DE202005020705U1

DE202005020705U1 - Vorrichtung zum Vermessung und/oder Bearbeiten von dreidimensionalen Objekten mittels Lichtstrahlen

Info

Publication number: DE202005020705U1
Application number: DE202005020705U
Authority: DE
Original assignee: SOLITON Laser- und Meßtechnik GmbH; SOLITON LASER und MESTECHNIK G
Current assignee: SOLITON Laser- und Meßtechnik GmbH; SOLITON LASER und MESTECHNIK G
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2015-01-28

Abstract

Vorrichtung zum Messen und/oder Bearbeiten von Objekten (3) mit dreidimensionaler Struktur, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
– es ist eine Objekt- oder Referenzebene (1) vorgesehen, auf welcher das zu vermessende und/oder zu bearbeitende Objekt (3) positionierbar ist oder deren Koordinaten in Relation zu dem Objekt (3) unter Bildung einer Referenzebene bringbar sind,
– es ist ein Lichtgenerator (15) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (7) vorgesehen,
– die Vorrichtung umfasst eine Optik (17), mittels derer der Lichtstrahl (7) auf einer Raumachse (5) ausrichtbar ist, wobei die Ausrichtung der Raumachse (5) in Anlehnung an Kugelkoordinaten durch den Azimutwinkel (α), der in der Ebene liegt, die parallel zur Objekt- oder Referenzebene (1) verläuft, und durch seinen Meridian- oder Elevationswinkel (γ), der zwischen der Raumachse (5) und der erwähnten der Objekt- oder Referenzebene (1) verläuft oder durch den dazu gebildeten Nebenwinkel, der zwischen der Raumachse (5) und einer zur Objekt- oder Referenzebene...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermessen und/oder Bearbeiten von dreidimensionalen Objekten mittels Lichtstrahlen.
Es sind zahlreiche Anwendungsfälle bekannt, die ein genaues Vermessen von dreidimensionalen Objekten erfordern. Beispielsweise bei der Vermessung von Gehäusen oder Gehäuseteilen für Handys, für elektronische Geräte allgemein, für Präzisionsteile wie beispielsweise auch in der Zahntechnik etc., müssen in der Regel zunächst die genauen 3D-Daten erfasst werden, um dann beispielsweise mittels Frästechnik entsprechende Objekte, Gussformen etc. automatisiert herzustellen.
Eine der möglichen Grundlagen hierzu ist die Lasertechnik.
Möchte man Materialien mit Licht vermessen oder auch bearbeiten, so ist die Einstrahlrichtung und der Abstand zwischen dem Objekt (d.h. dem zu vermessenden bzw. zu bearbeitenden Material) und der dem Objekt am nächsten liegenden Optik für die Genauigkeit der Bearbeitungs- bzw. der Messgeschwindigkeit wichtig. In den meisten Fällen sollten die Lichtstrahlen möglichst senkrecht auf die Objektfläche fallen und dabei die Optik so nah wie möglich an dem zu vermessenden Objekt positioniert werden, um mit einer möglichst großen numerischer Apertur (NA) arbeiten zu können
Von daher sind eine Reihe von Einsatzfällen bekannt geworden, bei denen beispielsweise ein Laserstrahl senkrecht über eine Objektebene, auf dem ein zu vermessendes Objekt positioniert ist, in mäanderförmigen Linienbewegungen über das zu vermessende Objekt hinweg verfahren wird, um durch einen entsprechenden, auf Lasertechnik basierenden Abstandsensor die Abstände zwischen dem jeweiligen Lichtauftreffpunkt auf dem Objekt und einer Referenzebene zu bestimmen. Weisen allerdings die zu vermessenden Objekte selbst Vertikalwände oder Vertikalwandabschnitte auf, die also senkrecht oder fast senkrecht zur Objektfläche verlaufen, so nimmt die Messgenauigkeit drastisch ab, da der Messstrahl quasi parallel zu der zu vermessenden Fläche verläuft.
Häufig ist eine Bewegung des zu vermessenden dreidimensionalen Objektes und/oder der Optik erforderlich, um ausreichend Messdaten zu erfassen bzw. eine Vermessung unter verschiedenen Strahlrichtungen durchzuführen (vor allem zur Fehlerminimierung oder Fehlerkompensation). Dies wird in der Regel durch Koordinatenmessmaschinen oder CNC-Maschinen bewerkstelligt. Hierbei wird das zu vermessende bzw. zu bearbeitende Objekt, die Optik oder auch beides bewegt. Häufig sind dazu fünf und mehr Achsen erforderlich.
Insbesondere in der Automobilbranche werden in der Regel eine Vielzahl von Achsen aufweisende Roboter verwendet, die um ein zu vermessendes Objekt herum verfahren bzw. bewegt werden, um alle Daten der Oberfläche zu ermitteln, die benötigt werden, um danach beispielsweise dann einen entsprechenden Fertigungs- oder Bearbeitungsprozess durchzuführen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zu schaffen.
Die Aufgabe wird entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Obgleich bereits eine Vielzahl von Vorrichtungen auf dem Markt erhältlich sind, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung vor allem in ihrer kombinatorischen Wirkung eine deutliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Verfahren oder Vorrichtungen geschaffen.
Mittels der vorliegenden Erfindung wird die Einstrahlrichtung sowie die Bewegung des für die Vermessung und/oder für die Bearbeitung des dreidimensionalen Objektes benötigten Lichtstrahles optimiert, um spezielle aber auch häufig vorkommende technische dreidimensionale Objekte kostengünstiger als bisher zu vermessen und/oder zu bearbeiten.
Die Erfindung baut im Wesentlichen auf dem Gedanken auf, dass die gesamte Mess-/Bearbeitungsanordnung letztlich Kugelkoordinaten ermittelt bzw. einstellt und dazu ein Laserstrahl möglichst schnell drehend unter Verwendung seines Azimutwinkels rotieren kann, wohingegen sein Elevations- oder Meridianwinkel (also der Winkel zwischen einer zur Rotationsachse senkrecht stehenden Ebene und der Raumachse des einfallenden Lichtstrahles) in der Regel feststeht und bei Bedarf verändert werden kann, also vor allem sich im Verhältnis zum Azimutwinkel nur selten und wenn nur langsam ändert oder ändern muss.
Dadurch ergibt sich ein völlig neuartiges Konzept, welches zu einer Gesamtanordnung führt, mit der zum einen mit hoher Mess- und gegebenenfalls Bearbeitungsgenauigkeit Daten erfasst und Bearbeitungsvorgänge an einem Objekt durchgeführt werden können und dies insgesamt bei gegenüber herkömmlichen Lösungen vergleichsweise niedrigen Kosten!
Die Erfindung lässt sich somit also auch so zusammenfassen und beschreiben, dass ein zur Oberflächenvermessung oder Bearbeitung eines Objektes erzeugter Laserstrahl (im Folgenden wird teilweise von Laserstrahl gesprochen, obgleich allgemein ein Lichtstrahl oder Strahlenbündel verwendet werden kann) in einem Winkel zu einer Normalen ausgerichtet ist, die senkrecht zu einer Objektfläche steht, auf welcher das zu vermessende oder zu bearbeitende Objekt positioniert ist, oder die senkrecht zu einer Referenzfläche steht, welche in einer definierten räumlichen Lage sich zu dem zu vermessenden und/oder zu bearbeitenden Objekt befindet. Dieser Nebenwinkel kann unterschiedliche Werte annehmen. Dabei wird vorausgeschickt, dass grundsätzlich im Rahmen der Erfindung jedweder Winkel eingestellt werden kann, ohne jede Begrenzung oder Einschränkung. Üblicherweise werden diese Werte zwischen 0° bis +90° liegen bzw. in diesem Bereich variieren. Insbesondere beim Treppanieren ist der Nebenwinkel 0° oder nahe 0°, wodurch ein kreisrundes Loch erzeugt werden kann. Durch geschickte Variation des Nebenwinkels während des Bohr vorganges kann die Gestalt des Loches in Einstrahlrichtung beeinflusst werden. Dabei ist es ein ausgesprochener Vorteil, dass im Rahmen der Erfindung der Nebenwinkel alle benötigten und somit beliebigen Werte annehmen kann. Der Nebenwinkel kann also alle benötigten und somit beliebigen Werte annehmen. Bevorzugt wird er also so eingestellt, dass er nicht parallel zu einer zu bearbeitenden Fläche verläuft. Allgemein gesprochen wird also der Nebenwinkel in der Weise eingestellt, in der Regel voreingestellt oder im Laufe der Messung so verstellt, dass das gemittelte Mess-/Bearbeitungsergebnis bezogen auf den Nebenwinkel optimal wird. Von daher kann der Nebenwinkel grundsätzlich die erwähnten Werte von 0° bis 90° einnehmen. Da in einer anderen Variante der Erfindung der Licht- oder Laserstrahl nicht auf eine nachher noch im Einzelnen erörterte Zentral- oder Rotationsachse zu verlaufen, sondern auch weggeführt sein kann, kann der Laserstrahl hier auch auf Werte von 0° bis –90° sowie beliebige Zwischenwerte eingestellt werden. Der erwähnte Nebenwinkel wird also bevorzugt auf einem festen Wert voreingestellt, da er oft nicht verändert werden muss. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann er aber auch in weiten Grenzen beliebig verändert werden, falls dies gewünscht wird.
Geht man nicht vom Nebenwinkel, sondern vorzugsweise vom Meridian- oder Elevationswinkel aus, der also von der Objekt- oder Referenzebene gemessen wird, so kann der entsprechende Wert vorzugsweise zwischen 0° (also parallel zur Objekt- oder Referenzebene) bis 90° (also senkrecht zur Objekt- oder Referenzebene) verlaufend eingestellt werden. Wie in einem späteren Ausführungsbeispiel (6) gezeigt werden wird, kann die Raumachse des Lichtstrahls nicht von außen her mit einer Radialkomponente in Richtung Rotationsachse, sondern von der Rotationsachse weg ausgerichtet werden, so dass dann der Meridian- oder Elevationswinkel ausgehend von der Referenz- oder Objektebene negative Werte annimmt, also von 0° bis –90° variieren kann, vorzugsweise von –1° bis –89°. Die bevorzugten Werte betragen also +45° ± weniger als 44°, insbesondere + weniger als 40°, 30°, 20° oder + weniger als 10°.
Erfindungsgemäß lässt man den in einer räumlichen Achse, die in dem erwähnten Nebenwinkel zur Normalen bezogen auf die erwähnte Objekt- oder Referenzebene ausgerichtet ist, um diese Normale rotieren. Mit anderen Worten lässt man also die in die Objekt- oder Referenzebene gebildete Hauptprojektionsachse des räumlich ausgerichteten Laserstrahls um die bevorzugt mit der Normalen auf die Objektebene zusammenfallende Rotationsachse rotieren.
Die erwähnte Objekt- oder Referenzfläche kann beispielsweise mit einem Objekttisch (auf dem ein zu vermessendes Objekt positioniert wird) zusammenfallen. Die Objektfläche kann aber auch an einem Objekt eine direkt zu bearbeitende Fläche darstellen. Allgemeiner kann davon gesprochen werden, dass eine Normale oder Rotationsachse senkrecht zu einer Referenzebene ausgerichtet ist, die nicht mit der Objektfläche zusammenfallen muss. Üblicherweise wird die gesamte Anordnung so optimal eingestellt, dass letztlich der am Objekt einfallende Lichtstrahl einen möglichst kleinen Einfallswinkel (bezogen auf Objektflächennormale) um 0° oder nah an 0° aufweist oder erzielen kann, mit anderen Worten also möglichst große Einfallwinkel vermieden werden (da dadurch die Mess-/Bearbeitungsgenauigkeit verschlechtert werden würde).
Anstelle des oben definierten "Nebenwinkels" zwischen der längs einer Raumachse einfallenden Laserstrahles bezogen auf eine zur Referenzebene senkrecht ausgerichteten Normalen wird nachfolgend auch der Begriff "Meridianwinkel" oder "Elevationswinkel" verwendet, der jenen Winkel darstellt, der zwischen der Referenz- oder Objektebene 1 und der Raumachse des ein/ausfallenden Lichtstrahles gebildet ist.
Dieses Prinzip eröffnet die Möglichkeit, beispielsweise eine einen Lichtstrahl emittierende Einrichtung und/oder eine Sensoreinrichtung vorzugsweise in Form einer kombinierten Einheit stationär anzuordnen, vorzugsweise in axialer Verlängerung der Rotationsachse. Ein axial zur Rotationsachse austretender Lichtstrahl muss dann lediglich über eine geeignete Optik so ab- und umgelenkt werden, dass der Lichtstrahl mit entsprechend gewünschtem Neigungswinkel gegenüber der Objektebene um die Rotationsachse rotierend das zu vermessende oder zu bearbeitende Objekt umkreist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann dabei die Strahlumlenkeinrichtung von der Objektebene weg oder zu ihr hin verfahren werden, vorzugsweise gekoppelt. Dadurch lassen sich an den zu vermessenden Objekten die entsprechenden Daten auf unterschiedlichen Höhenniveaus parallel zur Objektebene nacheinander abtasten bzw. abfahren.
Besonders günstig lässt sich im Rahmen der Erfindung eine adaptive Optik verwenden, um hier entsprechende Feinjustierungen vornehmen zu können. Durch Verwendung einer an sich bekannten adaptiven Optik lässt sich der auf das Objekt fallende oder vom Objekt ausgehende Licht- oder Laserstrahl bezüglich seines divergierenden oder konvergierenden Verhaltens so verändert einstellen, dass ein entsprechend fokussierter Abbildungspunkt auf der Oberfläche des Objektes befindet. So kann auch der Arbeitsbereich entsprechend optimal eingestellt werden. Die Mitte des Arbeitsbereiches kann dabei als Arbeitspunkt definiert werden, der bevorzugt genau auf der Rotationsachse liegen kann. Das zu vermessende oder zu bearbeitende Objekt sollte also in der Objekt- oder Referenzebene bevorzugt im Arbeitspunkt positioniert werden oder zumindest bereichsnah zu diesem Arbeitsbereich. Durch die erwähnte adaptive Optik lässt sich also durch die Veränderung des konvergierenden oder divergierenden Licht- oder Laserstrahles der Messpunkt entsprechend verändert einstellen und zur Durchführung einer entsprechenden Optimierung nachfahren. So kann ein überwiegend rotationssymmetrisches Mess/Bearbeitungsobjekt so platziert werden, das seine Symmetrieachse mit der hier erwähnten Hauptdrehachse im wesentlichen übereinstimmt. Der Arbeitspunkt wird dann vorteilhafterweise so eingestellt, dass er durch eine Rotation um das Objekt herum gefahren werden kann, so dass das zum Strahlengang axiale Nachregeln des Arbeitspunktes entfallen kann oder nur langsam erfolgen muss.
Mit anderen Worten kann also der bevorzugte Raumwinkel des auf das zu vermessende bzw. zu bearbeitende Objekt einfallenden Lichtstrahles, d.h. seine in der Objektebene liegende Hauptprojektionsachse durch Drehung um seine Rotationsachse leicht und schnell variiert werden, und zwar unter Veränderung seines in der Objektebene um die Rotationsachse umlaufenden Hauptwinkels, während sein zweiter Raumwinkel, d.h. der Winkel zwischen der Raumachse des einfallenden Lichtstrahles und der Rotationsachse unverändert bleiben kann. Dabei kann der Nebenwinkel konstruktiv auch an Gegebenheiten und Besonderheiten des zu vermessenden Objektes angepasst werden, und zwar beispielsweise auf folgende Weise:

1. Die Drehvorrichtung wird gegenüber dem Lichtstrahl versetzt, indem entweder der Lichtstrahl oder die Drehvorrichtung verschoben und gedreht wird.
2. In der Drehvorrichtung befindliche optische Elemente werden gedreht, verschoben oder optisch gehalten, wobei es günstig ist, wenn keine oder nur wenige elektrische Kontakte die Dreheinrichtung verlassen müssen.
3. In der Drehvorrichtung befinden sich optische Elemente, die bezüglich der Polarisation oder der Wellenlänge unterschiedliches Verhalten haben. In Abhängigkeit der Polarisation und/oder der Wellenlänge der verwendeten Lichtstrahlen kann der zweite Raumwinkel beeinflusst werden.

Damit lässt sich im Rahmen der Erfindung für die Umlenkung des Lichtstrahls ein Prisma, beispielsweise nach Bauernfeind, verwenden. In diesem Fall lässt sich der Nebenwinkel nicht verändern. Darüber hinaus können aber auch mehrere Prismen eingesetzt werden oder beispielsweise ein Umlenkprisma und zumindest ein oder mehrere Umlenkspiegel. Gerade bei Verwendung von Umlenkspiegeln lässt sich sehr günstig und leicht der Nebenprojektionswinkel, also die winkelige Ausrichtung des Laserstrahlers zu seiner Rotationsachse verändern (beispielsweise rotes Licht reflektiert wird, während ein grüner Lichtstrahl eine entsprechende Grenzfläche eines Prismas oder eines Spiegels durchläuft).
Schließlich lassen sich auch in einer besonders bevorzugten Ausführungsform derartige im Lichtstrahl befindliche Spiegel wegbewegen , so dass beispielsweise auf einem zweiten Strahlenweg das Objekt direkt abgetastet werden kann (beispielsweise senkrecht zur Objektebene). Dies kann aber auch dadurch realisiert werden, dass beispielsweise polarisationsabhängige Spiegel verwendet werden, so dass eine Polarisationsebene über die Umlenkspiegel umgelenkt und die andere Polarisationsebene des Lichtes durch die im Strahlengang befindlichen Spiegel unabgelenkt hindurchtritt. Die gleichen Wirkungen können auch erzielt werden, indem beispielsweise wellenlängenabhängige Umlenkeinrichtungen, Spiegel oder Prismen verwendet werden, die das entsprechende Licht wellenlängenabhängig umlenken, hindurchlassen oder durch die Wellenlängenänderung es ermöglichen, den Nebenprojektionswinkel zu verändern.
Schließlich können aber im Strahlengang auch noch weitere Einrichtungen hinzugefügt werden, um beispielsweise Aufnahmen von dem Objekt zu machen.
Die Erfindung lässt sich aber auch mit weiteren vorteilhaften Abwandlungen und Weiterbildungen realisieren, die zusätzliche Vorteile bieten.
Vor allem erweist sich als günstig, gegebenenfalls ein sog. Trapez-Prisma zu verwenden. Dies eröffnet die Möglichkeit, einen Lichtgenerator und/oder einen Sensor bezogen zur Rotationsachse ortsfest anzuordnen. Der davon ausgehende und durch das Prisma fallende Lichtstrahl eröffnet die Möglichkeit, den Lichtstrahl rotieren zu lassen.
Diese Variante kann wiederum bevorzugt mit einer Hohlspiegelanordnung verbunden werden, um den Lichtstrahl dann fokussiert auf ein zu vermessendes und/oder zu bearbeitendes Objekt einfallen zu lassen. Dadurch lässt sich mit einfachen Mitteln auch bei großem Abstand zwischen Sensor und Objekt eine große numerische Apertur realisieren. Bei Verwendung von polarisiertem Licht dreht sich dieses mit, was besondere Bedeutung auch bei der Herstellung von Löchern und Kavitäten mit Lasern hat. Schließlich ist die Abbildung zwischen dem Sensor bzw. der Bearbeitungseinheit und dem Mess- bzw. Bearbeitungsobjekt symmetrisch zur Drehachse. D.h., eine feststehende Maske am Ausgang der Bearbeitungseinheit wird mitgedreht und wird achssymmetrisch abgebildet.
Durch einfache Veränderung des Einstellwinkels und des Abstandes gegenüber der Rotationsachse lassen sich dann in weiten Bereichen Einfallswinkel und Arbeitspunkt optimal einstellen und verändern.
Die Erfindung lässt sich unter Verwendung der unterschiedlichsten Sensoren grundsätzlich realisieren. Zum Messen können beispielsweise folgende Sensoren oder Sensorentypen verwendet werden:

– Triangulationssensoren
– Konoskopische Sensoren
– Konfokale Sensoren
– Weißlichtsensoren
– Punkt-, Zeilen und Flächensensoren
– Kameras
– und deren Kombinationen

Insbesondere wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Lasern gearbeitet. Es sind aber auch andere Lichtquellen einsetzbar, beispielsweise auch Lichtquellen in Verbindung mit Maskenprojektoren.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann – worauf bereits hingewiesen wurde – nicht nur die Oberfläche eines Objektes erfasst und gemessen, sondern gleichzeitig auch das Objekt bearbeitet werden. Dies erfolgt bevorzugt derart, dass der Bearbeitungslicht- oder Laserstrahl sowie ein vom Objekt reflektierter bzw. gestreuter Messstrahl über Strahlteiler kollinear gemacht werden und dann durch die gleiche optische Anordnung gehen.
Die hier erwähnten Sensoren benötigen ein beleuchtendes und ein zurückgestreutes bzw. reflektiertes Strahlbündel. Besonders vorteilhaft ist es, dass der beleuchtende Strahl mit einem bearbeitendem Strahl identisch sein kann.
Es ist ein entscheidender Vorteil der hier beschriebenen Anordnungen, insbesondere bei derjenigen, die die das Trapez-Prisma verwenden, dass das beleuchtende Stahlbündel und das zu Messzwecken zurückkommende Strahlbündel nicht den gleichen Strahlengang nehmen müssen. Auf diese Weise kann der für Triangulation benötigte Winkel erzeugt werden und der Arbeitspunkt und Strahlrichtung auf einfache Weise positioniert werden.
Die Erfindung baut also auf folgende nachfolgend nochmals wiedergegebenen Grundüberlegungen auf.
Zum Messen- und Bearbeiten mit Licht sind in der Regel fünf räumliche Freiheitsgrade von Bedeutung nämlich drei Koordinaten für den Arbeitspunkt bzw. den Arbeitsbereich (in der Regel mit x, y, z bezeichnet) und zwei Koordinaten für den Raumwinkel mit dem das Licht auf das Objekt auftrifft und/oder unter dem es beobachtet wird. Der Raumwinkel wird hier in Anlehnung an Kugelkoordinaten durch seinen Azimut- und seine Meridianwinkel beschrieben, wobei der Azimutwinkel in der Ebene liegt, die parallel zur erwähnten Objekt- oder Referenzebene verläuft und der Meridian- oder Elevationswinkel zwischen der Objekt- oder Referenzebene und der Raumachse des einfallenden Lichtstrahles liegt.
In den bis heute bekannten Anordnungen sind entweder alle Freiheitsgrade gleichberechtigt einstellbar wie beispielsweise bei einer Roboterlösung oder einer Koordinatenmessmaschinen oder aber dem Ein/Abstrahlwinkel wird nachgeordnete Priorität zu gewiesen, indem man ihn beispielsweise unverändert lässt, das heißt in der Regel ihn senkrecht zur Referenzebene (aber nicht senkrecht zur Oberfläche des Mess/Bearbeitungsobjektes) einfallen lässt. Dieses führt im ersten Fall zu langsamen und aufwendigen Systemen oder im zweiten Fall zu nicht optimalen Mess/Bearbeitungssystemen in dem Sinn, dass bessere Ergebnisse erzielbar wären, wenn der Einstrahl/Beobachtungswinkel besser gewählt worden wäre.
Es ist das Wesen dieser Erfindung, dass als primäre Größe der Raumwinkel eingestellt wird und dabei dem Azimutwinkel in sofern der Vorrang gegeben wird, als dass er durch eine einfache in der Regel kontinuierliche Drehung von nicht elektrischen Bauteilen verändert wird, während der Meridianwinkel außerhalb dieser Dreheinrichtung in einfacher Weise eingestellt werden kann oder bei vielen Anwendung konstruktiv als feste Größe vorgegeben werden kann. Deswegen wird auch im folgenden der Azimutwinkel Hauptwinkel genannt, während der Komplimentärwinkel zum Meridianwinkel als Nebenwinkel bezeichnet wird.
Durch die hier beschriebene Erfindung werden im Wesentlichen die den Raumwinkeln zugeordneten Achsen von einander unabhängig gemacht und mechanisch entkoppelt, d.h. eine Änderung des Azimutwinkels ändert nicht den Meridianwinkel und umgekehrt. Ebenso sitzen die Verstelleinheiten nicht aufeinander sondern sind fest (bezogen auf das Bezugsystem der Mess/Bearbeitungseinrichtung) montiert. Das bedeutet, dass sich die Einstellung beider Winkel technisch einfach, hochgenau und durch schnell arbeitende Systems realisieren lässt, da die eine nicht die andere Achse mitschleppen muss, wie dieses z.B. bei einer x,y-Verfahreinheit der Fall ist, bei der in der Regel die eine Achse auf der anderen montiert ist.
Zusätzlich lässt sich der Arbeitspunkt bzw. der Arbeitsbereich sowohl entlang der Einstrahl-/Beobachtungsrichtung als auch entlang der Rotationsachse ebenfalls unabhängig und entkoppelt durch das Verstellen von Objekten, z.B. das Verschieben und/oder Verkippen von optischen Elementen und/oder auch in Form einer handelsüblichen adaptiven Optik schnell und präzise einstellen.
Diese Konzept steht somit im Gegensatz zur Robotik bei der alle Achsen hintereinandergeschaltet sind.
Da man die meisten Mess/Bearbeitungsobjekte durch Umfahren von außen und/oder innen erfassen kann, ist der Erfindung ein weites Anwendungsgebiet eröffnet.
Außerdem kann die Anzahl der beweglichen Achsen sinnvoll reduziert werden, wenn das Mess- und/oder Bearbeitungsobjekt eine annähernde Achssymmetrie aufweist. Sollen z.B.
Pfosten-ähnliche Gebilde vermessen werden, würde der Messpunkt spiralförmig um das Messobjekt herumfahren. Hier würde die Bewegung von zwei Achsen ausreichen (Azimut-Achse und z-Achse). Die Azimut-Achse kann kontinuierlich mit hoher Geschwindigkeit drehen und die z-Bewegung kann mit dem gleichen Motor durchgeführt werden, so dass ein Antriebssystem ausreicht. Im Gegensatz zu heute üblichen Verfahren, bei denen häufig das Mess-/Bearbeitungsobjekt gedreht wird, entfallen hier die dort auftretenden Nachteil, nämlich das wegen der jeweiligen Objektform das Verfahren langsam und ungenau wird oder nicht von einer zusätzlich nötigen x-y-Bewegung entkoppelt werden kann. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Vermessung des Innengehäuses eines elektronisches Konsumartikels wie beispielsweise ein Handy. Im Inneren befinden sich viele pfostenähnliche Gebilde, die mit dem hier beschriebenen Verfahren in soweit verbessert vermessen werden können, als das Objekt mit einem fahrbaren x,y-Tisch so unter die Dreheinrichtung gefahren wird, dass das Zentrum des Pfostens auf der Drehachse liegt und dann wie beschrieben spiralförmig vermessen bzw. bearbeitet werden kann.
Im Rahmen der Erfindung kann also durch einfache Maßnahmen die gewünschte Einstellung oder Veränderung des Arbeitspunktes oder Arbeitsbereiches vorgenommen werden, beispielsweise in folgender Weise:

– der Fokus kann in seiner Lage längs der Rotationsachse verstellt werden;
– der Nebenwinkel kann durch Verkippen und/oder Verschieben der Laser- und/oder Messeinheit verändert werden; und
– der Auftreffpunkt des Lasers auf dem Objekt kann eingestellt oder verändert werden, liegt also mehr oder weniger nahe der Rotationsachse.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen:
1: eine schematische perspektivische Darstellung zur Erläuterung des Grundprinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
1a: eine schematische perspektivische Darstellung eines zu vermessenden bzw. zu bearbeitenden Objektes 3;
2: eine schematische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
2a: eine schematische Seitenansicht entsprechend der Darstellung in 2 bezüglich des in 2 verwendeten Prismas;
3: ein im weiteren Detail erläutertes Ausführungsbeispiel der anhand von 1 und 2 prinzipiell erörterten Ausführungsform;
4: eine Weiterbildung zu 2 mit einem zusätzlich verwendetem Sensor, z.B. Kamera;
5: ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel in schematischer Seitenansicht vergleichbar zu 2;
6: ein nochmals abgewandeltes Ausführungsbeispiel in schematischer Seitenansicht;
7: eine schematische Draufsicht auf ein zu bearbeitendes/vermessendes flächiges Objekt mittels einer Vorrichtung entsprechend 6;
8: ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel in Seitenansicht;
9: ein zu 8 entsprechendes Ausführungsbeispiel zur Verdeutlichung einer anderen Einstellmöglichkeit;
9a: ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel insbesondere zur Verwendung einer Triangulationsmessung;
9b : eine weitere Darstellung des Ausführungsbeispieles nach 9a, jedoch in einer Darstellung entsprechend der Pfeilrichtung IX in 9a;
10: ein nochmals abgewandeltes Ausführungsbeispiel;
10a: ein gegenüber 10 abgewandeltes Ausführungsbeispiel unter Erzeugung einer ringförmigen oder achssymmetrischen Abbildung ohne rotierendes Prisma;
11: eine seitliche Darstellung der Vorrichtung zur Verdeutlichung einer abweichenden Einstellung;
12: ein nochmals abgewandeltes Ausführungsbei spiel mit einem verstellbaren Spiegel; und
13: ein Ausführungsbeispiel zur Verdeutlichung der Umsetzung der Einstellvariante gemäß 12.
Nachfolgend wird auf die schematische räumliche Darstellung gemäß 1 Bezug genommen, in der die Grundlagen des nachfolgend dann noch im Einzelnen erläuterten erfindungsgemäßen Prinzips dargestellt wird.
In 1 ist eine Objekt- oder Referenzebene 1 in Form einer Kreisfläche dargestellt, die aufgrund der perspektivische Darstellung elliptisch erscheint. In Wirklichkeit ist diese Objektfläche häufig rechteckförmig oder allgemein n-polygonal, und zwar in Form eines Objekttisches, der in der X-Y-Horizontalebene verfahren werden kann. Diese sogenannte Objekt- oder Referenzebene 1 kann mit einem nachfolgend noch im Detail erörterten Objekttisch, insbesondere der Oberfläche eines Objekttisches übereinstimmen, der beispielsweise in einer X-Y-Horizontalebene liegend ausgerichtet sein kann. Die erwähnte Objekt- oder Referenzebene 1 muss aber nicht so ausgerichtet werden. Sie kann gegenüber der Oberfläche eines Objekttisches winklig verlaufen. Wie nachfolgend noch erörtert wird, erfolgt die Definition der Objekt- oder Referenzebene 1 derart, dass ein Lichtstrahl 7 an dem zu vermessenden und/oder zu bearbeitenden Objekt 3 keine Unterschneidungen sieht. Mit anderen Worten wird also zumindest die Referenzebene 1 so ausgerichtet, dass bezogen auf ein zu vermessendes bzw. zu bearbeitendes Objekt der einfallende Licht- oder Laserstrahl mit möglichst kleinem Einfallswinkel bezüglich der Flächennormale des Objekt einfällt, bevorzugt also möglichst nahe an 0° herankommt, wodurch die Messgenauigkeit vergrößert wird. Bei der Vermessung eines 3D-förmigen Körpers wie beispielsweise eines Zahnmodells (wie dies in 1a schematisch dargestellt ist) nimmt natürlich die Flächennormale unterschiedlichste Werte an, entsprechend dem gekrümmten dreidimensionalen Flächenverlaufes der Oberfläche des zu vermessenden Objektes.
Bevorzugt im Zentrum C der Objektebene kann ein zu vermessendes oder zu bearbeitendes Objekt 3 positioniert werden, wobei im erläuterten Ausführungsbeispiel als Objekt ein Zahnmodell verwendet wird, das beispielsweise zur Anfertigung einer Krone benötigt wird, wie in 1a dargestellt ist.
In 1 eingezeichnet ist ferner eine Raumachse 5, die die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahles 7 oder zumindest die zentrale Achse eines Lichtstrahles 7 wiedergibt (in der Praxis handelt es sich dabei in der Regel um einen Laserstrahl, gleichwohl wird nachfolgend häufig von Lichtstrahl gesprochen).
Ferner ist in 1 eine Normale 9 eingezeichnet, die senkrecht zur Objektebene 1 ausgerichtet ist.
Von daher lässt sich die Raumachse 5 des Lichtstrahles 7 durch die beiden Projektionen einmal bezüglich der Objekt- oder Referenzebene 1 und zum anderen bezüglich der Normale 9 beschreiben, zumal bei der vorliegenden Definition die Raumachse 5 die Normale 9 in einem gemeinsamen Schnittpunkt 11 schneidet, der im betrachteten Ausgangsfall in der Objektebene 1 liegt.
Die Projektion der Raumachse 5 des Lichtstrahles 7 in die Objektebene 1 wird als Hauptprojektionsachse 5a oder kurz als Hauptachse 5a und die Projektion auf die Normale 9 als Nebenprojektionsachse 5b oder kurz als Nebenachse 5b bezeichnet.
Der Winkel β zwischen der Raumachse 5 und der Normalen 9 stellt einen Nebenwinkel dar, wobei der Hauptwinkel α der Winkel zwischen der Hauptprojektionsachse 5a und einer Referenzlinie in der Objektebene 1, beispielsweise der X- oder Y-Achse entspricht. Mit anderen Worten stellt also der Hauptwinkel α den sog. Azimutwinkel dar, der senkrecht um die Normale 9 (die nachfolgend noch erörterte Rotationsachse 109 bildet) vergleichsweise schnell rotiert. Der Komplementärwinkel zum Winkel β, der in 1 mit γ bezeichnet ist, stellt dann den sog. Meridian- oder Elevationswinkel γ dar, der in der Regel fest vorgegeben oder zumindest fest eingestellt wird und nur bei Bedarf verändert oder vergleichsweise langsam verändert wird, verglichen mit dem Azimutwinkel.
Bei dieser Ausgangsposition wird also davon ausgegangen, dass die Normale 9 die Z-Achse eines räumlichen Koordinatensystems X, Y und Z bildet.
Um nunmehr ein bevorzugt im Zentrum oder zentrumsnah, also auf oder in der Nähe des Schnittpunktes 11, zu positionieren Objekt 3 zu vermessen (also dessen Oberfläche zu vermessen und/oder gegebenenfalls zu bearbeiten), muss nunmehr lediglich die Raumachse 5 um die Normale 9 rotieren, um das Objekt 3 rundherum abzutasten. Von daher kann der Nebenwinkel β eine vorgegebene feste Größe von beispielsweise 0° bis 90°, bevorzugt aber in einem Bereich von 1° bis 89°, beispielsweise von 45° + weniger als 40°, 35° oder + weniger als 25° aufweisen. Dadurch lassen sich beispielsweise auch senkrechte Flächen oder Wandabschnitte des zu vermessenden Objektes (senkrecht zur Objektebene) mit hoher Genauigkeit vermessen. Selbst Hinterschneidungen sind dadurch gut erfassbar. Ganz allgemein wird der Nebenwinkel so voreingestellt oder im Laufe der Messung verändert oder langsam nachgeführt etc., dass das gemittelte Mess-/Bearbeitungsergebnis bezogen auf den Nebenwinkel optimal wird.
Das erfindungsgemäße Prinzip basiert also zusammengefasst darauf, dass die Richtung des benutzten Lichtstrahles 7 entsprechend seiner Raumachse 5 betrachtet wird in seiner Aufspaltung in eine Haupt- und in eine Nebenachse, wobei die Nebenachse und damit der Meridian- oder Elevationswinkel γ (bzw. damit auch der Nebenwinkel β) unverändert bleiben und die in die Objektebene 1 projizierte Hauptachse entsprechend dem Azimutwinkel α um die Rotationsachse 109 rotiert, die im gezeigten Ausführungsbeispiel mit der Normalen 9 zusammenfällt. Somit muss letztlich lediglich die Richtung des benutzten Lichtstrahles, und zwar nur in seinem einen Raumwinkel α kostengünstig durch einfaches Drehen einer optischen Anordnung variiert werden. Auch der Abstand des optimalen Mess- und Bearbeitungspunktes von der Drehachse kann häufig fest eingestellt bleiben oder muss nur begrenzt oder selten eingestellt werden. Mit anderen Worten wird letztlich das Objekt 3 auf einem Objekttisch positioniert und dabei die gesamte Anordnung, d.h. vor allem die Rotationsachse 109 so ausgerichtet, dass bei einem längs der Rotationsachse 109 auf das Objekt 3 einfallenden Lichtstrahles 7 keine Unterschneidungen sichtbar wären. Durch die Rotationsachse 109 ist dann letztlich auch die Objekt- und Referenzebene 1 definiert, die senkrecht zur Rotationsachse 109 ver läuft. Im entsprechenden Nebenwinkel (β) liegt dann die Hauptachse des einfallenden Lichtstrahles (7) bezogen auf die Rotationsachse.
Handelt es sich bei dem nachfolgenden noch im Detail erörterten Prinzip um eine punktförmige Abtastung durch den Lichtstrahl 7, so wird bevorzugt der Laserstrahl 7 während des Vermessens bei jedem Umlauf beispielsweise in der Höhe leicht so verfahren, dass der vordere Abtastpunkt an der Umfangsfläche des zu vermessenden Objektes 3 auf zunehmend höher liegende Niveauebenen (also in zunehmend größerem Abstand zur Objektebene) auf dem Objekt 3 auftrifft, bis das Objekt 3 in seiner gesamten Höhe vermessen ist.
Möglich ist aber auch die Verwendung von optischen Systemen, die mit zeilenförmiger oder linienförmiger Abtastung arbeiten, über die also mehrere Oberflächenpunkte eines zu vermessenden oder zu bearbeitenden Objektes über das Objekt hinweg (in der Regel über verschiedene Höhenebenen bezogen auf die Referenz- oder Objektebene) erfasst werden können. Dadurch kann noch schneller und gegebenenfalls kostengünstiger eine entsprechende Oberflächenvermessung vorgenommen werden.
Auch eine flächige Abtastung ist möglich, z.B. wenn der Sensor eine Kamera ist oder zur Bearbeitung eine Maske projiziert wird.
Bevorzugt erfolgt die Vermessung softwaregesteuert und über einen Computer derart, dass stets die aktuell erhaltenen Daten eines zu vermessenden Objektes in einer jeweils nächsten höheren Ebene (beispielsweise gegenüber der Referenz- und Objektebene 1) mit den zuvor in einer niedrigeren Ebene erhaltenen Daten verglichen werden, so dass durch den Vergleich sofort offensichtliche Fehler korrigiert werden können (durch die Auswahl und Zuordnung der darunter befindlichen Schicht des zu vermessenen Objektes).
Auch können die bereits erfasste Messdatendaten dazu genutzt werden, die Einstellungen des Nebenwinkels und des Bearbeitungspunktes für die anstehende Umdrehung zu berechnen und einzustellen.
Um nunmehr in kurzer Zeit eine hohe Messdatendichte zu erzielen, wird bevorzugt eine Ausführungsform realisiert, bei der möglichst wenig Teile rotieren müssen und/oder der Schwerpunkt der rotierenden Teile möglichst zentral liegt, also möglichst geringe Trägheitsmomente, Fliehkräfte etc. auftreten.
Dies lässt sich besonders günstig bei einer Variante realisieren, wie dies nachfolgend anhand von 2 und 3 erläutert wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist in schematischer Seitenansicht die Objektebene 1 ersichtlich, die senkrecht zur Zeichenebene steht. Senkrecht dazu verläuft die Normale 9, die gleichzeitig die Rotationsachse 109 für den hierum rotierenden Lichtstrahl 7 darstellt. Mit dem Bezugszeichen 7 ist in 2 und in den folgenden Figuren in der Regel lediglich die Mitte oder Achse des Licht- oder Laserstrahles 7 (allgemein also des Lichtstrahlenbündels) bezeichnet, dessen realer Durchmesser durch seine gegenüberliegenden Begrenzungsränder 7' gegeben ist.
Das Strahlenbündel 7 verläuft im wesentlichen parallel bis zur fokussierenden bzw. abbildenden Optik 33a. Durch eine regelbare adaptive Optik 33, die sich vorzugsweise im nicht rotierenden Teile der Anordnung befindet und die Bestandteil der Mess/Bearbeitungseinheit 115 sein kann, kann die Parallelität des Strahlenbündels 7 derart variiert werden, dass der Arbeitsbereich der Anordnung an die Position der betroffenen Objektoberfläche angepasst werden kann. So kann z.B. die Ausdehnung der Bearbeitungsfläche bzw, der Fokusdurchmesser eingestellt werden und/oder kann bei nahezu rotationssymmetrischen Mess- und/oder Bearbeitungsobjekten (die nachfolgend kurz als Mess/Bearbeitungsobjekte bezeichnet werden) ein sich beispielsweise mit der Höhe ändernder Durchmesser nachgeregelt werden. Auch eine eventuelle Asymmetrie kann auf diese Weise ausgeglichen werden.
In dem erläuterten Ausführungsbeispiel ist in axialer Verlängerung und damit symmetrisch zur Normalen 9 und damit zur Rotationsachse 109 oberhalb der Objektebene 1 ein Lichtstrahl- oder Laser-Generator 15 angeordnet, der im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Einheit 115 mit einem Sensor 15' bildet, der nachfolgend teilweise auch als Abstandsensor 15' bezeichnet wird. Über diese Einheit 115 wird ein Licht- oder Laserstrahl 7 erzeugt, der in diesem Ausführungsbeispiel kollinear zur Rotationsachse 109 liegt, also mit der Rotationsachse 109 zusammenfällt.
Zwischen der Austrittseite 15a des Lichtstrahles 7 am Licht-Generator 15 und dem zu vermessenden Objekt im Zentrum C ist eine Optik 17 vorgesehen, die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 und 3 beispielsweise aus einem erfinderisch erweitertem Prisma nach Bauernfeind besteht. Dieses Prisma ist so aufgebaut, dass der Lichtstrahl 7 vom Sensor 15 senkrecht auf eine erste Eintrittsfläche 21 des Prismas 19 fällt und an einer rückwärtigen Prismafläche 23 reflektiert wird (das Prisma 19 ist in Seitenansicht – so wie es im Prinzip aus 2 zu ersehen ist – nochmals in Alleinstellung in 2a wiedergegeben). Der Lichtstrahl wird dabei im gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zur Raumachse 5, also in einem Winkel β gegenüber der Normalen oder Rotationsachse reflektiert und an zwei weiteren senkrecht zueinander stehenden Prismenflächen 25 und 27 reflektiert, so dass der Lichtstrahl 7 entsprechend der Raumachse 5 nunmehr in einem Winkel β zur Normalen 9 oder Rotationsachse 109 auf das zu vermessende und/oder zu bearbeitende Objekt 3 im Zentrum C senkrecht aus einer Prisma-Austrittsfläche 29 austritt.
Dem Prisma nachgeordnet ist dann im Strahlengang eine Optik 33a, wodurch der Lichtstrahl 7 fokussiert wird. Der Abstand am Ausgang der regelbaren Optik 33 und dem zu vermessenden Objekt (im Zentrum C oder zentrumsnah dazu auf der Objektebene 1 angeordnet) ist für die Genauigkeit entscheidend.
Der auf dem Objekt auftreffende und von dem Objekt 3 reflektierte/gestreuter Strahl wird dann in umgekehrter Richtung kollinear zum Laserstrahl wiederum dem Sensor 15' zugeführt, der nunmehr exakt die jeweiligen Koordinaten der Oberfläche des zu vermessenden Objektes erfasst und auswertet, vorzugsweise einem nachgeschalteten und nicht näher dargestellten Computer (Mikroprozessor) zuführt.
Zum Vermessen wird nunmehr die Optik 17 mit dem Prisma 19 und der Optik 33a in Azimutrichtung (also mit sich veränderndem Azimutwinkel α) in Rotation versetzt, so dass der Lichtstrahl mit seiner Ausrichtung entsprechend dem Meridian- oder Elevationswinkel (also mit seinem Neben winkel β) um das zu vermessende Objekt herum verfahren wird.
Während der Rotation kann dann die gesamte Optik in Richtung Normale 9 oder Rotationsachse 109 zunehmend mehr von der Objektebene 1 weg verfahren werden, so dass nach einer Erfassung der entsprechenden Daten an dem zu vermessenden Objekt unmittelbar auf Höhe der Objektebene 1 nunmehr der fokussierende Lichtstrahl über die Höhe des zu vermessenden Objektes hinweg alle Raumkoordinaten umfassen kann.
Anhand von 3 ist das entsprechende Ausführungsbeispiel im größeren Detail wiedergegeben.
Aus 3 ist in Seitenansicht zu ersehen, dass die Objektebene 1 an der Oberseite eines Objekttisches 1a ausgebildet ist. Zentrumsnah ist das Objekt 3 positioniert, beispielsweise in Form eines zu vermessenden Zahnmodells oder einer Krone.
Der Licht- oder Messstrahl wird über den Laser-Generator 15 erzeugt und über den gestreuten/reflektierten Strahl werden die entsprechenden Abstandsdaten im Sensor 15' erfasst, wie dies grundsätzlich anhand von 1 und 2 erläutert wurde.
Bei der Darstellung gemäß 3 wird nunmehr in Seitenansicht ein ringförmiges Lager 35 verwendet, über welches die gesamte Optik 17 mit dem Prisma 19 gehalten und in Rotation um die Rotationsachse 109 versetzt werden kann.
Die Rotationsbewegung wird über einen Motor 37 erzeugt, auf dessem Ausgangswelle 37a ein Antriebsrad 39 sitzt, welches beispielsweise einen Zahnriemen 41 antreibt, der mit einer entsprechenden mit der Optik 17 direkt oder mittelbar verbundenen umlaufenden Zahnstruktur 43 zusammenwirkt und dadurch das Prisma entsprechend ansteuert und dreht. Die Rotationsgeschwindigkeit wird bevorzugt über einen Computer, der den Motor 37 entsprechend ansteuert, vorgegeben, kontrolliert, verändert bzw. eingestellt.
Gleichzeitig ist im gezeigten Ausführungsbeispiel bevorzugt versetzt zum Motor 37 noch ein Drehzahlgeber 45 vorgesehen, dessen Achse 45a ebenfalls wieder mit einem fest darauf sitzenden und mit dem Zahnriemen 41 kämmenden bzw. zusammenwirkenden Rad 47 angetrieben wird, um die entsprechende Drehzahl exakt zu messen, die für die Auswertung der Daten benötigt wird.
Der erwähnte Mess- oder Objekttisch 1a kann beispielsweise in der X- und Y-Achse verschoben werden, um das zu vermessende Objekt 3 im Zentrum oder möglichst zentrumsnah zur Rotationsachse 109 zu positionieren.
Der Vorteil bei diesem Aufbau ist, dass weder der Messtisch noch das Messobjekt selbst rotieren müssen. Es können daher mehrere nahezu rotationssymmetrische Objekte einfach vermessen werden, ohne dass diese einzeln drehbar gemacht werden müssten, wie dieses derzeit z.B. in der Zahntechnik üblich ist.
Ferner vorteilhaft ist, dass die gesamte Mess-/Bearbeitungseinheit 115 ortsfest angeordnet sein kann und nicht rotieren muss. Lediglich die Optik ist zur Erzeugung des um das Messobjekt herum rotierenden Licht- oder Laserstrahles benötigt.
Aus 3 ist auch ersichtlich, dass beispielsweise die mit dem Motor 37 in Verbindung stehende Ausgangswelle 37a mit einem Außengewinde 37b unter Erzeugung einer Spindel versehen ist, die mit einem entsprechenden Innengewinde einer feststehenden Abstützung 40 zusammenwirkt. Dadurch kann gewährleistet werden, dass während der Rotationsbewegung des Motors der Motor und damit die gesamte Halte- und Trageinrichtung für die Optik 17 entsprechend der Doppelpfeildarstellung 42 mit angehoben (oder abgesenkt) wird. Dadurch wird auch die fokussierende Abtastspitze des Lichtstrahles 7 beispielsweise bei einer Anhebbewegung des Motors mit angehoben, also zunehmend weiter von der Objektebene 1 verfahren, so dass durch die Rotationsbewegung des Motors der Laserstrahl nicht nur das zu vermessende oder zu bearbeitende Objekt ein- oder mehrfach in 360°-Richtung herum abfährt und abtastet, sondern dabei gleichzeitig stets zu einer höheren Niveauebene verfahren wird und dadurch das gesamte Objekt über seine gesamte Höhe vermessen kann.
Besonders vorteilhaft ist an dem Ausführungsbeispiel, dass beispielsweise die Einheit 115 überhaupt nicht rotieren muss und dass auch der Objekttisch grundsätzlich nicht rotierend feststeht oder nur zur Herbeiführung einer optimierenden Ausrichtung des zu vermessenden Objektes in X- oder Y-Richtung verschoben wird. Es muss lediglich die Optik 17 rotieren, so dass nur vergleichsweise geringe Massen in Rotation versetzt werden müssen. Zudem verläuft der gesamte Messvorgang derart, dass die Optik 17 kontinuierlich rotiert, also keine Stopp- und Umlenkvorgänge vonstatten gehen, mit anderen Worten also Massen weder abgebremst noch neu beschleunigt werden müssen, wodurch eventuell die Genauigkeit, aber vor allem auch die Schnelligkeit des Messvorganges verschlechtert werden würde.
Anstelle des vorstehend erläuterten Aufbaus kann aber auch eine separate Höhenverstelleinrichtung vorgesehen sein, die zumindest die Optik und damit den Lichtstrahl 7 in seiner Höhe bezogen auf das zu vermessende Objektes verfährt.
Besonders günstig ist ferner die Verwendung einer sog. adaptive Optik, mit der eine entsprechende Bündelung oder Aufweitung des aus der einstellbaren Optik 33 aus/eintretenden Lichtstrahles 7 vorgenommen werden kann, um hier in Anpassung oder Fokussierung bezüglich der Oberfläche des Objektes 3 vorzunehmen.
Abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel können anstelle des erwähnten Prismas 19 auch kleinere Prismen oder Spiegel oder deren Kombination verwendet werden.
Die Verwendung von Spiegeln 23' bietet auch den Vorteil, dass derartige Spiegel für bestimmte Zeit oder zumindest kurzzeitig wegbewegt, z.B. geklappt, werden können, so dass der aus der Sensoreinrichtung austretende Lichtstrahl 7 unter Umständen direkt oder über die Optik 49a auf das Objekt 3 von oben her einfällt, also senkrecht zur Objektebene. Dies eröffnet die Möglichkeit einer ergänzenden zum Teil vorteilhaften Vermessung und/oder Bearbeitung eines Objektes, insbesondere auch dann, wenn das Objekt beispielsweise Vertiefungen im Inneren aufweist.
Diese Effekte können aber auch dadurch realisiert werden, dass beispielsweise polarisierende Strahlteiler verwendet werden, so dass eine Polarisation des aus der Sensoreinrichtung aus/eintretenden Lichtstrahles direkt durch den Spiegel 23' senkrecht zur Objektebene ein/austritt und Licht der anderen Polarisationsrichtung über die erläuterten Raumachse 5 seitlich dem Objekt 3 zugeführt wird.
Die gleichen Effekte können auch in Abhängigkeit von chromatisch wirkenden Filtern erzeugt werden, wenn also in Abhängigkeit der unterschiedlichen Wellenlänge ein wellenlängenabhängiger Anteil des Lichtes durch den Spiegel 23' in Richtung Objekt hindurchtritt, während ein anderer wellenlängenabhängiger Teil durch die Spiegeleinrichtung und/oder die nachfolgenden Prismen entsprechend umgelenkt werden, um dann entsprechend der Raumachse 5 auf das Objekt 3 aufzutreffen.
Bei den oben beschriebenen erläuterten Ausführungsbeispielen ist eine Mess-/Bearbeitungseinheit 115 verwendet worden, die eine sog. "beleuchtende Einheit", also in der Regel in Form eines Lasergenerators 15 und eine "Licht empfangende Einheit", einen sog. Sensor oder Lichtsensor 15' umfasst. Der Lichtgenerator 15 und der Lichtsensor 15' werden beispielsweise benötigt, um ein entsprechendes Objekt zu vermessen. Soll das Objekt bearbeitet werden, so ist der Licht empfangende Lichtsensor 15' nicht zwingend erforderlich. Er kann bei der Vorrichtung nicht vorgesehen oder nicht aktiviert sein. Mit dem bei der Vermessung eingesetzten Lichtgenerator 15 kann die Bearbeitung des Objektes durchgeführt werden. Gleichzeitig kann, muss aber nicht gemessen werden. Ebenso ist es aber möglich, zusätzlich zur Bearbeitung eines Objektes einen separaten Sensor vorzusehen, der neben dem Licht- oder Lasergenerator 15 und dem entsprechenden Sensor 15' für die Objektvermessung vorgesehen ist. So können selbst mehrere Lichtsensoren für die Bearbeitung vorgesehen sein. Ein- oder Beschränkungen gibt es hier im Rahmen der Erfindung nicht.
Dass weitere zusätzliche Komponenten, in allgemeinster Form Sensoren etc., vorgesehen sein können, wird nur beispielhaft u.a. auch anhand von 4 erläutert.
Anhand von 4 ist ferner angedeutet, dass zusätzlich auch noch ein zweiter Sensor, z.B. eine Kamera 49 angeordnet sein kann, die ebenfalls wieder über einen teildurchlässigen Spiegel 24 im Strahlengang des aus der Sensoreinrichtung austretenden Lichtstrahles 7 und bei teildurchlässigem Spiegel 23' unter Verwendung einer nachgeordneten Optik 49a ein Abbild des auf dem Objekttisch befindlichen Objektes erstellen kann. Der entsprechende in die Kamera 49 fallende Strahlengang 51 ist in 4 eingezeichnet. Nur zur Vervollständigung ist in 4 auch mit eingezeichnet, dass beispielsweise die Einheit 115 aus Lasergenerator 15 und Sensor 15' auch an anderer Stelle vorgesehen sein kann, beispielsweise gegenüber der Rotationsachse 109 radial nach außen liegend versetzt. Dies ist in 4 strichliert eingezeichnet. In diesem Falle würde der ausgesandte Lichtstrahl wie der zum Sensor zurückgeführte Lichtstrahl über ein Spiegel, oder ein Prisma oder eine sonstige Umlenkeinrichtung vom Sensor-Generator 15' in die Rotationsachse 109 umgelenkt oder umgekehrt von der Rotationsachse 109 zum Sensor 15' reflektiert werden.
Anhand von 5 ist eine besonders einfache prinzipielle Darstellung gezeigt, bei der ebenfalls ein auf das Objekt 3 einfallender Lichtstrahl 7 entsprechend der Raumachse 5 erzeugbar ist (zur Vermeidung von Wiederholungen wird insoweit auf das Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 4 verwiesen).
In diesem Ausführungsbeispiel wird jedoch eine vereinfachte Optik in Form eines einfachen Prismas mit nach geschalteter eventuell regelbarer Optik verwendet, wobei der Licht-Generator 15 zur Erzeugung des Lichtstrahles 7 und zur Auswertung des vom Objekt 3 gestreuten-/reflektierten Lichtanteils mit seiner Zentralachse 115a winkelig zur Rotationsachse 109 angeordnet ist. Aber auch in diesem Ausführungsbeispiel wird ein "gefalteter Strahlengang" derart erzeugt, dass die für die Erzeugung des Lichtstrahles 7 wie für die Auswertung benötigte Sensoranordnung 15 möglichst nahe zur Rotationsachse 109 liegt, also wie im gezeigten Ausführungsbeispiel nach 5 bevorzugt sogar von der Rotationsachse 109 geschnitten wird. Dadurch werden geringe rotierende Massen erzeugt, obgleich der auf das Objekt 3 ausgerichtete Lichtstrahl 7 schräg einfällt. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel müssten dann nur entsprechende eine Rotation erlaubende Anschlussklemmen für die zum Sensor 15 führenden Kabel vorgesehen sein, da in diesem Falle die Einheit 115 bzw. allgemein der Lasergenerator 15 sowie der Sensor 15' um die Rotationsachse 109 drehen.
Vorteilhaft kann die Kommunikation rotierender Elektronik über Funk- oder IR-Standards wie z.B. WLAN erfolgen, während die Stromversorgung berührungslos durch niederfrequente elektromagnetische Kopplung zugeführt werden kann.
Nachfolgend wird auf ein Ausführungsbeispiel gemäß 6 Bezug genommen, welches Besonderheiten gegenüber den vorausgegangenen Ausführungsbeispielen zeigen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 wird der aus der Mess/Bearbeitungseinrichtung 15 (die in diesem Ausführungsbeispiel wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 angeordnet ist) nach außen hin abgestrahlt. Der Nebenwinkel könnte hier Werte von 0° bis –90°, vorzugweise von –1° bis 89° oder jeden beliebigen Zwischenwert, vorzugsweise um –45° + weniger als 40°, insbesondere + weniger als 30°, 20° etc., betragen.
Eine derartige Ausführungsform ist besonders dann von Bedeutung, wenn beispielsweise großflächigere räumliche Strukturen erfasst werden sollen. Ein typisches Beispiel sind auch die Innenwände von Kavitäten z.B. von Gussformen. Wenn diese ausreichend rotationssymmetrisch sind, kann evtl. auf eine x,y-Bewegung verzichtet werden oder es muss diese nur verhältnismäßig langsam durchgeführt werden. Auch hierbei kann der Einsatz einer adaptiven Optik sinnvoll sein, die geeignet ist, die Asymmetrie des Mess/Bearbeitungsobjektes zu kompensieren.
Nachfolgend wird auf 8 Bezug genommen, in der eine Abwandlung insoweit gezeigt ist, als hier eine Optik 17 zum Tragen kommt, die zusätzlich noch eine ringförmige bzw, rotationssymmetrische Reflexions- oder Abbildstruktur 117 umfasst, worüber der Lichtstrahl 7 wieder in Richtung Rotationsachse 109 auf das Mess/Bearbeitungsobjekt 3 reflektiert wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 wie auch den 9 bis 11 ist der Lichtgenerator 15 und der Abstandssensor 15' wiederum als Baueinheit 115 vorgesehen, wobei der austretende Lichtstrahl 7 in ein Trapez-Prisma 17' fällt, welches sich und damit das Strahlenbündel um die Rotationsachse 109 dreht.
Rotationssymmetrisch zur Rotationsachse 109 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein rotationssymmetrischer Hohlspiegel 17" vorgesehen, der z.B. als Toroid-Spiegel ausgebildet sein kann. Auch dieser Hohlspiegel 17'' des Trapez-Prismas 17' ist Teil der Optik 17. Der Hohlspiegel 17'' ist nicht drehend ausgebildet, da er rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 109 herum angeordnet ist.
Der austretende Lichtstrahl tritt aus dem Lichtgenerator 15 mit nahezu parallelem Strahlengang aus. Diese Parallelität kann durch eine adaptive Optik 33 eingestellt werden und so Einfluss auf den Arbeitspunkt genommen werden.
Wird die Einheit 115 entsprechend der Doppelpfeildarstellung 51, 52 in Parallelausrichtung und axial zur Rotationsachse 109 verstellt, fällt der Lichtstrahl durch die von der Rotationsachse durchsetzte Linsenanordnung 53, so dass der Lichtstrahl dann direkt zentrumsnah fokussiert wird. Eine derartige Anordnung ist vor allem dann wichtig, wenn Löcher vermessen oder gebohrt werden sollen.
Die Einheit 115 ist häufig fest eingestellt. Jedoch kann durch die Verschiebung und/oder durch Veränderung der Neigung der Abstand des Arbeitspunktes (Fokussierpunktes) von der Drehachse und/oder der Nebenwinkel entsprechend eingestellt werden. Diese Verschiebung und/oder Neigung kann vorteilhaft auch durch Spiegel erfolgen, die manuell oder elektronisch bewegt werden können. Auch eine direkte mechanische Koppelung mit der Rotation kann von Vorteil sein.
Bei diesem Ausführungsbeispiel lässt sich selbst bei großem Abstand zwischen Objekt und der Einheit 115 eine große numerische Apertur realisieren. Vor allem lassen sich auch günstige Einfallwinkel des Licht- oder Laserstrahles auf den seitlichen Flächen eines Objektes realisieren. Vorteilhaft ist vor allem, dass bei Verwendung von polarisiertem Licht die Polarisationsrichtung und Ein/Abstrahl richtung mit rotiert, was sowohl bei der Laserbearbeitung als auch bei dem Einsatz von konoskopischen Sensoren von großer Bedeutung ist.
Das Ausführungsbeispiel nach 9 entspricht im Wesentlichen jenem nach 8. Hier ist nur gezeigt, wie durch die Verschwenkung entsprechend dem gebogenen Doppelpfeil 51 zum einen und durch die axiale Verschiebung entsprechend dem Doppelpfeil 52 die Einheit 115 so angeordnet werden kann, dass der austretende Lichtstrahl 7 im Wesentlichen achsparallel zur Rotationsachse 109 verläuft. Durch Verwendung eines Prismas 17' werden wieder die gleichen anhand von 8 beschriebenen Vorteile realisiert. Durch eine entsprechende Optik 53 kann dann der im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse 109 verlaufende Lichtstrahl 7a, der aus dem Prisma 17' austritt, wieder in Richtung Objekt 3 fokussiert werden. Die Optik 53 könnte auch entfallen, wenn ein stark seitlicher Strahlengang und/oder eine zu vergrößernde numerische Apertur nicht erforderlich sind.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Anordnungen mit dem Trapez-Prisma (8 bis 11) ist, dass die Abbildung zwischen der Sensor-/Bearbeitungseinheit 115 und dem Objekt 3 symmetrisch zur Drehachse ist. D.h., eine feststehende Maske (Muster) am Ausgang der Einheit 115 also am Ausgang des Laser-Generators 15' bzw. der adaptiven Optik 33 wird mitgedreht und achssymmetrisch abgebildet. Ebenso werden bei der Vermessung des Messobjektes die davon ausgehenden Strahlen symmetrisch zur Drehachse abgebildet. Dies ist ein wichtiges Kriterium, da viele Sensoren (z. B. Triangulationssensoren) eine Vorzugsrichtung haben.
Ordnet man mehrere Mess- oder Bearbeitungseinheiten 115 unter verschiedenen Winkeln an, kann außerdem der Mess- bzw. Bearbeitungsvorgang beschleunigt werden.
Eine Anordnung, die z.B. für Triangulationsmessungen geeignet ist, ist in den 9a und 9b zu sehen, wobei die Anordnung 9a die Ansicht von vorne und 9b die Ansicht von rechts wiedergibt. Hier wird mit einem Lichtsensor 15 das Objekt bestrahlt und über einen räumlich davon getrennten Sensor 15' das reflektierte/gestreute Licht vermessen. Das vom Lichtsensor 15 ausgehende Licht verläuft dabei auf einem Weg 107a, wobei das reflektierte Licht auf dem Weg 107b ebenfalls wieder über das Prisma 17' in den Sensor 15' fällt. Der Vorteil dieser Anordnung ist es, dass der Winkel zwischen Bestrahlungsstrahl und dem vom Objekt gestreutem/reflektierten Messstrahl (Winkel γ in 9a und 9b) zueinander konstant durch den gleichen optischen Aufbau gedreht werden. Auch größere Winkel (typischerweise über 30°) können beim Triangulationsverfahren einfach realisiert werden.
An Hand von 9, 9a und 9b sollen nochmals exemplarisch wesentliche Aspekte der Erfindung klargestellt werden. Die Optik 17' (hier ein Trapez-Prisma) dreht sich und sorgt so für die Variation des Hauptwinkels. Die rotierende Optik kann sich in der Mehrzahl der Anwendungsfälle kontinuierlich drehen, wobei besonders vorteilhaft ist, dass die rotierende Optik in einer Vielzahl der Anwendungsfälle auch auf eine hohe Drehzahl beschleunigt werden kann.
Durch Verschiebung 52 der Mess/Bearbeitungseinheit oder besser eines entsprechend angeordneten Spiegels (s. Komponenten 18 in 9a und 9b) kann der Nebenwinkel einge stellt werden, ohne dass sich diese Komponenten mitdrehen müssen. Durch Verkippen 51 der Einheit oder besser der Spiegel 18 kann außerdem der Abstands des Arbeitspunktes von der Drehachse eingestellt werden. Durch eine adaptive Optik 33 kann zusätzlich die Lage des Arbeitspunktes parallel zur optischen Achse der Optik 53 (damit in der Regel auch zur Drehachse) eingestellt werden. Auf diese Weise kann in vielen Fällen die z-Achse entfallen.
Eine adaptive Optik ist in der Regel ein Teleskop, bei dem eine der Linsen linear entlag der optische Achse verschoben wird. So kann ein vorher paralleler Strahlengang parallel, mehr oder weniger konvergierend oder divergierend eingestellt werden, was wiederum zur Folge hat, dass sich der Fokus der Optik 53 und damit der Arbeitsbereich nach oben oder unten verschiebt. Alle diese Verstelleinheiten können ortsfest (bezogen auf das Bezugsystem der Gesamteinheit) montiert werden. Dabei zeigt das Ausführungsbeispiel nach den 9a und 9b auch, dass bei getrennten Einheiten für den Lasergenerator 15 und den Lasersensor 15' der zum Objekt führende Laserstrahl sowie der reflektierte Laserstrahl auf unterschiedlichen Wegen verlaufen können.
Für die meisten Anwendungsfälle gilt, dass diese zusätzlichen Einstellungen (Nebenwinkel und Arbeitsbereich in zwei Dimensionen) nur langsam (bezogen auf den rotierenden Hauptwinkel) oder teilweise gar nicht variiert werden müssen.
Diese Aspekte gelten analog auch für die anderen Ausführungsformen und sind entscheidende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bezüglich der Mess/Bearbeitungsgeschwindigkeit, der Genauigkeit und der Herstellkosten.
Anhand von 10 ist eine weitere Abwandlung gezeigt. Hier wird wiederum ein Hohlspiegel 17'' verwendet, der beispielsweise kugelige bis elliptische Form aufweisen kann (wobei die Brennpunkte der Ellipse in Verlängerung der Rotationsachse 109 versetzt zueinander liegen). Innerhalb dieser innenspiegelnden Rotationsspiegelanordnung 17'' ist ferner noch ein Konvexspiel 61 mittig angeordnet vorgesehen, worüber der eine aus dem Prisma 17'' austretende Lichtstrahl 7a an der Oberfläche reflektiert wird, zur Innenseite des Hohlspiegels 17'' fällt und von dort wieder in Richtung Objekt reflektiert wird. Dabei tritt auf dem Strahlengang zwischen dem Konvexspiegel 61 und dem Konkavspiegel 17'' eine Strahlengangaufweitung statt, die nach erfolgter Reflexion an dem Rotations-, Hohl- oder Konkavspiegel 17'' wieder zu einer Fokussierung des Lichtstrahles führt. In dem Ausführungsbeispiel ist ferner angedeutet, dass der Konvexspiegel 61 eine axiale Zentralbohrung 63 aufweist, so dass bei Bedarf bei entsprechender Verstellung der Einheit 115 der Lichtstrahl 7a koaxial zur Rotationsachse 109 durch diese Bohrung 63 hindurch auf das Objekt 3 auftreffen kann und dabei wenn erforderlich nochmals mit der Optik 53' nachfokussiert werden kann.
In 10a entfällt das sich drehende Prisma 17' und anstelle dessen ist ein Mess/Bearbeitungseinheit vorgesehen, das eine ringförmige oder andere achssymmetrische Struktur auf das Mess/Bearbeitungsobjekt projiziert und/oder diesen ringförmig vermisst. Wahlweise kann ausgehend von der Bearbeitungseinheit 15'' durch die zentrale Öffnung 63 ein Bearbeitungsstrahl 7b gelenkt werden, während ringförmig um die Bearbeitung herum gemessen werden kann. Dieses gilt auch analog für vorher beschriebene Ausführungsformen.
Anhand von 11 ist lediglich wiederum eine andere Einstellung der Einheit 115 gezeigt, die jener gemäß 9 entspricht, jedoch nur unter der Weglassung der Linsen 53. Der fokussierende Lichtstrahl 7a fällt hier parallel zur Rotationsachse aber mit Seitenversatz dazu auf der Oberfläche des Objektes 3 ein. Diese Anordnung ist besonders gut zum Bohren von Löchern geeignet, da wie erwähnt die Polarisation mitdreht.
Nachfolgend wird anhand von 12 zunächst abstrakt und anhand von 13 im größeren Detail ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Einheit 115 wiederum auf der Rotationsachse 109 angeordnet, so dass der Lichtstrahl 7a längs der Rotationsachse 109 aus der Einheit 115 austritt. Ferner wird wiederum ein rotationssymmetrischer Hohlspiegel (Konkavspiegel) verwendet. Innerhalb der Konkavspiegelanordnung 17'' ist ein in seinem Winkel verstellbarer Spiegel 71 vorgesehen, der ebenfalls um die Rotationsachse 109 entsprechend der Pfeildarstellung 109' rotiert. Eine adaptive Optik 33 ist am Ausgang der Einheit 115 vorgesehen. Der Lichtweg verläuft vergleichbar dem Ausführungsbeispiel nach 10. Der auf den Spiegel 71 auftreffende Lichtstrahl 7 wird dabei über die näherungsweise elliptische Hohlspiegelanordnung 17" reflektiert, wobei der Auftreffpunkt auf dem Spiegel dann den einen Brennpunkt der elliptischen Anordnung und der auf dem Objekt 3 auftreffende fokussierte Lichtstrahl dann den zweiten Brennpunkt darstellen.
Anhand von 13 ist eine mögliche Umsetzung dieses Prinzips erläutert. Es wird eine Spiegelaufhängung 171 verwendet, die rohrförmig gestaltet ist, und die um die Rotationsachse 109 dreht. Im Inneren ist die entsprechende Optik untergebracht. Auf diese rohrförmigen Spiegelaufhängungen 171 ist ein Verstellglied 173 axial verstellbar, welches beispielsweise mit einer Stange oder einem anderen Übertragungsglied 175 verbunden ist, worüber der unten sitzenden Spiegel 71 um eine quer zur Rotationsachse 109 verlaufende Drehachse 177 entsprechend einzustellen ist. Die Optik kann muss aber nicht mit rotieren. Hierdurch kann der ebenfalls wieder anhand von 13 dargestellte Ausbreitungsweg des Lichtes realisiert werden, welches dann durch die Reflexion an dem ellipsoiden Hohlspiegels am Objekt 3 fokussiert wird, wobei am Auftreffpunkt dann der zweite Brennpunkt dieses ellipsoiden Spiegels gebildet ist.
Anstelle der Stange 175 kann auch ein Seilzug 175 verwendet werden, der beispielsweise mit einer entsprechenden, den Spiegel entgegen der Zugrichtung des Seiles vorspannenden Spiegeleinrichtung 170 druckbeaufschlagt. Hierüber kann also der Meridian- oder Elevationswinkel bzw. der Nebenwinkel unterschiedlich eingestellt werden. Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die einzeln erläuterten Komponenten nur beispielhaft genannt sind und eine Vielzahl von Abwandlungen möglich sind. Durch Veränderung des Strahlendurchmessers, durch Veränderung der numerischen Apertur und/oder durch Veränderung des Arbeitsabstandes können die Verhältnisse optimiert werden.
Die erläuterten Anordnung eignen sich außerdem zum Einsatz von Mess- und/oder Bearbeitungseinheiten, die nicht, wie hier gezeichnet, bloß punktförmig sind. Die Erfindung kann aber auch zum Einsatz eines Zeilensensors (also nicht nur eines Punktsensors) verwendet werden, bei dem die Ziele typischerweise in der Ebene liegen, die durch den Nebenwinkel aufgespannt wird.
Auch die Rotation projizierter Masken kann z.B. bei der Laserbearbeitung von großem Vorteil sein.
Oben beschriebene Anordnungen eignen sich beispielsweise zur Herstellung und/oder der Vermessung von Nuten und/oder Schnitten in ein Objekt, welches auf einem Objekttisch 10 angeordnet werden kann. Gleichermaßen könnte es sich hierbei aber auch im medizinischen Bereich um die während eines Laserschnittvorgangs in der Schädeldecke kontinuierlich mit vorzunehmenden Überprüfungen der Schnitttiefe handeln, so dass in diesem Falle die Schädeldecke die Objektfläche 1 darstellen würde. Durch die rotierende Abtastung vollzieht der Fokus des Lichtstrahles 7 eine kreisförmige Bahn auf der Objektebene 1 oder einem dort befindlichen Objekt, so dass der Fokus auf einem zu vermessenden oder zu bearbeitenden Objekt 1 kreisförmig umläuft. Wird das Objekt darunter in einer Linearrichtung verschoben, so kann der auf dem Objekt auftreffende Lichtstrahl 7 großflächig eine gesamte Struktur abtasten. Sind in dieser Struktur bestimmte Vertiefungen vorgesehen, so kann der Sensor dann die unterschiedlichen Abstandshöhen genauestens erfassen und auswerten. Wird hierüber gleichzeitig ein bestimmtes Objekt bearbeitet, beispielsweise durch Laserstrahl geschnitten, so kann die Schnitttiefe aktuell bestimmt und verändert werden.
In 7 ist in Draufsicht schematisch ein rechteckförmiges Objekt wiedergegeben, welches beispielsweise eine in Längsrichtung verlaufende Nut 57 aufweist. Dieses Objekt ist in X-Richtung unter dem Lichtstrahl verschoben worden, wobei bei ständig gleichmäßig aufrecht erhaltener Rota tionsbewegung des Lichtstrahles 7 dann die in 8 schematisch angedeutete Abtastung 59 der Oberfläche erfolgt. Daraus ist zu ersehen, dass auch eine große Fläche erfasst werden kann z.B. mit der Anordnung nach 6. Dieses Abtastverfahren bietet den wesentlichen Vorteil, dass die Rotationsbewegung gleichmäßig aufrecht erhalten wird und nicht wie im Stand der Technik eine lineare Abtastung in der Regel auf einem mäanderförmigen Weg erfolgt. Denn derartige Abtastbewegungen haben den Nachteil, dass linienförmig abgetastet wird und die Optik des austretenden Lichtstrahls dann nach Beendigung einer Zeilenabtastung gestoppt und wieder in umgekehrter Richtung beschleunigt werden muss.
Abweichend von der graphischen Darstellung gemäß 7 würden die kreisförmigen Linien so dicht nebeneinander liegen, dass die gesamte Fläche, über die der Laserstrahl hinweg das Objekt abtastet, durch die kreisenden Bewegungen vollflächig abgetastet wäre, also in 8 der durch die kreisenden Abtastbewegungen 59 umgrenzter Raum voll flächig schwarz dargestellt werden müsste. Durch geschicktes Ein/Ausschalten (Triggern) der Bearbeitungseinrichtung (zumeist ein Laser) kann so z.B. auch eine Nut mit wohldefinierten Kanten erzeugt werden.
Als besonders günstig erweist sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch ein entsprechendes Verfahren zum Vermessen und/oder Bearbeiten von einem Objekt 3 mit einer räumlichen Struktur durchzuführen, wobei die zugehörigen Verfahrensschritte folgende Maßnahmen umfassen:

– ein zu vermessendes und/oder zu bearbeitendes Objekt 3 wird auf einer Objekt- oder Referenzebene 1 positioniert und/oder dem Objekt 3 wird eine Objekt- oder Referenzebene 1 zugeordnet,
– es wird ein Lichtstrahl 7 erzeugt,
– der Lichtstrahl 7 wird auf einer Raumachse 5 in Richtung Mess- und/oder Bearbeitungsobjekt ausgerichtet, wobei die Ausrichtung der Raumachse 5 in Anlehnung an Kugelkoordinaten durch den Azimutwinkel α, der in einer Ebene liegt, die parallel zur Objekt- oder Referenzebene 1 verläuft, und durch seinen Meridian- oder Elevationswinkel γ, der zwischen der Raumachse 5 und der erwähnten der Objekt- oder Referenzebene 1 verläuft oder durch den dazu gebildeten Nebenwinkel, der zwischen der Raumachse 5 und einer zur Objekt- oder Referenzebene 1 senkrecht verlaufenden Normalen gebildet ist,
– zumindest bei der Objekt-Vermessung und/oder vorzugsweise auch bei der Objekt-Verarbeitung wird zusätzlich ein Licht-Sensor 15' verwendet, worüber unter Auswertung des vom Objekt 3 reflektierten und/oder gestreuten Lichtstrahles die räumlichen Oberflächendaten ermittelt werden,
– die Raumachse 5 des Lichtstrahls 7 wird um eine Rotationsachse 109 unter Veränderung ihres Azimutwinkels α umlaufend gedreht, wobei die Rotationsachse 109 senkrecht zur Objekt- oder Referenzebene 1 ausgerichtet ist, oder es wird eine ringförmige oder achssymmetrische Struktur auf das Mess- und/oder Bearbeitungsobjekt projiziert, um eine umlaufende Abbildstruktur zu erzeugen, und
– der Meridian- oder Elevationswinkel γ bzw. der dazu komplementäre Nebenwinkel β ist konstant oder auf einen konstanten Wert eingestellt oder wird nur im Bedarfsfalle auf einen neuen Wert eingestellt und/oder wird nur vergleichsweise langsam im Verhältnis zum Azimutwinkel α während des Mess- und/oder Bearbeitungsvorganges verändert.

Claims

Vorrichtung zum Messen und/oder Bearbeiten von Objekten (3) mit dreidimensionaler Struktur, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: – es ist eine Objekt- oder Referenzebene (1) vorgesehen, auf welcher das zu vermessende und/oder zu bearbeitende Objekt (3) positionierbar ist oder deren Koordinaten in Relation zu dem Objekt (3) unter Bildung einer Referenzebene bringbar sind, – es ist ein Lichtgenerator (15) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (7) vorgesehen, – die Vorrichtung umfasst eine Optik (17), mittels derer der Lichtstrahl (7) auf einer Raumachse (5) ausrichtbar ist, wobei die Ausrichtung der Raumachse (5) in Anlehnung an Kugelkoordinaten durch den Azimutwinkel (α), der in der Ebene liegt, die parallel zur Objekt- oder Referenzebene (1) verläuft, und durch seinen Meridian- oder Elevationswinkel (γ), der zwischen der Raumachse (5) und der erwähnten der Objekt- oder Referenzebene (1) verläuft oder durch den dazu gebildeten Nebenwinkel, der zwischen der Raumachse (5) und einer zur Objekt- oder Referenzebene (1) senkrecht verlaufenden Normalen gebildet ist, – es ist eine Rotationseinrichtung vorgesehen, worüber die Raumachse (5) des Lichtstrahls (7) um eine Rotationsachse (109) unter Veränderung ihres Azimutwinkels (α) umlaufend drehbar ist, wobei die Rotationsachse (109) senkrecht zur Objekt- oder Referenzebene (1) ausgerichtet ist, oder es wird eine ringförmige oder achssymmetrische Struktur auf das Mess- und/oder Bearbeitungsobjekt projiziert, um eine umlaufende Abbildstruktur zu erzeugen, und – der Meridian- oder Elevationswinkel (γ) bzw. der dazu komplementäre Nebenwinkel (β) ist konstant oder ist auf einen konstanten Wert eingestellt oder ist nur im Bedarfsfalle auf einen neuen Wert einstellbar und/oder ist nur vergleichsweise langsam im Verhältnis zum Azimutwinkel (α) während des Mess- und/oder Bearbeitungsvorganges veränderbar, und – insbesondere im Falle einer Objekt-Vermessung ist zuätzlich ein Licht-Sensor (15') zur Detektion eines von dem zu vermessenden und/oder zu bearbeitenden Objekt (3) reflektierten und/oder gestreuten Lichtstrahles zur Ermittlung der räumlichen Oberflächendaten des Objekts (3) vorgesehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Meridian- oder Elevationswinkel (γ) auf einen Wert zwischen 0° und ±90°, vorzugsweise auf einen Wert zwischen ±1° und ±89°, insbesondere auf einen Wert von ±45° ± weniger als 40°, insbesondere weniger als +30°, 20° oder 10° eingestellt ist oder einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (17) so aufgebaut ist und/oder der Lichtgenerator (15) so angeordnet ist, dass der er zeugte Lichtstrahl (7) zumindest auf einem Teilweg längs der Rotationsachse (109) verläuft und/oder die Rotationsachse (109) schneidet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die um die Rotationsachse (109) drehende Optik (17) während der Rotationsbewegung axial von der Objekt- oder Referenzebene (1) weg oder zu dieser hin verfahrbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationseinrichtung für die Optik (17) eine Motoreinrichtung (37) umfasst, worüber die Optik (17) in Rotation versetzbar und gleichzeitig die axiale Verstellung der Optik (17) durchführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Motoreinrichtung (37) mit einer Spindel (37a) in Triebverbindung steht, die mit einem feststehenden Gewindegegenstück (40) zusammenwirkt, worüber eine axiale Verstellung der Rotationseinrichtung mit der Optik (17) und gegebenenfalls der Motoreinrichtung (37) durchführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (17) mittels eines Zahnriemens (41) in Rotation versetzbar ist, die über eine Motoreinrichtung (37) angetrieben wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Arbeitsbereiches unabhängig vom Azimutwinkel (α) außerhalb der Dreheinrichtung durch Verschiebung und/oder Verkippung von opti schem Elementen einstellbar ist, die vorzugsweise in die adaptive Optik (33) integriert oder in Form von verstellbaren Spiegeln vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenwinkel (β) verstellbar ist, vorzugsweise gesteuert verstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung des Nebenwinkels (β) mittels eines in seiner Winkeleinstellung unterschiedlich einstellbaren das Licht reflektierenden Spiegels (23', 71) durchführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenwinkel (β) unabhängig vom Azimutwinkel (α) außerhalb der Dreheinrichtung durch Verschiebung und/oder Verkippung von optischen Elementen einstellbar ist, vorzugsweise in Form von verstellbaren Spiegeln und/oder durch Verschiebung der Mess- und/oder Bearbeitungseinheit (115) oder der hierin befindlichen optischen Elemente.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtaufbau derart ist, dass das von der Mess- und/oder Bearbeitungseinheit (115) ausgesandte Licht und das vom Objekt kommende detektierte Licht unterschiedliche Strahlengänge (107a, 107b) durchlaufen und zumindest einer der beiden Strahlengänge (vorzugsweise beide Strahlengänge (107a, 107b) um die Rotationsachse (109) rotieren.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem winkelbedingten Versatz der in der Messein richtung gemessenen Abbildung in einer Auswerteeinheit Informationen über die Objektgeometrie berechnet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Rotationsachse (109) ein wegbewegbarer Spiegel (23') vorgesehen ist, der in wegbewegter Position eine Ausbreitung des Lichtstrahles (7) direkt in Richtung Objekt (3) ermöglicht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Konkavspiegel- und Konvexspiegel-Anordnung (17'', 61) zur Erzeugung einer ringförmigen oder achssymmetrischen Abbildstruktur im Lichtsensor (15') vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Ausbreitungsweg des Lichtstrahles (7) Spiegel (23') und/oder Prismen angeordnet sind, die polarisations- und/oder lichtwellenlängenabhängig zumindest eine Teilintensität des Lichtstrahles (7) durchlassen und eine Teilintensität des Lichtstrahles (7) reflektieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein weiterer Sensor (49) vorgesehen ist, der vorzugsweise längs der Rotationsachse (109) vom Objekt (3) reflektiertes Licht auffängt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiterer Lichtgenerator vorgesehen ist, der vorzugsweise längs der Rotationsachse (109) auf das Objekt (3) abgebildet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Lichtgenerator (15) kommende Lichtstrahl (7) auf der Objekt- oder Referenzebene (1) bzw. dem dort positionierten Objekt (3) rotationsnah auftrifft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Lichtgenerator (15) kommende Lichtstrahl (7) mit seiner Raumachse (5) von der Rotationsachse (109) weg gerichtet auf dem Objekt (3) auftrifft, und dass das Objekt (3) vorzugsweise längs einer Translationsrichtung mit Querkomponente zur Rotationsachse (109) relativ zu dem rotierenden Lichtstrahl (7) bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Optik (17) vorzugsweise ein Trapez-Prismas (17') umfasst, an dessem Ausgang der Lichtstrahl (7a) rotiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konkav- oder Hohlspiegelanordnung (17'') vorgesehen ist, worüber der Lichtstrahl in Richtung Objekt (3) reflektiert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein im Bereich der Rotationsachse (109) sitzender und von dieser geschnittener Konvexspiegel (61) vorzugsweise in kugelähnlicher oder teilkugelähnlicher Form vorgesehen ist, worüber der Lichtstrahl (7, 7a) über einen nachgeordneten Hohlspiegel (17'') in Richtung Objekt (3) reflektiert und in umgekehrter Richtung das vom Objekt (3) reflektierte bzw. gestreute Licht zurückgeworfen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Konvexspiegel eine zentrale, in Richtung der Rotationsachse (109) verlaufende Ausnehmung (63) aufweist, worüber der Lichtstrahl (7, 7a) längs der Rotationsachse (109) sich zum Objekt (3) ausbreiten und von diesem in umgekehrter Richtung reflektierbar und/oder streubar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Rotationsachse (109) ein in unterschiedlicher Winkellage zur Rotationsachse ausrichtbarer Spiegel (71) vorgesehen ist, worüber der längs der Rotationsachse (109) einfallende Lichtstrahl (7, 7a) zu einem Hohlspiegel (17'') und von diesem auf das Objekt (3) fokussierbar und in umgekehrter Richtung zum Sensor (15'') reflektierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel mittels einer Einstelleinrichtung in unterschiedlicher Winkellage einstellbar ist, vorzugsweise durch eine Zug- und/oder Schubeinrichtung (173, 175).