DE3205496C2

DE3205496C2 -

Info

Publication number: DE3205496C2
Application number: DE3205496A
Authority: DE
Inventors: Peter John London Gb Scott
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-02-16
Filing date: 1982-02-16
Publication date: 1992-05-21
Also published as: GB2093209B; US4498777A; DE3205496A1; GB2093209A; JPS57151805A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur geometrischen Abtastung eines Gegenstands nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine aus der DE 30 24 027 A1 bekannte Einrichtung dieser Art gestattet nur eine Relativbewegung des Objekttischs zu einer Lochblende in einer Y-Stellung. Eine Erfassung von drei voneinander unabhängigen Koordinaten eines Punkts des abzutastenden Gegenstands ist nicht möglich.

Dies gilt auch für ähnliche Einrichtungen, wie sie aus der GB 20 51 396 A und der DE 25 03 053 A1 bekannt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, die dreidimensional kleine Abstände zwischen Punkten auf dem abzutastenden Gegenstand messen kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 und 2 Darstellungen zur Erläuterung der bei der Einrichtung auftretenden optischen Prinzipien;

Fig. 3 und 4 eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer Einrichtung zur geometrischen Abtasung eines Gegenstandes nach dem Patentanspruch 1;

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Teil der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Einrichtung; und

Fig. 6 in schematischer Darstellung die Vergrößerung einer Vorrichtung, die einen Teil der Einrichtung nach den Fig. 3 bis 5 bilden kann.

In den Fig. 1 und 2 ist eine herkömmliche, teilweise reflektierende Spiegelvorrichtung 16 dargestellt, die aus einer einzigen Glasschicht 17 besteht, die eine halbdurchlässige Oberfläche 18 aufweist. Aus den Fig. 1 und 2 ist die bei der Verwendung einer derartigen Spiegelvorrichtung in einer Einrichtung zur geometrischen Abtastung eines Gegenstands sich ergebende Wirkung ersichtlich. Die Fig. 1 zeigt die Wirkung, wenn man monokular von einem Punkt 0 aus sieht. Die Fig. 2 zeigt die Wirkung, wenn man binokular von zwei Punkten 0₁ und 0₂ aus sieht.

Wie in der Fig. 1 dargestellt, wird ein Gegenstand B an der Oberfläche 18 an der Stelle A an die Stelle C, so daß die Strecke AB gleich der Strecke AC, der Winkel i_o gleich dem Winkel i_b und OAC eine gerade Linie ist. Der Lichtweg des von einer Meßmarke M ausgehenden Lichtes verläuft jedoch entlang der Linien MEAO, damit er mit der Linie AO zusammenfällt. Dabei verlaufen die Strecken ME, AO und CF parallel. Der Lichtweg ME wird durch die Glasschicht 17 so gebrochen, daß er entlang der Richtung EA weiter verläuft. Es gilt:

wobei
na den Brechungsindex von Luft und
ng den Brechungsindex des Glases der Schicht 1 bedeuten.

Außerdem kann sich, weil die Schicht 17 optisch dichter ist als Luft, das Licht entlang der Strecke AE nicht ebenso schnell ausbreiten wie in Luft. Die Länge AEM ist daher nicht gleich der Länge AC. Die Merkmale M ist daher gegenüber der gewünschten Position C nicht nur in seitlicher Richtung um eine Verschiebung d verlagert, wie in Fig. 1 dargestellt, sondern sie liegt auch näher an der Glasschicht 17.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten binokularen Betrachten gelangen die von der Meßmarke M und dem Gegenstand B ausgehenden Lichtwege an den Punkten O₁, O₂ jeweils entlang derselben Richtung A₁O₁ und A₂O₂ zu den Augen des Beobachters, wenn das Bild der Meßmarke M mit dem Bild C von B koinzidiert. Es ist ersichtlich, daß die Merkmale M tatsächlich nicht mit dem Bild C koinzidiert, auch wenn dies dem Beobachter so erscheint.

Es kann gezeigt werden, daß für die Verschiebung d in Fig. 1 die folgende Gleichung gilt:

d = t (sin i_b - cos i_b tan r)

wobei i_b der Einfallswinkel des Lichtstrahles von dem Objekt B ist.

Infolge der Änderung der Verschiebung d mit dem Einfallswinkel i_β koinzidiert die Meßmarke M nicht länger mit dem Bild C des Gegenstandes B, wenn der Beobachter seine Augen in eine neue Position bewegt. Wenn er daher seine Augen nicht jedesmal in genau dieselbe Position zurückbewegen kann, ist er nicht in der Lage, einen Abtastvorgang zu wiederholen. Wenn, in einem Rechenbeispiel, die Glasschicht 17 6 mm dick ist und wenn der Beobachter das Bild C von einem Ort aus betrachtet, der direkt hinter dem Gegenstand B liegt, und die Meßmarke M zum Koinzidieren bringt, erzeut eine Bewegung der Augen des Beobachters zu einem Ort, an dem der Einfallswinkel etwa 40° beträgt, eine scheinbare Verschiebung der Meßmarke M von etwa 1,5-2 mm.

Die Verwendung einer herkömmlichen, teilweise reflektierenden Spiegelvorrichtung, die eine einzige Glasschicht aufweist, führt daher, wie sich dies aus den obigen Ausführungen ergibt, zu Parallaxenfehlern infolge der Tatsache, daß das Bild des Gegenstandes B, zu dem Auge oder zu den Augen der Beobachters gelangt, ohne daß es durch Glas verläuft, weil es von der Vorderfläche der Spiegelvorrichtung reflektiert wird. Das Licht von der Meßmarke wird aber durch das Glas gebrochen.

Wenn jedoch in Fig. 2 der Winkel i_o₁ zur Linie A₁O₁ und der Winkel i_o₂ zur Linie A₂O₂ konstant gehalten werden können, sind die Abweichungen d₁, d₂ der Meßmarke M und des Bildes C immer dieselben. Der Lagefehler MC in der Fig. 2 ist dann sowohl bezüglich der Größe als auch bezüglich der Richtung konstant und kann daher als eine ursprüngliche Verschiebung in Richtung der X, Y und Z-Koordinaten vernachlässigt werden. Diese Winkel i_o₁ und i_o₂ werden daher bei der Einrichtung der Fig. 3 bis 5 auf einem festen Wert gehalten, wie dies später erläutert werden wird.

In den Fig. 3 bis 5 weist eine Einrichtung nach dem Patentanspruch 1 ein Gestell mit L-förmigen Teilen 21, 22 auf, die durch Schrauben 23 miteinander verbunden sind. An dem Basisteil des L-förmigen Teiles 22 ist eine X-Auflage 24 so angeordnet, daß sie in Kugelringen 20 gleiten kann und daß sie in die X-Richtung durch einen Mikrometeranstrich 25 bewegt werden kann, der durch einen Block 29 verläuft, der an dem Gestellteil 22 befestigt ist. Die X-Auflage 24 trägt eine Y-Auflage 26, die durch einen Mikrometerantrieb 27 in die Y-Richtung bewegt werden kann, der durch ortsfeste, nicht dargestellte Bauteile verläuft. Die Y-Auflage 26 trägt über einen Kugelring 28 einen Objekttisch 30, auf dem ein Gegenstand 31 angeordnet werden kann, dessen Konturen geometrisch abgetastet werden sollen. Der Objekttisch 30 kann durch Antriebe 25, 27 in die X-Richtung und in die Y-Richtung bewegt werden.

Der vertikale Teil des L-förmigen Gestellteiles 21 weist einen horizontal verlaufenden Arm 32 auf, an dem ein Ritzel 33 drehbar befestigt ist, das durch ein Handrad 34 gedreht werden kann. Das Ritzel 33 greift in eine Zahnstange 35 ein, die an einer optischen Betrachtungsvorrichtung 36 angeordnet ist. Die optische Betrachtungsvorrichtung 36 weist zwei Okulare 37 und zwei Linsensysteme 38 auf, von denen jeweils nur eines dargestellt ist. Jeweils ein Okular 37 und ein Linsensystem 38 ist für ein Auge des Benutzers vorgesehen. Die optische Betrachtungsvorrichtung 36 kann verwendet werden, um den Gegenstand 31 auf dem Objekttisch 30 zu betrachten. Die optische Betrachtungsvorrichtung 36 kann aus zwei Teleskopen oder aus einem stereoskopischen Mikroskop bestehen. Es ist jedoch nicht von Bedeutung, daß die optische Betrachtungsvorrichtung 36 in irgendeiner Weise vergrößert.

Eine Spiegelvorrichtung 41, die zwischen der optischen Betrachtungsvorrichtung 36 und dem Objekttisch 30 angeordnet ist, weist einen teilweise reflektierenden Spiegel 42 auf. Die Spiegelvorrichtung 41 ist auf einem horizontal verlaufenden Arm 43 befestigt, der von dem vertikalen Teil des L-förmigen Gestellteiles 22 getragen wird. Der teilweise reflektierende Spiegel 42 wird von einem Ständer 44 gehalten, der von dem Arm 43 getragen wird. Der Spiegel 42 ist an dem Ständer 44 durch drei Einstellschrauben 45 einstellbar befestigt, so daß die relative Einstellung der Schrauben es ermöglicht, daß die Stellung des teilweise reflektierenden Spiegels 42 in der weiter unten beschriebenen Weise eingestellt wird. Der Arm 43 weist eine Öffnung 40 auf, die unmittelbar unterhalb der Spiegelvorrichtung 41 angeordnet ist.

Eine Z-Auflage 46 wird zur Ausführung einer Gleitbewegung durch in dem Arm 43 angeordnete Rollen 47 getragen und ist in Richtung auf die Spiegelvorrichtung 41 durch einen Mikrometerantrieb 50 bewegbar. Eine nicht dargestellte Feder wird verwendet, um die Z-Auflage 46 von der Spiegelvorrichtung 41 wegzudrücken. Ähnliche nicht dargestellte Federn werden in Verbindung mit den Antrieben 25, 27 verwendet. Die Position des Mikrometerantriebs 50 in bezug auf einen nicht dargestellten festen Bezugspunkt ist daher für die Höhe des Bildes M′ über den Objekttisch repräsentativ.

Die Z-Auflage 46 trägt eine Meßmarke M, die auf der Seite der Spiegelvorrichtung 41 in der Nähe der optischen Betrachtungsvorrichtung 36 angeordnet ist. Die Meßmarke M kann beispielsweise aus einer punktförmigen Lichtquelle bestehen. Die Bewegung der Z-Auflage 46 (parallel zur Bewegung der Y-Auflage 26) ermöglicht es, daß das Bild M′ der Meßmarke M in der Z-Richtung und in Koinzidenz mit einem Punkt an dem Gegenstand bewegt wird, der geometrisch abgetastet werden soll. Durch eine Betätigung des Handrades 34 kann die optische Betrachtungsvorrichtung 36 in Richtung auf die Spiegelvorrichtung 41 und von dieser weg bewegt werden, um zu ermöglichen, daß die optische Betrachtungsvorrichtung 36 sowohl auf das Bild M′ als auch auf den Punkt fokussiert, dessen Position abgetastet werden soll.

Wenn die oben beschriebene Einrichtung als Plotter verwendet wird, kann der Objekttisch 30 an der Stelle T mit einem Pantographen 51 und mit einem Zeichenstift P verbunden werden, der über ein auf einem nicht dargestellten Zeichentisch angeordneten Papier bewegbar ist. Der Pantograph 51 vergrößert und invertiert auf diese Weise die an dem Ort T erzeugte Linie 52, um die Linie 53 zu erzeugen.

Die nicht dargestellten Gradeinsteilungen an den Mikrometerantrieben 25, 27, 50 ermöglichen die Ablesung der X, Y und Z-Koordinaten eines Punktes, dessen Position abgetastet wird. Die Mikrometerantriebe 25, 27, 50 können jedoch, wenn dies gewünscht wird, durch elektronisch digitalisierte Antriebe (nicht dargestellt) ersetzt werden, die an Registrierungsmitteln 49 die Stellung der Antriebe und daher die X, Y und Z-Koordinaten des gerade abgetasteten Punktes anzeigen. Außerdem können durch nicht dargestellte Einrichtungen digitale elektronische Ausgangssignale der Antriebe erzeugt werden, wenn dies gewünscht wird, um den Zeichenstift P über das auf dem Zeichentrisch angeordnete Papier zu bewegen.

Beim Betrieb wird der Gegenstand 31 auf dem Objekttisch 30 unterhalb der Öffnung 40 so angeordnet, daß die optische Betrachtungsvorrichtung 36 und der Gegenstand 31 im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Die Lage des teilweise reflektierenden Spiegels 42 wird durch die Einstellschraube 45 so eingestellt, daß er unter einem Winkel von 45° zur gemeinsamen Ebene festgelegt ist. Nachdem dies ausgeführt wurde, kann, obwohl die optische Betrachtungsvorrichtung 36 von dem teilweise reflektierenden Spiegel 42 angehoben und entfernt werden und in Richtung auf den Spiegel 42 abgesenkt werden kann, zwischen diesen Teilen keine andere Bewegung während des Betriebes der Einrichtung auftreten, weil die Teile durch das gemeinsame Gestell 21, 22 gehalten werden. Der Benutzer der Einrichtung muß während des Betriebes der Einrichtung seinen Kopf nicht herumbewegen, außer um einem Anheben oder Absenken der optischen Betrachtungsvorrichtung 36 zu folgen, was erforderlich sein kann, um die Meßmarke M im Brennpunkt zu halten.

Wenn gewünscht wird, eine Kontur einer speziellen Höhe eines Gegenstandes 31 abzutasten, wird eine Z-Auflage 46 durch den Antrieb 50 in eine Position bewegt, die der Höhe der geforderten Kontur entspricht, wobei das unterhalb des teilweise reflektierenden Spiegels 42 vorhandene Bild M′ an einer vorgegebenen Höhe oberhalb des Objekttisches 30 angeordnet wird. Das Bild M′ wird durch die optische Betrachtungsvorrichtung 36 und durch den teilweise reflektierenden Spiegel 42 betrachtet und das Handrad 34 wird verwendet, um die optische Betrachtungsvorrichtung 36 auf das Bild M′ zu fokussieren. Da das Bild M′ während der Aufzeichnung der Kontur stationär bleibt, erfolgt keine weitere Bewegung der optischen Betrachtungsvorrichtung 36 während des Aufzeichnens der Kontur. Durch Bewegen der X-Auflage 24 und der Y-Auflage 26 mit Hilfe der Antriebe 25 und 27 wird erreicht, daß das Bild im wesentlichen der Kontur folgt. Tatsächlich bewegt sich natürlich nicht das Bild M′, sondern der Objekttisch 30 wird derart bewegt, daß aufeinanderfolgende, auf der Kontur liegende Punkte in Koinzidenz mit dem Bild M′ gehalten werden. Eine derartige Bewegung des Objekttisches 30 bewirkt die entsprechende Bewegung des Zeichenstiftes P auf dem auf dem Zeichentisch angeordneten Papier.

In einer ähnlichen Weise können, wenn es erforderlich ist, die X, Y und Z-Koordinaten eines speziellen Punktes auf dem Gegenstand 31 zu kennen, diese dadurch ermittelt werden, daß die X-, Y- und Z-Auflagen 24, 26, 46 eingestellt werden, bis das Bild M′ mit dem speziellen Punkt koinzidiert. Die Koordinaten können entweder an den Gradeinteilungen der Antriebe 25, 27, 50 oder durch Ablesen die digitalisierten Anzeigen an den Registrierungsmitteln 49 ermittelt werden.

Da der Gegenstand 31 durch den teilweise reflektierenden Spiegel 42 betrachtet wird, tritt, wie dies oben bereits erläutert wurde, eine Brechung des durch den teilweise reflektierenden Spiegel verlaufenden Lichtes ein und die Meßmarke M wird durch eine Reflexion gesehen. Da jedoch die optische Betrachtungsvorrichtung 36 nicht in Bezug auf den teilweise reflektierenden Spiegel 42 bewegt wird (von einer gegebenenfalls erforderlichen vertikalen Bewegung abgesehen) werden die Lichtwege zu den Okularen der optischen Betrachtungsvorrichtung 36 nicht bewegt und ihre Winkel zum teilweise reflektierenden Spiegel 42 bleiben konstant. Wie dies oben im Zusammenhang mit der Fig. 2 erläutert wurde, ist daher der Lagefehler des Bildes M′ infolge dieser Berechnung in Bezug auf die Größe und die Richtung konstant und kann als eine ursprüngliche Verschiebung in der X, Y und Z-Richtung vernachlässigt werden.

Entweder der Vorderfläche oder die Rückfläche des teilweise reflektierenden Spiegels 42 kann halb-versilbert oder mit Aluminium oder Titan beschichtet sein, um seine Reflexionsstärke im Vergleich zur anderen Oberfläche zu erhöhen. Wenn die Reflexionsstärke der Vorderfläche größer ist, wird das Licht von dem Gegenstand 31 gebrochen. Wenn andererseits die Reflexionsstärke der Rückfläche größer ist, wird das Licht von der Meßmarke M doppelt gebrochen, während das Licht von dem Gegenstand nur einfach gebrochen wird.

Der Objekttisch 30 kann um die X-Achse und Y-Achse geschwenkt werden, um zu ermöglichen, daß der Gegenstand 31 in Bezug auf einen vorgegebenen Bezugspunkt ausgerichtet wird. Der Objekttisch 30 kann daher, wie dies in der Fig. 6 dargestellt ist, mit einem Drehzapfen 54 versehen werden, der als Drehpunkt für eine Platte 55 wirkt. Die Platte 55 weist eine Einstellschraube (oder Schrauben) 56 auf, die auf dem Objekttisch 30 aufliegt und sich an diesem abstützt. Sie kann eingestellt werden, um die Lage der Platte 55 in Bezug auf die X-Achse zu ändern. Die Platte 55 trägt an den Drehzapfen 58 einen Tisch 57, der eine Einstellschraube (oder Schrauben) 59 aufweist, die an der Platte 55 angreift und die eingestellt werden kann, um die Lage des Tisches 57 in Bezug auf die Y-Achse zu verändern. Ein auf dem Tisch 57 angeordneter Gegenstand kann daher um die X-Achse und um die Y-Achse in Bezug auf den Bezugspunkt ausgerichtet werden.

Voranstehend wurde beschrieben, daß der teilweise reflektierende Spiegel 42 unter einem Winkel von 45° zur Ebene angeordnet ist, die die optische Betrachtungsvorrichtung 36 und den Gegenstand 31 aufweist. Diese Ausrichtung des teilweise reflektierenden Spiegels 42 ist zweckdienlich, weil sie ermöglicht, daß die Z-Auflage 46 in horizontaler Richtung bewegt werden kann. Der teilweise reflektierende Spiegel 42 kann jedoch auch unter anderen Winkeln angeordnet werden, wobei dann die Z-Auflage 46 so angeordnet sein muß, daß sie sich so bewegen kann, daß das Bild der Meßmarke sich in einer Richtung bewegt, die senkrecht zur XY-Ebene ist.

Wie oben bereits beschrieben wurde, sind die optische Betrachtungsvorrichtung 36, der teilweise reflektierende Spiegel 42 und der Objekttisch 30 geradlinig zueinander ausgerichtet. Die optische Betrachtungsvorrichtung 36 kann jedoch, wenn dies gewünscht wird, seitlich von dem teilweise reflektierenden Spiegel 42 angeordnet werden, so daß Licht von dem Gegenstand 31 durch den teilweise reflektierenden Spiegel 42 zur optischen Betrachtungsvorrichtung 36 reflektiert wird.

Claims

1. Einrichtung zur geometrischen Abtastung eines Gegenstands (31) mit einem Objekttisch (30), mit einer Meßmarke (M), mit einer optischen Betrachtungsvorrichtung (36), mit einem teilweise reflektierenden Spiegel (42), durch den ein Bild (M′) der Meßmarke (M) erzeugt wird, das bei Betrachtung des Gegenstands (31) durch die optische Betrachtungsvorrichtung (36) mittels Betätigung eines Antriebs (25, 27, 50) in Koinzidenz mit einem Punkt des Gegenstands (31) gebracht werden kann, und mit Mitteln (49) zur Registrierung der Stellung des Antriebs (25, 27, 50) zur Bestimmung der Lage des abgetasteten Punkts des Gegenstands (34), dadurch gekennzeichnet,
daß der Antrieb (25, 27, 50) Mittel (25, 27) enthält zur Bewegung des Objekttisches (30) in einer X- und in einer Y-Richtung und daß der Antrieb (25, 27, 50) Mittel (50) enthält zur Bewegung der Meßmarke (M) auf den teilweise reflektierenden Spiegel (42) zu und von ihm weg, um das Bild (M′) der Meßmarke (M) in einer Z-Richtung zu bewegen und so die Z-Lage des abgetasteten Punkts des Gegenstands (31) zu bestimmen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Betrachtungsvorrichtung (36) zur stereoskopischen Betrachtung des Punktes des Gegenstands (31) ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Betrachtungsvorrichtung (36), der teilweise reflektierende Spiegel (42) und der Objekttisch (30) geradlinig zueinander ausgerichtet sind.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der teilweise reflektierende Spiegel (42) zwei einander abgewandte Oberflächen aufweist, von denen die eine ein größere Reflektionsvermögen hat als die andere.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (54 bis 59) zum Ausrichten des Objekttischs (30) gegenüber einem Festpunkt.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (49) zur Registrierung der Stellung des Antriebs (25, 27, 50) eine Digitalanzeige der Stellung des Antriebs (25, 27, 50) in der X-, Y- und Z-Richtung liefert.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Objekttisch (30) mit einem Aufzeichnungsgerät (P) verbunden ist.