DE19819025B4

DE19819025B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Vibrationskompensation eines Objektes relativ zu einem Referenzobjekt

Info

Publication number: DE19819025B4
Application number: DE1998119025
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Blossey
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 1998-04-29
Filing date: 1998-04-29
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2018-04-30
Also published as: DE19819025A1

Abstract

Vorrichtung zur Vibrationskompensation
eines Objektes (1) relativ zu einem Referenzobjekt (2), die enthält
– einen optischen Sensor (3), zur Bestimmung der Iongitudinalen und/oder lateralen Position des Objektes (1) relativ zu dem Referenzobjekt (2), und
– eine Regeleinrichtung (4), mit dem Sensor (3) verbunden, und
– einen Aktuator (5), mit der Regeleinrichtung (4) verbunden und von dieser geregelt,
wobei die Vorrichtung oder zumindest der Sensor (3) mit dem Objekt (1) mechanisch stabil verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
– daß der Aktuator (5) als Piezo-Aktuator (5) gestaltet ist und
– daß er angeordnet ist zur Verschiebung einer Komponente des Objektes (1) in Iongitudinaler und/oder lateraler Richtung relativ zu dem Referenzobjekt (2), oder
– daß er angeordnet ist zur Neigung einer zusätzlichen Komponente der Vorrichtung relativ zu deren Grundposition.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vibrationskompensation eines Objektes relativ zu einem Referenzobjekt gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Vibrationskompensation eines Objektes relativ zu einem Referenzobjekt gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 10. Aus [1] ist ein Fernglas mit Vibrationskompensation bekannt.

Ein Bedarf zur Kompensation von Vibrationen besteht in vielen Anwendungsgebieten. Beispielhaft seien genannt: Helikopter [2], Kompasse [3], optische Systeme wie Ferngläser [1] oder 3D-Vermessungssysteme [4], Belichtungsapparate für die Halbleiterproduktion [5] oder militärische Anwendungen zur Zielverfolgung [6].

Insbesondere 3D-Vermessungssysteme zur hochpräzisen Vermessung von Objekten reagieren äußerst sensibel auf Vibrationen. Deshalb können Vibrationen beim Einsatz derartiger Vermessungssysteme nur in sehr geringem Ausmaß toleriert werden. Die vollständige oder zumindest ausreichende Vermeidung von Vibrationen kann aber bis auf Ausnahmefälle nur in idealen (Labor-) Umgebungen gewährleistet werden.

In letzter Zeit wird verstärkt versucht, die 3D-Vermessungstechnik auch für den industriellen Einsatz nutzbar zu machen [4]. Auf Grund der dort häufig unvermeidlich auftretenden Vibrationen wird deren Kompensation mit dem Ansteigen der Anforderungen hinsichtlich der Präzision der Vermessung immer wichtiger.

Besonders hervorzuheben ist hier ein spezieller 3D-Meßsensor, das sogenannte Kohärenzradar [4], das es ermöglicht, auch optisch rauhe Oberflächen, wie sie beispielsweise im Maschinenbau auftreten, mit äußerst hoher Präzision bis hin in den Nanometerbereich zu vermessen. Dieser Meßsensor basiert auf einem Michelson-Interferometer und ist deswegen äußerst empfindlich gegenüber Iongitudinalen Störungen (Vibrationen). des Meßsystems relativ zu einem zu vermessenden Objekt. Das bedeutet, bei einem solchen Meßsensor beeinträchtigen Iongitudinale Störungen von wenigen 10 Nanometern das Zustandekommen eines verwertbaren Meßsignals bereits so stark, daß sie nicht mehr tolerierbar sind! Gegenüber lateralen Störungen ist das Kohärenzradar deutlich weniger empfindlich. Wird als Empfänger beispielsweise eine CCD-Kamera eingesetzt, so werden laterale Störungen nur dann relevant, wenn sie so groß sind, daß sie zum Übersprechen benachbarter Pixeln führen, also oberhalb des Mikrometerbereichs liegen.

In der bereits genannten Schrift [1] wird ein Fernglas mit Vibrationskompensation beschrieben. Die Komponenten, die dort die Vibrationskompensation ermöglichen, sind speziell an die Erfordernisse des Fernglases angepaßt und fest mit diesem verbunden, so daß keine andersartige Verwendung, beispielsweise für die Vibrationskompensation bei der 3D-Vermessungstechnik, möglich ist. Mittels dieser Vibrationskompensation können nur laterale Schwingungen relativ zur Blickrichtung des Fernglases kompensiert werden.

In der Schrift [2] wird ein Verfahren beschrieben, mit dem die Wirkung von externen Vibrationen auf eine Anordnung (beispielsweise in einem Helikopter) durch das geregelte Anlegen von Gegen-Vibrationen reduziert werden soll. Hierzu wird ein Beschleunigungsmesser an einem Punkt der Anordnung befestigt, erfaßt dort die Vibration durch Messung von Amplitude, Phase und Frequenz, gibt diese Informationen an eine Regeleinrichtung weiter, welche einen Vibrationskraftgenerator regelt. Mittels des an der Anordnung befestigten Beschleunigungsmessers kann nur die Vibration der Anordnung relativ zu einem festen Bezugspunkt gemessen werden, nicht aber die Vibration der ruhenden Anordnung relativ zu einem vibrierenden Bezugspunkt. Angaben über die Richtungen und Größenordnungen der zu messenden Beschleunigungen und der kompensierenden Gegen-Schwingungen sind dieser Schrift nicht zu entnehmen. Gleiches gilt für eine Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens.

In der Schrift [3] wird ein Vibrationsdämpfer für Kompasse beschrieben. Dieser funktioniert rein passiv, indem er den Träger des Lagers der Kompaßrose und das Kompaßgehäuse elastisch miteinander verbindet. Dadurch kann zwar eine für diese Anwendung ausreichende Dämpfung von Vibrationen in vertikaler und horizontaler Richtung erzielt werden, aber keinesfalls eine hochpräzise Kompensation von Vibrationen.

In der bereits genannten Schrift [4] wird ein Verfahren zur berührungslosen, schnellen und genauen Erfassung der Oberflächengestalt von Objekten beschrieben. Die Meßbarkeit (und insbesondere die Genauigkeit), mit der die Oberflächengestalt erfaßt werden kann, wird durch Vibrationen zwischen Meßkopf und Objekt beeinträchtigt. Eine Vibrationskompensation wird nicht beschrieben oder vorgeschlagen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, welche die hochpräzise Vibrationskompensation eines Objektes relativ zu einem Referenzobjekt erlauben.

Die Erfindung ist in Bezug auf die zu schaffende Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Patentansprüche 2 bis 9) sowie ein vorteilhaftes Verfahren zur Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Patentanspruch 10). Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens (Patentansprüche 11 bis 14)

Die Aufgabe wird bezüglich der zu schaffenden Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung zur Vibrationskompensation eines Objektes relativ zu einem Referenzobjekt enthält,

– einen Sensor, zur Bestimmung der Iongitudinalen und/oder lateralen Position des Objektes relativ zu dem Referenzobjekt, und
– eine mit dem Sensor verbundene Regeleinrichtung, und
– einen mit der Regeleinrichtung verbundenen und von dieser geregelten Aktuator,
– wobei die Vorrichtung oder zumindest der Sensor (3) mit dem Objekt (1) mechanisch stabil verbunden ist,
– wobei der Aktuator (5) als Piezo-Aktuator (5) gestaltet ist und angeordnet ist – zur Verschiebung einer Komponente des Objektes (1) in Iongitudinaler und/oder lateraler Richtung relativ zu dem Referenzobjekt (2), oder – zur Neigung einer zusätzlichen Komponente der Vorrichtung relativ zu deren Grundposition.

Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Vorrichtung besteht darin, daß durch die Bestimmung der Iongitudinalen und/oder lateralen Position des Objektes relativ zu dem Referenzobjekt nicht nur Vibrationen des Objektes oder von Teilen des Objektes erfaßt und kompensiert werden können, sondern auch solche des Referenzobjektes. Dies ist insbesondere für den Anwendungsfall der 3D-Vermessung des Referenzobjektes ein wesentlicher Vorteil.

Ein weiterer Vorteil einer solchen Vorrichtung besteht darin, daß nur ein relevanter Teil des Objektes oder sogar der Vorrichtung mittels des Aktuators verschoben wird. Dies kann eine kleine Komponente sein, beispielsweise der Referenzspiegel eines Interferometers, oder auch eine zusätzliche Komponente der Vorrichtung, beispielsweise eine in den Strahlengang eines Interferometers eingebrachte, neigbare Planplatte, mittels welcher der Strahlengang des Interferometers verschoben werden kann, so daß die Vibration des Interferometers relativ zum Referenzobjekt zwar nicht räumlich real aber bezogen auf den Meßvorgang real kompensiert werden kann. Durch diese Beschränkung der Verschiebung auf relevante Komponenten kann der Energieaufwand für den Aktuator minimiert und seine Präzision maximiert werden.

Ein weiterer Vorteil einer solchen Vorrichtung besteht darin, daß nur der Sensor mit dem Objekt mechanisch stabil und der Aktuator mit dem Objekt oder mit einer Komponente des Objektes oder mit einer zusätzlichen Komponente der Vorrichtung verbunden sein muß. Die Regeleinrichtung muß nur elektronisch mit dem Sensor und dem Aktuator verbunden sein, sie kann aber räumlich weit von dem Objekt und dem Referenzobjekt entfernt sein. Dies kann insbesondere dann ein wesentlicher Vorteil sein, wenn nur sehr wenig Raum im Meßbereich zur Verfügung steht. Darüber hinaus kann so das Gewicht der an dem Objekt anzubringenden Komponenten der Vorrichtung auf ein Minimum begrenzt werden, wodurch zumindest in einzelnen Fällen die Präzision der Vibrationskompensation erhöht werden kann.

Ähnliche Vorteile einer solchen Vorrichtung bestehen darin, daß sie nur die für die jeweilige Anforderung minimal notwendigen Bestandteile enthalten muß, beispielsweise nur einen Sensor für die Bestimmung der Iongitudinalen Position oder nur einen Sensor für die Bestimmung der lateralen Position des Objektes relativ zu dem Referenzobjekt und einen Aktuator zur Verschiebung in nur die jeweils relevante Richtung. Dadurch können die Komponentenanzahl und deren Raumbedarf und Gewicht in Abhängigkeit vom tatsächlichen Bedarf optimiert werden. Darüber hinaus kann die Reaktion des Aktuators beschleunigt werden, wenn die Regeleinrichtung nur die Kompensation von Vibrationen in einer Richtung berechnen muß und die Präzision der Vibrationskompensation erhöht werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform dieser Vorrichtung

- enthält der Sensor - zwei Unter-Sensoren, – jeweils einer mechanisch stabil mit dem Objekt (1) und mit dem Referenzobjekt (2) verbunden, – jeweils mit der Regeleinrichtung (4) verbunden, – ausgebildet in Form – je eines Geschwindigkeitssensors oder – je eines Beschleunigungssensors,
– und enthält der Aktuator einen oder mehrere Piezotranslatoren.

Mittels der Geschwindigkeitssensoren können an jeweils einem Punkt des Objektes und des Referenzobjektes die jeweiligen Geschwindigkeitsvektoren bestimmt werden. Die Regeleinrichtung erlaubt dann durch Bildung des Zeitintegrals über die Differenz der Geschwindigkeitsvektoren eine relative Positionsbestimmung in allen drei Raumkoordinaten. Geeignete Sensoren sind beispielsweise Laser-Doppler-Anemometer.

Gleiches gilt für die Beschleunigungssensoren, allerdings ist in diesem Fall zweifach über die Zeit zu integrieren.

Vorteile derartiger Sensoren gegenüber optischen Sensoren bestehen vor allem in der Robustheit und teilweise auch im Raumbedarf.

In einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform dieser Vorrichtung

– enthält der Sensor – einen optischen Punktsensor, zur Bestimmung der Iongitudinalen Position des Objektes relativ zu dem Referenzobjekt, vorzugsweise ein heterodynes Laser-Interferometer, und/oder – einen optischen Punktsensor, zur Bestimmung der lateralen Position des Objektes relativ zu dem Referenzobjekt, vorzugsweise eine positionsempfindliche Photodiode oder vorzugsweise eine Zeilenkamera mit Subpixelinterpolation,
– und enthält der Aktuator einen oder mehrere Piezotranslatoren.

Hierbei ist der Begriff des optischen Punktsensors weit auszulegen. Er umfaßt alle Vorrichtungen zur Ermittlung der Iongitudinalen und/oder lateralen Position eines Punktes relativ zu einem anderen Punkt. Einerseits umfaßt er – in einer beispielhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Iongitudinalen Position des Objektes relativ zu dem Referenzobjekt – eine Vorrichtung zur Bestimmung der optischen Weglänge zwischen zwei Punkten, beispielsweise von der punktförmigen Lichtquelle eines Interferometers über eine Reflexion auf dem Referenzobjekt zum Empfänger des Interferometers. Andererseits umfaßt er auch – in einer beispielhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der lateralen Position des Objektes relativ zu dem Referenzobjekt – eine Vorrichtung zur Bestimmung der Weglänge zwischen der aktuellen lateralen Position des Abbildes einer punktförmigen Lichtquelle und einem Sollwert der lateralen Position des Abbildes der punktförmigen Lichtquelle.

Ein Vorteil einer solchen Ausgestaltung besteht darin, daß ein optischer Punktsensor zur Bestimmung der Iongitudinalen Position des Objektes relativ zu dem Referenzobjekt, beispielsweise ein heterodynes Laser-Interferometer, sehr hohe Genauigkeit (wenige Nanometer) erreicht. Darüber hinaus besitzt ein solches heterodynes Laser-Interferometer sehr kurze Reaktionszeiten, die Iongitudinale Positionsbestimmung im Kilohertzbereich erlauben. Dies ist auch für die Vibrationskompensation eines in der 3D-Meßtechnik eingesetzten Interferometers ausreichend, da derartige Interferometer nicht in einem Punkt sondern flächenhaft messen und deshalb wesentlich größere Reaktionszeiten aufweisen.

Ein weiterer Vorteil einer solchen Ausgestaltung besteht darin, daß ein optischer Punktsensor zur Bestimmung der lateralen Position des Objektes relativ zu dem Referenzobjekt in sehr einfacher Form zu verwirklichen ist, beispielsweise in Form einer positionsempfindlichen Photodiode. Für die Erzielung einer höheren Genauigkeit kann aber auch eine Zeilenkamera mit Subpixelinterpolation verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil einer solchen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß Piezotranslatoren mit sehr hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit betrieben werden können und darüber hinaus sehr wenig Raumbedarf und keine Verschleißteile aufweisen.

Besondere Vorteile weist eine solche Vorrichtung bei einer Anwendung in der 3D-Meßtechnik auf und zwar dann, wenn es sich bei dem Objekt um einen Meß-Sensor handelt, mit dem das Referenzobjekt vermessen werden soll. Gerade in diesem Anwendungs bereich werden immer höhere Anforderungen an die Präzision der Vermessung und damit an eine Kompensation von Vibrationen gestellt. Die meisten der dabei Verwendung findenden Meß-Sensoren arbeiten nach einer der vier grundsätzlich unterschiedlichen Methoden Triangulation, Fokussuche, Laufzeitmessung oder Interferometrie [4].

Wie bereits einleitend erwähnt werden interferometrische Verfahren zur 3D-Vermessung von Objekten in der industriellen Anwendung auf Grund der hohen mit ihnen erzielbaren Genauigkeit immer beliebter. Dies gilt insbesondere für das Kohärenzradar, da mit ihm auch optisch rauhe Oberflächen, wie sie beispielsweise im Maschinenbau auftreten, mit sehr hoher Präzision vermessen werden können. Auf Grund der hohen Empfindlichkeit derartiger Vorrichtungen gegenüber Vibrationen ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kompensation derartiger Vibrationen gerade in einem Interferometer besonders vorteilhaft.

In einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kompensation von Vibrationen in einem Interferometer

– enthält sie zusätzlich – eine Lichtquelle, – die in einem anderen Spektralbereich emittiert, oder – die in einem vergleichsweise schmalem Teil desselben Spektralbereiches deutlich stärker emittiert, als die Weißlichtquelle des Interferometers, vorzugsweise ein Heterodyn-Laser, und – zwei Einrichtungen zur lichtquellenabhängigen Weiterführung der Strahlengänge des Lichtes aus der Weißlichtquelle und des Lichtes aus der Lichtquelle, ausgebildet in Form von – zwei Spiegeln, vorzugsweise – beide für das Licht der Weißlichtquelle transparent oder – ein erster halbdurchlässig und ein zweiter für das Licht der Weißlichtquelle transparent, oder – zwei Einrichtungen, jede bestehend aus – einem Strahlteiler und – zwei Farbfiltern, je einer undurchlässig für das Licht der Weißlichtquelle und für das Licht der Lichtquelle, oder – einem Spiegel, vorzugsweise – halbdurchlässig oder – für das Licht der Weißlichtquelle transparent, und einer Einrichtung bestehend aus – einem Strahlteiler und – zwei Farbfiltern, je einer undurchlässig für das Licht der Weißlichtquelle und für das Licht der Lichtquelle,
– wobei diese zusätzlichen Komponenten und der Punktsensor derart angeordnet sind, daß – mittels der ersten Einrichtung zur lichtquellenabhängigen Weiterführung der Strahlengänge das Licht der Lichtquelle in den Strahlengang des Interferometers eingeführt wird ohne daß dieser dadurch ausgeblendet wird, und – mittels der zweiten Einrichtung zur lichtquellenabhängigen Weiterführung der Strahlengänge, befindlich im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler und dem Empfänger des Interferometers, – das Licht der Lichtquelle auf den Punktsensor geführt wird, und – das Licht der Weißlichtquelle auf den Empfänger geführt wird.

Ein erster Vorteil einer derartigen Ausgestaltung besteht darin, daß durch die Verwendung einer Lichtquelle, die in einem anderen Spektralbereich emittiert oder die in einem vergleichsweise schmalem Teil desselben Spektralbereiches deutlich stärker emittiert als die Weißlichtquelle des Interferometers, eine saubere Trennung zwischen den beiden Strahlengängen des Interferometers und der Vorrichtung zur Vibrations kompensation ermöglicht wird, obwohl beide Strahlengänge auf großen Teilstrecken identisch verlaufen. Dadurch wird einerseits eine wechselseitige Beeinflussung und Störung der beiden Strahlengänge weitestgehend ausgeschlossen. Andererseits nutzt die Vorrichtung zur Vibrationskompensation für die Ermittlung der Vibrationen die Komponenten des Interferometers mit aus und spart damit eigenen konstruktiven Aufwand und Komponenten sowie Raum und Gewicht ein

Die saubere Trennung der beiden Strahlengänge wird mittels der zwei Einrichtungen zur lichtquellenabhängigen Weiterführung der Strahlengänge des Lichtes aus der Weißlichtquelle (Strahlengang des Interferometers) und des Lichtes aus der Lichtquelle (Strahlengang der Vorrichtung zur Vibrationskompensation) erzielt.

Eine solche erste Einrichtung zur lichtquellenabhängigen Weiterführung der Strahlengänge könnte (im Beleuchtungsstrahlengang des Interferometers) beispielsweise ein halbdurchlässiger Spiegel sein, d. h. ein Spiegel, der nur von einer Seite durchlässig ist. Dieser wäre so in den Strahlengang des Interferometers einzubringen, daß ihn das Licht der Weißlichtquelle von seiner durchlässigen Seite trifft und durchgelassen wird, während ihn das Licht der Lichtquelle von seiner undurchlässigen Seite trifft und reflektiert wird. Ein solcher halbdurchlässiger Spiegel wäre geeignet sowohl bei Verwendung einer Lichtquelle, die in einem anderen Spektralbereich emittiert, als auch bei Verwendung einer Lichtquelle, die in einem vergleichsweise schmalem Teil desselben Spektralbereiches deutlich stärker emittiert, als die Weißlichtquelle des Interferometers. Ein halbdurchlässiger Spiegel wäre allerdings nicht als zweite Einrichtung zur lichtquellenabhängigen Weiterführung der Strahlengänge (im Beobachtungsstrahlengang des Interferometers) verwendbar, da auf diese zweite Einrichtung sowohl das Licht der Lichtquelle als auch das Licht der Weißlichtquelle von derselben Seite aus auftrifft.

Eine zweite Ausbildungsform der Einrichtung zur lichtquellenabhängigen Weiterführung der Strahlengänge könnte beispielsweise ein Spiegel sein, der für das Licht der Weißlichtquelle transparent ist. Diese Ausbildungsform wäre sowohl im Beleuchtungsstrahlengang als auch im Beobachtungsstrahlengang des Interferometers einsetzbar. Sie wäre so in den Strahlengang des Interferometers einzubringen, daß das Licht der Weißlichtquelle jeweils durchgelassen wird, während das Licht der Lichtquelle jeweils reflektiert wird. Ein solcher Spiegel wäre allerdings nur geeignet bei Verwendung einer Lichtquelle, die in einem anderen Spektralbereich emittiert, als die Weißlichtquelle des Interferometers.

Eine dritte Ausbildungsform der Einrichtung zur lichtquellenabhängigen Weiterführung der Strahlengänge könnte beispielsweise eine Einrichtung sein, bestehend aus einem Strahlteiler und zwei Farbfiltern, je einer undurchlässig für das Licht der Weißlichtquelle und für das Licht der Lichtquelle. Die einzelnen Komponenten dieser Einrichtung wären so in den Strahlengang des Interferometers einzubringen, daß der eine von dem Strahlteiler ausgehende Strahlengang auf den ersten Farbfilter führt und dort nur das Licht beispielsweise der Weißlichtquelle durchgelassen wird, während der zweite von dem Strahlteiler ausgehende Strahlengang auf den zweiten Farbfilter führt und dort nur das Licht der Lichtquelle durchgelassen wird. Bei Verwendung einer Lichtquelle, die in einem anderen Spektralbereich emittiert, als die Weißlichtquelle des Interferometers, würden als Farbfilter Hochpaß- und Tiefpaß-Filter ausreichen. Bei Verwendung einer Lichtquelle, die in einem vergleichsweise schmalem Teil desselben Spektralbereiches deutlich stärker emittiert, als die Weißlichtquelle des Interferometers, würden als Farbfilter Bandsperr- und Bandpaß-Filter benötigt.

(Die Anteile des Lichtes der Lichtquelle und der Weißlichtquelle, die am Ort der Einführung des Lichtes der Lichtquelle in den Strahlengang des Interferometers mittels des Strahlteilers der ersten Einrichtung zur lichtquellenabhängigen Weiterführung der Strahlengänge aus dem Strahlengang des Interferometers herausgeführt werden, sind für den weiteren Verlauf der 3D-Vermessung und der Vibrationskompensation ohne Bedeutung. Deshalb kann bei dieser ersten Einrichtung zur lichtquellenabhängigen Weiterführung der Strahlengänge auf die beiden Farbfilter verzichtet werden. Allerdings ist darauf zu achten, daß diese Strahlen nicht irgendwo unkontrolliert aus dem Interferometer austreten und eine Verletzungsgefahr der Augen des Bedienpersonals bewirken oder unkontrolliert in den Strahlengang des Interferometers zurückreflektiert werden und Störungen hervorrufen.)

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Vorrichtung zur Kompensation von Vibrationen in einem Interferometer ist der Aktuator derart mit dem Referenzspiegel des Interferometers verbunden, daß der Referenzspiegel mittels des Aktuators verschiebbar ist in Iongitudinaler Richtung bezogen auf den Strahlengang vor dem Referenzspiegel.

Der Vorteil dieser Ausbildung liegt darin, daß durch die Verschiebung des Referenzspiegels in Iongitudinaler Richtung bezogen auf den Strahlengang vor dem Referenzspiegel – also durch die Verschiebung einer kleinen Komponente des Interferometers in einer zum Referenzobjekt willkürlichen, hier beispielsweise lateralen Richtung – der gleiche Effekt erzielt wird, wie durch die Verschiebung des gesamten Interferometers in Iongitudinaler Richtung bezogen auf das Referenzobjekt, nämlich die Kompensation von Vibrationen. Hierdurch wird gegenüber einer Verschiebung des gesamten Interferometers Energie eingespart und auch der Aktuator kann wesentlich kleiner und präziser gewählt werden. Außerdem kann der Strahlengang zu dem Referenzspiegel bzw. die Position des Referenzspiegels entsprechend den räumlichen Gegebenheiten des Interferometers optimiert werden. Eine aus physikalischen Randbedingungen gegebene, feste Vorgabe der Position des Referenzspiegels liegt nur insofern vor, daß er sich innerhalb des Schärfentiefebereichs der Beobachtungsoptik befinden muß.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Vorrichtung zur Kompensation von Vibrationen in einem Interferometer

– enthält diese Vorrichtung zusätzlich eine, vorzugsweise quadratische, Planplatte, mit den Eigenschaften – transparent für das Licht der Weißlichtquelle des Interferometers, – angeordnet im Strahlengang des Interferometers, – den Querschnitt des Strahlenbündel des Lichtes der Weißlichtquelle vollständig überdeckend und allseitig überlappend, – in ihrer Grundposition ausgerichtet senkrecht zum Strahlengang, und – neigbar relativ zu dieser Grundposition mittels des Aktuators, und
– an dem Referenzobjekt ist zusätzlich befestigt – eine punktförmige Lichtquelle, vorzugsweise ein Heterodyn-Laser, und – eine Optik, zur Abbildung und Fokussierung des von der Lichtquelle emittierten Lichtes auf den Punktsensor zur Bestimmung der lateralen Position des Objektes relativ zu dem Referenzobjekt.

Das von der zusätzlich an dem Referenzobjekt befestigten, punktförmigen Lichtquelle emittierte Licht wird mittels der ebenfalls dort befestigten Optik auf den Punktsensor – zur Bestimmung der lateralen Position des Objektes relativ zu dem Referenzobjekt – abgebildet und anhand der Verschiebung des Abbildes der punktförmigen Lichtquelle über den Punktsensor wird eine Vibration ermittelt. Diese Vibration wird kompensiert, indem die Regeleinrichtung eine ausgleichende Neigung der Planplatte berechnet und diese Neigung mittels des Aktuators eingestellt wird. Die Neigung der Planplatte bewirkt eine Parallelverschiebung des Strahlengangs des Interferometers. Diese entspricht einer lateralen Verschiebung des Interferometers relativ zu dem Referenzobjekt und bewirkt somit die gewünschte Kompensation einer lateralen Vibrationen.

Der Vorteil dieser Ausbildung liegt ebenfalls darin, daß durch die Verschiebung einer kleinen Komponente des Interferometers – hier durch die Neigung der Planplatte – der gleiche Effekt erzielt wird, wie durch die Verschiebung des gesamten Interferometers in lateraler Richtung bezogen auf das Referenzobjekt, nämlich die Kompensation von Vibrationen. Hierdurch ergeben sich die gleichen Vorteile wie durch die Verschiebung des Referenzspiegels in Iongitudinaler Richtung bezogen auf den Strahlengang vor dem Referenzspiegel.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der genannten Vorrichtung zur Kompensation von Vibrationen in einem Interferometer bestehen darin,

– daß die Planplatte mit Komponenten des Aktuators verbunden ist – drei Piezotranslatoren und einer starren Unterstützung, und
– daß diese Komponenten angeordnet sind, – an jeweils einer Ecke der Planplatte, oder – im Falle einer nicht-rechteckigen Planplatte an jeweils einer Ecke des größten von der Fläche der Planplatte eingeschlossenen gedachten Rechteckes, derart, daß die Planplatte neigbar ist - um zwei zueinander senkrechte Achsen, - um jede der beiden Achsen unabhängig von der jeweils anderen.

Der Vorteil dieser Ausgestaltungsmerkmale besteht darin, daß so eine beliebige von der Regeleinrichtung ermittelte Neigung der Planplatte schnell und präzise mittels der Piezotranslatoren des Aktuators eingestellt werden kann, wodurch der Strahlengang des Interferometers verschoben und somit eine laterale Vibration kompensiert werden kann.

Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung zur Vibrationskompensation eines Objektes relativ zu einem Referenzobiekt derart angewendet wird

– daß mittels des Sensors die Iongitudinale und/oder laterale Position des Objektes relativ zu dem Referenzobjekt in kurzen zeitlichen Abständen bestimmt wird, und
– daß die mit dem Sensor verbundene Regeleinrichtung aus den ermittelten Positionen eine Iongitudinale und/oder laterale Verschiebung des Objektes relativ zu dem Referenzobjekt bestimmt und diese korrigiert, indem sie den Piezo-Aktuator derart regelt,
– daß der Piezo-Aktuator – eine Komponente des Objektes in Iongitudinaler und/oder lateraler Richtung relativ zu dem Referenzobjekt (2) so verschiebt, oder – eine zusätzliche Komponente der Vorrichtung relativ zu deren Grundposition so neigt, daß die zu Beginn der Positionsbestimmung vorliegende Grundposition wieder erreicht wird.

Kurze zeitliche Abstände bei der Positionsbestimmung sind hier in Relation zu setzen mit den Frequenzen der zu kompensierenden Vibrationen. Beispielsweise treten bei der optischen 3D-Vermessung von Objekten im allgemeinen nur Vibrationen auf, deren Frequenzen deutlich unterhalb des Kilohertzbereiches liegen, so daß eine Positionsbestimmung mit einer Wiederholrate im Kilohertzbereich, wie sie beispielsweise mittels eines heterodynen Laser-Interferometers erreicht werden kann, völlig ausreichend ist.

Ein Vorteil einer solchen Ausgestaltung des Verfahrens besteht also in der Schnelligkeit, mit der eine Vibration sowohl in Folge der durch sie bewirkten relativen Positionsverschiebung ermittelt werden als auch mittels des Aktuators kompensiert werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale des genannten Verfahrens bestehen darin,

– daß die Iongitudinale Position des Objektes relativ zu dem Referenzobjekt mittels eines optischen Punktsensors bestimmt wird, – vorzugsweise mittels eines heterodynen Laser-Interferometers, derart, daß die optische Weglänge vom Laser-Interferometer zum Referenzobjekt und zurück zum Laser-Interferometer bestimmt wird,
– daß die laterale Position des Objektes relativ zu dem Referenzobjekt mittels eines optischen Punktsensors bestimmt wird, derart, daß ein auf dem Referenzobjekt gelegener Referenzpunkt auf den optischen Punktsensor abgebildet wird und die Position dieses Abbildes relativ zum Zentrum des Punktsensors bestimmt wird, und
– daß der Aktuator mittels eines oder mehrerer Piezotranslatoren entsprechend der von der Regeleinrichtung bestimmten Positionskorrektur betrieben wird.

Die Vorteile einer solchen Ausgestaltung des Verfahrens bestehen vor allem in der Schnelligkeit und Präzision des Ablaufs.

Zu beachten ist auch, daß die Abbildung des auf dem Referenzobjekt liegenden Referenzpunktes auf den optischen Punktsensor nicht aktiv seitens des Referenzobjektes erfolgen muß, beispielsweise durch Anbringung einer punktförmigen Lichtquelle auf dem Referenzobjekt, sondern auch passiv seitens des Referenzobjektes erfolgen kann, beispielsweise durch die Bestrahlung eines reflektierenden Punktes auf dem Referenzobjekt.

Besonders vorteilhaft erweist sich ein solches Verfahren bei einer Anwendung in der 3D-Meßtechnik, insbesondere in der Interferometrie, und zwar dann, wenn mit ihm die Vibrationen eines Meß-Sensors für die 3D-Meßtechnik relativ zu einem zu vermessen den Objekt kompensiert werden. Gerade hier werden immer höhere Anforderungen an die Präzision der Vermessung und damit an eine Kompensation von störenden Vibrationen gestellt.

In einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kompensation von Vibrationen in einem Interferometer für die 3D-Meßtechnik werden mit ihm die Vibrationen des Interferometers relativ zu einem zu vermessenden Objekt derart kompensiert,

– daß der optische Weg in kurzen zeitlichen Abständen bestimmt wird, den das Licht einer zusätzlichen Lichtquelle zurücklegt, welches mittels einer Einrichtung zur lichtquellenabhängigen Weiterführung der Strahlengänge des Lichtes aus der Weißlichtquelle und des Lichtes aus der Lichtquelle in den Strahlengang des Interferometers geführt wird, diesen durchläuft und dann mittels einer zweiten Einrichtung zur lichtquellenabhängigen Weiterführung der Strahlengänge auf den Punktsensor geführt wird,
– daß mittels der Regeleinrichtung aus der Änderung des bestimmten optischen Weges zwischen aufeinanderfolgenden Meßzeitpunkten eine Positionskorrektur bestimmt wird, und
– daß der Referenzspiegel des Interferometers mittels des Aktuators entsprechend der von der Regeleinrichtung bestimmten Positionskorrektur verschoben wird in Iongitudinaler Richtung bezogen auf den Strahlengang vor dem Referenzspiegel.

Die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung des Verfahrens bestehen darin, daß sie die interferometrische 3D-Meßtechnik mit ihrer hohen Präzision aber ihrer ebenfalls hohen Sensitivität gegenüber Vibrationen auch für einen industriellen Einsatz mit den damit verbundenen Vibrationen nutzbar macht. Dabei werden für die Ermittlung der Vibrationen die Komponenten des Interferometers mit ausgenutzt, wodurch konstruktiver Aufwand und Komponenten sowie Raum und Gewicht eingespart werden und auch Vibrationen im Inneren des Interferometers mit kompensiert werden können.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur Kompensation von Vibrationen in einem Interferometer besteht darin,

– daß an dem zu vermessenden Objekt eine punktförmige Lichtquelle und eine Optik derart befestigt werden; – daß das von der Lichtquelle emittierte Licht mittels der Optik auf den Punktsensor fokussiert wird,
– daß die Position des Abbildes der punktförmigen Lichtquelle auf dem Punktsensor relativ zum Zentrum des Punktsensors in kurzen zeitlichen Abständen bestimmt wird,
– daß mittels der Regeleinrichtung aus der Änderung dieser Position zwischen aufeinanderfolgenden Meßzeitpunkten eine Positionskorrektur bestimmt wird, und
– daß eine zusätzliche im Strahlengang des Interferometers angeordnete, transparente Planplatte mittels des Aktuators entsprechend der von der Regeleinrichtung bestimmten Positionskorrektur derart geneigt wird,
– daß der Strahlengang des Interferometers verschoben wird , in lateraler Richtung bezogen auf den Strahlengang nach der Planplatte.

Ein wesentlicher Vorteil einer derartigen Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß auch hier für die Ermittlung der Vibrationen die Komponenten des Interferometers mit ausgenutzt werden, wodurch wiederum konstruktiver Aufwand und Komponenten sowie Raum und Gewicht eingespart werden.

Im Folgenden werden anhand der 1 bis 7 beispielhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert. Es zeigen:
1 Eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2 Ein Interferometer für die 3D-Vermessung.
3 Eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer bevorzugten Anwendung.
(Kompensation Iongitudinaler Vibrationen in einem Interferometer für die 3D-Vermessung).
4 Eine zweite beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der gleichen Anwendung wie in 2.
5 Eine dritte beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten bevorzugten Anwendung.
(Kompensation lateraler Vibrationen in einem Interferometer für die 3D-Vermessung).
6 Ein konstruktives Detail der 4.
(Auswirkung der Neigung der Planplatte auf den Strahlengang)
7 Ein zweites konstruktives Detail der 4.
(Komponenten des Aktuators zur Neigung der Planplatte)
Die 1 stellt schematisch und nicht maßstabsgerecht eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Vibrationskompensation eines Objektes 1 relativ zu einem Referenzobjekt 2 dar. Die beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht aus einem Sensor 3, einer mit dem Sensor 3 verbundenen Regeleinrichtung 4, und einem mit der Regeleinrichtung 4 verbundenen und von dieser geregelten Aktuator 5, wobei der Sensor 3 mit dem Objekt 1 mechanisch stabil verbunden ist.
Der Sensor 3 dient hier zur Bestimmung der Iongitudinalen Position des Objektes 1 relativ zu dem Referenzobjekt 2. In dieser Ausführungsform ist der Sensor 3 als Punktsensor ausgebildet und auf das zu vermessende Objekt 2 ausgerichtet. Der Aktuator 5 dient hier zur Verschiebung des Objektes 1 in Iongitudinaler Richtung relativ zu dem Referenzobjekt 2.
Die 2 stellt schematisch und nicht maßstabsgerecht (als Objekt 1) ein Interferometer 6 für die 3D-Vermessung (hier speziell ein sogenanntes Kohärenzradar) und (als Referenzobjekt 2) ein zu vermessendes Objekt 2 dar. Das Interferometer 6 besteht aus einer Weißlichtquelle 61, einem Kollimator 62, einem Strahlteiler 63, einem Referenzspiegel 64, einer Beobachtungsoptik 65 und einem Empfänger 66, hier beispielhaft einer CCD-Kamera, die in üblicher Weise angeordnet sind, sowie hier zusätzlich einer Verschiebeeinrichtung 67 für das Interferometer 6.
Das von der Weißlichtquelle 61 emittierte Licht wird mittels des Kollimators 62 parallelisiert, von dem Strahlteiler 63 in zwei Strahlen aufgespalten, von denen jeweils einer zu dem Referenzspiegel 64 (Referenzarm) und einer zu dem zu vermessenden Objekt 2 (Objektarm) geführt wird. Das von beiden reflektierte bzw. zurückgestreute Licht wird in dem Strahlteiler 63 wieder vereinigt und gelangt über die Beobachtungsoptik 65 auf die CCD-Kamera als Empfänger 66. Die Beobachtungsoptik 65 ist dabei so positioniert, daß der Referenzspiegel 64 scharf auf den Kamerachip abgebildet wird. Der gesamte Sensor (Kohärenzradar) ist auf einer Verschiebeeinrichtung 67 montiert – alternativ kann auch das zu vermessende Objekt 2 auf einer Verschiebeeinrichtung montiert sein – notwendig ist allein, daß eine Iongitudinale Relativbewegung Objekt-Sensor durchgeführt werden kann.
Die 3 stellt schematisch und nicht maßstabsgerecht eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer bevorzugten Anwendung – der Kompensation von Iongitudinalen Vibrationen in einem Interferometer für die 3D-Vermessung – dar. Die beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht aus einem Sensor 3, einer mit dem Sensor 3 verbundenen Regeleinrichtung 4, und einem mit der Regeleinrichtung 4 verbundenen und von dieser geregelten Aktuator 5, wobei der Sensor 3 mit dem Interferometer 6 mechanisch stabil verbunden ist.
Der Sensor 3 dient zur Bestimmung der Iongitudinalen Position eines Objektes 1 (hier das Interferometer 6) relativ zu einem Referenzobjekt 2 (hier das zu vermessende Objekt 2). In dieser Ausführungsform ist der Sensor 3 als Punktsensor 31 ausgebildet (hier speziell als heterodynes Laser-Interferometer), welcher mechanisch stabil mit dem Gehäuse des Interferometers 6 verbunden und auf das zu vermessende Objekt 2 ausgerichtet ist. Der Aktuator 5 dient hier zur Verschiebung einer Komponente des Objektes 1 (hier einer Komponente des Interferometers 6, des Referenzspiegels 64) in Iongitudinaler Richtung relativ zu dem Referenzobjekt 2.
Während der 3D-Vermessung eines Objektes 2 mittels des Interferometers 6 mißt der Punktsensor 31 ständig den Abstand zwischen dem Interferometer 6 und dem zu vermessenden Objekt 2 (optische Länge des Objektarms) auf wenige Nanometer genau. Aus der Differenz des jeweils aktuell gemessenen Abstandes zu einem Soll-Abstand wird mittels der Regeleinrichtung 4 eine Positionskorrektur zur Herstellung des Soll-Abstandes berechnet. Entsprechend dieser Positionskorrektur wird ein Stellweg des Aktuators 5 berechnet. Der Aktuator 5 ist als Piezotranslator 51 ausgeführt, auf den der Referenzspiegel 64 des Interferometers 6 aufgebracht ist. Der Piezotranslator 51 wird infolge der Ansteuerung durch die Regeleinrichtung 4 um den vorberechneten Stellweg verstellt und dadurch wird die Position des Referenzspiegels entsprechend der vorberechneten Positionskorrektur korrigiert. Dadurch wird die Länge des Referenzarms des Interferometers 6 so angepaßt, daß die Weglängendifferenz zwischen Referenz- und Objektarm des Interferometers 6 der Solldifferenz für die 3D-Vermessung entspricht. Eine derartige Korrektur kann mit Wiederholraten im Kilohertzbereich durchgeführt werden und erlaubt so die Kompensation von Vibrationen, wie sie im industriellen Einsatz auftreten.
Die 4 stellt schematisch und nicht maßstabsgerecht eine zweite beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der gleichen bevorzugten Anwendung wie in 3 – der Kompensation von Iongitudinalen Vibrationen in einem Interferometer für die 3D-Vermessung – dar. Die beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht auch hier aus einem Sensor 3, einer mit dem Sensor 3 verbundenen Regeleinrichtung 4, und einem mit der Regeleinrichtung 4 verbundenen und von dieser geregelten Aktuator 5, wobei der Sensor 3 mit dem Interferometer 6 mechanisch stabil verbunden ist.
Der Unterschied dieser Ausführungsform zu der in der 3 dargestellten besteht darin, daß der Punktsensor 31 diesmal nicht mit dem Gehäuse des Interferometers 6 verbunden ist, sondern direkt in den Strahlengang des Interferometers 6 integriert ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält hier zusätzlich eine Lichtquelle 71, die in einem anderen Spektralbereich emittiert als die Weißlichtquelle 61 des Interferometers 6 (hier einen Heterodyn-Laser), einen Spiegel 72 (hier: für das Licht der Weißlichtquelle 61 transparent), einen Strahlteiler 73, einen Farbfilter 74, undurchlässig für das Licht der Weißlichtquelle 61 und einen Farbfilter 75, undurchlässig für das Licht der Lichtquelle 71. Diese zusätzlichen Komponenten 71 bis 75 und der Punktsensor 31 sind derart angeordnet, daß das Licht der Lichtquelle 71 mittels des Spiegels 72 in den Strahlengang des Interferometers 6 eingespiegelt wird, ohne daß dieser dadurch ausgeblendet wird, daß der Strahlteiler 73 derart im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler 63 und dem Empfänger 66 des Interferometers 6 steht, daß der eine von ihm ausgehende Strahlengang auf den ersten Farbfilter 74 und danach auf den Punktsensor 31 führt, und der andere von ihm ausgehende Strahlengang auf den zweiten Farbfilter 75 und danach auf den Empfänger 66 führt.
Der Vorteil dieser Ausführungsform gegenüber der in der 3 dargestellten besteht darin, daß der Punktsensor 31 nicht mehr, wie im obigen Fall den Abstand zwischen dem Interferometer 6 und dem zu vermessenden Objekt 2 vermißt, sondern direkt die Differenz der optischen Weglängen im Referenz- und Objektarm des Interferometers 6, die stabilisiert werden soll. Dadurch können nicht mehr nur Vibrationen zwischen dem Interferometer 6 und dem zu vermessenden Objekt 2 kompensiert werden, sondern nun auch Vibrationen im Interferometer 6 selbst.
Die 5 stellt schematisch und nicht maßstabsgerecht eine dritte beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten bevorzugten Anwendung – der Kompensation von lateralen Vibrationen in einem Interferometer für die 3D-Vermessung – dar. Diese beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht auch hier aus einem Sensor 3, einer mit dem Sensor 3 verbundenen Regeleinrichtung 4, und einem mit der Regeleinrichtung 4 verbundenen und von dieser geregelten Aktuator 5, wobei der Sensor 3 mit dem Objekt 1 mechanisch stabil verbunden ist.
Der Sensor 3 dient hier zur Bestimmung der lateralen Position eines Objektes 1 (hier das Interferometer 6) relativ zu einem Referenzobjekt 2 (hier das zu vermessende Objekt). In dieser Ausführungsform ist der Sensor 3 als Punktsensor 32 ausgebildet (hier speziell als Zeilenkamera mit Subpixelinterpolation), welcher mechanisch stabil mit dem Gehäuse des Interferometers 6 verbunden und auf das zu vermessende Objekt 2 ausgerichtet ist. Der Aktuator 5 dient hier zur Verschiebung einer zusätzlichen Komponente der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hier dient er zur Neigung einer quadratischen, für das Licht der Weißlichtquelle 61 transparenten Planplatte 80, die im Beobachtungs-Strahlengang des Interferometers 6 angeordnet ist, wobei sie den Querschnitt des Strahlenbündel des Lichtes der Weißlichtquelle 61 vollständig überdeckt und allseitig überlappt. Die Planplatte 80 ist in ihrer Grundposition senkrecht zum Strahlengang ausgerichtet und mittels des Aktuators 5 relativ zu dieser Grundposition neigbar.
Bei dieser Anwendung sind zusätzlich fest mechanisch mit dem zu vermessenden Objekt verbunden eine punktförmige Lichtquelle 21 und eine Optik 22 zur Abbildung und Fokussierung des von der Lichtquelle 21 emittierten Lichtes auf den Punktsensor 32.
Die 6 stellt schematisch und nicht maßstabsgerecht die Auswirkung der Neigung der Planplatte 80 (dargestellt durch die dünner gezeichnete Planplatte 80') auf den Strahlengang des durch sie hindurchgeführten Lichtes dar. Der Strahlengang S wird durch die Neigung der Planplatte 80 parallel verschoben in den Strahlengang S', wobei die Richtung und Weite der Verschiebung des Strahlenganges von der Wahl der Neigungsachse und dem Neigungsgrad abhängen. (Ferner ist die Weite der Verschiebung von der Dicke der Planplatte abhängig. Diese ist jedoch konstant.) Bei korrekter Abstimmung der Regeleinrichtung 4 wird durch diese Parallel-Verschiebung des Strahlenganges das Abbild des zu vermessenden Objektes 2 auf der Beobachtungsebene der CCD-Kamera des Interferometers 6 derart verschoben, daß eine reale Verschiebung des Objektes 2 relativ zum Interferometer 6 korrigiert wird, also Vibrationen kompensiert werden.
Die 7 stellt schematisch und nicht maßstabsgerecht eine bevorzugte Ausführungsform des Aktuators 5 dar. Hier besteht dieser aus drei Piezotranslatoren 52 bis 54 und einer starren Unterstützung 55, welche die Planplatte 80 an jeweils einer ihrer Ecken unterstützen. Hebt/senkt man die Planplatte mit jeweils zwei der Piezotranslatoren (52, 53 oder 52, 54) und fixiert den jeweils dritten Piezotranslator (54 oder 53) so neigt man dadurch die Planplatte um jeweils eine von zwei zueinander senkrechten Achsen, und zwar um jede der beiden Achsen unabhängig von der jeweils anderen.
Während der 3D-Vermessung eines Objektes 2 mittels des Interferometers 6 mißt der Punktsensor 32 ständig den Abstand zwischen der aktuellen Position des Abbildes der Lichtquelle 21, welches auf ihm fokussiert wird, und einer Grundposition dieser Abbildung zu Beginn der 3D-Vermessung, beispielsweise dem Zentrum des Punktsensors 32.
Aus dem jeweils aktuell gemessenen Abstand zwischen diesen beiden Positionen wird mittels der Regeleinrichtung 4 eine Positionskorrektur zur (scheinbaren) Wiederherstellung des Anfangszustandes berechnet (Dabei wird nicht die tatsächliche Grundposition der CCD-Kamera, als Empfänger 66 des Interferometers 6, relativ zu dem zu vermessenden Objekt 2 wiederhergestellt. Statt dessen wird das Abbild des zu vermessenden Objektes 2 auf der Beobachtungsebene der CCD-Kamera infolge der Neigung der Planplatte 80 parallel verschoben, so daß der Eindruck entsteht, die relative Grundposition wäre wiedereingenommen). Entsprechend dieser Positionskorrektur werden die Stellwege der drei Piezotranslatoren 52 bis 54 berechnet, die Planplatte 80 entsprechend geneigt und der Strahlengang im Beobachtungsarm des Interferometers 6 parallel verschoben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren erweisen sich in den Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für die Vibrationskompensation in Meß-Sensoren der optischen, dreidimensionalen Koordinaten-Meßtechnik, beispielsweise bei der Inspektion und Positionskontrolle von Objekten, insbesondere bei der Verwendung von Interferometern, speziell eines Kohärenzradars.
Aber auch ein Einsatz in anderen Anwendungsgebieten ist denkbar. Die meisten optischen Systeme sind empfindlich gegenüber Vibrationen und insofern besteht dort großer Bedarf nach effektiver Vibrationskompensation. Dies gilt im besonderem Maße auch für moderne, hochpräzise Navigationssysteme. Ein weiteres Beispiel sind hochpräzise Laser-Schneid/Bohr-Vorrichtungen. Oder generell der Präzisionsmaschinenbau.
Je nach Anwendung und Bedarf können dann eine Vorrichtung und ein Verfahren gewählt werden, mit denen entweder nur Iongitudinale oder nur laterale Vibrationen kompensiert werden oder auch eine Kombination von jeweils beiden.
Es sei auch angemerkt, daß die Erfindung nicht nur auf die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern vielmehr auf weitere übertragbar ist.
So ist zum Beispiel denkbar, den im Ausführungsbeispiel beschriebenen Punktsensor 32 in Form einer Zeilenkamera mit Subpixelinterpolation durch eine einfachere Variante in Form einer positionsempfindlichen Photodiode zu ersetzen. Dadurch würde die laterale Positionsbestimmung weniger präzise, dafür aber schneller werden.
Außerdem wäre auch eine andere Ausgestaltung des Aktuators 5 zur Neigung der quadratischen Planplatte 80 vorstellbar. Beispielsweise könnten anstatt der vorgeschlagenen 3 Piezotranslatoren und einer festen Unterstützung auch vier Piezotranslatoren an den Ecken der Planplatte angebracht werden. Denkbar wäre aber auch die Verwendung einer kreisförmigen Planplatte, die von drei Piezotranslatoren unterstützt wird, welche im 120 Grad Abstand an ihrem Rand positioniert sind. Ferner wäre es auch möglich anstatt einer Planplatte, die um zwei unabhängige Achsen neigbar ist, zwei Planplatten im Strahlengang des Interferometers anzuordnen, die jeweils um eine Achse neigbar sind, wobei die beiden Achsen zu einander senkrecht sind.
Literatur

Claims

Vorrichtung zur Vibrationskompensation eines Objektes (1) relativ zu einem Referenzobjekt (2), die enthält – einen optischen Sensor (3), zur Bestimmung der Iongitudinalen und/oder lateralen Position des Objektes (1) relativ zu dem Referenzobjekt (2), und – eine Regeleinrichtung (4), mit dem Sensor (3) verbunden, und – einen Aktuator (5), mit der Regeleinrichtung (4) verbunden und von dieser geregelt, wobei die Vorrichtung oder zumindest der Sensor (3) mit dem Objekt (1) mechanisch stabil verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, – daß der Aktuator (5) als Piezo-Aktuator (5) gestaltet ist und – daß er angeordnet ist zur Verschiebung einer Komponente des Objektes (1) in Iongitudinaler und/oder lateraler Richtung relativ zu dem Referenzobjekt (2), oder – daß er angeordnet ist zur Neigung einer zusätzlichen Komponente der Vorrichtung relativ zu deren Grundposition.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – daß der Sensor (3) enthält – zwei Unter-Sensoren, – jeweils einer mechanisch stabil mit dem Objekt (1) und mit dem Referenzobjekt (2) verbunden, – jeweils mit der Regeleinrichtung (4) verbunden, und – ausgebildet in Form – je eines Geschwindigkeitssensors oder – je eines Beschleunigungssensors, und – daß der Aktuator (5) einen oder mehrere Piezotranslatoren (51, 52–54) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – daß der Sensor (3) enthält – einen optischen Punktsensor (31), zur Bestimmung der Iongitudinalen Position des Objektes (1) relativ zu dem Referenzobjekt (2), vorzugsweise ein heterodynes Laser-Interferometer, und/oder – einen optischen Punktsensor (32), zur Bestimmung der lateralen Position des Objektes (1) relativ zu dem Referenzobjekt (2), vorzugsweise eine positionsempfindliche Photodiode oder vorzugsweise eine Zeilenkamera mit Subpixelinterpolation, und – daß der Aktuator (5) einen oder mehrere Piezotranslatoren (51, 52–54) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, – daß sie angeordnet ist in einem Meß-Sensor (6) für die 3D-Meßtechnik.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, – daß der Meß-Sensor (6) für die 3D-Meßtechnik ausgebildet ist in Form eines Interferometers (6), enthaltend – eine Weißlichtquelle (61), – einen Kollimator (62), – einen Strahlteiler (63), – einen Referenzspiegel (64), – eine Beobachtungsoptik (65), – einen Empfänger (66), vorzugsweise eine CCD-Kamera, sowie vorzugsweise zusätzlich – eine Verschiebeeinrichtung (67) für den Meß-Sensor (6).
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, – daß sie zusätzlich enthält – eine Lichtquelle (71), – die in einem anderen Spektralbereich emittiert, oder – die in einem vergleichsweise schmalem Teil desselben Spektralbereiches deutlich stärker emittiert, als die Weißlichtquelle (61), vorzugsweise ein Heterodyn-Laser, und – zwei Einrichtungen zur lichtquellenabhängigen Weiterführung der Strahlengänge des Lichtes aus der Weißlichtquelle (61) und des Lichtes aus der Lichtquelle (71), ausgebildet in Form von – zwei Spiegeln, vorzugsweise – beide für das Licht der Weißlichtquelle transparent oder – ein erster halbdurchlässig und ein zweiter für das Licht der Weißlichtquelle transparent, oder – zwei Einrichtungen, jede bestehend aus – einem Strahlteiler und – zwei Farbfiltern, je einer undurchlässig für das Licht der Weißlichtquelle (61) und für das Licht der Lichtquelle (71), oder – einem Spiegel (72), vorzugsweise – halbdurchlässig oder – für das Licht der Weißlichtquelle (61) transparent, und einer Einrichtung, bestehend aus – einem Strahlteiler (73) und – zwei Farbfiltern (74, 75), je einer undurchlässig für das Licht der Weißlichtquelle (61) und für das Licht der Lichtquelle (71), – wobei diese zusätzlichen Komponenten und der Punktsensor (31) derart ange ordnet sind, daß – mittels der ersten Einrichtung zur lichtquellenabhängigen Weiterführung der Strahlengänge das Licht der Lichtquelle (71) in den Strahlengang des Interferometers (6) eingeführt wird, ohne daß dieser dadurch ausgeblendet wird, und – mittels der zweiten Einrichtung zur lichtquellenabhängigen Weiterführung der Strahlengänge, befindlich im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler (63) und dem Empfänger (66), – das Licht der Lichtquelle (71) auf den Punktsensor (31) geführt wird, und – das Licht der Weißlichtquelle (61) auf den Empfänger (66) geführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, – daß der Aktuator (5) derart mit dem Referenzspiegel (64) verbunden ist, daß der Referenzspiegel (64) mittels des Aktuators (5) verschiebbar ist in Iongitudinaler Richtung bezogen auf den Strahlengang vor dem Referenzspiegel (64).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – daß sie zusätzlich eine, vorzugsweise quadratische, Planplatte (80) enthält, mit den Eigenschaften – transparent für das Licht der Weißlichtquelle (61), – angeordnet im Strahlengang des Interferometers (6), – den Querschnitt des Strahlenbündel des Lichtes der Weißlichtquelle (61) vollständig überdeckend und allseitig überlappend, – in ihrer Grundposition ausgerichtet senkrecht zum Strahlengang, und – neigbar relativ zu dieser Grundposition mittels des Aktuators (5), und – daß an dem Referenzobjekt (2) zusätzlich befestigt ist – eine punktförmige Lichtquelle (21), vorzugsweise ein Heterodyn-Laser, und – eine Optik (22), zur Abbildung und Fokussierung des von der Lichtquelle (21) emittierten Lichtes auf den Punktsensor (32).
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, – daß die Planplatte (80) mit Komponenten (52–54, 55) des Aktuators (5), – bestehend aus drei Piezotranslatoren (52–54) und einer starren Unterstützung (55), verbunden ist, und – daß diese Komponenten (52–54, 55) angeordnet sind, – an jeweils einer Ecke der Planplatte (80), oder – im Falle einer nicht-rechteckigen Planplatte (80) an jeweils einer Ecke des größten von der Fläche der Planplatte (80) eingeschlossenen gedachten Rechteckes, derart, daß die Planplatte (80) neigbar ist – um zwei zueinander senkrechte Achsen, – um jede der beiden Achsen unabhängig von der jeweils anderen.
Verfahren zur Vibrationskompensation eines Objektes (1) relativ zu einem Referenzobjekt (2), dadurch gekennzeichnet, – daß die Vibrationskompensation mittels einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, erfolgt – wobei mittels des Sensors (3) die Iongitudinale und/oder laterale Position des Objektes (1) relativ zu dem Referenzobjekt (2) in kurzen zeitlichen Abständen bestimmt wird, und – wobei die mit dem Sensor (3) verbundene Regeleinrichtung (4) aus den ermittelten Positionen eine Iongitudinale und/oder laterale Verschiebung des Objektes (1) relativ zu dem Referenzobjekt (2) bestimmt und diese korrigiert, indem sie den Piezo-Aktuator (5) derart regelt, – daß der Piezo-Aktuator (5) – eine Komponente des Objektes (1) in Iongitudinaler und/oder lateraler Richtung relativ zu dem Referenzobjekt (2) so verschiebt, oder – eine zusätzliche Komponente der Vorrichtung relativ zu deren Grundposition so neigt, daß die zu Beginn der Positionsbestimmung vorliegende Grundposition, wieder erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, – daß die Iongitudinale Position des Objektes (1) relativ zu dem Referenzobjekt (2) mittels eines optischen Punktsensors (31) bestimmt wird, – vorzugsweise mittels eines heterodynen Laser-Interferometers, derart, daß die optische Weglänge vom Laser-Interferometer zum Referenzobjekt (2) und zurück zum Laser-Interferometer bestimmt wird, – daß die laterale Position des Objektes (1) relativ zu dem Referenzobjekt (2) mittels eines optischen Punktsensors (31) bestimmt wird, derart, daß ein auf dem Referenzobjekt (2) gelegener Referenzpunkt (21) auf den optischen Punktsensor (31) abgebildet wird und die Position dieses Abbildes relativ zum Zentrum des Punktsensors (31) bestimmt wird, und – daß der Aktuator (5) mittels eines oder mehrerer Piezotranslatoren (51, 52–54) entsprechend der von der Regeleinrichtung (4) bestimmten Positionskorrektur betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, – daß mit ihm die Vibrationen eines Meß-Sensors (6) für die 3D-Meßtechnik relativ zu einem zu vermessenden Objekt kompensiert werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, – daß mit ihm die Vibrationen eines Interferometers (6) relativ zu einem zu vermessenden Objekt (2) kompensiert werden, derart, – daß der optische Weg in kurzen zeitlichen Abständen bestimmt wird, den das Licht einer zusätzlichen Lichtquelle (71) zurücklegt, welches mittels einer Einrichtung zur lichtquellenabhängigen Weiterführung der Strahlengänge des Lichtes aus der Weißlichtquelle (61) und des Lichtes aus der Lichtquelle (71) in den Strahlengang des Interferometers (6) geführt wird, diesen durchläuft und dann mittels einer zweiten Einrichtung zur lichtquellenabhängigen Weiterführung der Strahlengänge auf den Punktsensor (31) geführt wird, – daß mittels der Regeleinrichtung (4) aus der Änderung des optischen Weges zwischen aufeinanderfolgenden Meßzeitpunkten eine Positionskorrektur bestimmt wird, und – daß der Referenzspiegel (64) des Interferometers (6) mittels des Aktuators (5) entsprechend der von der Regeleinrichtung (4) bestimmten Positionskorrektur verschoben wird in Iongitudinaler Richtung bezogen auf den Strahlengang vor dem Referenzspiegel (64).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, – daß an dem zu vermessenden Objekt (2) eine punktförmige Lichtquelle (21) und eine Optik (22) derart befestigt werden, – daß das von der Lichtquelle (21) emittierte Licht mittels der Optik (22) auf den Punktsensor (32) fokussiert wird, – daß die Position des Abbildes der punktförmigen Lichtquelle (21) auf dem Punktsensor (32) relativ zum Zentrum des Punktsensors (31) in kurzen zeitlichen Abständen bestimmt wird, – daß mittels der Regeleinrichtung (4) aus der Änderung dieser Position zwischen aufeinanderfolgenden Meßzeitpunkten eine Positionskorrektur bestimmt wird, und – daß eine zusätzliche im Strahlengang des Interferometers (6) angeordnete, transparente Planplatte (80) mittels des Aktuators (5) entsprechend der von der Regeleinrichtung (4) bestimmten Positionskorrektur derart geneigt wird, – daß der Strahlengang des Interferometers (6) verschoben wird in lateraler Richtung bezogen auf den Strahlengang nach der Planplatte (80).