EP4652428A1 - Messvorrichtung sowie positioniervorrichtung und verfahren zum relativen positionieren der messvorrichtung mit einer thz-vorrichtung - Google Patents

Messvorrichtung sowie positioniervorrichtung und verfahren zum relativen positionieren der messvorrichtung mit einer thz-vorrichtung

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Publication number
EP4652428A1
EP4652428A1 EP24702195.9A EP24702195A EP4652428A1 EP 4652428 A1 EP4652428 A1 EP 4652428A1 EP 24702195 A EP24702195 A EP 24702195A EP 4652428 A1 EP4652428 A1 EP 4652428A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiation
thz
measuring device
measurement
transmitting
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP24702195.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rüdiger Mästle
Andreas Godorr
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.)
Helmut Fischer GmbH and Co
Original Assignee
Helmut Fischer GmbH and Co
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 Helmut Fischer GmbH and Co filed Critical Helmut Fischer GmbH and Co
Publication of EP4652428A1 publication Critical patent/EP4652428A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to a measuring device with a THz device for transmitting and receiving THz radiation for carrying out a measurement on an object.
  • the invention relates to a positioning device and a method for the relative positioning of the measuring device with a THz device for carrying out the measurement on a measurement object.
  • DE 10 2018 126 652 A1 discloses a method and a system for aligning a THz sensor to a target surface of an object.
  • This target surface can be, for example, a layer of paint on a vehicle in order to use a sensor measuring head of a THz sensor system to detect, for example, the thickness of one or more layers of paint on a vehicle body.
  • the THz sensor is positioned to the target surface using a handling device.
  • an estimated normal of the sensor measuring head is first determined in relation to the target surface.
  • the selected area of the target surface is then scanned with a beam of rays to identify an optimal normal based on a maximum peak amplitude.
  • the sensor measuring head is then aligned relative to the target surface of the object based on the optimal normal after it has been determined in order to carry out the measurement on the object.
  • An image capture device is known from US 2008/0251 720 Al in which THz radiation is directed onto a deflection mirror in order to direct the radiation onto a measurement object.
  • the deflection mirror is rotated around an axis so that a lateral scan of the surface of the measurement object is possible.
  • An analogous device is known from US 2021/0389238 Al.
  • US 2018/03476 963 Al discloses a method for measuring layer thicknesses using a THz device for transmitting and receiving THz radiation. It is provided that a travel movement is controlled for the layer thickness measurement to achieve different optical axes between the THz device and the measurement object.
  • a measuring device for measuring a test object in particular a full measurement of test objects designed as plastic pipes with circular cross-sections, is known.
  • the measuring device comprises a transmitter-receiver unit and a mirror arrangement with a first mirror and a second mirror.
  • the radiation reflected by the test object is evaluated by means of a control unit.
  • WO 2020/239694 Al a method for carrying out a layer thickness measurement with a THz device for transmitting and receiving THz radiation is known, wherein the measuring device comprises a sensor for distance measurement and another sensor for angle measurement and the recorded parameters of the two sensors are taken into account when evaluating the received radiation.
  • US 2015/0212060 A1 discloses a detection system for characterizing a coating, such as a paint layer using THz radiation.
  • a THz device for sending and receiving THz radiation is provided on a handling device.
  • the THz device is aligned with the surface of the measuring object by the handling device and moved along the measuring surface.
  • a method for detecting layers on a measurement object which comprises a THz device for transmitting and receiving THz radiation for carrying out a measurement, in particular layer thickness measurement, on a measurement object.
  • the recorded received radiation is compared with stored reference data to enable rapid evaluation and output of the recorded received radiation.
  • the invention is based on the object of proposing a measuring device as well as a positioning device and a method for the relative positioning of the measuring device with a THz device for transmitting and receiving THz radiation for carrying out a measurement on a measurement object, whereby a cycle time for positioning the THz device to a measurement object for carrying out a measurement is reduced.
  • a measuring device with a THz device for transmitting and receiving THz radiation for carrying out a measurement, in particular layer thickness measurement on a measurement object, in which the transmit and receive radiation are coaxially aligned with one another, in which at least one reflective element with at least one angle adjustment element is provided in the transmit and receive radiation, wherein the at least one angle element which can be controlled by a controller for a change in an angular position of the at least one reflected element in at least one spatial direction and in which the object-side focal point of the transmit and receive radiation and at least one center of rotation, preferably all centers of rotation, of the transmit and receive radiation coincide.
  • This design of the measuring device enables rapid alignment of the transmit and receive radiation of the THz device to correct an angle tolerance, in particular after positioning the measuring device at a distance from the measurement object.
  • the correspondence of the at least one rotation center of the transmitting and receiving radiation with the object-side focal point of the transmitting and receiving radiation enables a distance-independent correction when an angular position of the at least one reflecting element changes. This allows the cycle time for positioning and exact alignment of the THz device to The measurement object can be reduced and a precise measurement can be carried out on the measurement object.
  • At least one optical device is provided between the one reflective element and the object-side focal point of the transmitting and receiving radiation, and the center of rotation of the reflective element lies in a conjugated focal point with respect to an object plane of the optical device in which the object-side focal point lies.
  • An imaging optical device is preferably provided in the optical device in order to align the transmitting and receiving radiation with the center of rotation.
  • the center of rotation of the at least one reflective element is preferably designed as a rotation axis of the reflective element.
  • the object-side focal point is preferably located on an object plane of the measuring object and the conjugated image-side focal point of the transmitting and receiving radiation is located on the at least one reflective element. This enables a quick correction of detected angular deviations as well as an improved evaluation of the receiving radiation for angle correction.
  • the optical device can comprise at least one optical element, such as a spherical lens, a parabolic mirror or an aspherical lens.
  • a spherical lens such as a parabolic lens
  • an aspherical lens such as a parabolic mirror or an aspherical lens.
  • two reflective elements aligned with one another are preferably provided, wherein the at least one of the two reflective elements, which is assigned to the optical element, is adjustable in at least one, preferably two, spatial directions.
  • the at least one reflective element is designed as a tilting mirror with one or two axes of rotation for changing the angular position.
  • a parabolic mirror is preferably provided as the optical element in the collimated beam path.
  • the optical device comprises two optical elements aligned with one another on its optical axis, which are arranged between the one reflective element and the object-side focal point. This arrangement can enable the measuring device to have a low distance dependency with regard to positioning relative to the measuring object.
  • the optical device with two optical elements comprises a first optical element with a focal length fi assigned to the one reflecting element and a second optical element with a focal length f2 assigned to the object-side focal point, wherein the focal length f2 > fi.
  • the optical device is advantageously designed for a high distance tolerance and in particular comprises a long focal length optic with a Rayleigh length of the transmit and receive radiation, which is preferably greater than 6 mm and in particular greater than 10 mm at a frequency of 1 THz.
  • the distance tolerance can advantageously be increased by an additional software correction.
  • a distance and/or angle measurement between the measuring device and the measurement object can be provided by means of the THz radiation by detecting THz pulses.
  • the transmit and receive radiation of the THz device can be used to measure the distance.
  • An angle measurement can be carried out superimposed or simultaneously, thereby enabling a reduction in the time required for an exact alignment of the measuring device to the measurement object.
  • a change in the angular position of the at least one reflective element of the optical device can be controlled during the distance and/or angle measurement, thereby enabling a quick correction in the event of distance and/or angle tolerances outside the tolerance range.
  • At least one separate sensor for measuring the distance and/or angle between the measuring device and the measuring object is provided on or in the measuring device.
  • This separate sensor can be used in particular when the measuring device first approaches the measuring object.
  • the sensor is advantageously designed as an optical sensor.
  • the at least one separate optical sensor can advantageously work with radiation in the visible range or near infrared range. This also enables the measuring surface of the measuring object to be recorded and monitored. This advantageously enables distance and/or angle measurements to be recorded by the optical sensor at an even greater distance between the measuring device and the measuring object and the distance and/or angle measurement can then be carried out via a precise measurement using THz radiation in a smaller measuring range. This superposition of the two distance and/or angle measurements can enable further cycle time optimization.
  • the transmitting and/or receiving radiation of the at least one separate sensor is aligned coaxially to the transmitting and receiving radiation of the THz device.
  • the separate optical sensor between the THz device and the at least one reflective element can be superimposed with the THz radiation of the THz device. This also enables scanning of the surface of the measurement object at the same time.
  • an optical coupling element is provided for the coaxial superposition of the transmit and/or receive radiation of the separate sensor with the transmit and receive radiation of the THz device, which is designed as a reflection element for the transmit and receive radiation of the THz device.
  • This coupling element can also be the first reflective element. This enables a compact arrangement.
  • Such a coupling element can be designed, for example, as a glass element with an indium tin oxide coating. Alternatively, a membrane with such a dual function can also be used.
  • a positioning device for the relative positioning of a measuring device with a THz device for transmitting and/or receiving THz radiation relative to a measurement object for carrying out a measurement on the measurement object which has a handling device with a connection interface, wherein the connection interface is assigned to an external nominal operating point
  • a measuring device according to one of the embodiments described above is provided on the connection interface of the handling device and the object-side focus point of the transmitting and receiving radiation and at least one center of rotation of the transmitting and receiving radiation of the THz device, preferably all centers of rotation, coincide and advantageously coincide with the external nominal operating point of the handling device and are positioned by the handling device of the measuring device to the measurement object.
  • the defined position to the measurement object is preferably understood to mean that an object-side focal point of the transmitting and receiving radiation is aligned with a measuring point on, in or on the measurement object, in particular that the object-side focal point of the measuring device is on the measuring surface of the measurement object or in a specific layer of the measurement object. This depends on the measuring task. For example, in the case of a layer thickness measurement, the object-side focal point on the measuring surface of the measurement object or on the base body of the measurement object, on which at least one layer, in particular a paint layer, is applied, can be understood as a defined position to the measurement object.
  • the external nominal operating point of the handling device which is assigned to the connection point, is formed by a coordinate system of the handling device, whereby this external nominal operating point is preferably a so-called tool center point (TCP).
  • TCP tool center point
  • the handling device can have its own tool coordinate system and the TCP is used as a basis for simple control. This enables short cycle times for the relative positioning of the measuring device and the measuring object to one another as well as scanning or a relative movement of the measuring device and the measuring object to carry out a measurement at several measuring points.
  • the object underlying the invention is further achieved by a method for the relative positioning of a transmitting and receiving radiation of a THz device to a measurement object for carrying out a measurement on the measurement object, wherein a measuring device according to one of the above-described embodiments is aligned with a handling device relative to the measurement object and the object-side focal point of the transmitting and receiving radiation is positioned relative to the measurement object and wherein by means of the at least one angle adjusting element on the at least one reflecting element in the Transmitting and receiving radiation of the THz device controls the setting of a preferred orthogonal angle of the transmitting and receiving radiation to the measurement object, in particular to the object plane or measuring surface of the measurement object.
  • This method enables the measuring device to be transferred to an observation position relative to the measurement object in order to subsequently carry out a distance and/or angle measurement of the transmitting and receiving radiation of the THz device or the separate, preferably optical sensor to the measurement object and to carry out a controlled or regulated correction for the relative positioning of the measuring device to the measurement object by means of the at least one angle adjusting element of the at least one reflective element in the transmitting and receiving radiation, until in particular predetermined tolerances with regard to the distance and the angle between the measuring device or the object-side focal point of the transmitting and receiving radiation of the THz device and the measurement object are achieved.
  • the relative positioning of the measuring device to the measuring object is advantageously controlled by an external control, in particular by a control of the handling device, whereby the object-side focal point of the transmitting and receiving radiation and the external nominal operating point of the handling device coincide or are brought into line by the control in which the points are brought into alignment with one another.
  • This essentially results in a rotational movement of the measuring device, in particular of the at least one reflective element, around the nominal operating point, which enables an angle correction in a simple manner without this being accompanied by a change in distance.
  • a distance between the measuring device and the measuring object can first be recorded. In the case that the recorded distance exceeds a predefined value, repositioning takes place. In the other case that the recorded distance falls below a predefined value, a comparison is made. from stored reference spectra of the measurement object in the control to the actually recorded distance. Subsequently, after a defined or predetermined distance has been reached, an angle change of at least one reflecting element and/or the measuring device to the measurement object is controlled until a predetermined angle of the transmit and receive radiation to the measurement object is reached.
  • This predetermined distance of the object-side focal point of the transmit and receive radiation and the predetermined angular position of the measuring device to the measurement object corresponds to a target position of the THz device to the measurement object.
  • a transmit and receive radiation of the THz device is preferably aligned orthogonally to the measurement object, in particular an object plane of the measurement object. This allows an increased measurement quality with preferably a power drop of less than 10% at 4 THz not to be exceeded.
  • the relative positioning of the measuring device to the measuring object is initially carried out by detecting an angle of the reflective element to the measuring object and, after the reflective element has assumed a defined angle, a defined distance of the object-side focal point of the transmitting and receiving radiation between the measuring device and the measuring object is subsequently approached or controlled.
  • a distance of the object-side focal point of the transmitting and receiving radiation and an angle of the at least one reflecting element of the measuring device to the measuring object are controlled simultaneously or alternately during the movement of the handling device and/or the measuring object.
  • an angle change of the transmitting and receiving radiation to the measurement object can be additionally or simultaneously controlled with the at least one angle adjustment element of the at least one reflective element can be set, whereby an orthogonal alignment of the transmitting and receiving radiation to the measuring object is preferably set.
  • the change in distance and/or angle for positioning the measuring device to the measurement object can be detected, for example, by at least one separate, preferably optical, sensor. Alternatively, this change in distance and/or angle can be detected based on THz measurement signals of the THz radiation. A combination is also possible.
  • changes in the angular position of the reflective element can be controlled by the controller during the distance and/or angle measurement of the at least one reflective element. This can enable optimization of the relative positioning of the measuring device or the transmit and receive radiation of the THz device to the measurement object.
  • a relative positioning of the object-side focus point of the transmitting and receiving radiation to the measuring object is carried out by controlling the handling device to the target position of the measuring object stored in the control system. At least one distance measurement and/or angle measurement is then carried out to determine the actual relative position of the measuring device to the measuring object. If the distance and/or angle reached is outside a tolerance range, a follow-up or repositioning is carried out to correct the distance and/or angle. A comparison of stored reference spectra of the measuring object is then carried out. in the control system based on the actually recorded distance of the object-side focal point of the transmit and receive beams to the measurement object, in particular after the end position of the distance between the measurement object and the measuring device has been reached.
  • a comparison is made with the stored reference spectra of the measurement object.
  • At least two measurements are then carried out using THz radiation with different angular positions of the at least one reflective element. From this, at least one correction value for controlling the at least one reflective element and a movement of the at least one reflective element by the correction value to a target position are controlled, wherein in the target position the transmit and receive radiation is preferably aligned orthogonally to the measurement object.
  • the execution of measurements using the THz device can then be started and carried out.
  • a layer thickness measurement for example of paint layers on a vehicle body, is carried out.
  • a distance measurement can be carried out by the at least one separate, preferably optical sensor and/or by THz radiation from the THz device, and the measuring device can be started in a controlled manner, whereby a change in the angular position of the at least one reflective element is controlled, in particular during the distance measurement to the object-side focal point.
  • This separate optical sensor preferably carries out multipoint triangulation for distance and/or angle correction. Structured or scanning illumination in the visible range or near-infrared range is preferably used for this purpose.
  • Figure 1 is a perspective view of a positioning device with a measuring device aligned with a measuring object
  • Figure 2 is a schematic view of a structure of the measuring device
  • FIG 3 is a schematic view of an alternative construction of the measuring device to Figure 2
  • Figure 4 shows a schematic sequence of steps for the relative positioning of the measuring device and the measuring object to each other.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a measuring device 11 in a measuring position for carrying out a measurement on a measurement object 12.
  • a positioning device 50 comprises at least one handling device 14, such as a multi-axis robot.
  • a controller 25 is provided, which can be part of the positioning device 50.
  • the controller 25 can be designed to control the handling device 14 and/or the measuring device 11 and/or to carry out a measurement with the measuring device 11.
  • the measuring device 11 is provided on a handling device 14.
  • the measuring device 11 can be positioned relative to the measurement object 12 by the handling device 14. In individual applications, it can be provided that the measuring device 11 is positioned stationary and the measurement object 12 is moved relative to the measuring device 11. Applications are also possible in which a relative positioning of the measuring device 11 and the measuring object 12 takes place, ie that the measuring device 11 and the Measuring object 12 change simultaneously or alternately in distance and/or angle.
  • the measuring device 11 comprises a THz device 16, which has a transmitter 17 for emitting a transmission radiation 18, a receiver 19 for receiving a reception radiation 20.
  • a transceiver 35 is provided, whereby the transmission and reception radiation 18, 20 are coaxial with each other.
  • the measuring device 11 is arranged on the handling device 14 via a connection point 13.
  • the handling device 14 comprises, in particular, an external nominal operating point 22 starting from the connection point 13, which is also referred to as a tool center point (TCP).
  • TCP tool center point
  • FIG. 2 shows a schematic view of a structure for an embodiment of the measuring device 11.
  • the THz radiation is deflected at a coupling element 23 and directed onto a reflective element 24.
  • the coupling element 23 and the reflective element 24 have a common beam axis 48.
  • An optical element 26 can be provided in between in order to direct the THz radiation, preferably in a focused manner, onto the reflective element 24.
  • the THz radiation is deflected at the reflective element 24 and fed to an optical device 28, wherein the optical device 28 focuses the THz radiation onto a focal point 30.
  • This focal point 30 is a so-called object-side focal point, which lies in an object plane 38.
  • This object-side focal point 30 is preferably located on or in the measuring object 12 or in the object plane 38 of the measuring object 12 in a measuring position of the measuring device 11 to the measuring object 12.
  • the measuring device 11 may further comprise a detection device 32, by means of which the measurement object 12 or the object-side focal point 30 of the transmitted and received radiation 18, 20 on the measurement object 12 can be detected.
  • a separate, preferably optical sensor 34 can be provided on or in a housing 15 of the measuring device 11.
  • This sensor 34 works with radiation in the visible range or near-infrared range.
  • This sensor 34 can be used to detect a distance between the measuring device 11 and the measurement object 12.
  • This sensor 34 can advantageously be aligned with the transmitting and receiving radiation 18, 20 of the THz device 16 such that the radiation of the optical sensor 34 is aligned coaxially with the transmitting and receiving radiation 18, 20 of the THz device 16.
  • the optical device 28 comprises a first and a second optical element 36, 37.
  • the optical device 28 is preferably designed as an imaging optical device 28.
  • these can be designed as parabolic mirrors.
  • the focal length of the optical elements 36, 37 advantageously differs from one another, with the focal length fi of the optical element 36 being smaller than the focal length f2 of the optical element 37.
  • the larger focal length of the second optical element 37 compared to the first optical element 36 can in particular enable a greater depth of field and thus a reduction in distance sensitivity.
  • At least the second optical element 37 can be moved along an optical axis 42 to adjust the focus position.
  • the object-side focus point 30 as well as a conjugated focus point 44 are located in an image plane.
  • the main beam 51 of the transmitting and receiving radiation 18, 20 is located in the optical axis 42.
  • a rotation axis 46 of the reflecting element 24 is preferably located in the conjugated focus point 44.
  • the rotation axis 46 can be a Form a rotation center 45 of the reflective element 24 so that the transmitting and receiving radiation rotates around the object-side focal point 30.
  • At least one angle adjustment element 24 a, 24 b is provided for setting and changing the angular position of the reflective element 24.
  • the angle adjustment element 24 a can, for example, control the reflective element 24 so that it can rotate about the rotation axis 46, preferably about a first spatial direction.
  • the angle adjustment element 24 b can, for example, control the reflective element 24 to rotate about a further rotation axis 47, preferably about a further or second spatial direction.
  • the further rotation axis 47 is preferably aligned perpendicular to the rotation axis 46, for example the X-axis.
  • the further rotation axis 47 can also form the center of rotation 45 of the reflective element 24.
  • Both rotation axes 46 and 47 preferably intersect in the optical axis 48, so that the center of rotation 45 is preferably located at the intersection point of the axes.
  • the optical axis 48 is located.
  • the rotation axis 46 is located in a Y axis.
  • the further rotation axis 47 is located in an X axis.
  • the reflective element 24 can be changed in at least one spatial direction, preferably in two spatial directions, preferably by means of the at least one angle adjustment element 24 a, 24 b.
  • FIG 3 shows an alternative embodiment of the measuring device 11 to Figure 2.
  • the optical device 28 comprises only one optical element 36.
  • the reflective element 24 is assigned to the one optical element 36. This reflective element 24 corresponds to the reflective element 24 according to Figure 2.
  • a further reflecting element 54 is positioned at a distance from the reflecting element 24.
  • This further reflecting element 54 can be changed in at least one spatial direction, preferably in two spatial directions, preferably by the at least one angle adjustment element 24 a, 24 b, wherein the at least one axis of rotation 46, 47, preferably both axes of rotation, of the further reflecting element 54 are parallel to the axes of rotation 46, 47 of the reflecting element 24.
  • the further reflecting element 54 can correspond to one of the embodiments of the reflecting element 24.
  • the main beam (central beam) 51 of the transmitting and receiving radiation 18, 20 lies in the optical axis 42.
  • only an associated edge beam 52 is shown with a solid line.
  • the measuring surface 38 is aligned perpendicular to the optical axis 42 or the main ray 51.
  • the measuring surface is tilted relative to the measuring device 11, a tilted object plane 39 is present.
  • the reflecting elements 24, 54 are controlled so that the optical axis 42 of the transmitting and receiving radiation 18, 20 is perpendicular to the tilted surface 39.
  • the main ray (central ray) 51' is shown with dashed lines to the aligned elements 24, 54 (also with dashed lines).
  • the at least one angle adjustment element 24 a, 24 b of the reflective element 24 and/or the further reflective element 54 can be the same in design and/or in the control of the reflective element 24 and the further reflective element 54.
  • only one angle adjusting element 24 a can control the angular position of the reflective element 24 and the other angle adjusting element 24 b can control the further reflective element 54 in the angular position.
  • An object-side focal point 30 of the transmitting and receiving radiation 18, 20 coincides with the center of rotation 21 of the transmitting and receiving radiation 18, 20.
  • the external nominal operating point 22 of the connection point 19 or of the handling device 14 corresponds to the object-side focus point 30 of the measuring device 11, or the object-side focus point 30 of the measuring device 11 is aligned with the nominal operating point 22 or adjustable thereto, so that a simple positioning of the measuring device 11 to the measuring object 12 with the handling device 14 can be made possible.
  • Figure 4 below shows a preferred procedure for positioning the measuring device 11 relative to the measuring object 12.
  • the measuring device 11 is moved with the handling device 14 in the direction of a measuring point on the measuring object 12, i.e. in the direction of a target position (nominal position). This The measuring point of the measuring object 12 has previously been determined or taught in the control of the handling device 14.
  • a distance to the measuring object 12 can preferably be detected for the relative positioning of the measuring device 11 to the measuring object 12 and then, after a defined distance has been reached, a defined angle of the transmitting and receiving radiation 18, 20 of the THz device 16 to the measuring object 12 can be controlled, or for the relative positioning of the transmitting and receiving radiation 18, 20 of the THz device 16 to the measuring object 12, an angle can first be detected and then, after a defined angle has been reached, a defined distance between the measuring device 11 and the measuring object 12 can be controlled.
  • a relative distance of the measuring device 11 and an angle of the transmitting and receiving radiation 18, 20 of the THz device 16 to the measuring object 12 can be controlled simultaneously or alternately during the movement of the handling device 14 and/or the measuring object 12. After reaching a predetermined distance, which is either detected by the separate, preferably optical, sensor 34 or determined via the controller 25 of the handling device 14, a reduction in the speed of the travel movement to approach the measuring device 11 into the measuring position to the measurement object 12 follows according to step 62.
  • a change in distance and/or angle can be determined by the separate, preferably optical, sensor 34 and/or by the determined properties of the transmit and receive radiation 18, 20 of the THz device 16, wherein an ID scan or 2D scan of the surface of the measurement object (12) can be carried out by the THz device 16.
  • At least one distance measurement and/or angle measurement can be carried out to determine the actual relative position of the measuring device 11 to the measuring object 12, whereby either a) repositioning takes place if the detected distance exceeds a defined value, or b) a comparison of stored reference spectra of the measuring object 12 in the control to the actually recorded distance of the measuring device 11 to the measuring object 12, provided that the recorded distance is less than the defined value.
  • a software correction is carried out, i.e. the measuring device 11 does not have to be moved.
  • an angle measurement is carried out in order to determine the alignment of the transmit and receive radiation 18, 20 of the THz device 16 to the measurement object 12. Based on this angle measurement, correction values are determined in order to align the transmit and receive radiation 18, 20 with the at least one reflective element 24, 54 with respect to its angular position in a preferably orthogonal position to the measurement object 12.
  • the control of the at least one optical reflective element 24, 54 can be sufficient to carry out the angle correction.
  • a correction value for the alignment of the reflective element 24, 54 can be controlled, so that a tilted arrangement of the measurement object 12 or a tilted surface of the measurement object 12 to the geometric axis 42 of the optical device 28 is compensated.
  • a THz signal is evaluated. Additionally and/or alternatively, an angle measurement can also be carried out by the at least one optical sensor 34.
  • the measurement on the measurement object 12 can be carried out by the THz device 16 according to step 65.

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Abstract

Messvorrichtung sowie Positioniervorrichtung und Verfahren zum relativen Positionieren der Messvorrichtung mit einer THz- Vorrichtung Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (11) sowie eine Positionier- vorrichtung (50) und ein Verfahren zum relativen Positionieren der Messvorrichtung (11) mit einer THz-Vorrichtung (16), wobei ein Sender (17) zum Ausgeben einer Sendestrahlung (18) und ein Empfänger (19) zum Erfassen einer Empfangsstrahlung (20), welche beide einen objektseitigen Fokuspunkt (30) aufweisen, vorgesehen sind, wobei zumindest ein reflektierendes Element (24, 54) mit zumindest einem Winkelstellelement (24 a, 24 b) in der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) vorge- sehen ist und das zumindest eine Winkelstellelement (24 a, 24 b) für eine Änderung einer Winkelstellung des reflektierenden Elementes (24, 54) in zumindest einer Raumrichtung durch eine Steuerung (25) ansteuerbar ist und der objektseitige Fokuspunkt (30) der Sende- und Emp- fangsstrahlung (18, 20) und wenigstens ein Drehzentrum (21) der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) übereinstimmen.

Description

Messvorrichtung sowie Positioniervorrichtung und Verfahren zum relativen Positionieren der Messvorrichtung mit einer THz-Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung mit einer THz-Vorrichtung zum Senden und Empfangen von THz-Strahlung zur Durchführung einer Messung an einem Objekt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Positioniervorrichtung und ein Verfahren zum relativen Positionieren der Messvorrichtung mit einer THz-Vorrichtung zur Durchführung der Messung an einem Messobjekt.
Aus der DE 10 2018 126 652 Al ist ein Verfahren und ein System zum Ausrichten eines THz-Sensors auf eine Zielfläche eines Gegenstandes offenbart. Diese Zielfläche kann beispielsweise eine Lackschicht eines Fahrzeuges sein, um durch einen Sensor-Messkopf eines THz-Sensorsys- tems beispielsweise die Dicke von einer oder mehreren Farbschichten auf einer Fahrzeugkarosserie zu erfassen. Der THz-Sensor wird mit einer Handhabungseinrichtung zu der Zielfläche positioniert. Zum Ausrichten des Sensor-Messkopfes zur Zielfläche wird zunächst eine geschätzte Normale des Sensor-Messkopfes in Bezug auf die Zielfläche bestimmt. Darauffolgend wird der ausgewählte Bereich der Zielfläche mit einem Strahlenbündel gescannt, um eine optimale Normale basierend auf einer maximalen Spitzenamplitude zu identifizieren. Anschließend erfolgt ein Ausrichten des Sensor-Messkopfes relativ zu der Zielfläche des Gegenstandes basierend auf der optimalen Normalen nach deren Ermittlung, um die Messung an dem Gegenstand durchzuführen.
Aus der US 2008/0251 720 Al ist ein Bilderfassungsgerät bekannt, bei welchem eine THz-Strahlung auf einen Umlenkspiegel gerichtet wird um die Strahlung auf ein Messobjekt zu richten. Der Umlenkspiegel wird um eine Achse rotiert, sodass ein seitlicher Scan von der Oberfläche des Messobjektes ermöglicht wird. Eine analoge Vorrichtung ist aus der US 2021/0389238 Al bekannt. Aus der US 2018/03476 963 Al ist ein Verfahren zur Messung von Schichtdicken mit einer THz-Vorrichtung zum Senden und Empfangen von THz-Strahlung bekannt. Dabei ist vorgesehen, dass für die Schichtdickenmessung eine Verfahrbewegung zur Erzielung von verschiedenen optischen Achsen zwischen THz-Vorrichtung und Messobjekt angesteuert wird.
Aus der DE 10 2013 223 945 Al ist eine Messvorrichtung zur Vermessung eines Prüfobjektes, insbesondere eine vollumfängliche Vermessung von als Kunststoffrohren mit kreisförmigen Querschnitten ausgebildeten Prüfobjekten, bekannt. Hierzu umfasst die Messvorrichtung eine Sender- Empfänger-Einheit sowie eine Spiegel-Anordnung mit einem ersten Spiegel und einem zweiten Spiegel. Die an dem Messobjekt reflektierte Strahlung wird mittels einer Steuereinheit ausgewertet.
Aus der WO 2020/239694 Al ist ein Verfahren zur Durchführung einer Schichtdickenmessung mit einer THz-Vorrichtung zum Senden und Empfangen von THz-Strahlung bekannt, wobei die Messvorrichtung einen Sensor zur Abstandsmessung und einen weiteren Sensor zur Winkelmessung umfasst und die erfassten Parameter der beiden Sensoren bei der Auswertung der Empfangsstrahlung berücksichtigt werden.
Aus der US 2015/0212060 Al ist ein Erfassungssystem zur Charakterisierung einer Beschichtung, wie beispielsweise eine Lackschicht mittels THz-Strahlung, bekannt. An einer Handhabungseinrichtung ist eine THz- Vorrichtung zum Senden und Empfangen von THz-Strahlung vorgesehen. Die THz-Vorrichtung wird zur Erfassung der Schichtdicke durch die Handhabungseinrichtung zu der Oberfläche des Messobjektes ausgerichtet und entlang der Messoberfläche verfahren.
Aus der WO 2022/135763 Al ist ein Verfahren zur Erfassung von Schichten auf einem Messobjekt bekannt, welche eine THz-Vorrichtung zum Senden und Empfangen von THz-Strahlung zur Durchführung einer Messung, insbesondere Schichtdickenmessung, an einem Messobjekt um- fasst. Die erfasste Empfangsstrahlung wird mit abgespeicherten Referenzdaten verglichen, um eine schnelle Auswertung und Ausgabe der erfassten Empfangsstrahlung zu ermöglichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung sowie eine Positioniervorrichtung und ein Verfahren zum relativen Positionieren der Messvorrichtung mit einer THz-Vorrichtung zum Senden und Empfangen von THz-Strahlung zur Durchführung einer Messung an einem Messobjekt vorzuschlagen, wodurch eine Taktzeit zur Positionierung der THz-Vorrichtung zu einem Messobjekt zur Durchführung einer Messung verringert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Messvorrichtung mit einer THz-Vorrich- tung zum Senden und Empfangen von THz-Strahlung zur Durchführung einer Messung, insbesondere Schichtdickenmessung an einem Messobjekt gelöst, bei welchem die Sende- und Empfangsstrahlung koaxial ausgerichtet zueinander sind, bei welchem zumindest ein reflektierendes Element mit zumindest einem Winkelstellelement in der Sende- und Empfangsstrahlung vorgesehen ist, wobei das zumindest eine Winkelelement, welches für eine Änderung in einer Winkelstellung des zumindest einen reflektierten Elements in zumindest einer Raumrichtung durch eine Steuerung ansteuerbar ist und bei welchem der objektseitige Fokuspunkt der Sende- und Empfangsstrahlung und wenigstens ein Drehzentrum, vorzugsweise alle Drehzentren, der Sende- und Empfangsstrahlung übereinstimmen. Diese Ausgestaltung der Messvorrichtung ermöglicht eine schnelle Ausrichtung der Sende- und Empfangsstrahlung der THz- Vorrichtung zur Korrektur einer Winkeltoleranz, insbesondere nach dem Positionieren der Messvorrichtung in einem Abstand zum Messobjekt. Darüber hinaus wird durch die Übereinstimmung des wenigstens einen Drehzentrums der Sende- und Empfangsstrahlung mit dem objektseitigen Fokuspunkt der Sende- und Empfangsstrahlung bei einer Änderung einer Winkelstellung des zumindest einen reflektierenden Elementes eine abstandsunabhängige Korrektur ermöglicht. Dadurch kann die Taktzeit zur Positionierung und exakten Ausrichtung der THz-Vorrichtung zum Messobjekt reduziert und eine präzise Messung am Messobjekt durchgeführt werden.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass zwischen dem einen reflektierenden Element und dem objektseitigen Fokuspunkt der Sende- und Empfangsstrahlung zumindest eine optische Einrichtung vorgesehen ist und das Drehzentrum des reflektierenden Elementes in einem konjugierten Fokuspunkt in Bezug auf eine Objektebene der optischen Einrichtung liegt, in welcher der objektseitige Fokuspunkt liegt. Bei der optischen Einrichtung ist bevorzugt eine abbildende optische Einrichtung vorgesehen, um Sende- und Empfangsstrahlung auf das Drehzentrum auszurichten. Zur Korrektur einer Winkellage bei einer verkippten Objektebene des Messobjektes ist das Drehzentrum des zumindest einen reflektierenden Elementes vorzugsweise als eine Rotationsachse des reflektierenden Elementes ausgebildet. Durch die Ansteuerung einer Drehbewegung um die zumindest eine Rotationsachse ist somit in einfacher und schneller Weise eine Korrektur von möglichen Winkeltoleranzen ermöglicht. Dabei werden relative Winkelbewegungen der Sende- und Empfangsstrahlung zum Messobjekt so ausgeführt, sodass ein Drehzentrum der Sende- und Empfangsstrahlung in dem objektseitigen Fokuspunkt liegt.
Durch die optische Einrichtung der Sende- und Empfangsstrahlung liegt bevorzugt der objektseitige Fokuspunkt auf einer Objektebene des Messobjektes und der konjugierte bildseitige Fokuspunkt von der Sende- und Empfangsstrahlung auf dem zumindest einen reflektierenden Element. Dadurch kann eine schnelle Korrektur von erfassten Winkelabweichungen als auch eine verbesserte Auswertung der Empfangsstrahlung zur Winkelkorrektur ermöglicht sein.
Die optische Einrichtung kann zumindest ein optisches Element umfassen, wie beispielsweise eine sphärische Linse, ein Parabolspiegel oder eine asphärische Linse. Dadurch ist ein konstruktiv einfacher Aufbau ermöglicht. Zwischen der THz-Vorrichtung und der optischen Einrichtung, welche gemäß einer ersten Ausführungsform nur ein optisches Element umfasst, sind bevorzugt zwei zueinander ausgerichtete reflektierende Elemente vorgesehen, wobei das zumindest eine der zwei reflektierenden Elemente, welches dem optischen Element zugeordnet ist, in zumindest eine, bevorzugt in zwei Raumrichtungen, verstellbar ist. Beispielsweise ist das zumindest eine reflektierende Element als ein Kippspiegel mit einer oder zwei Rotationsachsen zur Veränderung der Winkelposition ausgebildet sein. Bei einer solchen Ausführungsform ist bevorzugt als optisches Element ein Parabolspiegel im kollimierten Strahlengang vorgesehen.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die optische Einrichtung zu deren optischer Achse zwei zueinander ausgerichtete optische Elemente umfasst, die zwischen dem einen reflektierenden Element und dem objektseitigen Fokuspunkt angeordnet sind. Diese Anordnung kann ermöglichen, dass die Messvorrichtung eine geringe Abstandsabhängigkeit im Hinblick auf die Positionierung zum Messobjekt aufweist.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die optische Einrichtung mit zwei optischen Elementen ein erstes, dem einen reflektierenden Element zugeordnetes optisches Element mit einer Brennweite fi und ein zweites, dem objektseitigen Fokuspunkt zugeordnetes optisches Element mit einer Brennweite f2 umfasst, wobei die Brennweite f2 > fi ist. Durch diese Anordnung wird ermöglicht, dass in Richtung auf den objektseitigen Fokuspunkt ein größerer bzw. längerer Fokus erzielt wird, wodurch eine Abstandsempfindlichkeit der konvergierten Strahlung reduziert werden kann.
Vorteilhafterweise ist die optische Einrichtung auf eine hohe Abstandstoleranz ausgelegt und umfasst insbesondere eine langbrennweitige Optik mit einer Rayleigh-Länge von der Sende- und Empfangsstrahlung, welche bevorzugt größer 6 mm und insbesondere größer 10 mm bei einer Frequenz von 1 THz aufweist. Vorteilhafterweise kann die Abstandstoleranz durch eine softwareseitige zusätzliche Korrektur erhöht sein. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass eine Abstands- und/oder Winkelmessung zwischen der Messvorrichtung und dem Messobjekt mittels der THz-Strahlung durch Erfassung von THz-Impulsen vorgesehen ist. Beispielsweise kann bei Annäherung der Messvorrichtung an das Messobjekt die Sende- und Empfangsstrahlung der THz-Vorrichtung zur Abstandsmessung eingesetzt werden. Überlagert oder gleichzeitig kann eine Winkelmessung erfolgen, wodurch eine Reduzierung der Zeitdauer für eine exakte Ausrichtung der Messvorrichtung zum Messobjekt ermöglicht wird. Vorteilhafterweise kann während der Abstands- und/oder Winkelmessung eine Änderung der Winkelstellung des wenigstens einen reflektierenden Elementes der optischen Einrichtung ansteuerbar sein, wodurch eine schnelle Korrektur bei Abstands- und/oder Winkeltoleranzen außerhalb des Toleranzbereiches ermöglicht wird.
Bevorzugt ist mindestens ein separater Sensor zur Abstands- und/oder Winkelmessung zwischen der Messvorrichtung und dem Messobjekt an oder in der Messvorrichtung vorgesehen. Dieser separate Sensor kann insbesondere bei einer ersten Annäherung der Messvorrichtung an das Messobjekt zum Einsatz kommen.
Vorteilhafterweise ist der Sensor als ein optischer Sensor ausgebildet. Vorteilhafterweise kann der zumindest eine separate optische Sensor mit einer Strahlung im sichtbaren Bereich oder nahen Infra rotbereich arbeiten. Dies ermöglicht auch, dass die Messfläche des Messobjektes erfasst und überwacht werden kann. Vorteilhafterweise ist dadurch ermöglicht, dass bei einem noch größeren Abstand der Messvorrichtung zum Messobjekt Abstands- und/oder Winkelmessungen durch den optischen Sensor erfasst werden und darauffolgend die Abstands- und/oder Winkelmessung über eine genaue Messung mittels THz-Strahlung in einem kleineren Messbereich durchgeführt werden kann. Durch diese Überlagerung der beiden Abstands- und/oder Winkelmessungen kann eine weitere Taktzeitoptimierung ermöglicht sein. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Sende- und/oder Empfangsstrahlung des zumindest einen separaten Sensors koaxial zur Sende- und Empfangsstrahlung der THz-Vorrichtung ausgerichtet ist. Insbesondere kann der separate optische Sensor zwischen der THz-Vorrichtung und dem zumindest einen reflektierenden Element mit der THz-Strah- lung der THz-Vorrichtung überlagert sein. Dadurch ist gleichzeitig auch ein Abscannen der Oberfläche des Messobjektes ermöglicht.
Vorteilhafterweise ist zur koaxialen Überlagerung der Sende- und/oder Empfangsstrahlung des separaten Sensors mit der Sende- und Empfangsstrahlung der THz-Vorrichtung ein optisches Einkoppelelement vorgesehen, welches als Reflektionselement für die Sende- und Empfangsstrahlung der THz-Vorrichtung ausgebildet ist. Dieses Einkoppelelement kann auch das erste reflektierende Element sein. Dies ermöglicht eine kompakte Anordnung. Ein solches Einkoppelelement kann beispielsweise als ein Glaselement mit einer Indium-Zinnoxid-Beschichtung ausgebildet sein. Alternativ kann auch eine Membran mit einer solchen Doppelfunktion eingesetzt werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird des Weiteren durch eine Positioniervorrichtung zum relativen Positionieren einer Messvorrichtung mit einer THz-Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen von THz-Strahlung relativ zu einem Messobjekt zur Durchführung einer Messung an dem Messobjekt gelöst, welche eine Handhabungseinrichtung mit einer Anschlussschnittstelle aufweist, wobei die Anschlussschnittstelle einem externen nominalen Arbeitspunkt zugeordnet ist, wobei an der Anschlussschnittstelle der Handhabungseinrichtung eine Messvorrichtung nach einer der vorbeschriebenen Ausführungsformen vorgesehen ist und der objektseitige Fokuspunkt der Sende- und Empfangsstrahlung und wenigstens ein Drehzentrum der Sende- und Empfangsstrahlung der THz-Vorrichtung, vorzugsweise alle Drehzentren, übereinstimmt und vorteilhafterweise mit dem externen nominellen Arbeitspunkt der Handhabungseinrichtung übereinstimmt und durch die Handhabungseinrichtung der Messvorrichtung zu dem Messobjekt positi- onierbar ist, so dass der objektseitige Fokuspunkt der Sende- und Empfangsstrahlung in einer definierten Position zum Messobjekt ausgerichtet ist. Unter der definierten Position zum Messobjekt wird bevorzugt verstanden, dass ein objektseitiger Fokuspunkt der Sende- und Empfangsstrahlung zu einem Messpunkt an, in oder auf dem Messobjekt ausgerichtet ist, insbesondere, dass der objektseitige Fokuspunkt der Messvorrichtung auf der Messoberfläche des Messobjektes oder in einer bestimmten Schicht des Messobjektes liegt. Dies steht in Abhängigkeit der Messaufgabe. Beispielsweise bei einer Schichtdickenmessung kann der objektseitige Fokuspunkt auf der Messoberfläche des Messobjektes oder auf dem Grundkörper des Messobjektes, auf welchem zumindest eine Schicht, insbesondere Lackschicht aufgebracht ist, als definierte Position zum Messobjekt verstanden werden.
Der externe nominelle Arbeitspunkt der Handhabungseinrichtung, welcher der Anschlussstelle zugeordnet ist, wird durch ein Koordinatensystem der Handhabungseinrichtung gebildet, wobei dieser externe nominelle Arbeitspunkt vorzugsweise ein sogenannter Tool-Center-Point (TCP) ist. Die Handhabungseinrichtung kann über ein eigenes Werkzeugkoordinatensystem verfügen und in diesem ist zur einfachen Steuerung der TCP zugrunde gelegt. Dadurch können kurze Zykluszeiten zum relativen Positionieren der Messvorrichtung und des Messobjektes zueinander sowie ein Abscannen oder ein relatives Verfahren von Messvorrichtung und zum Messobjekt zur Durchführung einer Messung an mehreren Messpunkten ermöglicht sein.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird des Weiteren durch ein Verfahren zum relativen Positionieren einer Sende- und Empfangsstrahlung einer THz-Vorrichtung zu einem Messobjekt zur Durchführung einer Messung an dem Messobjekt gelöst, wobei eine Messvorrichtung nach einem der vorbeschriebenen Ausführungsformen mit einer Handhabungseinrichtung relativ zu dem Messobjekt ausgerichtet wird und der objektseitige Fokuspunkt der Sende- und Empfangsstrahlung relativ zum Messobjekt positioniert wird und wobei durch das zumindest eine Winkelstellelement an dem zumindest einen reflektierenden Element in der Sende- und Empfangsstrahlung der THz-Vorrichtung die Einstellung eines bevorzugten orthogonalen Winkels der Sende- und Empfangsstrahlung zum Messobjekt, insbesondere zur Objektebene oder Messoberfläche des Messobjektes, angesteuert wird. Dieses Verfahren ermöglicht das Überführen der Messvorrichtung relativ zum Messobjekt in eine Beobachtungsposition, um darauffolgend eine Abstands- und/oder Winkelmessung der Sende- und Empfangsstrahlung der THz-Vorrichtung oder dem separaten bevorzugt optische Sensor zum Messobjekt durchzuführen und durch das zumindest eine Winkelstellelement des zumindest einen reflektierenden Elements in der Sende- und Empfangsstrahlung ein gesteuertes oder geregeltes Korrigieren für die relative Positionierung der Messvorrichtung zum Messobjekt durchzuführen, bis insbesondere vorgegebene Toleranzen bezüglich des Abstandes und des Winkels zwischen der Messvorrichtung bzw. dem objektseitigen Fokuspunkt der Sende- und Empfangsstrahlung der THz-Vorrichtung und dem Messobjekt erreicht werden.
Das relative Positionieren der Messvorrichtung zum Messobjekt wird vorteilhafterweise durch eine externe Steuerung, insbesondere durch eine Steuerung der Handhabungseinrichtung angesteuert, wobei der objektseitige Fokuspunkt der Sende- und Empfangsstrahlung und der externe nominale Arbeitspunkt der Handhabungseinrichtung übereinstimmen bzw. durch die Steuerung in Übereinstimmung gebracht werden, in dem die Punkte in Deckung zueinander gebracht werden. Dadurch erfolgt quasi eine Drehbewegung der Messvorrichtung, insbesondere des zumindest einen reflektierenden Elementes um den nominellen Arbeitspunkt, wodurch in einfacher Weise eine Winkelkorrektur ermöglicht ist, ohne dass dabei eine Abstandsveränderung einhergeht.
Zur relativen Positionierung der Messvorrichtung zu dem Messobjekt kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zunächst ein Abstand der Messvorrichtung zum Messobjekt erfasst. Für den einen Fall, dass der erfasste Abstand einen vordefinierten Wert überschreitet, erfolgt eine Nachpositionierung. Für den anderen Fall, dass der erfasste Abstand einen vordefinierten Wert unterschreitet, erfolgt ein Abgleich von abgespeicherten Referenzspektren des Messobjektes in der Steuerung auf den tatsächlich erfassten Abstand. Darauffolgend werden nach der Einnahme eines definierten oder vorbestimmten Abstandes eine Winkeländerung des wenigsten einen reflektierenden Elementes und/oder der Messvorrichtung zum Messobjekt angesteuert, bis ein vorbestimmter Winkel der Sende- und Empfangsstrahlung zum Messobjekt eingenommen wird. Dieser vorbestimmte Abstand des objektseitigen Fokuspunktes der Sende- und Empfangsstrahlung und die vorbestimmte Winkelposition der Messvorrichtung zum Messobjekt entspricht einer Sollposition der THz-Vorrichtung zum Messobjekt. In dieser Sollposition ist eine Sende- und Empfangsstrahlung der THz-Vorrichtung bevorzugt orthogonal zum Messobjekt, insbesondere einer Objektebene des Messobjektes ausgerichtet. Dadurch kann eine erhöhte Messqualität bei vorzugsweise ein Leistungsabfall von weniger als 10 % bei 4 THz nicht überschritten werden.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die relative Positionierung der Messvorrichtung zum Messobjekt zunächst durch eine Erfassung eines Winkels des reflektierenden Elementes zum Messobjekt erfolgt und nach der Einnahme eines definierten Winkels des reflektierenden Elements darauffolgend ein definierter Abstand des objektseitigen Fokuspunktes der Sende- und Empfangsstrahlung zwischen der Messvorrichtung und dem Messobjekt angefahren oder angesteuert wird.
Auch kann vorgesehen sein, dass gleichzeitig oder abwechselnd aufeinanderfolgend ein Abstand des objektseitigen Fokuspunktes der Sende- und Empfangsstrahlung und ein Winkel des zumindest einen reflektierenden Elementes der Messvorrichtung zum Messobjekt während der Verfahrbewegung der Handhabungseinrichtung und/oder des Messobjektes angesteuert wird.
Bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen kann zusätzlich oder gleichzeitig eine Winkeländerung der Sende- und Empfangsstrahlung zum Messobjekt mit dem zumindest einen Winkelstellelement des zu- mindest einen reflektierenden Elementes eingestellt werden, wobei bevorzugt eine orthogonale Ausrichtung der Sende- und Empfangsstrahlung zum Messobjekt eingestellt wird. Bei der Einstellung eines relativen Abstandes und/oder eines relativen Winkels wird der Abstand und/oder der Winkel zwischen der Messvorrichtung und dem Messobjekt verstanden, wobei sowohl die Messvorrichtung zum Messobjekt als auch das Messobjekt zur Messvorrichtung oder beide gleichzeitig relativ zueinander bewegt und/oder in deren Position verändert werden können.
Die Abstands- und/oder Winkeländerung zur Positionierung der Messvorrichtung zum Messobjekt kann beispielsweise durch zumindest einen separaten, bevorzugt optischen, Sensor erfasst werden. Alternativ kann diese Abstands- und/oder Winkeländerung auf THz-Messsignalen der THz-Strahlung basierend erfasst werden. Auch eine Kombination ist möglich. Zur Optimierung der relativen Positionierung von Messvorrichtung zum Messobjekt können während der Abstands- und/oder Winkelmessung das wenigstens einen reflektierenden Elements Veränderungen in der Winkelstellung des reflektierenden Elements durch die Steuerung angesteuert werden. Dadurch kann eine Optimierung der relativen Positionierung der Messvorrichtung bzw. der Sende- und Empfangsstrahlung der THz-Vorrichtung zum Messobjekt ermöglicht sein.
Einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens liegen folgende aufeinanderfolgende Schritte zugrunde:
Ein relatives Positionieren des objektseitigen Fokuspunktes der Sende- und Empfangsstrahlung zum Messobjekt erfolgt durch Ansteuerung der Handhabungseinrichtung auf der in der Steuerung hinterlegten Sollposition des Messobjektes. Daraufhin erfolgt die Durchführung von zumindest einer Abstandsmessung und/oder Winkelmessung zur Ermittlung der tatsächlichen relativen Position der Messvorrichtung zu dem Messobjekt. Bei einem angefahrenen Abstand und/oder Winkel, der außerhalb eines Toleranzbereiches liegt, erfolgt ein Nachfahren bzw. Nachpositionieren zur Korrektur des Abstandes und/oder des Winkels. Anschließend wird ein Abgleich von gespeicherten Referenzspektren des Messobjektes in der Steuerung auf den tatsächlich erfassten Abstand des objektseitigen Fokuspunktes der Sende- und Empfangsstrahlen zu dem Messobjekt durchgeführt, insbesondere nach der Einnahme der Endposition des Abstandes zwischen dem Messobjekt und der Messvorrichtung. Im anderen Fall, bei dem der definierte Abstand bereits unterschritten ist, erfolgt ein Abgleich mit den abgespeicherten Referenzspektren des Messobjektes. Im Anschluss erfolgt eine Durchführung von zumindest zwei Messungen mittels THz-Strahlung bei voneinander abweichenden Winkelstellungen des zumindest einen reflektierenden Elementes. Daraus wird zumindest ein Korrekturwert für die Ansteuerung des zumindest einen reflektierenden Elementes und eine Verfahrbewegung des zumindest einen reflektierenden Elements um den Korrekturwert in eine Sollposition angesteuert, wobei in der Sollposition die Sende- und Empfangsstrahlung bevorzugt orthogonal zu dem Messobjekt ausgerichtet ist. Darauffolgend kann die Durchführung von Messungen mittels der THz-Vorrichtung gestartet und durchgeführt werden. Bevorzugt wird eine Schichtdickenmessung beispielsweise von Lackschichten auf einer Fahrzeugkarosserie durchgeführt.
Während dem Positionieren der Messvorrichtung zum Messobjekt kann eine Abstandsmessung durch den zumindest einen separaten bevorzugt optischen Sensor und/oder durch THz-Strahlung der THz-Vorrichtung durchgeführt werden und die Messvorrichtung zur Einnahme geregelt angefahren werden, wobei insbesondere während der Abstandsmessung zum objektseitigen Fokuspunkt eine Änderung in der Winkelstellung des wenigstens einen reflektierenden Elementes angesteuert wird. Durch diesen separaten optischen Sensor wird bevorzugt zur Abstands- und/oder Winkelkorrektur eine Multipunkttriangulation durchgeführt. Bevorzugt wird dafür eine strukturierte oder abtastende Beleuchtung im sichtbaren Bereich oder nahinfrarotem Bereich verwendet. Sobald ein Abstand des Messobjektes zur Messvorrichtung eingenommen wird, bei welchem von der THz-Strahlung ein THz-Impuls von dem Messobjekt de- tektiert wird, kann eine weitere Abstands- und/oder Winkel korrektur THz-Signal-basierend optimiert werden. Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Positioniervorrichtung mit einer Messvorrichtung ausgerichtet zu einem Messobjekt,
Figur 2 eine schematische Ansicht für einen Aufbau der Messvorrichtung,
Figur 3 eine schematische Ansicht eines alternativen Aufbaus der Messvorrichtung zur Figur 2, und
Figur 4 ein schematischer Ablauf von Schritten zum relativen Positionieren der Messvorrichtung und des Messobjektes zueinander.
In Figur 1 ist eine schematische Ansicht einer Messvorrichtung 11 in einer Messposition zur Durchführung einer Messung an einem Messobjekt 12 dargestellt. Eine Positioniervorrichtung 50 umfasst zumindest eine Handhabungseinrichtung 14, wie beispielsweise ein Mehrachsen-Roboter. Des Weiteren ist eine Steuerung 25 vorgesehen, welche einen Teil der Positioniervorrichtung 50 sein kann. Die Steuerung 25 kann zur Ansteuerung der Handhabungseinrichtung 14 und/oder der Messvorrichtung 11 und/oder zur Durchführung einer Messung mit der Messvorrichtung 11 ausgebildet sein. Die Messvorrichtung 11 ist an einer Handhabungseinrichtung 14 vorgesehen. Durch die Handhabungseinrichtung 14 kann die Messvorrichtung 11 relativ zum Messobjekt 12 positioniert werden. In einzelnen Anwendungsfällen kann vorgesehen sein, dass die Messvorrichtung 11 stationär positioniert ist und das Messobjekt 12 relativ zur Messvorrichtung 11 bewegt wird. Auch sind Anwendungen möglich, bei welchem ein relatives Positionieren der Messvorrichtung 11 und des Messobjektes 12 erfolgt, d.h., dass die Messvorrichtung 11 und das Messobjekt 12 sich gleichzeitig oder wechselnd zueinander im Abstand und/oder Winkel verändern.
Die Messvorrichtung 11 umfasst eine THz-Vorrichtung 16, welche einen Sender 17 zum Ausgeben einer Sendestrahlung 18, einen Empfänger 19 zum Empfangen einer Empfangsstrahlung 20 aufweist. Bevorzugt ist ein Transceiver 35 vorgesehen, wodurch die Sende- und Empfangsstrahlung 18, 20 koaxial zueinander sind.
Die Messvorrichtung 11 ist über eine Anschlussstelle 13 an der Handhabungseinrichtung 14 angeordnet. Die Handhabungseinrichtung 14 umfasst insbesondere ausgehend von der Anschlussstelle 13 einen externen nominellen Arbeitspunkt 22, der auch als Tool-Center-Point (TCP) bezeichnet wird. Dies bedeutet, dass die Handhabungseinrichtung 14 einen imaginären Arbeitspunkt in dessen Koordinatensystem aufweist, der durch eine Steuerung 25 für eine Bewegung der Anschlussstelle 13 und somit die Messvorrichtung 11 im Raum ansteuerbar ist.
In Figur 2 ist eine schematische Ansicht eines Aufbaus für eine Ausführungsform der Messvorrichtung 11 dargestellt. Ausgehend von der THz- Vorrichtung 16, insbesondere einem Transceiver, wird die THz-Strahlung an einem Einkoppelelement 23 umgelenkt und auf ein reflektierendes Element 24 gerichtet. Das Einkoppelelement 23 und das reflektierende Element 24 weisen eine gemeinsame Strahlachse 48 auf. Dazwischenliegend kann ein optisches Element 26 vorgesehen sein, um die THz-Strah- lung bevorzugt fokussiert auf das reflektierende Element 24 zu richten. An dem reflektierenden Element 24 wird die THz-Strahlung umgelenkt und einer optischen Einrichtung 28 zugeführt, wobei durch die optische Einrichtung 28 die THz-Strahlung auf einen Fokuspunkt 30 fokussiert wird. Bei diesem Fokuspunkt 30 handelt es sich um einen sogenannten objektseitigen Fokuspunkt, der in einer Objektebene 38 liegt. Dieser objektseitige Fokuspunkt 30 liegt in einer Messposition der Messvorrichtung 11 zum Messobjekt 12 bevorzugt an oder in dem Messobjekt 12 o- der in der Objektebene 38 des Messobjektes 12. Die Messvorrichtung 11 kann des Weiteren eine Erfassungseinrichtung 32 umfassen, durch welche das Messobjekt 12 bzw. der objektseitige Fokuspunkt 30 der Sende- und Empfangsstrahlung 18, 20 an dem Messobjekt 12 erfassbar ist.
An oder in einem Gehäuse 15 der Messvorrichtung 11 kann des Weiteren ein separater, bevorzugt optischer Sensor 34 vorgesehen sein. Dieser Sensor 34 arbeitet mit einer Strahlung im sichtbaren Bereich oder nahinfrarotem Bereich. Durch diesen Sensor 34 kann die Erfassung eines Abstandes zwischen der Messvorrichtung 11 und dem Messobjekt 12 erfolgen. Vorteilhafterweise kann dieser Sensor 34 derart zur Sende- und Empfangsstrahlung 18, 20 der THz-Vorrichtung 16 ausgerichtet sein, so dass die Strahlung des optischen Sensors 34 koaxial zur Sende- und Empfangsstrahlung 18, 20 der THz-Vorrichtung 16 ausgerichtet ist.
Die optische Einrichtung 28 umfasst im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ein erstes und zweites optisches Element 36, 37. Die optische Einrichtung 28 ist bevorzugt als abbildende optische Einrichtung 28 ausgebildet. Beispielsweise können diese als Parabolspiegel ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist die Brennweite der optischen Elemente 36, 37 voneinander abweichend, wobei insbesondere die Brennweite fi des optischen Elementes 36 kleiner als die Brennweite f2 des optischen Elementes 37 ist. Durch die größere Brennweite des zweiten optischen Elementes 37 gegenüber dem ersten optischen Element 36 kann insbesondere eine größere Schärfentiefe und somit eine Reduzierung der Abstandsempfindlichkeit ermöglicht sein. Zumindest das zweite optische Element 37 kann zur Einstellung der Fokuslage entlang einer optischen Achse 42 verfahrbar sein.
In der optischen Achse 42 der optischen Einrichtung 28 liegt einerseits der objektseitige Fokuspunkt 30 als auch ein konjugierter Fokuspunkt 44 in einer Bildebene. Bei einer Ausrichtung der Messvorrichtung 11 mit der optischen Achse 42 senkrecht zur Messoberfläche liegt der Hauptstrahl 51 der Sende- und Empfangsstrahlung 18, 20 in der optischen Achse 42. Eine Rotationsachse 46 des reflektierenden Elementes 24 liegt bevorzugt in dem konjugierten Fokuspunkt 44. Die Rotationsachse 46 kann ein Drehzentrum 45 des reflektierenden Elementes 24 bilden, so dass sich die Sende- und Empfangsstrahlung um den objektseitigen Fokuspunkt 30 dreht. Dies hat zur Folge, dass bei einer nicht orthogonalen Positionierung des Messobjektes 12 beziehungsweise bei einer verkippten Objektebene 39 zur Messvorrichtung 11 durch eine Winkeländerung des reflektierenden Elementes 24 eine Änderung der Winkelposition ermöglicht ist, wobei ein Drehzentrum 21 der Sende- und Empfangsstrahlung mit dem objektseitigen Fokuspunkt 30 der Sende- und Empfangsstrahlung übereinstimmt. Somit wirkt sich die Winkeländerung des reflektierenden Elementes 24 im Drehzentrum 21 der Sende- und Empfangsstrahlung nicht durch eine Abstandsänderung aus. Durch die Änderung in der Winkelstellung des reflektierenden Elementes 24 kann die verkippte Objektebene 39 in die Objektebene 38 korrigiert werden, so dass eine Sollposition eingenommen wird, bei der die THz-Strahlung senkrecht zur Oberfläche des Messobjektes 12, insbesondere senkrecht zur verkippten Oberfläche des Messobjektes 12, ausgerichtet ist. Dadurch kann in einfacher Weise eine Winkelposition bzw. eine Verkippung zwischen dem Messobjekt 12 und der Messvorrichtung 11 erfasst und korrigiert werden.
Zur Einstellung und Änderung der Winkelstellung des reflektierenden Elementes 24 ist zumindest ein Winkelstellelement 24 a, 24 b vorgesehen. Das Winkelstellelement 24 a kann beispielsweise das reflektierende Element 24 um die Rotationsachse 46 drehbar ansteuern, vorzugsweise um eine erste Raumrichtung.
Das Winkelstellelement 24 b kann beispielsweise das reflektierende Element 24 um eine weitere Rotationsachse 47 drehbar ansteuern, vorzugsweise um eine weitere beziehungsweise zweite Raumrichtung. Die weitere Rotationsachse 47 ist bevorzugt senkrecht zur Rotationsachse 46 ausgerichtet, beispielsweise die X-Achse. Die weitere Rotationsachse 47 kann auch das Drehzentrum 45 des reflektierenden Elementes 24 bilden. Beide Rotationsachsen 46 und 47 schneiden sich bevorzugt in der optischen Achse 48, so dass bevorzugt im Schnittpunkt der Achsen das Drehzentrum 45 liegt. Bei einem x/y/z-Koordinatensystem, welches beispielsweise gemäß Figur 2 ausgerichtet ist, liegt die optische Achse 48. Die Rotationsachse 46 liegt in einer Y-Achse. Die weitere Rotationsachse 47 liegt in einer X- Achse. Das reflektierende Element 24 ist, bevorzugt durch das zumindest eine Winkelstellelement 24 a, 24 b in zumindest eine Raumrichtung, bevorzugt in zwei Raumrichtungen, veränderbar.
In Figur 3 ist eine alternative Ausführungsform der Messvorrichtung 11 zur Figur 2 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die optische Einrichtung 28 nur ein optisches Element 36 umfasst. Das reflektierende Element 24 ist dem einen optischen Element 36 zugeordnet. Dieses reflektierende Element 24 entspricht dem reflektierenden Element 24 gemäß Figur 2.
In der Richtung der Strahlachse 48, welche bevorzugt in der Z-Achse liegt, ist mit einem Abstand zum reflektierenden Element 24 ein weiteres reflektierendes Element 54 positioniert. Diese weitere reflektierende Element 54 ist, bevorzugt durch das zumindest eine Winkelstellelement 24 a, 24 b, in zumindest eine Raumrichtung, bevorzugt in zwei Raumrichtungen, veränderbar, wobei die zumindest eine Rotationsachse 46, 47, bevorzugt beide Rotationsachsen, des weiteren reflektierenden Elements 54 parallel zu den Rotationsachsen 46, 47 des reflektierenden Elementes 24 sind. Das weitere reflektierende Element 54 kann einer der Ausführungsformen des reflektierenden Elements 24 entsprechen. In einer Normalposition (durchgezogene Linie) der reflektierenden Elemente 24, 54 liegt der Hauptstrahl (zentrale Stahl) 51 der Sende- und Empfangsstrahlung 18, 20 in der optischen Achse 42. Ergänzend ist nur ein dazugehöriger Randstrahl 52 mit durchgezogener Linie dargestellt. Die Messoberfläche 38 ist senkrecht zur optischen Achse 42 bzw. zum Hauptstrahl 51 ausgerichtet.
Sofern eine Verkippung der Messoberfläche zur Messvorrichtung 11 gegeben ist, liegt eine verkippte Objektebene 39 vor. Zum Ausgleich werden die reflektierenden Elemente 24, 54 angesteuert, so dass die optische Achse 42 der Sende- und Empfangsstrahlung 18, 20 senkrecht zu der verkippten Oberfläche 39 ausgerichtet ist. Beispielsweise ist der Hauptstrahl (zentrale Strahl) 51' strichliniert zu den ausgerichteten Elementen 24, 54 (ebenfalls strichliniert) dargestellt.
Das zumindest eine Winkelstellelement 24 a, 24 b des reflektierenden Elementes 24 und/oder des weiteren reflektierenden Elementes 54 können gleich in der Ausbildung und/oder in der Ansteuerung des reflektierenden Elementes 24 und des weiteren reflektierenden Elementes 54 sein.
Auch kann nur ein Winkelstellelement 24 a die Winkelstellung des reflektierenden Elements 24 und das eine andere Winkelstellelement 24 b das weitere reflektierende Element 54 in der Winkelstellung ansteuern.
Durch diese Anordnung kann dieselbe Wirkungsweise wie bei der Ausführungsform der Messvorrichtung 11 in Figur 2 erzielt werden. Ein objektseitiger Fokuspunkt 30 der Sende- und Empfangsstrahlung 18, 20 stimmt mit dem Drehzentrum 21 der Sende- und Empfangsstrahlung 18, 20 überein.
Bevorzugt ist der externe nominelle Arbeitspunkt 22 der Anschlussstelle 19 beziehungsweise der Handhabungseinrichtung 14 übereinstimmend zum objektseitigen Fokuspunkt 30 der Messvorrichtung 11, beziehungsweise der objektseitige Fokuspunkt 30 der Messvorrichtung 11 ist auf den nominellen Arbeitspunkt 22 ausgerichtet oder dazu einstellbar, so dass ein einfaches Positionieren der Messvorrichtung 11 zum Messobjekt 12 mit der Handhabungseinrichtung 14 ermöglicht sein kann.
Anhand der nachstehenden Figur 4 ist ein bevorzugter Ablauf zum relativen Positionieren der Messvorrichtung 11 zum Messobjekt 12 dargestellt.
Gemäß Schritt 61 wird die Messvorrichtung 11 mit der Handhabungseinrichtung 14 in Richtung auf einen Messpunkt an dem Messobjekt 12, also in Richtung auf eine Sollposition (nominale Position) verfahren. Dieser Messpunkt des Messobjektes 12 ist zuvor in der Steuerung der Handhabungseinrichtung 14 bestimmt oder geteacht worden. Während dieser Annäherung der Messvorrichtung 11 an das Messobjekt 12 kann bevorzugt zur relativen Positionierung der Messvorrichtung 11 zu dem Messobjekt 12 zunächst ein Abstand zum Messobjekt 12 erfasst und darauffolgend nach der Einnahme eines definierten Abstandes ein definierter Winkel der Sende- und Empfangsstrahlung 18, 20 der THz-Vorrichtung 16 zum Messobjekt 12 angesteuert werden, oder zur relativen Positionierung der Sende- und Empfangsstrahlung 18, 20 der THz-Vorrichtung 16 zum Messobjekt 12 zunächst ein Winkel erfasst und nach der Einnahme eines definierten Winkels darauffolgend ein definierter Abstand zwischen der Messvorrichtung 11 und dem Messobjekt 12 angesteuert werden. Alternativ kann gleichzeitig oder abwechselnd aufeinanderfolgend ein relativer Abstand der Messvorrichtung 11 und ein Winkel der Sende- und Empfangsstrahlung 18, 20 der THz-Vorrichtung 16 zum Messobjekt 12 während der Verfahrbewegung der Handhabungseinrichtung 14 und/oder des Messobjektes 12 angesteuert werden. Nach Erreichen eines vorbestimmten Abstandes, der entweder durch den separaten, bevorzugt optischen, Sensor 34 erfasst wird oder über die Steuerung 25 der Handhabungseinrichtung 14 ermittelt wird, folgt gemäß Schritt 62 eine Reduzierung der Geschwindigkeit der Verfahrbewegung zur Annäherung der Messvorrichtung 11 in die Messposition zum Messobjekt 12. Während dieser Annäherung kann eine Abstandsänderung und/oder Winkeländerung durch den separaten, bevorzugt optischen, Sensor 34 und/oder durch die ermittelten Eigenschaften der Sende- und Empfangsstrahlung 18, 20 der THz-Vorrichtung 16 ermittelt werden, wobei durch die THz-Vorrichtung 16 ein ID-Scan oder 2D-Scan von der Oberfläche des Messobjektes (12) durchgeführt werden kann.
Im Schritt 63 kann die Durchführung von zumindest einer Abstandsmessung und/oder Winkelmessung zur Ermittlung der tatsächlichen relativen Position der Messvorrichtung 11 zu dem Messobjekt 12 erfolgen, wobei entweder a) ein Nachpositionieren erfolgt, sofern der erfasste Abstand einen definierten Wert überschreitet, oder b) ein Abgleich von abgespeicherten Referenzspektren des Messobjektes 12 in der Steuerung auf den tatsächlich erfassten Abstand der Messvorrichtung 11 zu dem Messobjekt 12 erfolgt, sofern der erfasste Abstand den definierten Wert unterschreitet. Bevorzugt wird dabei eine Softwarekorrektur durchgeführt, das heißt, die Messvorrichtung 11 muss nicht verfahren werden.
In einem darauffolgenden Schritt 64 wird eine Winkelmessung durchgeführt, um die Ausrichtung der Sende- und Empfangsstrahlung 18, 20 der THz-Vorrichtung 16 zum Messobjekt 12 zu ermitteln. Ausgehend von dieser Winkelmessung werden Korrekturwerte ermittelt, um die Sende- und Empfangsstrahlung 18, 20 mit dem zumindest einen reflektierenden Element 24, 54 bezüglich dessen Winkellage in eine vorzugsweise orthogonale Position zum Messobjekt 12 auszurichten. Dabei kann die Ansteuerung von dem zumindest einen optischen reflektierenden Element 24, 54 genügen, um die Winkelkorrektur durchzuführen. Durch die Ansteuerung von zwei voneinander verschiedenen Winkelpositionen des und/oder der reflektierenden Elemente 24, 54 kann ein Korrekturwert für die Ausrichtung des reflektierenden Elementes 24, 54 angesteuert werden, so dass eine verkippte Anordnung des Messobjektes 12 oder eine verkippte Oberfläche des Messobjekts 12 zu der geometrischen Achse 42 der optischen Einrichtung 28 ausgeglichen wird.
Zur Ermittlung der Winkelkorrektur wird ein THz-Signal ausgewertet. Zusätzlich und/oder alternativ kann eine Winkelmessung auch durch den zumindest einen optischen Sensor 34 erfolgen.
Nach Einnahme der angesteuerten Winkelposition des zumindest einen reflektierenden Elementes 24 kann gemäß dem Schritt 65 die Messung an dem Messobjekt 12, wie beispielsweise eine Schichtdickenmessung, durch die THz-Vorrichtung 16 durchgeführt werden.

Claims

Ansprüche
1. Messvorrichtung mit einer THz-Vorrichtung (16) zum Senden und Empfangen von THz-Strahlung zur Durchführung einer Messung, insbesondere Schichtdickenmessung, an einem Messobjekt (12), mit einem Sender (17) zum Ausgeben einer Sendestrahlung (18) auf das Messobjekt (12) und einem Empfänger (19) zum Erfassen einer Empfangsstrahlung (20), welche beide einen objektseitigen Fokuspunkt (30) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendestrahlung und Empfangsstrahlung (18, 20) koaxial zueinander sind, dass zumindest ein reflektierendes Element (24, 54) mit zumindest einem Winkelstellelement (24 a, 24 b) in der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) angeordnet ist, wobei das zumindest eine Winkelstellelement (24 a, 24 b) für eine Änderung einer Winkelstellung des zumindest einen reflektierenden Elements (24, 54) um zumindest eine Rotationsachse (46, 47) in zumindest einer Raumrichtung durch eine Steuerung (25) ansteuerbar ist, und in der zumindest einen Rotationsachse (46, 47) ein Drehzentrum (45) liegt, dass zwischen dem zumindest einen reflektierenden Element (24, 54) und dem objektseitigen Fokuspunkt (30) der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) zumindest eine optische Einrichtung (28) vorgesehen ist, und dass der durch die optische Einrichtung (28) gebildete objektseitige Fokuspunkt (30) der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) und ein Drehzentrum (21) der Sendestrahlung (18) und Empfangsstrahlung (20), welches durch das zumindest eine Winkelstellelement (24a, 24b) ansteuerbar ist, übereinstimmen.
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehzentrum (45) des einen reflektierenden Elementes (24), welches dem Messobjekt (12) zugeordnet ist, und welches vorzugsweise als zumindest eine Rotationsachse (46, 47) des einen reflektierenden Elementes (24) ausgebildet ist, in einem konjugierten Fokuspunkt (44) in Bezug auf eine Objektebene (38) der optischen Einrichtung (28) liegt, in welcher der objektseitige Fokuspunkt (30) liegt.
3. Messvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der konjugierte bildseitige Fokuspunkt (44) von der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) auf dem zumindest einen reflektierenden Element (24) liegt.
4. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (28) zumindest ein optisches Element (36, 37), insbesondere eine sphärische Linse, einen Parabolspiegel oder eine asphärische Linse, umfasst.
5. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass zwischen der THz-Vorrichtung (16) und der optischen Einrichtung (28), welche nur ein optisches Element (36) umfasst, zwei zueinander ausgerichtete reflektierende Elemente (24, 54) vorgesehen sind.
6. Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine reflektierende Element (24, 54) durch das zumindest eine Winkelstellelement (24 a, 24 b) in zumindest eine Raumrichtung, vorzugsweise in zumindest zwei Raumrichtungen, verstellbar ist.
7. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (28) zu deren optischer Achse (42) zwei zueinander ausgerichtete optische Elemente (36, 37) umfasst, die zwischen dem zumindest einen, dem Messobjekt (12) zugeordneten reflektierenden Element (24) und dem objektseitigen Fokuspunkt (30) angeordnet sind und vorzugsweise das zumindest eine optische Element (36, 37) entlang der optischen Achse (42) zur Einstellung der Fokuslage verfahrbar ist.
8. Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (28) mit zwei optischen Elementen (36, 37) ein erstes, dem einen reflektierenden Element (24) zugeordnetes optisches Element (36) mit einer Brennweite fi und ein zweites dem objektseitigen Fokuspunkt (30) zugeordnetes optisches Element (37) mit einer Brennweite f2 umfasst, wobei die Brennweite f2 > fi ist.
9. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (28) auf eine hohe Abstandstoleranz ausgelegt ist und insbesondere eine langbrennweitige Optik mit einer Rayleigh-Länge von der Sende- und Empfangsstrahlung von insbesondere > 6 mm, bevorzugt > 10 mm bei einer Frequenz von 1 THz aufweist und vorteilhafterweise die Abstandstoleranz durch eine softwareseitige zusätzliche Korrektur erhöht ist.
10. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abstands- und/oder Winkelmessung zwischen der Messvorrichtung (11) und dem Messobjekt (12) mittels der THz-Strahlung durch Erfassung von THz-Impulsen vorgesehen ist, wobei bevorzugt während der Abstands- und/oder Winkelmessung eine Änderung der Winkelstellung des zumindest einen reflektierenden Elements (24, 54) mit wenigstens einen Winkelstellelement (24 a, 24 b) ansteuerbar ist.
11. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein separater Sensor (34) zur Abstands- und/oder Winkelmessung und/oder Topologiemessung zwischen der Messvorrichtung (11) und dem Messobjekt (12) an oder in der Messvorrichtung (11) vorgesehen ist.
12. Messvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine separate Sensor (34) ein optischer Sensor ist und bevorzugt mit einer Strahlung im sichtbaren Bereich oder nahen Infrarotbereich arbeitet.
13. Messvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine separate Sensor (34) koaxial zur Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) der THz-Vorrichtung (16) ausgerichtet ist, und insbesondere zwischen dem Sender (17) und Empfänger (19) der THz-Vorrichtung (16) und dem zumindest einen reflektierenden Element (24, 54) mit der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) der THz-Vorrichtung (16) koaxial überlagert ist.
14. Messvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur koaxialen Überlagerung der Sende- und/oder Empfangsstrahlung (18, 20) der zumindest eine separate Sensor (34) mit der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) der THz-Vorrichtung (16) ein optisches Einkoppelelement (23) vorgesehen ist und als Reflek- tionselement für die Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) der THz-Vorrichtung (16) ausgebildet ist.
15. Positioniervorrichtung zum relativen Positionieren einer Messvorrichtung (11) mit einer THz-Vorrichtung (16) zum Senden und/oder Empfangen von THz-Strahlung relativ zu einem Messobjekt (12) zur Durchführung einer Messung an dem Messobjekt (12), mit einer Handhabungseinrichtung (14), welche eine Anschlussschnittstelle (13) aufweist, wobei der Anschlussschnittstelle (13) ein externer nomineller Arbeitspunkt (TCP) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Anschlussschnittstelle (13) der Handhabungseinrichtung (14) eine Messvorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 angeordnet ist, dass der objektseitige Fokuspunkt (30) der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) der Messvorrichtung (11) und das wenigstens eine Drehzentrum (21; 45) der Sendestrahlung und Empfangsstrahlung (18, 20) übereinstimmen, und dass durch die Handhabungseinrichtung (14) die Messvorrichtung (11) zu dem Messobjekt (12) positionierbar ist, so dass der objektseitige Fokuspunkt (30) der Sendestrahlung und Empfangsstrahlung (18, 20) in einer definierten Position zum Messobjekt (12) ausgerichtet ist.
16. Positioniervorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Drehzentrum (21; 45) der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) mit dem externen nominellen Arbeitspunkt (TCP) der Handhabungseinrichtung (14) übereinstimmt.
17. Verfahren zum relativen Positionieren einer Sende- und Empfangsstrahlung (18,20) einer THz-Vorrichtung (16) zu einem Messobjekt (12) zur Durchführung einer Messung an dem Messobjekt (12), dadurch gekennzeichnet, dass eine Messvorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit einer Handhabungseinrichtung (14) relativ zu dem Messobjekt (12) ausgerichtet wird, wobei der objektseitige Fokuspunkt (30) der Sende-und Empfangsstrahlung (18, 20) relativ zum Messobjekt (12) positioniert wird, der bevorzugt auf der Oberfläche des Messobjektes (12) liegt, und dass durch das zumindest eine Winkelstellelement (24 a, 24 b) an dem zumindest einen reflektierenden Element (24, 54) im Strahlengang der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) der THz-Vorrichtung (16) die Einstellung eines Winkels der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) zum Messobjekt (12) angesteuert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Positionierung der Messvorrichtung (11) zum Messobjekt (12) durch eine externe Steuerung (25), insbesondere Steuerung der Handhabungseinrichtung (14), angesteuert wird und der objektseitige Fokuspunkt (30) der Sendestrahlung und Empfangsstrahlung (18, 20) und der externe nominelle Arbeitspunkt (TCP) der Handhabungseinrichtung (14) übereinstimmen.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur relativen Positionierung der Messvorrichtung (11) zu dem Messobjekt (12) zunächst ein Abstand zum Messobjekt (12) erfasst und darauffolgend nach der Einnahme eines definierten Abstandes ein definierter Winkel der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) der THz-Vorrichtung (16) zum Messobjekt (12) angesteuert wird, oder dass zur relativen Positionierung der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) der THz-Vorrichtung (16) zum Messobjekt (12) zunächst ein Winkel erfasst und nach der Einnahme eines definierten Winkels darauffolgend ein definierter Abstand zwischen der Messvorrichtung (11) und dem Messobjekt (12) angesteuert wird, oder dass gleichzeitig oder abwechselnd aufeinanderfolgend ein relativer Abstand der Messvorrichtung (11) und ein Winkel der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) der THz-Vorrichtung (16) zum Messobjekt (12) während der Verfahrbewegung der Handhabungseinrichtung (14) und/oder des Messobjektes (12) angesteuert wird, und wobei zusätzlich oder gleichzeitig ein relativer Winkel der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) zum Messobjekt (12) mit dem zumindest einen Winkelstellelement (24 a, 24 b) des zumindest einen reflektierenden Elements (24, 54), bevorzugt orthogonal, zum Messobjekt (12) eingestellt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstands- und/oder Winkeländerung zur Positionierung der Messvorrichtung (11) und/oder Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) der THz-Vorrichtung (16) zum Messobjekt (12) durch zumindest einen separaten Sensor (34) und/oder basierend auf THz-Messsignalen der THz-Strahlung erfasst werden, und bevorzugt während der Abstands- und/oder Winkelmessung das wenigstens eine Winkelstellelement (24 a, 24 b) zur Veränderung der Winkelstellung des zumindest einen reflektierenden Elements (24, 54) angesteuert wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20 gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Relatives Positionieren des objektseitigen Fokuspunktes (30) der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) zum Messobjekt (12) durch Ansteuerung der Handhabungseinrichtung (14) auf der in der Steuerung (25) hinterlegten Sollposition des Messobjektes (12),
Durchführung von zumindest einer Abstandsmessung und/oder Winkelmessung zur Ermittlung der tatsächlichen relativen Position der Messvorrichtung (11) zu dem Messobjekt (12), wobei a) ein Nachpositionieren erfolgt, sofern der erfasste Abstand einen definierten Wert überschreitet, oder b) ein Abgleich von abgespeicherten Referenzspektren des Messobjektes (12) in der Steuerung auf den tatsächlich erfassten Abstand der Messvorrichtung (11) zu dem Messobjekt (12) erfolgt, sofern der erfasste Abstand den definierten Wert unterschreitet, und
Durchführung von zumindest zwei Messungen bevorzugt mittels THz-Strahlung bei voneinander abweichenden Winkelstellungen des zumindest einen reflektierenden Elementes (24, 54) und Ermitteln eines Korrekturwertes für die Ansteuerung des zumindest einen Winkelstellelementes (24 a, 24 b) und Verfahren des zumindest einen Winkelstellelementes (24 a, 24 b) um den Korrekturwert in die Sollposition, bei welcher die Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) der THz Vorrichtung (16) bevorzugt orthogonal zu dem Messobjekt (12) ausgerichtet ist, und
Durchführung von Messungen mittels der THz-Vorrichtung (16) zum Senden und Empfangen von THz-Strahlung zur Durchführung einer Messung, insbesondere einer Schichtdickenmessung.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass während dem Positionieren der Messvorrichtung (11) zum Messobjekt (12) zumindest eine Abstandsmessung und/oder Winkelmessung durch den zumindest einen separaten, bevorzugt optischen Sensor (34) und/oder der Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) der THz Vorrichtung (16) durchgeführt und die Messvorrichtung (11) zur Einnahme der Sollposition geregelt angefahren wird, wobei bevorzugt während dem Positionieren der Messvorrichtung (11) zum Messobjekt (12) eine Änderung in der Winkelstellung und/oder des Abstandes des wenigstens einen reflektierenden Elements (24, 54) angesteuert wird und ein Korrekturwert für die Ansteuerung des zumindest einen Winkelstellelementes (24 a, b) ermittelt wird und das zumindest eine Winkelstellelement (24 a, b) um den Korrekturwert in die Sollposition geregelt wird, bei welcher die Sende- und Empfangsstrahlung (18, 20) der THz Vorrichtung (16) bevorzugt orthogonal zu dem Messobjekt (12) ausgerichtet ist.
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