EP2721370A2 - Verfahren und vorrichtung zum vermessen homogen reflektierender oberflächen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum vermessen homogen reflektierender oberflächen

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EP2721370A2
EP2721370A2 EP12766922.4A EP12766922A EP2721370A2 EP 2721370 A2 EP2721370 A2 EP 2721370A2 EP 12766922 A EP12766922 A EP 12766922A EP 2721370 A2 EP2721370 A2 EP 2721370A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coordinate
point
focal point
measured
sensor system
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12766922.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Detlef Gerhard
Werner Gergen
Martin Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2721370A2 publication Critical patent/EP2721370A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/22—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring depth
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0608—Height gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2210/00—Aspects not specifically covered by any group under G01B, e.g. of wheel alignment, caliper-like sensors
    • G01B2210/50—Using chromatic effects to achieve wavelength-dependent depth resolution

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for measuring a particular curved, homogeneous and reflective surface of an object positioned in an orthogonal x, y, z coordinate system.
  • a confocal shape measurement of Oberflä ⁇ chen is known, depending on a mirror curvature relatively large objects are required.
  • a confocal shape measurement of a surface is very time consuming.
  • Conventional systems are relatively expensive.
  • Conventional systems are unsuitable for more curved surfaces due to their relatively large optics. Due to the size of conventional optics, not all surface parts to be measured are accessible with a conventional sensor system.
  • surfaces to be measured may be curved and reflective.
  • concave or convex curved surfaces can be measured.
  • the surfaces should be geometrically highly accurate with accuracies of 10 ⁇ maximum can be measured.
  • the surfaces should be homogeneous, in particular with regard to reflection coefficients of the surface.
  • Vermes ⁇ sen in particular curved, homogeneous, reflecting surfaces to provide, with a measuring range of a ER- summarized z-size unlimited and a resolution in the micron and submicron to be generated.
  • the device should be inexpensive and be made compact with a small lens and a Vermes ⁇ sen be quickly executed. It should be possible to measure surfaces with gradients and in particular large gradients. Surfaces should be able to be measured completely.
  • a method for measuring a homogeneously reflecting surface of an object positioned in an orthogonal x, y, z coordinate system is provided.
  • the method is characterized in that x, y, z coordinates of a plurality of points and the surface of the object are measured pointwise, with a sensor system focusing light on a focal point in known x, y, z coordinates and Coordinates a respective distance vector of a respective point to be measured to the focal point measures.
  • an apparatus for measuring a homogeneously reflecting surface of an object positioned in an orthogonal x, y, z coordinate system.
  • the device is characterized in that x, y, z coordinates of a plurality of points of the surface of the object are measured pointwise, whereby a sensor system focuses light on a focal point in known x, y, z coordinates and coordinates a respective distance vector of a respective point to be measured to the focal point measures.
  • the x, y, z coordinates of a point to be measured can be determined.
  • the sensor system can be a confocal sensor system, the light from a light source by means of a focusing device in the direction toward the top surface to a focal point on an optical axis in egg ⁇ ner internal Next focused and the x-, y-, z-coordinate of the focal point by means of measuring the spatial position of the sensor system in the coordinate system by means of a length measuring device can be measured.
  • the confocal sensor system can be adjusted by means of an adjusting device such that the optical axis is orthogonal to the x, y plane; the sensor system and the object to be adjusted in such a way by means of a relative movement means relative to each other that the optical axis passes through the to vermes ⁇ send point through and the x, y coordinates of the focal point with the x, y coordinates of the point to be measured coincide ,
  • the confocal sensor system and the object can be adjusted such by means of the Re ⁇ lativschuls adopted relative to each other, that the z-coordinate of the focal point with a
  • the z-target coordinate can be determined from a model of the surface of the object.
  • the confocal sensor system can by means of a detector is dependent on the z-coordinate of the focal point of light in ⁇ intensity of the reflected light from the surface erfas ⁇ sen with which the z-coordinate of the point can be determined by an off ⁇ values means ,
  • the z-value of the surface can be determined.
  • the z-coordinate of the focal point in the z-direction can be changed until the evaluation evaluates the detected light intensity as maximum and the z-coordinate of the focal point as coincident with the z-coordinate of the point.
  • the evaluation device can by means of a previously determined dependent on the z-coordinate of the focal point Lichtintensticiansver- run a detected light intensity as a maximum, and the z-coordinate of the point as with the z-coordinate of the focal point ⁇ rate matching. In this way, a measuring time interval can be reduced.
  • the evaluation device can by means of a previously determined dependent on the z-coordinate of the focal point Lichtintensticiansver- run a detected light intensity as a maximum, and the z-coordinate of the point as with the z-coordinate of the focal point ⁇ rate matching. In this way, a measuring time interval can be reduced.
  • the evaluation device can by means of a previously determined dependent on the z-coordinate of the focal point Lichtintensticiansver- run a detected light intensity as a maximum, and the z-coordinate of the point as with the z-coordinate of the focal point ⁇ rate matching. In this way, a measuring time interval can be reduced.
  • Evaluation device by means of a previously determined by the z-coordinate of the focal point dependent light intensity profile and by means of second detected light intensities at two different z-coordinates of the focal point
  • the evaluation device can be detected by means of two different pre-stored dependent on the z-coordinate of the focal point light intensity curves of the detection device and by means of second detected light intensities at a
  • the focal point determines the z-coordinate of vermes ⁇ send point.
  • Sensor system additionally be a chromatic confocal distance sensor, which measures a distance of the point to be measured from the sensor system in the z-direction along the optical axis, wherein a wavelength of a detected maximum light intensity of the distance and the z-coordinate of ver ⁇ measuring point are determined can.
  • the evaluation device can in each case at a point a slope of the surface in the x and / or y direction by means of a detected by the detection means detecting a shift of a detected at a slope of 0 of the
  • the x and y coordinates of the point to be measured can be defined by a measuring point pattern in the x-y plane.
  • the measuring point pattern can have mutually equidistant measuring points at corners of grid squares.
  • the z-coordinate of the focal point by means of a relative movement of the sensor caused by the Rela ⁇ tivschuls might be changed by the sensor system and object in the z-direction.
  • the z-coordinate of the focal point can be changed by means of a change in the focal length in the z-direction caused by the focusing device.
  • the length measuring device can each have a glass scale for measuring x, y, z coordinate values.
  • a change in the x, y relate z-coordinates of the focal point at most up to the end of a to be measured for all points of the same duration of measurement are carried out and the evaluation ⁇ device by means of the detected light intensity values can at least approximately determine the z-coordinate of the point.
  • Figure 2 shows a first embodiment of an intensity ⁇ course of a detection device according to the invention
  • 3 shows a first embodiment of a surface to be measured ⁇ the path; 4 shows a second embodiment of a surface to be measured ⁇ the path;
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a measured value course
  • 6 shows a second embodiment of a Lichtintensi ⁇ tuschsverlaufes a detection device
  • Figure 7 shows a third embodiment of a Lichtintensi ⁇ tösverlaufes, in particular a second Ausu- tion example of a device according to the invention
  • Figure 8 is a representation for determining a maximum
  • Figure 10 shows a second embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN device.
  • 1 shows a first embodiment of a device OF INVENTION ⁇ to the invention.
  • a homogeneously reflecting surface 7 of one in an orthogonal x, y, z Coordinate system positioned object B should be measured.
  • 1 shows a confocal sensor system A, in which a light-emitting system and a light acquiring Sys tem ⁇ are focused on a common focal point BP.
  • the confocal sensor system comprises a light source 1, the
  • the light can pass through a diaphragm 3 and is focused by ⁇ means of a focusing device 5 in a focal point BP. If the light is reflected at the focal point BP, it can be detected, for example, by means of a beam splitter 11 in a detection device 15.
  • the detection device 15 may be preceded by a diaphragm 13 for generating a defined beam path.
  • the diaphragm 3 also causes a defined beam path from the light source 1 along an optical axis 4 in the direction of the surface 7 to be measured of the object B positioned in an orthogonal x, y, z coordinate system
  • Focusing device 5 which may be an optical lens, for example, focused in known focus x, y, z coordinates. It is open ⁇ clear that may be interchanged the position of the light source 1 and the Erfas ⁇ acquisition system 15th
  • the focal point BP lies in a focal plane 9 which is parallel to or in the xy plane.
  • the focal point BP lies on the optical axis 4 at a focal length of the focusing device 5.
  • egg ⁇ ner position of the confocal sensor system A can by means of measurement in the x, y, z coordinate system by means of a length measuring device 17, the position of the focal point BP are measured in the coordinate system.
  • a length measurement can be carried out for example by means of a glass scale.
  • Figure 1 shows a Glastown ⁇ rod 19, for measuring the z-coordinate of the focal point in Ko ⁇ ordinatensystem.
  • an evaluation device 21 can use the x, y, z coordinates of a point P of the surface 7 of the object to be measured when using the measured values provided by the length measuring device 17 Determine object B.
  • FIG. 1 shows a measuring system in which a focal point BP is generated whose x, y, z coordinates can be changed and can be measured, for example, by means of the length measuring device 17.
  • the scope of protection of this application also encompasses sensor systems which may have a plurality of sensing devices 15. These can be used in parallel. In order to illustrate this, a multiplicity n of detection devices 15 are shown in FIG.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of an intensity profile detected by a detection device according to the invention.
  • FIG. 2 shows a profile of the light intensity I detected by the detection device 15 as a function of the z-coordinate of the focal point BP, on which the light of the light source 1 is focused. The light is reflected by the surface 7 of the object B into the detection device 15.
  • the detection device hangs 15 recorded information intensity value I at a homogeneous reflecting surface of the z-coordinate of the focal point BP with respect to the z-coordinate of the point to be measured P from.
  • the intensity ⁇ extending I (z) indicates that at a large distance as relational distance vector of the focal point BP from the point to be measured P the surface 7 detected by the detection means 15 of the light intensity is small.
  • the respective intensity value I detected by the detection device 15 increases, wherein at a distance of 0, that is, when the focal point BP is generated in the point 7 to be measured, the intensity is detected intensity value I maximum.
  • the intensity curve shown here has a similarity to a Gaussian curve.
  • Figure 2 shows that by way of the known intensity curve is for example measured in advance and is stored in a storage device I (z), a z-coordinate of the point to be measured P determines who can ⁇ .
  • the focal point BP is positioned in a confocal sensor system at a coordinate Z M0 , so an associated intensity value I M o is detected.
  • the focal point BP may have either a larger or a smaller z coordinate as the point P.
  • a home detected intensity I M o can thus two z-coordinates of the point P to be sorted ⁇ .
  • a second measurement must be performed, to which the focal point BP is shifted in the z direction and a further intensity value I MA is determined.
  • the z-coordinate of the focal point BP of Z M o is increased by ⁇ ⁇ ⁇ . Since the measured intensity value Ij ⁇ greater than
  • I M o is, with knowledge of the intensity curve I (z), the z-coordinate zp of the point to be measured P of the surface
  • I MAX Intensity
  • I MB Intensity
  • the double arrow on the right in FIG. 2 shows that a relative change in the z-coordinates of the focal point BP and the point to be measured P, for example, by ⁇ means of a relative displacement of sensor systems A and B object along the z-axis can be made wide.
  • Figure 3 shows a first embodiment of a vermes ⁇ send surface profile .
  • Figure 3 shows a profile of the z-coordinates of a surface to be measured 7 as a function of the x-coordinates of points to be measured P the surface 7 of the object as surface gradients may be playing as convex or concave at ⁇ .
  • a surface 7 to be measured may have inflection points.
  • Figure 3 shows in the xz plane a focal point BP, on one to the z axis pa ⁇ rallelen optical axis 4 on the xy-coordinate of about comparable measured point P at first in a z-coordinate value ent ⁇ speaking a z-coordinate value a target surface OBg of a given model of the object B is moved.
  • first positioning is a relative movement of the sensor system A and object B along the z-axis can be carried out by means of a restriction device Relativbewe ⁇ 23rd Characterized that the focal point BP along the z-axis can be arbitrarily 29o ⁇ ben, the measurement range ⁇ an inventive apparatus is arbitrarily adjustable.
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of a surface course for determining a gradient in a point P of the surface 7 to be measured.
  • FIG. 4 initially shows the surface 7 of FIG. 3 in the xz plane.
  • the Oberflä ⁇ chenverlauf at point P has a slope of 0.
  • a detection device 15 detects a light intensity value at which the focal point BP lies, for example, in the point P to be measured. If the surface 7 is tilted by a tilt angle ⁇ ⁇ , the slope of the surface 7 changes at the point P. This is represented by the surface curve 8.
  • the tilting movement shifts the ER summed up at the surface 7 of intensity value of the detection means 15 entspre ⁇ accordingly to the tilt angle ⁇ ⁇ .
  • An evaluation device 21 may, for each point P, a slope of the surface 7 along the x- and / or y-axis by means of detecting a shift of a detected at a slope of 0 from the z-coordinate of the detected by the detection means 15
  • the evaluation device 21 may assign the respective sti ⁇ supply for the point P by means of pre-determined intensity profiles as a function of changes in the surface slope ⁇ 7 in a fixed point, the displacement of the light intensity value I (z).
  • the procedure described with reference to FIG. 4 also applies correspondingly to the yz plane.
  • FIG. 5 shows a scanning signal with which, for a multiplicity of point-by-point scanned points P of a surface 7 of an object B to be measured, measurements of
  • a sampling or pointwise measurement ei ⁇ ner surface 7 is particularly advantageous for the case that the respective measurement period is constant. In this way, the measured values can be processed more easily.
  • the width ⁇ ren it is particularly advantageous for reducing the measuring time for measuring the entire surface 7, if the x, y coordinates of all the fixed points to be measured P through a measurement point pattern in the x, y plane.
  • Figure 6 shows a second embodiment of a precisely measured ⁇ NEN intensity profile of a confocal sensor system A.
  • light intensity profiles Ii and I2 of the detection device 15 which depend on the z coordinate of the focal point BP are stored in advance in a memory device.
  • Focal point BP simultaneously two light intensity values I M I and I M 2 are detected and from the z-coordinate Zp of the point to be measured P are determined. In this single measuring position, the z-coordinate Z P is uniquely determinable.
  • Figure 7 shows a third embodiment of a Intensi ⁇ tuschsverlaufs a confocal sensor system A.
  • Such a superposition of light intensity profiles Ii, I 2 and I 3 can result, for example, if the detection devices 15 each detect different wavelength ranges of the light emitted by the light source 1.
  • the focal point BP is shifted with respect to the z-coordinate.
  • the original focal point BP in the z-coordinate Z ⁇ is displaced g
  • the Er chargedseinrichtun- detect gene 15 for a first range of wavelengths an intensity value I M i, for a second wavelength range of an in ⁇ tensticianswert I M 2 and for a third wavelength range evaluate an intensity value I M3 ⁇ with this measured intensity ⁇ and the known intensity gradients can be determined in a simple manner, the z coordinate Zp of point P, and so ⁇ probably a measuring range and a resolution ⁇ dz be increased.
  • a relative movement of sensor system A and object B for determining a distance vector between the focal point and the point P to be measured is not required.
  • Figure 8 shows the dependence of a measurement duration Tj [, to Be ⁇ humor of the x, y, z coordinates of a to be measured punk tes P of a surface 7 of an object B, from the difference of the z-coordinate Zp of the point P to the first measuring position of the
  • the measurement duration T M is directly proportional to the distance from the first measurement position of a focal point BP to the position of the to be measured
  • Point P The distance vector, and thus the measurement time j [can be thereby reduced already effective in that the first measurement position of the focal point BP in the z-coordinate Z ⁇ g egg ⁇ ner position in a desired Z coordinate Zp target corresponds.
  • Such values may be determined from a model of the upper surface 7 of the object ⁇ B. May further be a measurement and scanning a surface to be measured 7 carried out with a scanning signal, wherein a same constant time period is defined between each ⁇ the scan.
  • a change in the x, y, z coordinates of a focal point BP can be carried out maximally up to the end of a measurement duration T Mmax that is the same for all points to be measured P, wherein the evaluation unit 21 determines the z-coordinate of the point P at least approximately by means of the detected light intensity values I (z).
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention.
  • a confocal focusing sensor system A is used for shape measurement.
  • Embodiments ge ⁇ Frankfurtss Figure 1 and 10 are shown.
  • Such systems measure whether an approached point P of a surface 7 lies at the focal point BP. If this is not the case, it is measured in which directions the surface 7 to be measured and the sensor system A must be moved relative to each other so that the point P to be measured of the surface 7 lies at the focal point BP.
  • the focus sensor system should chen a suffi ⁇ accordingly accurate statement of the position of a focal point BP in the micrometer or sub-micrometer range enable.
  • a first step S1 the x and y positions of the point P to be measured of the surface 7 are approached, whereby highly accurate x, y axes are used.
  • a step S2 a method of the z-position of a combustion Point BP, where as well a high-precision z-axis with a high-precision measuring system, such as a glass scale, is used.
  • a step S3 it is determined that the focal point BP lies in the point P to be measured of the surface 7, and thereafter the x, y and z position values are read out from the glass scales and stored.
  • the highly accurate measurements are each carried out with a relatively fast readable glass scale.
  • FIG. 10 shows a second embodiment of a device OF INVENTION ⁇ to the invention.
  • FIG. 10 shows a chromatic confocal distance sensor.
  • a light source 1 Starting from a light source 1 is directed to an object B sk via a Y-coupler yk and a sensor head, the reflected light is returned in a spectrometer SM detected and evaluated by an evaluation device ⁇ 21st Likewise, the chromatic confocal sensor system A according to FIG 10, a measurement of a point P of a reflecting surface 7 of a Whether jektes ⁇ B is executable.
  • a device according to FIG. 1 can be combined with one or more detection devices 15, to each of which an intensity profile I (z) is assigned, and a device according to FIG. 10 for the measurement.

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Abstract

Mittels eines konfokalen Sensorsystems (A) wird ein durch dieses erzeugter Brennpunkt (BP), entlang einer zur x-, y-Ebene eines x-, y-, z-Koordinatensystems orthogonalen optischen Achse (4), in eine Soll-z-Koodinate eines zu vermessenden Punktes (P) einer zu vermessenden Oberfläche (7) eines Objektes (B) verschoben, wobei eine von einem Abstand des Brennpunktes (BP) entlang der z-Achse zum Punkt (P) abhängige Lichtintensität (I(z)) des von der Oberfläche (7) reflektierten Lichts erfasst und mit dieser mittels einer Auswerteeinrichtung (21) die Ist-z-Koordinate (Zp) des Punktes (P) bestimmt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Vermessen homogen reflektierender Oberflächen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen einer insbesondere gekrümmten, homogenen und reflektierenden Oberfläche eines in einem orthogonalen x-, y-, z-Koordinatensystem positionierten Objektes.
Herkömmlicherweise wird eine so genannte Deflektometrie zur Formvermessung spiegelnder Oberflächen verwendet. Dieses herkömmliche Verfahren ist jedoch relativ ungenau.
Des Weiteren ist eine konfokale Formvermessung von Oberflä¬ chen bekannt, wobei je nach einer Spiegelkrümmung relativ große Objekte erforderlich sind. Herkömmlicherweise ist eine konfokale Formvermessung einer Oberfläche sehr zeitaufwändig . Herkömmliche Systeme sind relativ teuer. Herkömmliche Systeme sind für stärker gekrümmte Oberflächen aufgrund deren relativ großen Optiken ungeeignet. Aufgrund der Größe herkömmlicher Optiken sind nicht alle zu vermessenden Oberflächenteile mit einem herkömmlichen Sensorsystem zugänglich.
Zu vermessende Oberflächen können beispielsweise gekrümmt sein und spiegelnd sein. Beispielsweise können konkav oder konvex gekrümmte Oberflächen vermessen werden. Die Oberflächen sollen geometrisch hochgenau mit Genauigkeiten von maximal 10 μιη vermessen werden können. Die Oberflächen sollen insbesondere hinsichtlich Reflexionskoeffizienten der Oberfläche homogen sein.
Es ist Aufgabe eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vermes¬ sen insbesondere gekrümmter, homogener, reflektierender Oberflächen bereit zu stellen, wobei ein Messbereich einer er- fassten z-Größe unbegrenzt und eine Auflösung im Mikrometer- und Submikrometerbereich erzeugt sein sollen. Im Vergleich zu herkömmlichen Systemen soll die Vorrichtung kostengünstig und kompakt mit kleinem Objektiv ausgebildet sein und ein Vermes¬ sen schnell ausführbar sein. Es sollen Oberflächen mit Steigungen und insbesondere großen Steigungen vermessen werden können. Oberflächen sollen vollständig vermessen werden kön- nen .
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Vermessen einer homogen reflektierenden Oberfläche eines in einem orthogonalen x-, y-, z-Koordinatensystem positionierten Objekts bereitgestellt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass x-, y-, z-Koordinaten einer Vielzahl von Punkten und der Oberfläche des Objekts punktweise vermessen werden, wobei ein Sensorsystem Licht auf einen Brennpunkt in bekannten x-, y-, z-Koordinaten fokussiert und Koordinaten eines jeweiligen Abstandsvektors eines jeweiligen zu vermessenden Punktes zum Brennpunkt misst.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung zum Vermes¬ sen einer homogen reflektierenden Oberfläche eines in einem orthogonalen x-, y-, z-Koordinatensystem positionierten Objekts bereitgestellt. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass x-, y-, z-Koordinaten einer Vielzahl von Punkten der Oberfläche des Objekts punktweise vermessen werden, wobei ein Sensorsystem Licht auf einen Brennpunkt in bekannten x-, y-, z-Koordinaten fokussiert und Koordinaten eines jeweiligen Abstandsvektors eines jeweiligen zu vermessenden Punktes zum Brennpunkt misst.
Mittels Addition der Koordinaten eines Abstandsvektors zu den bekannten x-, y-, z-Koordinaten des Brennpunkts können die x-, y-, z-Koordinaten eines zu vermessenden Punktes bestimmt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Sensorsystem ein konfokales Sensorsystem sein, das Licht einer Lichtquelle mittels einer Fokussiereinrichtung in Richtung auf die Ober- fläche auf einen Brennpunkt auf einer optischen Achse in ei¬ ner Brennweiter fokussiert und die x-, y-, z-Koordinaten des Brennpunktes mittels Vermessen der räumlichen Position des Sensorsystems im Koordinatensystem mittels einer Längenmess- einrichtung vermessen werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das konfokale Sensorsystem mittels einer Justiereinrichtung derart justiert werden, dass die optische Achse orthogonal zur x-, y-Ebene verläuft; das Sensorsystem und das Objekt derart mittels einer Relativbewegungseinrichtung relativ zueinander justiert werden, dass die optische Achse durch den zu vermes¬ senden Punkt hindurch verläuft und die x-, y-Koordinaten des Brennpunktes mit den x-, y-Koordinaten des zu vermessenden Punktes übereinstimmen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können das konfokale Sensorsystem und das Objekt derart mittels der Re¬ lativbewegungseinrichtung relativ zueinander justiert werden, dass die z-Koordinate des Brennpunktes mit einer
z-Soll-Koordinate des zu vermessenden Punktes übereinstimmt. Die z-Soll-Koordinate kann aus einem Modell der Oberfläche des Objektes bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das konfokale Sensorsystem mittels einer Erfassungseinrichtung eine von der z-Koordinate des Brennpunktes abhängige Lichtin¬ tensität des von der Oberfläche reflektierten Lichts erfas¬ sen, mit der die z-Koordinate des Punktes mittels einer Aus¬ werteeinrichtung bestimmt werden kann. Es kann an einer defi- nierten x-, y-Position im Koordinatensystem der z-Wert der Oberfläche ermittelt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die z-Koordinate des Brennpunktes in z-Richtung derart verändert werden, bis die Auswerteeinrichtung die erfasste Lichtintensität als maximal und die z-Koordinate des Brennpunktes als mit der z-Koordinate des Punktes übereinstimmend bewertet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Auswerteeinrichtung mittels eines vorab ermittelten von der z-Koordinate des Brennpunktes abhängigen Lichtintensitätsver- laufes eine erfasst Lichtintensität als maximal und die z- Koordinate des Punktes als mit der z-Koordinate des Brenn¬ punktes übereinstimmend bewerten. Auf diese Weise kann ein Messzeitintervall verkleinert werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die
Auswerteeinrichtung mittels eines vorab ermittelten von der z-Koordinate des Brennpunktes abhängigen Lichtintensitätsverlaufes und mittels zweiter erfasster Lichtintensitäten bei zwei verschiedenen z-Koordinaten des Brennpunktes die
z-Koordinate des zu vermessenden Punktes bestimmen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Auswerteeinrichtung mittels zweier verschiedener vorab gespeicherter von der z-Koordinate des Brennpunktes abhängigen Lichtintensitätsverläufen der Erfassungseinrichtung und mittels zweiter erfasster Lichtintensitäten bei einer
z-Koordinate des Brennpunktes die z-Koordinate des zu vermes¬ senden Punktes bestimmen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das
Sensorsystem zusätzlich ein chromatisch konfokaler Abstandssensor sein, der einen Abstand des zu vermessenden Punktes von dem Sensorsystem in z-Richtung entlang der optischen Achse misst, wobei einer Wellenlänge einer erfassten maximalen Lichtintensität der Abstand und die z-Koordinate des zu ver¬ messenden Punktes bestimmt werden kann. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Auswerteeinrichtung jeweils in einem Punkt eine Steigung der Oberfläche in x- und/oder y-Richtung mittels eines durch die Erfassungseinrichtung ausgeführten Erfassens einer Verschie- bung eines bei einer Steigung von 0 erfassten von der
z-Koordinate des Brennpunktes abhängigen Lichtintensitätswertes aus einer optischen Achse bestimmen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die x- und y-Koordinaten des zu vermessenden Punktes durch ein Messpunktemuster in der x-y-Ebene festgelegt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Messpunktemuster zu einander equidistante Messpunkte an Ecken von Gitterquadraten aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die z-Koordinate des Brennpunktes mittels einer durch die Rela¬ tivbewegungseinrichtung bewirkten Relativbewegung des Sensors vom Sensorsystem und Objekt in z-Richtung verändert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die z-Koordinate des Brennpunktes mittels einer durch die Fokus- siereinrichtung bewirkten Veränderung der Brennweite in z-Richtung verändert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Längenmesseinrichtung zur Messung von x-, y-, z- Koordinatenwerten jeweils einen Glasmaßstab aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann beim Vermessen der Vielzahl von Punkten eine Veränderung der x-, y-, z-Koordinaten des Brennpunktes maximal bis zum Ende einer für alle zu vermessenden Punkte gleichen Messdauer bezie- hungsweise Messintervalls ausgeführt werden und die Auswerte¬ einrichtung mittels der erfassten Lichtintensitätswerte die z-Koordinate des Punktes mindestens angenähert bestimmen kann . Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung;
Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Intensitäts¬ verlaufes einer erfindungsgemäßen Erfassungsein- richtung;
Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines zu vermessen¬ den Oberflächenverlaufes; Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines zu vermessen¬ den Oberflächenverlaufes;
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel eines Messwerteverlaufes; Figur 6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Lichtintensi¬ tätsverlaufes einer Erfassungseinrichtung;
Figur 7 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Lichtintensi¬ tätsverlaufes, insbesondere eines zweiten Ausfüh- rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 8 eine Darstellung zur Festlegung einer maximalen
Messdauer; Figur 9 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Verfahrens ;
Figur 10 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung. Eine homogen reflektierende Oberfläche 7 eines in einem orthogonalen x-, y-, z- Koordinatensystem positionierten Objektes B soll vermessen werden. Figur 1 zeigt ein konfokales Sensorsystem A, bei dem ein Licht emittierendes System und ein Licht erfassendes Sys¬ tem auf einen gemeinsamen Brennpunkt BP fokussiert sind. Das konfokale Sensorsystem weist eine Lichtquelle 1 auf, die
Licht in Richtung zu der zu vermessenden Oberfläche 7 aussendet. Das Licht kann eine Blende 3 durchlaufen und wird mit¬ tels einer Fokussiereinrichtung 5 in einem Brennpunkt BP fokussiert. Wird das Licht im Brennpunkt BP reflektiert, kann es beispielsweise mittels eines Strahlenteilers 11 in einer Erfassungseinrichtung 15 erfasst werden. Der Erfassungseinrichtung 15 kann eine Blende 13 zur Erzeugung eines definierten Strahlenverlaufs vorgelagert sein. Die Blende 3 bewirkt ebenso einen definierten Strahlenverlauf von der Lichtquelle 1 entlang einer optischen Achse 4 in Richtung zu der zu vermessenden Oberfläche 7 des in einem orthogonalen x-, y-, z- Koordinatensystem positionierten Objektes B. Das Licht der Lichtquelle 1 wird mittels der Fokussiereinrichtung 5, die beispielsweise eine optische Linse sein kann, in bekannte Brennpunkt x-, y-, z-Koordinaten fokussiert. Es ist offen¬ sichtlich, dass die Position der Lichtquelle 1 und des Erfas¬ sungssystems 15 vertauscht sein kann. Der Brennpunkt BP liegt in einer Fokusebene 9, die parallel zu oder in der x-y-Ebene liegt. Der Brennpunkt BP liegt auf der optischen Achse 4 in einer Brennweite von der Fokussiereinrichtung 5. Auf diese
Weise ist die Lage des Brennpunktes BP in dem konfokalen Sen¬ sorsystem A bekannt. Auf diese Weise kann mittels Messung ei¬ ner Position des konfokalen Sensorsystems A im x-, y-, z- Koordinatensystem mittels einer Längenmesseinrichtung 17 die Lage des Brennpunktes BP im Koordinatensystem gemessen werden. Eine Längenmessung kann beispielsweise mittels eines Glasmaßstabes ausgeführt werden. Figur 1 zeigt einen Glasma߬ stab 19, zur Messung der z-Koordinate des Brennpunktes im Ko¬ ordinatensystem. Werden nun mittels einer Relativbewegungs- einrichtung 23 Sensorsystem A und Objekt B derart zueinander bewegt, dass das Licht der Lichtquelle 1 entlang der opti¬ schen Achse 4 in Richtung auf die Oberfläche 7 ausgesendet wird, wobei die optische Achse 4 orthogonal zur x-y-Ebene eingestellt ist, so kann von der Erfassungseinrichtung 15 eine Lichtintensität des von der Oberfläche 7 reflektierten Lichtes erfasst werden. Dabei hängt ein erfasster Intensi¬ tätswert bei einer homogen reflektierenden Oberfläche ledig- lieh von der Position des Brennwertes BP in Bezug auf die Oberfläche 7 ab. Mittels des Sensorsystems A kann ein Ab¬ standsvektor eines zu vermessenden Punktes P auf der Oberfläche 7 des Objektes B von einem voreingestellten Brennpunkt BP bestimmt werden. Mittels der durch die Erfassungseinrichtung 15 erfassten Lichtintensitätswerte und gegebenenfalls weite¬ rer in einer Speichereinrichtung gespeicherten Daten kann eine Auswerteeinrichtung 21 bei Verwendung der durch die Längenmesseinrichtung 17 bereitgestellten Messwerten die x-, y-, z-Koordinaten eines zu vermessenden Punktes P der Oberfläche 7 des Objektes B bestimmen.
Figur 1 zeigt ein Messsystem, bei dem ein Brennpunkt BP erzeugt wird, dessen x-, y-, z-Koordinaten verändert werden können und beispielsweise mittels der Längenmesseinrichtung 17 gemessen werden können. Vom Schutzumfang dieser Anmeldung sind ebenso Sensorsysteme umfasst, die eine Mehrzahl von Er¬ fassungseinrichtungen 15 aufweisen können. Diese können parallel verwendet werden. Um dies zu veranschaulichen, ist in Figur 1 eine Vielzahl n von Erfassungseinrichtungen 15 darge- stellt.
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines von einer erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung erfassten Intensitätsverlaufs. Figur 2 zeigt einen Verlauf der von der Erfas- sungseinrichtung 15 erfassten Lichtintensität I in Abhängigkeit von der z-Koordinate des Brennpunktes BP, auf den das Licht der Lichtquelle 1 fokussiert ist. Das Licht wird von der Oberfläche 7 des Objektes B in die Erfassungseinrichtung 15 reflektiert. Verläuft die optische Achse 4 der Fokussier- einrichtung 5 des konfokalen Sensorssystems A orthogonal zur x-, x-Ebene des Koordinatensystems, und zwar durch die x-, y- Koordinaten eines zu vermessenden Punktes P der Oberfläche 7, so hängt ein durch die Erfassungseinrichtung 15 erfasster In- tensitätswert I bei einer homogen reflektierenden Oberfläche von der z-Koordinate des Brennpunktes BP in Bezug auf die z- Koordinate des zu vermessenden Punktes P ab. Der Intensitäts¬ verlauf I(z) zeigt, dass bei einem großen Abstand beziehungs- weise Abstandsvektor des Brennpunkts BP von dem zu vermessenden Punkt P der Oberfläche 7 die von der Erfassungseinrichtung 15 erfasste Lichtintensität klein ist. Nähert sich der Brennpunkt BP dem zu vermessenden Punkt 7 so vergrößert sich der jeweilige von der Erfassungseinrichtung 15 erfasste In- tensitätswert I, wobei bei einem Abstand von 0, dass heißt, wenn der Brennpunkt BP in dem zu vermessenden Punkt 7 erzeugt wird, ist der erfasste Intensitätswert I maximal. Der hier dargestellte Intensitätsverlauf hat hier eine Ähnlichkeit mit einer Gaußschen Kurve. Figur 2 zeigt, dass anhand eines be- kannten Intensitätsverlaufes I(z), der beispielsweise vorab gemessen wird und in einer Speichereinrichtung abgelegt wird, eine z-Koordinate des zu vermessenden Punktes P bestimmt wer¬ den kann. Beispielsweise wird der Brennpunkt BP bei einem konfokalen Sensorsystem an einer Koordinate ZM0 positioniert, so wird ein dazugehöriger Intensitätswert IMo erfasst. An dieser ersten Messposition ist noch nicht eindeutig, in welcher Beziehung der Brennpunkt BP zu den Punkt P liegt. Der Brennpunkt BP kann entweder eine größere oder eine kleinere z-Koordinate aufweisen als der Punkt P. Einer erfassten In- tensität IMo können also zwei z-Koordinaten des Punktes P zu¬ geordnet werden. Es muss also eine zweite Messung ausgeführt werden, zu der der Brennpunkt BP in z-Richtung verschoben und ein weiterer Intensitätswert IMA ermittelt wird. Gemäß Figur 2 wird die z-Koordinate des Brennpunktes BP von ZMo um ΔΖ^Β vergrößert. Da der gemessene Intensitätswert Ij^ größer als
IMo ist, ist bei Kenntnis des Intensitätsverlaufes I(z) die z-Koordinate zp des zu vermessenden Punktes P der Oberfläche
7 eindeutig bestimmbar. Alternativ kann, falls der Intensitätsverlauf I(z) nicht bekannt ist, die z-Koordinate des Brennpunktes BP derart verändert werden, bis eine maximale
Intensität IMAX bestimmt worden ist. Dazu können mehrere zu¬ sätzliche Messungen von Intensitätswerten, beispielsweise IMB, erforderlich sein. Der Doppelpfeil rechts in Figur 2 zeigt, dass eine relative Veränderung der z-Koordinaten von Brennpunkt BP und zu vermessenden Punkt P beispielsweise mit¬ tels einer Relativverschiebung von Sensorsystemen A und Objekt B entlang der z-Achse breit gestellt werden kann.
Figur 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines zu vermes¬ senden Oberflächenverlaufs. Figur 3 zeigt einen Verlauf der z-Koordinaten einer zu vermessenden Oberfläche 7 in Abhängigkeit von den x-Koordinaten zu vermessender Punkte P der Ober- fläche 7 des Objektes B. Oberflächenverläufe können bei¬ spielsweise konvex oder konkav sein. Eine zu vermessende Oberfläche 7 kann Wendepunkte aufweisen. Figur 3 zeigt in der x-z-Ebene einen Brennpunkt BP, der auf einer zur z-Achse pa¬ rallelen optischen Achse 4 an der x-y-Koordinate des zu ver- messenden Punktes P zunächst in einen z-Koordinatenwert ent¬ sprechend einem z-Koordinatenwert einer Soll-Oberfläche OBg eines gegebenen Modells des Objektes B verschoben wird. Für diese erste Positionierung kann mittels einer Relativbewe¬ gungseinrichtung 23 eine Relativbewegung von Sensorsystem A und Objekt B entlang der z-Achse ausgeführt werden. Dadurch dass der Brennpunkt BP beliebig entlang der z-Achse verscho¬ ben werden kann, ist der Messbereich ΔΖ einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beliebig einstellbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einen Unterschied dz der z-Koordinaten von Brennpunkt BP und zu vermessenen Punkt P auflösen. Diese Auf¬ lösung ist in Figur 3 als dz dargestellt und entspricht bei¬ spielsweise einer Differenz Zp - ZMo = dz in Figur 2.
Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Oberflä- chenverlaufs zur Ermittlung einer Steigung in einem zu vermessenden Punkt P der Oberfläche 7. Figur 4 zeigt zunächst die Oberfläche 7 von Figur 3 in der x-z-Ebene. Der Oberflä¬ chenverlauf im Punkt P weist dabei eine Steigung 0 auf. Eine Erfassungseinrichtung 15 erfasst einen Lichtintensitätswert, bei dem der Brennpunkt BP beispielsweise im zu vermessenden Punkt P liegt. Wird die Oberfläche 7 um einen Kippwinkel φχ gekippt, ändert sich die Steigung der Oberfläche 7 im Punkt P. Dies ist durch den Oberflächenverlauf 8 dargestellt. Durch die Kippbewegung verschiebt sich der bei der Oberfläche 7 er- fasste Intensitätswert der Erfassungseinrichtung 15 entspre¬ chend dem Kippwinkel φχ . Eine Auswerteeinrichtung 21 kann für jeden Punkt P eine Steigung der Oberfläche 7 entlang der x- und/oder y- Achse mittels eines durch die Erfassungseinrichtung 15 ausgeführten Erfassens einer Verschiebung eines bei einer Steigung von 0 erfassten von der z-Koordinate des
Brennpunktes BP abhängigen Lichtintensitätswerts I(z) aus der optischen Achse in einer Position in eine Position ß bestimmen. Die Auswerteeinrichtung 21 kann, mittels vorab ermittelter Intensitätsverläufe in Abhängigkeit von Steigungs¬ änderungen der Oberfläche 7 in einem festen Punkt, der Verschiebung des Lichtintensitätswertes I(z) die jeweilige Stei¬ gung für den Punkt P zuordnen. Das mit Bezug auf Figur 4 be- schriebene Vorgehen gilt ebenso entsprechend für die y-z- Ebene .
Figur 5 zeigt ein Abtastsignal, mit dem für eine Vielzahl von punktweise abgetasteten Punkten P einer zu vermessenden Ober- fläche 7 eines Objektes B, jeweils Messungen von z-
Koordinatenwerten z X r y und Kippwinkel φχ und cy ausgeführt werden- Eine Abtastung beziehungsweise punktweise Messung ei¬ ner Oberfläche 7 ist besonders vorteilhaft, für den Fall, dass die jeweilige Messdauer konstant ist. Auf diese Weise können die Messwerte leichter verarbeitet werden. Des Weite¬ ren ist es zur Verkleinerung der Messdauer zur Vermessung der gesamten Oberfläche 7 besonders vorteilhaft, wenn die x-, y- Koordinaten aller zu vermessenden Punkte P durch ein Messpunktemuster in der x-, y-Ebene festgelegt werden. Für eine einfachere Standardisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist es besonders vorteilhaft, wenn ein derartiges Mess¬ punktemuster zueinander gleich beabstandete Messepunkte beispielsweise an Ecken von Gitterquadraten aufweist. Figur 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines gemesse¬ nen Intensitätsverlaufs eines konfokalen Sensorsystems A. Dieses ist als ein bifokales Sensorsystem ausgebildet, bei dem eine Anzahl von n=2 Erfassungseinrichtungen 15 mit zwei zueinander verschiedenen Lichtintensitätsverläufen Ii und I2 verwendet wird. Es sind in der Auswerteeinheit 21 in einer Speichereinrichtung von der z-Koordinate des Brennpunktes BP abhängige Lichtintensitätsverläufe Ii und I2 der Erfassungs- einrichtung 15 vorab gespeichert. Mittels dieser Intensitäts¬ verläufe Ii und I2 können bei einer einzigen Messposition des
Brennpunktes BP gleichzeitig zwei Lichtintensitätswerte IMI und IM2 erfasst werden und daraus die z-Koordinate Zp des zu vermessenden Punktes P bestimmt werden. Bei dieser einzigen Messposition ist die z-Koordinate ZP eindeutig bestimmbar.
Figur 7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Intensi¬ tätsverlaufs eines konfokalen Sensorsystems A. Dieses ist als ein Sensorsystem ausgebildet, bei dem eine Anzahl von n=3 Erfassungseinrichtungen 15 mit drei zueinander verschiedenen Lichtintensitätsverläufen Ii, I2 und I3 verwendet wird. Eine derartige Überlagerung von Lichtintensitätsverläufen Ii, I2 und I3 kann sich beispielsweise ergeben, wenn die Erfassungs¬ einrichtungen 15 jeweils verschiedene Wellenlängenbereiche des von der Lichtquelle 1 ausgesendeten Licht erfassen. Entsprechend einer jeweiligen erfassten Wellenlänge ist der Brennpunkt BP hinsichtlich der z-Koordinate verschoben. Das heißt, wird der ursprüngliche Brennpunkt BP in die z- Koordinate Z^g verschoben, erfassen die Erfassungseinrichtun- gen 15 für einen ersten Wellenlängenbereich einen Intensitätswert IMi, für einen zweiten Wellenlängebereich einen In¬ tensitätswert IM2 und für einen dritten Wellenlängenbereich einen Intensitätswert IM3 · Mit diesen gemessenen Intensitäts¬ werten und den bekannten Intensitätsverläufen kann auf einfa- che Weise die z-Koordinate Zp des Punktes P ermittelt und so¬ wohl ein Messbereich ΔΖ und eine Auflösung dz vergrößert werden. Mit diesem Sensorsystem ist eine Relativbewegung von Sensorsystem A und Objekt B zur Bestimmung eines Abstandsvektors zwischen dem Brennpunkt und dem zu vermessenden Punkt P nicht erforderlich.
Figur 8 zeigt die Abhängigkeit einer Messdauer Tj[ , zur Be¬ stimmung der x, y-, z-Koordinaten eines zu vermessenden Punk- tes P einer Oberfläche 7 eines Objektes B, von der Differenz der z-Koordinate Zp des Punktes P zur ersten Messposition des
Brennpunktes BP in der z-Koordinate Z^g . Die Messdauer TM ist direkt proportional zum Abstand von der ersten Messposition eines Brennpunktes BP zu der Position des zu vermessenden
Punktes P. Der Abstandsvektor und damit die Messzeit j[ kann bereits dadurch wirksam verringert werden, dass die erste Messposition des Brennpunktes BP in der z-Koordinate Z^g ei¬ ner Position in einer Soll-Z-Koordinate Zp-Soll entspricht. Derartige Werte können ausgehend von einem Modell der Ober¬ fläche 7 des Objektes B bestimmt werden. Des Weiteren kann ein Messen und Abtasten einer zu vermessenden Oberfläche 7 mit einem Abtastsignal ausgeführt werden, wobei zwischen je¬ der Abtastung eine gleiche konstante Zeitdauer festgelegt wird. Zur Vereinfachung der Verarbeitung der Messwerte kann beim Vermessen der Vielzahl von Punkten P eine Veränderung der x-, y-, z-Koordinaten eines Brennpunktes BP maximal bis zum Ende einer für alle zu vermessenden Punkte P gleichen Messdauer TMmax ausgeführt werden, wobei die Auswerteeinheit 21 mittels der erfassten Lichtintensitätswerte I(z) die z- Koordinate des Punktes P mindestens angenähert bestimmt.
Figur 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Zu Formvermessung wird ein konfokal arbeitendes Fokussensorsystem A verwendet. Ausführungsbeispiele sind ge¬ mäß Figur 1 und 10 dargestellt. Derartige Systeme messen, ob ein angefahrener zu vermessender Punkt P einer Oberfläche 7 im Brennpunkt BP liegt. Falls dies nicht der Fall ist, wird gemessen, in welche Richtungen die zu vermessende Oberfläche 7 und das Sensorsystem A relativ zueinander verfahren werden müssen, damit der zu vermessende Punkt P der Oberfläche 7 im Brennpunkt BP liegt. Das Fokussensorsystem soll eine ausrei¬ chend genaue Aussage der Position eines Brennpunktes BP im Mikrometer- beziehungsweise Sub- Mikrometerbereich ermögli- chen. In einem ersten Schritt Sl erfolgt ein Anfahren der x- und y-Position des zu vermessenden Punktes P der Oberfläche 7, wobei hochgenaue x-, y-Achsen verwendet werden. Mit einem Schritt S2 erfolgt ein Verfahren der z-Position eines Brenn- Punktes BP, wobei ebenso eine hochgenaue z-Achse mit einem hochgenauen Messsystem, beispielsweise einem Glasmaßstab, verwendet wird. Mit einem Schritt S3 wird bestimmt, dass der Brennpunkt BP in dem zu vermessenden Punkt P der Oberfläche 7 liegt, wobei danach die x-, y- und z-Positionswerte von den Glasmaßstäben ausgelesen und gespeichert werden. Die hochgenauen Messungen werden jeweils mit einem relativ schnell auslesbaren Glasmaßstab durchgeführt. Für die Vermessung der ge¬ samten Oberfläche wird das konfokale Fokussensorsystem A in x- und/oder y-Richtung relativ zur vermessenen Oberfläche 7 verfahren und die z-Achse wird jeweils so nachgestellt, dass ein zu vermessender Punkt P im Brennpunkt BP des Fokussensors liegt . Figur 10 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Vorrichtung. Figur 10 zeigt einen chromatischen konfokalen Abstandssensor. Ausgehend von einer Lichtquelle 1 wird Licht über einen y-Koppler yk und einen Sensorkopf sk auf ein Objekt B gelenkt, wobei das zurück reflektierte Licht in einem Spektrometer SM erfasst und mittels einer Auswerte¬ einrichtung 21 ausgewertet wird. Ebenso mit dem chromatischen konfokalen Sensorsystem A gemäß Figur 10 ist ein Vermessen eines Punktes P einer reflektierenden Oberfläche 7 eines Ob¬ jektes B ausführbar. Zusätzlich können eine Vorrichtung gemäß Figur 1 mit einer oder mehreren Erfassungseinrichtungen 15, denen jeweils ein Intensitätsverlauf I(z) zugeordnet ist, und eine Vorrichtung gemäß Figur 10 zur Vermessung kombiniert werden .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Vermessen einer homogen reflektierenden Oberfläche (7) eines in einem orthogonalen x-, y-, z- Koordinatensystem positionierten Objekts (B) ,
dadurch gekennzeichnet, dass x-, y-, z-Koordinaten einer Vielzahl von Punkten (P) der Oberfläche (7) des Objekts (B) punktweise vermessen werden, wobei ein Sensorsystem Licht auf einen Brennpunkt (BP) in bekannten x-, y-, z- Koordinaten fo- kussiert und Koordinaten eines jeweiligen Abstandsvektors zwischen einem jeweiligen zu vermessenden Punkt (P) und dem Brennpunkt (BP) misst.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem ein konfokales Sensorsystem (A) ist, dass
Licht einer Lichtquelle (1) mittels einer Fokussiereinrich- tung (3, 5) in Richtung auf die Oberfläche (7) auf einen Brennpunkt (BP) auf einer optischen Achse (4) in einer Brennweite fokussiert und die x-, y-, z-Koordinaten des Brennpunk- tes (BP) mittels Vermessen der räumlichen Position des Sensorsystems (A) im Koordinatensystem mittels einer Längenmess- einrichtung (17) vermessen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das konfokale Sensorsystem (A) mittels einer Justiereinrichtung derart justiert wird, dass die optische Achse (4) ortho¬ gonal zur x-, y- Ebene verläuft; das Sensorsystem (A) und das Objekt (B) derart mittels einer Relativbewegungseinrichtung (23) relativ zueinander justiert werden, dass die optische Achse (4) durch den zu vermessenden Punkt (P) hindurch verläuft und die x-, y- Koordinaten des Brennpunktes (BP) mit den x-, y- Koordinaten des zu vermessenden Punktes (P) übereinstimmen .
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das konfokale Sensorsystem (A) und das Objekt (B) derart mit¬ tels der Relativbewegungseinrichtung (23) relativ zueinander justiert werden, dass die z- Koordinate des Brennpunktes (BP) mit einer z- Soll-Koordinate des zu vermessenden Punktes (P) übereinstimmt .
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das konfokale Sensorsystem (A) mittels einer Erfassungs¬ einrichtung (15) eine von der z-Koordinate des Brennpunkts (BP) abhängige Lichtintensität (I(z)) des von der Oberfläche (7) reflektierten Lichts erfasst, wobei mit der Lichtintensi¬ tät (I(z)) die (Ist-)z- Koordinate (ZP) des Punktes (P) mit- tels einer Auswerteeinrichtung (21) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die z-Koordinate des Brennpunktes (BP) in z-Richtung derart verändert wird, bis die Auswerteeinrichtung (21) die erfasste Lichtintensität I(z) als maximal (Imax) und die z-Koordinate des Brennpunktes (BP) als mit der z-Koordinate des Punktes (P) übereinstimmend bewertet.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (21) mittels eines vorab ermit¬ telten von der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) abhängigen Lichtintensitätsverlaufes (I(z)) eine erfasste Lichtintensi¬ tät als maximal (Imax) und die z-Koordinate des Punktes (P) als mit der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) übereinstim- mend bewertet.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (21) mittels eines vorab ermittelten von der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) abhängigen Licht- intensitätsverlaufes (I(z)) und mittels zweier erfasster Lichtintensitäten (IMo; IMA) bei zwei verschiedenen z- Koordinaten ((zM0); (zM0 + Δ) ) des Brennpunktes (BP) die z- Koordinate (Z 0B) des zu vermessenden Punktes (P) bestimmt.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (21) mittels zweier verschiedener vorab gespeicherter von der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) abhängigen Lichtintensitätsverläufen (I1 (z) ; I2(z)) zweier Erfassungseinrichtungen (15) und mittels zweier erfasster Lichtintensitäten (IMi ; I ) bei einer z-Koordinate (ZM0) des Brennpunktes (BP) die z-Koordinate (ZP) des zu vermessenden Punktes (P) bestimmt.
10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (A) zusätzlich ein chromatisch konfokaler Abstandssensor ist, der einen Abstand des zu vermessenden Punktes (P) von dem Sensorsystem (A) in z-Richtung entlang der optischen Achse (4) misst, wobei mittels eines Wellenlän¬ genbereichs einer erfassten maximalen Lichtintensität (Imax) der Abstand und die z-Koordinate (zP) des zu vermessenden Punktes (P) bestimmt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (21) jeweils in einem Punkt (P) eine Steigung der Oberfläche (7) in x- und/oder y- Richtung mittels einen durch die Erfassungseinrichtung (15) ausgeführten Erfassen einer Verschiebung eines bei einer Steigung von null erfassten von der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) abhängi¬ gen Lichtintensitätswertes (I(z)) aus der optischen Achse (4) bestimmt .
12. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die x- und y-Koordinaten des zu vermessenden Punktes (P) durch ein Messpunktemuster in der x-y-Ebene festgelegt werden .
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Messpunktemuster zueinander äquidistante Messpunkte auf¬ weist.
14. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die z-Koordinate des Brennpunktes (BP) mittels einer durch die Relativbewegungseinrichtung (23) bewirkten Relativbewegung von Sensorsystems (A) und Objekt (B) in z-Richtung verändert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 5 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die z-Koordinate des Brennpunktes (BP) mittels ei¬ ner durch die Fokussiereinrichtung (5) bewirkten Veränderung der Brennweite in z-Richtung verändert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenmesseinrichtung (17) zur Messung von x-, y-, z- Koordinatenwerten jeweils einen Glasmaßstab (19) aufweist.
17. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vermessen der Vielzahl von Punkten (P) eine Veränderung der x-, y-, z- Koordinaten des Brennpunktes (BP) maximal bis zum Ende einer für alle zu vermessenden Punkte (P) gleichen Messdauer (Τ^) ausgeführt wird und die Auswerteeinrichtung (21) mittels der erfassten Lichtintensitätswerte (I(z)) die z-Koordinate des Punktes (P) mindestens angenähert bestimmt.
18. Vorrichtung zum Vermessen einer homogen reflektierenden Oberfläche (7) eines in einem orthogonalen x-, y-, z- Koordinatensystem positionierten Objekts (B) ,
dadurch gekennzeichnet, dass x-, y-, z-Koordinaten einer Vielzahl von Punkten (P) der Oberfläche (7) des Objekts (B) punktweise vermessen werden, wobei ein Sensorsystem Licht auf einen Brennpunkt (BP) in bekannten x-, y-, z- Koordinaten fo- kussiert und Koordinaten eines jeweiligen Abstandsvektors zwischen einem jeweiligen zu vermessenden Punkt (P) und dem Brennpunkt (BP) misst.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem ein konfokales Sensorsystem (A) ist, das Licht einer Lichtquelle (1) mittels einer Fokussierein¬ richtung (3, 5) in Richtung auf die Oberfläche (7) auf einen Brennpunkt (BP) auf einer optischen Achse (4) in einer Brennweite fokussiert und die x-, y-, z-Koordinaten des Brennpunk- tes (BP) mittels Vermessen der räumlichen Position des Sensorsystems (A) im Koordinatensystem mittels einer Längenmess¬ einrichtung (17) vermessen werden.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das konfokale Sensorsystem (A) mittels einer Justiereinrichtung derart justiert wird, dass die optische Achse (4) orthogonal zur x-, y- Ebene verläuft;
das Sensorsystem (A) und das Objekt (B) derart mittels einer Relativbewegungseinrichtung (23) relativ zueinander justiert werden, dass die optische Achse (4) durch den zu vermessenden Punkt (P) hindurch verläuft und die x-, y- Koordinaten des Brennpunktes (BP) mit den x-, y- Koordinaten des zu vermes- senden Punktes (P) übereinstimmen.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das konfokale Sensorsystem (A) und das Objekt (B) derart mittels der Relativbewegungseinrichtung (23) relativ zueinan- der justiert werden, dass die z- Koordinate des Brennpunktes (BP) mit einer z- Soll-Koordinate des zu vermessenden Punktes (P) übereinstimmt.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekenn- zeichnet, dass das konfokale Sensorsystem (A) mittels einer
Erfassungseinrichtung (15) eine von der z-Koordinate des Brennpunkts (BP) abhängige Lichtintensität (I(z)) des von der Oberfläche (7) reflektierten Lichts erfasst, mit der die (Ist-) z- Koordinate (ZP) des Punktes (P) mittels einer Aus- Werteeinrichtung (21) bestimmt wird.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die z-Koordinate des Brennpunktes (BP) in z-Richtung derart verändert wird, bis die Auswerteeinrichtung (21) die erfasste Lichtintensität (I(z)) als maximal (Imax) und die z- Koordinate des Brennpunktes (BP) als mit der z-Koordinate des Punktes (P) übereinstimmend bewertet.
24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (21) mittels eines vorab ermittelten von der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) abhängigen Lichtintensitätsverlaufes (I(z)) eine erfasste Lichtintensität als maximal (Imax) und die z-Koordinate des Punktes (P) als mit der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) übereinstimmend bewertet.
25. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (21) mittels eines vorab ermit¬ telten von der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) abhängigen Lichtintensitätsverlaufes (I(z)) und mittels zweier erfasster Lichtintensitäten ( IMo; I MA) bei zwei verschiedenen z- Koordinaten ((zM0); (zM0 + Δ) ) des Brennpunktes (BP) die z- Koordinate (Z0p) des zu vermessenden Punktes (P) bestimmt.
26. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (21) mittels zweier verschiedener vorab gespeicherter von der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) abhängigen Lichtintensitätsverläufen (I1(z) ; I2(z)) zweier Erfassungseinrichtungen (15) und mittels zweier erfasster Lichtintensitäten (IMi; I ) bei einer z-Koordinate (zM0) des Brennpunktes (BP) die z-Koordinate (ZP) des zu ver¬ messenden Punktes (P) bestimmt.
27. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (A) zusätzlich ein chromatisch konfokaler Abstandssensor ist, der einen Abstand des zu vermessenden Punktes (P) von dem Sensorsystem (A) in z-Richtung entlang der optischen Achse (4) misst.
28. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (21) jeweils in einem Punkt (P) eine Steigung der Oberfläche (7) in x- und/oder y- Richtung mittels einem durch die Erfassungseinrichtung (15) ausgeführten Erfassen einer Verschiebung eines bei einer Steigung von null erfassten von der z-Koordinate des Brennpunktes (BP) ab¬ hängigen Lichtintensitätswertes (I(z)) aus der optischen Achse (4) bestimmt.
29. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die x- und y-Koordinaten des zu vermessenden Punktes (P) durch ein Messpunktemuster in der x-y-Ebene festgelegt werden .
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Messpunktemuster zueinander äquidistante Messpunkte aufweist .
31. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die z-Koordinate des Brennpunktes (BP) mittels einer durch die Relativbewegungseinrichtung (23) bewirkten Relativbewegung von Sensorsystem (A) und Objekt (B) in z-Richtung verändert wird.
32. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 31, dadurch gekenn- zeichnet, dass die z-Koordinate des Brennpunktes (BP) mittels einer durch die Fokussiereinrichtung (5) bewirkten Veränderung der Brennweite in z-Richtung verändert wird.
33. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenmesseinrichtung (17) zur Messung von x-, y-, z- Koordinatenwerten jeweils einen Glasmaßstab (19) aufweist.
34. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vermessen der Vielzahl von Punkten (P) eine Verän- derung der x-, y-, z- Koordinaten des Brennpunktes (BP) maximal bis zum Ende einer für alle zu vermessenden Punkte (P) gleichen Messdauer (Τ^) ausgeführt wird und die Auswerteeinrichtung (21) mittels der erfassten Lichtintensitätswerte (I(z)) die z-Koordinate des Punktes (P) mindestens angenähert bestimmt.
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