WO2008119558A1 - Verfahren und vorrichtung zur vermessung räumlicher objekte - Google Patents

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WO2008119558A1
WO2008119558A1 PCT/EP2008/002628 EP2008002628W WO2008119558A1 WO 2008119558 A1 WO2008119558 A1 WO 2008119558A1 EP 2008002628 W EP2008002628 W EP 2008002628W WO 2008119558 A1 WO2008119558 A1 WO 2008119558A1
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WO
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stylus
axis
tip
tastschnitte
measurement
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PCT/EP2008/002628
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English (en)
French (fr)
Inventor
Karl Josef Schalz
Rainer Ziegenbein
Andreas Beutler
Original Assignee
Carl Mahr Holding Gmbh
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/20—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/28—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0242—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations
    • G01M11/025—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by determining the shape of the object to be tested

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring spatial objects, in particular aspherical lenses and a corresponding device.
  • the method should be suitable for measuring freeform surfaces of smaller objects be.
  • the method should also be particularly suitable for the measurement of aspherical lenses.
  • measured values are to be obtained in the shortest possible measuring time, which allow an assessment of the shape of the entire object, eg the aspherical lens. This should be possible without completely covering the entire surface of the object with measuring points.
  • a corresponding measuring device is to be created.
  • At least one scan of the object surface is recorded under different relative rotational positions of the object with respect to the stylus device by means of a stylus device.
  • the scan can be considered as a curved feature. It takes place as a scan of the object by means of the stylus tip along a straight line or curved line in plan view. During this movement of the stylus tip, measured values are preferably delivered continuously or virtually continuously on this line. The latter is the case, for example, when the stylus instrument has a sensor, the sensor signal e.g. at discrete intervals.
  • Top view is understood to mean a view that results when the observer looks at the object in the direction of the axis of rotation of a turntable carrying the object.
  • notch will not only be as complete as possible Recording measurements along a straight line, but also understood the scanning on a curved line.
  • the sample sections can be received, for example, along two straight lines in plan view, which are oriented at an angle relative to a rotation axis of the object relative to one another are.
  • both samples run through the center of rotation of the object.
  • they start or end in close proximity to the turning center.
  • at least two in plan view for example, linear Tastroughe that are at an angle to each other, which is greater than zero and at most 180 °, preferably less than 180 °, for example 90 °.
  • the object preferably remains at rest. It may be received by a turntable that holds it in a fixed angular position. Before performing a second tactile cut, the table is rotated further by a given angle.
  • the stylus tip of the stylus device is positioned at a given distance to the axis of rotation of the turntable and thus of the object. While the object is being rotated about this axis, the stylus does not move. The object is thus scanned along a circular line. It is also possible to lift the probe tip one or more times from the object surface, so that the object is scanned along circular arcs.
  • the distance of the stylus tip is adjusted to the axis of rotation and a new measurement by performing tion of a Tastrough executed. Again there is no tow motion. Therefore, a circular scan line or one or more circular arcs again results.
  • the resulting arcs are preferably concentric with each other.
  • they can be taken in equidistant radius intervals to each other. It is also possible to increase the stylus density in zones of particular interest, for example close to the center, and thus to work with respect to the radius differences of non-equidistant concentric circles.
  • An alternative sampling results in simultaneous execution of a rotary movement of the turntable and a drag movement of the stylus device.
  • the result is a spiral Tastweg, wherein the spiral its beginning at the axis of rotation or in the immediate vicinity thereof, i. on the azimuth of the object, takes.
  • the method is suitable for measuring optical components, in particular aspherical lenses.
  • the paths can be changed by specifying start and end points, angles and / or radii.
  • a corresponding operating or evaluation device can be provided with a corresponding input interface.
  • the obtained samples are preferably converted into a uniform X-Y raster, which lies in a plane perpendicular to the axis of rotation.
  • the measured webs then have pointwise Z-values which characterize the distance from said plane.
  • the zenith of the measurement object is preferably placed on the axis of rotation. This results in a simple and clear measurement.
  • the measurement object can be mounted on the turntable with a certain tilt. This tilt affects the measured values. In particular, in the Kreisabtastung the tilt is easily detected. The obtained measurement results can be corrected with the detected tilting.
  • the proposed method also has the advantage that after changing the measuring object no re-alignment of one or more measuring axes or any auxiliary axes is needed. Furthermore, an adjusting unit is preferably provided which can adjust the position of the stylus device with respect to the axis of rotation. Thereby, such a setting can be obtained that the Tastterrorism runs through the center of the axis of rotation. The adjusting unit can cause a displacement, rotation or pivoting of the Tastroughge- device or the button on the stylus instrument.
  • the proposed method is not only suitable for detecting rotationally symmetrical surfaces. Rather, by different Tastroughin in different angular positions or broken circular and spiral paths and any surfaces, such as. Rectangular surfaces, ellipses, broken surfaces or areas with recesses or holes can be measured.
  • the scanning can be done mechanically touching. For this purpose, appropriate stylus tips are dragged over the object surface.
  • non-contact scanning methods e.g. optical tactile methods are used.
  • FIG. 1 shows a measuring station for carrying out the method according to the invention in a schematic representation and Figure 2 to 4 different Tastwege, shown as a plan view of an object to be measured in a schematic schematic diagram.
  • FIG. 1 shows schematically a measuring device 1, which serves to measure an object 2, for example in the form of an aspherical lens, in the stylus method.
  • a Tastrough réelle 3 which has a movable in the vertical direction Z Tastarm 4 with a stylus tip 5.
  • Z Tastarm 4 For movement in the Z direction of the scanning arm 4 is pivotally mounted, for example, about a horizontal axis.
  • Its pivot bearing 6 is provided by the stylus device 3, as shown in Figure 1 by breaking open on the housing of the Tastrough réelles 3.
  • the probe arm 4 is connected to a measuring system 7, which detects the deflections of the probe arm 4 and converts them into measured values.
  • the measured values then, in conjunction with the object-related position values of the touch point at which the stylus tip 5 touches the object 2, reproduce the shape of the object. With a particularly high resolution may possibly. also the roughness are detected. It is also possible to use probes with variable direction of action. Thus, the measuring direction can always be kept perpendicular to a curved surface.
  • the probe tip 5 of the probe arm 4 is in one embodiment, a steel tip. In its place, a diamond tip or other mechanical structure suitable for being towed over the surface of the object 2 without damaging it can also be used.
  • the probe arm 4 preferably rests against the surface of the object 2 with a predetermined force.
  • a spring or another force generator can be used, which acts on the sensing arm 4. Instead of mechanical scanning but also a non-contact scanning is possible.
  • the stylus device 3 has an engine control device, which is set up for pivoting the bearing 6 and with it the scanning arm 4 and the measuring system 7 in a horizontal position.
  • len direction for example, the X-direction controlled to move.
  • the X-direction is also referred to as the towing direction, because the sensing arm is dragged in this direction over the surface of the object 2.
  • the towing direction extends approximately in the longitudinal direction of the scanning arm 4.
  • the stylus device 3 can remain at rest and the object can be moved.
  • the towing direction can then be the x-direction or the y-direction.
  • the stylus device 3 is held by a frame, for example in the form of a stand 8, which stands on a base plate 9.
  • the stylus device 3 is controllably adjustable on the stand 8 in the vertical direction Z.
  • a motor drive can serve, which is also referred to as Vertikalverstellachse.
  • the stand 8 is also mounted adjustably in a further horizontal direction Y on the base plate 9.
  • the adjustment direction Y is perpendicular to the adjustment direction Z and to the towing direction X.
  • a tilt axis 10 may be provided with which the stylus device 3 can be tilted about an axis parallel to the Y-direction.
  • the base plate 9 also carries a turntable 11, which supports the object 2 and thus forms a workpiece or scholarlings- receiving device.
  • the turntable 11 is configured to rotate the object 2 in a controlled manner about a vertical axis 12 and to hold it in predetermined rotational positions.
  • the axis 12 is preferably parallel to the column 8 and the adjustment direction Z. (However, non-parallel alignments may be used in which an angle is included between the column 8 and the adjustment direction Z.)
  • the towing direction X intersects the rotation axis 12. Dies means that the stylus tip 5 when scanning the surface of Ob- 2 a the rotation axis 12 intersecting line departs.
  • a motor actuator is provided for this purpose, which is also referred to as adjustment axis.
  • the turntable 11 may be equipped with one or two further adjustment axes, which are not illustrated in FIG. These include, for example, one or two tilt axes. For example, a first tilt axis parallel to the X direction and a second tilt axis parallel to the Y direction.
  • a plane Aufnähmetlache 13 of the turntable 11 for receiving the object 2 are aligned precisely parallel to the adjustment direction Y and the towing direction X. These axes are used to align the axis of rotation to the object 2.
  • the probe tip 5, as described above, is a touching probe tip which contacts the surface of the object 2 during measurement.
  • a non-touching stylus tip 5 may be provided.
  • such is formed by a light beam, which is sent in the direction of the stylus tip 5 on the object surface and is reflected by this wholly or partially.
  • the probe arm 4 may be kept rigid in this case, or it is held by a suitable control loop, the length of the light path (from the probe arm 4 to the object surface) constant and registered or measured the resulting pivoting of the probe arm 4. This allows scanning of particularly sensitive object surfaces.
  • Other physical measuring principles can be used.
  • the measuring device 1 described so far operates as follows:
  • the object 2 or the turntable 11 or its receiving surface is first adjusted so that the Aufnähmetlache 13 is parallel to the X and Y directions, and that Zenith 14, ie the highest point of the object 2 lies on the axis of rotation 12.
  • This can be done with the help of one or more test measurements, in which the zenith 14 of the object 2 is searched.
  • sample measurements can be accomplished with a plurality of stylus measurements, which lead on mutually parallel lines over the surface of the object 2.
  • the object 2 is moved to a predetermined rotational position and then the indicated in Figure 2 Tastschnittteil along a first, in plan view preferably linear scan line 15 is performed.
  • the probe tip 5 is dragged along the line 15 over the object surface.
  • the stylus tip 5 follows the contour of the object 2, i. it describes from side view ( Figure 1) an arc.
  • the sensing arm 4 executes a corresponding pivoting movement, which is registered by the measuring system 7.
  • the turntable After scanning the object 2 along the line 15, the turntable is rotated about the axis of rotation 12, for example by 90 °.
  • the probe tip 5 can be lifted off the surface of the object 2.
  • the stylus tip can open remain the surface. Then again by actuation of the feed device and thus movement of the scanning arm 4 in the trailing direction X, a scanning of the object 2 is made, in the context of which the probe tip 5 along the line 16 is dragged over the surface of the object.
  • preferably circular measurements are performed. This can be done by placing the probe tip 5 at a given distance, i. with a first radius rl to the axis of rotation 12, the scanning of the object 2 begins. By activating the rotary table 11, a scan is made along a circular line 17. The movements of the probe arm 4 are detected by the measuring system 7. The towing device remains shut down.
  • the scan on the radius rl and thus the circular line 17 by appropriate positioning or radial adjustment between the probe tip 5 and the rotation axis 12 by actuation of the adjustment axis Y.
  • the radial distance between the stylus tip 5 and the rotation axis 12 also by corresponding Adjustments of the trailing axle X or combined can be achieved by adjusting the adjustment axis Y and the trailing axle X.
  • the radius between the probe tip 5 and the axis of rotation 12 is increased to the radius r2, so that the scan can now be made along the circular line 18.
  • the radius differences .DELTA.r between the individual radii r.sub.1 to r.sub.5 can be determined to be constant or else appropriate, whereby particularly interesting or critical regions can be determined. surface of the object 2 can be coated with a larger circular density.
  • an evaluation device (not shown) can now calculate the surface profile of the object 2.
  • the measured values obtained can be converted into an XY grid or even an r- ⁇ grid and output as measured values.
  • the angular positions of the lines 15, 16, the radii of the circular lines 17 to 20 and other measurement parameters can be specified.
  • FIG. 3 illustrates a modified embodiment of the measuring method according to the invention, as is suitable, for example, for objects 2 'bordered by a rectangle. Such is indicated by dashed lines in FIG. Instead of closed circular lines, arc-shaped scanning lines 21, 22 are provided at least in the outer region. Otherwise, the previous description applies accordingly.
  • Figure 4 shows a modified embodiment in which the scanning is performed on a spiral line 23 on the axis of rotation 12 or in the immediate proximity springs. From there, the spiral line 23 winds several times around the axis of rotation 12.
  • a constant rotational speed of the turntable 11 and a constant drag speed in the direction of the trailing axle X is used.
  • the result is a spiral with a constant slope.
  • a spiral with increasing outward slope is desired, as indicated in Figure 4. Such can be achieved by the Turntable with increasing radius of the probe tip 5 is rotated slower and slower.
  • the sliding speed of the probe tip 5 can also be kept constant. It is also possible to keep the rotational speed of the turntable 11 constant and to vary the towing speed. In addition, in another embodiment, both the rotational speed of the turntable 11 and the drag speed in the direction of the trailing axle X can be varied.
  • the combination of a turntable 11 for receiving an object 2 with a stylus device 3 for scanning the surface of the object 2 is provided.
  • the scanning of the object surface takes place in at least two different rotational positions of the object 2.
  • scanning lines are selected which extend both radially to the axis of rotation 12 of the rotary table 11 as well as in the circumferential direction with respect to the axis of rotation 12. These scans may be performed separately one after the other as radial linear scans and circular scans as well as simultaneously as spiral scans. In each case, measured values are obtained from which the spatial shape of the object surface results with high accuracy and in a short measuring time.
  • A, B, C general swivel axes
  • HB pivot axis e.g. as axis 10 for touch-sensitive device 3

Abstract

Zur Durchführung von 3D-Messungen ist die Kombination eines Drehtischs (11) zur Aufnahme eines Objekts (2) mit eiem Tastschnittgerät (3) zur Abtastung der Oberfläche des Objekts (2) vorgesehen. Die Abtastung der Objektoberfläche erfolgt bei zumindest zwei verschiedenen Drehpositionen des Objekts (2). Vorzugsweise werden Tastlinien gewählt, die sowohl radial zu der Drehachse (12) des Drehtischs (11) wie auch in Umf angsrichtung bezogen auf die Drehachse (12) verlaufen. Diese Abtastungen können gesondert nacheinander als radiale lineare Abtastungen und als Kreisabtastungen sowie auch gleichzeitig als Spiralabtastung durchgeführt werden. In jedem Fall werden Messwerte gewonnen, aus denen sich die räumliche Gestalt der Objektoberfläche mit hoher Genauigkeit und in kurzer Messzeit ergibt.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR VERMESSUNG RÄUMLICHER OBJEKTE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung räumlicher Objekte, insbesondere asphärischer Linsen sowie eine entsprechende Vorrichtung.
Die Vermessung räumlicher Objekte, insbesondere die Vermessung von Objekten mit so genannten Freiformflächen, stellt nach wie vor ein erhebliches Problem dar. Vorhandene 3D-Mess- verfahren beruhen beispielsweise auf dem punktweisen Antasten der Oberfläche. Sie sind aufwändig und zeitraubend.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich räumliche Objekte einfach und zuverlässig vermessen lassen. Insbesondere soll das Verfahren zur Vermessung von Freiformflächen kleinerer Objekte geeignet sein. Das Verfahren soll sich des Weiteren insbesondere für die Vermessung asphärischer Linsen eignen. Dabei sollen in möglichst kurzer Messzeit Messwerte gewonnen werden, die eine Einschätzung der Form des gesamten Objekts, z.B. der asphärischen Linse gestatten. Dies soll möglich werden, ohne die gesamte Oberfläche des Objekts lückenlos mit Messpunkten zu ü- berziehen. Außerdem soll eine entsprechende Messvorrichtung geschaffen werden.
Diese Aufgaben werden mit dem Verfahren nach Anspruch 1 sowie der Vorrichtung nach Anspruch 11 gelöst:
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels eines Tastschnittgeräts mindestens eine Abtastung der Objektoberfläche unter verschiedenen Relativdrehpositionen des Objekts in Bezug auf das Tastschnittgerät aufgenommen. Die Abtastung kann als gekrümmter Tastschnitt angesehen werden. Sie erfolgt als Abtastung des Objekts mittels der Tastspitze entlang einer in Draufsicht geraden oder auch gekrümmten Linie. Auf dieser Linie werden während der Bewegung der Tastspitze Messwerte vorzugsweise kontinuierlich oder quasi kontinuierlich geliefert werden. Letzteres ist beispielsweise der Fall, wenn das Tastschnittgerät einen Sensor aufweist, der Sensorsignal z.B. in diskreten Zeitabständen abgibt. (Unter „Draufsicht" wird eine Ansicht verstanden, die sich ergibt, wenn der Betrachter in Richtung der Drehachse eines Drehtische, der das Objekt trägt, auf das Objekt schaut.) Deshalb wird im Folgenden unter dem Begriff „Tastschnitt" nicht nur eine möglichst lückenlose Aufnahme von Messwerten entlang einer Geraden, sondern auch die Abtastung auf einer gekrümmten Linie verstanden.
Die Tastschnitte können z.B. entlang zweier in Draufsicht gerader Linien aufgenommen werden, die in einem Winkel bezüglich einer Drehachse des Objekts zueinander orientiert sind. Vorzugsweise laufen beide Tastschnitte durch das Drehzentrum des Objekts. Alternativ beginnen sie oder enden sie in enger Nachbarschaft zu dem Drehzentrum. Es ist möglich, beide Tastschnitte von einem Rand des Objekts über seinen Zenit, der vorzugsweise im Drehzentrum liegt, zu dem anderen Rand zu führen. Es ist desgleichen möglich, einen Tastschnitt lediglich über die Radiuslänge des Objekts oder eine Teillänge desselben auszuführen und den Tastschnitt dann in verschiedenen Winkelpositionen des Objekts bezogen auf eine vertikale Drehachse desselben, z.B. in einem 180° -Winkelabstand oder auch in anderen Winkelabständen zu wiederholen. Vorzugsweise ergeben sich somit mindestens zwei in Draufsicht z.B. lineare Tastschnitte, die in einem Winkel zueinander stehen, der größer als Null und höchstens 180°, vorzugsweise kleiner als 180°, z.B. 90° ist.
Zur Aufnahme dieser beiden Tastschnitte verbleibt das Objekt vorzugsweise in Ruhe. Es kann von einem Drehtisch aufgenommen sein, der es in einer fixierten Winkelposition hält. Vor Durchführung eines zweiten Tastschnitts wird der Tisch um einen gegebenen Winkelbetrag weiter gedreht .
Es ist aber auch möglich, die Tastschnitte kreisförmig auszuführen. Hierzu wird die Tastspitze des Tastschnittgeräts in einem gegebenen Abstand zu der Drehachse des Drehtischs und somit des Objekts positioniert. Während das Objekt um diese Achse gedreht wird, unternimmt das Tastschnittgerät keine Schleppbewegung. Das Objekt wird somit entlang einer Kreislinie abgetastet. Es ist auch möglich, die Tastspitze ein- oder mehrfach von der Objektoberfläche abzuheben, so dass das Objekt entlang von Kreisbögen abgetastet wird.
Nach Ausführung einer solchen Tastschnittmessung bei einem gegebenen Radius wird der Abstand der Tastspitze zu der Drehachse verstellt und eine erneute Messung durch Durchfüh- rung eines Tastschnitts ausgeführt. Wiederum findet keine Schleppbewegung statt. Deshalb ergibt sich wieder eine kreis- linienförmige oder aus oder mehreren Kreisbögen bestehende Abtastlinie.
Die so entstehenden Kreisbögen sind zueinander vorzugsweise konzentrisch. Außerdem können sie in äquidistanten Radiusabständen zueinander aufgenommen werden. Es ist auch möglich, die Tastschnittdichte in besonders interessierenden Zonen, beispielsweise zentrumsnah, zu erhöhen und somit hinsichtlich der Radiusdifferenzen nicht äquidistanten konzentrischen Kreisen zu arbeiten.
Es ist des Weiteren möglich, die lineare Abtastung und die Kreisabtastung zu kombinieren. Damit lassen sich insbesondere asphärische Linsen schnell und sicher vermessen.
Es hat sich herausgestellt, dass durch die Abtastung insbesondere asphärischer Linsen unter verschiedenen Drehwinkeln um die Mittelachse (linear in verschiedenen Radius- richtngen, auf Kreislinien und/oder kombiniert, d.h. auf Spiralen) mit wenigen kurzen Messungen Daten gewonnen werden können, die eine sehr verlässliche Einschätzung der Maßhaltigkeit und somit der Qualität der Asphäre gestatten.
Eine alternative Abtastung ergibt sich bei gleichzeitiger Ausführung einer Drehbewegung des Drehtischs und einer Schleppbewegung des Tastschnittgeräts. Es ergibt sich ein spiralförmiger Tastweg, wobei die Spirale ihren Anfang an der Drehachse oder in unmittelbarer Nähe derselben, d.h. auf dem Azimuth des Objekts, nimmt.
Mit dem vorgenannten Verfahren ist eine 3D-Messung von Objekten mit Hilfe von Tastschnitten unter verschiedenen Winkeln der Drehachse und/oder Kreismessungen auf verschiedenen Radien und/oder Spiralbahnen möglich. Insbesondere eignet sich das Verfahren zur Vermessung optischer Komponenten, insbesondere asphärischer Linsen. Vorzugsweise können die Bahnen durch Vorgabe von Start- und Zielpunkten, Winkeln und/oder Radien verändert werden. Eine entsprechende Bedien- oder Auswerteeinrichtung kann dazu mit einer entsprechenden Eingabeschnittstelle versehen sein.
Die erhaltenen Tastschnitte (Schnitte, Kreisbahnen, Spiralbahnen) werden vorzugsweise in ein gleichmäßiges X-Y- Raster umgerechnet, das in einer senkrecht zur Drehachse gegebenen Ebene liegt. Die gemessenen Bahnen weisen dann punktweise Z-Werte auf, die den Abstand von der genannten Ebene kennzeichnen .
Der Zenit des Messobjekts wird vorzugsweise auf die Drehachse gelegt. Dies ergibt eine einfache und übersichtliche Messung.
Für eine Drehposition des Drehtischs gewonnene lineare Tastschnitte müssen sich nicht über das gesamte Messobjekt erstrecken. Sie können z.B. auch durch einen weiteren Schnitt nach einer Drehung des Messobjekts um 180° ergänzt werden.
Das Messobjekt kann auf dem Drehtisch mit einer gewissen Kippung montiert sein. Diese Kippung wirkt sich auf die gewonnenen Messwerte aus. Insbesondere bei der Kreisabtastung ist die Kippung leicht erfassbar. Die gewonnenen Messergebnisse können mit der erfassten Verkippung korrigiert werden.
Das vorgeschlagene Verfahren hat außerdem den Vorzug, dass nach Wechsel des Messobjekts kein erneutes Ausrichten einer oder mehrerer Messachsen oder irgendwelcher Hilfsachsen benötigt wird. Des Weiteren ist vorzugsweise eine Verstelleinheit vorgesehen, die die Position des Tastschnittgeräts in Bezug auf die Drehachse verstellen kann. Dadurch kann eine solche Einstellung gewonnen werden, dass der Tastschnitt durch den Mittelpunkt der Drehachse läuft. Die Verstelleinheit kann eine Verschiebung, Drehung oder Verschwenkung des Tastschnittge- räts oder des Tasters am Tastschnittgerät bewirken.
Das vorgestellte Verfahren eignet sich nicht nur zur Erfassung rotationssymmetrischer Flächen. Vielmehr können durch unterschiedliche Tastschnittlängen in unterschiedlichen Winkelpositionen oder unterbrochene Kreis- und Spiralbahnen auch beliebige Flächen, wie z.B. Rechteckflächen, Ellipsen, unterbrochene Flächen oder Flächen mit Ausnehmungen oder Löchern gemessen werden. Die Abtastung kann mechanisch-berührend erfolgen. Dazu werden entsprechende Tastspitzen über die Objektoberfläche geschleppt. Es können aber auch berührungslose Abtastverfahren, z.B. optische Tastverfahren zur Anwendung kommen. Auch hier wir, wie bei dem mechanischen Verfahren, ein Sensor verwendet, der eine vorzugsweise nur punktuelle Aufnahme eines Messwertes liefert, und der entsprechende Messpunkt wird dann entlang der gewünschten Abtastlinie vorzugsweise kontinuierlich über die Objektoberfläche bewegt, um fortwährend Messwerte aufzunehmen.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung und der Beschreibung. Die Beschreibung ist auf wesentliche Aspekte der Erfindung und sonstiger Gegebenheiten beschränkt. Die Zeichnung offenbart weitere Einzelheiten. Es zeigen:
Figur 1 einen Messplatz zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematisierter Darstellung und Figur 2 bis 4 verschiedene Tastwege, dargestellt als Draufsicht auf ein zu vermessendes Objekt in schematisierter Prinzipdarstellung .
In Figur 1 ist eine Messeinrichtung 1 schematisch veran- schaulicht, die dazu dient, ein Objekt 2 beispielsweise in Form einer asphärischen Linse im Tastschnittverfahren zu vermessen. Dazu dient ein Tastschnittgerät 3, das einen in Vertikalrichtung Z beweglichen Tastarm 4 mit einer Tastspitze 5 aufweist. Zur Bewegung in Z-Richtung ist der Tastarm 4 beispielsweise um eine Horizontalachse schwenkbar gelagert. Seine Schwenklagerung 6 wird von dem Tastschnittgerät 3 bereitgestellt, wie in Figur 1 durch einen Aufbruch an dem Gehäuse des Tastschnittgeräts 3 sichtbar ist. Außerdem steht der Tastarm 4 mit einem Messsystem 7 in Verbindung, das die Aus- lenkungen des Tastarms 4 erfasst und in Messwerte umsetzt. Die Messwerte geben dann in Verbindung mit den objektbezogenen Positionswerten des Antastpunkts, bei dem die Tastspitze 5 das Objekt 2 berührt, die Form des Objekts wieder. Bei besonders hoher Auflösung kann evtl . auch die Rauheit erfasst werden. Außerdem ist es möglich, Taster mit variabler Wirkrichtung einzusetzen. So kann die Messrichtung immer senkrecht zu einer gekrümmten Oberfläche gehalten werden.
Die Tastspitze 5 des Tastarms 4 ist in einem Ausführungsbeispiel eine Stahlspitze. An ihrer Stelle kann auch eine Diamantspitze oder eine sonstige mechanische Struktur Anwendung finden, die geeignet ist, über die Oberfläche des Objekts 2 geschleppt zu werden, ohne dieses zu beschädigen. Dazu liegt der Tastarm 4 vorzugsweise mit einer vorbestimmten Kraft an der Oberfläche des Objekts 2 an. Zur Erzeugung dieser in Z-Richtung nach unten gerichteten Kraft kann eine Feder oder ein sonstiger Kraftgenerator dienen, der an dem Tastarm 4 angreift. Anstelle der mechanischen Abtastung ist aber auch eine berührungslose Abtastung möglich.
Das Tastschnittgerät 3 weist eine Motorstelleinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, die Schwenklagerung 6 und mit ihr den Tastarm 4 sowie das Messsystem 7 in einer horizonta- len Richtung, beispielsweise der X-Richtung kontrolliert zu bewegen. Die X-Richtung wird auch als Schlepprichtung bezeichnet, weil der Tastarm in dieser Richtung über die Oberfläche des Objekts 2 geschleppt wird. Die Schlepprichtung erstreckt sich ungefähr in Längsrichtung des Tastarms 4. Alternativ kann das Tastschnittgerät 3 in Ruhe bleiben und das Objekt bewegt werden. Die Schlepprichtung kann dann die x- Richtung oder auch die y-Richtung sein.
Das Tastschnittgerät 3 ist durch ein Gestell, beispielsweise in Form eines Stativs 8 gehalten, das auf einer Grundplatte 9 steht. Vorzugsweise ist das Tastschnittgerät 3 an dem Stativ 8 in Vertikalrichtung Z kontrolliert verstellbar. Dazu kann ein Motorantrieb dienen, der auch als Vertikalverstellachse bezeichnet wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Stativ 8 zudem in einer weiteren Horizontalrichtung Y auf der Grundplatte 9 verstellbar gelagert. Die Verstellrichtung Y ist rechtwinklig zu der Verstellrichtung Z und zu der Schlepprichtung X. Zusätzlich kann eine Neigeachse 10 vorgesehen sein, mit der das Tastschnittgerät 3 um eine zu der Y-Richtung parallele Achse neigbar ist.
Die Grundplatte 9 trägt außerdem einen Drehtisch 11, der das Objekt 2 lagert und somit eine Werkstück- oder Prüflings- aufnahmevorrichtung bildet. Der Drehtisch 11 ist dazu eingerichtet, das Objekt 2 kontrolliert um eine Vertikalachse 12 zu drehen und in vorgegebenen Drehpositionen zu halten. Die Achse 12 ist vorzugsweise parallel zu der Säule 8 und der Verstellrichtung Z. (Es können aber auch nichtparallele Ausrichtungen genutzt werden, bei denen zwischen der Säule 8 und der Verstellrichtung Z ein Winkel eingeschlossen ist.) Die Schlepprichtung X schneidet die Drehachse 12. Dies bedeutet, dass die Tastspitze 5 beim Abtasten der Oberfläche des Ob- jekts 2 eine die Drehachse 12 schneidende Linie abfährt. Um diesen Zustand präzise einzustellen, ist entweder die Säule 8 und/oder alternativ der Drehtisch 11 in Verstellrichtung Y verstellbar. Vorzugsweise ist dazu ein Motorstellantrieb vorgesehen, der auch als Verstellachse bezeichnet wird.
Der Drehtisch 11 kann mit einer oder zwei weiteren Verstellachsen ausgerüstet sein, die in Figur 1 nicht veranschaulicht sind. Dazu gehören beispielsweise ein oder zwei Kippachsen. Beispielsweise eine erste Kippachse parallel zur X-Richtung und eine zweite Kippachse parallel zur Y-Richtung. Damit kann z.B. eine ebene Aufnähmetlache 13 des Drehtischs 11 zur Aufnahme des Objekts 2 präzise parallel zu der Verstellrichtung Y und der Schlepprichtung X ausgerichtet werden. Diese Achsen werden genutzt, um die Drehachse zu dem Objekt 2 auszurichten.
Die Tastspitze 5 ist gemäß vorstehender Beschreibung eine berührende Tastspitze, die die Oberfläche des Objekts 2 beim Messen berührt. Alternativ kann eine nicht berührende Tastspitze 5 vorgesehen sein. Beispielsweise wird eine solche durch einen Lichtstrahl gebildet, der in Richtung der Tast- spitze 5 auf die Objektoberfläche gesendet und von dieser ganz oder teilweise reflektiert wird. Durch eine geeignete optische Auswerteeinrichtung wird entweder die Länge des Lichtwegs erfasst und ausgewertet, wobei der Tastarm 4 in diesem Fall starr gehalten sein kann, oder es wird durch eine geeignete Regelschleife die Länge des Lichtwegs (von dem Tastarm 4 zu der Objektfläche) konstant gehalten und die sich ergebende Verschwenkung des Tastarms 4 registriert bzw. gemessen. Damit ist eine Abtastung besonders empfindlicher Objektoberflächen möglich. Weitere physikalische Messprinzipien sind einsetzbar. Die insoweit beschriebene Messvorrichtung 1 arbeitet wie folgt:
Nach Platzierung des Objekts 2, beispielsweise einer asphärischen Linse, auf der Aufnahmefläche 13 wird das Objekt 2 oder der Drehtisch 11 bzw. seine Aufnahmefläche zunächst so justiert, dass die Aufnähmetlache 13 parallel zu der X- und der Y-Richtung ist, und dass der Zenit 14, d.h. der höchste Punkt des Objekts 2 auf der Drehachse 12 liegt. Dies kann mit Hilfe einer oder mehrerer Probemessungen geschehen, bei denen der Zenit 14 des Objekts 2 gesucht wird. Beispielsweise sind solche Probemessungen mit mehreren Tastschnittmessungen zu bewerkstelligen, die auf zueinander parallelen Linien über die Oberfläche des Objekts 2 führen. Nach Einjustierung des Objekts 2 und außerdem Justierung des Tastschnittgeräts 3 so, dass die Schlepprichtung X die Drehachse 12 schneidet oder mit anderen Worten, dass die Tastspitze 5 genau radial zu der Drehachse 12 bewegt wird, wenn die in Schlepprichtung X wirksame Vorschubeinrichtung betätigt wird.
In dieser Einstellung wird das Objekt 2 in eine vorbestimmte Drehposition gefahren und dann die in Figur 2 angedeutete Tastschnittmessung entlang einer ersten, in Draufsicht vorzugsweise linearen Tastlinie 15 durchgeführt. Dabei wird die Tastspitze 5 entlang der Linie 15 über die Objekt- Oberfläche geschleppt. Die Tastspitze 5 folgt dabei der Kontur des Objekts 2, d.h. sie beschreibt aus Seitenansicht (Figur 1) einen Bogen. Der Tastarm 4 führt eine entsprechende Schwenkbewegung aus, die von dem Messsystem 7 registriert wird.
Nach Abtastung des Objekts 2 entlang der Linie 15 wird der Drehtisch um die Drehachse 12 beispielsweise um 90° gedreht. Dazu kann die Tastspitze 5 von der Oberfläche des Objekts 2 abgehoben werden. Alternativ kann die Tastspitze auf der Oberfläche verbleiben. Sodann wird wiederum durch Betätigung der Vorschubeinrichtung und somit Bewegung des Tastarms 4 in Schlepprichtung X eine Abtastung des Objekts 2 vorgenommen, im Rahmen derer die Tastspitze 5 entlang der Linie 16 über die Oberfläche des Objekts geschleppt wird.
Nach Durchführung dieser beiden linearen Tastschnittmessungen werden vorzugsweise Kreismessungen durchgeführt. Dies kann geschehen, indem die Tastspitze 5 in einem gegebenen Abstand d.h. mit einem ersten Radius rl zu der Drehachse 12 die Abtastung des Objekts 2 beginnt. Durch Aktivierung des Dreh- tischs 11 wird eine Abtastung entlang einer Kreislinie 17 vorgenommen. Die Bewegungen des Tastarms 4 werden von dem Messsystem 7 erfasst . Die Schleppvorrichtung bleibt stillgesetzt. Vorzugsweise erfolgt die Abtastung auf dem Radius rl und somit der Kreislinie 17 durch entsprechende Positionierung bzw. Radialverstellung zwischen der Tastspitze 5 und der Drehachse 12 durch Betätigung der Verstellachse Y. Alternativ kann der radiale Abstand rl zwischen der Tastspitze 5 und der Drehachse 12 auch durch entsprechende Einstellungen der Schleppachse X oder kombinierte durch Einstellung der Verstellachse Y und der Schleppachse X erreicht werden.
Nach Durchführung der TastSchnittmessung auf der Kreislinie 17 wird der Radius zwischen der Tastspitze 5 und der Drehachse 12 auf den Radius r2 vergrößert, so dass die Abtastung nun entlang der Kreislinie 18 vorgenommen werden kann. Hinsichtlich der Erzielung der Radialverstellung wird auf die obigen Ausführungen verwiesen. In weiterer Folge kann auf weiteren Kreislinien 19 mit dem Radius r3 , 20 mit dem Radius r4 , 21 mit dem Radius r5 usw. abgetastet werden. Die Radius- differenzen Δr zwischen den einzelnen Radien rl bis r5 können konstant oder auch zweckentsprechend anderweitig festgelegt werden, wobei besonders interessierende oder kritische Berei- che des Objekts 2 mit einer größeren Kreisliniendichte überzogen werden können.
Aus den gewonnenen Tastschnitten auf den Linien 15, 16 und den Kreislinien 17 bis 20 kann nun eine nicht weiter dargestellte Auswerteeinrichtung das Oberflächenprofil des Objekts 2 errechnen. Die gewonnenen Messwerte können in ein X- Y-Raster oder auch ein r-φ-Raster umgerechnet werden und als Messwerte ausgegeben werden. Mit einer entsprechenden Bedienvorrichtung können die Winkelpositionen der Linien 15, 16, die Radien der Kreislinien 17 bis 20 und andere Messparameter vorgegeben werden.
Figur 3 veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungs- form des erfindungsgemäßen Messverfahrens, wie es sich beispielsweise für rechteckig umrandete Objekte 2' eignet. Ein solches ist in Figur 3 gestrichelt angedeutet. An Stelle geschlossener Kreislinien sind zumindest im äußeren Bereich kreisbogenförmige Abtastlinien 21, 22 vorgesehen. Ansonsten gilt die vorige Beschreibung entsprechend.
Während bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen zur Abtastung entweder nur die Schleppachse X oder nur die Drehachse 12 des Drehtischs 11 betätigt worden ist, zeigt Figur 4 eine abgewandelte Ausführungsform, bei der die Abtastung auf einer Spirallinie 23 vorgenommen wird, die auf der Drehachse 12 oder in deren unmittelbarer Nähe entspringt. Von dort ausgehend windet sich die Spirallinie 23 mehrfach um die Drehachse 12. In einer ersten einfachen Ausführungsform wird mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit des Drehtischs 11 und einer konstanten Schleppgeschwindigkeit in Richtung der Schleppachse X gearbeitet. Es entsteht eine Spirale mit konstanter Steigung. In vielen Fällen ist eine Spirale mit nach außen zunehmender Steigung gewünscht, wie sie in Figur 4 angedeutet ist. Eine solche kann erreicht werden, indem der Drehtisch mit zunehmendem Radius der Tastspitze 5 immer langsamer gedreht wird. Dies hat einerseits den gewünschten Effekt der Zunahme der Spiralsteigung mit zunehmendem Radius und andererseits den Effekt einer Minderung der Zunahme der Gleitgeschwindigkeit der Tastspitze 5 mit zunehmendem Radius. Wenn gewünscht, kann die Gleitgeschwindigkeit der Tastspitze 5 auch konstant gehalten werden. Es ist auch möglich, die Drehzahl des Drehtischs 11 konstant zu halten und die Schleppgeschwindigkeit zu variieren. Außerdem können bei einer weiteren Ausführungsform sowohl die Drehzahl des Drehtischs 11 als auch die Schleppgeschwindigkeit in Richtung der Schleppachse X variiert werden.
Zur Durchführung von 3D-Messungen ist die Kombination eines Drehtischs 11 zur Aufnahme eines Objekts 2 mit einem Tastschnittgerät 3 zur Abtastung der Oberfläche des Objekts 2 vorgesehen. Die Abtastung der Objektoberfläche erfolgt bei zumindest zwei verschiedenen Drehpositionen des Objekts 2. Vorzugsweise werden Tastlinien gewählt, die sowohl radial zu der Drehachse 12 des Drehtischs 11 wie auch in Umfangsrich- tung bezogen auf die Drehachse 12 verlaufen. Diese Abtastungen können gesondert nacheinander als radiale lineare Abtastungen und als Kreisabtastungen sowie auch gleichzeitig als Spiralabtastung durchgeführt werden. In jedem Fall werden Messwerte gewonnen, aus denen sich die räumliche Gestalt der Objektoberfläche mit hoher Genauigkeit und in kurzer Messzeit ergibt .
Bezugszeichenliste
1 Messvorrichtung
2 Objekt
3 Tastschnittgerät
Z Vertikalrichtung
4 Tastarm
5 Tastspitze
6 Schwenklagerung
7 Messsystem
8 Stativ
9 Grundplatte
X Schlepprichtung
Y, Z Verstellrichtung
10 Neigeachse
11 Drehtisch
12 Drehachse
13 Aufnahmefläche
14 Zenit
15, 16 Linie rl - r5 Radius
17 - 20 Kreislinie
21, 22 Tastlinien
23 Spirallinie
X, Y, Z allgemeine Koordinatenrichtungen
A, B, C allgemeine Schwenkachsen
HZ, HY, HX lineare HilfSachsen, z.B. für Säule 8
HA, HC Schwenkhilfsachsen, z.B. für Säule 8
HB Schwenkhilfsachse, z.B. als Achse 10 für Tast schnittgerät 3
U, V, W . Koordinatenrichtungen für die Tastspitze 5
TX, TY, TZ lineare Stellachsen des Drehtischs 11
TA, TB, TC Neigeachsen des Drehtischs 11

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Vermessung räumlicher Objekte (2), insbesondere asphärischer Linsen,
bei dem mittels eines Tastschnittgeräts (3) Tastschnitte der Objektoberfläche unter verschiedenen Relativ- Drehpositionen des Objekts (2) in Bezug auf das Tastschnittgerät (3) aufgenommen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Tastschnittgeräts (3) mindestens zwei lineare Tastschnitte (15, 16) aufgenommen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (2) bei der Aufnahme der Tastschnitte (15, 16) in Ruhe bleibt und dass das Objekt (2) zwischen der Aufnahme der wenigstens zwei Tastschnitt (15, 16) um einen Winkelbetrag um eine Achse (12) gedreht wird, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Schlepprichtung (x) des Tastschnittgeräts (3) steht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (2) bei der Aufnahme von Tastschnitten (17 - 20) um eine Achse (12) gedreht wird, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Schlepprichtung (x) des Tast- schnittgeräts (3) steht, wobei das Tastschnittgerät (3) währen der Messung keine Schleppbewegung ausführt, so dass die Tastschnitte (17 - 20) im Wesentlichen Kreislinien (17 - 20) oder Kreisbögen (21, 22) sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreislinien (17 - 20) zueinander konzentrisch und in Radialrichtung äquidistant sind.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreislinien (17 - 20) zueinander konzentrisch und in Radialrichtung nicht äquidistant sind.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung nach Anspruch 3 und die Messung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 nacheinander ausgeführt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (2) bei der Aufnahme der Tastschnitte (23) um eine Achse (12) gedreht wird, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Schlepprichtung (x) des Tastschnitt- geräts (3) steht, wobei das Tastschnittgerät (3) währen der Messung zugleich eine Schleppbewegung in Schlepprichtung (x) ausführt, so dass sich für den Tastschnitt eine Spiralbahn (23) ergibt.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Objekt (2) vor Durchführung der Messung ein Ze- nitpunkt (14) gesucht und dieser mit einer Drehachse
(12) in Übereinstimmung gebracht wird, die von einer Aufnahmeeinrichtung (11) für das Objekt (2) festgelegt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den im Tastschnittverfahren gewonnenen Messwerten Oberflächenpunkte des Objekts (2) errechnet werden, die durch ein festgelegtes Gitternetz vorgegeben sind.
11. Vorrichtung zur Vermessung räumlicher Objekte (2), insbesondere asphärischer Linsen,
mit einem Tastschnittgerät (3), das einen Tastarm (4) mit einer Tastspitze (5) aufweist, die vertikal beweg- lieh gehalten ist, wobei das Tastschnittmessgerät (3) dazu eingerichtet ist, den Tastarm (4) mit der Tastspitze (5) über die Objektoberfläche zu schleppen, wobei ein Messsystem (7) Auslenkungen der Tastspitze (5) erfasst und in Messwerte umsetzt,
mit einem Drehtisch (11) , der eine um eine vertikale Drehachse (12) drehbare Aufnahmefläche (13) zur Aufnahme de Objekts (2) aufweist, und
mit einer Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, mittels des Tastschnittgeräts (3) Tastschnitte der Objektoberfläche unter verschiedenen Relativ- Drehpositionen des Objekts (2) in Bezug auf das Tast- schnittgerät (3) aufzunehmen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastarm (4) des Tastschnittgeräts (3) um eine horizontale Achse schwenkbar gelagert ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Tastspitze (5) eine mechanische Tastspitze ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Tastspitze (5) eine optische Tastspitze ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastschnittgerät (3) und der Drehtisch (11) vertikal zueinander verstellbar sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastschnittgerät (3) und der Drehtisch (11) horizontal und quer zu der von dem Tastschnittmessgerät (3) festgelegten Schlepprichtung (x) zueinander verstellbar sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastschnittgerät (3) in einer Neigerichtung
(10) verstellbar gehalten ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Tastspitze (5) eine mechanische Tastspitze ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dassdie Tastspitze (5) eine nichtberührende Tastspitze ist.
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