Sonde. Das Licht der ersten Sonde kann beispielsweise der erste Messstrahl sein. Das Licht der zweiten Sonde kann beispielsweise der zweite Lichtstrahl oder ein Teilstrahl des zweiten Lichtstrahls oder ein zweiter Lichtstrahl von mehreren zweiten Lichtstrahlen sein. Die erste Sonde und/oder die zweite Sonde können beispielsweise in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sein. Eine Symmetrieachse der ersten Sonde kann beispielsweise einen Winkel größer 0°, beispielsweise 90°, zu einer Symmetrieachse der zweiten Sonde aufweisen. Der Sensor kann insbesondere eine Sterntasteranordnung aufweisen. Die Sterntasteranordnung kann beispielsweise vier Sonden aufweisen, beispielsweise die erste Sonde, die zweite Sonde, eine dritte Sonde und eine vierte Sonde.
Das Sensorsystem kann beispielsweise ausgestaltet sein, um mindestens eine Mittendickenmessung und/oder eine angepasste Kurvenmessung durchzuführen. Das Sensorsystem kann ausgestaltet sein, um simultan mit mehreren Sonden, beispielsweise mit der ersten Sonde und der zweiten Sonde zu messen, beispielsweise um in disjunkten Spektralbereichen zu arbeiten ohne dass der Messbereich mit der Anzahl der Sonden skaliert.
Die Mehrkanaligkeit und/oder die simultane Bestimmung der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung können eine Verwendung mehrerer Sonden, insbesondere der ersten Sonde und der zweiten Sonde, und damit eine Ausführung komplexerer Messaufgaben, wie Sterntaster oder optische Mittendickenmessung oder angepasste Kurvenmessung ermöglichen. Das Sensorsystem kann bevorzugt ausgestaltet sein, um mittels des konfokal-chromatischen Messprinzips nicht nur eine erste reflektierende Oberfläche anzutasten sondern gleichzeitig eine Dicke eines optischen Bauteils, beispielsweise des Messobjekts, zu ermitteln.
Beispielsweise kann das Sensorsystem mittels zweier Peaks in der ersten spektralen Verteilung und/oder in der zweiten spektralen Verteilung eine Dicke des Messobjekts ermitteln. Das Messobjekt kann beispielsweise ein optisches Bauteil sein. Beispielsweise kann mit einem ersten Peak der zwei Peaks ein Abstand von der ersten Sonde und/oder von der zweiten Sonde bis zu der Oberfläche des Messobjekts bestimmt werden. Eine Differenz zwischen den zwei Peaks, beispielsweise zwischen dem ersten Peak und einem zweiten Peak, kann von der Auswerte- und Steuereinrichtung als Maß für die Dicke des Messobjekts, insbesondere des optischen Bauteils, verwendet werden.
Beispielsweise kann die erste Sonde ausgebildet sein, um das Messobjekt unter einem Winkel von 0° bis 180°, bevorzugt 45° bis 135°, besonders bevorzugt 89° bis 91° zu einer Oberfläche des Messobjekts zu beaufschlagen. Um eine Dicke des Messobjekts zu bestimmen, kann ein Winkel, insbesondere ein Winkel ungleich 90°, mit welchem der erste Messstrahl auf eine Oberfläche des Messobjekts trifft, nützlich sein. Besonders bevorzugt ist der Sensor derart ausgestaltet, dass der erste Messstrahl senkrecht zu einer Oberfläche des Messobjekts auftrifft, also beispielsweise unter einem Winkel von 80° bis 100°, bevorzugt unter einem Winkel von 89° bis 91°, besonders bevorzugt unter einem Winkel von 90°.
Zusätzlich kann beispielsweise der Winkel zwischen der Oberfläche des Messobjekts und dem ersten Messstrahl und/oder dem zweiten Lichtstrahl erfasst werden. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann beispielsweise ausgebildet sein, um mittels des Winkels, insbesondere zwischen der Oberfläche des Messobjekts und dem ersten Messstrahl, eine rechnerische Korrektur des ersten Abstandswerts und/oder des zweiten Abstandswerts und/oder eines weiteren Abstandswerts und/oder einer Dicke durchzuführen.
Zur Erfassung des Winkels können beispielsweise drei Messpunkte, insbesondere der erste Abstandswert und der zweite Abstandswert und ein dritter Abstandswert erfasst werden. Bei einer planen Oberfläche des Messobjekts können bevorzugt mindestens drei Messpunkte erfasst werden. Die drei Messpunkte können bevorzugt an Eckpunkten eines gleichschenkligen Dreiecks angeordnet sein. Bei nichtplanen Oberflächen, beispielsweise bei sphärischen Oberflächen, können vorzugsweise mindestens vier Messpunkte, beispielsweise noch mindestens ein vierter Messpunkt, beispielsweise in einer Mitte des Dreiecks, verwendet werden.
Die erste Sonde und/oder die zweite Sonde und/oder die dritte Sonde und/oder die vierte Sonde können beispielsweise in einen Messtaster integriert sein. Vorzugsweise können die Erfassung der Messpunkte, insbesondere der zwei Messpunkte oder der drei Messpunkte oder der vier Messpunkte, simultan und/oder ohne eine Verschiebung des Messtasters relativ zu dem Messobjekt vorgenommen werden.
Beispielsweise kann die Spektrometeranordnung ausgestaltet sein, um bis zu dreißig spektrale Verteilungen gleichzeitig aufzunehmen. Bevorzugt kann die Spektrometeranordnung ausgestaltet sein, um bis zu dreißig spektrale Verteilungen simultan zu erfassen. Dies kann vorteilhaft sein, da eine Erfassung des Winkels dann kein Problem darstellt.
Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, um, beispielsweise mittels der vier Messpunkte, zu entscheiden, ob die erste Sonde, insbesondere der Messtaster, hinreichend exakt über dem Messobjekt platziert ist und/oder ob der erste Abstandswert und/oder Messergebnisse der Oberfläche und/oder Messergebnisse der Dicke ohne rechnerische Korrektur verwendet werden können.
Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerte- und Steuereinrichtung ausgebildet sein, um festzustellen, ob der Messtaster hinreichend exakt über dem Messobjekt platziert ist und/oder ob der erste Abstandswert und/oder die Messergebnisse der Oberfläche und/oder die Messergebnisse der Dicke lediglich nach einer rechnerischen Korrektur verwendet werden können. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerte- und Steuereinrichtung ausgebildet sein, um festzustellen, ob der Messtaster nicht hinreichend exakt über dem Messobjekt platziert ist und/oder ob die Position anhand der vier Messpunkte korrigiert werden müssen. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerte- und Steuereinrichtung ausgebildet sein, um festzustellen, ob die Größe des Dreiecks, insbesondere in dem Messtaster, nicht für dieses Messobjekt geeignet ist, beispielsweise da die Oberfläche des Messobjekts kugelförmig und/oder relativ zu der Größe des Dreiecks zu klein ist. Weiterhin kann es vorteilhaft sein bei der Bestimmung der Dicke des Messobjekts oder bei der Bestimmung einer Schicht des Messobjekts den Brechungsindex des Werksstoffes, insbesondere den Brechungsindex des Messobjekts und/oder der Brechungsindex einer Beschichtung, mit zu berücksichtigen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann insbesondere ausgebildet sein, um mittels eines Brechungsindex zumindest eines Teils des Messobjekts die Dicke zumindest eines Teils des Messobjekts zu bestimmen.
Bei dem Sensorsystem kann es sich insbesondere um einen mehrstrahligen chromatisch-konfokalen Distanzsensor mit integriertem Spektrometer handeln.
Das Sensorsystem kann insbesondere ausgestaltet sein, um mindestens vier Messwerte, beispielsweise vier Abstandswerte, simultan zu erfassen.
Der zweite Lichtstrahl kann Umgebungslicht umfassen. Beispielsweise kann der zweite Lichtstrahl im Wesentlichen Umgebungslicht umfassen, beispielsweise kann der zweite Lichtstrahl mindestens 50%, vorzugsweise 80%, besonders bevorzugt 100% Umgebungslicht umfassen. Beispielsweise kann ein Teilstrahl des zweiten Lichtstrahls Umgebungslicht umfassen. Die zweite spektrale Verteilung kann eine spektrale Verteilung des Umgebungslichts sein oder umfassen. Insbesondere kann eine zweite spektrale Verteilung der mindestens einen zweiten spektralen Verteilung eine spektrale Verteilung des Umgebungslichts sein. Insbesondere kann ein zweiter Lichtstrahl des mindestens einen zweiten Lichtstrahls Umgebungslicht umfassen. Das Umgebungslicht kann beispielsweise Licht einer externen Beleuchtung sein, beispielsweise Raumlicht. Weiterhin kann das Umgebungslicht Streulicht aus beispielsweise einer anderen Sonde und/oder aus einem anderen Sensor umfassen.
Die Spektrometeranordnung und/oder die Auswerte- und Steuereinrichtung können insbesondere ausgebildet sein, um simultan die erste spektrale Verteilung und eine spektrale Verteilung des Umgebungslichts zu erfassen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann bevorzugt ausgestaltet sein, um mittels der spektralen Verteilung des Umgebungslichts eine Korrektur des ersten Abstandswerts durchzuführen und/oder um das Umgebungslicht zu überwachen. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerte- und Steuereinrichtung ausgebildet sein, um mittels der spektralen Verteilung des Umgebungslichts eine Entscheidung dahingehend zu treffen, ob der erste Abstandswert verworfen und/oder erneut erfasst wird.
Das Sensorsystem kann insbesondere ausgestaltet sein, um eine Intensität und/oder eine spektrale Verteilung des Umgebungslichtes und/oder eine Änderung der Intensität des Umgebungslichtes und/oder eine Änderung der spektralen Verteilung des Umgebungslichtes simultan zu der ersten spektralen Verteilung und/oder zu dem ersten Abstandswert zu erfassen und beispielsweise eine Optimierung des ersten Abstandswerts durchzuführen.
Das Sensorsystem kann beispielsweise ausgebildet sein, um die Intensität und die Spektralverteilung des Umgebungslichts mit einem oder mehreren Strahlen des Spektrometers, bevorzugt mittels des zweiten Lichtstrahls, zu überwachen und/oder zu messen. Beispielsweise kann eine Messung des Abstandswertes bei extremem Umgebungslicht verworfen werden oder korrigiert werden. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann beispielsweise ausgebildet sein, um aus der spektralen Verteilung des Umgebungslichts die Entscheidung zu treffen die Weißlichtquelle gepulst zu betreiben. Prinzipiell kann die Weißlichtquelle eingerichtet sein, um gepulst betrieben zu werden. Insbesondere bei starkem Umgebungslicht, beispielsweise starkem Umgebungslicht im Vergleich zu dem von dem Messobjekt reflektierten Licht des ersten Messstrahls, kann eine breitbandige gepulste Weißlichtquelle verwendet werden und vorteilhaft sein.
Prinzipiell kann eventuell vorhandenes Umgebungslicht zu einer Verfälschung der detektierten Signale, insbesondere des ersten Abstandswerts, führen. Durch die simultane Erfassung der spektralen Verteilung des Umgebungslichts zu der Erfassung der ersten spektralen Verteilung kann der erste Abstandswert korrigiert werden.
Das Sensorsystem kann insbesondere mehrkanalig, bevorzugt zur simultanen Erfassung mehrerer spektraler Verteilungen, ausgestaltet sein. Beispielsweise kann mindestens ein Kanal der Spektrometeranordnung genutzt werden, um eventuell vorhandenes Umgebungslicht zu detektieren und um das detektierte Licht der Sonden, insbesondere die erste spektrale Verteilung, zu korrigieren.
Der Sensor kann beispielsweise mindestens eine interne Referenzlänge ausweisen. Der zweite Lichtstrahl kann beispielsweise Licht zur Messung der internen Referenzlänge umfassen oder sein. Beispielsweise kann ein Teilstrahl des zweiten Lichtstrahls Licht zur Messung der internen Referenzlänge umfassen. Insbesondere kann der zweite Lichtstrahl im Wesentlichen, beispielsweise 50%, bevorzugt 90%, besonders bevorzugt 100% Licht zur Messung der internen Referenzlänge umfassen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, mittels der zweiten spektralen Verteilung den ersten Abstandswert mit der internen Referenzlänge zu vergleichen. Beispielsweise kann die interne Referenzlänge als Lineal für die Bestimmung des ersten Abstandswerts und/oder für eine Optimierung der Erfassung des ersten Abstandswerts und/oder für eine Korrektur des ersten Abstandswerts verwendet werden. Beispielsweise kann mindestens ein zweiter Lichtstrahl des mindestens einen zweiten Lichtstrahls Licht zur Messung der internen Referenzlänge aufweisen. Insbesondere kann eine zweite spektrale Verteilung der mindestens einen zweiten spektralen Verteilung eine spektrale Verteilung zur Erfassung der Länge der internen Referenzlänge sein.
Die interne Referenzlänge kann beispielsweise mindestens eine zumindest teilweise reflektierende Oberfläche und/oder mindestens einen Resonator umfassen. Beispielsweise kann mittels der simultanen Erfassung der zweiten spektralen Verteilung der erste Abstandswert mit mindestens einer internen Referenzlänge verglichen werden. Die interne Referenzlänge kann eine interne Messstrecke sein. Beispielsweise kann der Sensor ausgebildet sein, um ein oder mehrere Messstrahlen für eine oder mehrere interne Messtrecken mit einer bekannten Länge zu verwenden.
Ein Ausdehnungskoeffizient, insbesondere ein linearer Ausdehnungskoeffizient, der internen Referenzlänge sollte entweder dem des Messaufbaus, insbesondere des Sensors und/oder der optischen Anordnung und/oder der ersten Sonde, entsprechen oder vernachlässigbar sein. Mittels einer Vermessung der internen Referenzlänge und/oder der internen Messstrecken kann eine Kompensation von temperaturbedingten Einflüssen, bevorzugt ein Summenfehler, möglich sein. Der Sensor kann insbesondere ausgebildet sein, um ein oder mehrere interne Referenzstrecken, beispielsweise interne Referenzlängen, zu nutzen. Beispielsweise kann mindestens eine interne Referenzlänge simultan zu dem ersten Abstandswert erfasst werden, um den ersten Abstandswert zu korrigieren oder die Erfassung des ersten Abstandswerts zu optimieren.
Die interne Referenzlänge kann beispielsweise mindestens eine reflektierende Oberfläche aufweisen. Beispielsweise kann die zweite Sonde und/oder die erste Sonde und/oder die optische Anordnung und/oder die Spektrometeranordnung mindestens eine interne Referenzlänge aufweisen. Beispielsweise kann durch eine reversible Anordnung eines reflektierenden Elements, beispielsweise eines Spiegels, an einer Sonde, beispielsweise an der zweiten Sonde, insbesondere an einer Austrittsöffnung der zweiten Sonde, eine interne Referenzlänge eingerichtet sein oder werden.
Beispielsweise kann mindestens ein halbdurchlässiger Spiegel an einer Austrittsöffnung der ersten Sonde und/oder der zweiten Sonde eine interne Referenzlänge bilden. Die erste spektrale Verteilung entspricht bevorzugt der spektralen Verteilung des von mindestens einem Teil des Messobjekts reflektierten Lichts des ersten Messstrahls und der zweite Lichtstrahl kann beispielsweise von dem halbdurchlässigem Spiegel reflektiertes Licht aufweisen oder sein.
Die interne Referenzlänge kann beispielsweise variiert werden, insbesondere mit einem definiert verschiebbaren Spiegel. Die interne Referenzlänge kann insbesondere eingerichtet sein, um die chromatische Längsaberration zu vermessen. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung eingerichtet sein, um durch eine Erfassung der spektralen Verteilung des zweiten Lichtstrahls bei verschiedenen Längen der internen Referenzlänge oder bei verschiedenen internen Referenzlängen eine Kalibration des Sensorsystems durchzuführen.
Der Sensor kann mindestens eine interne Referenzoberfläche aufweisen. Der zweite Lichtstrahl kann Licht zur Messung der internen Referenzoberfläche umfassen oder sein. Bevorzugt kann der zweite Lichtstrahl im Wesentlichen, beispielsweise 50%, bevorzugt 90%, besonders bevorzugt 100% Licht zur Messung der internen Referenzoberfläche umfassen. Beispielsweise kann ein Teilstrahl des zweiten Lichtstrahls Licht zur Messung der internen Referenzoberfläche umfassen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die erste spektrale Verteilung mit der zweiten spektralen Verteilung zu vergleichen, um Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts zu erhalten.
Die interne Referenzoberfläche kann beispielsweise reversibel an der zweiten Sonde angebracht sein. Die interne Referenzoberfläche kann beispielsweise bedarfsgerecht je nach Anwendung ausgetauscht oder eingebaut oder ausgebaut werden. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung ausgebildet sein, um die erste spektrale Verteilung mit der zweiten spektralen Verteilung, insbesondere mit der spektralen Verteilung aus der internen Referenzoberfläche, zu vergleichen und hierdurch Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts zu erhalten. Beispielsweise kann ein zweiter Lichtstrahl des mindestens einen zweiten Lichtstrahls Licht zur Messung der internen Referenzoberfläche sein. Insbesondere kann mindestens eine zweite spektrale Verteilung der mindestens einen zweiten spektralen Verteilung eine spektrale Verteilung des von der internen Referenzoberfläche reflektierten Lichts sein.
Beispielsweise kann die zweite Sonde und/oder die erste Sonde wahlweise als interne Referenzlänge und/oder als interne Referenzoberfläche und/oder zur Erfassung des ersten Abstandswerts und/oder zur Erfassung eines weiteren Abstandswerts eingesetzt werden.
Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung ausgebildet sein, um zu erfassen, ob eine Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts eine Oberflächenbeschaffenheit der internen Referenzoberfläche entspricht. Bevorzugt kann eine Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts mit unterschiedlichen internen Referenzoberflächen referenziert werden.
Die interne Referenzlänge und/oder die interne Referenzoberfläche können bevorzugt permanent oder reversibel mechanisch mit einem anderen Element des Sensorsystems verbunden sein, beispielsweise mit der erste Sonde und/oder mit der zweiten Sonde und/oder mit der optischen Anordnung und/oder mit einem monolithischen Grundkörper und/oder mit der Spektrometeranordnung, beispielsweise mittels einer Steckverbindung und/oder mittels einer Klebeverbindung und/oder mittels einer Schraubverbindung und/oder mittels einer Rastierverbindung.
Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerte- und Steuereinrichtung eingerichtet sein, um mindestens eine zweite spektrale Verteilung, beispielsweise mindestens eine spektrale Verteilung der Weißlichtquelle und/oder mindestens eine spektrale Verteilung mindestens einer Referenzlänge, bevorzugt der internen Referenzlänge, und/oder mindestens eine spektrale Verteilung mindestens einer Referenzoberfläche, bevorzugt der internen Referenzoberfläche, zu speichern und beispielsweise zu der Optimierung der Erfassung des ersten Abstandswerts zu verwenden.
Der zweite Lichtstrahl kann beispielsweise Streulicht von mindestens einer Oberfläche des Messobjekts umfassen. Beispielweise kann der zweite Lichtstrahl im Wesentlichen, insbesondere mindestens 50%, bevorzugt mindestens 90 %, besonders bevorzugt 100%, Streulicht mindestens einer Oberfläche des Messobjekts umfassen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, mittels der zweiten spektralen Verteilung Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts zu erhalten. Beispielsweise kann die zweite Sonde oder eine weitere Sonde ausgestaltet sein, um Streulicht von einer Oberfläche des Messobjekts zu erfassen. Bevorzugt kann die zweite Sonde ausgebildet sein, um simultan mit der Erfassung des von dem Messobjekt reflektierten Lichts des ersten Messstrahls und/oder von der gleichen Stelle des Messobjekts Streulicht zu erfassen. Das Streulicht kann bevorzugt an dem Messobjekt und/oder an der Luft zwischen der ersten Sonde und dem Messobjekt und/oder an einer Flüssigkeitsschicht auf der Oberfläche des Messobjekts gestreutes Licht des ersten Messstrahls umfassen. Die Oberflächenbeschaffenheit kann beispielsweise das Vorhandensein einer Flüssigkeitsschicht und/oder eine Rauigkeit des Messobjekts umfassen. Die zweite Sonde kann beispielsweise in einem Winkel zwischen 0° und 180°, bevorzugt 20° und 70°, besonders bevorzugt von 45°zu der ersten Sonde angeordnet sein, insbesondere hinsichtlich einer optischen Achse der ersten Sonde und der zweiten Sonde. Beispielsweise kann ein zweiter Lichtstrahl des mindestens einen zweiten Lichtstrahls im Wesentlichen Streulicht sein. Insbesondere kann eine zweite spektrale Verteilung der mindestens einen zweiten spektralen Verteilung eine spektrale Verteilung von im Wesentlichen Streulicht sein.
Die erste spektrale Verteilung kann, insbesondere bei einem hochgenauen optischen Antasten, durch die Qualität der Oberflächen beeinflusst werden. Insbesondere kann die Qualität der Oberflächen das Messergebnis, beispielsweise den ersten Abstandswert beeinflussen. Daher können Informationen über die Oberfläche, insbesondere über die Oberflächenbeschaffenheit, wichtig sein.
Beispielsweise kann ein Peak der ersten spektralen Verteilung und/oder der zweiten spektralen Verteilung durch eine Rauigkeit der Oberfläche, beispielsweise der Oberfläche des Messobjekts und/oder der internen Referenzoberfläche und/oder der internen Referenzlänge, beeinflusst werden. Aus der Form des Peaks des zweiten Spektrums können beispielsweise Aussagen über die Oberflächenqualität möglich sein, insbesondere zur Optimierung und/oder Korrektur des ersten Abstandswerts.
Ob eine Textur auf der Oberfläche des Messobjekts vorliegt kann üblicherweise aus einer Form eines Peaks der ersten spektralen Verteilung nicht eindeutig ermittelt werden. Mittels der zweiten spektralen Verteilung, insbesondere mittels der spektralen Verteilung des Streulichts, kann zusätzlich, bevorzugt simultan, eine Intensität und ein Spektrum des Streulichts, beispielsweise durch weitere Kanäle des Spektrometers, ausgewertet werden. Die Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit können beispielsweise Informationen über eine Textur der Oberfläche des Messobjekts umfassen. Mittels der zweiten spektralen Verteilung, insbesondere der spektralen Verteilung des Streulichts und/oder der spektralen Verteilung der internen Referenzoberfläche, insbesondere einer spektralen Verteilung des Streulichts von einer internen Referenzoberfläche, können Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit, beispielsweise über die Textur, des Messobjekts erhalten werden.
Beispielsweise kann der Sensor mindestens vier Sonden entlang von kartesischen Achsen, insbesondere senkrecht zueinander angeordneten Achsen, umfassen, insbesondere zusätzlich zu der ersten Sonde. Die vorzugsweise zusätzlichen Sonden können beispielsweise die gleiche numerische Apertur wie die erste Sonde und/oder wie die zweite Sende aufweisen und/oder den gleichen Arbeitsabstand zu dem Messobjekt, insbesondere wie die erste Sonde, aufweisen. Mindestens eine optische Achse der vier insbesondere zusätzlichen Sonden kann beispielsweise um den Winkel der numerischen Apertur der ersten Sonde zu der ersten Sonde verkippt sein. Beispielsweise können die optischen Achsen der vier insbesondere zusätzlichen Sonden sich auf mindestens einem der Randstrahlen der ersten Sonde, bevorzugt entlang von kartesischen Achsen, befinden.
Ein Abstand der vier insbesondere zusätzlichen Sonden zu dem Messobjekt kann vorzugsweise derart gewählt werden, dass die vier Sonden auf den Fokuspunkt der ersten Sonde gerichtet sind. Hierdurch kann insbesondere erreicht werden, dass die vier Sonden, selbst bei einer perfekten Oberfläche immer ein Signal erhalten. Die zusätzlichen Signale der vier Sonden, insbesondere simultan zu der ersten spektralen Verteilung erfassten vier zusätzlichen spektralen Verteilungen, können beispielsweise zur Bewertung der Qualität der Oberfläche verwendet werden. Weitere Ausführungsbeispiele sind möglich. Beispielsweise können zirkular mehr oder weniger als vier Soden verwendet werden und/oder weitere Sonden können einen größeren Winkel zu der numerischen Apertur der ersten Sonde aufweisen.
Der Sensor kann beispielsweise ein Refraktometer aufweisen. Der zweite Lichtstrahl kann einen Grenzstrahl für Licht einer ersten Frequenz aufweisen. Ein Sensorsystem mit Refraktometer kann sinnvoll sein, da mittels einer Bestimmung des Brechungsindex beispielsweise eine Schichtdicke genauer ermittelt werden kann. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet ist, mittels der zweiten spektralen Verteilung die erste Frequenz zu bestimmen und aus der ersten Frequenz einen Brechungsindex des Messobjekts zu bestimmen. Die erste Frequenz kann vorzugsweise eine minimale Frequenz der zweiten spektralen Verteilung sein.
Das Refraktometer ist eine Vorrichtung, die eingerichtet ist, um einen Brechungsindex zu bestimmen. Der Brechungsindex wird auch Brechzahl genannt. Der Brechungsindex ist eine Materialeigenschaft. Der Brechungsindex ist eine dimensionslose physikalische Größe. Der Brechungsindex gibt an, um welchen Faktor eine Wellenlänge und eine Phasengeschwindigkeit von Licht in einem Medium kleiner sind als im Vakuum. Der Brechungsindex kann beispielsweise von einer Glassorte abhängen. Weiterhin kann der Brechungsindex von der Frequenz des Lichts abhängen. Mittels des Brechungsindex kann auf eine optische Dichte geschlossen werden. An einer Grenzfläche zweier Medien unterschiedlicher Brechungsindizes wird Licht gebrochen und/oder reflektiert.
Das Refraktometer kann ein Prisma mit bekanntem Brechungsindex, eine Lichtbeaufschlagungsvorrichtung und eine Winkelselektionsvorrichtung aufweisen. Das Prisma kann eine Kontaktfläche aufweisen, wobei die Kontaktfläche ausgestaltet ist, um mit einer Oberfläche des Messobjekts eine Grenzfläche auszubilden. Insbesondere kann das Sensorsystem oder das Koordinatenmessgerät ausgestaltet sein, um eine Seite des Prismas mit dem Messobjekt in Kontakt zu bringen. Die Lichtbeaufschlagungsvorrichtung kann eingerichtet ist, um die Grenzfläche mit Weißlicht des Lichtquellenlichtstrahls zu beaufschlagen. Das Weißlicht des Lichtquellenlichtstrahls zur Beaufschlagung der Grenzfläche kann leicht konvergentes Licht sein. Der Teil des Lichtquellenlichtstrahls, welcher von der Seite des Prismas auf die Grenzfläche fällt, kann durch Totalreflexion in dem Prisma weitergeleitet werden. Der Teil des Lichtquellenlichtstrahls, welcher von der Seite des Messobjekts auf die Grenzfläche fällt, kann gebrochen und transmittiert werden. Vorzugsweise ist der Brechungsindex des Messobjekts und/oder einer zu vermessenden Probe kleiner als der Brechungsindex des Prismas. Aufgrund von Totalreflexion kann ein dunkler Bereich, insbesondere ohne Licht eines bestimmten Frequenzbereichs, zwischen den transmittierten und den totalreflektierten Teilstrahlen entstehen. Bei einem Austritt eines Strahls aus dem Prisma kann dieser evtl. nochmals gebrochen werden. Die Winkelselektionsvorrichtung kann ausgestaltet sein, um einen Grenzstrahl für Licht einer ersten Frequenz zu der Spektrometeranordnung zu führen und einen Grenzstrahl für Licht einer zweiten Frequenz auszuselektieren. Insbesondere kann ein Winkel zwischen einer Normalen der Grenzfläche und einem aus dem Prisma austretenden Strahl, der gerade noch gebrochen wird, insbesondere für eine bestimmte Frequenz, erfasst werden. Der Winkel ist der Grenzwinkel der Totalreflexion für eine bestimmte Frequenz. Mittels des Grenzwinkels der Totalreflexion kann bei bekanntem Brechungsindex des Prismas auf den Brechungsindex des Messobjekts geschlossen werden, insbesondere für unterschiedliche Frequenzen des Lichts.
Das Refraktometer kann prinzipiell wie ein Pulfrich-Refraktometer ausgestaltet sein. Das Prisma kann beispielsweise zumindest teilweise eine Kugelform aufweisen. Das Prisma kann beispielsweise ein Halbkugelprisma sein. Mittels der Kugelform kann erreicht werden, dass ein aus dem Prisma austretender Strahl nicht nochmals gebrochen wird. Hierdurch kann eine Bestimmung des Brechungsindex vereinfacht werden. Insbesondere kann hierdurch ein Messobjekt mit einer Doppelbrechung exakt vermessen werden.
Die Kontaktfläche des Prisma kann zumindest teilweise plan oder konvex oder konkav sein, insbesondere um einen optimalen Kontaktpunkt zwischen Messobjekt und Prisma zu erhalten.
Beispielsweise kann das Refraktometer eine 4-Quadranten-Diode aufweisen. Mittels der 4-Quadranten-Diode kann eine genaue Lage eines Strahls, beispielsweise des gebrochenen Strahls bestimmt werden. Dies kann eine Genauigkeit erhöhen. Die 4-Quadranten-Diode kann eine Zeile und/oder eine Matrix aufweisen. Eine 4-Quadranten-Diode kann vorteilhaft sein, da eine Lage eines Kontaktpunkts des Messobjekts und des Prismas eine Lage des transmittierten Strahls und/oder einen Fächer von totalreflektierten Strahlen beeinflusst. Alternativ hierzu kann das Refraktometer ein Fernrohr aufweisen.
Ein Sensorsystem mit Refraktometer ermöglicht die Bestimmung eines Brechungsindex. Ein Sensorsystem mit Refraktometer kann beispielsweise bei Medizinprodukten, beispielsweise bei der Augendiagnostik, einsetzbar und vorteilhaft sein. Ein Sensorsystem mit Refraktometer ermöglicht beispielsweise eine einseitige Dickenmessung von transparenten Materialien, wie beispielsweise von Glas. Hierdurch kann mit lediglich einem Sensorsystem eine Dicke hochgenau erfasst werden.
Die Erfinder haben erkannt, dass innerhalb von optischen Bauteilen der Brechungsindex nicht konstant sein muss. Daher ist es vorteilhaft, den Brechungsindex des Teils des Messobjekts zu erfassen, dessen Geometrie mittels des Sensorsystems vermessen werden soll. Weiterhin haben die Erfinder erkannt, dass bei der Fertigung von optischen Bauelementen es immer wieder zu Verwechslungen von Ausgangsstoffen kommt und ein Sensorsystem mit Refraktometer solche Verwechslungen erkennen kann, insbesondere bereits nach Bearbeitung einer ersten Fläche und nicht erst bei einem fertigen Bauteil.
Mittels des Sensorsystems mit Refraktometer kann ein Brechungsindex direkt am jeweiligen Messobjekt bestimmt werden. Auf eine Bestimmung des Brechungsindex an gesonderten Mustern eines Werkstoffes und/oder auf eine Verwendung separater Messsysteme kann verzichtet werden. Ein Sensorsystem mit Refraktometer ermöglicht eine punktuelle Erfassung des Brechungsindex an einem Messobjekt, beispielsweise nach Fertigstellung einer ersten Fläche. Mittels eines Sensorsystems mit Refraktometer können Form und/oder Dicke zumindest eines Teils eines Messobjekts hochgenau ermittelt werden, da der Brechungsindex gemessen werden kann und nicht angenommen werden muss. Das Sensorsystem kann ein mehrstrahliger chromatisch-konfokaler Distanzsensor mit Eignung zu einer Brechungsindexmessung sein.
Das Sensorsystem kann mindestens einen monolithischen Grundkörper aufweisen. An dem monolithischen Grundkörper können ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe umfassend, die Weißlichtquelle, die optische Anordnung, die erste Sonde, die Spektrometeranordnung, eine Kamera der Spektrometeranordnung, mindestens ein Element der Spektrometeranordnung, und die Auswerte- und Steuereinrichtung, zumindest teilweise raumfest angeordnet sein. Die Spektrometeranordnung kann insbesondere mindestens eine Kamera, beispielsweise eine Matrixkamera, aufweisen. Beispielsweise kann die Kamera außerhalb des monolithischen Grundkörpers angeordnet sein. Alternativ hierzu kann die Kamera auch an dem monolithischen Grundkörper angeordnet sein. Die genannten Elemente können insbesondere derart an dem monolithischen Grundkörper angeordnet sein, dass eine hohe räumliche Stabilität gegeben sein kann.
Insbesondere können in den monolithischen Grundkörper ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe umfassend die Weißlichtquelle, die optische Anordnung, die erste Sonde, die Spektrometeranordnung, eine Kamera der Spektrometeranordnung, mindestens ein Element der Spektrometeranordnung, und die Auswerte- und Steuereinrichtung, zumindest teilweise integriert sein.
Der monolithische Grundkörper kann insbesondere aus einem Stück bestehen. Beispielsweise kann der monolithische Grundkörper zusammenhängend und/oder fugenlos ausgestaltet sein. Insbesondere kann der monolithische Grundkörper aus sehr kleinen Bauelementen untrennbar zusammengesetzt sein.
Eine Baugröße des mehrstrahligen Spektrometers und/oder der Spektrometeranordnung kann beispielsweise so gering sein, dass eine direkte Integration in den monolithischen Grundkörper möglich sein kann. Hierdurch kann beispielsweise eine Verwendung von Lichtwellenleitern mit all ihren Nachteilen, beispielsweise Koppelverlusten und/oder einem geringen Lichtleitwert und/oder einer Verringerung der Intensität und/oder einer Änderung einer spektralen Verteilung, entfallen.
Beispielsweise kann der Sensor ein Spektrometer mit kleiner Baugröße umfassen, beispielsweise eine Baugröße von weniger als 100 Kubikzentimetern, bevorzugt von weniger als 10 Kubikzentimetern, besonders bevorzugt von weniger als 1 Kubikzentimeter. Hierdurch kann eine kompakte Ausgestaltung des Sensors ermöglicht werden.
Der Sensor kann beispielsweise eine Größe von weniger als 1 Kubikdezimeter, vorzugsweise weniger als 250 Kubikzentimetern, bevorzugt weniger als 100 Kubikzentimetern aufweisen.
Bevorzugt weist das Sensorsystem keine Trennung zwischen der ersten Sonde und dem Spektrometer auf. Besonders bevorzugt weist das Sensorsystem keine Trennung zwischen dem Spektrometer mit sehr kleiner Baugröße und den Sonden auf. Bevorzugt ist das gesamte Sensorsystem, umfassend die Weißlichtquelle und/oder die optische Anordnung und/oder die erste Sonde und/oder die Spektrometeranordnung und/oder die Auswerte- und Steuereinrichtung monolithisch, also nicht modular, aufgebaut. Das gesamte Sensorsystem kann als ein Bauteil ausgestaltet sein. Eine optische Verbindung zwischen der ersten Sonde und/oder der zweiten Sonde und/oder der Auswerte- und Steuereinrichtung kann vorzugsweise mit nichtbeweglichen optischen Elementen ausgeführt sein, beispielsweise durch eine Verwendung von Freistrahloptiken und/oder durch eine Verwendung von im Raum fest verlegten Lichtwellenleitern. Dies kann insbesondere durch den monolithischen Ansatz ermöglicht werden. Vorzugsweise weist das Sensorsystem keine faseroptische Verbindung auf. Hiermit können beispielsweise Probleme durch Bewegungen der optischen Verbindungen, wie sie bei einem modularen Aufbau auftreten können, entfallen. Bei einem monolithischen Grundkörper wird vorzugsweise immer der gesamte monolithische Grundkörper bewegt.
Vorzugsweise alle optischen Übertragungsbauteile des Sensorsystems können raumfest ausgeführt sein, beispielsweise durch den monolithischen Ansatz. Beispielsweise können alle optischen Übertragungsbauteile des Sensorsystems raumfest, also als nichtbewegliche Bauteile, ausgestaltet sein. Hierdurch können insbesondere Umwelteinflüsse, beispielsweise durch Bewegungen eines Lichtwellenleiters, verhindert werden.
Der monolithische Grundkörper kann beispielsweise ein Spritzgussteil sein. Beispielsweise können die Weißlichtquelle und/oder die optische Anordnung und/oder die erste Sonde und/oder die Spektrometeranordnung und/oder die Auswerte- und Steuereinrichtung und/oder die zweite Sonde durch Spritzgießen raumfest angeordnet sein. Das Sensorsystem kann beispielsweise mindestens ein Gehäuse aufweisen. Das Spritzgussteil kann beispielsweise in dem Gehäuse angeordnet sein.
Der monolithische Grundkörper kann beispielsweise Glas und/oder mindestens ein Polymer aufweisen. Beispielsweise kann der monolithische Grundkörper durch Spritzgießen aus einem Polymer hergestellt sein. Vorzugsweise kann der Brechungsindex des monolithischen Grundkörpers höher sein als der Brechungsindex der Umgebung. Der monolithische Grundkörper kann bevorzugt aus einem Material mit möglichst geringem Wärmeausdehnungskoeffizient, beispielsweise Glas und/oder einem Polymer, ausgebildet sein.
Die Spektrometeranordnung und/oder das Spektrometer können beispielsweise zumindest teilweise mittels der Technologie Spritzgießen hergestellt sein, wie beispielsweise in DE 102011084348.5 und DE 102012210954.4 gezeigt.
Die Technologie Spritzgießen kann insbesondere eine Herstellung komplexer optischer Bauelemente, wie Sonde und/oder Freistrahloptik und/oder Auswerteeinheit, insbesondere Auswerte- und Steuereinrichtung, und/oder des Sensorsystems in der geforderten Genauigkeit ermöglichen. Spritzgießen kann zwar hohe Initialkosten erzeugen, allerdings sind die Kosten pro Stück üblicherweise gering. Hierdurch kann eine kostengünstige Herstellung bei hohen Stückzahlen, beispielsweise bei Stückzahlen größer als 100, möglich sein.
Eine Verwendung der Technologie Spritzgießen kann beispielsweise eine Miniaturisierung des Messsystems erlauben, bevorzugt mit einem vergleichbaren Bauraum zu taktilen Tastern.
Die erste Sonde und/oder die zweite Sonde können beispielsweise ausgebildet sein, um das Messobjekt wahlweise optisch und/oder taktil abzutasten. Beispielsweise können eine Spitze der ersten Sonde und/oder eine Spitze der zweiten Sonde eine hohe Härte und/oder eine konvexe Oberfläche aufweisen. Insbesondere kann der Sensor und/oder die erste Sonde und/oder die zweite Sonde zur taktilen Antastung genutzt werden. Der Sensor und/oder die erste Sonde und/oder die zweite Sonde können insbesondere ausgestaltet sein, um das Messobjekt zu berühren, insbesondere ohne Beschädigung der ersten Sonde und/oder der zweiten Sonde und/oder des Messobjekts und/oder des Sensors.
Beispielsweise kann die erste Sonde eine optische Endfläche aufweisen. Die optische Endfläche kann ausgebildet sein, um das Messobjekt wahlweise optisch mit dem ersten Messstrahl und/oder taktil mit der optischen Endfläche abzutasten. Das Sensorsystem kann beispielsweise einen Kollisionsschutz aufweisen. Der Kollisionsschutz kann eingerichtet sein, um eine Beschädigung der optischen Endfläche zu verhindern. Der Kollisionsschutz kann ein Abtasten des Messobjekts dämpfen und/oder einen minimalen Abstand zwischen dem Messobjekt und der ersten Sonde festlegen. Ein Vorhandensein eines Kollisionsschutzes ist ein Sicherheitsaspekt, welcher während des Messens ständig gegeben sein sollte. Weitere Sicherheitsaspekte betreffen beispielsweise den Schutz eines Bedieners und ein Verhalten des Sensorsystems bei Gerätefehlern.
Insbesondere kann mit einem taktilen Messsystem ein Kollisionsschutz für die erste Sonde des Sensorsystems realisiert werden. Beispielsweise kann in einem Ausführungsbeispiel mittels optischer Sonde ein Abstand zu dem Messobjekt nur innerhalb eines durch den Fokus und die Längsaberration definierten Bereiches mit auswertbarem Reflexionssignal gegeben sein. In Abstandsbereichen ohne Reflexionssignal kann z.B. der aktuelle Abstand zwischen Sonde und einer Messobjektoberfläche unbekannt sein. Hierbei kann beispielsweise mit einem zweiten Messsystem, insbesondere einem taktilen Messsystem, beispielsweise einem separaten Messsystem, abgeholfen werden kann. Beispielsweise kann das Sensorsystem sowohl eine optische Sonde als auch eine taktile Sonde aufweisen.
Die optische Endfläche ist eine Fläche, welche bei einer Verwendung des Sensorsystems in Richtung zu dem Messobjekt weist. Die optische Endfläche kann insbesondere die letzte optische Fläche sein, welche der erste Messstrahl vor Erreichen des Messobjekts passiert. Die Endfläche weist vorzugsweise eine konvexe Form auf. Beispielsweise kann die Endfläche von einer Linse mit einer konvexen Oberfläche als Austrittsfläche des ersten Messstrahls gebildet werden. Die Endfläche kann vorzugsweise eine Saphiroberfläche sein. Dies kann eine Wahrscheinlichkeit für eine Beschädigung der optischen Endfläche bei einer taktilen Abtastung verringern. Ein letztes Element der ersten Sonde und/oder der zweiten Sonde, insbesondere in Richtung zu dem Messobjekt, kann bevorzugt als konvexe Fläche ausgelegt sein. Die konvexe Fläche kann beispielsweise aus einem lichtdurchlässigen Material mit hoher Härte, beispielsweise Saphir oder Gorillaglas, ausgestaltet sein oder mit einem Material mit hoher Härte beschichtet sein. Beispielsweise kann die konvexe Fläche eine Diamantbeschichtung aufweisen. Durch eine solche Ausführung des letzten optischen Elements, insbesondere der Spitze der ersten Sonde und/oder der Spitze der zweiten Sonde, kann mit der ersten Sonde und/oder mit der zweiten Sonde sowohl taktil als auch optisch angetastet werden. Hierdurch kann ein erfolgreiches Antasten auch dann möglich sein, wenn ein optisches Antasten fehlschlägt, beispielsweise außerhalb eines Messbereichs der optischen Sonden und/oder wenn nicht genügend Licht von der zu messenden Oberfläche des Messobjekts reflektiert werden kann. Hierdurch können insbesondere Probleme der Kollision der optischen Sonden mit dem Messobjekt und/oder miteinander, insbesondere der ersten Sonde und/oder der zweiten Sonde, entfallen. Durch die Möglichkeit der taktilen Antastung können eine Vielzahl weiterer Probleme gelöst werden. Der Sensor kann beispielsweise ausgestaltet sein, um das Messobjekt taktil auszurichten, beispielsweise wenn dies nicht optisch möglich ist, beispielsweise wenn ein Grenzwinkel der ersten Sonde und/oder der zweiten Sonde zu klein ist. Beispielsweise kann ein taktiler Antastvorgang deutlich schneller ausgeführt werden als ein optischer Antastvorgang. Weiterhin kann bei einer taktilen Antastung Schmutz auf der Oberfläche üblicherweise nicht zu Problemen führen.
Der Sensor kann mindestens einen Temperatursensor aufweisen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann beispielsweise ausgebildet sein, um mittels des Temperatursensors ein thermisches Gleichgewicht einzustellen und/oder eine Stabilisierung der Temperatur auf eine Übertemperatur durchzuführen und/oder den ersten Abstandswert zu korrigieren. Der Temperatursensor kann beispielsweise ausgebildet sein, um mindestens eine Umgebungstemperatur und/oder mindestens eine Temperatur mindestens eines Teils des Sensors zu erfassen. Der Temperatursensor kann bevorzugt in den monolithischen Grundkörper integriert sein oder an dem monolithischen Grundkörper angeordnet sein. Beispielsweise kann der Temperatursensor an der ersten Sonde und/oder an der optischen Anordnung und/oder an der Spektrometeranordnung angeordnet sein.
Beispielsweise kann zumindest ein Teil des Sensorsystems oder das gesamte Sensorsystem auf eine geringe Übertemperatur stabilisiert werden, bevorzugt mittels der Auswerte- und Steuereinrichtung und/oder mittels des Temperatursensors. Insbesondere kann es sinnvoll sein das gesamte Sensorsystem und/oder den Sensor und/oder die erste Sonde und/oder die optische Anordnung auf eine geringe Übertemperatur zu stabilisieren, beispielsweise um eine Änderung des Farblängsfehlers zu minimieren. Der Temperatursensor kann beispielsweise ein interner Temperatursensor sein. Beispielsweise kann der Temperatursensor in den monolithischen Block integriert sein. Der interne Temperatursensor kann beispielsweise zur Überwachung und Korrektur der Messwerte, insbesondere des ersten Abstandswerts, dienen.
Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann insbesondere ausgebildet sein, um eine thermische Stabilität des Sensorsystems oder des Sensors zu erzielen oder zu verbessern. Bei einem kompakten und miniaturisierten Aufbau eines Sensorsystems, insbesondere des Sensors, liegen die Abwärme erzeugenden Bauteile, Weißlichtquelle und/oder Detektor und/oder Prozessor üblicherweise nahe an Bauelementen des Messkreises. Interne thermische Einflüsse können sich mit externen thermischen Einflüssen überlagern und zu Problemen bezüglich der Stabilität und/oder der absoluten Genauigkeit der Messsysteme führen. Eine interne thermische Last, beispielsweise eine Abwärme, kann im Dauerbetrieb eine Übertemperatur erzeugen, beispielsweise gegenüber einer Raumtemperatur. Diese Übertemperatur kann abhängig von einer vorhandenen Umgebungstemperatur, beispielsweise der Raumtemperatur, sein. Das Sensorsystem kann mindestens eine Zusatzeinrichtung aufweisen, um trotzdem eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen. Beispielsweise kann das Sensorsystem, insbesondere die optischen Elemente des Sensorsystems permanent mit Energie versorgt werden, insbesondere um ein thermisches Gleichgewicht vor einem Messeinsatz zu realisieren. Beispielsweise kann in einem Wechselmagazin und/oder in einer Aufbewahrungsbox eine Stromversorgung vorgesehen sein, insbesondere um innerhalb des Sensors oder des Sensorsystems ein thermisches Gleichgewicht zu erzielen und/oder zu erhalten. In dem Wechselmagazin und/oder in der Aufbewahrungsbox können mindestens eine Referenzstrecke, beispielsweise die interne Referenzlänge, und/oder mindestens eine Referenzoberfläche, beispielsweise die oben beschriebene interne Referenzoberfläche, integriert sein. Die Referenzstrecken und/oder die interne Referenzlänge können als absolute Entfernungen und/oder als Schichtdicken ausgebildet sein.
Beispielsweise kann der Sensor mindestens eine Heizung aufweisen. Beispielsweise kann die Heizung ausgestaltet sein, um bei einem Kaltstart möglichst schnell das thermische Gleichgewicht zu erreichen. Die Heizung kann beispielsweise in Stufen oder stufenlos geregelt sein. Die Auswerte- und Steuereinrichtung kann beispielsweise ausgestaltet sein, um mittels der Heizung und der internen Wärmequellen ein möglichst schnelles Erreichen des thermischen Gleichgewichtes abzusichern. Da ein absoluter Betrag der Übertemperatur direkt von der Umgebungstemperatur abhängt, ist eine zu erwartende Umgebungstemperatur für das Heizen beim Kaltstart entscheidend. Eine zu niedrige Temperaturvorgabe kann bei einem weiteren Betrieb zu einem Aufheizen durch die thermische Last und damit zu einem thermischen Driften führen. Eine zu hohe Temperaturvorgabe kann beim weiteren Betrieb zu einem permanenten Zusatzheizen, also zu einer unnötig hohen Sensortemperatur und damit zu einem erhöhten Rauschen des Sensorsystems, insbesondere des Sensors, führen. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung derart ausgebildet sein, dass ein Wert der Übertemperatur manuell durch einen Betreiber eingegeben werden kann. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung mindestens einen Datenlogger mit mindestens einer Stützbatterie umfassen. Der Datenlogger mit der Stützbatterie kann beispielsweise ausgebildet sein, um permanent Umgebungstemperaturen und die Betriebszeiten des Sensorsystems über zum Beispiel die letzten sieben Tage zu analysieren. Mittels des Datenloggers mit der Stützbatterie kann die Auswerte- und Steuereinrichtung somit eine optimale Temperaturvorgabe und einen Startpunkt für ein optimales Vorheizen vorgeben. Die Heizung kann mindestens ein Peltier-Element aufweisen. Die Heizung und/oder die Auswerte- und Steuereinrichtung kann mindestens einen PID-Regler zur Einstellung des thermischen Gleichgewichts aufweisen.
Bei einem Start des Messvorganges sollte sich der Sensor, insbesondere optische Elemente des Sensors, vorzugsweise in einem stabilen thermischen Zustand befinden und/oder mögliche Messfehler durch eine eventuelle thermische Drift sollten bekannt sein.
Das Sensorsystem kann beispielsweise ein mehrstrahliger chromatisch-konfokaler Distanzsensor mit integriertem Spektrometer und/oder ein optischer miniaturisierter Multisensortastarm und/oder ein mehrkanaliger miniaturisierter Abstandssensor mit chromatisch-konfokalem und taktilem Taster mit integriertem Spektrometer sein. Die Spektrometeranordnung kann bevorzugt mehrere Kanäle aufweisen, insbesondere zur Analyse mehrerer Eingangsstrahlen, beispielsweise drei Kanäle, insbesondere zur simultanen Erfassung einer ersten spektralen Verteilung und zweier zweiten spektralen Verteilungen. Beispielsweise kann die Spektrometeranordnung mindestens einen Kanal für das von der Oberfläche des Messobjekts reflektierte Licht des ersten Messstrahls aufweisen. Weiterhin kann die Spektrometeranordnung mindestens einen Kanal zur Analyse mindestens eines der vorzugsweise mehreren zweiten Lichtstrahlen aufweisen, beispielsweise zwei Kanäle für jeweils einen zweiten Lichtstrahl. Die Spektrometeranordnung kann insbesondere ausgestaltet sein, um für alle Kanäle simultan jeweils eine spektrale Verteilung zu bestimmen. Das Sensorsystem kann insbesondere ausgestaltet sein, um simultan mehrere zweite spektrale Verteilungen zu bestimmen, beispielsweise mindestens eine spektrale Verteilung der Weißlichtquelle und/oder mindestens eine spektrale Verteilung zur Bestimmung eines zweiten Abstandswerts und/oder mindestens eine spektrale Verteilung einer internen Referenzlänge und/oder mindestens eine spektrale Verteilung einer internen Oberfläche und/oder mindestens einer spektralen Verteilung von Umgebungslicht und/oder mindestens einer spektralen Verteilung von Streulicht.
Die Weißlichtquelle kann beispielsweise ein Spektrum zwischen 200 nm und 10.000 nm, bevorzugt zwischen 200 nm und 950 nm, besonders bevorzugt zwischen 360 nm und 780 nm aufweisen. Das Spektrum kann beispielsweise flexibel einstellbar sein, beispielsweise je nach Anwendung und/oder Bedingungen.
Beispielsweise kann die Weißlichtquelle ein oder mehrere schmalbandige Leuchtdioden aufweisen. Das Spektrum der Weißlichtquelle kann beispielsweise mittels der simultanen Bestimmung des Spektrums der Weißlichtquelle mit der ersten spektralen Verteilung geregelt und/oder verändert werden.
Für die Spektrometeranordnung, insbesondere für das Spektrometer, kann ein Spektralbereich von 200 nm bis 1.050 nm sinnvoll und wirtschaftlich sein. Die Spektrometeranordnung kann mindestens einen Siliziumsensor aufweisen. Insbesondere bei Verwendung eines Siliziumsensors kann die Spektrometeranordnung für einen Spektralbereich von beispielsweise 200 nm bis 1.050 nm ausgestaltet sein. Eine Verwendung anderer Wellenlängen kann deutlich aufwändiger sein, kann aber bei speziellen Messaufgaben sinnvoll und möglich sein.
Beispielsweise kann die Spektrometeranordnung, insbesondere das Spektrometer, ausgestaltet sein, um mehrere Ordnungen zu verwenden, beispielsweise mehrere Beugungsordnungen, insbesondere mehrere Beugungsordnungen eines diffraktiven Elements. Das diffraktive Element kann beispielsweise in der optischen Anordnung und/oder in der ersten Sonde und/oder in der zweiten Sonde und/oder in der Spektrometeranordnung angeordnet sein. Die mehreren Ordnungen des Spektrometers können beispielsweise durch unterschiedliche Beleuchtungs-LEDs der Weißlichtquelle, welche unterschiedliche Wellenlängen liefern, genutzt werden.
Das Sensorsystem kann bevorzugt wahlweise mit unterschiedlichen Spektralbereichen betreibbar sein, beispielsweise mit unterschiedlichen spektralen Verteilungen der Weißlichtquelle und/oder mit unterschiedlicher spektraler Auflösung der Spektrometeranordnung. Durch eine Nutzung unterschiedlicher Spektralbereiche können sich mehrere Vorteile ergeben. Beispielsweise kann der Messbereich und/oder die Auflösung flexibel den Messaufgaben angepasst werden. Beispielsweise kann eine Interaktion des Lichts, insbesondere des ersten Messstrahls, mit der Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts durch Veränderung des Spektralbereichs den Messaufgaben angepasst werden. Beispielsweise können durch eine Änderung des Spektralbereichs Störungen durch das Umgebungslicht zumindest teilweise eliminiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann durch eine Veränderbarkeit des Spektralbereichs insbesondere des Spektrometers und/oder der Weißlichtquelle ein Einfluss von Flüssigkeitsschichten und/oder anderen Schichten auf der Oberfläche des Messobjekts auf das Messergebnis, insbesondere auf den ersten Abstandswert, minimiert werden. Der Spektralbereich sollte minimal ungefähr 360 nm bis 780 nm betragen. Eine Erweiterung des Spektralbereichs auf ungefähr 200 nm bis 1.100 nm und/oder auf ungefähr 950 nm bis 2.300 nm und/oder auf ungefähr 2.300 nm bis 10.000 nm kann beispielsweise von Vorteil sein, insbesondere da hiermit weitere Applikationsfelder erschlossen werden könnten.
Der Sensor kann beispielsweise eine Weißlichtquelle mit einem breiten Spektralbereich, insbesondere eine breite spektrale Verteilung, aufweisen. Beispielsweise kann ein erforderlicher breitbandiger Spektralbereich, insbesondere ein breitbandiger spektraler Bereich, durch Kombination mehrerer schmalbandiger Lichtquellen erzeugt werden.
Das Spektrometer kann beispielsweise simultan mit mehreren Beugungsordnungen betrieben werden. Für jede Beugungsordnung kann das übertragene Spektrum unterschiedlich und damit auch der Messbereich und die Messgenauigkeit des Sensorsystems unterschiedlich sein.
Die optische Anordnung kann beispielsweise mindestens ein diffraktives Element aufweisen. Ein Farblängsfehler und damit ein Messwert, insbesondere der erste Abstandswert, kann sich über der Umgebungstemperatur üblicherweise deutlich geringer bei diffraktiven als bei refraktiven optischen Elementen verändern. Bevorzugt kann die optische Anordnung derart ausgelegt sein, dass sie einen entsprechend großen Farblängsfehler aufweist, insbesondere angepasst an das Messobjekt und/oder an das Einsatzfeld, beispielsweise durch Einsatz eines diffraktiven Elementes.
Eine Erzeugung des Farblängsfehlers des Sensors, beispielsweise mittels des diffraktiven Elements, kann ein Ausnutzen mehrerer Beugungsordnungen ermöglichen. Jede Beugungsordnung kann durch einen anderen Arbeitsabstand der ersten Sonde und/oder der zweiten Sonde zu dem messenden Objekt und/oder durch einen anderen Messbereich durch den erzeugten Farblängsfehler bestimmt sein.
Das Sensorsystem kann ein mehrstrahliger chromatisch-konfokaler Distanzsensor mit integriertem Spektrometer sein.
Beispielsweise können simultan mehrere erste spektrale Verteilungen und/oder mehrere zweite spektrale Verteilungen erfasst werden. Bevorzugt können mindestens eine erste spektrale Verteilung und mindestens eine zweite spektrale Verteilung wiederholt simultan erfasst werden.
Beispielsweise können mindestens eine erste spektrale Verteilung und mindestens eine zweite spektrale Verteilung mit einer Rate von bis zu 100 Hz, insbesondere von bis zu 10 kHz, bevorzugt von bis zu 70 kHz, besonders bevorzugt von bis zu 100 kHz wiederholt simultan erfasst werden. Beispielsweise kann das Sensorsystem ausgebildet sein, um zumindest einen Teil des Sensorsystems relativ zu einem Teil des Messobjekts zu bewegen, insbesondere die erste Sonde und/oder die zweite Sonde zu dem Messobjekt. Beispielsweise kann das Sensorsystem ausgebildet sein, um zumindest einen Teil des Sensorsystems und einen Teil des Messobjekts während der wiederholten Durchführung der simultanen Bestimmung der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung relativ zueinander zu bewegen, beispielsweise kontinuierlich und/oder schrittweise, insbesondere um mindestens eine Oberfläche des Messobjekts abzutasten und/oder abzuscannen. Insbesondere die simultane Bestimmung der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung kann eine kontinuierliche Abtastung des Messobjekts erzielen ohne die Messgenauigkeit negativ zu beeinflussen.
Das Sensorsystem kann beispielsweise bei Medizinprodukten und/oder in der Augendiagnostik und/oder in der Automatisierungstechnik eingesetzt werden. Das Sensorsystem kann beispielsweise in einem optischen Abstandssensor eingesetzt werden. Das Sensorsystem kann insbesondere zur Abstandsmessung zu reflektierenden Oberflächen und/oder zur Bestimmung von feinsten Oberflächenstrukturen, beispielsweise einer Rauigkeit, und/oder zu Form- und Koordinatenmessungen und/oder zur Erfassung von Verschmutzungen, beispielsweise von Ölschichten, eingesetzt werden.
Das Sensorsystem kann mindestens eine interne Referenz aufweisen, insbesondere die interne Referenzlänge und/oder die interne Oberflächenreferenz, beispielsweise zu einer Korrektur der Summe aller Änderungen, beispielsweise durch Umwelteinflüsse erzeugte Änderungen. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung eingerichtet sein, um einen Summenfehler aller Änderungen, insbesondere mittels der internen Längenreferenz, zu bestimmen. Die Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts kann bestimmt und/oder referenziert werden.
Das Sensorsystem kann ausgebildet sein, um eine absolute Abstandsmessung zwischen dem Sensor, beispielsweise der ersten Sonde, und einer ersten reflektierenden Oberfläche zu ermöglichen. Zusätzlich kann das Sensorsystem ausgebildet sein, um eine absolute Abstandsbestimmung zwischen dem Sensorsystem, insbesondere der ersten Sonde, und der ersten und mindestens einer weiteren reflektierenden Fläche zu ermöglichen.
Das Sensorsystem kann insbesondere ausgebildet sein, um mehrere Messpunkte simultan zu vermessen. Bei dem Spektrometer kann es sich bevorzugt um ein mehrstrahliges Spektrometer handeln. Das Sensorsystem kann vorzugsweise eine hohe Wellenlängenstabilität, insbesondere hinsichtlich des Spektrometers, bei variablen Umwelteinflüssen aufweisen, beispielsweise durch den monolithischen Aufbau des Spektrometers und/oder den monolithischen Aufbau des Sensorsystems.
Beispielsweise kann das Sensorsystem ausgebildet sein, um Umgebungseinflüsse, insbesondere hinsichtlich einer Temperatur und/oder eines Drucks, zu erfassen und zumindest den ersten Abstandswert zu korrigieren.
Die Spektrometeranordnung, insbesondere das Spektrometer, kann beispielsweise mindestens eine Zeilenkamera aufweisen. Besonders bevorzugt kann die Spektrometeranordnung, insbesondere das Spektrometer, eine Matrixkamera aufweisen, wobei eine Zeile der Matrixkamera jeweils einem Kanal der mehrkanaligen Spektrometeranordnung entsprechen kann. Das Spektrometer und/oder die optische Anordnung können insbesondere miniaturisiert ausgestaltet sein.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Bestimmung der ersten spektralen Verteilung und der zweiten spektralen Verteilung mittels der Spektrometeranordnung simultan.
Weiterhin wird ein Koordinatenmessgerät, umfassend zumindest ein Sensorsystem wie oben beschrieben, vorgeschlagen. Das Koordinatenmessgerät kann mindestens einen weiteren Sensor aufweisen, beispielsweise mindestens einen taktilen Sensor. Das Koordinatenmessgerät kann insbesondere ausgestaltet sein, um zumindest zwei räumliche Koordinaten zu bestimmen.
Das Koordinatenmessgerät kann mindestens einen Tastarm aufweisen. Beispielsweise kann das Sensorsystem in einem Tastarm integriert sein. Beispielsweise kann der Sensor oder der monolithische Block in dem Tastarm integriert sein. Der Tastarm kann insbesondere eingerichtet sein, um mindestens eine Sonde, beispielsweise die erste Sonde, relativ zu dem Messobjekt zu bewegen. Beispielsweise kann der monolithische Block reversibel an dem Tastarm angebracht sein oder in dem Tastarm integriert sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Sensor oder das gesamte Sensorsystem reversibel an dem Tastarm angebracht sein oder in dem Tastarm integriert sein.
Das Koordinatenmessgerät kann eine Basis aufweisen, auf welcher eine Werkstückaufnahme angeordnet sein kann. Die Werkstückaufnahme kann beispielsweise ein Kreuztisch sein. Die Werkstückaufnahme kann beispielsweise eingerichtet sein, um das Messobjekt zu fixieren und/oder um das Messobjekt relativ zu der Basis zu bewegen.
Das Koordinatenmessgerät kann eine Säule aufweisen, an welcher der Tastarm verschiebbar gelagert sein kann. Der Tastarm kann einen Messkopf aufweisen. Der weitere Sensor und/oder der Sensor und/oder das Sensorsystem können beispielsweise zumindest teilweise in dem Messkopf angeordnet sein.
Das Koordinatenmessgerät kann eine Ansteuerung aufweisen. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung des Sensorsystems in der Ansteuerung integriert sein. Alternativ hierzu kann die Auswerte- und Steuereinrichtung des Sensorsystems beispielsweise in dem Messkopf integriert sein.
Beispielsweise kann das Koordinatenmessgerät einen Kollisionsschutz aufweisen, insbesondere um eine Beschädigung des Sensorsystems zu verhindern. Das Koordinatenmessgerät kann ein kraftmessendes und/oder wegmessendes System sein. Der Sensor und/oder das Sensorsystem können derartig an oder in einem Element des Koordinatenmessgeräts befestigt und/oder integriert sein, dass eine Kollision zwischen der ersten Sonde und dem Messobjekt verhindert oder gedämpft werden kann.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Insbesondere können die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale lediglich mit dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche kombiniert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel des neuen Sensorsystems;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel des neuen Sensorsystems;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel des neuen Sensorsystems;
4 ein viertes Ausführungsbeispiel des neuen Sensorsystems;
5 ein fünftes Ausführungsbeispiel des neuen Sensorsystems;
6 ein sechstes Ausführungsbeispiel des neuen Sensorsystems;
7 ein siebtes Ausführungsbeispiel des neuen Sensorsystems;
8 ein achtes Ausführungsbeispiel des neuen Sensorsystems; und
9 ein Ausführungsbeispiel des neuen Koordinatenmessgerätes.

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des neuen Sensorsystems 9 mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet. Das neue Sensorsystem 9 zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts 10 weist mindestens einen Sensor 11 und eine Auswerte- und Steuereinrichtung 28 auf. Der Sensor 11 weist eine Weißlichtquelle 12, eine optische Anordnung 16, eine erste Sonde 20 und eine Spektrometeranordnung 22 auf. Die Weißlichtquelle 12 ist ausgebildet, um einen ersten Lichtstrahl 14 auszusenden. Die erste Sonde 20 ist ausgebildet, um aus dem ersten Lichtstrahl 14 durch Aufprägung einer chromatischen Längsaberration einen ersten Messstrahl 18 zu generieren. Die erste Sonde 20 ist zur Beaufschlagung des Messobjekts 10 mit dem ersten Messstrahl ausgebildet. Die Spektrometeranordnung 22 ist dazu ausgebildet, von dem Messobjekt 10 reflektiertes Licht 24 des ersten Messstrahls 18 spektral in erstes spektral zerlegtes Licht 86 zu zerlegen und mindestens einen zweiten Lichtstrahl 26 spektral in zweites spektral zerlegtes Licht 88 zu zerlegen. Die Spektrometeranordnung 22 ist dazu ausgebildet, das erste spektral zerlegte Licht 86 in erste elektrische Signale 90 umzuwandeln und das zweite spektral zerlegte Licht 88 in zweite elektrische Signale 92 umzuwandeln. Die Auswerte- und Steuereinrichtung 28 ist dazu ausgebildet, aus den ersten elektrischen Signalen 90 eine erste spektrale Verteilung zu ermitteln und aus der ersten spektralen Verteilung einen ersten Abstandswert zu ermitteln. Die Auswerte- und Steuereinrichtung 28 ist ferner dazu ausgebildet, um aus den zweiten elektrischen Signalen 92 eine zweite spektrale Verteilung zu ermitteln. Die Spektrometeranordnung 22 ist dazu ausgebildet, die erste spektrale Verteilung und die zweite spektrale Verteilung wahlweise simultan oder zeitversetzt zu ermitteln.
Das neue Sensorsystem 9 kann beispielsweise in einem optischen Multisensortastarm integriert sein. Die Weißlichtquelle 12 kann beispielsweise aus mehreren Lichtquellen zusammengesetzt sein, bevorzugt mit einem Spektrum definierter Bandbreite. Das abgestrahlte Licht der Weißlichtquelle 12 kann in zwei Teile aufgeteilt werden, beispielsweise in den ersten Lichtstrahl 14 und in den zweiten Lichtstrahl 26, oder in mindestens einen Teilstrahl des zweiten Lichtstrahls 26. Der erste Messstrahl 18 kann sich entlang eines optischen Strahlengangs ausbreiten, welcher von der Weißlichtquelle 12 zu der optischen Anordnung 16 leitet oder führt. Die optische Anordnung 16 kann insbesondere eine raumfeste Optik sein, beispielsweise umfassend mindestens eine Freistrahloptik und/oder mindestens einen raumfest verlegten Lichtwellenleiter.
Der zweite Lichtstrahl 26 kann entlang eines optischen Strahlengangs von der Weißlichtquelle 12 zu der Auswerte- und Steuereinrichtung 28 geleitet werden. Prinzipiell kann das Sensorsystem 9 mehrere zweite Lichtstrahlen 26 aufweisen, welche prinzipiell voneinander unabhängig sein können. Die Auswerte- und Steuereinrichtung 28 kann als Auswerteeinheit ausgebildet sein. Die optische Anordnung 16, ausgebildet bevorzugt als raumfeste Optik, kann die Strahlen der Weißlichtquelle 12, insbesondere den ersten Lichtstrahl 14, auf die Anzahl der das Messsystem, insbesondere das Sensorsystem 9, umfassenden Sonden verteilen. In diesem ersten Ausführungsbeispiel sind exemplarisch zwei Sonden dargestellt, insbesondere die erste Sonde 20 und eine zweite Sonde 46. Das Sensorsystem 9 kann die zweite Sonde 46 insbesondere zu einer simultanen Messung eines weiteren Abstandswerts mit dem ersten Abstandswert aufweisen.
Mindestens eine, vorzugsweise jede Sonde, beispielsweise die erste Sonde 20 und/oder die zweite Sonde 46, kann einen definierten, nicht notwendigerweise identischen, Farblängsfehler aufweisen. Die chromatische Längsaberration, auch Farblängsfehler genannt, fokussiert das Licht vorzugsweise aus dem Spektrum der Weißlichtquelle 12 in unterschiedlichen Abständen zu der ersten Sonde 20 und/oder zu der zweiten Sonde 46, dargestellt durch den ersten Messstrahl 18 für die erste Sonde 20, beispielsweise als optischer Strahlengang ausgestaltet, und einen zweiten Messstrahl 52, ebenfalls beispielsweise als optischer Strahlengang ausgestaltet, für die zweite Sonde 46.
Die fokussierten Strahlengänge, insbesondere der erste Messstrahl 18 und der zweite Messstrahl 52, werden vorzugsweise von der zu messenden Oberfläche 54 reflektiert, dargestellt durch die Strahlengänge des reflektierten Lichts 24 und des weiteren reflektierten Lichts 56 und von den jeweiligen Sonden, insbesondere von der ersten Sonde 20 und der zweiten Sonde 46 wieder aufgenommen. Das reflektierte Licht 24 kann dabei im Spektrum, insbesondere in einer Amplitude, verglichen zu dem ersten Messstrahl 18 verändert sein, je nach Abstand zu der ersten Sonde 20.
Das weitere reflektierte Licht 56 kann im Spektrum in der Amplitude im Vergleich zu dem zweiten Messstrahl 52 ebenfalls verändert sein, insbesondere je nach Abstand zwischen dem Reflexionspunkt auf dem Messobjekt 10 und der zweiten Sonde 46. Die von den Sonden, insbesondere von der ersten Sonde 20 und der zweiten Sonde 46, aufgenommenen optischen Strahlen, insbesondere das reflektierte Licht 24 und das weitere reflektierte Licht 56, können durch die optische Anordnung 16, insbesondere als raumfeste Optik ausgestaltet, als unterscheidbare optische Strahlengänge, beispielsweise als erster Eingangsstrahl 58 und als dritter Eingangsstrahl 60, auf die Spektrometeranordnung 22 gegeben werden.
Die Spektrometeranordnung 22, beispielsweise als Auswerteeinheit ausgebildet, ist in 1 exemplarisch als dreikanalige Spektrometeranordnung 22, insbesondere als dreikanalige Auswerteeinheit, dargestellt. Im Allgemeinen kann die Spektrometeranordnung 22 mindestens zwei Kanäle aufweisen, beispielsweise einen Kanal für die Weißlichtquelle 12 und mindestens einen Kanal für den optischen Strahlengang einer Sonde. Die Spektrometeranordnung 22 kann, beispielsweise mittels eines Spektrometers 66, die Spektren der optischen Strahlengänge auswerten, beispielsweise die erste spektrale Verteilung und/oder die zweite spektrale Verteilung und/oder mindestens eine dritte spektrale Verteilung.
Bei der ersten spektralen Verteilung kann es sich bevorzugt um die spektrale Verteilung des ersten Eingangsstrahls 58, insbesondere des reflektierten Lichts 24, handeln. Bei der zweiten spektralen Verteilung kann es sich bevorzugt um die spektrale Verteilung des zweiten Lichtstrahls 26, insbesondere umfassend den Lichtquellenlichtstrahl 30, handeln. Bei der dritten spektralen Verteilung kann es sich bevorzugt um die spektrale Verteilung des dritten Eingangsstrahls 60, bevorzugt von der zweiten Sonde 46, besonders bevorzugt von dem weiteren reflektierten Licht 56, handeln. Die dritte spektrale Verteilung kann bevorzugt eine von mehreren zweiten spektralen Verteilungen sein. Hierbei können beispielsweise drei räumlich getrennte Spektrogramme für jeweils einen Strahlengang erzeugt und beispielsweise auf eine Matrixkamera 62 abgebildet werden. Ein zweiter Eingangsstrahl 64 kann beispielsweise den zweiten Lichtstrahl 26, insbesondere den Lichtquellenlichtstrahl 30, umfassen.
Vorzugsweise umfasst die Matrixkamera 62 mindestens so viele Zeilen, wie die Spektrometeranordnung 22 Eingangskanäle aufweist. In 1 weist die Spektrometeranordnung 22 drei Eingangskanäle auf, jeweils einen Eingangskanal pro Eingangsstrahl. Die Matrixkamera 62 in 1 weist daher bevorzugt mindestens drei Zeilen auf. Beispielsweise kann für jede Zeile die spektrale Verteilung eines Eingangsstrahls der Spektrometeranordnung 22, beispielsweise des ersten Eingangsstrahls 58 und des zweiten Eingangsstrahls 64 und des dritten Eingangsstrahls 60, aufgezeichnet werden. Alle aufgenommenen spektralen Verteilungen können beispielsweise als elektronische Signale 68 an die Auswerte- und Steuereinrichtung 28, umfassend mindestens eine Auswertesoftware, übergeben werden.
Die Auswerte- und Steuereinrichtung 28, bevorzugt die Auswertesoftware, kann mit der übertragenen zweiten spektralen Verteilung, insbesondere dem Spektrum der Weißlichtquelle 12, beispielsweise den jeweiligen dominierenden spektralen Anteil des ersten Eingangsstrahls 58 und des dritten Eingangsstrahls 60 ermitteln. Mittels einer zuvor aufgenommenen Kalibrierung können Maxima der spektralen Verteilungen, insbesondere Maxima der spektralen Verteilungen des ersten Eingangsstrahls 58 und des dritten Eingangsstrahls 60, in Abstandswerte, beispielsweise in den ersten Abstandswert und/oder in einen zweiten Abstandswert und/oder in eine Dicke, umgerechnet werden.
Das Sensorsystem 9 weist bevorzugt einen monolithischen Grundkörper 44 auf. Der monolithische Grundkörper 44 umfasst beispielsweise die Weißlichtquelle 12, die optische Anordnung 16, die erste Sonde 20, die zweite Sonde 46 und zumindest teilweise die Spektrometeranordnung 22, insbesondere das Spektrometer 66. Der monolithische Grundkörper 44 kann ein Spritzgussteil sein. Insbesondere kann der monolithische Grundkörper 44 mittels der Technologie Spritzgießen gefertigt sein. Der monolithische Grundkörper 44 kann insbesondere die Auswerteeinheit, beispielsweise das Spektrometer 66, umfassen. Die Matrixkamera 62 ist nicht notwendigerweise Teil des monolithischen Grundkörpers 44. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Matrixkamera 62 beispielsweise in den monolithischen Grundkörper 44 integriert, wie auch in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel. Alternativ hierzu kann der monolithische Grundkörper mittels einer mechanischen Verbindung und/oder mittels einer optischen Verbindung mit der Matrixkamera verbunden sein. Das Sensorsystem 9 des ersten Ausführungsbeispiels, wie in 1 dargestellt, kann beispielsweise in einem Tastarm integriert sein, welcher beispielsweise alle Elemente des monolithischen Grundkörpers 44, insbesondere die Weißlichtquelle 12, die optische Anordnung 16, das Spektrometer 66, die erste Sonde 20 und die zweite Sonde 46, und die Matrixkamera 62 umfassen kann.
Die Spektrometeranordnung 22 in 1 kann bevorzugt ein elektronisches Signal 68 liefern, insbesondere ein elektronisches Messsignal, welches in einen Abstandswert, beispielsweise in den ersten Abstandswert und/oder in einen zweiten Abstandswert, umgerechnet werden kann.
Die Anzahl der in 1 dargestellten Sonden ist nicht notwendigerweise auf zwei Sonden beschränkt. Dementsprechend kann sich die Anzahl der Eingänge für die Spektrometeranordnung 22 und/oder die Anzahl der Kanäle der Spektrometeranordnung 22 und/oder die Anzahl der Zeilen der Matrixkamera 62 erhöhen.
Eine Anordnung der Sonden, insbesondere der ersten Sonde 20 und der zweiten Sonde 46, in 1 ist exemplarisch und kann je nach Funktionsweise des Sensorsystems 9 anders ausgestaltet sein. Eine mögliche Umsetzung zur optischen Mittendickenmessung kann beispielsweise durch eine Anordnung von zwei Sonden entlang einer Achse erfolgen, wobei die Sonden beispielsweise in entgegengesetzten Richtungen auf das zu messende Werkstück blicken können. Weiterhin sind beispielsweise eine Sterntasteranordnung und/oder eine Kombination mehrerer Sonden zur Erhöhung des Grenzwinkels und/oder ein Tastarm für eine angepasste Kurvenmessung denkbar.
Die Sonden des optischen Tastarms können beispielsweise mit einem konvexen und/oder kugelförmigen letzten optischen Element, insbesondere in Richtung zu dem Messobjekt 10, ausgestaltet sein. Vorzugsweise kann das Material des letzten optischen Elements mit einer ausreichenden Härte gewählt sein, sodass eine taktile Antastung mit den Sonden, beispielsweise mit der ersten Sonde 20 und/oder mit der zweiten Sonde 46, ohne Beschädigung und Deformation des letzten optischen Elements und/oder der letzten Fläche durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann die letzte Fläche und/oder das letzte optische Element aus Saphir bestehen oder aus diamantbeschichtetem Saphir oder aus Glas mit einer Beschichtung aus Diamant ausgestaltet sein.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann der zweite Lichtstrahl 26 bevorzugt ein Lichtquellenlichtstrahl 30 sein. Der Lichtquellenlichtstrahl 30 kann ein oder mehrere Lichtstrahlen ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Licht der Weißlichtquelle 12, dem ersten Lichtstrahl 14, und dem ersten Messstrahl 18, umfassen. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die zweite spektrale Verteilung bevorzugt eine spektrale Verteilung der Weißlichtquelle 12 sein, insbesondere zur Überwachung der Weißlichtquelle 12 und/oder zur Korrektur des ersten Abstandswertes und/oder des zweiten Abstandswertes.
Die in den 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele sind insbesondere derart ausgestaltet, dass die Auswerte- und Steuereinrichtung 28 ausgebildet ist, um mittels der zweiten spektralen Verteilung die Erfassung des ersten Abstandswertes zu optimieren.
Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass die erste Sonde 20 und die zweite Sonde 46 ausgebildet sein können, um das Messobjekt 10 wahlweise optisch und/oder taktil abzutasten.
Die in den 1 bis 7 dargestellten Sensorsysteme 9 können beispielweise eine Weißlichtquelle 12 mit einem Spektrum zwischen 200 nm und 1000 nm, bevorzugt zwischen 200 nm und 950 nm, besonders bevorzugt zwischen 360 nm und 780 nm aufweisen.
Die optische Anordnung 16 der Ausführungsbeispiele der 1 bis 7 können beispielsweise mindestens ein diffraktives Element 50 aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können die optischen Anordnungen 16 der Ausführungsbeispiele nach 1 bis 8 mindestens ein dispersives Element aufweisen. Das diffraktive Element 50 und/oder das dispersive Element können insbesondere ausgestaltet sein, um eine chromatische Längsaberration auf mindestens einen Lichtstrahl, insbesondere auf den ersten Lichtstrahl 14 und/oder auf den zweiten Lichtstrahl 26, aufzuprägen.
Das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 9 kann prinzipiell wie das in 1 dargestellte Sensorsystem 9 ausgestaltet sein. Das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 9 weist einen monolithischen Grundkörper 44 umfassend die gesamte Spektrometeranordnung 22, also auch die Matrixkamera 62, auf.
Die in 2 dargestellte zweite Sonde 46 kann alternativ oder zusätzlich zu von dem Messobjekt 10 reflektiertem Licht 24 der Weißlichtquelle 12 Umgebungslicht 32 erfassen. Der zweite Lichtstrahl 26 kann insbesondere Umgebungslicht 32 umfassen. Beispielsweise kann das zweite Ausführungsbeispiel einen zweiten Lichtstrahl 26 umfassend Umgebungslicht 32 und einen weiteren zweiten Lichtstrahl 26 umfassend Lichtquellenlicht generieren und/oder analysieren.
Die zweite spektrale Verteilung kann eine spektrale Verteilung des Umgebungslichts 32 sein. Prinzipiell kann die zweite Sonde 46 des zweiten Ausführungsbeispiels wie die zweite Sonde 46 des ersten Ausführungsbeispiels ausgestaltet sein. Die Erfassung des Umgebungslichts 32, insbesondere des zweiten Lichtstrahls 26, kann insbesondere dadurch erfolgen, dass kein zweiter Messstrahl 52 simultan ausgestrahlt wird, insbesondere simultan zur Erfassung des Umgebungslichts 32. Beispielsweise kann die zweite Sonde 46 und/oder die optische Anordnung 16 mindestens einen Shutter und/oder mindestens einen akustooptischen Modulator aufweisen, insbesondere um ein Aussenden von Licht der Weißlichtquelle 12 aus der zweiten Sonde 46 zu unterdrücken oder zu verhindern. Der Shutter kann beispielsweise eine Rasierklinge aufweise. Der Shutter kann insbesondere eingerichtet sein, um einen Lichtstrahl schnell und verlässlich zu unterbrechen. Beispielsweise kann der Shutter während des Verfahrens auch geöffnet werden oder mittels des akustooptischen Modulators Licht der Weißlichtquelle 12 durch die zweite Sonde 46 auf das Messobjekt 10 geführt werden, insbesondere um einen zweiten Messstrahl 52 auf das Messobjekt 10 zu führen, um mindestens einen zweiten Abstandswert zu erfassen. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung 28 ausgestaltet sein, um in regelmäßigen Abständen Umgebungslicht 32 zu erfassen, um das Umgebungslicht 32 zu überwachen und/oder um den ersten Abstandswert und/oder den zweiten Abstandswert oder weitere Abstandswerte zu korrigieren. Der zweite Lichtstrahl 26 kann in dem zweiten Ausführungsbeispiel in zwei Teilstrahlen aufgeteilt sein, insbesondere in Umgebungslicht 32 und in den Lichtquellenlichtstrahl 30. Die Spektrometeranordnung 22 kann eingerichtet sein, um die beiden zweiten spektralen Verteilungen, also die spektrale Verteilung der Weißlichtquelle 12 und die spektrale Verteilung des Umgebungslichts 32, sowie die erste spektrale Verteilung, simultan zu erfassen.
Das in 3 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 9 kann prinzipiell wie das in 1 dargestellt erste Ausführungsbeispiel ausgestaltet sein. Das in 3 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel weist einen monolithischen Grundkörper 44 auf, wobei der monolithische Grundkörper 44 des dritten Ausführungsbeispiels sowohl die Spektrometeranordnung 22 vollständig als auch die Auswerte- und Steuereinrichtung 28 zumindest teilweise umfasst, insbesondere integriert. Der monolithische Grundkörper 44 des dritten Ausführungsbeispiels weist demnach zumindest die Weißlichtquelle 12, die optische Anordnung 16, und das Spektrometer 66, die Matrixkamera 62, die Auswerte- und Steuereinrichtung 28, die erste Sonde 20, und die zweite Sonde 46 auf.
Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel kann beispielsweise zusätzlich eine interne Referenzlänge 34 aufweisen. Der zweite Lichtstrahl 26 kann Licht zur Messung der internen Referenzlänge 36 umfassen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung 28 kann dazu ausgebildet sein, mittels der zweiten spektralen Verteilung den ersten Abstandswert mit der Referenzlänge 34 zu vergleichen. Die in 3 dargestellte interne Referenzlänge 34 ist an der zweiten Sonde 46 angeordnet. Beispielsweise kann die interne Referenzlänge 34 reversibel an dem Sensorsystem 9 angebracht sein. Beispielsweise kann ein Benutzer wahlweise durch Anordnen der internen Referenzlänge 34, beispielsweise durch Anbringen eines Spiegels an der zweiten Sonde 46, die interne Referenzlänge 34 implementieren oder die zweite Sonde 46 zur Erfassung eines zweiten Abstandswerts nutzen. Die interne Referenzlänge 34 kann beispielsweise zumindest teilweise, insbesondere auch vollständig, in den monolithischen Grundkörper 44 integriert sein. Alternativ hierzu kann die interne Referenzlänge 34 außerhalb des monolithischen Grundkörpers 44 angeordnet sein, beispielsweise innerhalb eines Gehäuses. Alternativ hierzu kann die interne Referenzlänge 34 auch an einem anderen Element des Sensorsystems 9 angeordnet sein, beispielsweise an der optischen Anordnung 16 oder in der Spektrometeranordnung 22.
In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Spektrometeranordnung 22 dazu ausgebildet sein die erste spektrale Verteilung und zwei zweite spektrale Verteilungen simultan zu bestimmen, wie die prinzipiell auch in anderen Ausführungsbeispielen möglich ist. Die Spektrometeranordnung 22 kann eingerichtet sein, um simultan die spektrale Verteilung der Weißlichtquelle 12 und die spektrale Verteilung des von dem Messobjekt 10 reflektierten Lichts 24 des ersten Messstrahls 18 und des zweiten Lichtstrahls 26, insbesondere von der internen Referenzlänge 34, zu erfassen. Das Sensorsystem 9 kann insbesondere ausgebildet sein, um simultan zwei zweite Lichtstrahlen auszuwerten, insbesondere zwei zweite Lichtstrahlen 26.
Das in 4 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 9 kann prinzipiell wie das in 3 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel ausgestaltet sein. Das vierte Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 9 weist mindestens eine interne Referenzoberfläche 38 auf. Die interne Referenzoberfläche 38 kann beispielsweise die gleiche Oberfläche wie die Oberfläche der internen Referenzlänge 34 sein. Beispielsweise können die interne Referenzlänge 34 und die interne Referenzoberfläche 38 als ein Bauteil ausgestaltet sein. Bevorzugt kann die interne Referenzoberfläche 38 reversibel anbringbar sein, beispielsweise an die zweite Sonde 46. Die interne Referenzoberfläche 38 kann beispielsweise durch einen Benutzer wahlweise angebracht oder entfernt werden. Bei angebrachter interner Referenzoberfläche 38 kann die interne Referenzoberfläche 38 verwendet werden. Bei entfernter interner Referenzoberfläche 38 kann beispielsweise die zweite Sonde 46 zur Messung mindestens eines zweiten Abstandswerts und/oder mindestens eines weiteren Abstandswerts verwendet werden.
Der zweite Lichtstrahl 26 kann Licht zur Messung der internen Referenzoberfläche 40 aufweisen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung 28 kann dazu ausgebildet sein die erste spektrale Verteilung mit der zweiten spektralen Verteilung, insbesondere mit der spektralen Verteilung aus der internen Referenzoberfläche 38, zu vergleichen, um Informationen über eine Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts 10 zu erhalten. Die Spektrometeranordnung 22 kann ausgebildet sein, um simultan die erste spektrale Verteilung und mindestens eine zweite spektrale Verteilung zu erfassen. Beispielsweise kann die Spektrometeranordnung 22 ausgebildet sein, um die erste spektrale Verteilung zur Bestimmung des ersten Abstandswerts und die zweite spektrale Verteilung zur Erfassung der internen Referenzoberfläche 38 und eine weitere zweite spektrale Verteilung , beispielsweise zur Erfassung von Licht der Weißlichtquelle 12, simultan zu bestimmen.
Beispielsweise kann der zweite Lichtstrahl 26 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt sein, insbesondere in einen Lichtstrahl umfassend Licht der Weißlichtquelle 12 und in Licht von der internen Referenzoberfläche 38. Die Teilstrahlen können insbesondere unabhängig voneinander sein. Die Spektrometeranordnung 22 kann insbesondere ausgebildet sein, um simultan spektrale Verteilungen mehrerer zweiter Lichtstrahlen 26 zu erfassen. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Auswerte- und Steuereinrichtung 28 außerhalb des monolithischen Grundkörpers 44 angeordnet, wobei die Matrixkamera 62 innerhalb des monolithischen Grundkörpers 62 angeordnet ist.
Das in 5 dargestellte fünfte Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 9 kann prinzipiell wie das in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel ausgestaltet sein. Die zweite Sonde 46 und/oder die optische Anordnung 16 und/oder die Auswerte- und Steuereinrichtung 28 können insbesondere ausgestaltet sein, um Streulicht 42 von dem Messobjekt 10 zu erfassen. Beispielsweise kann die zweite Sonde 46 wahlweise auch zur Erfassung mindestens eines zweiten Abstandswerts und/oder mindestens eines weiteren Abstandswerts verwendet werden. Zur Erfassung des Streulichts 42 kann beispielsweise die zweite Sonde 46 und/oder die optische Anordnung 16 mindestens einen Shutter und/oder mindestens einen akustooptischen Modulator aufweisen, um zu verhindern, dass Licht der Weißlichtquelle 12 oder des ersten Lichtstrahls 14 aus der zweiten Sonde 46 austritt und das Messobjekt 10 erreicht, insbesondere wenn eine Messung von Streulicht 42 gewünscht ist. Beispielsweise können die optische Anordnung 16 und/oder die zweite Sonde 46 derart ausgebildet sein, dass wahlweise Streulicht 42 oder von der Oberfläche 54 des Messobjekts 10 reflektiertes Licht 24, welches von der zweiten Sonde 46 ausgestrahlt wurde, erfasst werden kann. Beispielsweise kann der zumindest eine zweite Lichtstrahl 26 Streulicht 42 von einer Oberfläche 54 des Messobjekts 10 umfassen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung 28 kann ausgebildet sein, um mittels der zweiten spektralen Verteilung, insbesondere mittels der spektralen Verteilung des Streulichts 42, Information über die Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts 10 zu erhalten. Der zweite Lichtstrahl 26 kann insbesondere im Ausführungsbeispiel nach 5 zwei Teilstrahlen umfassen, bevorzugt Streulicht 42 und Licht der Weißlichtquelle 12.
Der Sensor 11 des in 6 dargestellten Ausführungsbeispiels eines Sensorsystems 9 weist einen Refraktometer 94 auf. Der zweite Lichtstrahl 26, 95 kann einen Grenzstrahl für Licht einer ersten Frequenz 95 aufweisen. Die Auswerte- und Steuereinrichtung 28 kann dazu ausgebildet sein, mittels der zweiten spektralen Verteilung die erste Frequenz zu bestimmen und aus der ersten Frequenz einen Brechungsindex des Messobjekts 10 zu bestimmen. Die erste Frequenz ist vorzugsweise eine minimale Frequenz der zweiten spektralen Verteilung.
Das Refraktometer 94 weist ein Prisma 96 mit bekanntem Brechungsindex, eine Lichtbeaufschlagungsvorrichtung 102 und eine Winkelselektionsvorrichtung 104 auf. Das Prisma 96 weist eine Kontaktfläche auf. Die Kontaktfläche ist ausgestaltet, um mit einer Oberfläche des Messobjekts eine Grenzfläche 106 auszubilden. Die Lichtbeaufschlagungsvorrichtung 102 kann eingerichtet sein, um die Grenzfläche mit Weißlicht 100 des Lichtquellenlichtstrahls 30 zu beaufschlagen. Die Winkelselektionsvorrichtung 104 kann ausgestaltet sein, um einen Grenzstrahl für Licht einer ersten Frequenz 95 zu der Spektrometeranordnung 22 zu führen und einen Grenzstrahl für Licht einer zweiten Frequenz 97 auszuselektieren. Die Winkelselektionsvorrichtung 104 kann ausgestaltet sein, um Licht einer ersten Frequenz 95, welches unter einem ersten Grenzwinkel 98 aus dem Prisma 96 austritt, zu der Spektrometeranordnung 22 zu führen und einen Grenzstrahl für Licht einer zweiten Frequenz 97, welcher unter einem zweiten Grenzwinkel 99 aus dem Prisma 96 austritt, auszuselektieren, beispielsweise mittels einer Apertur. Beispielsweise kann eine Apertur des Refraktometer einstellbar sein, beispielsweise mittels einer Iris. Hierdurch kann aus dem Prisma unter dem ersten Grenzwinkel 98 austretendes Licht ausgewählt werden, um den Brechungsindex für eine bestimmte Lichtfrequenz zu bestimmen.
Das in 7 dargestellte siebte Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 9 kann prinzipiell wie das in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel ausgestaltet sein. Das in 7 dargestellte Ausführungsbeispiel kann beispielsweise zusätzlich mindestens einen Temperatursensor 48 aufweisen, beispielsweise um ein thermisches Gleichgewicht einzustellen und/oder um zumindest einen Teil des Sensorsystems 9 auf eine Übertemperatur zu stabilisieren. Bevorzugt kann das Sensorsystem 9 zusätzlich mindestens eine Heizung aufweisen. Der Temperatursensor 48 kann beispielsweise in den monolithischen Grundkörper 44 integriert sein. Prinzipiell kann auch das in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel mindestens einen Temperatursensor 48 und/oder mindestens eine Heizung aufweisen.
Das in 8 dargestellte achte Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 9 kann prinzipiell wie das in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel ausgestaltet sein. Die optische Anordnung 16 des achten Ausführungsbeispiels weist insbesondere ein diffraktives Element 50 auf. Das diffraktives Element 50 kann ausgebildet sein, um die chromatische Längsaberration, also den Längsfarbfehler, auf den ersten Lichtstrahl 14 aufzuprägen und/oder um den ersten Lichtstrahl 14 in mehrere Lichtstrahlen aufzuteilen, beispielsweise um mehrere Sonden, beispielsweise die erste Sonde 20 und die zweite Sonde 46, mit Licht aus der Weißlichtquelle 12 zur Beaufschlagung des Messobjekts 10 zu versorgen.
Das in 9 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Koordinatenmessgeräts 70 weist ein Sensorsystem 9, wie oben beschrieben, auf. Das Koordinatenmessgerät kann einen Tastarm 78 aufweisen. Das Koordinatenmessgerät 70 kann eine Basis 72 aufweisen, auf welcher eine Werkstückaufnahme 74 angeordnet sein kann. Die Werkstückaufnahme 74 kann beispielsweise ein Kreuztisch sein. Die Werkstückaufnahme 74 kann beispielsweise eingerichtet sein, um das Messobjekt 10 zu fixieren und/oder um das Messobjekt 10 in x-Richtung und/oder in y-Richtung und/oder in z-Richtung relativ zu der Basis 72 zu bewegen.
Das Koordinatenmessgerät 70 kann eine Säule 76 aufweisen, an welcher der Tastarm 78 verschiebbar gelagert sein kann. Der Tastarm 78 kann einen Messkopf 80 aufweisen. Das Koordinatenmessgerät kann mindestens einen weiteren Sensor 84 aufweisen. Bei dem weiteren Sensor 84 kann es sich ebenfalls um ein Sensorsystem 9 wie oben beschrieben handeln. Alternativ hierzu kann es sich bei dem weiteren Sensor 84 beispielsweise um einen rein taktilen Sensor handeln. Der weitere Sensor 84 und/oder das Sensorsystem 9 können beispielsweise zumindest teilweise in dem Messkopf 80 angeordnet sein.
Das Koordinatenmessgerät 70 kann eine Ansteuerung 82 aufweisen. Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinrichtung 28 des Sensorsystems 9 in der Ansteuerung 82 integriert sein. Alternativ hierzu kann die Auswerte- und Steuereinrichtung 28 des Sensorsystems 9 beispielsweise in dem Messkopf 80 integriert sein.
Bezugszeichenliste

9: Sensorsystem
10: Messobjekt
11: Sensor
12: Weißlichtquelle
14: erster Lichtstrahl
16: optische Anordnung
18: erster Messstrahl
20: erste Sonde
22: Spektrometeranordnung
24: reflektiertes Licht
26: zweiter Lichtstrahl
28: Auswerte- und Steuereinrichtung
30: Lichtquellenlichtstrahl
32: Umgebungslicht
34: interne Referenzlänge
36: Licht zur Messung der internen Referenzlänge
38: interne Referenzoberfläche
40: Licht zur Messung der Referenzoberfläche
42: Streulicht
44: monolithischer Grundkörper
46: zweite Sonde
48: Temperatursensor
50: diffraktives Element
52: zweiter Messstrahl
54: Oberfläche
56: weiteres reflektiertes Licht
58: erster Eingangsstrahl
60: dritter Eingangsstrahl
62: Matrixkamera
64: zweiter Eingangsstrahl
66: Spektrometer
68: elektronische Signale
70: Koordinatenmessgerät
72: Basis
74: Werkstückaufnahme
76: Säule
78: Tastarm
80: Messkopf
82: Ansteuerung
84: weiterer, hier taktiler Sensor
86: erstes spektral zerlegtes Licht
88: zweites spektral zerlegtes Licht
90: erste elektrische Signale
92: zweite elektrische Signale
94: Refraktometer
95: Grenzstrahl für Licht einer ersten Frequenz
96: Prisma
97: Grenzstrahl für Licht einer zweiten Frequenz
98: erster Grenzwinkel
99: zweiter Grenzwinkel
100: Weißlicht
102: Lichtbeaufschlagungsvorrichtung
104: Winkelselektionsvorrichtung
106: Grenzfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014008584 A1 [0003]
DE 102012210954 A1 [0004, 0048]
DE 102011084348 A1 [0005, 0048]
DE 102005022819 A1 [0007]
DE 102012021179 A1 [0008]
WO 2015/082683 A2 [0009]
WO 03/008898 A1 [0010]
DE 102010060124 A1 [0011]
DE 102011084348 [0150]
DE 102012210954 [0150]

Claims

Sensorsystem zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts (10), wobei das Sensorsystem (9) einen Sensor (11) und eine Auswerte- und Steuereinrichtung (28) aufweist, wobei der Sensor (11) eine Weißlichtquelle (12), eine optische Anordnung (16), eine erste Sonde (20) und eine Spektrometeranordnung (22) aufweist, wobei die Weißlichtquelle (12) ausgebildet ist, um einen ersten Lichtstrahl (14) auszusenden, wobei die erste Sonde (20) ausgebildet ist, um aus dem ersten Lichtstrahl (14) durch Aufprägung einer chromatischen Längsaberration einen ersten Messstrahl (18) zu generieren, wobei die erste Sonde (20) zur Beaufschlagung des Messobjekts (10) mit dem ersten Messstrahl (18) ausgebildet ist, wobei die Spektrometeranordnung (22) dazu ausgebildet ist, von dem Messobjekt (10) reflektiertes Licht (24) des ersten Messstrahls (18) spektral in erstes spektral zerlegtes Licht (86) zu zerlegen und mindestens einen zweiten Lichtstrahl (26) spektral in zweites spektral zerlegtes Licht (88) zu zerlegen, wobei die Spektrometeranordnung (22) dazu ausgebildet ist, das erste spektral zerlegte Licht (86) in erste elektrische Signale (90) umzuwandeln und das zweite spektral zerlegte Licht (88) in zweite elektrische Signale (92) umzuwandeln, wobei die Auswerte- und Steuereinrichtung (28) dazu ausgebildet ist, aus den ersten elektrischen Signalen (90) eine erste spektrale Verteilung zu ermitteln und aus der ersten spektralen Verteilung einen ersten Abstandswert zu ermitteln, wobei die Auswerte- und Steuereinrichtung (28) ferner dazu ausgebildet ist, aus den zweiten elektrischen Signalen (92) eine zweite spektrale Verteilung zu ermitteln, wobei die Spektrometeranordnung (22) dazu ausgebildet ist, die erste spektrale Verteilung und die zweite spektrale Verteilung wahlweise simultan oder zeitversetzt zu ermitteln.
Sensorsystem nach Anspruch 1, wobei die Auswerte- und Steuereinrichtung (28) eingerichtet ist, um mit einer ersten Umwandlungsrate mehrere erste elektrische Signale (90) und mit einer zweiten Umwandlungsrate mehrere zweite elektrische Signale (92) zu erzeugen, wobei die Auswerte- und Steuereinrichtung (28) ferner eingerichtet ist, um mit einer ersten Abtastrate mehrere erste spektrale Verteilungen zu ermitteln und mit einer zweiten Abtastrate mehrere zweite spektrale Verteilungen zu ermitteln, wobei die erste Abtastrate ungleich der zweiten Abtastrate ist.
Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswerte- und Steuereinrichtung (28) ferner dazu ausgebildet ist, um mittels der zweiten spektralen Verteilung den ersten Abstandswert zu korrigieren.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der zweite Lichtstrahl (26, 30) einen Lichtquellenlichtstrahl (30) umfasst, umfassend ein oder mehrere Lichtstrahlen ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Licht der Weißlichtquelle (12), dem ersten Lichtstrahl (14), und dem ersten Messstrahl (18), wobei die zweite spektrale Verteilung eine spektrale Verteilung der Weißlichtquelle (12) ist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Sensor (11) eine zweite Sonde (46) zur Messung eines weiteren Abstandswerts aufweist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zweite Lichtstrahl (26, 32) Umgebungslicht (32) umfasst, wobei die zweite spektrale Verteilung eine spektrale Verteilung des Umgebungslichts (32) ist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Sensor (11) eine interne Referenzlänge (34) aufweist, wobei der zweite Lichtstrahl (26, 36) Licht zur Messung der internen Referenzlänge (36) umfasst, wobei die Auswerte- und Steuereinrichtung (28) dazu ausgebildet ist, mittels der zweiten spektralen Verteilung den ersten Abstandswert mit der internen Referenzlänge (34) zu vergleichen.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Sensor(11) eine interne Referenzoberfläche (38) aufweist, wobei der zweite Lichtstrahl (26, 40) Licht zur Messung der Referenzoberfläche (40) umfasst, wobei die Auswerte- und Steuereinrichtung (28) dazu ausgebildet ist, die erste spektrale Verteilung mit der zweiten spektralen Verteilung zu vergleichen, um Informationen über eine Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts (10) zu erhalten.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zweite Lichtstrahl (26, 42) Streulicht (42) von einer Oberfläche (54) des Messobjekts (10) umfasst, wobei die Auswerte- und Steuereinrichtung (28) dazu ausgebildet ist, mittels der zweiten spektralen Verteilung Informationen über eine Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts (10) zu erhalten.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Sensor (11) ein Refraktometer (94) aufweist, wobei der zweite Lichtstrahl (26, 95) einen Grenzstrahl für Licht einer ersten Frequenz (95) aufweist, wobei die Auswerte- und Steuereinrichtung (28) dazu ausgebildet ist, mittels der zweiten spektralen Verteilung die erste Frequenz zu bestimmen und aus der ersten Frequenz einen Brechungsindex des Messobjekts (10) zu bestimmen.
Sensorsystem nach Anspruch 10, wobei das Refraktometer (94) ein Prisma (96) mit bekanntem Brechungsindex, eine Lichtbeaufschlagungsvorrichtung (102) und eine Winkelselektionsvorrichtung (104) aufweist, wobei das Prisma (96) eine Kontaktfläche aufweist, wobei die Kontaktfläche ausgestaltet ist, um mit einer Oberfläche des Messobjekts eine Grenzfläche (106) auszubilden, wobei die Lichtbeaufschlagungsvorrichtung (102) eingerichtet ist, um die Grenzfläche mit Weißlicht (100) des Lichtquellenlichtstrahls (30) zu beaufschlagen, wobei die Winkelselektionsvorrichtung (104) ausgestaltet ist, um einen Grenzstrahl für Licht einer ersten Frequenz (95) zu der Spektrometeranordnung (22) zu führen und einen Grenzstrahl für Licht einer zweiten Frequenz (97) auszuselektieren.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei des Sensorsystem (9) einen monolithischen Grundkörper (44) aufweist, wobei an dem monolithischen Grundkörper (44) ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus einer Gruppe umfassend den Sensor (11), die Weißlichtquelle (12), die optische Anordnung (16), die erste Sonde (20), die Spektrometeranordnung (22), und die Auswerte- und Steuereinrichtung (28) zumindest teilweise raumfest angeordnet sind.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die erste Sonde (20) eine optische Endfläche aufweist, wobei die optische Endfläche ausgebildet ist, um das Messobjekt (10) wahlweise optisch mit dem ersten Messstrahl und/oder taktil mit der optischen Endfläche abzutasten, wobei das Sensorsystem einen Kollisionsschutz aufweist.
Koordinatenmessgerät, wobei das Koordinatenmessgerät (70) ein Sensorsystem (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
Verfahren zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften eines Messobjekts (10), mit den Schritten: - Bereitstellen eines Sensorsystems (9) mit einem Sensor (11) und einer Auswerte- und Steuereinrichtung (28), wobei der Sensor (11) eine Weißlichtquelle (12), eine optische Anordnung (16), eine erste Sonde (20) und eine Spektrometeranordnung (22) aufweist, - Anordnen des Messobjekts (10) relativ zu dem Sensorsystem (9), - Aussenden eines ersten Lichtstrahls (14) mittels der Weißlichtquelle (12), - Generieren eines ersten Messstrahls (18) mittels der ersten Sonde (20) durch Aufprägung einer chromatischen Längsaberration auf den ersten Lichtstrahl (14), - Beaufschlagen des Messobjekts (10) mit dem ersten Messstrahl (18) mittels der ersten Sonde (20), - Spektrales Zerlegen von von dem Messobjekt (10) reflektiertem Licht (24) des ersten Messstrahls (18) in erstes spektral zerlegtes Licht (86) mittels der Spektrometeranordnung (22), - Spektrales Zerlegen eines zweiten Lichtstrahls (26) in zweites spektral zerlegtes Licht (88) mittels der Spektrometeranordnung (22), - Umwandeln des ersten spektral zerlegten Lichts (86) in erste elektrische Signale (90) und des zweiten spektral zerlegten Lichts (88) in zweite elektrische Signale (92) mittels der Spektrometeranordnung (22), - Ermitteln einer ersten spektralen Verteilung aus den ersten elektrischen Signalen (90) mittels der Auswerte- und Steuereinrichtung (28), - Ermitteln eines ersten Abstandswerts aus der ersten spektralen Verteilung mittels der Auswerte- und Steuereinrichtung (28), - Ermitteln einer zweiten spektralen Verteilung aus den zweiten elektrischen Signalen (92) mittels der Auswerte- und Steuereinrichtung (28), wobei die erste spektrale Verteilung und die zweite spektrale Verteilung wahlweise simultan oder zeitversetzt mittels der Spektrometeranordnung (22) ermittelt werden.