DE10256273B3

DE10256273B3 - Interferenzoptische Formmesseinrichtung mit Phasenschiebung

Info

Publication number: DE10256273B3
Application number: DE10256273A
Authority: DE
Original assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Current assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Priority date: 2002-12-03
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-12-04

Abstract

Eine insbesondere zur Formmessung an hochgenau bearbeiteten Oberflächen eines Werkstücks geeignete Messeinrichtung enthält ein Interferometer, mit dem von mehreren definierten Messbereichen im Wesentlichen gleichzeitig zugehörige Interferenzmuster erzeugt und diese jeweils von einem Sensor erfasst werden. Durch Relativverstellung zwischen dem Werkstück und der Messeinrichtung können alle gewünschten Messbereiche der Werkstückoberfläche erfasst werden. DOLLAR A Zur Absolutmessung werden von jedem Messbereich mehrere phasenverschobene Interferenzmuster aufgenommen. Dies wird dadurch erreicht, dass jedem Sensor jeweils ein Phasenmodulator (Phasenschiebeelement) zugeordnet ist, der die Interferenzphase des von dem Sensor erfassten Interferenzmusters gezielt phasenmoduliert. Bei der Relativverstellung zwischen Werkstück und Messeinrichtung wird jeder Messbereich von jedem Sensor mit der entsprechenden Phasenverschiebung aufgenommen.

Description

Interferometrische Messeinrichtungen werden insbesondere zur Qualitätskontrolle eingesetzt, um berührungslos und somit rückwirkungsfrei Merkmale eines Werkstücks, wie Formgenauigkeit oder Formabweichung, zu untersuchen. Ihnen liegt das Prinzip zugrunde, dass durch Überlagern von kohärenten Lichtwellen mit unterschiedlichen optischen Wegen ein Interferenzmuster (Interferogramm), d.h. ein Hell-Dunkel-Muster entsteht, das Informationen über die optischen Wege und somit über die berührten Oberflächen enthält.

Bei bekannten Messverfahren wird ein Referenzstrahl mit einem Messstrahl überlagert, der zuvor an der Oberfläche des Werkstücks reflektiert worden ist. Aus den Interferenzmustern, insbesondere der Phasendifferenz der beiden überlagerten Strahlen, kann auf den Wegunterschied der Strahlen und die Lage der Messpunkte geschlossen werden. Allein aus einer Messung ist es jedoch nicht möglich, die Phasenlage zwischen den beiden Strahlen eindeutig zu bestimmen. Bspw. ist die Richtung der Formabweichung unbestimmt. Außerdem kann sich das optische Reflexionsverhalten auf dem Messobjekt verändern und einen Messfehler verursachen.

Eine Auswertungsmöglichkeit bietet das Phasenschiebeverfahren, bei dem drei oder mehrere Bilder des Objektes eingelesen werden, die sich durch eine definierte Phasenverschiebung voneinander unterscheiden. Im Allgemeinen wird vor jeder Aufnahme ein Beugungsgitter oder ein Spiegel mit einem Piezosteller verschoben, so dass sich unterschiedliche optische Wege des Messstrahls und/oder des Referenzstrahls ergeben. Aus den phasenverschobenen Bildern können die fehlenden Informationen, wie die Intensität und die richtige Phasenlage des Messstrahles eindeutig bestimmt werden. Die Phasenverschiebung kann auch durch Verkippung einer Planparallelplatte, durch Verschiebung eines Gitters um einen Bruchteil der Gitterperiode, oder polarisationsoptisch durch Rotation eines Analysators erfolgen.

Bekannt sind Punktsensoren, die die Werkstückoberfläche punktweise abtasten, wobei für jeden Messpunkt nach dem Phasenschiebeverfahren mehrere Aufnahmen erforderlich sind. Der Abtastpunkt wird sukzessive auf der Werkstücksoberfläche verfahren, um Flächen zu überstreichen. Es können Bohrungen kleinsten Durchmessers vermessen werden. Bei größeren Oberflächen ist aber die Messdauer relativ lang.

Aus der DE 196 43 074 A1 und aus der DD 106 769 ist es bekannt, die gesamte Werkstückoberfläche auf einmal zu erfassen. Hierzu wird ein computergeneriertes Hologramm verwendet, das ein Abbild einer idealen Werkstückoberfläche darstellt und eine Beugungsoptik bildet, die ein Lichtbündel in ein Referenzbündel und ein Messbündel aufteilt. Das an der Oberfläche des Werkstücks reflektierte Messbündel wird an einer Beugungsstruktur mit dem Referenzbündel wieder vereinigt. Das resultierende Interferenzbild wird mit einer CCD-Kamera aufgenommen. Das Verfahren ist als Grazing Incidence Verfahren bekannt.

Zum Phasenschieben wird der Abstand zwischen den Beugungsoptiken, an denen die beiden Strahlen gespalten bzw. rekombiniert werden, stufenweise verändert. Nach wenigen Phasenschiebungen und Aufnahmen ist die Werkstückoberfläche im Ganzen erfasst. Allerdings setzt die Auflösung der CCD-Kamera der Messgenauigkeit Grenzen, und es können nur relativ kleine Dimensionsbereiche abgedeckt werden.

Aus der DE 198 11 460 C2 ist eine interferenzoptische Messeinrichtung bekannt, bei der die Oberflächenform in einer Aufnahme entlang einer Messlinie erfasst wird. Eine Positioniereinrichtung verstellt das Werkstück, um nach und nach die ganze Oberfläche des Werkstücks aufzunehmen. Die zu einer Messlinie gehörenden Messwerte werden von einem Liniensensor, also einer einzigen Reihe von Sensorzellen erfasst. Die einzig von der Anzahl der Zellen des Liniensensors und der Schrittweite abhängige Messwertdichte kann sehr hoch gewählt werden.

In einer Ausführungsform wird ein Michelson-Interferometer verwendet. Ein Strahlteiler teilt das Lichtbündel der Lichtquelle in zwei senkrecht zueinander polarisierte Strahlen, einen Messtrahl und einen Referenzstrahl, auf. Der Referenzstrahl wird an einem verschiebbar gelagerten Spiegel reflektiert und von dem Strahlteiler mit dem an dem Werkstück reflektierten Messtrahl überlagert. Zur Phasenverschiebung wird der Spiegel mittels eines Piezoantriebs um einen Bruch teil der Wellenlänge linear verstellt und bei jeder Stellung des Referenzspiegels die gesamte Oberfläche des Werkstücks linienweise gescannt.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine weitere vorteilhafte interferenzoptische Messeinrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die bzw. das eine Messung auf der Basis der Phasenschiebung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Messeinrichtung nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 22 gelöst.

Der erfindungsgemäßen Messeinrichtung liegt das Prinzip zugrunde, eine Werkstückoberfläche mit einem Interferometer bereichsweise zu vermessen bzw. zu prüfen. Eine Verstelleinrichtung dient entsprechend dazu, das Werkstück und das Interferometer in Bezug aufeinander zu verstellen, um vorgegebene Messbereiche, z.B. Teilflächen der Werkstückoberfläche, Messlinien oder Messpunkte, sukzessive zu erfassen. Abweichend von bekannten Messverfahren wird hier aber mit der Relativverstellung oder -positionierung gleichzeitig die erforderliche Phasenschiebung mit bewirkt. Erreicht wird dies dadurch, dass das Interferometer in einer Relativstellung in Bezug auf das Werkstück von mehreren festgelegten Messbereichen der Werkstückoberfläche gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig die zugehörigen Interferenzmuster erzeugt, und dass jedem der in einer Relativstellung erfassen Messbereiche ein Phasenschiebeelement zugeordnet ist, das eine definierte, jeweils im Wert unterschiedliche Verschiebung der Phasenlage des entsprechenden Interferenzmusters bewirkt. So können in einer Relativstellung phasenverschobene Bilder von mehreren Messbereichen erzeugt und erfasst werden. Mittels der Verstelleinrichtung werden die Messbereiche in zeitlicher Folge allen Phasenschiebeelementen zugeordnet, so dass jeder Messbereich an dem Werkstück mehrmals, jeweils einem Phasenschiebeelement zugeordnet abgetastet wird. Die Relativbewegung kann stufig oder kontinuierlich erfolgen. Die Phasenschiebeelemente bilden gemeinsam eine in Bezug auf das Interferometer ortsfeste, bspw. in dieses integrierte Anordnung.

Unter „(im Wesentlichen) gleichzeitig" oder „zeitgleich" erfassten Messbereichen soll hier verallgemeinert verstanden werden, dass diese Messbereiche in einer einzigen Relativstellung des Interferometers in Bezug auf das Werkstück nebeneinander abgetastet werden können, ohne hierzu die Relativstellung ändern zu müssen. Bspw. weist das Interferometer mehrere, den einzelnen Messbereichen zugeordnete Sensoren auf. Die zu diesen Messbereichen zugehörigen Interferenzbilder selbst müssen nicht völlig simultan, sondern können z.B. in kurzer Zeitfolge nacheinander erzeugt und/oder aufgenommen werden. Allerdings ist eine völlig gleichzeitige Erfassung besonders vorteilhaft.

Durch die relativ zu dem Interferometer ortsfeste Anordnung von Phasenschiebeelementen und die Erzeugung mehrerer phasenverschobener Intensitätsbilder in einer Relativstellung wird die Basis für eine schnelle und präzise Messung geschaffen. Ansonsten nötige schrittweise Verschiebung eines einzelnen Phasenschiebeelementes entfällt. Die Messung braucht nicht angehalten oder unterbrochen zu werden, so dass auch kontinuierlich gemessen werden kann. Die Messzeit ist somit gegenüber vergleichbaren Messeinrichtungen und Messverfahren deutlich reduziert.

Die erfindungsgemäße Messmethode ermöglicht zudem hohe Messwertdichten und Messgenauigkeiten. Im Unterschied zur ganzheitlichen Erfassung wird hier jeweils nur ein Abschnitt der Werkstückoberfläche auf bspw. die Matrix einer CCD-Kamera abgebildet. Außerdem können Messfehler, die auf fehlerhafte Ausrichtung oder Justage des Phasenschiebeelementes beim Schiebeprozess zurückzuführen sind, vermieden werden.

Die erfindungsgemäße Messeinrichtung dient bevorzugterweise zur berührungslosen und rückwirkungsfeien Vermessung oder Prüfung von Merkmalen, wie bspw. der Formgenauigkeit oder Formabweichung der Oberfläche eines Werkstücks oder der Oberflächenrauheit. Das Werkstück kann eine nahezu beliebige, bspw. kubische, zylindrische oder sphärische Gestalt aufweisen. Vermessung von Innenbohrungen ist ebenfalls möglich. Es wird vorzugsweise eine Dimension vermessen, die rechtwinklig zu der Oberfläche eines Idealkörpers verläuft, um so die Abweichung der realen Werkstückform von einer vorgegebenen Idealform zu erhalten. Bei einem Zylinder sind das bspw. die Radiusabweichungen der Mantelfläche von einem idealen Sollwert. Bei einer planen Oberfläche ist es die Höhe der realen Werkstückoberfläche über einer gedachten vollkommen ebenen Fläche. Es sind auch andere Anwendungen, die Phasenschiebung erfordern, bspw. auf Speckle- oder Shearing-Prinzip basierende Prüfmethoden zur Erkennung von Fehlern in Objekten, denkbar.

Zur eindeutigen Bestimmung der Interferenzphase sind im Allgemeinen drei Bilder oder Phasenverschiebungen erforderlich. Zwei Bilder reichen aus, wenn der Kontrast oder die Untergrundhelligkeit als konstant angesehen werden kann. Insofern sind erfindungsgemäß wenigstens zwei oder drei Phasenschiebeelemente vorzusehen und zwei oder drei Messbereiche gleichzeitig aufzunehmen. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit wird aber bevorzugt, mehr als drei, vorzugsweise vier oder fünf Phasenschiebungen vorzunehmen. Diese betragen vorzugsweise ein Vielfaches des Bruchteils der Wellenlänge λ des verwendeten Lichts. Bei drei Phasenschiebungen erhält man besonders einfache Beziehungen bei Phasenverschiebungen um 0°, 120° und 240° oder insbesondere um 90°, 180° und 270°. Bei vier Phasenverschiebungen sind Vielfache von 90° (λ/4) oder von 60° (λ/6) vorteilhaft. Letzteres gilt auch für fünf Phasenschiebungen. Es sind aber auch andere gezielte Phasenänderungen möglich.

Die im Wesentlichen zeitgleich erfassten Messbereiche liegen vorzugsweise einander benachbart, um einen kompakten Aufbau zu ermöglichen. Als Mess- oder Bezugsbereiche können Flächenbereiche, Messlinien oder Messpunkte dienen, wobei der Punktsensor hier mehrere Messpunkte im Wesentlichen gleichzeitig erfasst. Besonders vorteilhaft ist die linienweise Erfassung, bei der die Messwerte entlang festgelegter Messlinien erfasst werden. Die in einer Relativstellung erfassten Messlinien können unmittelbar nebeneinander liegen oder um mehrere Positionierschritte voneinander beabstandet sein.

Die Form der Messlinien ist prinzipiell beliebig. Diese können bspw. elyptisch oder sichelförmig gekrümmt sein. Vorgezogen werden Linien, die sich durch senkrechten Schnitt einer Ebene mit der Oberfläche des Werkstücks ergeben, wenn das Werkstück in Richtung der Relativverstellung in Bezug auf diese Ebene schrittweise verstellt würde. Bei einem zylindrischen Körper sind es im Hinblick auf eine Ebene, die die Achse des Zylinders enthält, bspw. alle zueinander parallele Mantellinien. Bei einer planen Oberfläche erhält man entsprechend in Verschieberichtung zueinander parallele Geraden als Messlinien. Auch bei komplizierten Werkstückformen, bspw. mit unterschiedlich geformten Flächenabschnitten, lassen sich so Messlinien festlegen, durch deren sukzessive Verlagerung parallel zur Werkstückoberfläche diese vollständig erfasst werden kann.

Zur einfachen Bildverarbeitung ist vorzugsweise eine Sensoreinrichtung vorgesehen, die bspw. eine CCD-Kamera enthält. Diese erfasst die erzeugten Interferenzmuster und liefert den Intensitäten der einzelnen Bildpunkte entsprechende Werte. Die zu einem Messbereich zugehörigen, in zeitlicher Folge erzeug ten Messwerte können bspw. in einen Rechner eingelesen und dort einander zugeordnet werden, um die Interferenzphase und somit die Lage der Messpunkte zu bestimmen. Die so erhaltene Formabweichung kann anschließend visualisiert werden. Eine Bestimmung bspw. des Werkstückdurchmessers ist mit Hilfe eines Referenzobjekts, dessen Durchmesser bekannt ist, möglich.

Bei linienweiser Abtastung der Werkstückoberfläche erhält man einen besonders einfachen Sensoraufbau. Die Matrixkamera enthält bspw. der Anzahl der Phasenschiebeelemente entsprechende Anzahl von Liniensensoren mit jeweils mehreren Zellen, die den einzelnen Messpunkten entlang der Messlinie zugeordnet sind. Die Anzahl der Zellen eines Liniensensors legt die Messwertdichte entlang der Messlinie fest. Diese kann sehr hoch gewählt werden. Ein Liniensensor kann mehrere Tausend Zellen enthalten, wobei vier oder fünf solcher Liniensensoren genügen. Selbst wenn Liniensensoren mit je zehn Tausend Zellen verwendet werden, ist der technische Aufwand im Vergleich zu herkömmlichen CCD-Kameras mit bspw. ca. 512 × 512 Zellen, wie sie bei der Erfassung von Werkstücken im Ganzen verwendet werden, geringer. Außerdem können die Messlinien auch jeweils nur abschnittsweise erfasst werden. Die laterale Messwertdichte in Richtung der Relativverstellung zwischen dem Interferometer und dem Werkstück hängt bei schrittweiser Positionierung allein von der Schritaweite und bei der schnelleren kontinuierlichen Positionierung nur von der Aufnahmefrequenz ab. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden höhere Messwertdichten in akzeptabler Messzeit erzielt. Die Werkstückoberfläche kann genauer vermessen werden, und es können viel größere Dimensionen erfasst werden.

Das verwendete Interferometer kann von beliebiger Art sein. Bevorzugt werden Interferometer, wie sie oben beschrieben worden sind. Sie erlauben die Vermessung einer Vielzahl von Oberflächen mit verschiedenster Geometrie (Sphären, ebene lächen, Zylinder etc.) mit Tiefenauflösungen im Bereich weniger Mikrometer oder sogar im Nanometerbereich. Das Interferometer weist also vorzugsweise Mittel auf, die ein paralleles kohärentes Lichtbündel einer Strahlenquelle in ein Referenzbündel und ein Messbündel aufteilt, das an der Werkstückoberfläche reflektiert wird. Die Strahlbündel sind wenigstens so breit, dass alle zum jeweiligen Zeitpunkt zu erfassenden Messbereiche beleuchtet werden können. Liegen die ausgewählten Messbereiche im Abstand zueinander, kann das Lichtbündel auch in mehrere Referenz- und Messstrahlen aufgeteilt werden.

Zur Erzeugung der Phasenverschiebungen dient die Anordnung von Phasenschiebeelementen. Diese kann in dem Strahlengang des Referenzstrahlbündels oder des Messstrahlbündels oder in deren gemeinsamem Strahlenweg angeordnet sein. Die Anzahl der Phasenschiebeelemente entspricht der Anzahl der gewünschten Phasenschiebungen.

Besonders bevorzugt ist eine Anordnung von Phasenschiebeelementen, die durch ein in Strahlrichtung treppenartig gestuftes Beugungsgitter gebildet ist. Dieses weist also quer zur Strahlrichtung bspw. drei, vier oder fünf Stufen auf, die in Strahlrichtung parallel und vorzugsweise äquidistant zueinander versetzt sind. Jede Stufe des Beugungsgitters, die einem der gleichzeitig erfassten Messbereiche zugeordnet ist, ist ein Phasengitter mit quer zur Strahlrichtung verlaufenden Spalten bzw. Stegen und Lücken. Die Teilungsperiode der Phasengitter, das Steg-Lücken-Verhältnis und die Steghöhe wie auch die Stufenhöhe sind in Abhängigkeit von der Wellenlänge des verwendeten Lichts derart gewählt, dass sich die gewünschten Beugungen und die definierten Phasenschiebungen ergeben.

Vorzugsweise ist das auf diese Weise geschaffene Beugungsgitter einstückig ausgebildet. Dies ergibt eine kompakte Einheit und ermöglicht die Einhaltung enger Toleranzen bereits bei der Herstellung. Die einzelnen Phasenschiebeelemente, also die Phasengitter sind genau aufeinander ausgerichtet. Justieraufwand und -fehler werden deutlich verringert. Es ist aber auch möglich, voneinander getrennte, versetzte Gitter zu verwenden, die bspw. auf einem gemeinsamen Träger angebracht sein können.

Insbesondere bei linienhafter Abtastung kann zur Phasenschiebung auch ein einzelnes Beugungsgitter verwendet werden, das in Bezug auf die durch den Strahlengang festgelegte Ebene unter einem Winkel ungleich 90° schräg gestellt ist. Die den gerade erfassten Messlinien zugeordneten linienhaften Bereiche des Beugungsgitters, die den Phasenschiebeelemente entsprechen, liegen also in Strahlrichtung in äquidistanten, parallelen Ebenen, wie dies beim gestuften Gitter der Fall ist.

Außerdem ist eine Anordnung möglich, bei der mehrere Phasengitter zwar in einer gemeinsamen, zu dem Strahlengang senkrechten Ebene angeordnet sind, die einzelnen Gitter aber in dieser Ebene um einen Bruchteil der Teilungsperiode des Gitters jeweils gegeneinander versetzt sind. Weiterhin ist der Einsatz von bekannten Phasenschiebemethoden bspw. mit rotierenden planparallelen Platten oder Analysatoren denkbar.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung basiert auf dem Grazing Incidence Interferometer. Dieses weist eine erste Beugungsoptik, vorzugsweise ein erstes Beugungsgitter, das einen ungebeugten Referenzstrahl (0. Beugungsordnung) sowie einen gebeugten Messstrahl (1. Beugungsordnung) durchgehen lässt, sowie eine zweite Beugungsoptik, vorzugsweise ein zweites Beugungsgitter auf, das die beiden Strahlenbündel wieder rekombiniert. Das erste Beugungsgitter kann bspw. ein computergeneriertes Hologramm sein, das ein Abbild bspw. nur weniger Linien des Idealkörpers liefert. Bspw. ist das Hologramm einer Mantellinie eines Zylinders ein Streifen mit einem Mus ter aus quer angeordneten Strichen. Wenn die Messlinien, entlang derer der Zylinder im Wesentlichen zeitgleich erfasst wird, dicht nebeneinander liegen, genügt ein schmaler Streifen eines solchen Hologramms. Ein solches Hologramm ist einfach und kostengünstig herzustellen.

Es kann vorteilhaft sein, als Hologramm einen Ausschnitt, bspw. ein Segment eines Axicons, also eines rotationssymmetrischen Phasengitters, zu verwenden. Ein Axicon besteht vorzugsweise aus einem Glassubstrat, in das konzentrische Ringe gleicher Breite und gleichen Abstands geätzt werden. Ein solcher Ausschnitt des Axicons bildet die Oberfläche eines idealen Zylinders genauer ab als ein Beugungsgitter mit geradem Strichmuster. Allerdings genügt in den meisten Fällen auch ein gerades Strichmuster den gestellten Genauigkeitsanforderungen.

Die zweite Beugungsoptik ist durch die Anordnung von Phasenschiebeelementen, bspw. durch das gestufte Beugungsgitter oder durch mehrere versetzte Phasengitter gebildet. Es ergeben sich somit unterschiedliche optische Weglängen für die bspw. den Messlinien zugeordneten Strahlen. Durch die Relativverstellung zwischen Werkstück und Interferometer wird die Phasenschiebung durchgeführt. Eine Verstellung eines der Beugungsgitter zwischen den einzelnen Aufnahmen ist nicht erforderlich.

Der Aufbau kann auch derart gewählt werden, dass die Anordnung aus Phasenschiebelementen die erste Beugungsoptik bildet. Zur Überlagerung beider Strahlen kann bspw. ein einfaches Gitter mit geraden Strichen dienen.

In einer anderen Ausführungsform ist die Messeinrichtung auf der Basis eines Michelson-Interferometers aufgebaut. Sie weist einen Strahlteiler auf, der das Lichtbündel einer Strahlenquelle in ein Referenzbündel und ein Messbündel aufspaltet.

Das Messstrahlbündel wird zu der Werkstückoberfläche geführt, dort reflektiert und wieder zu dem Strahlteiler zurückgeführt. Das Referenzstrahlbündel wird an einem Referenzspiegel reflektiert und gelangt ebenfalls zu dem Strahlteiler zurück, der beide Strahlen wieder vereinigt. Unterschiedliche Phasenlagen der so erzeugten Interferenzmuster können bspw. durch eine stufige Ausbildung des Referenzspiegels bewirkt werden, so dass sich unterschiedliche Weglängen der den im Wesentlichen zeitgleich erfassten Messlinien zugeordneten Referenzstrahlen ergeben. Es kann auch der Strahlteiler an der dem Referenzspiegel zugewandten Seite entsprechend treppenartig abgestuft ausgebildet werden.

Die Verstelleinrichtung sorgt für die zum Scannen der Oberfläche erforderliche Relativverstellung zwischen Werkstück und Messeinrichtung und vorteilhafterweise zugleich für die Zuordnung zwischen den Messbereichen und den Phasenschiebeelementen. Sollen plane Flächen vermessen werden, ist vorzugsweise eine Verschiebeeinrichtung vorzusehen, die bspw. das Werkstück relativ zu dem Interferometer verschiebt. Bei einem Zylinder ist eine Drehpositioniereinrichtung, ein Drehteller oder dergleichen, vorteilhaft, die das Werkstück relativ zu der Anordnung von Phasenschiebeelementen dreht. Bedarfsweise kann auch das Werkstück ruhen und das Interferometer verstellt, also verschoben oder gedreht oder auf sonstiger Bahnkurve bewegt werden, um die Oberfläche zu überstreichen.

Die Richtung der Verstellung ist geeignet gewählt, um die gesamte Oberfläche möglichst schnell zu erfassen. Vorteilhaft ist bspw. eine quer zu den Messlinien und parallel zu der Werkstückoberfläche ausgerichtete Verstellrichtung.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der zugehörigen Beschreibung und Unteransprüchen. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
1 einen Messplatz mit einer Messeinrichtung zur bereichsweisen Messwertaufnahme, in einer Ausführungsform zum Vermessen ebener Flächen eines Werkstücks, in schematisierter perspektivischer Darstellung,
2 ein Werkstück und eine erfindungsgemäße Messeinrichtung nach 1 in schematisierter Seitenansicht,
3 eine Ausführungsform einer in der Messeinrichtung nach 1 verwendeten Beugungsoptik, in ausschnittsweiser, vergrößerter schematisierter perspektivischer Darstellung,
4 eine für die Messeinrichtung nach 1 geeignete Anordnung von Phasenschiebeelementen, in ausschnittsweiser, vergrößerter schematisierter perspektivischer Darstellung,
5 das Werkstück und Teile der Messeinrichtung nach 1 in ausschnittsweiser, schematisierter Darstellung, zur Verdeutlichung deren Funktionsweise,
6 einen Messplatz entsprechend 1, in einer Ausführungsform zum Vermessen zylindrischer Flächen, in einer perspektivischen schematisierten Darstellung,
7 eine Ausführungsform einer auch zur Vermessung von Innenbohrungen geeigneten abgewandelten Messeinrichtung, in schematisierter Schnittdarstellung, und
8 eine abgewandelte Ausführungsform der Messeinrichtung nach 7, in schematisierter Seitenansicht.
In 1 ist in schematisierter Perspektive ein Prüf- oder Messplatz 1 mit einer ein Interferometer 2 aufweisenden Messeinrichtung 3 veranschaulicht. In der dargestellten Anwendung ist eine im Wesentlichen plane Oberfläche 4 eines quaderförmigen Werkstücks 5 bereichsweise zu vermessen. Die Messeinrichtung 3 weist hierzu einen Grundkörper 6 auf, auf dem ein Messtisch 7 zur Aufnahme des Werkstücks 5 verschiebbar gelagert ist. Eine Verstelleinrichtung, vorliegendenfalls eine Verschiebeeinrichtung, die im Wesentlichen durch einen verschiebbaren Schlitten 8 gebildet ist, gestattet das gezielte Verfahren und Einstellen von gewünschten Positionen des Messtisches 7. Die Verschieberichtung 9 stimmt mit der Richtung x eines in 1 beispielhaft eingezeichneten kartesischen Koordinatensystems x, y, z überein. Weitere Einrichtungen, z.B. zur automatischen Ausrichtung des Werkstücks 5 auf dem Messtisch 7, sind in 1 der Übersichtlichkeit wegen nicht eingezeichnet.
Zu der inter:ferenzoptischen Messeinrichtung 3 gehört im Wesentlichen eine Strahlenquelle 11, die ein Lichtbündel zum Bestrahlen des zu untersuchenden Werkstücks 5 erzeugt, das Interferometer 2 zum Abbilden einer von dem Werkstück 5 reflektierten Strahlung in eine Bildebene 12 sowie eine in der Bildebene 12 angeordnete optoelektronische Sensoreinrichtung 13.
Als Strahlenquelle 11 wird vorzugsweise ein Laser verwendet, der eine kohärente Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge liefert. Bevorzugt ist ein He-Ne-Laser, der sich durch große Kohärenzlänge und hohe Frequenzstabilität auszeichnet. Halbleiterlaser, die im sichtbaren Bereich strahlen, oder andere monochromatischen Lichtquellen können auch verwendet werden.
Das Interferometer 2 kann in dem Strahlengang des Laserstrahls des Lasers 11 mehrere strahlenleitende bzw. strahlenformende Elemente enthalten. Im vorliegenden Fall sind dem Laser 11 eine Aufweitungsoptik 14 zum Aufweiten des Laserstrahls zu einem parallelen Lichtbündel und gegebenenfalls eine Blende 15 nachgeschaltet. Das durch die Blendenöffnung der Blende 15 hindurchtretende Lichtbündel 16 ist parallel, kohärent und im Querschnitt streifen- oder blattförmig. Es kann in der Querrichtung y bis zu mehreren (vielen) Zentimetern breit sein. In der dazu senkrechten Querrichtung x ist das Lichtbündel 14 nur wenige Millimeter oder sogar weniger als ein Millimeter dick.
Kernstück des Interferometers 2 bilden eine erste und zweite Beugungsoptik 17, 18, die im Strahlengang parallel und im Abstand zueinander derart angeordnet sind, dass das zu vermessende Werkstück sich dazwischen befindet. Die erste Beugungsoptik 17 ist im Anschluss an die Blende 15 parallel zu dieser angeordnet. Sie ist dazu eingerichtet, das Lichtbündel 14 unter anderem in ein an dem Werkstück vorbeigeführtes Referenzstrahlbündel 19 nullter Beugungsordnung und ein auf der planen Außenfläche 4 des Werkstücks 5 auftreffendes und dort reflektiertes Messstrahlbündel 20 erster Beugungsordnung zu beugen (vgl. auch 2). Beide Strahlenbündel 19, 20 werden von der zweiten Beugungsoptik 18 wieder vereinigt und über eine Blende 22 sowie eine Abbildungsoptik 23 auf die Sensoreinrichtung 13 abgebildet.
Die erste Beugungsoptik 17 kann, wie in 1 und 2 angedeutet, ein einfaches Strichgitter oder Streifenmuster sein, dessen lichtbeugende Gitterlinien oder Streifen 24 vorzugsweise in gleichen Abständen und parallel zueinander angeordnet und in etwa in der in 1 horizontalen Richtung x orientiert sind. Ein solches Streifenmuster (Gitter) stellt eine holographische Abbildung eines idealen planen Flächenabschnitts dar.
In 3 ist eine weitere mögliche Ausführungsform der ersten Beugungsoptik 17 veranschaulicht. Diese ist durch ein binäroptisches Beugungsgitter gebildet, das aus einem Substrat, bspw. Glas besteht, auf das mittels eines Ätzverfahrens eine Reliefstruktur 25 ausgebildet worden ist. Die Reliefstruktur 25 ist surch einander abwechselnde Stege 25 und Lücken 26 gebildet. Die auf diese Weise auch mikrofein herstellbaren Beugungsgitter weisen hohe Präzision in Bezug auf die Teilungsperiode und Steghöhe aus und ermöglichen somit eine genaue Beugung des hindurchtretenden Lichtstrahls selbst geringer Wellenlänge.
Die zweite Beugungsoptik 18 dient zum einen dazu, beide Strahlbündel 19, 20 zur Interferenz zu bringen und zum anderen auch als Einrichtung zur Phasenverschiebung, um eine definierte Änderung der Phasenlage des Interferenzbildes zu bewirken. Sie erfüllt also gleichzeitig zwei Funktionen.
Ein Ausschnitt der in 1 gezeigten vorteilhaften Ausführungsform der zweiten Beugungsoptik 18 ist in 4 in einer vergrößerten Perspektive dargestellt. Wie ersichtlich, ist sie durch ein treppenartig gestuftes Beugungsgitter gebildet, das aus mehrereren, im vorliegenden Fall aus drei jeweils als Phasengitter ausgebildeten Stufen 28a, 28b, 28c besteht. Jedes Phasengitter 28a, 28b, 28c entspricht im Wesentlichen in Form dem in 3 gezeigten Beugungsgitter 17 und weist eine daran ausgebildete Reliefstruktur 29 mit quer verlaufenden Stegen 30 und Lücken 31 auf. Die Steghöhe und Teilungsperiode ist in allen drei Phasengittern 28a, 28b, 28c gleich.
Die Stufen 28a, 28b, 28c sind in zueinander parallelen Ebenen angeordnet, deren Abstand, d.h. die Stufenhöhe 32, vorzugsweise einen Bruchteil der Wellenlänge des verwendeten Lichts beträgt. Wenn die Gitter 28a, 28b, 28c in dem Strahlengang der Strahlbündel 19 und 20 parallel zu dem Beugungsgitter 17 ausgerichtet sind, ergeben sich unterschiedliche Weglängen für die durch die Gitter 28a, 28b, 28c jeweils hindurchtretenden Strahlen der Strahlbündel 19, 20 und somit unterschiedliche Phasenlagen der von den Gittern 28a, 28b, 28c jeweils erzeugten Interferenzmuster 34a, 34b, 34c. Das Beugungsgitter 18 bildet somit eine Anordnung 35 von Phasenschiebeelementen.
Die Anordnung 35 kann je nach der gewünschten Anzahl von Phasenschiebungen drei, vorzugsweise vier oder fünf oder bei Bedarf auch mehrere Phasenschiebeelemente 28i (i = 1 bis n) enthalten. Bei fünf Phasenschiebungen können Messfehler, die auf Schwankungen des Reflexionsverhaltens der Werkstückoberfläche, auf Umgebungseinflüsse oder fehlerhafte Justage zurückgehen, deutlich reduziert werden. Die Anordnung 35 kann, wie in 4 gezeigt, vorteilhafteweise einstückig gefertigt sein, oder es können auch gesonderte in Richtung z zueinander versetzte Phasengitter 28i verwendet werden, wie dies in 2 angedeutet ist. Diese können in der Querrichtung x unmittelbar nebeneinander oder im Abstand zueinander angeordnet sein. Als Phasengitter können auch beliebige aus der Technik bekannte, geeignete Gitter oder Streifenmuster dienen.
Die erfindungsgemäße Messeinrichtung dient zur Vermessung oder Prüfung von Oberflächen eines Werkstücks 5. Ihre Funktionsweise soll nun anhand der 5 erläutert werden. Diese zeigt etwas schematisiert einen Ausschnitt aus der 1 mit dem Werkstück 5 und dem aus den Beugungsoptiken 17, 18 gebildeten holographischen Interferometer 2 quasi in Draufsicht, betrachtet von einer Stelle über der Sensoreinrichtung 13.
Die insoweit beschriebene Messeinrichtung 3 arbeitet wie folgt:
Das Werkstück 5 wird auf dem Messtisch 7 platziert und vorzugsweise automatisch in Bezug auf das Interferometer 2 ausgerichtet. Nach Einschalten des Lasers 11 trifft der aufgeweitete, parallele, kohärente Laserstrahl auf das Beugungsgitter 17 und beleuchtet diese vollständig oder nahezu vollständig. Hier wird das Lichtbündel 16 in das ungebeugt hindurchtretende Referenzstrahlbündel 19 und das gebeugte Messstrahlbündel 20 vorzugsweise gleicher Amplitude aufgeteilt. Während das Referenzstrahlbündel 19 auf direktem Wege zu der zweiten Beugungsoptik 18 gelangt, wird das Messstrahlbündel 20 an der Oberfläche 4 des Werkstücks 5 reflektiert und gelangt dann zu der zweite Beugungsoptik 18. Hier werden beide Strahlenbündel 19, 20 einander überlagert, um ein Interferenzbild 34 zu erzeugen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Werkstück 5 entlang festgelegter Linien 36i (i = 1 bis n) erfasst wird. In 5 sind die streifenförmigen Messlinien 36i stark vergrößert dargestellt. Jeder der zeitgleich erfassten Messlinien 36k, 36l, 36m entspricht dann ein Interferenzmuster 34a, 34b, 34c in dem Interferenzbild 34. Diese Interferenzmuster 34a, 34b, 34c werden von der Sensoreinrichtung 13 erfasst.
Die Sensoreinrichtung 13 weist entsprechend der Anzahl von Phasenschiebeelementen 28i entsprechende Anzahl von Spalten oder Liniensensoren 13i (i = 1 bis n), vorliegendenfalls drei Liniensensoren 13a, 13b, 13c, auf. Jeder Liniensensor enthält eine gewünschte Anzahl von Zellen. Um hohe Messwertdichten entlang der Messlinie zu erhalten, können bis zu zehn Tausend Zellen oder sogar mehr vorgesehen werden. Wird die Werkstückoberfläche 4 punktweise abgetastet genügt eine Sen soreinrichtung mit einer einzigen Querzeile aus drei bis fünf Zellen.
In einer Aufnahme werden mehrere in Verschieberichtung hintereinander liegende Messlinien 36i hier besonders vorteilhaft völlig gleichzeitig vermessen. Dabei sind die von den Liniensensoren 13i jeweils erfassten Interferenzmuster 34a, 34b, 34c durch die Stellung der Phasengitter 28a, 28b, 28c jeweils gezielt um eine Phase φ_a, φ_b bzw. φ_c phasenverschoben. Bspw. wird gemäß 5 das der Messlinie 36k zugehörige Interferenzmuster 34a von dem Liniensensor 13a bei einer definierten Phaseverschiebung von bspw. φ_a = 0° erfasst. Gleichzeitig werden die um bspw. φ_b = 90° bzw. φ_c = 180° verschobenen Interferenzmuster 34b bzw. 34c, die eine Abbildung der Messlinien 36l bzw. 36m enthalten, von den Liniensensoren 13b bzw. 13c aufgenommen.
Anschließend wird das Werkstück 5 quer zu dem Interferometer 2 derart verschoben, dass die Messlinie 36l von dem Liniensensor 13a erfasst wird (Interferenzmuster 34a, Phasenverschiebung φ_a). In gleicher Aufnahme werden die Messlinie 36m von dem Liniensensor 13b (Interferenzmuster 34b, Phasenverschiebung φ_b) und die Messlinie 36n von dem Liniensensor 13c bei der Phasenverschiebung φ_c aufgenommen. Führt man die Messung entsprechend fort, kann die ganze Oberfläche linienweise abgetastet werden. Sukzessive werden für jeden Messpunkt alle phasenverschobenen Interferenzmuster aufgenommen, die es ermöglichen, bspw. den Wert und die Richtung der Abweichung der Messpunkte von ihrer Solllage zu bestimmen. Die aufgenommenen Intensitätsbilder können digitalisiert und einer in der Zeichnung nicht veranschaulichten Rechen- und Visualisierungseinheit zur Auswertung zugeführt werden.
Das skizzierte erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine präzise und schnelle Vermessung oder Prüfung der Werkstücko berfläche 4, unabhängig davon, ob die Oberfläche punktweise, linienweise oder bereichsweise abgetastet wird. Im letzteren Fall ist jedem der zeitgleich erfassten Messbereiche eine CCD-Zellenmatrix zugeordnet. Zur Durchführung der Phasenschiebemethode brauchen die Beugungsgitter 17, 18 nicht aufeinander zu verschoben zu werden. Die Phasenschiebung wird mittels der Anordnung 35 sogleich mit der Relativverstellung zwischen dem Werkstück 5 und dem Interferometer 2 durchgeführt. Dabei kann auch das Interferometer 2 relativ zu dem in Ruhe befindlichen Werkstück 5 verfahren werden. Erfolgt die Relativverstellung schrittweise, können zwischen den im Wesentlichen gleichzeitig erfassten Messpunkten oder -linien endlich viele Positionierschritte liegen, so dass auch in der Verschieberichtung x hohe Messwertdichten möglich sind. Wenn die Verstellung kontinuierlich erfolgt, ist die Schrittweite allein durch die periodischen Aufnahmezeitpunkte festgelegt. Der Einfluss von Erschütterungen kann durch kurze Aufnahmezeiten minimiert werden.
Nur ergänzend wird darauf hingewiesen, dass beide Beugungsoptiken 17, 18 auch miteinander vertauscht werden können. Die Anordnung 35 von Phasenschiebelementen dient dann zum Aufspalten des Lichtbündels 16. Wichtig ist nur, dass die Interferenzmuster 34i jeweils unterschiedliche definierte Phasenverschiebungen erfahren. Insofern könnte zur Phasenschiebung auch eine Anordnung 35 gewählt werden, bei der die Phasengitter 28i zwar in einer gemeinsamen Ebene liegen, jedoch gegeneinander um einen Bruchteil der Teilungsperiode verschoben sind. Die Verwendung weiterer konventioneller Fhasenschiebeelemente, bspw. rotierender planparalleler Glasplatten, ist ebenfalls denkbar.
In 6 ist eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung der Anordnung 35 gezeigt. Diese ist durch ein einfaches Beugungsgitter gebildet, das gegenüber einer zum Beugungsgitter 17 parallelen Ebene, also gegenüber einer zu der durch den Strah lengang festgelegten Ebene senkrechten Ebene, um einen Winkel α verkippt ist, der ungleich Null ist. Damit wird im Wesentlichen der gleiche Effekt erzielt wie mit einem gestuften Beugungsgitter oder mit mehreren gegeneinander versetzten Gittern. Es ergeben sich stets unterschiedliche Weglängen der den zeitgleich erfassten Messlinien zugeordneten Messstrahlen.
Die in 6 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung 3 ist zur Vermessung eines zylindrischen Werkstücke 5 geeignet. Hierzu ist der Zylinder 5 in einer in 6 nicht näher veranschaulichten Aufnahme der Messeinrichtung 3 gelagert. Als Verstelleinrichtung dient eine hier nicht näher dargestellte, lediglich durch die Drehrichtung 37 gekennzeichnete Drehpositioniereinrichtung, die den Zylinder um seine Längs- oder Symmetrieachse 38 in Umfangsrichtung schrittweise oder kontinuierlich dreht. Dadurch können die Messlinien, hier bspw. zu der Symmetrieachse 37 parallele Mantellinien, sequentiell auf der Zylinderoberfläche 4 verlagert werden. Entsprechend lässt sich auch eine Kegel- oder Konusfläche oder die Innenfläche eines Hohlzylinders ganzheitlich vermessen.
Abgewandelte Ausführungsformen der Messeinrichtung 3 sind in den 7 und 8 dargestellt. Soweit Übereinstimmungen mit der vorstehend beschriebenen Messeinrichtung in Bau und/oder Funktion bestehen, wird unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
Die in 7 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von den vorstehen erläuterten im Wesentlichen durch die Ausbildung des Interferometers 2, der vorliegend nach Art eines Michelson-Interferometers ausgebildet ist. Das Interferometer 2 weist also einen Strahlteiler 41 auf, der das vom Laser kommende, aufgeweitete Lichtbündel 16 in ein Referenzbündel 19 und ein Messbündel 20 aufspaltet. Das Referenzstrahl bündel 19 wird von einem Spiegel 42 in sich selbst zurückreflektiert und kehrt zum Strahlteiler 41 zurück. Das Messstrahlbündel wird zu einer Sonde 43 geleitet, die an der zu vermessenden Werkstückoberfläche 4 geführt wird. Die aus einem durchsichtigen Material bestehende Sonde 43 ist sehr dünn und somit auch zur Vermessung einer Bohrung 44 eines Werkstücks 5 geeignet.
Die Sonde 43 weist an ihrer dem Strahlteiler 41 zugewandten Seite ein Lichteintrittsfenster 45 auf, das von dem blattförmigen Messstrahl 20 getroffen wird. Im Strahlengang hinter dem Lichteintrittsfenster 45 ist eine Beugungsoptik 46 angeordnet, die ein gebeugtes Lichtbündel erster Ordnung erzeugt. Der von der Beugungsoptik 46 nicht gebeugte Lichtanteil wird von einer Absorbtionsstruktur 47 an der dem Eintrittsfenster 45 gegenüberliegenden Seite der Sonde 43 absorbiert. Das gebeugte Lichtbündel trifft auf eine weitere, an einer Längskante der Sonde 43 angeordnete Beugungsstruktur 48, die es rechtwinklig zu der Wandung der Bohrung 44 austreten lässt. Das Lichtbündel wird in sich zurückreflektiert, durchläuft die Beugungsanordnungen 48, 46 und kehrt ebenfalls zu dem Strahlteiler zurück. Dieser überlagert beide Messstrahlbündel 19, 20 und erzeugt in der Bildebene 12 der CCD-Kamera 13 ein Interferenzbild.
Bei herkömmlichen Messeinrichtungen diesen Typs ist der Spiegel 42 zur Phasenverschiebung in Richtung auf den Strahlteiler zu beweglich gelagert. Die erfindungsgemäße Phasenschiebemethode ermöglicht es, den Spiegel fest anzuordnen. Der Spiegel 42 ist hier durch mehrere reflektierende Elemente 50a bis 50i gebildet, die in Richtung auf den Strahlteiler 41 zu parallel und in gleichen Abständen zueinander angeordnet sind. Sie sind in Bezug auf die Zeichenebene in 7 in unterschiedlichen Ebenen angeordnet, wie dies auch die im Wesentlichen zeitgleich erfassten Messlinien sind. Zugehörige Refe renzstrahlen werden also an unterschiedlichen Stellen zurückreflektiert, so dass sich unterschiedliche Phasenlagen zwischen den Referenzstrahlen und den zugehörigen Messstrahlen ergeben. Die reflektierenden Elemente 50a bis 50i bilden also die Anordnung 35. Durch Drehen des Werkstücks oder der Sonde 43 kann bei gleichzeitiger Phasenschiebung die gesamte Wandung der Bohrung überstrichen werden.
Es ist auch möglich, den Referenzspiegel plan auszubilden und die Anordnung 35 von Phasenschiebelementen durch entsprechende trppenartig gestufte Ausgestaltung der der CCD-Kammera zugewandten Seite des Strahlteilers 41 auszubilden. Auch hier ergeben sich unterschiedliche Wege für die Referenzstrahlen, die jeweils den an den im Wesentlichen zeitgleich erfassten Messlinien reflektierten Messstrahlen überlagert werden.
Sollen sowohl der Strahlteiler 41 als auch der Referenzspiegel 42 in gewohnter Weise plan ausgebildet sein, kann die Phasenschiebung statt dessen im Messstrahlbündel 20 vorgenommen werden. Eine mögliche Ausgestaltung zeigt 8. Wie ersichtlich, ist hier auf die Beugungsstruktur 48 verzichtet worden, so dass das Licht an der Längskante der Sonde 43 in spitzem Winkel zu der Werkstückoberfläche 4 aus der Sonde austritt und in diese wieder eintritt. Außerdem ist anstelle der Absorbtionsstruktur 47 eine Spiegelanordnung 51 bestehend aus bspw. drei Spiegeln 52, 53, 54 vorgesehen, die das Messlichtbündel in sich selbst reflektiert. Jeder Spiegel 52, 53, 54 ist in Einzelelemente 52i, 53i, 54i (i = 1 bis n) unterteilt, die in Bezug auf die Längskante der Sonde 43 derart geneigt angeordnet sind, dass alle Strahlen des Messlichtbündels 20, die an einer Messlinie reflektiert werden, eine gleichlange Wegstrecke zurücklegen. Die in Bezug auf die Zeichenebene in unterschiedlichen parallelen Ebenen angeordneten Spiegel 52, 53, 54 sind aber in Bezug aufeinander versetzt, so dass die Lichtstrahlen des Messlichtbündels 20, die an unterschiedli chen zeitgleich erfassten Messlinien reflektiert werden, verschieden lange Wegstrecken zurücklegen. Die Spiegelanordnung 51 ist nur ein Beispiel für eine mögliche Anordnung 35 von Phasenschiebeelementen in dem Strahlenweg des Messstrahlbündels 20.
Eine insbesondere zur Formmessung an hochgenau bearbeiteten Oberflächen 4 eines Werkstücks 5 geeignete Messeinrichtung 3 enthält ein Interferometer 3, mit dem von mehreren definierten Messbereichen 36k, 36l, 36m im Wesentlichen gleichzeitig zugehörige Interferenzmuster 34a, 34b, 34c erzeugt und diese jeweils von einem Sensor 13a, 13b, 13c erfasst werden. Durch Relativverstellung zwischen dem Werkstück 5 und der Messeinrichtung 3 können alle gewünschten Messbereiche 36i (i = 1 bis n) der Werkstückoberfläche 4 erfasst werden.
Zur Absolutmessung werden von jedem Messbereich 36i mehrere phasenverschobene Interferenzmuster aufgenommen. Dies wird dadurch erreicht, dass jedem Sensor 13a, 13b, 13c jeweils ein Phasenmodulator (Phasenschiebeelement) 28a, 28b, 28c zugeordnet ist, der die Interferenzphase des von dem Sensor erfassten Interferenzmusters 34a, 34b, 34c gezielt phasenmoduliert. Bei der Relativverstellung zwischen Werkstück 5 und Messeinrichtung 3 wird jeder Messbereich 36i von jedem Sensor mit der entsprechenden Phasenverschiebung aufgenommen.

Claims

Interferenzoptische Messeinrichtung (3) zur Vermessung oder Prüfung von Merkmalen von Oberflächen (4) eines Werkstücks (5), mit einem Interferometer (2), das dazu eingerichtet ist, von mehreren festgelegten Messbereichen (36k, 36l, 36m) der Oberfläche (4) des Werkstücks (5) im Wesentlichen gleichzeitig zugehörige Interferenzmuster (34a, 34b, 34c) zu erzeugen, mit einer in Bezug auf das Interferometer (2) ortsfesten Anordnung (35) von Phasenschiebeelementen (28i), die jeweils einem der von dem Interferometer (2) im Wesentlichen gleichzeitig erfassten Messbereiche (36k, 36l, 36m) zugeordnet sind und eine definierte, im Wert unterschiedliche Verschiebung der Phasenlage der Interferenzmuster (34a, 34b, 34c) bewirken, und mit einer Verstelleinrichtung (8; 37), mittels derer das Werkstück (5) und das Interferometer (2) in Bezug aufeinander in einer Richtung verstellbar sind, die eine Zuordnung eines Messbereiches (36k, 36l, 36m) zu unterschiedlichen Phasenschiebeelementen (28i) der Anordnung (35) erlaubt, um jeden Messbereich (36k, 36l, 36m) an dem Werkstück (5) mehrmals abzutasten.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Ermittlung von Messwerten in Richtung der Flächennormalen auf die Oberfläche (4) des Werkstücks (5) dient, wobei die Messwerte vorzugsweise die Abweichung der Werkstückoberfläche (4) von einer vorgegebenen Idealform des Werkstücks (5) kennzeichnen.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu eingerichtet ist, wenigstens drei, vorzugsweise vier oder fünf Messbereiche (36i) zeitgleich zu erfassen.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wesentlichen gleichzeitig erfassten Messbereiche (36k, 36l, 36m) räumlich zusammenliegen.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messbereiche (36k, 36l, 36m) Messlinien sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messlinien durch senkrechten Schnitt einer Ebene mit der Oberfläche (4) des Werkstücks (5) oder einen Abschnitt desselben gebildet ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinrichtung (13) zur Aufnahme der von dem Interferometer (2) erzeugten Interferenzmuster (34a, 34b, 34c) vorgesehen ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (13) bei linienweiser Abtastung der Werkstückoberfläche (4) der Anzahl der Phasenschiebeelemente (28i) entsprechende Anzahl von Liniensensoren (13a, 13b, 13c) enthält.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (2) eine Strahlenquelle (11), die ein kohärentes Lichtbündel liefert, Mittel (17; 41), die aus dem Lichtbündel ein Referenzstrahlbündel (19) sowie ein Messstrahlbündel (20) erzeugen, das an den Messbereichen der Werkstückoberfläche reflektiert wird, und Mittel (18; 41) aufweist, die das Referenzstrahlbündel (19) und das Messstrahlbündel (20) zusammenführen.
Messeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (35) aus Phasenschiebeelementen(28i) in dem Strahlengang des Referenzstrahls (19) und/oder des Messstrahls (20) angeordnet ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (35) aus Phasenschiebeelementen (28i) durch ein in Strahlrichtung gestuftes Beugungsgitter gebildet ist, das quer zur Strahlrichtung (z) entsprechend der gewünschten Anzahl von Phasenverschiebungen entsprechende Anzahl von Stufen (2Ba, 28b, 28c) aufweist.
Messeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (35) durch ein in Bezug auf die durch den Strahlengang festgelegte Ebene schräg gestelltes Beugungsgitter (18) gebildet ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (35) durch mehrere voneinander getrennte und zueinander versetzte Phasengitter gebildet ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (2) eine erste Beugungsoptik (17), vorzugsweise ein Beugungsgitter enthält, die bzw. das ein ungebeugtes Referenzstrahlbündel (19) sowie ein gebeugtes Messstrahlbündel (20) erster Ordnung durchgehen lässt, und dass die Anordnung (35) zur Überlagerung des Referenzstrahlbündels (19) mit dem Messstrahlbündel (20) verwendet wird.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (2) einen Strahlteiler (41) aufweist, der ein von einer Strahlenquelle (11) ankommendes Lichtbündel in ein Referenzstrahlbündel (19) und ein Messstrahlbündel (20) aufspaltet.
Messeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (35) von Phasenschiebeelementen durch reflektierende Elemente (50a, 50b, 50c; 52, 53, 54) gebildet ist, die im Strahlengang des Referenzstrahls (19) und oder/des Messstrahls (20) um ein Bruchteil der Wellenlänge des Lichtstrahls zueinander versetzt sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung eine Verschiebeeinrichtung (8) ist, die das Werkstück (5) relativ zu dem Interferometer (2) verschiebt oder umgekehrt.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung eine Drehpositioniereinrichtung (37) ist, die das Werkstück (5) relativ zu dem Interferometer (2) dreht oder umgekehrt.
Messeinrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Verstellung kontinuierlich erfolgt.
Messeinrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Verstellung schrittweise erfolgt.
Messeinrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung (9, 37) der Verstellung im Wesentlichen parallel zu der idealen Werkstückoberfläche ausgerichtet ist.
Verfahren zur interferenzoptischen Vermessung oder Prüfung von Oberflächen eines Werkstücks mit Phasenschiebung, bei dem mehrere festgelegte Messbereiche der Oberfläche des Werkstücks, insbesondere Messlinien, von einer Strahlenquelle im Wesentlichen gleichzeitig beleuchtet werden, mittels eines Interferometers von den beleuchteten Messbereichen zugehörige Interferenzmuster erzeugt werden, die im Wesentlichen gleichzeitig erzeugten Interferenzmuster mittels diesen Messbereichen zugeordneter und in Bezug auf den Interferometer ortsfester Phasenschiebeelemente jeweils definierte, im Wert unterschiedliche Verschiebung der Phasenlage erfahren, die Interferenzmuster zur Auswertung mittels einer Sensoreinerichtung aufgenommen werden, und das Werkstück und das Interferometer kontinuierlich oder nach jeder Aufnahme schrittweise in Bezug aufeinander derart verstellt werden, dass ein einem Phasenschiebeelement zugeordneter Messbereich einem anderen Phasenschiebeelement zugeordnet wird, um jeden Messbereich mehrmals, jeweils mit unterschiedlicher Phasenverschiebung abzutasten.