DE19954684A1

DE19954684A1 - Method to measure surface of measuring object; involves using optical sensor to detect light reflected from surface, where sensor spacing is varied so that surface lies in focus plane

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Publication number: DE19954684A1
Application number: DE1999154684
Authority: DE
Original assignee: WEGU SENSORIK GmbH
Current assignee: WEGU SENSORIK GmbH
Priority date: 1999-11-13
Filing date: 1999-11-13
Publication date: 2001-05-17

Abstract

The method involves using an optical sensor (3), which directs a light beam (11) through a focusing unit (9) onto the surface (1) and detects a light beam (12) reflected from the surface. The spacing of the sensor from the surface is varied according to the measurement signal, so that the surface lies in the focus plane. The co-ordinates of the measuring points on the surface are determined from the position of the sensor. The focusing unit is precisely oscillated to and fro in the direction of the spacing from the surface. An Independent claim is included for a device for implementing the method.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermessen von Oberflächen eines Meßobjekts nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.The present invention relates to a method for measuring surfaces of a Measurement object according to the preamble of claim 1 and a device for Implementation of this method according to the preamble of patent claim 10.

Derartige Meßverfahren und -vorrichtungen für eine berührungsfreie Vermessung von Meßobjekten sind bereits in verschiedenen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt, wobei berührungsfreie Vermessungen häufig mit kontaktierenden, d. h. mechanisch antastenden Vermessungen kombiniert werden.Such measuring methods and devices for non-contact measurement of Measurement objects are already in various versions from the prior art known, non-contact measurements often with contacting, d. H. mechanically probing measurements can be combined.

Weiter sind eingangs genannte Meßverfahren und -vorrichtungen sowohl zur 1D- Vermessung, d. h. nur in einer Achse (z-Achse), als auch zur Mehrkoordinaten- Vermessung in Form von 2D- oder 3D-Meßeinrichtungen bekannt, bei denen zusätzlich zur z-Koordinate des Meßpunktes auch die x- und/oder die y-Koordinate des Meß punktes erfasst werden können.Furthermore, the measurement methods and devices mentioned at the outset are both for 1D Surveying, d. H. only in one axis (z-axis), as well as for multi-coordinate Measurement in the form of 2D or 3D measuring devices known, in which additional in addition to the z coordinate of the measuring point, the x and / or the y coordinate of the measurement point can be recorded.

Eine solche Mehrkoordinaten-Meß- und -Prüfeinrichtung ist beispielsweise aus der EP 0 330 901 A1 bekannt. Bei der in dieser Druckschrift offenbarten Vorrichtung ist mittels eines Multisensortastsystems sowohl eine berührungsfreie als auch eine mechanisch antastende Messung möglich. Die Meßpinole zur berührungsfreien Messung ist dabei an einem in x- und in y-Richtung bewegbaren Schlitten montiert. Zur automatischen Konturerfassung von Werkstückoberflächen ist die Meßpinole mit einem Lasersensor versehen.Such a multi-coordinate measuring and testing device is, for example, from the EP 0 330 901 A1 known. In the device disclosed in this document by means of a multi-sensor touch system both a non-contact and a mechanically probing measurement possible. The measuring quill for non-contact measurement is mounted on a carriage that can be moved in the x and y directions. For The measuring quill with an automatic contour detection of workpiece surfaces Provide laser sensor.

Der aus der EP 0 330 901 A1 bekannte Lasersensor folgt der Oberflächenkontur mit konstantem Abstand und erreicht damit eine Konturerfassung in Echtzeit mit hoher Genauigkeit und hoher Scan-Geschwindigkeit. Diesem Meßprinzip liegt ein sogenanntes Lichtschnittverfahren zugrunde, bei dem die reflektierende Oberfläche des Meßobjekts als Referenz für die Scharfstellung benutzt wird. Der Lasersensor richtet einen Lichtstrahl über ein Objektiv auf die zu vermessende Oberfläche des Meßobjekts; von dort wird der Lichtstrahl reflektiert und über eine Optik auf ein mit mehreren Differenzdioden bestücktes Empfängersystem zurückgesandt. Aufgrund des bei diesem System angewandten Abbildungsverfahrens wandert das vom Empfängersystem empfangene Signal bei einer Defokussierung der Oberfläche des Meßobjekts aus und erzeugt ein Differenzsignal, welches einem Servomotor zugeführt wird, der den Lasersensor entsprechend dem Differenzsignal in z-Richtung wieder derart positioniert, daß die Oberfläche des Meßobjekts in der Fokusebene des Objektivs liegt. Die Position des Lasersensors in der z-Richtung wird über ein geeignetes Meßsystem erfasst und einer Auswerteeinheit zugeführt.The laser sensor known from EP 0 330 901 A1 follows the surface contour constant distance and thus achieves contour detection in real time with high Accuracy and high scanning speed. This measuring principle is based on a so-called Light section method based on which the reflecting surface of the measurement object is used as a reference for focusing. The laser sensor sets one up Light beam through a lens onto the surface of the object to be measured; of there the light beam is reflected and optics onto one with several Differential diodes equipped receiver system returned. Because of this The imaging method used in the system migrates from the receiving system received signal when the surface of the measurement object is defocused and generates a difference signal, which is fed to a servo motor, which The laser sensor is positioned again in accordance with the difference signal in the z direction, that the surface of the measurement object lies in the focal plane of the lens. The position of the laser sensor in the z direction is recorded using a suitable measuring system and fed to an evaluation unit.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungsfreien Vermessen von Oberflächen eines Meßobjekts bereitzustellen, mit dem bzw. der eine höhere Meß genauigkeit erzielbar ist.Based on this prior art, it is an object of the present Invention, a method and an apparatus for the contactless measurement of To provide surfaces of a measurement object with which a higher measurement accuracy can be achieved.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 10 gelöst.This object is achieved by a method with the features of claim 1 and solved by a device with the features of claim 10.

Erfindungsgemäß wird zusätzlich zur Einstellung des Abstandes zwischen dem gesamten optischen Sensor und der Oberfläche des Meßobjekts die Fokussiereinrichtung des Sensors in Richtung des Abstandes zur Oberfläche des Meßobjekts in eine hochgenaue oszillierende Bewegung versetzt. Hierdurch wird der Abstand der Oberfläche des Meßobjektes zu der Fokusebene der Fokussiereinrichtung in einem kleinen Bereich variiert. Aus den während der Oszillationsbewegung erfassten Meßsignalen lassen sich dann Rückschlüsse auf den exakten Meßwert für die Oberfläche des Meßobjektes ziehen.According to the invention, in addition to adjusting the distance between the entire optical sensor and the surface of the measurement object, the focusing device of the sensor in the direction of the distance to the surface of the measurement object in a high-precision oscillating movement offset. This will distance the Surface of the measurement object to the focal plane of the focusing device in one small area varies. From those recorded during the oscillation movement Measurement signals can then draw conclusions about the exact measured value for the Pull the surface of the measuring object.

Zu dieser Oszillationsbewegung der Fokussiereinrichtung des Sensors wird vorzugs weise ein Piezoelement eingesetzt, mit dem Meßauflösungen von weniger als 50 nm erreichbar sind.This oscillation movement of the focusing device of the sensor is preferred as a piezo element used, with the measurement resolutions of less than 50 nm are reachable.

In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden während der Oszillationsbewegung der Fokussiereinrichtung mittels der Empfängereinrichtung die Lichtintensitäten des von der Oberfläche reflektierten Lichts erfasst, und anschließend wird der Schwerpunkt der so erfassten Intensitätskurve bestimmt, aus dem der Meßwert für die z-Koordinate der Oberfläche abgeleitet werden kann.In a development of the present invention during the Oscillating movement of the focusing device by means of the receiver device Light intensities of the light reflected from the surface are recorded, and then the center of gravity of the intensity curve thus determined is determined, from which the measured value can be derived for the z coordinate of the surface.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung weiter einen Videosensor zur Bestimmung der Meßpunkte auf der Oberfläche des Meßobjekts auf, der zusätzlich zu dem Sensor zur Erfassung der z-Koordinaten der Oberfläche des Meßobjekts vorgesehen ist. Es ist hierbei von Vorteil, wenn der Videosensor in der Achse der Fokussiereinrichtung auf dem gleichen Strahlengang arbeitet wie der Sensor, so daß von beiden Sensoren immer ein gleicher Meßpunkt auf der Oberfläche des Meßobjekts erfasst wird, ohne daß ein räumlicher Offset berücksichtigt werden müsste.The device preferably also has a video sensor for determining the Measuring points on the surface of the measurement object, which in addition to the sensor for Detection of the z coordinates of the surface of the measurement object is provided. It is this is advantageous if the video sensor is in the axis of the focusing device works in the same beam path as the sensor, so that both sensors always an identical measuring point is detected on the surface of the measurement object without a spatial offset would have to be taken into account.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.Further advantageous refinements and developments of the invention are Subject of further subclaims.

Diese und weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung verschiedener bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigenThese and other advantages and features of the present invention will become apparent from the following description of various preferred exemplary embodiments below Reference to the accompanying drawings explained in more detail. Show in it

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Meß vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of the measuring device according to the present invention.

Fig. 2 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung des Meßprinzips der Vorrichtung von Fig. 1; und Fig. 2 is a schematic diagram for explaining the measuring principle of the device of Fig. 1; and

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Meßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 3 is a schematic representation of a second embodiment of a measuring device according to the present invention.

Anhand der Fig. 1 und 2 wird zunächst ein erstes Ausführungsbeispiel einer Meßvorrichtung sowie das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip erläutert. Anschließend wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.Referring to Figs. 1 and 2, a first embodiment of a measuring device as well as the invention will first be explained based on principle on. Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird zur Vermessung der Oberfläche 1 eines Meßobjektes 2 ein Sensor 3 eingesetzt, der an einer Meßvorrichtung derart angebracht ist, daß er in der x-y-Ebene, d. h. der Ebene senkrecht zur Zeichenebene, verfahren werden kann. Der Sensor 3 selbst ist mittels einer Antriebsvorrichtung 4, wie beispielsweise eines Servomotors, in der z-Richtung einstellbar. Die Position des Sensors 3 in z-Richtung wird mittels eines geeigneten Meßsystems 5, wie beispielsweise einem optischen Meß system mit Glasmaßstab, erfasst und einer Auswerteeinheit 6 zugeführt. Die Auswerteeinheit 6 setzt das vom Meßsystem 5 empfangene Signal in einen Meßwert für die z-Koordinate um und verarbeitet diesen weiter, um die z-Koordinate dem Benutzer graphisch an einem Bildschirm oder einem Anzeigefeld darzustellen. Die Auswerte einheit 6 kann zudem mit einem Rechner (nicht gezeigt) verbunden sein, mit dem die Meßwerte weiter verarbeitet und ausgewertet werden können.As shown in Fig. 1, a sensor 3 is used to measure the surface 1 of a measurement object 2 , which is attached to a measuring device such that it can be moved in the xy plane, ie the plane perpendicular to the plane of the drawing. The sensor 3 itself can be adjusted in the z direction by means of a drive device 4 , such as a servo motor. The position of the sensor 3 in the z direction is detected by means of a suitable measuring system 5 , such as an optical measuring system with a glass scale, and fed to an evaluation unit 6 . The evaluation unit 6 converts the signal received by the measuring system 5 into a measured value for the z coordinate and processes it further in order to graphically display the z coordinate to the user on a screen or a display field. The evaluation unit 6 can also be connected to a computer (not shown) with which the measured values can be processed and evaluated.

Der berührungsfrei arbeitende Sensor weist eine Lichtquelle 7, eine Empfänger einrichtung 8, eine Fokussiereinrichtung 9 und eine Vorrichtung 10 zur Oszillations bewegung der Fokussiereinrichtung, sowie verschiedene optische Elemente zur Strahl führung auf. Von der Lichtquelle 7, vorzugsweise einer Laserdiode und besonders bevorzugt eine Impuls-Laserdiode, geht ein parallel gerichteter Lichtstrahl 11 aus, der auf einen um 45° geneigten halbdurchlässigen Spiegel 13 trifft und von diesem in Richtung auf die zu vermessende Oberfläche 1 des Meßobjekts 2 reflektiert wird. Der am halbdurchlässigen Spiegel 13 umgelenkte Lichtstrahl 11 wird durch die Fokussier einrichtung 9, beispielsweise ein Objektiv, auf die Oberfläche 1 des Meßobjektes 2 fokussiert.The non-contact sensor has a light source 7 , a receiver device 8 , a focusing device 9 and a device 10 for oscillating the focusing device, as well as various optical elements for guiding the beam. A parallel light beam 11 emanates from the light source 7 , preferably a laser diode and particularly preferably a pulse laser diode, which strikes a semitransparent mirror 13 which is inclined by 45 ° and from which it reflects in the direction of the surface 1 of the measurement object 2 to be measured becomes. The deflected at the semi-transparent mirror 13 light beam 11 is focused by the focusing device 9 , for example a lens, on the surface 1 of the measurement object 2 .

Der auf die Oberfläche 1 des Meßobjekts 2 einfallende Lichtstrahl 11 wird an dieser reflektiert und durch das Objektiv 9 wieder parallel gebündelt. Der an der Oberfläche 1 reflektierte Lichtstrahl 12 läuft dann durch den um 45° geneigten halbdurchlässigen Spiegel 13 ungehindert hindurch und trifft auf eine Linse 14. Von dieser Linse 14 wird der reflektierte Lichtstrahl 12 fokussiert und auf eine Blende 15 gerichtet, wobei die Blendenöffnung genau im Fokus der Linse 14 angeordnet ist. Hinter der Blenden öffnung befindet sich die Empfängereinrichtung 8, die das durch die Blendenöffnung hindurchtretende reflektierte Licht 12 empfängt und insbesondere die Intensität des empfangenen reflektierten Lichts 12 erfasst.The light beam 11 incident on the surface 1 of the measurement object 2 is reflected there and again bundled in parallel by the objective 9 . The light beam 12 reflected on the surface 1 then passes unhindered through the semitransparent mirror 13 inclined by 45 ° and strikes a lens 14 . The reflected light beam 12 is focused by this lens 14 and directed onto an aperture 15 , the aperture opening being arranged exactly in the focus of the lens 14 . Behind the aperture is the receiver device 8 , which receives the reflected light 12 passing through the aperture and in particular detects the intensity of the received reflected light 12 .

Die Empfängereinrichtung 8 ist mit einer Steuereinheit 16 verbunden, die zum einen das Signal zur weiteren Auswertung an die Auswerteeinheit 6 weiterleitet und zum anderen ein Steuersignal an die Antriebsvorrichtung 4 sendet, um den Sensor 3 in Abhängigkeit von dem von der Empfängereinrichtung 8 empfangenen Signal in z- Richtung zu verschieben. Die Auswerteeinheit 6 kann anstatt über die Steuereinheit 16 auch direkt mit der Empfängereinrichtung 8 verbunden sein.The receiver device 8 is connected to a control unit 16 which, on the one hand, forwards the signal to the evaluation unit 6 for further evaluation and, on the other hand, sends a control signal to the drive device 4 in order to switch the sensor 3 as a function of the signal received by the receiver device 8 in e.g. - to shift direction. The evaluation unit 6 can also be connected directly to the receiver device 8 instead of via the control unit 16 .

Zusätzlich ist in dem Sensor 3 eine Vorrichtung 10 zur Oszillationsbewegung der Fokussiereinrichtung 9 in Richtung des Abstandes von der Oberfläche 1 des Meßobjekts 2, d. h. in z-Richtung, vorgesehen. Diese Oszillator-Vorrichtung 10 enthält vorteil hafterweise ein Piezoelement, an dem eine Wechselspannung, insbesondere eine sinusförmige Wechselspannung, anliegt. Aufgrund der Wechselspannung kontrahiert und expandiert der Piezokristall des Piezoelements gemäß dem umgekehrten Piezoeffekt je nach Richtung der Feldstärke der angelegten Wechselspannung. Die Wechsel spannung bewirkt somit eine oszillierende mechanische Bewegung des Piezoelements. Diese oszillierende Bewegung wird auf die Fokussiereinrichtung 9 des Sensors 3 derart übertragen, daß sich die Fokussiereinrichtung 9 in z-Richtung hin- und herbewegt, wobei die Auslenkung der Fokussiereinrichtung 9 aus der Ruhelage proportional zu der an dem Piezoelement anliegenden Spannung ist.In addition, a device 10 for oscillating movement of the focusing device 9 in the direction of the distance from the surface 1 of the measurement object 2 , ie in the z direction, is provided in the sensor 3 . This oscillator device 10 advantageously contains a piezo element to which an AC voltage, in particular a sinusoidal AC voltage, is present. Due to the AC voltage, the piezo crystal of the piezo element contracts and expands in accordance with the reverse piezo effect depending on the direction of the field strength of the AC voltage applied. The AC voltage thus causes an oscillating mechanical movement of the piezo element. This oscillating movement is transmitted to the focusing device 9 of the sensor 3 in such a way that the focusing device 9 moves back and forth in the z direction, the deflection of the focusing device 9 from the rest position being proportional to the voltage applied to the piezo element.

Als Piezoelement eignen sich insbesondere Quarzkristalle, mit denen Bewegungen im Bereich von beispielsweise 70 µm durchgeführt werden können. Aufgrund der sehr hohen Genauigkeit und der direkten Proportionalität der Auslenkung zu der anliegenden Spannung solcher Piezoelemente können Auflösungen von unter 50 nm erzielt werden.Quartz crystals, with which movements in the Range of, for example, 70 microns can be performed. Because of the very high accuracy and the direct proportionality of the deflection to the adjacent one Voltage of such piezo elements can achieve resolutions of less than 50 nm.

Das Verfahren zur Bestimmung der z-Koordinate des Sensors 3, d. h. die Ermittlung der Kontur der Oberfläche 1 des Meßobjekts 2, wird nachfolgend beschrieben.The method for determining the z coordinate of the sensor 3 , ie determining the contour of the surface 1 of the measurement object 2 , is described below.

Entfernt sich die Oberfläche 1 des Meßobjekts 2 aus der Fokusebene der Fokussier einrichtung 9, so geht die Intensität des von der Empfängereinheit 8 empfangenen reflektierten Lichts 12 sofort stark zurück. Diese unmittelbare Abhängigkeit der empfangenen Lichtintensität vom Abstand des Sensors 3 zur Oberfläche 1 des Meß olbjekts 2 wird ausgenutzt, um die Position des Sensors 3 über die Antriebsvorrichtung 4 zu regeln. Die Position des Sensors 3 wird in z-Richtung so lange nachgefahren, bis die von der Empfängereinrichtung 8 empfangene Lichtintensität einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt.If the surface 1 of the measurement object 2 is removed from the focal plane of the focusing device 9 , the intensity of the reflected light 12 received by the receiver unit 8 immediately drops sharply. This direct dependence of the received light intensity on the distance from the sensor 3 to the surface 1 of the measuring object 2 is used to regulate the position of the sensor 3 via the drive device 4 . The position of the sensor 3 is traced in the z direction until the light intensity received by the receiver device 8 exceeds a predetermined threshold value.

In dieser Stellung des Sensors 3 wird die Positionsnachführung des Sensors 3 durch die Antriebsvorrichtung 4 beendet und die Position des Sensors 3 in z-Richtung mittels des Meßsystems 5 erfasst. Das Meßsystem 5 gibt den Meßwert der Sensorposition in z- Richtung sodann an die Auswerteeinheit 6 weiter. Die Auswerteeinheit 6 kann dann beispielsweise zusammen mit den Koordinaten des Sensors 3 in der x-Richtung und der y-Richtung und durch Verschieben des Sensors 3 in der x-y-Ebene an der Meß einrichtung die Kontur der Oberfläche 1 des Meßobjekts 2 bestimmen und dem Benutzer anzeigen. In this position of the sensor 3 , the position tracking of the sensor 3 by the drive device 4 is ended and the position of the sensor 3 in the z direction is detected by the measuring system 5 . The measuring system 5 then passes the measured value of the sensor position in the z direction to the evaluation unit 6 . The evaluation unit 6 can then, for example, together with the coordinates of the sensor 3 in the x direction and the y direction and by moving the sensor 3 in the xy plane on the measuring device determine the contour of the surface 1 of the measurement object 2 and the user Show.

Dies entspricht auch in etwa dem Meßprinzip von herkömmlichen optischen Sensoren, wie es zum Beispiel auch bei dem in der eingangs erwähnten EP 0 330 901 A1 offenbarten Sensor eingesetzt wird. Mit dieser Grobpositionierung des Sensors 3 in z- Richtung sind bekanntermaßen Meßgenauigkeiten von wenigen 100 nm möglich. Um die Meßgenauigkeit weiter zu erhöhen, weist der erfindungsgemäße Sensor 3 zusätzlich die Vorrichtung 10 zur Oszillationsbewegung der Fokussiereinrichtung 9 auf.This also corresponds approximately to the measuring principle of conventional optical sensors, as is also used, for example, in the sensor disclosed in EP 0 330 901 A1 mentioned at the beginning. With this rough positioning of the sensor 3 in the z direction, measurement accuracies of a few 100 nm are known to be possible. In order to further increase the measuring accuracy, the sensor 3 according to the invention additionally has the device 10 for the oscillating movement of the focusing device 9 .

Wie oben beschrieben, wird zur Erzeugung der hochgenauen Oszillationsbewegung der Fokussiereinrichtung 9 bevorzugt ein Piezoelement benutzt. An diesem Piezoelement wird eine Wechselspannung angelegt, wobei der Spannungsverlauf der Auswerteeinheit 6 für die Auswertung der in der Empfängereinheit 8 erfassten Intensitäten des reflektierten Lichts 12 bekannt ist bzw. zugeführt wird. Das Piezoelement hat bekanntermaßen die Eigenschaft, daß die mechanische Längenänderung des Piezo ellements proportional zur angelegten Spannung ist. Somit kann in der Auswerteeinheit von der angelegten Spannung direkt auf die Längenänderung des Piezoelements geschlossen werden. Als Wechselspannung wird bevorzugt eine Wechselspannung mit sinusförmigem Verlauf verwendet, es sind aber auch andere Spannungsverläufe, wie zum Beispiel dreieckförmige oder sägezahnförmige Wechselspannungen denkbar. Der Vorteil der sinusförmigen Wechselspannung liegt aber an der einfachen Verfügbarkeit derselben und an dem "weichen" Kurvenverlauf im Bereich der Maximalwerte, der für den Piezoeffekt im Piezoelement günstiger ist als ein abrupter Steigungswechsel im Spannungsverlauf.As described above, a piezo element is preferably used to generate the highly precise oscillating movement of the focusing device 9 . An AC voltage is applied to this piezo element, the voltage profile of the evaluation unit 6 being known or being supplied for evaluating the intensities of the reflected light 12 detected in the receiver unit 8 . As is known, the piezo element has the property that the mechanical change in length of the piezo element is proportional to the applied voltage. In this way, the applied voltage in the evaluation unit can be used to directly infer the change in length of the piezo element. An AC voltage with a sinusoidal profile is preferably used as the AC voltage, but other voltage profiles, such as triangular or sawtooth-shaped AC voltages, are also conceivable. The advantage of the sinusoidal alternating voltage lies in the simple availability of the same and in the "soft" curve profile in the range of the maximum values, which is more favorable for the piezo effect in the piezo element than an abrupt change in the gradient in the voltage profile.

Da die Vorrichtung 10 zur Oszillationsbewegung der Fokussiereinrichtung 9 derart mit der Fokussiereinrichtung 9 gekoppelt ist, daß die Längenänderung des Piezoelements direkt eine Verschiebung der Fokussiereinrichtung 9 in Richtung des Abstandes von der Oberfläche 1 des Meßobjekts 2 (z-Richtung) bewirkt, kann auf diese Weise von der an dem Piezoelement angelegten Spannung direkt auf eine Positionsverschiebung der Fokussiereinrichtung 9 in z-Richtung geschlossen werden.Since the device 10 for the oscillating movement of the focusing device 9 is coupled to the focusing device 9 in such a way that the change in length of the piezo element directly causes a displacement of the focusing device 9 in the direction of the distance from the surface 1 of the measurement object 2 (z direction), in this way the position of the focusing device 9 in the z direction can be deduced directly from the voltage applied to the piezo element.

Die exakte Bestimmung der z-Koordinate wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher erläutert. Darin zeigt die Kurve A ausschnittweise den zeitlichen Verlauf der an dem Piezoelement anliegenden Spannung U(t) und damit auch die mechanische Verschiebung z(t) der Fokussiereinrichtung 9 in z-Richtung, und die Kurve B zeigt den zeitlichen Intensitätsverlauf I(t) des von der Empfängereinrichtung 8 empfangenen Lichts 12. The exact determination of the z coordinate will now be explained in more detail with reference to FIG. 2. In it, curve A shows a section of the time profile of the voltage U (t) applied to the piezo element and thus also the mechanical displacement z (t) of the focusing device 9 in the z direction, and curve B shows the time intensity profile I (t) of the light 12 received by the receiver device 8 .

Da es sich bei der an dem Piezoelement angelegten Wechselspannung, wie oben angegeben, um eine nicht-lineare Sinusspannung handelt, kann nicht die gesamte Sinushalbphase für die Messung genutzt werden. Dies bedeutet, daß beispielsweise bei einem Piezoelement mit einem maximalen Verschiebungsbereich von 70 µm nur etwa eine Verschiebung von 35 µm auswertbar ist. Etwa die Hälfte der in Fig. 2 dargestellten Sinuskurve A verläuft linear. Deshalb muß die Sensorposition durch die Antriebsvorrichtung 4 so eingestellt werden, daß die Intensität des von der Oberfläche 1 des Meßobjekts 2 Lichts 12 in dem linearen Bereich der sinusförmigen Spannung gemessen wird, wie dies in dem Ausschnitt von Fig. 2 dargestellt ist.Since the AC voltage applied to the piezo element, as stated above, is a non-linear sine voltage, the entire sine half phase cannot be used for the measurement. This means that, for example, in the case of a piezo element with a maximum displacement range of 70 μm, only a displacement of 35 μm can be evaluated. About half of the sine curve A shown in FIG. 2 is linear. Therefore, the sensor position must be adjusted by the drive device 4 so that the intensity of the light 12 from the surface 1 of the measurement object 2 is measured in the linear range of the sinusoidal voltage, as shown in the detail of FIG. 2.

Von der Empfängereinrichtung 8 wird kontinuierlich die Intensität des reflektierten Lichts erfasst. Über die Steuereinheit 16 wird die Antriebsvorrichtung 4 also so lange angesteuert, um den Sensor 3 in z-Richtung zu verschieben, bis die von der Empfängereinrichtung 8 erfasste Intensität des reflektierten Lichts 12 einen vor bestimmten Schwellwert übersteigt und die Intensitätskurve B von Fig. 2 im linearen Bereich der Oszillationsbewegung des Piezoelements und der Fokussiereinrichtung 9 ist.The intensity of the reflected light is continuously detected by the receiver device 8 . Via the control unit 16 , the drive device 4 is controlled until the sensor 3 is displaced in the z direction until the intensity of the reflected light 12 detected by the receiver device 8 exceeds a predetermined threshold value and the intensity curve B of FIG linear range of the oscillation movement of the piezo element and the focusing device 9 .

Nun wird der Auswerteeinheit 6 die von dem Meßsystem 5 ermittelte (grobe) z- Koordinate übermittelt. Gleichzeitig wertet die Auswerteeinheit 6 die ihr von der Empfängervorrichtung 8 evt. über den Umweg der Steuereinheit 16 zugeleiteten Meßwerte der Intensität des reflektierten Lichts 12 aus, um die exakte z-Koordinate zu ermitteln.Now the (rough) z coordinate determined by the measuring system 5 is transmitted to the evaluation unit 6 . At the same time, the evaluation unit 6 evaluates the measured values of the intensity of the reflected light 12 which it may have received from the receiver device 8 via the detour of the control unit 16 , in order to determine the exact z coordinate.

Hierzu werden sämtliche Meßwerte der Lichtintensität während einer halben Schwingungsperiode der an dem Piezoelement anliegenden Wechselspannung in den einzelnen Zählkanälen der Auswerteeinheit 6 erfasst und mittels eines A/D-Umsetzers (nicht gezeigt) in digitale Werte umgesetzt, so daß sich im wesentlichen ein Kurvenverlauf B von Fig. 2 ergibt, der beispielsweise auch direkt dem Benutzer an der Auswerteeinheit 6 angezeigt werden kann. Nun wird von der Auswerteeinheit 6 der Schwerpunkt der Intensitätskurve B von Fig. 2 ermittelt, wobei nur Intensitätswerte oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes herangezogen werden. Auf die absolute Intensitätswerte kommt es hierbei nicht an.For this purpose, all measured values of the light intensity are recorded in the individual counting channels of the evaluation unit 6 during a half oscillation period of the AC voltage applied to the piezo element and converted into digital values by means of an A / D converter (not shown), so that essentially a curve B of Fig. 2 shows that can be displayed, for example, directly to the user at the evaluation unit 6. The center of gravity of the intensity curve B of FIG. 2 is now determined by the evaluation unit 6 , only intensity values above a predetermined threshold value being used. The absolute intensity values are not important here.

Nach der Schwerpunktsermittlung der Intensitätskurve ist zunächst nur der Zählkanal der Auswerteeinheit 6 bekannt, der dem Spannungswert der an dem Piezoelement anliegenden Wechselspannung für die gesuchte z-Koordinate entspricht. Aus diesem Grunde muß die Vorrichtung 10 mit dem Piezoelement vor der ersten Messung anhand einer Eichprobe mit bekannter Höhenabstufung geeicht werden, um die z-Verschiebung ausgehend von dem durch die Antriebsvorrichtung 4 eingestellten Meßwert der z- Koordinate zu erhalten. Mit einer so geeichten Vorrichtung 10 kann dann anhand des durch die Schwerpunktsermittlung bestimmten Zählkanals der Auswerteeinheit 4 direkt die z-Verschiebung von der durch das Meßsystem 5 ermittelten groben z-Koordinate bestimmt werden.After determining the center of gravity of the intensity curve, initially only the counting channel of the evaluation unit 6 is known, which corresponds to the voltage value of the AC voltage applied to the piezo element for the sought z coordinate. For this reason, the device 10 with the piezo element must be calibrated prior to the first measurement using a calibration sample with a known height gradation in order to obtain the z displacement based on the measured value of the z coordinate set by the drive device 4 . With a device 10 calibrated in this way, the z displacement of the rough z coordinate determined by the measuring system 5 can then be determined directly on the basis of the counting channel of the evaluation unit 4 determined by the determination of the center of gravity.

Es wird an dieser Stelle nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, daß unter der gesuchten z-Verschiebung keine Nachführung des Sensors 3 zu verstehen ist, sondern daß der exakte z-Meßwert gegenüber der durch das Meßsystem 5 ermittelten z- Koordinate verschoben ist bzw. von dieser abweicht, und diese Abweichung bestimmt wird.At this point, it is expressly pointed out again that the sought z-displacement is not to be understood as a tracking of the sensor 3 , but that the exact z-measured value is shifted or deviates from the z-coordinate determined by the measuring system 5 , and this deviation is determined.

Mit Piezoelementen mit Schwingungsbereichen von beispielsweise 70 µm, 50 µm und 25 µm lassen sich auf diese Weise theoretische Meßgenauigkeiten von 20 nm, 12 nm bzw. 6 nm erzielen. Die tatsächliche Meßgenauigkeit der Vorrichtung wird in Abhängigkeit von der eingesetzten Meßvorrichtung und von Umgebungsbedingungen etwas geringer sein.With piezo elements with vibration ranges of, for example, 70 µm, 50 µm and In this way, 25 µm theoretical measuring accuracies of 20 nm, 12 nm or 6 nm. The actual measuring accuracy of the device is in Dependence on the measuring device used and on ambient conditions be a little less.

Anstelle Messung der z-Verschiebung während einer halben Schwingungsperiode der an dem Piezoelement anliegenden Wechselspannung kann die Messung auch über mehrere solcher halben Schwingungsperioden durchgeführt werden. Auf diese Weise werden für jede Positionsbestimmung mehrere Meßzyklen erzeugt, über die von der Auswerte einheit 6 ein statistischer Mittelwert der gesuchten z-Koordinate bestimmt werden kann. Alternativ ist es auch möglich, das Ergebnis jeder Messung einer halben Schwingungs periode an einen externen Rechner weiterzuleiten und diese Schritte mehrfach auszuführen, so daß die statistische Mittelwertbildung im externen Rechner durch geführt wird.Instead of measuring the z-shift during a half oscillation period of the AC voltage applied to the piezo element, the measurement can also be carried out over several such half oscillation periods. In this way, several measurement cycles are generated for each position determination, by means of which the evaluation unit 6 can determine a statistical mean value of the z coordinate sought. Alternatively, it is also possible to forward the result of each measurement of a half oscillation period to an external computer and to carry out these steps several times, so that the statistical averaging is carried out in the external computer.

Ferner ist es grundsätzlich möglich, die ausgewerteten Meßsignale von der Auswerteeinheit 6 nur anzeigen zu lassen, was beispielsweise für die Kontrolle einer manuellen Justierung des Sensors 3 oder eines Meßobjekts 2 sinnvoll ist, oder aber die Ergebnisse der Auswertung über eine Schnittstelle an der Auswerteeinheit 6 auch externen Einheiten, wie insbesondere Rechnern, zur Verfügung zu stellen.Furthermore, it is fundamentally possible to have the evaluated measurement signals only displayed by the evaluation unit 6 , which is useful, for example, for checking a manual adjustment of the sensor 3 or a measurement object 2 , or the results of the evaluation via an interface on the evaluation unit 6 to make available external units, such as computers in particular.

Der oben beschriebene Sensor 3 gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf einfache Weise in jede bekannte Meßvorrichtung integriert werden. Außerdem sind mit dem erfindungsgemäßen Sensor 3 sowohl Einzelpunktmessungen als auch Messungen im Scanmodus der Meßvorrichtung möglich.The sensor 3 according to the present invention described above can be easily integrated into any known measuring device. In addition, both single-point measurements and measurements in the scan mode of the measuring device are possible with the sensor 3 according to the invention.

Anschließend wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand von Fig. 3 näher beschrieben.A second exemplary embodiment of the present invention will now be described in more detail with reference to FIG. 3.

Das anhand der Fig. 1 und 2 beschriebene erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors 3 wird in der Meßvorrichtung gemäß Fig. 3 zusammen mit einem Videosensor 17 eingesetzt. Gleiche Elemente des Sensors 3 sind in Fig. 3 mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1.The first exemplary embodiment of a sensor 3 according to the invention described with reference to FIGS . 1 and 2 is used in the measuring device according to FIG. 3 together with a video sensor 17 . The same elements of the sensor 3 are provided with the same reference symbols in FIG. 3 as in FIG. 1.

Auf der linken Seite von Fig. 3 ist der Lasersensor 3 von Fig. 1 dargestellt. Für eine kompaktere Bauweise ist hier die Laserlichtquelle 7 parallel zur Empfängereinrichtung 8 angeordnet. Das von der Laserlichtquelle 7 ausgestrahlte Licht 11 wird von einem ersten, um 45° geneigten Spiegel 18 um 90° umgelenkt, durchläuft dann einen zweiten, um 45° geneigten halbdurchlässigen Spiegel 19 und wird anschließend von einem dritten, um 45° geneigten halbdurchlässigen Spiegel 20 wieder um 90° in Richtung auf die zu vermessende Oberfläche 1 eines Meßobjekts 2 umgelenkt. Der Lichtstrahl 11 wird mittels der Fokussiereinrichtung 9 auf die Oberfläche 1 des Meßobjekts 2 fokussiert.The laser sensor 3 of FIG. 1 is shown on the left side of FIG. 3. For a more compact design, the laser light source 7 is arranged parallel to the receiver device 8 . The light 11 emitted by the laser light source 7 is deflected by 90 ° by a first mirror 18 inclined by 45 °, then passes through a second semi-transparent mirror 19 inclined by 45 ° and then becomes a third semi-transparent mirror 20 inclined by 45 ° deflected again by 90 ° in the direction of the surface 1 of a measurement object 2 to be measured. The light beam 11 is focused on the surface 1 of the measurement object 2 by means of the focusing device 9 .

Der von der Oberfläche 1 des Meßobjekts 2 reflektierte Lichtstrahl 12 durchläuft das Objektiv 9, wird dann von dem dritten, halbdurchlässigen Spiegel 20 und anschließend von dem zweiten, halbdurchlässigen Spiegel 19 jeweils um 90° umgelenkt, und schließlich mittels einer Linse 14 auf die Blendenöffnung der Blende 15 fokussiert. Hinter der Blendenöffnung der Blende 15 wird die Intensität des reflektierten Lichts 12 von der Empfängereinrichtung 8 erfasst, und die Meßsignale werden, wie oben beschrieben an die Steuereinheit 16, die Antriebsvorrichtung 4 und die Auswerteeinheit 6 weitergeleitet.The light beam 12 reflected by the surface 1 of the measurement object 2 passes through the lens 9 , is then deflected by 90 ° by the third, semi-transparent mirror 20 and then by the second, semi-transparent mirror 19 , and finally by means of a lens 14 onto the aperture of the Aperture 15 focused. Behind the aperture of the aperture 15 , the intensity of the reflected light 12 is detected by the receiver device 8 , and the measurement signals, as described above, are forwarded to the control unit 16 , the drive device 4 and the evaluation unit 6 .

Die Nachführung des Sensors 3 in z-Richtung und die Oszillationsbewegung der Fokussiereinrichtung 9 sowie die Auswertung der Intensitätsmessung erfolgen analog zu dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel und werden deshalb an dieser Stelle nicht nochmals erläutert.The tracking of the sensor 3 in the z direction and the oscillation movement of the focusing device 9 and the evaluation of the intensity measurement take place analogously to the first exemplary embodiment described above and are therefore not explained again at this point.

Neben dem Lasersensor 3 zur Erfassung der z-Koordinaten der Oberfläche 1 des Meßobjekts 2 ist der Videosensor 17 zur Bestimmung der Meßpunkte auf der Oberflä che 1 des Meßobjekts 2 in der x-y-Ebene vorgesehen. Der Videosensor 17 weist im wesentlichen eine Kamera 21 mit angeschlossener Bildverarbeitungseinrichtung (nicht dargestellt) auf.In addition to the laser sensor 3 for detecting the z coordinates of the surface 1 of the measurement object 2 , the video sensor 17 is provided for determining the measurement points on the surface 1 of the measurement object 2 in the xy plane. The video sensor 17 essentially has a camera 21 with a connected image processing device (not shown).

Der Videosensor 17 arbeitet ebenfalls berührungsfrei und in der z-Achse durch die Fokussiereinrichtung 9 auf die Oberfläche 1 des Meßobjekts 2. Das von der Laserlichtquelle 7 ausgestrahlte und an der Oberfläche 1 des Meßobjekts 2 reflektierte Licht läuft teilweise durch den dritten, halbdurchlässigen Spiegel 20 hindurch und wird über eine Linse 22 auf das Objektiv der Kamera 21 fokussiert. Die Bestimmung der einzelnen Meßpunkte eines zu erfassenden Meßobjekts 2 erfolgt in an sich bekannter Weise anhand eines von einem an der Kamera 21 angeschlossenen Videoprozessors (nicht gezeigt) digitalisierten Graubildes des Meßobjektausschnittes. Die jeweiligen Konturen in der x- und y-Richtung werden durch Kantenfinderroutinen im Graubild erfaßt, während in z-Richtung die Meßpunkte mit dem automatisch fokussierenden Lasersensor 3 vermessen werden, wie oben beschrieben.The video sensor 17 also works without contact and in the z-axis through the focusing device 9 onto the surface 1 of the measurement object 2 . The light emitted by the laser light source 7 and reflected on the surface 1 of the measurement object 2 partly passes through the third, semi-transparent mirror 20 and is focused on the lens of the camera 21 via a lens 22 . The determination of the individual measurement points of a measurement object 2 to be recorded is carried out in a manner known per se using a gray image of the measurement object section digitized by a video processor (not shown) connected to the camera 21 . The respective contours in the x and y directions are detected in the gray image by edge finder routines, while the measuring points are measured in the z direction with the automatically focusing laser sensor 3 , as described above.

Wichtig ist hierbei, daß der Lasersensor 3 und der Videosensor 17 in der z-Achse auf einem gemeinsamen Strahlengang liegen bzw. arbeiten. Auf diese Weise ist es möglich, daß von beiden Systemen 3, 17 immer ein gleicher Meßpunkt auf der Oberfläche 1 des Meßobjekts erfasst wird, ohne daß ein räumlicher Offset zu berücksichtigen wäre.It is important here that the laser sensor 3 and the video sensor 17 lie or work in the z-axis on a common beam path. In this way it is possible that both systems 3 , 17 always record the same measurement point on the surface 1 of the measurement object, without having to take into account a spatial offset.

Um die Bestimmung der einzelnen Meßpunkte eines zu erfassenden Meßobjekts 2 weiter zu verbessern, wird ein Teil des von der Oberfläche 1 reflektierten Lichts an einem vierten, um 45° geneigten halbdurchlässigen Spiegel 23 aus dem Strahlengang zwischen Fokussiereinrichtung 9 und Kamera 21 ausgekoppelt und über einen weiteren fünften Spiegel 24 und eine Linse 25 auf eine Lichteinkopplungsvorrichtung 26 fokussiert.In order to further improve the determination of the individual measurement points of a measurement object 2 to be detected, part of the light reflected from the surface 1 is coupled out of the beam path between the focusing device 9 and camera 21 at a fourth semi-transparent mirror 23 inclined by 45 ° and via another fifth mirror 24 and a lens 25 focused on a light coupling device 26 .

Claims

1. A method for measuring a surface ( 1 ) of a measurement object ( 2 ) by means of an optical sensor ( 3 ), wherein
the sensor ( 3 ) directs a light beam ( 11 ) via a focusing device ( 9 ) onto the surface ( 1 ) of the measurement object ( 2 ) to be measured;
the sensor ( 3 ) detects a light beam ( 12 ) reflected by the surface of the measurement object by means of a receiver device ( 8 ) and generates a measurement signal therefrom;
the distance of the sensor ( 3 ) from the surface ( 1 ) of the measurement object ( 2 ) is changed as a function of the measurement signal generated by the receiver device ( 8 ) such that the surface of the measurement object lies in the focal plane of the focusing device ( 9 ); and
the coordinates of the measuring point on the surface ( 1 ) of the measuring object ( 2 ) are determined from the position of the sensor ( 3 );
characterized by
that the focusing device ( 9 ) in the direction of the distance from the surface ( 1 ) of the measurement object ( 2 ) is moved back and forth with high precision.

2. The method according to claim 1, characterized in that the oscillating movement of the focusing device ( 9 ) by means of a piezo element ( 10 ).

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the oscillating movement of the focusing device ( 9 ) is sinusoidal.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that during the oscillating movement of the focusing device ( 9 ) by means of the receiver device ( 8 ), the light intensities of the light reflected from the surface ( 1 ) are detected, and then the focus of the intensity curve thus detected as Measured value for the surface ( 1 ) is determined.

5. The method according to claim 4, characterized, that to determine the center of gravity of the intensity curve only intensity values above of a predetermined threshold value are taken into account.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the measuring points on the surface ( 1 ) of the measurement object ( 2 ) are further determined by means of a video sensor ( 17 ).

7. The method according to claim 6, characterized in that the video sensor ( 17 ) in the axis of the focusing device ( 9 ) works on the same beam path as the sensor ( 3 ).

8. Device for measuring a surface ( 1 ) of a measurement object ( 2 ) by means of an optical sensor ( 3 ), wherein
the sensor ( 3 ) has a light source ( 7 ) and a focusing device ( 9 ) for directing a light beam ( 11 ) onto the surface ( 1 ) of the measurement object ( 2 ) to be measured;
the sensor ( 3 ) has a receiver device ( 8 ) for detecting a light beam ( 12 ) reflected from the surface ( 1 ) of the measurement object ( 2 ) and generating a corresponding measurement signal;
the device has a device ( 4 ) for changing the distance of the sensor ( 3 ) from the surface ( 1 ) of the measurement object ( 2 ) as a function of the measurement signal generated by the receiver device ( 8 ) such that the surface of the measurement object is in the focal plane the focusing device ( 9 ); and
the device has an evaluation unit ( 6 ) for determining the coordinates of the measurement point on the surface of the measurement object from the position of the sensor ( 3 );
characterized,
that the sensor ( 3 ) further comprises a device ( 10 ) for generating a highly precise oscillating movement of the focusing device ( 9 ) in the direction of the distance from the surface ( 1 ) of the measurement object ( 2 ).

9. The device according to claim 8, characterized in that the device ( 10 ) for oscillating movement of the focusing device ( 9 ) contains a piezo element.

10. The device according to claim 8 or 9, characterized in that the oscillating movement of the focusing device ( 9 ) is sinusoidal.

11. Device according to one of claims 8 to 10, characterized in that the evaluation unit has a device for determining the center of gravity of the intensity curve detected by the receiver device ( 8 ) during the oscillating movement of the focusing device ( 9 ).

12. The device according to claim 11, characterized, that to determine the center of gravity of the intensity curve only intensity values above of a predetermined threshold value are taken into account.

13. Device according to one of claims 8 to 12, characterized in that the device further comprises a video sensor ( 17 ) for determining the measuring points on the surface ( 1 ) of the measurement object ( 2 ).

14. The apparatus according to claim 13, characterized in that the video sensor ( 17 ) in the axis of the focusing device ( 9 ) works on the same beam path as the sensor ( 3 ).