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Optisches Abstandsmeßverfahren
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Die Erfindung betrifft ein optisches Abstandsmeßverfahren nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der Dissertation von F. Ertl,
Aufbau und Untersuchung eines berührungslos optisch arbeitenden Längenmeßverfahrens
für den Einsatz in der Fertigung, Darmstadt, 1978, als bekannt hervorgeht.
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Die bekannte Abstandsmeßvorrichtung arbeitet nach dem Fokussierungsmeßverfahren.
Die zu vermessende Oberfläche eines Meßobjekts wird mittels eines konvergenten Lichtbündels,
das in einem Brennpunkt im Bereich der Meßobjektoberfläche zusammenläuft, angetastet.
Das von der. Oberfläche reflektierte Licht fällt auf einen fotoelektrischen Wandler,
der den Lichtstrom in unterschiedlichen Relativlagen des Brennpunkts relativ zur
Oberfläche mißt.
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Das maximale Reflexionssignal tritt dann auf, wenn der Brennpunkt
genau in der Oberfläche liegt. Für niedrige Meßgeschwindigkeiten reicht es aus,
den Brennpunkt kontinuierlich zur Meßobjektoberfläche zu verschieben. Wenn hohe
Meßgeschwindigkeiten verlangt sind, wird der Brennpunkt mit möglichst hoher Frequenz
beispielsweise sinus-
förmig um eine Mittellage oszillierend bewegt.
Dies wird beispielsweise durch eine entsprechend oszillierende Objektivbewegung
bewerkstelligt. Ein der Bestrahlungsstärke des fotoelektrischen Wandlers entsprechendes
über der Zeit aufgenommenes elektrisches Ausgangssignal des Wandlers besitzt immer
im Durchgang des Brennpunkts durch die Meßobjektoberfläche ein Maximum. Da der Abstand
des Brennpunkts von einer Bezugsebene des Abstandsmeßgerätes ständig bekannt ist,
kann eine Abstandsrelation des Meßgerätes zur Oberfläche gewonnen werden, wenn der
Brennpunkt genau in der Oberfläche des Meßobjekts liegt.
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Im Augenblick des Durchgangs des Brennpunkts durch die Oberfläche
nimmt die Intensität des reflektierten Lichts bis zu einem Maximum zu und dann wieder
ab. Lageveränderungen des Brennpunkts in unmittelbarer Nachbarschaft zur Oberfläche
bewirken jedoch so geringe Intensitätsänderungen, daß das absolute Maximum auch
mit teueren, hochempfindlichen Wandlern nicht exakt bestimmt werden kann. Dies liegt
daran, daß der Intensitätsverlauf eine flache Kuppe darstellt. Zwar sind bei der
bekannten Vorrichtung Blendenanordnungen vorgesehen, so daß das im Strahlengang
der Vorrichtung reflektierte Licht nur dann gänzlich zum fotoelektrischen Wandler
gelangen kann, wenn der Brennpunkt ungefähr in der Antastfläche liegt. Dadurch ist
zwar erreichbar, daß für Brennpunktslagen völlig außerhalb der Meßobjektoberfläche
weniger Licht auf den elektrischen Wandler fällt und sich die Intensitätsmaxima
schärfer abheben. Der exakten Bestimmung des absoluten Intensitätsmaximums im Verlauf
einer flachen Kuppe kann dadurch jedoch nicht näher gekommen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Meßempfindlichkeit zu
steigern durch Verbesserung der lagemäßigen Lokalisierung des Intensitätsmaximums.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Zur Durchführbarkeit des Meßverfahrens ist die um eine Mittellage
oszillierende Bewegung des Brennpunkts mit definierter Amplitude und Frequenz Voraussetzung.
Als Antwortsignal am Wandlerausgang ergibt sich ein der Brennpunktsmittellage relativ
zur Oberfläche des Meßobjekts entsprechendes Intensitätssignal des Sekundärlichts.
Nur dann, wenn die Brennpunktsmittellage genau in der Oberfläche liegt, ergibt sich
eine Antwortschwingung, deren Frequenz der doppelten Frequenz der Grundfrequenz
der Brennpunktsschwingung entspricht. Mit Auswandern der Brennpunktsmittellage aus
der Oberfläche ist das Antwortsignal eine zunehmend unregelmäßige Schwingung.
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Jede Schwingung ist jedoch eine Überlagerung harmonischer Schwingungen
ungleicher Frequenzen, die isoliert werden können. Betrachtet man die Amplitude
der Intensität des Oktavanteils des Sekundärlichts, so nimmt diese schon bei geringer
Auswanderung der Brennpunktsmittellage aus der Oberfläche plötzlich ab. Dagegen
ändert sich die Amplitude der Intensität des Gesamtsignals wesentlich träger, so
daß daraus zur Oberfläche eng benachbarte Brennpunktsmittellagen nicht auflösbar
sind.
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In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung läßt sich die Auflösung
weiter steigern, wenn Differenzen oder Verhältnisse der Amplituden der Antwortschwingung
und ihres Oktav anteils gebildet werden. Diese Werte nehmen noch plötzlich zu bzw.
ab, da eine Amplitudenvergrößerung, die als Folge der Verlagerung der Brennpunktsmittellage
in einen Bereich steileren Ausstiegs der Intensitätskurve auftritt, eliminiert wird.
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Zur weiteren Genauigkeitssteigerung werden die Intensitätssignale
weiterer höhererer Oberwellen betrachtet bzw. ausgewertet. Bei Annäherung der Brennpunktsmittellage
an die Meßoberfläche werden zunächst die maximalen Amplituden der Oberwellen des
Intensitätssignals ermittelt, deren Auftreten als Steuersignal zur Verringerung
der Meßtastkopfvorschubgeschwindigkeit dienen kann. Im Durchgang der 'Brennpunktsmittellage
durch die Oberfläche können die Meßintervalle so verringert werden. Dadurch kann
die Intensitätszunahme des Signals der Oktavoberwelle schrittweise noch genauer
erfaßt werden.
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Vorteilhaft ist, daß selbst für Oberflächen mit geringem Reflexionsgrad
oder bei Schrägstehen der optischen Achse des Tastmeßkopfs, d.h., wenn die Intensitätskurve
sehr flach verläuft, die Meßgenauigkeit noch sehr hoch ist.
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Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 eine Abstandsmeßvorrichtung mit einer das Antwortsignal
eines optoelektronischen Wandlers verarbeitenden Auswerteschaltung in einer schematischen
Darstellung, Figur 2 Darstellung des Zusammenhangs des Antwortsignals des optoelektronischen
Wandlers einer Vorrichtung nach Figur 1 und einer sinusförmigen periodischen Brennpunktsschwingung
mit Brennpunktsmittellage in der Antastoberfläche unter Zugrundelegung eines parabelförmigen
Verlaufs des Reflexionsvermögens der Antastfläche, Figur 3 Darstellung des Zusammenhangs
von Antwortsignal und Brennpunktsschwingung nach Fig.2 für eine Brennpunktsmittellage,
die im Abstand zur Antastfläche liegt.
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Die Abstandsmeßvorrichtung 1 nach Figur 1 besitzt eine Lichtquelle
2, die Primärlicht aussendet. Nach Durchstrahlen einer Linse 9 zur Aufweitung des
Lichtbündels, trifft das Licht auf einen Strahlteiler 10, der in Richtung auf die
Meßobjektoberfläche 3 durchlässig ist. Nach Durchstrahlen der Linse 4, die Material
enthält, das in elektrischen Feldern mit unterschiedlichen Feldstärken sein Brechungsverhalten
ändert, und deshalb zwischen lichtdurchlässigen Elektroden 5 zur elektrischen Feld
erzeugung angeordnet ist, trifft das Primärlicht auf die
Meßobjektoberfläche
3 oder Antastfläche. Im Ausführungsbeispiel ist die relative Lage des Brennpunkts
8 zur Meßobjektoberfläche 3 durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen an den Elektroden
5 regelbar. Je nach der augenblicklichen Lage des Brennpunkts 8 zur Antastfläche,
fällt mehr oder weniger Sekundärlicht im Strahlengang der Beleuchtungsoptik zurück.
Der Strahlteiler 10 koppelt das reflektierte Licht - Sekundärlicht -aus dem Primärlichtbündel
aus und führt es einem optoelektronischen Wandler 11, wie beispielsweise einer Fotodiode,zu,
die ein der Lichtintensität entsprechendes Ausgangsstromsignal bzw. Antwortsignal
erzeugt. Das Antwortsignal wird einem Frequenzanalysator 12 zugeführt, der ein oder
mehrere Schmalbandfrequenzfilter 13 enthält, die jeweils aus einem elektrischen
Schwingkreis und einem Operationsverstärker aufgebaut sind. Durch sie kann ein periodisches
Eingangssignal in seine harmonischen Schwingungen zerlegt werden, deren Frequenzen
das doppelte oder mehrfache der Grundfquenz betragen, mit der der Brennpunkt um
seine Mittellage schwingt. In einer Auswerteeinheit 14, können je nach Bedarf die
Amplituden einer oder mehrerer der isolierten harmonischen Schwingungen ermittelt
werden. Außerdem kann die Auswerteeinheit 14 eine nicht dargestellte Differenz-
oder Quotientenbildungsstufe enthalten, die die ausgewählten Amplituden weiter verarbeitet.
Das Ausgangssignal der Auswerteeinheit 14 dient als Abstandssteuersignal für die
Brennpunktsverschiebung und wirkt im Ausführungsbeispiel entsprechend auf die Spannungsregelung
des elektrischen Feldes ein. Die Figuren 2 und 3 enthalten jeweils drei Diagramme,
die den Zusammenhang einer sinusförmigen periodischen Brennpunktsschwingung (Kurvenverlauf
21) und dem
Antwortsignal des optoelektronischen Wandlers herstellen.
Zugrunde liegt eine parabelförmige Reflexionskurve 20, die über dem Brennpunktsabstand
von der Oberfläche das Reflexionsvermögen der Oberfläche wiedergibt. Das Reflexionsvermögen
einer Oberfläche hängt von deren Feinstruktur ab und ändert sich entsprechend von
Oberfläche zu Oberfläche. Der Kurvenverlauf 21, stellt zwei Perioden einer Brennpunktsschwingung
über der Zeit dar Die Amplituden geben den jeweiligen Brennpunktsabstand von der
Antastfläche an. Aus der Reflexionskurve 20 kann für jeden Zeitpunkt der Brennpunktsschwingung
die dem jeweiligen Brennpunktsabstand zugehörige Reflexion abgelesen werden. Die
Kurven 22, 22' geben den zeitlichen Verlauf der Intensität des reflektierten Lichts
bzw.
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des Antwortsignals vom Wandler wieder. Die an die Extremlagen der
Amplituden unterbrochen gezeichneten Linien verdeutlichen die Zuordnung von Brennpunktsausschlag
und Intensität. Während in Figur 2 die Brennpunktsmittellage in der Antastfläche
liegt, liegt sie in Figur 3 im Abstand 23 zur Oberfläche. Diese Mittellage is.t
durch eine unterbrochen gezeichnete Linie dargestellt.
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Der Brennpunktsabstand relativ zu einer Antastfläche kann kontinuierlich
verändert werden, indem beispielsweise der Meßtastkopf der Abstandsmeßvorrichtung
1 entsprechend verfährt, oder ein elektrisches Feld an den Elektroden angelegt wird,
das sich kontinuierlich ändert. Für hohe Meßgeschwindigkeiten und insbesondere für
das erfindungsgemäße Meßverfahren ist es notwendig, den Brennpunkt in periodische
Bewegungen zu versetzen, die eventuell einer kontinuierlichen Bewegung überlagert
ist. Statt einer
kontinuierlichen Bewegung kann auch eine niederfrequente
periodische oder durch Steuersignale der Auswerteinheit 14 erzeugte diskontinuierliche
Brennpunkts- oder Meßtastkopfbewegung unterlagert sein, die einfach notwendig ist,
um die Mittellage, um die der Brennpunkt 8 schwingt, in eine ausgezeichnete Lage
zum Meßobjekt verlagern zu können. Ziel ist es, die Brennpunktsmittellage genau
in die Oberfläche zu legen. Das Antwortsignal ist dann eine harmonische Schwingung
mit der doppelten Frequenz der Frequenz der Brennpunktsschwingung. Wenn die Brennpunktsmittellage
aus der Oberfläche herausrückt, ergibt sich eine nicht harmonische Antwortschwingung,
etwa nach dem Kurvenverlauf 22' der Figur 3. Immer dann, wenn der Brennpunkt 8 durch
die Oberfläche des Meßobjekts hindurchtritt, ergibt sich ein Intensitätsmaximum
des reflektierten Lichts, das jedoch, wie die Kurve 20 in Figur 2 oder 3 darstellt,
eine relativ flache Kuppe besitzt. Die exakte Lokalisierung des Maximums der Kuppe
ist durch Intensitätsmessung des Sekundär lichts nur bis zu einer gewissen Grenze
möglich, da die Intensitätsänderungen im Bereich der Kuppe so gering sind, daß auch
empfindliche Meßgeräte nur eine beschränkte Auflösung erreichen. Die Lokalisierung
des Maximums läßt sich jedoch wesentlich verbessern, wenn das Antwortsignal in seine
harmonischen Schwingungen zerlegt wird und der Oktavanteil des Sekundärlichts der
Grundfrequenz der Brennpunktsschwingung betrachtet wird. Dieser ist nämlich für
die ausgezeichnete Brennpunktsposition, daß die Brennpunktsmittellage genau in der
Oberfläche liegt, maximal. Wenn die Brennpunktsmittellage auch nur gering aus der
Oberfläche auswandert,
fällt die Intensitätsamplitude des Oktavanteils
des Sekundärlichts steil ab. Ein scharf ausgeprägtes Amplitudenmaximum kann natürlich
sehr genau erfaßt werden, wodurch die Meßgenauigkeit verbessert wird. Für das vorliegende
Meßverfahren muß jedoch die Brennpunktsmittellage für eine Messung in die Meßobjektoberfläche
3 verlegt werden. Zur Isolierung des Oktavanteils des Sekundärlichts wird ein Schmalbandfilter
13 eines Frequenzanalysators 12 nach Fig. 1 eingesetzt. In der Auswerteeinheit 14
wird die Amplitude des Oktavsignals ermittelt und deren Größe zur Steuerung der
Verlegung der Brennpunktsmittellage verwendet, bis die Mittellage genau in der Oberfläche
liegt, also die Intensitätsamplitude der Oktavschwingung maximal ist. Anstatt eines
Schmalbandfrequenzfilters kann auch ein Mikroprozessor eingesetzt werden, mit dessen
Hilfe eine mathematische Fourieranalyse des Antwortsignals des Wandlers durchgeführt
wird.
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Eine weitere Verbesserung der Auflösung läßt sich erreichen, wenn
die Differenzen oder Verhältnisse der Amplituden der Antwortschwingung und des harmonischen
Oktavanteils gebildet wird. Denn dadurch wird die als Folge der Verlagerung der
Brennpunktsmittelage auftretende Amplitudenvergrößerung in einem Bereich des steileren
Verlaufs der Reflexionskurve eliminert. Die Ausprägung des Amplitudenmaximums wird
dadurch noch schärfer.
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Genauigkeitssteigerungen können auch erreicht werden, indem mittels
weiteren Schmalbandfrequenzflltern 13 wie nach Figur.l dargestellt, weitere Oberwellen
isoliert werden. Ihre Maximumamplituden der Intensitäten treten
abhängig
von der jeweiligen Frequenz für ganz bestimmte Abstände der Brennpunktsmittellagen
von der Oberfläche auf. Es muß aber die typische Reflexionskurve der jeweiligen
Oberfläche bekannt sein, um eine Abstandsrelation ermitteln zu können. Diese Abstandsrelation
kann als Kontrolle oder beispielsweise als Steuersignal für die Regelung der Verschiebegeschwindigkeit
der Brennpunkts mittellage dienen.Wenn beispielsweise die Geschwindigkeit mit der
der Meßtastkopf verschoben wird, mit überschreiten des Oberwellenmaximums gedrosselt
wird, kann die Amplitudenzunahme des Oktavanteils noch genauer erfaßt werden.
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Das Meßverfahren ist auch anwendbar auf Abstandsmeßvorrichungen mit
zwei gegenläufig schwingenden Brennpunkten.
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In diesem Falle würde die Vorrichtung nach der Figur 1 eine doppelbrechende
Linse 4 besitzen, die von unterschiedlich polarisierten Lichtarten durchstrahlt
wird. Durch unterschiedliches Brechungsverhalten der Linse in den zwei Polarisationsrichtungen
treffen sich die zwei Strahl-Lichtarten in Richtung der optischen Achse in zueinander
versetzten Brennpunkten. Das reflektierte Licht wird durch zwei Strahlteiler auf
zwei optoelektronische Wandler gelenkt. Die Strahlteiler lenken jeweils nur eine
Lichtart auf den ihnen zugehörigen Wandler. Die Antwortsignale beider Wandler können
wiederum in Oberwellen zerlegt werden, und auf Gleichheit der Amplituden geprüft
werden, was eine symmetrische Lage der Brennpunkte zur Oberfläche signalisiert.
Der Vorteil ist auch hier eine Steigerung der Meßgenauigkeit durch Erfassen des
scharf ausgebildeten Amplitudenmaximums des Oktavanteils.
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