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VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung basiert auf und nimmt die Priorität der US Provisional Application No.
62/541,906 , mit Anmeldedatum 08/07/2017 in Anspruch, diese ist hierin durch die Referenz aufgenommen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Fachgebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen die Messung der Position eines Objekts im Raum, wie sie Beispielsweise im Fachgebiet von Maschinen zur optischen Messung von Koordinaten angewandt wird, und, insbesondere, einen neuen Ansatz basierend auf dem direkten Tracking des Kontaktpunktes des Messtasters.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Die Messung der Position eines Objekts im Raum ist ein Eckpfeiler der modernen Technologie und Koordinatenmessgeräte (KMG) sind eines der am häufigsten verwendeten Geräte zur Qualitätskontrolle einer Vielzahl von Objekten, von mechanischen Teilen bis hin zu optischen Oberflächen. KMGs bestehen typischerweise aus einem Sensor (dem Messtaster), der durch Kontakt die Anwesenheit der gemessenen Oberfläche erkennt, und einem Messrahmen, der die Raumkoordinaten des Kontaktpunktes liefert. Ein typisches KMG ist in 1 schematisch dargestellt, wobei ein konventioneller Messtaster 10 mit einer Ein-Punkt-Kontakt- Messtasterspitze 12 (single-point-contact sensing tip) zur Messung eines Objektes O verwendet wird. Ein Messrahmen 14 wird verwendet, um die Position der Messtasterspitze 12 zu tracken, während sie bewegt wird, um die Oberfläche des Objekts O zu messen. Im Betrieb liest die Maschine die Eingabe vom Messtaster ab, während sie das Teil an verschiedenen Punkten verfolgt, und die X,Y,Z Koordinaten dieser Punkte werden verwendet, um Größe und Form des gemessenen Objekts mit Mikrometergenauigkeit zu bestimmen.
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Es existieren viele verschiedene Messtasterdesigns, die auf optischen, mechanischen, elektrischen und anderen Prinzipien basieren und deren Empfindlichkeits- und Genauigkeitseigenschaften variieren, aber das zugrunde liegende Messprinzip ist immer dasselbe: Die Position des Kontaktpunktes mit dem Objekt wird im Raum mit mindestens drei unabhängigen Positionsachsen gemessen. Das gebräuchlichste Design verwendet das kartesische Koordinatensystem mit X-, Y-, Z-Achsen, die mit Abstandsmessgeräten ausgestattet sind. Eines der allgemein verwendeten Geräte für hoch-Präzision Messungen ist das Distanzmess-Interferometer (distance measuring interferometer DMI), das die Interferenz von Laserlicht nutzt, um Verschiebungen entlang gerader Linien präzise zu messen.
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Viele berührungslose Messtaster basieren auf der Optik. Sie bieten in der Regel eine gute Empfindlichkeit, sind aber durch die Menge des von der geprüften Oberfläche reflektierten Lichts begrenzt, so dass eine korrekte Positionierung relativ zur Oberfläche erforderlich ist, um optimale Erfassungsbedingungen zu erreichen. In der Praxis bedeutet dies, dass ein begrenzter Bereich von Oberflächenneigungen zuverlässig erfasst werden kann, was eine wiederholte Neuausrichtung des Messtasters erfordert, um ihn im Wesentlichen senkrecht zur geprüften Oberfläche zu positionieren, eine Aufgabe, die die Messsysteme weniger genau und komplexer macht. Darüber hinaus erfordert die Möglichkeit, den Messtaster durch Rotation umzuorientieren, die Kalibrierung weiterer kritischer Parameter im Betrieb eines Koordinatenmessgerätes mit den damit verbundenen Unsicherheiten und möglichen Fehlern. Daher sind taktile Messtaster einfacher zu bedienen und werden im Allgemeinen bevorzugt.
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KMGs, die mit taktilen Messtastern und einem DMI ausgestattet sind, sind Beispiele für hochgenaue Messtechnik-Rahmenimplementierungen, aber auch DMIs unterliegen dem sogenannten Abbe-Winkelfehler (auch Sinusfehler genannt); d.h. dem Fehler von Positionsmessungen, der sich daraus ergibt, dass der tatsächliche Kontaktpunkt um eine gewisse Entfernung von dem Punkt entfernt ist, an dem die linearen Koordinaten gemessen werden. In einer idealen Messmaschine steht der Messtaster 10 immer senkrecht zur Bewegungsebene der Antriebsachsen. Wie jedoch in 2 in Bezug auf eine einzige lineare Richtung vergrößert dargestellt ist, neigt die Messtaster 10 in realen Systemen aufgrund mechanischer Ungenauigkeiten in den Stufen beim Bewegen zwischen aufeinanderfolgenden Positionen, wie in der durch Pfeil 16 dargestellten Richtung, zur Verkippung gegenüber der Messtasterspitze 12. Infolgedessen unterscheidet sich die an der Basis der Messtaster 10 entlang der Bewegungslinie des Translationsmechanismus gemessene Distanz D' (d.h. die vom DMI gemeldete Distanz) von der tatsächlichen Verschiebung D der Messtasterspitze 12. Dies ist ein rein geometrischer Verzerrungsfehler, der in realen KMG-Messtasterkonstruktionen schwer zu vermeiden ist. Verschiedene Schemata sind in den Stand der Technik implementiert worden, um den Einfluss dieses Fehlers zu reduzieren, aber sie komplizieren immer das Design und erhöhen die Kosten des KMG und erreichen ihr Ziel nicht vollständig.
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Eine ideale Lösung wäre es, die Position der eigentlichen Messtasterspitze 12 zu messen, anstatt die Position des Anschlusspunktes der Messtaster 10 an dem Translationsmechanismus entlang der Translationsachse zu tracken. Dies ist jedoch nur schwer mit hoher Genauigkeit möglich, da DMI-Geräte nur entlang einer einzigen Sichtlinie arbeiten. Ideal wäre auch das direkte Tracking der Spitze, da sie die Messung von Kontaktpunktpositionen im dreidimensionalen Raum an jeder beliebigen Stelle der Oberfläche des Messobjekts ermöglicht, was bei derzeitigen Messtastern nicht möglich ist, bei denen die Ausrichtung des Messtasters mit dem Translationsmechanismus nicht verändert werden kann, wobei die Integrität der DMI-Messung erhalten bleibt. Diese Veröffentlichung beschreibt eine Methode zum Tracking der Position einer reflektierenden Oberfläche im 3D-Raum, die am oder in der Nähe des Kontaktpunktes platziert ist, unter Verwendung interferometrischer Prinzipien, die sowohl eine hohe Genauigkeit bieten als auch den Einfluss des Abbe-Fehlers auf den Messprozess beseitigen oder stark reduzieren.
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US 2015/085297 A1 beschreibt ein Positionserfassungssystem, zur Erfassung der dreidimensionalen Position eines Zieles. Jedes Ziel ist so konfiguriert, dass es als Retroreflektor für Lichteinfall aus einer beliebigen Richtung dient. Lichtemitter beleuchten das Ziel und Detektoren erfassen und messen das von Ziel rückreflektiertes Licht. Das Positionserfassungssystem hat einen Prozessor, der die Detektoren-Messungen verarbeiten, um die dreidimensionale Position des Zieles zu bestimmen.
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DE 103 39 194 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung systematischer geometrischer Abweichungen in technischen Mehrkörpersystemen mit einem Endeffektor, einer Basis, Koordinatenmessgeräte, Werkzeugmaschinen und Robotern, unter Verwendung schwenkbaren Längenmesssysteme. Der Endeffektor fährt Messpunkte an und misst an jedem Messpunkt den Abstand zwischen den zur Basis ortsfesten Basisreferenzpunkten und zum Endeffektor ortsfesten Endeffektor-Referenzpunkten. Der Endeffektor wird in einem zu den Bewegungsachsen des technischen Mehrkörpersystems ausgerichteten Raster bewegt, wobei Messpunkte nacheinander angefahren werden, die nicht alle in einer Ebene liegen. Das Verfahren ermittelt anhand des kinematischen Modells des technischen Mehrkörpersystems und des Unterschieds zwischen dem gemessenen Abstand und der Sollposition des Endeffektorreferenzpunktes an jedem Messpunkt, Fehlerparameter jeder Bewegungsachse an ihren Messpunkten.
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DE 10 2010 019 656 A1 beschreibt ein Messgerät zur Überprüfung positionierender Maschinen auf geometrische Fehler zwischen zwei Drehgelenken mit Lagerkugelkörpern. Die Lagerkugelkörper sind über ein teleskopierbares Verbindungselement mechanisch miteinander verbunden. Das Messgerät hat eine Einrichtung zur optischen Längenmessung des Abstandes der Lagerkugelkörper voneinander mit einer Reflektoreinrichtung und einem Messstrahl. Die Reflektoreinrichtung ist im Lagerkugelkörper so angeordnet, dass der Bezugspunkt für die optische Längenmessung mit dem Drehpunkt des Drehgelenkes übereinstimmt.
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DE 199 47 374 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung von geometrischen Abweichungen in den Führungen von Koordinatenmessgeräten oder Werkzeugmaschinen durch Einsatz von schwenkbaren Längenmesssystemen. Gegen ein Referenzelement, das am Koordinatenmessgerät oder an der Werkzeugmaschine befestigt ist und in ausgewählten Ebenen in eine Anzahl von vorgegebenen Soll-Positionen gefahren wird, werden von unterschiedlichen Punkten die Abstände optisch gemessen. Aus den gemessenen Längen wird durch Trilateration ein vorwiegend zweidimensionales geometrisches Netz von gemessenen Ist-Positionen des Referenzelementes berechnet. Aus dem Vergleich der Ist-Positionen mit den Soll-Positionen lassen sich dann Geometrieabweichungen von Koordinatenmessgeräten oder Werkzeugmaschinen bestimmen.
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CN 104374317 A beschreibt ein Verfahren zur Fehlerkalibrierung von Werkzeugmaschinen, das auf der Mehrpunktmesstechnik eines Lasertrackers basiert. Es werden zunächst zu vermessende Punkte an einer Werkzeugmaschine angeordnet und nummeriert. Während der Messung wird jeweils ein Master-Kugel-Zielspiegel an alle zu vermessenden Punkte bewegt. Der Lasertracker wird zur Messung außerhalb des Bereichs der zu messenden Punkte verwendet und wird nacheinander bewegt, um dreidimensionale Koordinatenwerte zu erhalten. Der anfängliche Koordinatenwert jeder Station und der anfängliche Entfernungswert an der entsprechenden Station werden nach dem Prinzip der kleinsten Quadrate erhalten. Aus den Anfangskoordinatenwerten aller Stationen, den Messwerten der zu vermessenden Punkte und den Distanzwerten zwischen den Stationen und dem zu vermessenden Anfangspunkt können durch eine lineare Expansion Korrekturwerte der zu vermessenden Punkte berechnet werden.
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CN 201900513 U beschreibt ein Messsystem für ein Zahnrad. Das Messsystem hat ein Mehrwege-Laserinterferenzverfolgungssystem, wobei das Mehrwege-Laserinterferenzverfolgungssystem mindestens drei Laserinterferenzverfolgungsinstrumente, einen tragbaren beweglichen optischen Rückreflektor und einen festen optischen Rückreflektor umfasst. Der tragbare bewegliche optische Rückreflektor ist mit den Laserinterferenz-Tracking-Instrumenten abgestimmt und wird zum Ausführen einer Raumpositionierung auf dem zu messenden Zahnrad verwendet. Der feste optische Rückreflektor dient zur Durchführung der Raumpositionierung an Frontend-Messgeräten. Der tragbare bewegliche optische Rückreflektor umfasst einen reflektierenden Spiegel und einen mit dem reflektierenden Spiegel verbundenen Positionierungsmechanismus. Der Positionierungsmechanismus dient dazu, den beweglichen Rückreflektor auf einer Bezugsebene des zu messenden Zahnrads entlang einer bestimmten Richtung zu bewegen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung beruht auf der Idee, Interferenzstreifen (interference fringes) im Bullseye-Muster zu erzeugen, indem ein ebener Referenzstrahl (flat reference beam) mit einem von einer gekrümmten Prüffläche reflektierten Strahl mit kugelförmiger Wellenfront (spherical beam)interferiert wird. Ein solches Bullseye-Muster läuft auf interferometrische Streifen hinaus, von denen aus die genaue Lage der Prüffläche (ihre Koordinaten in Bezug auf ein Referenzsystem) durch konventionelle interferometrische Analyse ermittelt werden kann. Dementsprechend umfasst das erfindungsgemäße interferometrische System zur Messung der Lage eines Objekts im Raum im allgemeinsten Sinne ein interferometrisches Messmodul, das so konfiguriert ist, dass es eine Testwellenfront in Form eines divergierenden Lichtkegels ausstrahlt, der auf eine gekrümmte, reflektierende Testfläche gerichtet ist, die an ein Messtaster befestigt ist, der in Punktkontakt mit dem Objekt steht. Das durch Interferenz des zurückkehrenden Teststrahls mit dem Referenzstrahl erzeugte Bullseye-Interferogramm wird an einem Detektor registriert und konventionell analysiert, um eine Positionsmessung der reflektierenden Testfläche zu erzeugen.
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Ein Strahlkorrekturmodul wird zur Ausrichtung des Bullseye-Interferogramms auf die Beleuchtungsachse des Messmoduls verwendet, um die Analyse der Streifen zu erleichtern. Ein beispielhaftes Korrekturmodell enthält einen Sensor mit mehreren Detektorelementen, die Signale des Bullseye-Interferogramms empfangen, und einen Prozessor, der so programmiert ist, dass er das Strahlkorrekturmodul antreibt, um die axiale Position des Bullseye-Interferogramms so zu verändern, dass die Detektorelemente ein perfektes Bullseye-Muster erkennen, wenn das Interferogramm auf der Beleuchtungsachse zentriert ist. Die mehrfachen Detektorelemente sind vorzugsweise als vier Satelliten-Detektoren konfiguriert, die symmetrisch um einen zentralen Detektor angeordnet sind. Die reflektierende Oberfläche ist vorzugsweise kugelförmig und sehr nahe am Kontaktpunkt mit dem Prüfobjekt an dem Messtaster angebracht oder besonders bevorzugt bildet diese die Spitze des Messtasters.
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In einer Ausführungsform eines Koordinatenmessgerätes umfasst die Erfindung mindestens drei interferometrische Messmodule, die so konfiguriert sind, dass sie jeweils Testwellenfronten in Form von divergierenden Lichtkegeln aussenden, die auf die gekrümmte reflektierende Oberfläche gerichtet sind, die an dem Messtaster des KMG befestigt ist. Dementsprechend werden entsprechende Bullseye-Interferogramme erzeugt und von entsprechenden Detektoren abgetastet, und eine dreidimensionale Positionsmessung der reflektierenden Oberfläche und dem angeschlossenen Messtaster kann aus der Analyse der von den mehreren Detektoren registrierten Bullseye-Interferogramme gewonnen werden. Durch die durch das KMG zur Verfügung gestellte dreidimensionale Bewegung des Messtasters in Punktkontakt mit dem Messobjekt kann das Objekt mit hoher Präzision und stark reduziertem Abbe-Fehler gescannt und gemessen werden.
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Verschiedene andere Vorteile werden aus der Beschreibung der Erfindung in der nachfolgenden Spezifikation und aus den in den beigefügten Ansprüchen besonders hervorgehobenen neuartigen Merkmalen verdeutlicht. Daher umfasst diese Erfindung die im Folgenden in den Zeichnungen dargestellten und in der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ausführlich beschriebenen und in den Ansprüchen besonders hervorgehobenen Merkmale, aber diese Zeichnungen und die Beschreibung offenbaren nur einige der verschiedenen Möglichkeiten der Ausführung der Erfindung.
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Figurenliste
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- 1 ist eine grundlegende schematische Darstellung der Hauptkomponenten einer konventionellen Koordinatenmessmaschine.
- 2 ist eine schematische Darstellung des Abbe-Fehlers in konventionellen KMGs.
- 3 ist eine schematische Darstellung eines typischen DMI-Aufbaus.
- 4 ist eine schematische Darstellung eines interferometrischen Aufbaus zur erfindungsgemäßen Verfolgung von Objekten im Raum.
- 5 zeigt ein Beispiel für ein „Bullseye“-Interferenzmuster zwischen einer ebenen Wellenfront und einer kugelförmigen Wellenfront.
- 6 veranschaulicht die Geometrie der Interferenzlage in kartesischen und Kugelkoordinaten.
- 7 ist ein Schema eines „Bullseye“-Kompensationssystems.
- 8 zeigt ein Detektorschema, das geeignet ist, das Bullseye der Erfindung auf der optischen Achse des Beleuchtungssystems zu zentrieren.
- 9 zeigt ein erfindungsgemäßes KMG mit drei Sensoren.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Hoch-Präzesions Trackingmethoden verwenden typischerweise Lichtinterferenzen aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit und weil die Messunsicherheit in direktem Zusammenhang mit der verwendeten Wellenlänge steht, die mit hoher Genauigkeit erzeugt werden kann. Ein typisches DMI besteht aus zwei reflektierenden Oberflächen, von denen eine auf einem Messtisch am getrackten Objekt befestigt ist (der Objektstrahl), die andere stationär (der Referenzstrahl), um eine Referenz zu bilden, gegen die die Entfernung gemessen wird. Die gebräuchlichste Anordnung verwendet eine Twyman-Green-Konfiguration, dargestellt in 3, in einer Anordnung, bei der an den Umkehrpunkten der Strahlen angebrachte Retro-Reflektoren ein hochwertiges Interferenzsignal liefern. Ein DMI-Messmodul 20 sendet einen kollimierten Laserstrahl B aus, der durch einen Strahlteiler 22 in einen Referenzstrahl BR und einen Objektstrahl BO geteilt wird. Der Referenzstrahl wird von einem stationären Retroreflektor 24 zum Gerät zurück reflektiert. Der Objektstrahl wird auf ähnliche Weise von einem Retroreflektor 26 reflektiert, der an dem beweglichen Messtisch 28 befestigt ist, der das Messobjekt enthält. Die reflektierten Strahlen BRR und BOR werden dann durch den Strahlteiler 22 rekombiniert und der resultierende Interferenzstrahl IB wird von einem Detektor (nicht abgebildet) detektiert und im Messmodul 20 verarbeitet, um das Interferenzmuster auf konventionelle Weise in Abstandsmessungen umzuwandeln.
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Zwei Methoden, homodyne- und heterodyne-Detektion, werden normalerweise verwendet, um die Position des Kontaktpunktes auf dem Objekt im Raum zu erkennen. Die homodyne-Detektion misst das Interferenzsignal direkt bei der Modulation seiner Intensität. Bei der heterodyne-Detektion wird eine optische Frequenzverschiebung zwischen dem BO- und BR-Strahl eingeführt, so dass eine kontinuierliche, qualitativ hochwertige Phasendetektion mit Hilfe von heterodyne-Verfahren möglich ist. Der Nachteil beider Aufbauten ist, dass die Entfernung nur entlang einer einzigen Sichtlinie gemessen werden kann, was die Einführung eines Abbe-Fehlers als Folge des räumlichen Abstands zwischen der Sichtlinie der Messtasterverschiebung und der Bewegungslinie des Kontaktpunktes des Messtasters erlaubt. Im Gegensatz zu einem typischen DMI ist die vorliegende Erfindung eine interferometrische Methode und eine damit verbundene Vorrichtung, die es ermöglicht, das gemessene Objekt zu tracken, indem eine Stelle am oder sehr nahe am Kontaktpunkt der Messtasterspitze mit dem Objekt getrackt wird (anstatt den Messtaster zu tracken), und zwar nicht entlang einer einzigen Sichtlinie, sondern innerhalb eines vom Messgerät erzeugten Lichtkegels, wodurch 3D-Messungen mit einer signifikanten Reduzierung des Abbe-Fehlers und der damit verbundenen Fehler erzeugt werden.
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Die Grundkonfiguration der Erfindung ist in 4 dargestellt. Ein interferometrisches Messmodul 30 sendet einen Lichtstrahl B aus, der durch einen Strahlteiler 32 in einen Referenzstrahl BR und einen Objektstrahl BO geteilt wird. Der Referenzstrahl BR wird von einem Referenzspiegel 34 (oder einem Retroreflektor) zurück zum Strahlteiler und dem Messmodul 30 (Strahl BRR) reflektiert. Der Objektstrahl BO wird durch ein optisches System 36 zu einem divergierenden Lichtkegel DW geformt, was einen virtuelle Quellpunkt 38 erzeugt. Ein reflektierendes Objekt 40, wie z.B. eine Kugel aus reflektierendem Material wie Siliziumkarbid, wird in den beleuchteten Raum gelegt, so dass ein Teil DWN des Lichtes DW, der orthogonal zum Objekt 40 ist, als Strahl DWR zurückreflektiert wird, der vom optischen System erfasst wird. Der zum Modul 30 zurückkehrende Strahl wird als Strahl DRR dargestellt, der sich in der Regel nicht auf der optischen Achse Z des Beleuchtungssystems im Modul befindet. Der Lichtstrahl DRR wird dann mit dem Referenzstrahl BRR zur Interferenz gebracht und erzeugt einen Strahl IB mit einem Interferenzmuster, das im Wesentlichen dem in 5 dargestellten entspricht. Ein solches Interferenzmuster zwischen einer ebenen Welle (flat wave BRR) und einer Kugelwelle (spherical wave DRR) wird typischerweise als „Bullseye“-Muster bezeichnet.
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Es ist bekannt, dass Änderungen in den Bullseye-Mustern, die aus der Änderung der optischen Wegdifferenz (OPD) zwischen BRR und DRR resultieren (z.B. erzeugt durch die Bewegung der reflektierenden Oberfläche 34 oder 40), auf konventionelle Weise analysiert werden können, um eine entsprechende Positionsänderung zu messen. Daher kann dieses Interferenzmuster dazu verwendet werden, die Position des reflektierenden Objekts 40 entlang der Achse zu tracken, die die Normale der reflektierenden Oberfläche des Objekts 40 am Reflexionspunkt und den virtuellen Fokus 38 des kugelförmigen Beleuchtungsstrahls verbindet. Jede Bewegung des Objektes 40 entlang dieser Linie zeigt sich als Phasenänderung des Interferenzmusters und trägt, wie bei DMI-Systemen, die Information über die Entfernung des Objektes von der Bezugsfläche. Ein solches Interferenzmuster kann mit jeder geeigneten Methode der Interferometrie verarbeitet werden und die Streifenphase (fringe phase) kann zur Überwachung dieses Abstands verwendet werden. In einer typischen Ausführungsform der Erfindung ist der Referenzstrahl BR eine ebene Welle, die mit allen herkömmlichen Mitteln erzeugt werden kann, es kann aber auch jede andere Wellenfront sein, die sich zur Erleichterung der Erfassung und Verarbeitung eignet.
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In konventionellen DMI-Geräten ist die Phase des Interferenzmusters über die Interferenzwellenfront konstant, so dass es mit einem einzigen Detektor unter Verwendung des gesamten gesammelten Lichts analysiert werden kann. Im Gegensatz dazu wird in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung nur ein kleiner Teil des Objektstrahls erfasst und dieser interferiert mit dem Referenzstrahl nur in einem begrenzten Raum. Zur Erklärung des Detektionsprinzips der Erfindung ist es daher hilfreich, die beiden interferierenden Strahlen als ein zweidimensionales „Bild“ zu behandeln, bei dem die aus der Interferenz einer ebenen Referenzwelle (der Referenz) und der vom Interferometer gesammelten Kugelwelle (dem Objektstrahl) resultierenden Streifen nur lokal sichtbar sind. Diese Darstellung ähnelt dem, was ein abbildendes Interferometer „sehen“ würde, wenn ein kugelförmiges Objekt in sein Sichtfeld eingefügt wird, und jedes Detektionsschema muss nur diesen Bereich zur Analyse auswählen. Im optischen Sinne ist die Vorrichtung der Erfindung jedoch kein abbildendes System und erfordert nicht, dass ein Bild des Objekts auf dem Detektor erzeugt wird. Es muss lediglich ein Interferenzmuster zwischen dem Objekt und den Referenzstrahlen gebildet werden. Die folgende Beschreibung ist daher nur als Mittel zur Erklärung der räumlich begrenzten Interferenz und der Notwendigkeit der Isolierung von Interferenzbereichen für die Verarbeitung zu verstehen.
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Wie oben erwähnt, ist das Interferenzmuster, das durch den Aufbau von 4 erzeugt wird, ein Bullseye, wie in 5 dargestellt. Das Zentrum des Bullseyes entspricht der Stelle, an der der Strahl DWN orthogonal zum beleuchteten Objekt 40 auf das Objekt trifft. An diesem Punkt ist die Objektwelle DW lokal flach, was zu einem aufgehobenen (nulled) Interferenzmuster führt, aber wenn man sich weiter von diesem Punkt entfernt, sieht man im Interferogramm Streifen mit höherer Dichte. Die Verarbeitungsmethode muss also die räumliche Streifenphasenvariabilität (spatial fringe phase variability) innerhalb des Interferenzmusters berücksichtigen.
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Es ist klar, dass die Lage des Bullseye in der Detektionsebene nicht konstant ist und stattdessen die Bewegungen des Objekts im beleuchteten Raum nachverfolgt. Die Übereinstimmung zwischen der Lage des Interferenzmusters in der Detektionsebene und der Lage der Reflexion am verfolgten Objekt ist in 6 erläutert, wobei die Kugel 50 (rechts) Polarkoordinaten des Beleuchtungssystems mit dem Ursprung am virtuellen Quellpunkt 38 darstellt. In einem solchen Polarkoordinatensystem erscheint die Beleuchtungswellenfront als vom Ursprung (d.h. dem Zentrum 51 der Kugel 50, entsprechend dem virtuellen Quellpunkt 38 von 4) ausgehend, und die optische Achse Z zeigt in Richtung des Zenits am Ort 52. In dieser Anordnung ist der Strahl DWN von 4 auf der Oberfläche der Kugel 50 als Schnittpunkt mit der Position 54 dargestellt. Das angrenzende rechtwinklige Koordinatensystem 56 (links im Bild) stellt die Interferenzdetektionsebene im Messmodul 30 (d.h. die Ebene des Detektors) dar und zeigt die Lage des Bullseye-Musters, in beiden Koordinatensystemen als Punkt 54 markiert, entsprechend der Lage des Normalstrahls DWN. Die Winkelablenkung 58 des Punkts 54 in den Kugelkoordinaten (d. h. seiner Breite) entspricht einem Ring 60 mit bestimmten Radius 62 in der Interferenzebene innerhalb des rechtwinkligen Koordinatensystems 56. Ebenso entspricht der Winkelablenkung 64 des Punkts 54 im Kugelkoordinatensystem (squerical coordinate system) (d. h. seine Länge) der Linie 66 in der Detektionsebene. Der Schnittpunkt dieser beiden Linien (60 und 66) ergibt die Koordinaten des Interferenzmusters 54 in der Detektionsebene. Eine andere Herangehensweise ist die gnomonische Projektion. Das heißt, eine eindeutige Übereinstimmung zwischen Kartesischenkoordinaten und Kugelkoordinaten, die eine Rückrechnung der Blickrichtung aus den mit einem Flächendetektor gesammelten Informationen ermöglichen.
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Diese Beziehung ist bijektiv (unique), so dass es möglich ist, die Kugelkoordinaten des DWN-Strahls aufgrund der Lage des Interferenzmusters zu berechnen, was somit Informationen über die Lage des getrackten Objekts liefert und im Messprozess verwendet werden kann. Während sich das Objekt im beleuchteten Volumen bewegt, folgt die Lage des Bullseyes in der Interferenzdetektionsebene und kann gemessen werden, um Informationen über die genaue Position der reflektierenden Oberfläche 40 zu erhalten.
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Die Phase des Interferogramms im Zentrum des Bullseye gibt einen direkten Hinweis auf die Entfernung des Objekts vom Interferometer und kann wie bei herkömmlichen DMIs zur Verfolgung der Objektposition verwendet werden. Allerdings wird der gleiche Ansatz der DMI-Analyse (d.h. die gleichzeitige Nutzung des gesamten gesammelten Lichts zur Detektion der Interferenz von Referenz- und Objektstrahl) aufgrund der geringen Größe des Strahles DWN keine verwertbaren Signale liefern, so dass die Detektion der Phase lokal erfolgen muss. Zu diesem Zweck wird ein Photodetektor an der Stelle, an der das Bullseye-Zentrum im Beleuchtungsmodul 30 erzeugt wird, eingesetzt und die seitlichen Abmessungen dieses Detektors werden so gewählt, dass sie eine gute Signalamplitude liefern (typischerweise sollten sie kleiner als das 0,5-fache des Durchmessers des Kreises sein, der der Phase von 1 Randperiode entspricht). Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist die Amplitude des nutzbaren Signals wegen der periodischen Natur der Interferenzstreifen umso geringer, je größer der Detektor im Verhältnis zur Größe des Bullseye ist.
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Wie bereits beschrieben, ändert sich die Lage des Interferenzmusters in der Detektionsebene, wenn das Objekt im Beleuchtungsfeld bewegt wird. Daher muss ein geeigneter Mechanismus vorgesehen werden, der entweder dem Bullseye-Muster im Sichtfeld als Reaktion auf die Bewegung des Objekts folgt oder das Interferenzmuster so verschiebt, dass es den Detektor immer zentral beleuchtet. Jede dieser Herangehensweisen ist akzeptabel. Als bevorzugte Methode wird im Folgenden ein System zur Verschiebung des Bullseyes beschrieben, um sicherzustellen, dass sich sein Zentrum immer auf der Achse befindet, aber für alle Ansätze gelten die gleichen Prinzipien.
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Ein Beispiel für ein System zur Korrektur der seitlichen, außeraxialen Bullseye-Position in der Detektorebene ist in 7 dargestellt. Ein lichtverschiebendes optisches Modul 70 wird in den Weg des Interferenzstrahls 72 (interfering beam) (entsprechend z. B. den kombinierten Strahlen DRR und BRR in 4) eingefügt, um die seitliche Verschiebung des Interferenzmusters so zu ermöglichen, dass die Bullseye-Position in der Mitte 74 des Detektionsfeldes entlang der optischen Achse Z des Beleuchtungssystems in der Detektionsebene 76 auch dann beibehalten werden kann, wenn das Messobjekt innerhalb des Beleuchtungsfeldes bewegt wird. In der oberen Abbildung ist der Interferenzstrahl 72 so dargestellt, dass er sich im Zentrum des Detektionsfeldes 74 befindet. Der Strahl durchläuft die Korrekturoptik 70 ohne Umlenkung und tritt auf der Achse als Strahl 78 aus. Das Interferenzmuster ist somit auf das Zentrum 74 der Detektionsebene 76 zentriert. Im unteren Schema ist der Interferenzstrahl 72 als achsenversetzter Strahl dargestellt, der ohne Korrektur dazu führen würde, dass das Bullseye vom Zentrum 74 entfernt liegt. Mit einem passenden Korrektursignal 80 wird jedoch ein korrigierter Strahl 82 auf das Zentrum 74 der Detektionsebene gerichtet und die Lage des Interferenzmusters wird somit auf dem Detektor zentriert.
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Ein solches Strahlkorrekturmodul 70 kann jedes optische System sein, das in der Lage ist, die übertragene Wellenfront seitlich zu verschieben oder zu kippen. Um die gewünschte Korrektur zu erzeugen, muss ein kontrolliertes Ansteuersignal auf konventionelle Weise zugeführt werden. Eine mögliche Ausführungsform eines Systems, das in einer Rückkopplungsschleife auf der Grundlage der von einem speziellen Sensor gemessenen Interferogrammsignale das entsprechende Ansteuersignal erzeugen kann, ist in 8 dargestellt. Ein solcher Sensor 88 enthält einen zentralen Detektor 90, der zur Verfolgung der Phase des Bullseye-Musters verwendet wird, und einen Satz von vier Satellitendetektoren (92,94,96,98), die zur Erkennung der Position des Musters relativ zum Zentrum des Detektors verwendet werden. Basierend auf der symmetrischen Natur von Bullseye-Interferogrammen können die Satellitendetektoren verwendet werden, um das Korrektursignal zu liefern, das erforderlich ist, um die Position des Bullseye-Musters zentriert auf dem zentralen Detektor 90 zu halten, indem der Strahl einfach so verschoben wird, dass die Satellitendetektoren die gleichen Signale messen. Wie in der Abbildung dargestellt, werden diese vorzugsweise paarweise verwendet, wobei jedes Paar Detektoren enthält, die auf gegenüberliegenden Seiten des Zentrums äquidistant sind (d.h. die Detektoren 92 und 96 bilden ein Paar und die Detektoren 94 und 98 bilden das zweite Paar), wobei jeder Detektor symmetrisch in Bezug auf das Zentrum positioniert und so eingestellt ist, dass er entweder die Phase oder die Intensität der Streifen erfasst. Die Differenz der von jedem Detektor eines Paares gelesenen Signale ist ein Maß für die Asymmetrie des Interferenzmusters und kann zur Erzeugung eines Korrektursignals zur Aufrechterhaltung der Position des Bullseyes mit Hilfe eines Strahlkorrekturmoduls 70, wie in 7 dargestellt, verwendet werden. Wie dem Fachmann bekannt ist, muss die Größe der Detektoren so gewählt werden, dass sie ein Signal von guter Qualität liefern, d.h. sie müssen typischerweise kleiner als die Größe der Interferenzstreifen sein. Es ist bekannt, dass die Symmetrie der Detektorpositionen im Sensor 88 zwar bevorzugt wird, aber nicht unbedingt erforderlich ist, da durch entsprechende Kalibrierung des Systems auch aus anderen Konfigurationen entsprechende Korrektursignale gewonnen werden könnten. In ähnlicher Weise wurde der Sensor 88 beschrieben, der fünf Detektoren als getrennte Messelemente enthält, aber es ist klar, dass das gleiche Ergebnis mit einem einzigen Detektor erzielt werden kann, wobei nur Teile des Detektors (wie z.B. fünf Bereiche, die den Detektoren 90-98 in 8 entsprechen) gemessen werden, wie es für die Ausführung des Korrekturschemas der Erfindung erforderlich ist. Es wird auch davon ausgegangen, dass ein erweiterter Detektor, wie z.B. eine Kamera, zur Verfolgung des Bullseye-Interferogramms auf herkömmliche Weise verwendet werden kann.
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Ist das Bullseye-Interferogramm, wie oben erläutert, zentriert, können verschiedene Detektionsschemata zur kontinuierlichen Überwachung der Phase des Bullseye-Zentrums verwendet werden, um den Abstand der reflektierenden Fläche 40 (siehe 4) von einer Referenzposition zu bestimmen und damit deren Bewegungen zu tracken. So kann z.B. ein heterodynes Verfahren eingesetzt werden, indem eine optische Frequenzverschiebung zwischen Objekt und den Referenzstrahlen eingeführt wird. Die Phase des Interferenzmusters steht in direktem Zusammenhang mit dem Abstand zum Messobjekt und kann, wie bei DMI, zur Koordinatenablesung verwendet werden. Somit ermöglicht dieses Gerät die genaue Messung des Abstandes eines reflektierenden Objektes relativ zur Referenzfläche. Da das reflektierende Objekt 44 innerhalb des Lichtkegels DW gemessen werden kann (4), ermöglicht es die Messung des Objekts innerhalb eines Raumvolumens und nicht entlang einer einzigen Sichtlinie, und dies bei gleichzeitiger Beseitigung oder Minimierung des Abbe-Fehlers, was eine klare Unterscheidung und einen Vorteil gegenüber bestehenden Technologien darstellt. Jede herkömmliche interferometrische Analyse, die in einem Prozessor im Messmodul 30 programmiert ist, kann verwendet werden, um präzise Informationen über die Position der reflektierenden Oberfläche 40 innerhalb des Referenzsystems des Systems zu erhalten.
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Angewandt auf eine Messmaschine, ermöglicht das Detektionsschema der Erfindung die Messung der Entfernung von einem einzigen Punkt im Raum; KMGs werden jedoch zur Messung der 3 -dimensionalen Form von Objekten verwendet. Daher müssen mindestens drei Nachführsysteme gleichzeitig eingesetzt werden. Ein Schema eines solchen KMGs ist in 9 dargestellt, wobei ein Messtaster 100 im Messvolumen positioniert und von einem herkömmlichen 3-achsigen kartesischen Messrahmen (nicht dargestellt) bewegt wird. Eine reflektierende Oberfläche 102, typischerweise eine hochwertige reflektierende Kugel, ist in der Nähe der Messspitze 104 am Messtaster angebracht. Die Position der Kugel wird dann von drei unabhängigen Messmodulen 106, 108 und 110 getrackt, die jeweils die oben beschriebenen Funktionselemente enthalten und so angeordnet sind, dass die reflektierende Oberfläche 102 während des Messvorgangs für jeden zu jeder Zeit sichtbar ist. Mit dem Messtaster wird ein Objekt O auf die übliche Weise gemessen, d.h. durch Erfassen der Oberfläche mit der Messtasterspitze; die Koordinaten der Spitze werden jedoch durch Bestimmung des Abstands der Kugel 102 von den drei Sensoren 106, 108 und 110, anstatt die XYZ-Koordinaten des Messrahmens zu messen, erhalten. Obwohl es notwendig ist, drei Sensoren zu verwenden, um die Position des Messtasters im Raum eindeutig zu erfassen, können weitere Sensoren eingesetzt werden, um die Genauigkeit des Systems zu erhöhen oder zu verhindern, dass die reflektierende Oberfläche durch das Messobjekt verdeckt wird.
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Die reflektierende Oberfläche 102 sollte möglichst nahe am Messpunkt am Messtaster auf der Messspitze 104 positioniert werden, um den Abbe-Fehler zu minimieren. In einigen Fällen kann auch die Messspitze des Messtasters als reflektierendes Element verwendet werden. Es ist bekannt, dass die Gesamtgenauigkeit der Messung durch die Sphärizität der reflektierenden Oberfläche oder im Allgemeinen durch die Kenntnis der Form der reflektierenden Oberfläche beeinflusst wird, aber wie bei mechanischen Messtasterspitzen können solche Fehler mit einem geeigneten Verfahren kalibriert und von der Messgröße abgezogen werden.
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In der Beschreibung wurde eine reflektierende Kugel als Beispiel für ein Objekt verwendet, dessen Position im Raum getrackt werden kann, aber diese spezielle Form wurde nur zur Veranschaulichung der Argumentation gewählt. Es sollte verstanden werden, dass auch andere Formen möglich und vielleicht für diese Aufgabe besser geeignet sind. Es wird auch erwartet, dass mehr als eine reflektierende Kugel (oder eine andere Oberfläche) auf dem Messtaster 100 verwendet werden kann, um ihre Bewegungen genauer zu tracken, da sie zur Messung verborgener Bereiche des Prüfobjekts verwendet wird. So kann der Messtaster beispielsweise so konfiguriert werden, dass sie die Richtung ändern kann, damit die Spitze 104 in Hohlräume des Prüfobjekts gelangen kann. In diesem Fall könnte am anderen Ende des Messtasters oder näher an der Spitze eine zusätzliche Reflexionskugel mit entsprechenden Messmodulen angebracht werden, die Information über eine eventuelle Abweichung des Messtasters gegenüber dem ihn antreibenden Translationsmechanismus gibt. Eine solche Kombination aus reflektierenden Kugeln und entsprechenden Messmodulen würde es ermöglichen, die Spitze in drei Dimensionen überall im Arbeitsraum des KMGs zu tracken und zu messen, solange die Kugeln kontinuierlich in der Sichtlinie von genügend Messmodulen (drei für jede Kugel) liegen.
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Obwohl die Erfindung hier in den vermutlich geeignetsten und bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, wird gewürdigt, dass im Umfang der Erfindung von ihr abgewichen werden kann. Beispielsweise könnte jede Kombination von Referenz- und Prüfstrahlen, die ein erkennbares, vorzugsweise symmetrisches Interferenzmuster am Detektor erzeugt, in äquivalenter Weise verwendet werden, indem die bekannten Eigenschaften des Musters genutzt werden, um Änderungen der Phase oder Intensität zu erkennen, wenn der Berührungspunkt mit dem Prüfobjekt bewegt wird. Außerdem wird davon ausgegangen, dass jede herkömmliche interferometrische Lichtquelle und jedes damit verbundene Analysewerkzeug zur Durchführung der Messungen der Erfindung verwendet werden kann, einschließlich der spektral gesteuerten Interferometriequellen und der damit verbundenen Analysewerkzeuge, die in den verschiedenen, seit 2014 zu diesem Thema erteilten Patenten beschrieben sind. Die Erfindung ist daher nicht auf die offengelegten Einzelheiten zu beschränken, sondern sie entspricht dem vollen Umfang der Ansprüche einschließlich aller Äquivalente.
