DE3841742A1 - Koordinatenmesstaster mit absolutinterferometrischem beruehrungslosem messprinzip - Google Patents

Koordinatenmesstaster mit absolutinterferometrischem beruehrungslosem messprinzip

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Description

In der Koordinatenmeßtechnik sind messende und schaltende mechanisch be­ rührende 3D-Taster sehr weit entwickelt. Berührungslose, insbesondere optische, Antastverfahren besitzen in vielen Fällen jedoch Vorteile gegenüber den mechanischen Antastverfahren. Optische Antastverfahren ermöglichen höhere zulässige Verfahr- und Anlastgeschwindigkeiten. Die Antastung ist be­ rührungslos, so daß das Objekt nicht durch Tastkräfte beeinflußt wird. Ferner lassen sich mit optischen Tastern feinere Strukturen erfassen, als es mit me­ chanischen Tastern der Fall ist.
Bisher beruhen optische Koordinatenmeßtaster für Objekte mit allgemeinen Oberflächen im wesentlichen auf Triangulations-, Autofokus- und 2D-bildaus­ wertenden Meßverfahren. Sie sind stark von der Mikrostruktur und dem Pro­ fil bzw. der Neigung der Oberfläche des Objektes abhängig und deshalb in ihrer Genauigkeit eingeschränkt.
Erfindungsgemäß werden die genannten Nachteile durch das interfero­ metrische Funktionsprinzip vermieden.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Antast­ punktes auf einer spiegelnden oder diffus reflektierenden Objektoberfläche (mit weitgehend uneingeschränkter Neigung) durch interferometrische Auswer­ tung der von dieser reflektierten Strahlung.
Es ergeben sich bei der Lösung der Aufgabe, Oberflächen beliebiger Mikrostruk­ tur und beliebigen Profils interferometrisch anzutasten, grundsätzlich zwei Probleme:
  • 1. die nichteindeutige Bestimmung von (absoluten) Abständen durch das in­ krementelle Meßverhalten von monochromatischen Interferometern;
  • 2. die Zerstörung der geometrisch einfachen Phasenfront der reflektierten Strahlung bei Reflexion an diffus reflektierenden Oberflächen.
Erfindungsgemäß wird ersteres Problem dadurch gelöst, daß die interfero­ metrische Messung mit mehr als einer Wellenlänge geschieht. In einfachsten Fall läßt sich bereits durch zwei Wellenlängen eine im allgemeinen ausreichen­ de Eindeutigkeit der Abstandsmessung erzielen. Man kann den Frequenzab­ stand so wählen, daß nur eine einzige Phasenkoinzidenz der beiden Interferenz­ signale im nutzbaren Abstandsbereich stattfindet. Als nutzbarer Abstandsbe­ reich ist dabei die Umgebung des Brennpunktes des Objektivs, welches das Objekt beleuchtet, gemeint. Eine definierte Phasenlage und/oder Phasenbezie­ hung zwischen den Interferenzsignalen unterschiedlicher Frequenzen läßt sich wie der Schaltpunkt eines mechanisch berührenden, dynamischen Tasters auswerten. In geringem Umfang läßt sich durch Phasenmessung jedoch auch eine kontinuierliche Abstandsmessung vornehmen, die in der Koordinaten­ meßtechnik beim "Scanning"-Betrieb wünschenswert ist.
Das zweite Problem wird erfindungsgemäß durch die Benutzung eines Raum­ frequenzfilters zum Ausblenden der unerwünschten Wellenfronten gelöst. Ins­ besondere bietet sich hier eine Ausführungsform an , bei der Monomodewellen­ leiter benutzt werden. Hierzu wird das Ende des beleuchtenden Wellenleiters mittels eines Objektivs mit vorzugsweise großer numerischer Apertur in den davor liegenden Raum abgebildet. Nähert sich die zu messende Objektoberfläche diesem Bildpunkt, so gelangt ein Teil der reflektierten Strahlung zurück in den Wellenleiter, dessen Eintrittsquerschnitt die Funktion eines Raumfrequenz­ filters übernimmt.
Die Strahlung gelangt durch die Faser zu einem interferometrischen Auswerte­ system, welches aus integriertoptischen Bauteilen, aus faseroptischen Bautei­ len oder konventionellen, diskreten Komponenten (Strahlleiter, Spiegel, Detek­ toren) besteht.
Insbesondere bietet sich erfindungsgemäß eine Ausführungsform an, in der das oben genannte Ende der Faser gleichzeitig Referenzreflektor ist, Referenz- und Meßstrahl verlaufen also durch dieselbe Faser, das heißt, sie legen denselben optischen Weg zurück, so daß sich eventuelle Phasenstörungen auf der Faser kompensieren. Daraus ergibt sich, daß auch bei kleinen Koharenzlängen die vom Auswertesystem zum Meßort führende Faser sehr lang werden darf. Man kann es beispielsweise durch die Pinole eines Koordinatenmeßgerätes zum Tast­ kopf führen, während Strahlungsquellen und interferometrisches Auswerte­ system außerhalb des Koordinatenmeßgeräts untergebracht sind.
Damit ist eine Ausführungsform realisiert, die Antastungen an schwer zugäng­ lichen Stellen der Objekte ermöglicht.
Beim Scannen ist im allgemeinen ein Meßbereich, zumindest aber ein Einfang­ bereich, erforderlich, der erheblich über den im Fokus interferometrisch nutz­ baren Bereich hinausgeht. Deshalb wird vorgeschlagen, entweder eine Grob­ messung über das Intensitätssignal (nichtinterferometrisch) nach Anspruch 3 vorzunehmen oder sogar eine automatische Fokusnachführung nach Anspruch 11 zu realisieren. Das Verstellen der fokussierenden Elemente braucht dabei nur mit geringer Genauigkeit stattzufinden.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1 läßt sich beispielsweise gemäß Fig. 1 aus­ führen:
Zwei stabilisierte Laserdioden (1) emittieren Strahlung mit Wellenlängen λ 1 und λ 2. Diese Strahlung beider Wellenlängen wird durch einen 4-Port-Koppler (2) vereinigt, alsdann für beide Wellenlängen aufgeteilt und versorgt die Meßvor­ richtung nach Anspruch 1 bis 8 und die Referenzvorrichtung (11), die nach An­ spruch 9 oder anderen Vorrichtungen zur Frequenzstabilisierung ausgeführt sein kann. In der Meßvorrichtung gelangt die Strahlung über einen Y-Koppler (3) in den Wellenleiter (4).
Am Faserende (5) dieses Wellenleiters reflektiert ein Teil der Strahlung. Ein an­ derer Teil der Strahlung gelangt über Objektiv (6) und nach Reflexion an Objekt (7) zurück durch Objektiv (6) in den Wellenleiter (4), wobei das Faserende (5) die Funktion eines Raumfilters einnimmt.
In der Faser (4) interferieren beide genannten reflektierten Strahlanteile. In den Detektoren (9) werden die Interferenzsignale, die durch eine dichroide Plat­ te (8) nach Wellenlängen getrennt wurden, voneinander unabhängig beobachtet.
Die Phasenlagen der Interferenzsignale werden mittels Auswerteelektronik (10) in Beziehung gesetzt, welche das Antastsignal liefert. In der Auswerteelektro­ nik wird außerdem die Intensitätsmessung nach Anspruch 3 durchgeführt. Die Referenzvorrichtung (11) ist beispielsweise nach Anspruch 9 ein Interfero­ meter und kann zum Beispiel in der Bauart des Meßinterferometers ausgeführt werden. Dieses Referenzinterferometer ist ein Interferometer konstanten Gangunterschieds. Es leitet die Regelgrößen für die Stabilisierung der Wellen­ längen λ 1 und λ 2 ab. Ein Regler (12) benutzt die Regelgrößen zur Stabilisierung der Laserdioden (1).
Eventuelle Störungen durch parasitäre Interferenzeffekte durch Reflexionen an Koppelstellen der Wellenleitfasern können durch Anbringung von Schwin­ gungsgebern (Piezoschwingern) an geeigneten Stellen der Fasern unterdrückt werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Antastpunktes auf einer spiegelnden oder diffus reflektierenden Objektoberfläche durch interfero­ metrische Auswertung der von dieser reflektierten Strahlung, wobei die Strahlung mehrfrequent ist und die Phasenbeziehung zwischen den Inter­ ferenzsignalen der unterschiedlichen Frequenzen zur Positionsbestimmung herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erzeugung der mehrfrequenten Strahlung monochromatische Strahlungs­ quellen benutzt werden, wobei die unterschiedlichen Wellenlängen in einer oder in mehreren Strahlungsquellen zeitversetzt oder simultan erzeugt werden,
die Positionsbestimmung durch Messung der Phasenlage der Interferenzsignale unterschiedlicher Wellenlängen geschieht;
die Strahlung aller Wellenlängen zum und vom Objekt durch denselben Strahlengang verläuft;
die Vorrichtung durch faseroptische Bauelemente und integriertoptische Inter­ ferometer (Strahlleiter und -vereiniger, sowie Phasenanalysatoren) realisiert wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung ein kontinuierliches Spektrum besitzt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung quasipunktförmig auf das Objekt fokussiert wird und eine nähe­ rungsweise Positionsbestimmung über die Intensitätsmessung der reflektierten Strahlung geschieht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung monochromatisch ist und die Phasenlage des Interferenzsignals innerhalb des nach Anspruch 3 bestimmten Positionsbereichs zur exakten Positionsbestimmung herangezogen wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Strahlengang für verschiedene Wellenlängen zum Teil oder insgesamt durch verschiedene Strahlengänge ersetzt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung des Meßsignals Raumfrequenzfilterung angewendet wird, welche störende Strahlanteile eliminiert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferometerkomponenten und die anderen optischen Komponenten zum Teil oder alle konventionelle, diskrete optische Elemente sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Objekt zugewandte Faserende mit sowie auch ohne reflektierendes Abschlußelement die Funktion des Referenzreflektors übernimmt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 4, 5, 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen- bzw. Frequenzstabilisierung anhand eines oder mehrerer Referenzinterferometer geschieht.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der obengenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch simultanen Einsatz mehrerer tastender Elemente (z. B. drei) die Eigenschaften im Falle des stetigen Abtastens (Scannens) verbessert werden.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der obengenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erweiterung des Meßbereichs ohne Genauig­ keitsbeeinflussung des interferometrischen Prinzips durch nachfokussieren möglich ist.
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