DE3924290C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Abstandes einer Oberfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Vorrichtungen, die den Abstand einer Oberfläche nach dem Triangulationsverfahren messen, sind seit langem bekannt. Nur exemplarisch wird hierzu auf die deutschen Offenlegungsschriften 27 24 876 und 33 02 948 sowie der EP-A-01 40 029 hingewiesen. Diesen Vorrichtungen ist gemeinsam, daß mittels einer Lichtquelle ein Lichtfleck auf die Oberfläche eines anzutastenden Werkstückes, d. h. des Werkstückes, dessen Abstand relativ zu einer Bezugsebene in der Vorrichtung ermittelt werden soll, projiziert und über ein optisches Abbildungssystem unter einem Schrägwinkel, dem sog. Triangulationswinkel, das Bild dieses Lichtfleckes auf einen optoelektronischen Lagedetektor abgebildet wird. Die Veränderung des Abstandes zwischen der Vorrichtung zur Abstandsmessung und der Werkstückoberfläche bezogen auf einen vorgegebenen Grundabstand kann aus den Lagesignalen des optoelektronischen Lagedetektors direkt ermittelt werden.

Die aus den vorstehend genannten Druckschriften bekannten Vorrichtungen zur Abstandsmessung weisen jedoch insbesondere dann, wenn eine hochgenaue optische Abstandsmessung bei hohem Grundabstand erfolgen will, den Nachteil auf, daß ihre Empfindlichkeit, d. h. die Änderung des abgebildeten Strahlschwerpunktes auf dem optoelektronischen Lagedetektor bezogen auf die Änderung des Abstandes zu gering ist. Diese Empfindlichkeit ist direkt von dem Triangulationswinkel behängig. Bei dem maximal möglichen Triangulationswinkel von 45° und einem optischen Abbildungsverhältnis des Lichtflecks von 1 : 1 beträgt die dieses das 0,7fache der Abstandsänderung. Die Realisierung eines optischen Abbildungsverhältnisses von 1 : 1 bedeutet aber, daß die Baugröße des optischen Meßkopfes groß in Relation zu seinem Grundabstand wird, so daß bspw. an schlecht zugänglichen Stellen des Werkstückes nicht gemessen werden kann. Um die Abmessungen des Meßkopfes zu verkleinern, wird deshalb i. d. R. eine optische Verkleinerung von 1 : 4 bis 1 : 5 gewählt, die jedoch die Empfindlichkeit der Vorrichtung im selben Verhältnis herabsetzt.

Erschwerend kommt hinzu, daß bei diesen bekannten Vorrichtungen bei bei der Auswertung des Strahlschwerpunktes auch die Komponenten mitberücksichtigt werden, die den Strahlschwerpunkt des Lichtfleck-Bildes gegenüber seiner Umrandung verschieben, ohne daß diese Verschiebung durch eine Abstandsänderung hervorgerufen worden wäre. Dieser Fehler wird insbesondere dadurch hervorgerufen, daß aufgrund der unterschiedlichen Reflektivität der Werkstück-Oberfläche, insbesondere bei starker Neigung gegenüber der Antastrichtung über die Fläche des Lichtpunktes verteilte Helligkeitsunterschiede entstehen, die eine Wanderung des Strahlschwerpunktes hervorrufen und damit Meßfehler verursachen. Diese Helligkeitsunterschiede entstehen dabei durch das Zusammenspiel von "Reflexionskeule" in Hauptreflexionsrichtung und Eintrittswinkel des optischen Abbildungssystems. Dieser Effekt wird durch die Verzeichnung der meist nicht ideal korrigierten Abbildungssysteme noch verstärkt.

Besonders unangenehm ist, daß dieser Fehler um so größer wird, je größer der Durchmesser des optischen Abbildungssystems gewählt wird. Ein hoher Eintrittsquerschnitt bzw. eine große Apertur ist aber erforderlich, um den Meßkopf ausreichend lichtempfindlich zu machen.

Es ist deshalb in der DE 33 42 675 A1 oder in dem Artikel "Berührungslose optische Abstandsmessung" von G. Krattenmacher in Elektronik 5/6. 3. 1987, S. 69-76, von denen im übrigen bei der Formulierung des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ausgegangen worden ist, vorgeschlagen worden, aus der Form des Lichtflecks auf einem Detektorarray ein Korrektursignal für den zu errechnenden Abstand zu gewinnen.

Nachteilig bei den aus diesen Druckschriften bekannten gattungsgemäßen Vorrichtungen ist jedoch, daß zur Gewinnung des Korrektursignals ein hoher elektronischer Aufwand beispielsweise beim Auslesen von CCD-Arrays erforderlich ist, wenn die Form des Lichtflecks einigermaßen genau erfaßt werden soll.

Ferner ist aus der DE 33 04 780 A1 eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Fouriersystem zur Analyse der Rauigkeit einer Oberfläche durch Auswerten der Intensitäts-Verteilung der Streukeule dient.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung eines Abstandes einer Oberfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß Fehler, die durch unterschiedliche Intensitätsverteilungen innerhalb der Aperturblende des optischen Abbildungssystems entstehen, mit vergleichsweise geringem Aufwand zumindest weitgehend korrigiert werden, so daß insbesondere eine hochgenaue Abstandsmessung bei hohem Grundabstand möglich wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird ein Korrektursignal erzeugt, das ein Maß für die Azentrizität des Lichtfleck-Bildes bzw. für die Intensitätsverteilung innerhalb der Aperturblende des optischen Abbildungssystems ist. Hierzu ist im Nachweis- Strahlengang ein Strahlteiler angeordnet, der einen Teil des Lichtes auf einen positionsempfindlichen zweiten De­ tektor leitet, aus dessen Ausgangssignal das Korrektur­ signal von der Steuereinheit abgeleitet wird. Damit das Ausgangssignal dieses Detektors ein Maß für die Azentri­ zität der Lichtverteilung ist, ist diesem Detektor ein optisches Fourier-System vorgeschaltet, das die Richtung der eintreffenden Lichtstrahlen in Ablage, d. h. in einen Abstand zur optischen Achse des optischen Systems umwan­ delt. Damit ist gemeint, daß (im Grundzustand des Systems) sämtliche Strahlen, die von dem beleuchteten Fleck unter einem bestimmten Winkel ausgehen, nach dem optischen Fou­ rier-System den gleichen Abstand von der optischen Achse haben.

Bevorzugt weist das Fourier-System gemäß Anspruch 2 eine Zylinderlinse auf, die zwischen zwei optischen Elementen angeordnet ist, die ein afokales System bilden. Dabei hat die Zylinderlinse in Richtung der gewünschten Strahlablen­ kung keine Brechkraft, so daß es möglich wird, als positi­ onsempfindlichen Korrekturdetektor einen eindimensionalen Detektor zu verwenden.

Die Bildung des Korrekturwertes kann selbstverständlich unter Berücksichtigung der exakten Beziehungen für die Schwerpunktsbildung bzw. die Schwerpunktsverlagerung durch Bildfehler erfolgen. Eine besonders einfache Beziehung für die Bildung des korrigierten Ausgangssignals ist im An­ spruch 3 angegeben, gemäß der Steuereinheit aus dem Aus­ gangssignal z_mess des Meß-Korrekturarrays ein korrigiertes Ausgangssignal z_ort gemäß

z_ort = z_mess - k · r - l · (r-x · z_mess) · z_mess

bildet, wobei k und l Konstanten, und x ein empirisch ermittelter Korrekturfaktor ist.

Dieser Korrekturfaktor x wird von der Steuereinheit bevor­ zugt gemäß Anspruch 4 durch

x = (r - r₀)/z_mess

ermittelt, wobei z_mess über eine Reihe von Messungen ge­ mittelt wird.

Um die Baugröße des Meßkopfes zu verkleinern, ist es be­ vorzugt, wenn das optische Abbildungssystem im Meß-Zweig ein verkleinertes Bild erzeugt, das ein weiteres optisches System, das bspw. ein Mikroskopobjektiv ist, vergrößert und auf das Meß-Dektektorarray abbildet (Ansprüche 5 bzw. 6). Diese Nachvergrößerung würde bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung nicht zu einer Steigerung der Empfindlichkeit führen, da im gleichen Maße die Fehler "mit vergrößert" würden. Die erfindungsgemäße Ausbildung, bei der eine Korrektur des durch die Intensitätsverteilung in der Aper­ turblende hervorgerufenen Fehlers erfolgt, ermöglicht jedoch eine Nachvergrößerung mit einer entsprechenden Empfindlichkeits-Steigerung. In jedem Falle ist es bevor­ zugt, wenn das Abbildungslinsensystem wenigstens zwei optische Glieder mit positiver Brechkraft aufweist, zwi­ schen denen der Strahlteiler angeordnet ist (Anspruch 7).

Dies bedeutet, daß für den Korrektur-Strahlengang ledig­ lich ein Teil des Abbildungslinsensystems wirksam ist, wodurch die Baugröße weiter verringert wird.

In diesem Falle ist es bevorzugt, wenn das Fourier-System gemäß Anspruch 8 als erstes Element ein optisches Glied aufweist, dessen Brechkraft gleich dem des zweiten opti­ schen Gliedes des Abbildungssystems ist, da dann in beiden Strahlengängen gleiche optische Verhältnisse gegeben sind.

Die erfindungsgemäße Ausbildung erlaubt die Verwendung von lichtstarken Abbildungssystemen, und damit von vergleichs­ weise schwachen Lichtquellen. Eine derartige Lichtquelle kann bspw. gemäß Anspruch 9 eine Laserdiode sein, deren Licht ein Fokussiersystem auf die Oberfläche fokussiert.

Dabei ist es aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung möglich, vor dem Fokussiersystem gemäß Anspruch 10 eine Blende vorzusehen, die zu einem sehr kleinen Strahlfleck führt, durch den die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Abstandsmessung weiter erhöht wird. Dabei kann aufgrund des lichtstarken Abbildungssystems auch mit kleinen Beleuchtungsstärken im Nachweis-Strahlen­ gang gearbeitet werden.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all­ gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Linsenschnitt durch eine erfin­ dungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 2 den Analog-Teil der Steuereinheit,

Fig. 3 eine Versuchsanordnung,

Fig. 4a bis c die Ergebnisse von Reflexionsmessungen und

Fig. 5a und 5b den Linearitätsfehler.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Linsenschnitt durch den optischen Meßkopf einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Im Beleuchtungsstrahlengang sind eine Laserdiode 1 mit zuge­ höriger Kollimatoroptik, eine Blende 2 zur Begrenzung des Querschnittes des nach der Kollimatoroptik parallelen Lichts der Laserdiode 1 sowie ein Fokussiersystem 3 ange­ ordnet, das das Licht der Laserdiode 1 auf die Oberfläche eines lediglich schematisch dargestellten Werkstückes fokussiert. Dabei ist in Fig. 1 der Fall dargestellt, daß sich das Werkstück im Brennpunkt der Fokussieroptik 3 befindet.

Im Nachweisstrahlengang sind ein optisches Glied 4 mit positiver Brechkraft und ein Strahlteiler 5 vorgesehen, der das von der Werkstück-Oberfläche reflektierte Licht in zwei Strahlengänge aufspaltet, von denen einer im folgen­ den als Meß-Strahlengang oder Meß-Zweig und der andere als Korrektur-Strahlengang oder Korrektur-Zweig bezeichnet wird.

Im Meßgang-Strahlengang sind ein weiteres optisches Glied 6 mit positiver Brechkraft, ein Umlenkspiegel 7, der zur Verkleinerung der Baugröße dient, und ein Mikroskopobjek­ tiv 8 vorgesehen, das ein von dem Glieder 4 und 6, die ein Abbildungssystem bilden, erzeugtes Zwischenbild vergrößert auf ein Meß-Detektorarray 9 abbildet. Das Meß-Detektorar­ ray kann beispielsweise, ein positionsempfindlicher Detek­ tor, beispielsweise eine Posicondiode oder ein Diodenarray bzw. eine Diodenzeile sein.

Im Korrektur-Strahlengang bildet das optische Glied 4 mit positiver Brechkraft zusammen mit einem weiteren optischen Glied 10 mit positiver Brechkraft und dem optischen Glied 12 mit negativer Brechkraft eine Optik in einfacher Brenn­ weite zum Lichtfleck, die mit dem gleichen effektiven Ein­ trittsquerschnitt wie das Abbildungssystem arbeitet. Dabei bilden die Glieder 10 und 12 ein afokales System und wir­ ken somit als Fourier-Optik. Dies bedeutet, daß die Optik die Richtung der eintreffenden Lichtstrahlen in Ablage zur Mittelachse des optischen Systems umwandelt. Eine Zylin­ derlinse 11 sorgt dabei für eine Eindimensionalität dieser Strahleintritts-Richtungsanalyse. Das Lichtband wird - wie im Meß-Strahlengang - bevorzugt mit einem eindimensionalen Lagedetektor 13 ausgewertet, der eine Azentrizität der Lichtverteilung angibt, mit der - wie nachfolgend erläu­ tert werden wird - das im Meß-Strahlengang erhaltene Er­ gebnis korrigiert werden kann.

Die beschriebene optische Anordnung ist insbesondere zur hochgenauen Messung von Abstandsänderungen bei einem hohen Grundabstand geeignet, da im Meß-Strahlengang insgesamt das Lichtfleck-Bild stark vergrößert wird. Diese starke Vergrößerung führt zu einer hohen Empfindlichkeit in einem kleinen Meßbereich, der dem Meßkopf weit vorgelagert ist. Dabei bewirkt die erste Verkleinerung des Bildes durch das Abbildungssystem 4 und 6, daß bezogen auf die Gesamtver­ größerung der Platzbedarf des Meßkopfes vergleichsweise klein ist. Die hohe Gesamtvergrößerung im Meß-Strahlengang bewirkt aber auch, daß das Bild des Lichtfleckes im Durch­ messer stark zunimmt, so daß Änderungen in der Intensi­ tätsverteilung in der Aperturblende einen vergleichsweise großen Fehler hervorrufen würden, wenn nicht mit der er­ findungsgemäßen Korrektur gearbeitet werden würde.

Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß - damit die Ab­ standsmessung fehlerfrei bleibt - das Bild des Lichtflec­ kes immer vollständig auf dem positionsempfindlichen De­ tektor 9 liegen muß. Da hierbei lediglich eine eindimensi­ onale Lageinformation von Bedeutung ist, kann das Bild des Lichtfleckes auch mittels einer nicht dargestellten Zylin­ derlinse in seiner Höhe begrenzt werden, da hierdurch der Strahlschwerpunkt in Querrichtung nicht beeinflußt wird.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn durch einen sehr klei­ nen Lichtfleck des Laser, der insbesondere durch die Blen­ de 2 erzeugt werden kann, das vergrößerte Bild des Licht­ fleckes in Relation zu seiner abstandsabhängigen Wanderung klein gehalten wird.

Fig. 2 zeigt schematisch in einem Blockschaltbild den Aufbau des Analogteils der Steuereinheit für den in Fig. 1 dargestellten optischen Meßkopf einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei wird ausdrücklich auf Fig. 2 zur Offen­ barung Bezug genommen.

Die Sendeelektronik 20 weist einen Oszillator 21 zur Modu­ lation des Sendelichtes der Laserdiode 1 auf, so daß über einen Hochpaßfilter 22 in der Auswerteeinheit in bekannter Weise eine Fremdlichtunterdrückung erfolgt. Die Trennung des Sendelichts vom Umgebungslicht erfolgt dabei mittels des Hochpaßfilters 22 und dem Lock-In-Verstärker 23 syn­ chronisiert mit dem Oszillator 21. Die einzelnen Spannungen werden dabei zusätzlich in einer Recheneinheit 24 summiert und subtrahiert. Die Ausgangs-Gleichspannungen, die je­ weils die Summen- und die Differenzbildung der beiden Lagedetektoren angeben, werden mittels zweier Analogdivi­ dierer 25 dividiert, so daß ein relatives Lagesignal aus den Gleichspannungen erhalten wird. Ein anschließender Tiefpaßfilter 26 eliminiert Störungen, die sich aufgrund der Modulationsfrequenz ergeben könnten. Der Meßkopf lie­ fert damit zwei analoge Differenzspannungen, die die Wand­ erung des Intensitätsschwerpunktes auf den Meß-Detektorar­ ray 9 und dem Korrektur-Detektorarray 13 angeben. Gleich­ zeitig steht noch eine Information über das Gesamt-Inten­ sitätssignal an, um den Lichtstrom der Laserdiode 1 den Reflexionsverhältnisses anpassen zu können.

Nach einer Analog/Digital-Wandlung werden die Analog­ signale, die die Wanderung des Intensitätsschwerpunktes angeben, mittels eines nicht dargestellten Rechners bspw. eines Mikrocomputers weiterverarbeitet.

Im folgenden soll die Erzeugung des Korrektursignals in diesem Auswerterechner aus den vorstehend angegebenen Signalen näher erläutert werden:

Im Korrektur-Strahlengang erfaßt die Fourier-Optik die Richtung der Streuung im Gesichtsfeld des Meßkopfes. Da bei der Abstandsmessung nach dem Prinzip der Triangulation die Lichtstrahlen immer von einem kleinen Punkt vor dem Meßkopf ausgehen, sind Strahlrichtung und Einfallshöhe des Strahls auf die Abbildungslinse direkt miteinander ver­ knüpft. Trotz der komplizierten Zusammenhänge zwischen Streulichtverteilung und Meßsignal ist eine weitgehende Korrektur des Meßfehlers möglich. Der Fehler setzt sich dabei aus zwei Teilen zusammen:

• - Der Abweichung des Meßsignals im Grundabstand durch den Öffnungsfehler der Linsen
• - Dem Steigungsfehler, der vor allem durch die geringe Tiefenschärfe des Mikroskopsobjektivs verursacht wird

Diese Korrektur wird dadurch herbeigeführt, daß das Meßsig­ nal z_ort des Meßzweiges, welches den eigentlichen Abstand des Objektes angibt, um einen Wert vergrößert oder ver­ kleinert wird, der aus dem Meßsignal r des Korrekturzwei­ ges ermittelt werden kann. Beide Signale, z_ort und r, sind Spannungen mit einem symmetrischem Verlauf um die Null­ inie, d. h. beide Spannungen betragen 0 V, wenn sich das Objekt im Grundabstand befindet und mit seiner Oberflä­ chennormalen senkrecht in Richtung des Meßkopfes zeigt.

Nach dem linearen Ansatz sieht das Ausgangssignal z_mess des Meßkopfes folgendermaßen aus

z_mess = (z_ort + k · r₀) · (1 + L(z, r))

oder vereinfacht

z_mess = z_ort + k · r₀ + L(z, r) · z_mess

Dabei bezeichnet z_mess das Ausgangssignal des Meßkopfes, während z_ort das eigentliche Ortssignal darstellt. Der Summand k · r₀ gibt die Auswirkung der Streulichtverteilung auf die Nullposition und L(z, r) ihren Einfluß auf die Kennliniensteigung wieder. Im einfachsten Fall ist L(z, r) = l · r₀ und damit

z_mess = z_ort + k r₀ + l r₀ z_mess

Das Ausgangssignal des Korrekturzweiges r hängt nicht nur von der Oberfläche und dem Antastwinkel, sondern auch von der Position des Meßobjektes ab

r = r₀ + x · z_ort

Um eine Fehlerkorrektur im Meßtakt durchführen zu können, muß daher zunächst das ortsunabhängige Korrektursignal r₀ berechnet werden. Die einzige Möglichkeit dazu besteht in der Verschiebung durch das Meßsignal z_mess selbst, das aber fehlerbehaftet ist:

r₀ = r - x · z_mess

Durchgeführten Messungen zufolge zeigt die Ortskennlinie einen Fehler von maximal 10% für starke Reflexionen. Mit einem Wert für den Korrekturfaktor x unter 1 V/mm ergibt sich ein maximaler Fehler des verschobenen Korrektur­ signals dr₀ von

dr₀ = x · (z_ort - z_mess)_max = 0,1 V

Das Korrektursignal hat an der Stelle des maximalen Feh­ lers einen Wert von r₀ = 2,5 V, so daß der relative Fehler dr₀/r₀ « 4% bleibt. Für schwächere Reflexionserscheinun­ gen ist zwar der Wert des Korrektursignals geringer, gleichzeitig hat aber auch der Steigungsfehler abgenommen, so daß die obige Abschätzung des relativen Fehlers auch hier gültig ist.

Die Berechnungsformel für das korrigierte Ortssignal lau­ tet damit:

z_ort = z_mess - k · r - l · (r - x · z_mess) · z_mess

Die durch Verschiebung des Korrektursignals verursachten Fehler im Ortssignal hängen von der Wahl der Parameter k und l ab. Da Meßfehler bis zu 10% korrigiert werden müs­ sen, liegt der Einflußfaktor bei etwa 0,1. Also bewirkt der relative Fehler dr₀/r₀ eine maximale Abweichung des Ortssignals unter 0,4%; dies liegt bereits unter dem Feh­ ler, der aus dem linearen Ansatz resultiert.

Mit diesem Ansatz ist im Meßtakt eine Korrektur der Fehler möglich, die durch Reflexionen sowie die unterschiedliche Intensitätsverteilung innerhalb der Aperturblende des Meßkopfes hervorgerufen werden.

Die Bestimmung des Korrekturparameters k kann beispiels­ weise aus Reflexionsmessungsdaten erfolgen. Im Grundab­ stand ist das Meßsignal z_mess = 0 und es gilt

z_ort = - k · r₀

beziehungsweise

1/k = r₀/z_ort

z_ort ist die Abweichung der gemessenen Positionswerte von der idealen Kreisform und r das entsprechende Korrektur­ signal. Da vor allem r sehr kleine Werte annimmt, wird aus Genauigkeitsgründen zunächst der Kehrwert des Korrektur­ faktors k bestimmt.

Der Faktor x wird aus dem Verhältnis der Abweichung des Korrektursignals r von seinem Mittelwert r₀ zum Abstands­ meßwert z_mess ermittelt:

x = (r - r₀)/z_mess

Der Meßwert z_mess ist fehlerbehaftet, so daß sich x erst nach einer Mittelwertbildung über eine Reihe von Messungen ergibt.

Weiterhin erhält man aus der vorstehenden Gleichung nach Auflösen nach 1/l zur Bestimmung dieses Parameters:

1/l = (z_ort - z_mess - k · r)/((r - x · z_mess) · z_mess)

Der Zähler entspricht dem Geradenfehler, das heißt der Abweichung der Meßwerte von einer gemittelten Ausgleichge­ raden. Den Nenner bilden das Korrektursignal und der Ab­ standsmeßwert. Da die Verschiebung des Korrektursignals in die Berechnung für den Parameter l mit eingeht, muß x bereits vorher ermittelt worden sein. Auch hier wird aus Genauigkeitsgründen zunächst der Kehrwert des Korrektur­ faktors l bestimmt.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen ein Beispiel für die Bestimmung der Korrektur.

Fig. 3 zeigt die verwendete Anordnung. Dabei wird ein Metallzylinder (15) mit sehr geringen Rundheitsabweichung­ en, der auf einen xy-Tisch (19) aufgespannt ist, parallel zur x-Achse von einem erfindungsgemäß ausgebildeten Meß­ kopf angetastet. Der Metallzylinder wird beim Versuch in y-Richtung (14) schrittweise verfahren und in x-Richtung (15) wieder so zugestellt, daß das vom Auswerterechner (18) aufgenommene Meßsignal wieder dem ursprünglichen Wert entspricht. Der vom Meßtaster (17) aufgenommene Meßwert entspricht daher der Annäherung der angetasteten Oberflä­ che an den Meßkopf, nur daß sich dabei die Oberflächennor­ male entsprechend der Kreisform geändert hat.

Fig. 4a zeigt im oberen Teil die Abstandsmeßwerte der Kreisform des Zylinders (16), während im unteren Teil das Meßsignal des Korrekturzweiges aufgetragen ist.

Fig. 4b zeigt eine entsprechende Messung, bei der die Kreiskontur durch ein Besteinpassungsverfahren approxi­ miert wird. Durch Substraktion wurde dann die Kreiskontur aus den Meßwerten herausgenommen, so daß die dargestellten Abstandsmeßwerte dem Meßfehler entsprechen, der bei der Neigung der Oberfläche entsteht, obwohl sich der Abstand zum Meßkopf nicht ändert. Besonders deutlich tritt dabei der Meßfehler in der Mitte des Bildes hervor, der von der direkten Reflexion an der Zylinderoberfläche herrührt.

Dieser Meßfehler ist bei der in Fig. 4c gezeigten Messung durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung entsprechend der vorstehenden Erläuterung korrigiert wor­ den. Der Maßstab in Fig. 4c zeigt dabei, daß der Meßfehler sogar im Bereich der direkten Reflexion auf 10% seiner ursprünglichen Amplitude reduziert werden konnte. Hier­ durch wird die Richtigkeit und Funktionsweise des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens und die Richtigkeit des verwende­ ten Korrekturalgorithmus bewiesen.

In Fig. 5a wurde ein Abstandsmeßversuch durch Zustellung des Metallkörpers (16) in x-Richtung (15) über den gesam­ ten Meßbereich durchgeführt. Das Abweichungsdiagramm zeigt den dabei zurückbleibenden Linearitätsfehler. In Fig. 5b wurde dieser Fehler mit Hilfe der Linearitätskorrektur ebenfalls um ca. eine Zehnerpotenz verringert. Die Linear­ itätskorrektur besteht darin, daß der Verlauf von Fig. 5a vom Rechner abgespeichert und als Korrekturwert mit umge­ kehrten Vorzeichen auf einen neuen Meßwert aufaddiert wird. So können systematische Meßfehler, die durch Nicht­ linearität von Optik, bis hin zur Lagediode, vorhanden sind, auf ein Minimum reduziert werden, so daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Gesamtmeßunsicherheit von wenigen Mikrometern erreicht werden kann.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan­ kens beschrieben worden. Selbstverständlich ist es mög­ lich, daß der erfindungsgemäße Meßkopf anders aufgebaut ist: Beispielsweise können anstelle von einfachen Linsen auch mehrgliedrige optische Systeme oder abbildende Spie­ gel verwendet werden.

Auch kann die Beleuchtungseinheit anders aufgebaut sein, solange sie nur einen entsprechenden kleinen Lichtpunkt auf dem anzutastenden Werkstück liefert.

Ferner kann auch die Auswertung nach anderen Formeln oder mit einem anderen Aufbau als beschrieben erfolgen. Die vorstehend erläuterte Auswertung hat jedoch den Vorteil, daß sie sehr einfach aufgrund der vorstehenden Beschrei­ bung mit einem vergleichsweise einfachen Mikrocomputer realisiert werden kann, dessen Aufbau für einen Durch­ schnittsfachmann geläufig ist, so daß auf dessen Aufbau nicht näher eingegangen werden muß.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Messung des Abstandes einer Oberfläche mit einer Lichtquelle (1), deren Licht ein optisches Be­ leuchtungssystem (3) unter einem Winkel # 90° auf diese Oberfläche fokussiert,
mit einem optischen Abbildungssystem (4, 6) im Nachweis- Strahlengang, das an von der Oberfläche unter einem be­ stimmten Winkel reflektierte Licht auf ein Meß-Detektorar­ ray (9) abbildet, und
mit einer Steuereinheit, die aus der Lage des Lichtflecks auf dem Meß-Detektorarray (9) und einem Korrektursignal für die Form des Lichtflecks auf dem Detektorarray den Abstand der Oberfläche berechnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Gewinnung des Korrektur-Signals im Nachweis-Strahlengang ein Strahlteiler (5) angeordnet ist, in dessen Meß-Zweig das Meß-Detektorarry (9) angeordnet ist, und in dessen anderem Zweig ein Fouriersystem (10, 11, 12) und ein positionsem­ pfindlicher Korrekturdetektor (13) angeordnet sind, und
daß die Steuereinheit aus dem Ausgangssignal des Korrek­ turdetektors (13) ein Korrektur-Signal bestimmt, das ein Maß für die Intensitätsverteilung innerhalb der Apertur­ blende des optischen Abbildungssystems ist und das bei einer Anordnung der Oberfläche in der Brennebene des opti­ schen Abbildungssystems (4, 6) und einer Reflexion unter dem Reflexionswinkel Null ist, und mit diesem Signal das Ausgangssignal des Meß-Detektorarrays korrigiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fouriersystem eine Zylinderlinse (11) aufweist, die zwischen zwei optischen Elementen (10, 12) angeordnet ist, die ein afokales System bilden, und die in Richtung der Strahlablenkung keine Brechkraft aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit aus dem Aus­ gangssignal z_mess des Meß-Detektorarrays ein korrigiertes Ausgangssignal z_ort gemäß z_ort = z_mess - k · r - l · (r - x · z_mess) · z_messbildet, wobei
k und l Konstanten, und
x ein empirisch ermittelter Korrekturfaktor ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit den empi­ risch ermittelten Korrekturfaktor x gemäß x = (r - r₀)/z_messermittelt, wobei z_mess über eine Reihe von Messungen ge­ mittelt wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem (4, 6) im Meß-Zweig ein verkleinertes Bild erzeugt, das ein weiteres optisches System (8) vergrößert auf das Meß- Detektorarray (9) abbildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere optische System (8) ein Mikroskopobjektiv ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungssystem wenig­ stens zwei optische Glieder mit positiver Brechkraft (4, 6) aufweist, zwischen denen der Strahlteiler (5) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fouriersystem als erstes Element ein optisches Glied (10) aufweist, dessen Brech­ kraft gleich dem des zweiten optischen Gliedes (6) des Abbildungslinsensystems (4, 6) ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) eine Laserdiode ist, deren Licht ein Fokussiersystem (3) auf die Oberfläche fokussiert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Fokussiersystem (3) eine Blende (2) angeordnet ist.