DE102021104971A1

DE102021104971A1 - Optical measuring device

Info

Publication number: DE102021104971A1
Application number: DE102021104971.7A
Authority: DE
Inventors: Raimund Volk
Original assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Current assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2021-09-09

Abstract

Eine optische Messvorrichtung 10 zur Vermessung der Oberfläche 4 eines Werkstücks weist einen relativ zu der zu vermessenden Oberfläche 4 beweglichen Messkopf 12, eine gepulste Lichtquelle 22 zum Richten eines impulsförmigen Antastsignales auf die Oberfläche 4 zum Antasten derselben, von der das Licht des Antastsignales als direktreflektiertes Licht mit kürzerer Laufzeit und als mehrfachreflektiertes Licht mit längerer Laufzeit zu dem Messkopf 12 der Messvorrichtung 10 rückreflektiert wird, und einen Empfänger 16 auf, der für einen Empfang des reflektierten Lichts des Antastsignales ausgebildet ist und mit einer Auswertungseinrichtung 26 in Datenübertragungsverbindung steht, die derart ausgebildet und programmiert ist, dass anhand des reflektierten Lichts der Abstand des Messkopfes 12 zu der Oberfläche 4 ermittelt wird. Eine Ausblendeinrichtung 20 ist derart ausgebildet und steht derart mit dem Empfänger 16 in Wirkungsverbindung, dass dem Empfänger 16 zu jedem Impuls des Antastsignales ein Zeitfenster zugeordnet wird, wobei die AusblendeinrichtungAn optical measuring device 10 for measuring the surface 4 of a workpiece has a measuring head 12 movable relative to the surface 4 to be measured, a pulsed light source 22 for directing a pulse-shaped touching signal onto the surface 4 for touching it, from which the light of the touching signal is directly reflected light with a shorter transit time and as multiple-reflected light with a longer transit time is reflected back to the measuring head 12 of the measuring device 10, and a receiver 16 which is designed to receive the reflected light of the contact signal and is in data transmission connection with an evaluation device 26 which is designed in this way and it is programmed that the distance of the measuring head 12 to the surface 4 is determined on the basis of the reflected light. A masking device 20 is designed and is operatively connected to the receiver 16 in such a way that the receiver 16 is assigned a time window for each pulse of the touch signal, the masking device

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung zur Vermessung der Oberfläche eines Werkstücks.The invention relates to an optical measuring device for measuring the surface of a workpiece.

In der Fertigungsmesstechnik sollen Werkstücke möglichst genau und schnell vermessen werden. Taktil arbeitende Messgeräte erreichen dabei eine hohe Genauigkeit, sind aber in der Regel langsam. Vorteilhaft ist bei taktil arbeitenden Messgeräten, dass sich durch Verwendung entsprechend gestalteter Tastarme auch geometrisch ungünstig gelegene Messstellen erreichen lassen.In production metrology, workpieces should be measured as precisely and quickly as possible. Tactile measuring devices achieve a high level of accuracy, but are usually slow. In the case of measuring devices that work in a tactile manner, it is advantageous that measuring points that are geometrically unfavorably located can also be reached by using appropriately designed probe arms.

Gegenüber taktil arbeitenden Messgeräten arbeiten Messgeräte mit optischer Antastung meistens deutlich schneller. Probleme treten aber teilweise bei einer genauen Abstandsmessung auf, insbesondere wenn die zu tolerierenden Strukturen selbst den Bereich der Wellenlänge des zum Messen verwendeten Lichts erreichen. Das von der zu vermessenden Oberfläche rückreflektierte Lichtsignal entspricht dann nicht mehr den vereinfachten Annahmen aus dem optischen Modell des Abstandsmessgeräts.Compared to tactile measuring devices, measuring devices with optical probing usually work significantly faster. However, problems sometimes arise with an accurate distance measurement, in particular when the structures to be tolerated themselves reach the range of the wavelength of the light used for the measurement. The light signal reflected back from the surface to be measured then no longer corresponds to the simplified assumptions from the optical model of the distance measuring device.

Außerdem gelten technische Oberflächen mit steilen Abschnitten, die möglicherweise in Kombination mit lokal spiegelnden Eigenschaften auftreten, als problematisch. Entsprechende Oberflächen finden sich beispielsweise auf Laufbahnen von Kolbenmaschinen (Kompressoren, Verbrennungsmotoren, etc.), die zur Aufbringung einer verschleißmindernden Schicht aufgeraut worden sind. Optische Messverfahren nach konfokalen oder interferometrischen Arbeitsprinzipien kommen hier an ihre Grenzen.
Im Bereich hochauflösender Messungen, wie sie beispielsweise in der Rauheitsmesstechnik üblich sind, werden bei der Vermessung der Oberfläche zur Erfassung des Oberflächenprofils unterschiedliche Verfahren eingesetzt.In addition, technical surfaces with steep sections, which may occur in combination with locally reflective properties, are considered problematic. Corresponding surfaces can be found, for example, on the raceways of piston engines (compressors, internal combustion engines, etc.) that have been roughened to apply a wear-reducing layer. Optical measuring methods based on confocal or interferometric working principles reach their limits here.
In the area of high-resolution measurements, such as are customary in roughness measurement technology, for example, different methods are used to measure the surface to determine the surface profile.

Als Referenzmessung gilt das Tastschnittverfahren mit der taktiler Antastung. Üblicherweise werden dabei aber Tastgeschwindigkeiten von kaum mehr als vt= 0,5 mm/s verwendet. Begrenzend wirken hierbei die niedrige mechanische Resonanzfrequenz des Tasters, Vibrationen des Antriebs und die zunehmende Gefahr des Verhakens der Tastspitze an stark zerklüfteten Oberflächen. Wird beim Tastschnittverfahren die taktile Antastung mit einer Diamantspitze durch eine optische Antastung ersetzt, können deutlich größere Tastgeschwindigkeiten realisiert werden. Durch den während der Messung fehlenden mechanischen Kontakt zur Oberfläche ist die Gefahr einer Beschädigung sowohl der Oberfläche des Werkstücks als auch des Tasters praktisch nicht existent.The profile method with tactile probing is used as the reference measurement. Usually, however, scanning speeds of hardly more than vt = 0.5 mm / s are used. The low mechanical resonance frequency of the stylus, vibrations of the drive and the increasing risk of the stylus tip catching on strongly rugged surfaces have a limiting effect. If tactile probing with a diamond tip is replaced by optical probing in the stylus method, significantly higher probing speeds can be achieved. Due to the lack of mechanical contact with the surface during the measurement, the risk of damage to both the surface of the workpiece and the probe is practically non-existent.

Je nach dem Verfahren der optischen Abstandsmessung werden im Idealfall, abgesehen von einer Vorschubeinrichtung, keine mechanisch bewegten Teile benötigt. In einem solchen Fall ist die Limitierung durch mechanische Resonanzfrequenzen der Abtastvorrichtung aufgehoben. Dies ist beispielsweise bei chromatisch-konfokalen Sensoren gegeben, bei denen der Abstandswert zwischen einer Optik des Sensors und einem Reflexionspunkt des Lichts auf dem Werkstück ohne bewegte Teile aus dem Spektrum des rückreflektierten Lichts gewonnen wird.Depending on the method of optical distance measurement, in the ideal case, apart from a feed device, no mechanically moving parts are required. In such a case, the limitation due to mechanical resonance frequencies of the scanning device is eliminated. This is the case, for example, with chromatic-confocal sensors in which the distance value between an optical system of the sensor and a point of reflection of the light on the workpiece is obtained from the spectrum of the light reflected back without moving parts.

Nachteilig bei der Verwendung optischer Messverfahren ist beispielsweise und insbesondere bei zerklüfteten Oberflächen, dass das Licht der Lichtquelle nicht nur von der zu vermessenden Oberflächenstelle direkt zu dem Empfänger der Messvorrichtung rückreflektiert wird, sondern darüber hinaus von der zu vermessenden Oberflächenstelle auf andere Bereiche der Oberfläche und von dort in Form von Mehrfachreflexionen zu dem Empfänger reflektiert wird. Derartige Mehrfachreflexionen führen zu Messfehlern.The disadvantage of using optical measuring methods, for example, and especially with jagged surfaces, is that the light from the light source is not only reflected back from the surface point to be measured directly to the receiver of the measuring device, but also from the surface point to be measured to other areas of the surface and from is reflected there in the form of multiple reflections to the receiver. Such multiple reflections lead to measurement errors.

Durch DE 10 2018 114 022 A1 ist ein Verfahren zur Ausblendung von störenden Reflexionen bei der optischen Konturmessung von Zahnflanken bekannt. Bei dem bekannten Verfahren werden mechanische Blenden verwendet, die nahe an der Störkontur positioniert werden. Ein Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, dass für jede Form einer zu vermessenden Oberfläche eine daran angepasste Blende erforderlich ist. Dies ist aufwendig, erhöht die Kosten und schränkt die Anwendbarkeit der Messvorrichtung ein. Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens besteht darin, dass es sich nur schlecht oder gar nicht auf Strukturen im Submillimeter-Bereich übertragen lässt, insbesondere dann, wenn eine hohe Messgeschwindigkeit gefordert ist. Darüber hinaus ist eine mögliche Berührung zwischen der mechanischen Blende und der Oberfläche des zu vermessenden Werkstücks in vielen Fällen nicht tolerierbar, insbesondere dann, wenn die zu vermessende Oberfläche aus Gründen einer guten Anhaftung einer nach der Vermessung aufzubringenden Beschichtung nicht kontaminiert werden darf.By DE 10 2018 114 022 A1 a method for masking interfering reflections in the optical contour measurement of tooth flanks is known. In the known method, mechanical diaphragms are used that are positioned close to the interfering contour. A disadvantage of the known method is that a diaphragm adapted to it is required for each shape of a surface to be measured. This is complex, increases the costs and limits the applicability of the measuring device. Another disadvantage of the known method is that it can only be transferred poorly or not at all to structures in the sub-millimeter range, in particular when a high measuring speed is required. In addition, a possible contact between the mechanical screen and the surface of the workpiece to be measured is in many cases intolerable, especially if the surface to be measured must not be contaminated for reasons of good adhesion of a coating to be applied after the measurement.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Messvorrichtung zur Vermessung einer Oberfläche eines Werkstücks anzugeben, die eine hohe Messgenauigkeit aufweist.The invention is based on the object of specifying an optical measuring device for measuring a surface of a workpiece which has a high measuring accuracy.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegeben Erfindung gelöst.This object is achieved by the invention specified in claim 1.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass sich die Messgenauigkeit einer optischen Messvorrichtung dadurch verbessern lässt, dass Messfehler vermieden werden, die auf Mehrfachreflexionen beruhen. Hiervon ausgehend liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, die optische Messvorrichtung so zu gestalten, dass Mehrfachreflexionen bei der Auswertung des reflektierten Lichts unberücksichtigt bleiben, also zumindest hauptsächlich das von der zu vermessenden Oberflächenstelle rückreflektierte Licht für die Auswertung herangezogen wird.The invention is based on the knowledge that the measuring accuracy of an optical measuring device can be improved by avoiding measuring errors which are due to multiple reflections are based. Proceeding from this, the invention is based on the idea of designing the optical measuring device in such a way that multiple reflections are not taken into account when evaluating the reflected light, i.e. at least mainly the light reflected back from the surface point to be measured is used for the evaluation.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, Mehrfachreflexionen ohne zusätzliche mechanische Blenden, also ausschließlich durch eine entsprechende Ausgestaltung der optischen Messvorrichtung selbst zu erzielen.Proceeding from this, the invention is based on the idea of achieving multiple reflections without additional mechanical diaphragms, that is to say exclusively through a corresponding design of the optical measuring device itself.

Die Erfindung geht aus von einem relativ zu der zu vermessenden Oberfläche beweglichen Messkopf und einer gepulsten Lichtquelle zum Richten eines impulsförmigen Antastsignales auf die Oberfläche zum Antasten derselben, von der das Licht des Antastsignales als direktreflektiertes Licht mit kürzerer Laufzeit und als mehrfachreflektiertes Licht mit längerer Laufzeit zu dem Messkopf rückreflektiert wird. Ein Empfänger ist für einen Empfang des reflektierten Lichts des Antastsignales ausgebildet und steht mit einer Auswertungseinrichtung in Datenübertragungsverbindung, die derart ausgebildet und programmiert ist, dass anhand des reflektierten Lichts der Abstand des Messkopfes zu der Oberfläche ermittelt wird.The invention is based on a measuring head that is movable relative to the surface to be measured and a pulsed light source for directing a pulse-shaped probe signal to the surface for probing the same, from which the light of the probe signal is sent as directly reflected light with a shorter transit time and as multiple-reflected light with a longer transit time is reflected back from the measuring head. A receiver is designed to receive the reflected light of the probing signal and is in data transmission connection with an evaluation device which is designed and programmed in such a way that the distance between the measuring head and the surface is determined on the basis of the reflected light.

Die Erfindung sieht eine Ausblendeinrichtung vor, die derart ausgebildet ist und derart mit dem Empfänger in Wirkungsverbindung steht, dass dem Empfänger zu jedem Impuls des Antastsignales ein Zeitfenster zugeordnet wird, wobei die Ausblendeinrichtung derart ausgebildet und programmiert ist, dass das Zeitfenster so geöffnet und geschlossen wird, dass direktreflektiertes Licht von dem Empfänger empfangen und in der Auswertungseinrichtung als Messsignal herangezogen wird, während mehrfachreflektiertes Licht ausgeblendet wird, derart, dass der Abstand zwischen den Messkopf und der zu vermessenden Oberfläche in der Auswertungseinrichtung ausschließlich basierend auf dem direktreflektierten Licht ermittelt wird.The invention provides a masking device which is designed and is in operative connection with the receiver in such a way that the receiver is assigned a time window for each pulse of the touch signal, the masking device being designed and programmed in such a way that the time window is opened and closed that directly reflected light is received by the receiver and used as a measurement signal in the evaluation device, while multiple-reflected light is masked out in such a way that the distance between the measuring head and the surface to be measured is determined in the evaluation device exclusively based on the directly reflected light.

Hierbei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass die Laufzeit des von der zu vermessenden Oberflächenstelle direkt zu dem Messkopf rückreflektierten Lichtes kürzer ist als die Laufzeit mehrfachreflektierten Lichtes. Dementsprechend sieht die Erfindung vor, dass mittels eines Zeitfensters für den Empfänger mehrfachreflektiertes Licht ausgeblendet und damit nicht zur Auswertung herangezogen wird. Hierzu wird für das Empfangen des direktreflektierten Lichts das Zeitfenster für den Empfänger geöffnet und nach dem Empfangen des direktreflektierten Lichts das Zeitfenster geschlossen. Dies bewirkt aufgrund der längeren Laufzeit des mehrfachreflektierten Lichts, dass dasselbe bei der Auswertung nicht berücksichtigt wird. Mit anderen Worten wird also quasi bewirkt, dass der Empfänger ausschließlich das direktreflektierte Licht, nicht aber das mehrfachreflektierte Licht empfängt. Gedanklich wird also der Empfänger ausschließlich für das Empfangen des direktreflektierten Lichts „eingeschaltet“ und „ausgeschaltet“, bevor das mehrfachreflektierte Licht entsprechend seiner durch die längere Laufzeit gegenüber dem direktreflektierten Licht verursachten Verzögerung den Empfänger erreicht.The invention is based on the knowledge that the transit time of the light reflected back directly to the measuring head from the surface point to be measured is shorter than the transit time of the multiple-reflected light. Accordingly, the invention provides that by means of a time window for the receiver, multiple-reflected light is masked out and thus not used for evaluation. For this purpose, the time window for the receiver is opened for receiving the directly reflected light and the time window is closed after receiving the directly reflected light. Due to the longer transit time of the multiple-reflected light, this means that it is not taken into account in the evaluation. In other words, the effect is quasi that the receiver receives only the directly reflected light, but not the multiple reflected light. The receiver is therefore “switched on” and “switched off” exclusively for receiving the directly reflected light, before the multiple reflected light reaches the receiver according to its delay caused by the longer transit time compared to the directly reflected light.

Auf diese Weise wird erfindungsgemäß ausschließlich das direktreflektierte Licht für die Auswertung herangezogen, sodass eine Verfälschung des Messergebnisses durch mehrfachreflektiertes Licht zuverlässig vermieden ist. Auf diese Weise ist die Messgenauigkeit erhöht.In this way, according to the invention, only the directly reflected light is used for the evaluation, so that falsification of the measurement result due to multiple-reflected light is reliably avoided. In this way, the measurement accuracy is increased.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie die Ausblendung von durch mehrfachreflektiertes Licht hervorgerufenen Störsignalen alleine durch geschickte Ausgestaltung der Messvorrichtung erreicht, also ohne zusätzliche mechanische Blenden. Auf diese Weise ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Vermessung vielfältiger Oberflächen geeignet, ohne dass eine mechanische Anpassung der Messvorrichtung erforderlich ist, wie sie bei Verwendung von mechanischen Blenden zwingend ist. Dies spart Zeit und Kosten. Außerdem ist eine Beschädigung oder Kontamination durch Berührung der zu vermessenden Oberfläche während der Messung ausgeschlossen.Another advantage of the invention is that it achieves the masking out of interfering signals caused by multiple-reflected light solely through a clever design of the measuring device, that is to say without additional mechanical diaphragms. In this way, the method according to the invention is suitable for measuring a wide variety of surfaces without the need for a mechanical adaptation of the measuring device, as is essential when using mechanical diaphragms. This saves time and money. In addition, damage or contamination by touching the surface to be measured during the measurement is excluded.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist zur hochpräzisen Vermessung von Oberflächen auch im Submillimeter-Bereich geeignet.The measuring device according to the invention is suitable for the high-precision measurement of surfaces, even in the sub-millimeter range.

Beispielsweise und insbesondere erweitert die Erfindung die Anwendbarkeit von chromatisch-konfokalen Abstandssensoren (CCS-Sensoren) auf messtechnisch problematische Oberflächen, insbesondere stark strukturierte Oberflächen, an denen möglicherweise Mehrfachreflexionen des für die Messung verwendeten Lichts auftreten. Insbesondere können auch Oberflächen vermessen werden, die zur Aufbringung einer verschleißmindernden Schicht aufgeraut oder mit einer Rillierung versehen worden sind.For example and in particular, the invention extends the applicability of chromatic confocal distance sensors (CCS sensors) to surfaces problematic in terms of measurement technology, in particular heavily structured surfaces on which multiple reflections of the light used for the measurement may occur. In particular, surfaces can also be measured which have been roughened or grooved in order to apply a wear-reducing layer.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Ausblendeinrichtung derart ausgebildet ist, dass in die Ausblendeinrichtung einstrahlendes direktreflektiertes Licht das Öffnen des Zeitfensters für den Empfänger triggert. Auf diese Weise wird unabhängig von dem Abstand des Messkopfes zu der zu vermessenden Oberflächenstelle und damit unabhängig von der Laufzeit des direktreflektierten Lichts das Zeitfenster geöffnet, wenn das direktreflektierte Licht in die Messvorrichtung einstrahlt.An advantageous further development of the invention provides that the masking device is designed in such a way that directly reflected light radiating into the masking device triggers the opening of the time window for the receiver. In this way, regardless of the distance between the measuring head and the surface point to be measured, and thus regardless of the transit time of the directly reflected light, the time window is opened when the directly reflected light shines into the measuring device.

Entsprechend den jeweiligen Gegebenheiten und Anforderungen kann das Triggern des Zeitfensters, also das Öffnen und Schließen desselben, auf vielfältige Weise bewerkstelligt werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass die Ausblendeinrichtung einen in einem Lichtpfad reflektierten Lichts zu dem Empfänger angeordneten optischen, insbesondere elektrooptischen, Schalter aufweist, der so ausgebildet ist, dass entsprechend dem Zeitfenster der Lichtpfad reflektierten Lichts freigegeben bzw. unterbrochen wird. Auf diese Weise ist ein einfacher Aufbau erreicht. Entsprechende optische Schalter, beispielsweise und insbesondere in Form von elektrooptischen Schaltern, stehen als relativ einfache und kostengünstige Standardbauteile mit kurzer Schaltzeit zur Verfügung.Depending on the particular circumstances and requirements, the triggering of the time window, that is to say the opening and closing of the window, can be accomplished in a variety of ways. An advantageous development of the invention provides that the masking device has an optical, in particular electro-optical, switch arranged in a light path to the receiver, which switch is designed so that the light path of reflected light is released or interrupted according to the time window. A simple structure is achieved in this way. Corresponding optical switches, for example and in particular in the form of electro-optical switches, are available as relatively simple and inexpensive standard components with a short switching time.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Ausblendeinrichtung derart ausgebildet ist, dass entsprechend der Pulsrate der Lichtquelle nach dem Abstrahlen jedes Impulses durch die Lichtquelle das Zeitfenster

a. zum Empfang direktreflektierten Lichts geöffnet,
b. das Zeitfenster nach dem Empfang des direktreflektierten Lichts geschlossen zum Ausblenden mehrfachreflektierten Lichts und
c. zum Empfang von dem nächsten Impuls herrührenden direktreflektierten Lichtes wieder geöffnet

wird. Nach einem von der Lichtquelle abgestrahlten Lichtimpuls wird also das Zeitfenster für das Empfangen des direktreflektierten Lichts geöffnet und danach wieder geschlossen, bevor das mehrfachreflektierte Licht einstrahlt. Danach wird entsprechend der Pulsrate der Lichtquelle das Zeitfenster wieder geöffnet, um das direktreflektierte Licht des nächsten Lichtimpulses zu empfangen.An advantageous development of the invention provides that the masking device is designed in such a way that the time window corresponds to the pulse rate of the light source after each pulse has been emitted by the light source

a. open to receive directly reflected light,
b. the time window after the reception of the directly reflected light is closed to block out multiple-reflected light and
c. opened again to receive directly reflected light from the next pulse

will. After a light pulse emitted by the light source, the time window for receiving the directly reflected light is opened and then closed again before the multiple-reflected light is incident. Then the time window is opened again according to the pulse rate of the light source in order to receive the directly reflected light of the next light pulse.

Zweckmäßigerweise ist die Lichtquelle eine Punktlichtquelle, wie dies eine andere Weiterbildung der Erfindung vorsieht.The light source is expediently a point light source, as is provided by another development of the invention.

Entsprechend den jeweiligen Gegebenheiten und Anforderungen kann die erfindungsgemäß Messvorrichtung nach einem beliebigen geeigneten optischen Messverfahren arbeiten. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass die Messvorrichtung einen chromatisch-konfokalen Abstandssensor mit einer Weißlichtquelle und einem Spektrometer als Empfänger aufweist. Entsprechende chromatische-konfokale Abstandssensoren (CCS-Sensoren) ermöglichen eine hohe Messgenauigkeit und -geschwindigkeit.According to the particular circumstances and requirements, the measuring device according to the invention can operate according to any suitable optical measuring method. An advantageous development of the invention provides that the measuring device has a chromatic-confocal distance sensor with a white light source and a spectrometer as a receiver. Corresponding chromatic-confocal distance sensors (CCS sensors) enable high measurement accuracy and speed.

Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem Lichtpfad in die Ausblendeinrichtung direkt reflektierten Lichts ein erstes Strahlteilungsmittel angeordnet ist, das den Strahl direktreflektierten Lichts in einen Signalstrahl und einen Triggerstrahl teilt, wobei der erste Strahlteilungsmittel derart ausgebildet und angeordnet ist, dass der Signalstrahl zu dem Empfänger geleitet wird und das Öffnen des Zeitfensters für den Empfänger durch den Triggerstrahl getriggert wird. Bei dieser Ausführungsform wird durch die Strahlteilung aus dem direktreflektierten Licht, das von dem Empfänger empfangen und für die Auswertung herangezogen wird, ein Triggersignal abgeleitet, dass das Öffnen und Schließen des Zeitfensters triggert. Dadurch wird auf geschickte Weise ein relativ einfacher Aufbau der Messvorrichtung bei gleichzeitig hoher Messgenauigkeit erreicht.An extremely advantageous development of the invention provides that a first beam splitting means is arranged in the light path of light directly reflected in the masking device, which splits the beam of directly reflected light into a signal beam and a trigger beam, the first beam splitting means being designed and arranged in such a way that the Signal beam is directed to the receiver and the opening of the time window for the receiver is triggered by the trigger beam. In this embodiment, a trigger signal that triggers the opening and closing of the time window is derived from the directly reflected light that is received by the receiver and used for the evaluation by the beam splitting. As a result, a relatively simple construction of the measuring device with high measuring accuracy is achieved in a clever way.

Falls entsprechend den jeweiligen Anforderungen und Gegebenheiten erforderlich, kann im Lichtpfad des Signalstrahls in Lichtrichtung zwischen dem ersten Strahlteilungsmittel und dem Empfänger eine optische Verzögerungsstrecke ausgebildet sein. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Zeitfenster für den Empfang des direktreflektierten Lichts durch den Empfänger rechtzeitig geöffnet wird.If necessary according to the respective requirements and circumstances, an optical delay path can be formed in the light path of the signal beam in the light direction between the first beam splitting means and the receiver. This ensures that the time window for the reception of the directly reflected light by the receiver is opened in good time.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform in Kombination mit einem optischen Schalter sieht vor, dass der optische Schalter in Lichtrichtung zwischen der optischen Verzögerungsstrecke und dem Empfänger angeordnet ist.An advantageous further development of the aforementioned embodiment in combination with an optical switch provides that the optical switch is arranged in the direction of light between the optical delay path and the receiver.

Um einen relativ einfachen und kompakten Aufbau zu erreichen, sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass der Lichtpfad des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichts mit dem Lichtpfad des in die Messvorrichtung rückreflektierten Lichts koinzident ist, wobei in Lichtrichtung des reflektierten Lichts dem ersten Strahlteilungsmittel ein zweites Strahlteilungsmittel nachgeordnet ist.In order to achieve a relatively simple and compact structure, another advantageous development of the invention provides that the light path of the light emitted by the light source is coincident with the light path of the light reflected back into the measuring device, the first beam splitting means in the direction of the reflected light second beam splitting means is arranged downstream.

Aus dem Triggerstrahl kann entsprechend den jeweiligen Anforderungen und Gegebenheiten auf vielfältige Weise ein Triggersignal zum Öffnen und Schließen des Zeitfensters abgeleitet werden. Um den Aufbau der erfindungsgemäßen Messvorrichtung in dieser Hinsicht besonders einfach zu gestalten, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass im Lichtpfad des Triggerstrahls ein Lichtsensor angeordnet ist, der in Signalübertragungverbindung mit dem Schalter steht. Bei dem Lichtsensor kann es sich beispielsweise und insbesondere um ein optoelektronisches Bauelement handeln, bei dem auftreffende Photonen einen messbaren elektrischen Effekt bewirken. Beispielsweise und insbesondere können als Lichtsensor Phototodioden, Photomultiplier oder ähnliche Bauteile verwendet werden.A trigger signal for opening and closing the time window can be derived from the trigger beam in a variety of ways, depending on the respective requirements and circumstances. In order to make the construction of the measuring device according to the invention particularly simple in this regard, an advantageous further development of the invention provides that a light sensor is arranged in the light path of the trigger beam and is in signal transmission connection with the switch. The light sensor can be, for example and in particular, an optoelectronic component in which incident photons cause a measurable electrical effect. For example and in particular, photodiodes, photomultipliers or similar components can be used as light sensors.

Eine Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass der Schalter ein elektrooptischer Schalter ist, wobei der Lichtsensor als Antwort auf einstrahlendes Licht an seinem Ausgang ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt und wobei der Ausgang des Lichtsensors mit einem elektrischen Steuerungseingang des elektrooptischen Schalters verbunden ist, derart, dass das Schalten des elektrooptischen Schalters durch das Ausgangssignal des Lichtsensors gesteuert wird.A further development of the aforementioned embodiment provides that the switch is an electro-optical switch, the light sensor as In response to incident light, an electrical output signal is generated at its output and the output of the light sensor is connected to an electrical control input of the electro-optical switch, such that the switching of the electro-optical switch is controlled by the output signal of the light sensor.

Um das optische Triggersignal in einen geeigneten elektrischen Impuls zum Schalten des elektrooptischen Schalters umzuwandeln, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass zwischen den Ausgang des Lichtsensors und den Steuerungseingang des elektrooptischen Schalters ein elektrischer Verstärker und/oder ein Impulsformer geschaltet ist, wobei der Impulsformer vorzugsweise dem Verstärker nachgeordnet ist.In order to convert the optical trigger signal into a suitable electrical pulse for switching the electro-optical switch, a further development of the invention provides that an electrical amplifier and / or a pulse shaper is connected between the output of the light sensor and the control input of the electro-optical switch, the pulse shaper preferably being connected downstream of the amplifier.

Entsprechend den jeweiligen Anforderungen können in der erfindungsgemäßen Messvorrichtung unterschiedliche Lichtquellen verwendet werden, beispielsweise Halogenlampen, Xenon-Hochdruck-Entladungslampen, LEDs oder andere Lichtquellen. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht insoweit vor, dass die Lichtquelle einen Femtosekunden-Laser aufweist. Entsprechende Femtosekunden-Laser stehen als Standardbaugruppen zur Verfügung. Wird in der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ein chromatisch-konfokaler Abstandssensor verwendet, so kann als Lichtquelle insbesondere ein Weißlicht-Femtosekunden-Laser verwendet werden.Depending on the respective requirements, different light sources can be used in the measuring device according to the invention, for example halogen lamps, xenon high-pressure discharge lamps, LEDs or other light sources. An advantageous development of the invention provides that the light source has a femtosecond laser. Corresponding femtosecond lasers are available as standard assemblies. If a chromatic-confocal distance sensor is used in the measuring device according to the invention, a white-light femtosecond laser in particular can be used as the light source.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Vermessung einer Oberfläche eines Werkstücks. Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Anspruch 15 angegeben und dadurch gekennzeichnet, dass eine erfindungsgemäße Messvorrichtung verwendet wird. Es ergeben sich sinngemäß die gleichen Vorteile und Eigenschaften wie bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung und ihren Weiterbildungen.The invention also relates to a method for measuring a surface of a workpiece. The method according to the invention is specified in claim 15 and is characterized in that a measuring device according to the invention is used. This results in the same advantages and properties as in the case of the measuring device according to the invention and its developments.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte, stark schematisierte Zeichnung näher erläutert. Dabei bilden alle in der Zeichnung dargestellten, in der Beschreibung beschriebenen und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen, sowie in beliebiger technisch sinnvoller Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbezügen sowie unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment with reference to the attached, highly schematic drawing. All the features shown in the drawing, described in the description and claimed in the claims, taken individually and in any technically meaningful combination with one another, form the subject of the invention, regardless of their summary in the claims and their references and regardless of their description or Representation in the drawing.

Es zeigt:

1 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung von direkten Reflexionen und Mehrfachreflexionen bei einem optischen Messverfahren,
2 einen Zeitverlauf der Intensität eines rückreflektierten Lichtimpulses bei einem optischen Messverfahren und
3 ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

It shows:

1 a schematic diagram to illustrate direct reflections and multiple reflections in an optical measuring method,
2 a time course of the intensity of a back-reflected light pulse in an optical measuring method and
3 a schematic block diagram of an embodiment of a measuring device according to the invention for performing an embodiment of a method according to the invention.

Unter Bezugnahme auf 1 bis 3 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung zur Vermessung der Oberfläche eines Werkstücks zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert.With reference to 1 until 3 an exemplary embodiment of an optical measuring device according to the invention for measuring the surface of a workpiece for carrying out a method according to the invention is explained in more detail below.

1 verdeutlicht das Grundprinzip einer optischen Vermessung der Oberfläche eines Werkstücks: ein Messkopf 2 weist eine Lichtquelle auf, mittels derer ein impulsförmiges Antastsignal, das aus zeitlich aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen besteht, auf eine zu vermessende Oberfläche 4 gerichtet wird. 1 illustrates the basic principle of optical measurement of the surface of a workpiece: a measuring head 2 has a light source by means of which a pulse-shaped probe signal, which consists of temporally successive light pulses, is applied to a surface to be measured 4th is judged.

Das Licht der Lichtquelle wird einerseits auf einem mit dem einfallenden Lichtstrahl koinzidenten ersten Lichtpfad 6 direkt zu dem Messkopf 2 rückreflektiert und von dessen Empfänger empfangen. Auf dem Fachmann allgemein bekannte und daher an dieser Stelle nicht näher erläuterte Weise kann dadurch der Abstand des Messkopfes 2 zu einem jeweiligen Messpunkt auf der Oberfläche 4 und daraus durch Antasten einer Vielzahl von Messpunkten das Oberflächenprofil der Oberfläche 4 ermittelt werden.The light from the light source is on the one hand on a first light path which is coincident with the incident light beam 6th directly to the measuring head 2 reflected back and received by its recipient. In a manner generally known to the person skilled in the art and therefore not explained in greater detail at this point, the distance between the measuring head 2 to a respective measuring point on the surface 4th and from this the surface profile of the surface by probing a large number of measuring points 4th be determined.

Andererseits treten insbesondere bei zerklüfteten Oberflächen, wie sie in 1 beispielhaft für eine hinterschnittene Nut gezeigt ist, Mehrfachreflexionen auf, bei denen das Licht von dem angetasteten Punkt der Oberfläche auf andere Bereiche der Oberfläche reflektiert wird, die für die Messung eine Störkontur bildet. In 1 ist dies exemplarisch für einen zweiten Lichtpfad 8 gezeigt, der sich aus Teilstrecken S_U1, S_U2 und S_U3 zusammensetzt. Das Licht auf dem zweiten Lichtpfad gelangt ebenfalls zurück zu dem Messkopf 2 und bildet für die Auswertung der Messung ein Störsignal, das die Messgenauigkeit beeinträchtigt.On the other hand, especially with rugged surfaces like those in 1 is shown by way of example for an undercut groove, multiple reflections in which the light is reflected from the touched point of the surface onto other areas of the surface, which forms an interfering contour for the measurement. In 1 this is an example of a second light path 8th shown, which is composed of sections S _U1 , S _U2 and S _U3 . The light on the second light path also comes back to the measuring head 2 and forms an interference signal for the evaluation of the measurement, which affects the measurement accuracy.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zur Verbesserung der Messgenauigkeit Auswirkungen von Mehrfachreflexionen dadurch zu verringern, dass aus dem zeitlichen Verlauf des als Antwort auf einen gesendeten Lichtimpuls zurückreflektierten Lichts nur das jeweils zuerst eintreffende Licht für die Auswertung verwendet wird. Dies basiert auf der Annahme, dass der Lichtweg vom Reflexionspunkt zurück zu dem Messkopf der kürzeste Weg der „richtige“ ist und jede Mehrfachreflexion einen längeren Weg bis zu dem Messkopf zurücklegen muss, wie dies in 1 beispielshalber für die Teilwege S_U1, S_U2 und S_U3 gezeigt ist.The invention is based on the idea of reducing the effects of multiple reflections in order to improve the measurement accuracy in that only the light that arrives first is used for the evaluation from the time course of the light reflected back in response to a transmitted light pulse. This is based on the assumption that the light path is from the point of reflection back to the measuring head the shortest path is the "right" one and each multiple reflection has to cover a longer path to the measuring head, as shown in 1 is shown by way of example for the partial routes S _U1 , S _U2 and S _U3 .

2 zeigt den Zeitverlauf eines rückreflektierten Lichtimpulses. Bei dem gezeigten Beispiel definiert die Mindestintensität I_t den Beginn des Auswerteintervalls t5. Erfindungsgemäß wird beispielsweise und insbesondere ausschließlich das Licht innerhalb dieses Intervalls ausgewertet, während der zeitlich folgende Rest des Lichts ausgeblendet wird. 2 shows the time course of a back-reflected light pulse. In the example shown, the minimum _{intensity I t} defines the start of the evaluation interval t5. According to the invention, for example and in particular exclusively, the light is evaluated within this interval, while the rest of the light that follows in time is masked out.

In 3 ist schematisch ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 zur Vermessung der Oberfläche eines Werkstücks dargestellt, die auf dem Grundprinzip eines chromatisch-konfokalen Abstandssensors (Chromatic Confocal Sensor (CCS)) beruht. Aufbau und Funktionsweise entsprechender chromatisch-konfokaler Abstandssensoren sind dem Fachmann allgemein bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert.In 3 is a schematic block diagram of an embodiment of a measuring device according to the invention 10 for measuring the surface of a workpiece, which is based on the basic principle of a chromatic confocal distance sensor (Chromatic Confocal Sensor (CCS)). The structure and mode of operation of corresponding chromatic-confocal distance sensors are generally known to the person skilled in the art and are therefore not explained in more detail here.

Die Messvorrichtung 10 weist einen CCS-Messkopf 12 auf, der nachfolgend auch kurz als Messkopf 12 bezeichnet wird. Der Messkopf 12 weist ein CCS-Objektiv 14 auf, das nachfolgend auch kurz als Objektiv 14 bezeichnet wirdThe measuring device 10 has a CCS measuring head 12th on, which in the following is also referred to as the measuring head for short 12th referred to as. The measuring head 12th has a CCS lens 14th on, which in the following is also referred to briefly as the lens 14th referred to as

Ferner weist die Messvorrichtung 10 einen Empfänger 16 auf, der bei kommerziell erhältlichen CCS-Sensoren durch einen CCS-Controller gebildet ist. Der CCS-Controller weist eine eigene Lichtquelle 18 auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird diese Lichtquelle jedoch nicht als Lichtquelle zum Erzeugen des Antastsignales verwendet. Vielmehr wird hierfür in weiter unten näher erläuterter Weise eine andere Lichtquelle verwendet. Die in den CCS-Controller integrierte Lichtquelle ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel also funktionslos.Furthermore, the measuring device 10 a recipient 16 which is formed by a CCS controller in commercially available CCS sensors. The CCS controller has its own light source 18th on. In the illustrated embodiment, however, this light source is not used as a light source for generating the touch signal. Rather, a different light source is used for this in a manner explained in more detail below. The light source integrated in the CCS controller is therefore inoperative in the exemplary embodiment shown.

Erfindungsgemäß ist eine Ausblendeinrichtung 20 vorgesehen, die zwischen den Messkopf 12 und den Empfänger 16 geschaltet ist. 3 verdeutlicht die Modulbauweise des Ausführungsbeispiels.According to the invention is a masking device 20th provided between the measuring head 12th and the recipient 16 is switched. 3 illustrates the modular design of the exemplary embodiment.

Die Ausblendeinrichtung 20 weist eine gepulste Lichtquelle 22 zum Richten eines impulsförmigen Antastsignales auf die Oberfläche des Werkstücks zum Antasten derselben auf. Dabei wird, wie oben anhand von 1 näher erläutert, das Licht des Antastsignales als direktreflektiertes Licht (direkte Reflexion) mit kürzerer Laufzeit und als mehrfachreflektiertes Licht (Mehrfachreflexion) mit längerer Laufzeit zu dem Messkopf 12 rückreflektiert.The masking device 20th has a pulsed light source 22nd for directing a pulse-shaped probe signal onto the surface of the workpiece for probing the same. As above, using 1 explained in more detail, the light of the touch signal as directly reflected light (direct reflection) with a shorter transit time and as multiple reflected light (multiple reflection) with a longer transit time to the measuring head 12th reflected back.

Da das Licht üblicherweise über eine Lichtleitfaser zu dem Messkopf 12 transportiert wird, wird als Lichtquelle ein möglichst punktförmiger und damit gut kollimierbarer Typ verwendet. Ein Gütemaß ist dabei die Brillianz der Lichtquelle. Ein weiterer wichtiger Faktor ist eine möglichst breite und gleichmäßige Abdeckung eines Spektralbereichs, der auf den gewollten Farb-„Fehler“ des Objektivs 14 sowie auf den Empfindlichkeitsbereich eines zur Auswertung des rückreflektierten Lichts verwendeten Spektrometers abgestimmt ist.Since the light is usually sent to the measuring head via an optical fiber 12th is transported, the light source used is as punctiform as possible and therefore easily collimated. One measure of quality is the brilliance of the light source. Another important factor is the broadest and most even coverage of a spectral range that is based on the intended color "error" of the lens 14th and is matched to the sensitivity range of a spectrometer used to evaluate the back-reflected light.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Lichtquelle 22 ein Femtosekundenlaser verwendet, der Bestandteil der Ausblendeinrichtung 20 ist. Der Femtosekundenlaser 22 erzeugt sehr kurze Lichtimpulse t1 mit sehr hoher Momentanleistung P1. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 2 bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens typische Pulslängen liegen im Femtosekunden-Bereich oder sogar noch darunter.In the illustrated embodiment, the light source 22nd a femtosecond laser is used, which is part of the masking device 20th is. The femtosecond laser 22nd generates very short light pulses t1 with a very high instantaneous power P1. Within the scope of the measuring device according to the invention 2 or the typical pulse lengths of the method according to the invention are in the femtosecond range or even less.

An jeden Puls des Femtosekundenlasers 22 schließt sich eine vergleichsweise lange Pause t2 >> t1 an. Die Pause zwischen den Lichtimpulsen T2 ist der Kehrwert seiner Wiederholfrequenz oder Repetitionsrate. Diese Frequenz kann durchaus im Bereich von vielen Kilohertz oder sogar im Megahertz-Bereich liegen. Die durchschnittliche Leistung P der Lichtquelle 22 ergibt sich aus der zeitlichen Mittelung über die einzelnen kurzen Impulse.To every pulse of the femtosecond laser 22nd This is followed by a comparatively long pause t2 >> t1. The pause between the light pulses T2 is the reciprocal of its repetition frequency or repetition rate. This frequency can be in the range of many kilohertz or even in the megahertz range. The average power P of the light source 22nd results from the time averaging over the individual short pulses.

Der Empfänger 16 weist ein Spektrometer 24 auf, das mit einer Auswertungseinrichtung 26 in Datenübertragungsverbindung steht, die derart ausgebildet und programmiert ist, dass anhand des rückreflektierten und durch das Spektrometer 24 ausgewerteten Lichts der Abstand des Messkopfes 12 zu der Oberfläche 4 des Werkstücks ermittelt wird.The recipient 16 exhibits a spectrometer 24 on that with an evaluation device 26th is in data transmission connection, which is designed and programmed in such a way that on the basis of the back-reflected and by the spectrometer 24 evaluated light is the distance of the measuring head 12th to the surface 4th of the workpiece is determined.

Erfindungsgemäß ist die Ausblendeinrichtung 20 derart ausgebildet und steht derart mit dem Empfänger 16 in Wirkungsverbindung, dass dem Empfänger 16 zu jedem Lichtimpuls des Antastsignales ein Zeitfenster zugeordnet wird. Erfindungsgemäß ist die Ausblendeinrichtung 20 weiterhin derart ausgebildet, dass das Zeitfenster so geöffnet und geschlossen wird, dass direktreflektiertes Licht von dem Empfänger 16 empfangen und in der Auswertungseinrichtung als Messsignal herangezogen wird, während mehrfachreflektiertes Licht ausgeblendet wird, derart, dass der Abstand zwischen den Messkopf 12 und der zu vermessenden Oberfläche in der Auswertungseinrichtung 26 ausschließlich basierend auf dem direkt reflektierten Licht ermittelt wird.According to the invention, the masking device 20th designed in such a way and is in such a way with the receiver 16 in effect connection that the recipient 16 a time window is assigned to each light pulse of the touch signal. According to the invention, the masking device 20th further designed such that the time window is opened and closed so that directly reflected light from the receiver 16 is received and used in the evaluation device as a measurement signal, while multiple-reflected light is masked out in such a way that the distance between the measuring head 12th and the surface to be measured in the evaluation device 26th is determined solely on the basis of the directly reflected light.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ausblendeinrichtung 20 derart ausgebildet, dass in die Ausblendeinrichtung 20 einstrahlendes direktreflektiertes Licht das Öffnen des Zeitfensters für den Empfänger 16 triggert.In the illustrated embodiment, the masking device 20th designed such that in the masking device 20th direct reflected light in the opening of the time window for the receiver 16 triggers.

Nachfolgend wird der Aufbau der Ausblendeinrichtung 20 näher erläutert.The structure of the masking device is shown below 20th explained in more detail.

Der Lichtquelle 22 ist in Lichtrichtung des von der Lichtquelle 22 erzeugten Antastlichtes ein erstes Strahlteilungsmittel 28 nachgeordnet, wobei in Lichtrichtung des Antastlichtes zwischen der Lichtquelle 22 und dem ersten Strahlteilungsmittel 28 ein zweites Strahlteilungsmittel 30 angeordnet ist.The light source 22nd is in the direction of the light from the light source 22nd generated probing light a first beam splitting means 28 downstream, in the light direction of the touch light between the light source 22nd and the first beam splitting means 28 a second beam splitting means 30th is arranged.

In den Messkopf 12 rückreflektiertes Licht trifft auf das erste Strahlteilungsmittel 28 auf, wobei ein erster Teilstrahl in Richtung auf das zweite Strahlteilungsmittel 30 weiterläuft und der zweite Teilstrahl in Richtung auf einen Lichtsensor 32 weiterläuft. Der erste Teilstrahl bildet in weiter unten näher erläuterter Weise einen Signalstrahl, der zu dem Empfänger 16 geleitet wird, während der Triggerstrahl dazu verwendet wird, das Öffnen des Zeitfensters für den Empfänger 16 zu triggern.In the measuring head 12th back-reflected light strikes the first beam splitting means 28 on, with a first partial beam in the direction of the second beam splitting means 30th continues and the second partial beam in the direction of a light sensor 32 continues. The first partial beam forms, in a manner explained in more detail below, a signal beam that goes to the receiver 16 while the trigger beam is used to open the time window for the receiver 16 to trigger.

Der Lichtsensor 32, der beispielsweise durch eine Photodiode, einen Photomultiplier oder dergleichen gebildet sein kann, erzeugt als Antwort auf einfallendes Licht ein elektrisches Signal, das in einem dem elektrischen Ausgang des Lichtsensors 32 nachgeschalteten Verstärker 34 verstärkt und in einem dem Ausgang des Verstärkers 34 nachgeschalteten Impulsformer 36 zu einem elektrischen Schaltimpuls mit einer zeitlichen Länge t5 geformt wird. Dieser Schaltimpuls kann in seiner Länge einstellbar sein und ist deutlich kürzer als der Lichtimpuls t1 und sehr viel kürzer als der Abstand t2 zwischen zwei Lichtimpulsen der Lichtquelle 22 (t5< t1 << t2).The light sensor 32 , which can be formed for example by a photodiode, a photomultiplier or the like, generates an electrical signal in response to incident light, which in one of the electrical output of the light sensor 32 downstream amplifier 34 amplified and in one of the output of the amplifier 34 downstream pulse shaper 36 is formed into an electrical switching pulse with a length of time t5. This switching pulse can be adjustable in length and is significantly shorter than the light pulse t1 and very much shorter than the distance t2 between two light pulses from the light source 22nd (t5 <t1 << t2).

Die Zeitdauer t5 sollte dabei im Bereich des Zeitunterschieds des Laufwegs für die Photonen des direktreflektierten, also im Sinne der Messung „richtigen“ Lichts zu der Zeitdauer des Umwegs für die Photonen des mehrfachreflektierten Lichts liegen. Um einen Umweg der Länge su zu laufen, brauchen die Photonen die Zeit $tu = su / v = su * n / c .$

mit

n = Brechungsindex des Ausbreitungsmediums
c = Vakuumlichtgeschwindigkeit 3 x 10⁸ m/s

The time t5 should be in the range of the time difference between the path for the photons of the directly reflected light, i.e. in the sense of the measurement of the “correct” light, to the time duration of the detour for the photons of the multiply reflected light. The photons need time to make a detour of length su

do = su / v = see below * n / c .

with

n = refractive index of the medium of propagation
c = vacuum speed of light 3 x 10 ⁸ m / s

Für eine Umwegstrecke von beispielsweise su = 0,1 mm und Ausbreitung in Luft mit n = 1 ergibt sich eine Umwegzeit von tu =10^-4 m / (3 × 10⁸ m / s) = 1/3 × 10^-12 s = 0,3 ps.For a detour distance of, for example, su = 0.1 mm and propagation in air with n = 1, a detour time of tu = 10 ^-4 m / (3 × 10 ⁸ m / s) = 1/3 × 10 ^-12 s = results 0.3 ps.

Der Ausgang des Impulsformers 36 ist mit einem Steuerungseingang eines elektrooptischen Schalters 38 verbunden, der im Lichtpfad des Signalstrahls angeordnet ist. Der elektrooptische Schalter 38 ist für das Licht des Signalstrahls nur solange transparent, wie eine elektrische Spannung anliegt. Ein entsprechender Zeitverlauf ist in 2 dargestellt.The output of the pulse shaper 36 is with a control input of an electro-optical switch 38 connected, which is arranged in the light path of the signal beam. The electro-optical switch 38 is only transparent to the light of the signal beam as long as an electrical voltage is applied. A corresponding time course is shown in 2 shown.

Der Signalstrahl trifft von dem ersten Strahlteilungsmittel 28 kommend auf das zweite Strahlteilungsmittel 30 auf, an dem der Signalstrahl teilweise nutzlos in Richtung auf die Lichtquelle 22 und teilweise in Richtung auf den elektrooptischen Schalter 38 gelenkt wird. Zwischen dem zweiten Strahlteilungsmittel 30 und dem elektrooptischen Schalter 38 ist eine optische Verzögerungsstrecke 40 gebildet. Die Verzögerungsstrecke 40 dient dazu, das Licht des auf den elektrooptischen Schalter 38 einfallenden Signalstrahls mit dem an den Steuerungseingang des elektrooptischen Schalters 38 angelegten elektrischen Signal zu synchronisieren, sofern die elektrische Impulsformung und das Zeitverhalten des elektrooptischen Schalters 38 dies erfordern.The signal beam strikes from the first beam splitting means 28 coming to the second beam splitting means 30th at which the signal beam is partially useless towards the light source 22nd and partly towards the electro-optical switch 38 is steered. Between the second beam splitting means 30th and the electro-optical switch 38 is an optical delay line 40 educated. The delay line 40 serves to activate the light of the electro-optical switch 38 incident signal beam with the to the control input of the electro-optical switch 38 to synchronize applied electrical signal, provided the electrical pulse shaping and the time behavior of the electro-optical switch 38 require this.

Die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist wie folgt:

Das Licht der Lichtquelle 22 wird in Richtung auf die Oberfläche 4 des zu vermessenden Werkstücks abgestrahlt, um die Oberfläche mittels eines impulsförmigen Antastsignales anzutasten. Das Licht kann vorzugsweise über einen Lichtwellenleiter oder auch als Freistrahl geführt werden. Die in 3 dargestellten Bestandteile der Messvorrichtung 12 sind daher symbolisch und passend auf beide Ausbreitungsformen des Lichts zu verstehen.

The mode of operation of the exemplary embodiment of the measuring device according to the invention 10 to carry out an embodiment of the method according to the invention is as follows:

The light of the light source 22nd is towards the surface 4th of the workpiece to be measured is emitted in order to touch the surface by means of a pulse-shaped probe signal. The light can preferably be guided via an optical waveguide or also as a free jet. In the 3 illustrated components of the measuring device 12th are therefore to be understood symbolically and appropriately for both forms of propagation of light.

Das Licht passiert zunächst das zweite Strahlteilungsmittel 30, wobei ein Teil des Lichts seinen Weg in Richtung auf das erste Strahlteilungsmittel 28 fortsetzt, während der andere Teil aus dem Strahlengang gelenkt und an einem nicht gezeigten Absorber gestoppt wird. Erst auf dem Rückweg des von der Oberfläche 4 rückreflektierten Lichts wird das Licht nutzbar in Richtung auf die Verzögerungsstrecke 40 aus dem Strahlengang reflektiert.The light first passes the second beam splitting means 30th with some of the light making its way towards the first beam splitting means 28 continues, while the other part is deflected out of the beam path and stopped at an absorber, not shown. Only on the way back from the surface 4th The light that is reflected back can be used in the direction of the delay path 40 reflected from the beam path.

Das erste Strahlteilungsmittel 28 ist in entsprechender Weise auf dem Hinweg des Lichts zu der Oberfläche 4 funktionslos bzw. reflektiert einen nicht zu vermeidenden Teil des Lichts aus dem Strahlengang. Dieser Teil des Lichts wird ebenfalls durch einen nicht gezeigten Absorber gestoppt.The first beam splitting means 28 is in a corresponding way on the way of the light to the surface 4th has no function or reflects an unavoidable part of the light from the beam path. This part of the light is also stopped by an absorber (not shown).

Nach dem ersten Strahlteilungsmittel 28 verlässt das Licht die Ausblendeinrichtung 20 und setzt seinen Weg in dem Messkopf 12 durch das Objektiv 14 hindurch zu der Oberfläche 4 des Werkstücks fort, wobei es durch das Objektiv 14 auf die Oberfläche 4 fokussiert wird, wie dies bei einem chromatisch-konfokalen Abstandssensor allgemein bekannt ist.After the first beam splitting means 28 the light leaves the masking device 20th and continues its way in the measuring head 12th through the lens 14th through to the surface 4th of the workpiece, taking it through the lens 14th on the surface 4th is focused, as is generally known in a chromatic confocal distance sensor.

Rückreflektiertes Licht passiert wiederum das Objektiv 14. Systembedingt lässt in ebenfalls allgemein bekannter Weise die Kombination des Chromatik-„Fehlers“ und nicht gezeigter Strahlblenden bevorzugt nur eine einzelne Wellenlänge des ursprünglich breitbandig-farbigen Lichts weiter passieren. Diese Eigenschaften eines CCS-Sensors werden in der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 12 unverändert genutzt.Back-reflected light in turn passes through the lens 14th . Due to the system, the combination of the chromatic “error” and beam diaphragms, which are not shown, preferably only allows a single wavelength of the originally broadband colored light to pass further in a manner which is also generally known. These properties of a CCS sensor are used in the measuring device according to the invention 12th used unchanged.

Das rückreflektierte Licht tritt bei dem ersten Strahlteilungsmittel 28 wieder in die Ausblendeinrichtung 20 ein. Das erste Strahlteilungsmittel 28 teilt das rückreflektierte Licht in einen Signalstrahl, der über die Verzögerungsstrecke 40 und den elektrooptischen Schalter 38 zu dem Spektrometer 24 gelangt, und einen Triggerstrahl auf, der auf den Lichtsensor 32 auftrifft. In dem Lichtsensor 32 wird durch das Licht ein elektrisches Signal generiert, das über den Verstärker 34 und den Impulsformer 36 als Schaltimpuls an den Steuerungseingang des elektrooptischen Schalters 38 angelegt wird.The reflected light occurs at the first beam splitting means 28 back into the masking device 20th a. The first beam splitting means 28 splits the back-reflected light into a signal beam that passes through the delay line 40 and the electro-optical switch 38 to the spectrometer 24 and a trigger beam that hits the light sensor 32 hits. In the light sensor 32 an electrical signal is generated by the light, which is transmitted via the amplifier 34 and the pulse shaper 36 as a switching pulse to the control input of the electro-optical switch 38 is created.

Solange eine elektrische Spannung an dem Steuerungseingang des elektrooptischen Schalters 38 anliegt, ist derselbe transparent für das Signallicht. Zeitpunkt und Zeitdauer des elektrischen Schaltimpulses legen damit den Zeitpunkt und die Zeitdauer des Zeitfensters fest, währenddessen der elektrooptische Schalter 38 für das Signallicht transparent ist und dementsprechend das Signallicht zu dem Spektrometer 24 des Empfängers 16 gelangt.As long as there is an electrical voltage at the control input of the electro-optical switch 38 is present, it is transparent to the signal light. The point in time and duration of the electrical switching pulse thus determine the point in time and the duration of the time window during which the electro-optical switch 38 is transparent for the signal light and accordingly the signal light to the spectrometer 24 Recipient 16 got.

Aufgrund der Strahlteilung des rückreflektierten Lichts in dem ersten Strahlteilungsmittel 28 wird damit das Zeitfenster bzw. das Öffnen und Schließen des Zeitfensters, während dessen der elektrooptischen Schalter 38 für das Signallicht transparent ist, getriggert.Due to the beam splitting of the back-reflected light in the first beam splitting means 28 is thus the time window or the opening and closing of the time window during which the electro-optical switch 38 for the signal light is transparent, triggered.

Während das Zeitfenster offen ist, gelangt das Signallicht durch den elektrooptischen Schalter 38 hindurch zu dem Spektrometer 24, sodass in der allgemein bekannten Weise aus dem Ausgangssignal des Spektrometers 24 in der Auswertungseinrichtung 26 der Abstand zwischen dem Messkopf 12 und der Oberfläche 4 des Werkstücks ermittelt werden kann. Durch Antasten der Oberfläche an einer Vielzahl von Punkten kann auf diese Weise das Oberflächenprofil der Oberfläche 4 ermittelt werden.While the time window is open, the signal light passes through the electro-optical switch 38 through to the spectrometer 24 so that in the well-known manner from the output signal of the spectrometer 24 in the evaluation facility 26th the distance between the measuring head 12th and the surface 4th of the workpiece can be determined. By probing the surface at a large number of points, the surface profile of the surface 4th be determined.

Erfindungsgemäß wird das Zeitfenster für den Empfänger 16 nach dem Empfangen des als Antwort auf einen Puls der Lichtquelle 22 erzeugten direktreflektierten Lichts geschlossen, bevor mehrfachreflektiertes Licht die Messvorrichtung 10 bzw. die Ausblendeinrichtung 20 erreicht.According to the invention, the time window for the recipient 16 after receiving the in response to a pulse from the light source 22nd generated directly reflected light closed before multiple reflected light the measuring device 10 or the masking device 20th achieved.

Dadurch ist der Einfluss mehrfachreflektierten Lichts als Störsignal auf das Messergebnis verringert, sodass auf diese Weise die Messgenauigkeit erhöht ist.This reduces the influence of multiple-reflected light as an interference signal on the measurement result, so that the measurement accuracy is increased in this way.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102018114022 A1 [0008]

Claims

Optical measuring device (10) for measuring the surface (4) of a workpiece, with a measuring head (12) which is movable relative to the surface (4) to be measured and with a pulsed light source (22) for directing a pulse-shaped touch signal to the surface (4) for touching the same, from which the light of the touch signal as directly reflected light with a shorter transit time and as multiple reflected light with a longer transit time to the measuring head (12) of the measuring device ( 10) is reflected back, with a receiver (16) which is designed to receive the reflected light of the contact signal and is in data transmission connection with an evaluation device (26) which is designed and programmed in such a way that the distance between the measuring head (12) and the Surface (4) is determined, with a masking device (20) which is designed in such a way and is in operative connection with the receiver (16) in such a way that the receiver (16) is assigned a time window for each pulse of the touch signal, wherein the masking device (20) is designed in such a way that the time window is opened and closed in such a way that directly reflected light is received by the receiver (16) and used as a measurement signal in the evaluation device, while multiple-reflected light is masked out in such a way that the distance between the measuring head (12) and the surface to be measured (4) is determined in the evaluation device (26) exclusively based on the directly reflected light.

Measuring device according to Claim 1 wherein the masking device (20) is designed in such a way that directly reflected light shining into the masking device (20) triggers the opening of the time window for the receiver (16).

Measuring device according to Claim 1 or 2 wherein the masking device (20) has an optical, in particular electro-optical, switch (38) arranged in a light path to the receiver (16), which switch is designed such that the light path of reflected light is released or interrupted according to the time window.

Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the masking device (20) is designed in such a way that, according to the pulse rate of the light source, after each pulse has been emitted by the light source, the time window a. open to receive directly reflected light, b. the time window after the reception of the directly reflected light is closed to block out multiple-reflected light and c. is reopened to receive directly reflected light from the next pulse.

Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the light source (22) is a point light source.

Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring device has a chromatic-confocal distance sensor with a white light source and a spectrometer as a receiver.

Measuring device according to one of the preceding claims, wherein a first beam splitting means (28) is arranged in the light path of directly reflected light into the masking device (20), which splits the beam of directly reflected light into a signal beam and a trigger beam, the first beam splitting means (28) such is designed and arranged that the signal beam is directed to the receiver (16) and the opening of the time window for the receiver is triggered by the trigger beam.

Measuring device according to Claim 7 wherein an optical delay path (40) is formed in the light path of the signal beam in the light direction between the first beam splitting means (28) and the receiver.

Measuring device according to Claim 6 and 8th , wherein the optical switch (38) is arranged in the light direction between the optical delay path (40) and the receiver (16).

Measuring device according to one of the Claims 7 until 9 wherein the light path of the light emitted by the light source is coincident with the light path of the light reflected into the measuring device (10) and a second beam splitting means (30) is arranged downstream of the first beam splitting means (28) in the light direction of the reflected light.

Measuring device according to one of the Claims 7 until 10 wherein a light sensor is arranged in the light path of the trigger beam and is in signal transmission connection with the switch.

Measuring device according to Claim 11 , characterized in that the switch is an electro-optical switch (38), the light sensor (32) generating an electrical output signal in response to incident light at its output, and the output of the light sensor (32) being connected to an electrical control input of the electro-optical switch is such that the Switching the electro-optical switch (38) is controlled by the output signal of the light sensor.

Measuring device according to Claim 12 , an electrical amplifier (34) and / or a pulse shaper (36) being connected between the output of the light sensor (32) and the control input of the electro-optical switch (38), the pulse shaper (36) preferably being arranged downstream of the amplifier (34) .

Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the light source (22) has an fs laser.

Method for measuring a surface of a workpiece, wherein a measuring device according to one of the preceding claims is used.