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Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Oberflächenformen
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung
von komplexen Oberflächenformen mit hoher Genauigkeit.
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Die Messung von komplexen Oberflächenformen ist eine grundsätzliche
Aufgabe im Bereich des Maschinenbaus, im Bereich des Industrie-Designs und in der
Kraftfahrzeugtechnik, Beispielsweise besteht im Maschinenbau die Aufgabe, die Form
einer Turbinenschaufel zu messen oder es besteht im Bereich des Industrie-Designs
die Notwendigkeit, die genaue Form des Modells eines Kraftfahrzeugs zu bestimmen.
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Die Messung von Oberflächenformen mit hoher Genauigkeit wird heute
tiberwiegend mittels abtastender Koordinatenmepmaschinen durchgefunrt. Diese Maschinen
tasten das Meßobjekt in diskreten Punkten ab und gewinnen so einen Satz dreidimensionaler
Koordinaten (x,y,z) von Oberflächenpunkten.
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Da die Bewegung des Tasters mechanisch erfolgt und dieser beim eigentlichen
Meßvorgang die Oberfläche berührt, sind solche Maschinen entsprechend langsam. Andere
Verfahren, die auf Basis von Mehrwellenlängenholographie oder mittels Moiré-Verfahren
arbeiten, leiden darunter, daß als Meßergebnis nicht ein Satz dreidimensionaler
Koordinaten entsteht, sondern ein Konturlinienbild, welches seinerseits noch ausgewertet
werden sirup. Darüber hinaus ist bei diesen Verfahren die Auflösung in Beobachtungsrichtung
von geringer Größte, und zwar insbesondere dann, wenn gleichzeitig ein großer Mepbereich
in Beobachtungsrichtung erfaßt werden soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein berEhrungsfreies schnelles
Verfahren zur Messung komplexer Oberflächenformen anzugeben, welches hohe Auflösung
in Beobachtungsrichtung besitzt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Objektoberfläche
mit einem sich quer zur Beobachtungsrichtung bewegenden Lichtraster ausgeleuchtet
wird derart, daß die in einem bestimmten Zeitintervall durch einen beliebigen Punkt
laufenden Hell-Dunkel-Stellen des Lichtrasters ein Maß fUr die Oberflächenkoordinate
dieses Punkts in
Beobachtungsrichtung geben. Die Koordinaten quer
zur Beobachtungsrichtung werden mittels einer Abbildungsoptik festgestellt. Der
Lichtraster wird auf analoge Weise, wie bereits in anderem Zusammenhang beschrieben
(Offenlegungsschrift Dr 25 43 493 Al, Verfahren und Anordnung zur Positionsmessung,
P 25 43 493.9), hergestellt.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren beschrieben: Fig.
1: Anordnung zur Herstellung des bewegten Lichtrasters und zur Registrierung der
Hell-Dunkel-Wechsel in beliebigen Punkten auf der Objektoberfläche Fig. 2: Vorrichtung
zur Festlegung des Winkels ¢ Fig. 3: Geometrie im Interferenzfeld Fig. 4: Eine weitere
Anordnung zur Messung von Oberflächenformen gemaß der Erfindung Fig. 5: Verlauf
der elektrischen Signale am Referenzzahler Fig. 6: Verlauf der photoelektrischen
Signale am digitalen MeßzAhler Fig. 7: Vorrichtung zur Gewinnung eines Signals ftlr
die Nachfokussierung Die Zahlen bedeuten: 1 ... Laser 2 ... Laserstrahl 3 ... Fernrohr
4 ... Rotierender Umlenkspiegel 5 ... Fresnelsches Biprisma (FBP) 6 ... Interferenz
feld 7 ... Prismenkante 8 ... Spiegelachse 9 ... Meßobjekt
10 ...
Pbbildungsoptik 11 ... Lochblende 12 ... Photoempfänger 13 ... Digitalzähler 14
... Optische Achse des Mepdetektors 15 ... Lichtschranke 16 ... Strahlteiler 17
... Lochblende 18 ... Photoempfånger 19 ... Frequenznormal 20 ... Digitalzähler
21 ... Rechner 22 ... Photoempfänger 23 ... Photoempfänger 24 ... Lochblende 25
... Lochblende 26 ... Strahlteiler 27 ... Strahlteiler Eine mögliche Ausführungsform
der Vorrichtung zur Herstellung des bewegten Lichtrasters ist in Fig.l dargestellt.
Ein aus dem Laser 1 austretendes Strahlenbündel 2 wird durch das Fernrohr 3 aufgeweitet
und beleuchtet Uber einen Umlenkspiegel 4 ein Fresnelsches Biprisma (FBP) 5.
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Die hinter den FBP interferierenden Teilbündel erzeugen als Lichtraster
ein Interferenzfeld 6, bestehend aus äquidistanten Interferenzebenen mit einer Gitterkonstanten
d von: d = #/(2.sinα) Dreht sich der Umlenkspiegel 4 um den Winkel #, dann
dreht sich das Interferenzfeld um 2. #. Für ein Zylinderkoordinatensystem (Polarkoordinaten
r, # und Aplikate z) mit der z-Achse in der Prismenkante 7 des FBP 5 ist dann die
Anzahl N(r) der beim Zylinderradius r durch einen Punkt P wandernden Interferenzstreifen:
N(r) = 49Q-rsina/\ Auf diese Weise ist der Abstand r eines Objektpunkts P auf einem
Objekt
9 eindeutig festgelegt. Der Punkt P wird von einer Optik 10 auf eine Lochblende
11 abgebildet, deren Durchmesser kleiner sein muß als die Streifenbreite des Lichtrasters
in diesem Bild. Der dahinter angeordnete Photoempfänger 12 gibt sein Signal an den
digitalen Mepzähler 13, dieser registriert die Hell-Dunkel-Wechsel in P. Die anderen
Zylinderkoordinaten z und f sind durch den Schnitt der optischen Achse 14 dieses
Meßdetektors mit der Zylinderfläche r = konstant festgelegt.
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Die Messung erfolgt dann schrittweise, wobei innerhalb eines jeden
Schritts der Medetektor, bestehend aus Optik 10, Lochblende 11 und Photoempfånger
12, durch Schwenken der Achse 14 die Objektoberfläche punktweise abtastet und fur
jeden Punkt der Zylinderradius r gemessen wird. Gleichzeitig muß fUr jeden Punkt
auch die Stellung der Meßachse 14 registriert werden, was mittels eines Drehgebers
möglich ist. Weil dies nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist und zum
bekannten Stand der Technik gehört, wird hierauf nicht näher eingegangen. Nachdem
ein solcher Schritt abeschlossen ist, wird entweder das Objekt 9 oder die Meßeinrichtung
in Richtung der Prismenkante um eine Schrittgröpe verschoben und die beschriebene
Messung wird wiederholt.
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Alternativ kann anstelle des aus Optik 10, Lochblende 11 und Photoempfänger
12 bestehenden Mepdetektors auch eine Fernsehkamera, beispielsweise mit einer Diodenarrayröhre
oder eine "Random Access Camera", wie sie z.B. von verschiedenen Firmen in Verbindung
mit einem Rechner angeboten wird, eingesetzt werden. In diesem Falle erübrigt sich
das mechanische Nachstellen der optischen Achse.
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Der Winkel ¢ wird beispielsweise mit Hilfe einer Lichtschranke 15
auf der Achse 8 des Spiegels 4 festgelegt, s. Fig.2. Diese Lichtschranke liefert
die Start- und StopSignale fUr den an den Photoenlpfänger angeschlossenen Digitalzahler
13. Dessen Zahlergebnis kann durch entsprechende Auslegung der Geometrie der Anordnung
direkt zum Zahlenwert der r-Koordinate im beispielsweise metrischen System gemacht
werden. Oder man multipliziert das Zahlergebnis in einem Rechner mit einer geeigneten
Konstanten.
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Die Auflösung dieses Verfahrens in Richtung Zylinderradius r ist gegeben
durch die Gröpe der jeweiligen r-Koordinate gebrochen durch die Strei-
fenzahl
N(r). Siehe dazu die in Fig. 3 angegebenen Abmessungen im Interferenzfeld. Mit sinα
= H/(2.L) und 2.#.L = H wird N(r) = (H/L)² . r/# Somit beträgt die Auflösung 6 6
= r/N(r) = A L2 Allerdings kann eine hohe Messgenauigkeit nur dann realisiert werden,
wenn die Lichtschranke ihre Signale immer exakt in denselben Positionen abgibt,
was nicht vorausgesetzt werden kann. Es ist daher sinnvoll, die Lichtschranke wegzulassen
und die Start- und Stopsignale fUr den Digitalzähler auf andere Weise zu gewinnen:
In Fig.4 ist zwischen Mepobjekt 9 und dem FBP 5 ein Strahlteiler 16 angebracht.
Dieser lenkt einen Teil 6' des Interferenzfelds 6 auf einen Spalt 17 mit einem Referenz-Photoempfänger
18. Der Spalt 17 ist parallel zu den Interferenzstreifen des Interferenzfelds 6'
orientiert. Das elektrische Signal URE des Photoempfängers 18 ist in Fig. 5 Uber
der Zeit dargestellt, ebenso das Signal UFN des Frequenznormals 19. Sobald URE gut
durchooduliert ist, also eine vorher festgelegte Amplitudengröße erreicht, wird
beim nächsten Nulldurchgang von URE der Referenzzähler 20 durch seinen Trigger gestartet
(Zeitpunkt tA) und sobald URE die festgelegte Amplitudengröpe wieder unterschreitet,
wird beim darauf folgenden Nulldurchgang der Referenzzahler wieder gestoppt (Zeitpunkt
tE). Aus den beiden Zählraten folgt fUr die mittlere relative Periodendauer des
Referenzsignals:
Analog wird beim Meßzåler 13 verfahren: Sobald die Amplitude von UpE (Fig.6) einen
vorgewählten Minimalwert erreicht hat, startet beim nächsten Nulldurchgang von UpE
(Zeitpunkt tA), ein Trigger im digitalen Mepzähler 13 zwei Zåhlvorgänge: Die Nulldurchgänge
N von UpE werden gezåhlt, ebenso die Nulldurchgänge NF des Signals UFN des Frequenznornals
19.
Sobald UpE wieder den vorgewählten Minimalwert unterschreitet, werden beide Zählvorgänge
beim darauf folgenden Nulldurchgang gestoppt (Zeitpunkt tE). Aus den gezählten Nulldurchgängen
ermittelt ein Rechner die relative Periodendauer des Meßsignals UpE zu:
Aus den so gemessenen Periodendauern folgt die r-Koordinate direkt aus dem Verhältnis
der Periodendauern von Referenz- und Meßdetektor:
wobei L der optische Abstand des Spalts 17, gemessen Uber den Strahlteiler 16, von
der Prismenkante 7 ist. Mit dieser Anordnung erhält man beispielsweise mit fFN =
10³fPE und einer Bündelhöhe von H = 2 cm bei einem Meßbereich von L = 1 m eine Auflösung
von 1,5 µm (fPE ist die Frequenz des Photoempfängersignals, fFN jene des Frequenznormals).
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Das erhaltene Ergebnis ist exakt fUr kleine Winkel 4>. Bei großen
Winkeln 4> erzeugt das FBP 5 ein Interferenz feld mit etwas abweichender Gitterkonstanten
d. Diese läßt sich fur ein gegebenes FBP in Abhängigkeit von # berechnen und die
zugehörige Korrektur kann von dem Rechner 21 on-line ausgeführt werden.
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Es sei auch darauf hingewiesen, daß die hier beschriebene elektronische
Signalauswertung nur exemplarisch gemeint ist. Tatsächlich können auch andere Methoden
und insbesondere auch andere Signalpegel zum Zahlen herangezogen werden.
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Figur 4 zeigt noch eine weitere Alternative fur den Aufbau der Mepvorrichtung:
Der Mepdetektor, bestehend aus Optik 10, Lochblende 11 und photoempfänger 12 kann
so angeordnet werden, daß er Uber den Strahlteiler 16 auf das Objekt 9 blickt, also
aus derselben Richtung, aus der das Meßobjekt auch van Interferenzfeld beleuchtet
wird. Dadurch sieht der Meßdetektor keine Schatten auf der Objektoberfläche und
es kann jeder beliebige Oberflächenpunkt gemessen werden.
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Ferner ist in Figur 4 der Meßdetektor als Random-Access-Kamera oder
Array-Kamera ausgebildet. Diese besteht im wesentlichen aus einer Abbildungsoptik
10 und einem rechnergesteuerten Photoempfänger-Array 12'.
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Jeder einzelne Photoempfånger des Arrays 12' kann per Rechner abgefragt,
d.h. sein Photosignal an den Ausgang des Meßdetektors gelegt werden. Die Lochblende
11 erübrigt sich hier. Die einzelnen Photoempfänger mUssen kleiner sein als der
Streifenabstand im Bild der Objektoberfläche auf dem Array 12'. Polarwinkel f und
Aplikate z werden durch die einzelnen Photoempfänger festgelegt.
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Eine weitere Alternative besteht darin, wie in Fig. 1 einen Meßdetektor
mit nur einem Photoempfänger zu benutzen und anstatt dessen optische Achse in ihrer
Richtung zu steuern, die gesamte Vorrichtung in zweidimensionalen kartesischen Koordinaten
Uber dem Objekt zu bewegen.
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Zur Registierung der Hell-Dunkel-Wechsel im Meßpunkt ist es weiters
notwendig, daß die Optik 10 den Meßpunkt auf die Lochblende 11 bzw. die Photoempfänger
12' abbildet. Ansonsten nimmt der Gleichanteil in Signal UPE zu, d.h. der Modulationsgrad
von UpE sinkt. Fs ist somit eine laufende Nachfokussierung notwendig. Dies kann
beispielsweise dadurch erfolgen, daß der Modulationsgrad des Signals UpE des Photoempfängers
12 mit dem Modulationsgrad zweier weiterer Photoempfänger 22 und 23, deren zugehörige
Lochblenden 24 und 25 sich knapp vor und knapp hinter der Ebene der Lochblende 11
befinden, verglichen wird. Eine solche Anordnung ist in Fig. 7 dargestellt. Die
Teile 26 und 27 sind Strahlteiler. Durch Vergleich des Modulationsgrads der 3 Empfängersignale
erhält man eine Aussage, in welche Richtung die Optik 10 beispielsweise durch Verschieben
längs ihrer optischen Achse 16 nachfokussiert werden mu.
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Alternativ zur bisher beschriebenen Anordnung, bei welcher das Interferenzfeld
mit Hilfe eines Fresnelschen Biprismas erzeugt wurde, gibt es eine ganze Reihe anderer
Möglichkeiten. So kann z.B. anstatt des FBP in Verbindung mit dem Umlenkspiegel
4 ein auf der Achse 8 angeordneter rotierender Fresnelscher Doppelspiegel Anwendung
finden. Weitere Moglichkeiten zur Erzeugung räumlicher Interferenzfelder sind z.B.
in dem Lehrbuch von M. Bom und E. Wolf: Principles of Optics (Pergamxl Press, New
York 1964) beschrieben. Prinzipiell lassen sich Verfahren, die mit
geonietrischer
Wellenfrontteilung arbeiten und Verfahren, die mit physikalischer Wellenfrontteilung
arbeiten, unterscheiden.
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Verfahren mit geometrischer Wellenfrontteilung: Fresnelscher Doppelspiegel
Fresnelsches Biprisrna Youngsche Anordnung Billetsche Doppellinse Verfahren mit
physikalischer Wellenfrontteilung: Beugungsgitter in Transmission Beugungsgitter
in Reflexion Teilerplatte Polarisationsoptische Verfahren (vgl. M. E'rançon, Optical
Interferometry, Academic Press, New York and London, 1966, Chapter VII) Anstatt
einer Laserlichtquelle kann teilkohärentes Licht einer konventionellen Lichtquelle
benutzt werden. Die Ausdehnung der rumlichen Interferenzen wird durch die beschränkte
Kohärenz solcher Lichtquellen reduziert. Dies kommt einer Beschränkung des Meßbereichs
des Verfahrens gleich.