WO2012107225A1 - Verfahren und vorrichtung zur hochpräzisen vermessung von oberflächen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur hochpräzisen vermessung von oberflächen Download PDF

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WO2012107225A1
WO2012107225A1 PCT/EP2012/000575 EP2012000575W WO2012107225A1 WO 2012107225 A1 WO2012107225 A1 WO 2012107225A1 EP 2012000575 W EP2012000575 W EP 2012000575W WO 2012107225 A1 WO2012107225 A1 WO 2012107225A1
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distance
sensor
holder
point
measuring
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PCT/EP2012/000575
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English (en)
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Christian AM WEG
Gernot Berger
Thilo MAY
Ralf Nicolaus
Jürgen Peter
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Luphos Gmbh
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Publication date
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    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/04—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
    • G—PHYSICS
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    • G01B21/20—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring contours or curvatures, e.g. determining profile

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for
  • Multi-wavelength interferometry operating distance sensor which uses a plurality of laser light sources whose emitted wavelengths are in the optical telecommunications range between 1520 nm and 1630 nm.
  • the signals of the lasers used in this case are combined by multiplexers in a common fiber and passed to a multi-wavelength sensor head.
  • Such a multi-wavelength distance measuring method basically allows one
  • Distance sensor is placed on a rotatable device, which is itself arranged on a platform which is movable relative to a measuring frame. Further, on the distance sensor receiving the rotary device is a
  • Measuring surface provided, the distance to the measuring frame by means of a device for contactless distance measurement is measured.
  • Rotary measuring device for measuring the rotational angle between two measuring directions provided, wherein the first measuring direction is predetermined by the movement direction between the platform and the measuring frame, the second measuring direction by the distance between the distance sensor and the surface of the element to be measured.
  • contactless scanning sensor plays the movement and the positioning accuracy of the sensor relative to the object to be measured a crucial role.
  • the sensor In order to accurately determine the distance between the distance sensor and the surface to be measured, the sensor must be aligned substantially orthogonal to the surface to be measured and adjust its orientation according to the contour of the object to be measured. For this adjustment both translational and rotational movements of the sensor are to be carried out.
  • Rotary movement of the sensor caused position shift of the sensor to be corrected.
  • the mechanical tolerances of the sensor bearing do not cause reproducible position changes of the sensor in different
  • the present invention is based on the object, a
  • Rotary movement of the sensor head conditional position inaccuracies of the sensor determined in a simple manner and should be compensated accordingly.
  • the device should be characterized by a simple, space-saving and inexpensive to implement construction. Also, it should be designed as resistant to external interference.
  • Embodiments of the invention are each the subject of dependent claims.
  • the device according to the invention is at least one for measuring
  • the device has at least one fixable with respect to the carrier
  • Reference object. Carrier and reference object need not necessarily be connected to each other or mechanically coupled. It is basically sufficient if the centers of gravity or axes of symmetry of the object carrier, of the object itself and / or of the reference object are not moved relative to each other during a surveying procedure, but remain static at their respective positions; are fixed to each other, so to speak. A rotational movement of the object, preferably about one of its axes of symmetry is to measure his Overall surface provided. For the measurement of the surface of the object, however, the determination of a relative distance to the reference object is not required.
  • the device further has a holder movable in at least a first direction relative to the reference object. On this holder, a reference body and a distance meter or a distance measuring device are arranged.
  • Distance meter and reference body are rotatably mounted relative to each other.
  • the distance meter is further configured to determine a first distance to a first point of the surface section of the object to be measured as well as a second distance to a second point of the reference body corresponding thereto.
  • the first distance to be determined by means of the distance meter represents the actual measurement signal, while on the basis of the measured second distance an approximately rotation-related relative displacement between the distance meter and the reference body also arranged on the movable holder can be determined.
  • a distance correction for the first measured distance can be made.
  • a non-reproducible displacement of the sensor caused by the rotational movement of the distance meter and a resulting falsification of the measured values can be compensated for by determining the second distance from a reference body known with regard to its contour and position.
  • An offset between an axis of rotation and a measuring axis of the distance meter can be determined by determining the first and second distances and by a relative
  • Alignment of reference body and distance meter are computationally compensated.
  • the position of the movable holder with respect to the at least one reference object is preferably determined with at least one further distance meter, in particular with a number of distance sensors, in order indirectly to determine the position of the
  • the distance meter arranged on the movable holder has a first one facing the object to be measured
  • the first distance sensor is used for a distance measurement between
  • the position of the holder in turn can be determined by means of at least one, preferably by means of two in different directions
  • the two distance sensors are in this case preferably arranged in a common plane, which is transverse to the orientation of a rotation axis of the
  • the directions along which the two sensors measure the distance to the reference body, respectively to the object surface lie in a common plane.
  • the distance meter is rotatably mounted on the movable holder and the reference body is rotatably mounted on the holder.
  • the fixation of the reference body on the holder in particular allows a high-precision determination of the position of the distance blade relative to the holder itself.
  • the reference body has a reference surface tuned to the rotational mobility of the distance meter.
  • the reference surface is designed such that a measurement signal emitted by the second distance sensor can be reflected by the reference surface and detected again by the second distance sensor.
  • Concave mirror is formed with a substantially circular segment-like geometry, wherein the center of the concave mirror substantially with the axis of rotation of
  • the reference surface is in particular a hollow cylindrical shape, wherein the imaginary cylinder axis extends substantially parallel to the axis of rotation of the distance meter. Notwithstanding this, the reference surface may also have a polygonal shape or any concave curved shape that can be determined by means of calibration.
  • the first distance sensor is preferably oriented in such a way that its measuring axis or that of the optical measuring signals emitted by it impinge approximately orthogonally on the surface section to be measured, where they are reflected back to the first distance sensor. Because the second distance sensor is oriented in the opposite direction, the distance determined thereby can be used directly for correcting the measurement signal of the first distance sensor.
  • the second distance measured by the second distance sensor is a direct measure of the distance correction to be made for the first distance sensor. In this case, it is only necessary to determine the contour or position and course of the reference surface of the reference body once in the course of a calibration of the device, so that a corresponding length or distance correction of the determined measured values corresponding to the respective prevailing orientation or angular position of the distance meter takes place can. For the calibration of the device, an adjustment of the second distance to each possible angular position of the
  • the third distance sensor can be arranged either on the reference object or on the holder itself.
  • the holder or the reference object has a corresponding measuring or mirror surface.
  • a second reference object wherein the holder is also movably mounted relative to the second reference object.
  • Flexibility of the holder with respect to the preferably in a corresponding plane extending reference objects allows a method of the holder preferably in the plane perpendicular to the axis of rotation of the distance meter.
  • a fourth distance sensor for two-dimensional position determination of the holder with respect to the reference objects is used.
  • the carrier supporting the object is rotatably mounted in order to displace all surface points of the object to be measured into the plane predefined by the measuring device.
  • the first point which lies on a surface section of the object to be measured and the second point, which defines a position corresponding to the angular position of the distance meter on the reference body or on its reference surface, on an imaginary line lie or define a line along which the first and the second distance sensor are aligned.
  • the two diametrically oppositely oriented distance sensors of the distance meter are aligned in such a way that a measuring beam emanating from the first distance sensor in the
  • the carrier which serves for the rotatable mounting of the object to be measured, and the reference object are mechanically decoupled from one another, ie they can be arranged within predetermined limits as desired.
  • the positioning of the carrier relative to the reference object need not be determined for performing a surface measurement of the object.
  • the distance meter with its two oppositely oriented distance sensors measures the distance between the reference body and the one to be measured
  • a control unit is provided, which is designed to at least the first distance sensor along the
  • the control unit preferably serves for automatic adjustment and rotational movement of the distance sensor in such a way that the signals emitted by it are reflected back by the object.
  • a return reflection takes place in the region of 180 ° with respect to the emitted signal.
  • it can also be up to 3 °, 5 °, or 10 ° from the
  • Deviated surface normals of the surface to be examined section In the case of rough or scattering surfaces, other deviations of the sensor from the surface normal may be necessary.
  • the orientation of the sensor can be specified by a control unit.
  • Distance sensor detectable distance from the reference body can be used directly to correct the distance value can be determined by the first sensor.
  • the orientation of the two sensors or the distance meter with respect to the at least one reference object plays no role. For the correction or compensation of a caused by rotation and / or displacement of the sensor change of the first distance in particular no
  • Position coordinates of the first and / or the second sensor are determined.
  • the two distances that can be determined by the mutually oppositely oriented sensors can be supplied to a control unit for performing an immediate error correction.
  • all distance sensors are fiber-optically coupled to at least one light source. Free beam propagation occurs only between the respective distance sensors and one each
  • the fiber optic connection is
  • At least the first distance sensor facing the object is coupled to a plurality of light sources of different wavelengths in order to determine the distance to the object by means of a multi-wavelength measuring principle.
  • a multi-wavelength measurement method enables a high-precision distance measurement with a resolution in the nanometer or
  • monochromatic lasers whose wavelength is in the range between 1520 and 1630 nm are preferably used.
  • the laser wavelengths used are typically in the S, C or L band of the optical telecommunication spectrum.
  • the laser light sources are by no means limited to the infrared spectral range. In principle, wavelengths in the visible or UV spectral range can also be used.
  • the invention can also be implemented for a distance meter operating with only one wavelength.
  • the uniqueness range of the received signals can be visibly increased.
  • the distance measurement to the object to be measured is preferably carried out according to the method described in DE 10 2008 033 942 B3.
  • the respective phase or phase position of the rays reflected from the object surface becomes
  • the invention further relates to a method for measuring at least one surface portion of a on a support stored object.
  • the object is at least opposite a stationary
  • Distance measuring are arranged is moved in a contactless scanning the object movement in at least a first direction relative to the reference object as well as with respect to the object to be measured. In the course of this scanning
  • Movement is determined by means of the distance meter, a first distance to a first point of the surface portion of the object and a second distance to a corresponding thereto second point of the reference body. From the measurement of these two distances, a distance between the two points can be precisely determined.
  • the position of the second point on the reference body is known and the position or relative position of the reference body relative to the reference object is measured by means of at least one further distance sensor, in this way the position of the first point located on the object can be compared with the known one Reference object can be determined clearly and with a precision in the nanometer or subnanometer range.
  • At least one third distance sensor is provided which determines the distance between the reference object and the holder at least along a first direction.
  • an at least fourth distance sensor is further provided, which is preferably aligned substantially perpendicular to the third sensor to determine the position of the holder in the plane defined by a first and a second reference object level.
  • the position of the first point of the surface section of the object to be measured with respect to the reference object is determined on the basis of the first and the second distance, thus the distance between the reference body and the object to be measured, and the distance between the reference object and the movable holder becomes.
  • the entire surface can be scanned point by point and measured with precision in the nanometer or subnanometer range.
  • Fig. 1 is a schematic side view of the device for measuring a
  • FIGS. 2 and 2 are enlarged views of the movably mounted holder and a schematic representation of the fiber optic coupling of the distance sensors shown in FIGS. 2 and 2 with various laser light sources and associated detectors.
  • the measuring device schematically illustrated in FIG. 1 has two reference objects 18, 20 arranged orthogonally to one another, of which the reference object 18 extends substantially in a first direction (x) and the second reference object 20 in a direction perpendicular thereto (y).
  • the reference object 18 extends substantially in a first direction (x) and the second reference object 20 in a direction perpendicular thereto (y).
  • individual reference surfaces 22, 24 are provided, which may be formed in the present embodiment as mirror surfaces.
  • the measuring device 10 has a rotatably mounted carrier 12, on which an object 14 to be measured, such as an optical component, such as a lens 14, is arranged.
  • the slide 12 is rotatable about a rotation axis 16 stored.
  • the measuring device 10 has a holder 26 that is movable in the xy plane and that is shown in an enlarged view in FIG. 2.
  • the holder 26 has an unspecified base plate on which a reference body 28 and a bearing 32 for rotatably supporting two
  • the reference body 28 has a the
  • Cylinder inner wall formed mirror or reference surface 30 This is preferably formed as a concave mirror.
  • the contour of the reference surface 30 is to be measured precisely to calibrate the measuring device 10.
  • the contour and the individual points 54 to be scanned on the reference surface 30 are known with regard to their position and deposited in an evaluation unit.
  • Distance meter is rotatably supported on the bearing 32 with respect to a rotation axis 48.
  • the axis of rotation 48 in this case is preferably orthogonal to that of the two
  • Reference objects 18, 20 spanned plane (x, y).
  • the distance sensor 34 directed to the object 14 is here preferably designed as a multi-wavelength sensor, which is used to determine an absolute distance between the sensor 34 or between its measuring head 50 and a selected first point 52 on the
  • the two sensors 34, 36 are fixed to each other here. They are also relative to the axis of rotation 48 diametrically aligned with each other. A change in the
  • the sensor 34 measures in reflection geometry. That is, the measuring beam directed at the point 52 is reflected back identically and again detected by the measuring head 50, and finally fed to a sensor or detection unit 76, 78, 80, 82, coupled to the measuring head 34 and indicated in FIG. 3.
  • a sensor or detection unit 76, 78, 80, 82 coupled to the measuring head 34 and indicated in FIG. 3.
  • a rotation of the distance sensor 34, 36 about the axis of rotation 48 may bring a displacement of the distance sensor 34 relative to the holder 26 with it.
  • the second distance sensor 36 By the second distance sensor 36 is aligned in a direction opposite to the first sensor 34 on the reference surface 30 of the reference body 28, an approximately caused by the rotational movement 42 of the distance blade 34, 36 translation with respect to the known reference body 28 can be measured precisely and in the course the electronic evaluation recorded or
  • the sensor 34 learns about a rotation due to a shift, for example, in
  • any rotational position inaccuracies of the distance meter 34, 36 may be precisely compensated by the second sensor 36 by measuring a second distance 40 from a selected second point 54 on the reference surface 30.
  • the position of the holder 26 relative to the reference objects 18, 20 can be effected by means of two further distance sensors 56, 58 which respectively determine the distance 44 in the y direction and the distance 46 in the x direction to the respective reference object 18, 20.
  • the orientation of the distance meter 34, 36 with respect to the geometry or position of the reference body 28 results from the point 52 to be measured on the surface of the object 14. It is conceivable here by means of suitable sensors and electromechanical actuators directed towards the object 14
  • Align distance sensor 34 always orthogonal to the respective point 52.
  • the angle of the first and / or second distance sensor 34, 36 set in this case can then be used to determine the distance 40.
  • the distance value 40 actually measured at the predetermined angle can be compared with a reference value recorded in the course of a calibration process. The deviation results directly in a length correction for the measured distance 38.
  • Fig. 3 is further that of the measuring device shown in Figs. 1 and 2
  • the measuring device has four laser light sources 60, 62, 64, 66 of different wavelengths. All laser signals are here the
  • Multi-wavelength distance sensor 34 fed fiber optically.
  • the distance 38 to an object 14 to be measured can be measured by a multi-wavelength measuring method.
  • At least one of the lasers 60 used is also used for the remaining three distance sensors 36, 56, 58.
  • the distance sensors 36, 56, 58 are fed by one and the same laser light source. Each of these sensors can accordingly determine the distance, sketched out in FIG. 2, of the respective associated reference body 28 or reference object 18, 20.
  • the measurement signals detected by the sensors 36, 56 and 58 in reflection geometry are supplied to individual detectors 70, 72, 74 in fiber optic fashion, the signals of which are fed to a central evaluation unit 84.
  • the main distance sensor 34 which is designed to measure a per se unknown topology or surface of the object 14, is supplied with signals from a total of four laser light sources 60, 62, 64, 66.
  • the signal also detected in reflection geometry is taken from the detector of the
  • Distance sensor 34 is a fiber splitter or demultiplexer 86 supplied to the detected and reflected from the surface of the object 14 interferometric measurement signal individual detectors 76, 78, 80, 82 wavelength selective feeds.
  • Subnanometer #2 be determined precisely.

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung zumindest eines Oberflächenabschnitts eines auf einem Träger (12) gelagerten Objekts (14), mit: zumindest einem gegenüber dem Träger (12) fixierbaren Referenzobjekt (18, 20) und einem in zumindest einer ersten Richtung (x, y) gegenüber dem Referenzobjekt (18, 20) beweglichen Halter (26), an welchem ein Referenzkörper (28) sowie ein Abstandsmesser (34, 36) angeordnet sind, die relativ zueinander drehbar gelagert sind, wobei der Abstandsmesser (34, 36) dazu ausgebildet ist, einen ersten Abstand (38) zu einem ersten Punkt (52) des Oberflächenabschnitts des Objekts (14) und einen zweiten Abstand (40) zu einem hiermit korrespondierenden zweiten Punkt (54) des Referenzkörpers (28) zu bestimmen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur hochpräzisen Vermessung von Oberflächen Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur
hochpräzisen Vermessung der Topologie bzw. der Oberfläche eines beliebigen Objekts auf der Grundlage einer optischen, berührungslosen Abtastung des Objekts. Stand der Technik
Zur Qualitätssicherung als auch zur Überwachung von industriellen
Herstellungsprozessen, insbesondere im Bereich der Feinwerktechnik, Optik sowie in der Fertigungstechnik mechanischer und elektrischer Mikrostrukturen besteht ein wachsender Bedarf hinsichtlich einer möglichst hochauflösenden und präzisen
Vermessung von Werkstück-Oberflächen.
So ist beispielsweise aus der DE 10 2008 033 942 B3 ein auf dem Prinzip der
Mehrwellenlängen-Interferometrie operierender Abstandssensor bekannt, welcher mehrere Laserlichtquellen verwendet, deren emittierte Wellenlängen im optischen Telekommunikationsbereich zwischen 1520 nm und 1630 nm liegen. Die Signale der hierbei verwendeten Laser werden durch Multiplexer in einer gemeinsamen Faser zusammengeführt und zu einem Mehrwellenlängen-Sensorkopf geleitet. Ein solches Mehrwellenlängen-Abstandsmessverfahren ermöglicht prinzipiell eine
interferometrische Abtastung von Topologien und Oberflächen beliebiger Objekte in Reflexionsgeometrie, wobei mittels des Mehrwellenlängen-Verfahrens ein
vergleichsweise großer, eindeutig zuordenbarer Messbereich bereitgestellt und darüber hinaus eine Messgenauigkeit im Nanometer- bzw. sogar im Subnanometerbereich erreicht werden kann.
Ferner ist aus der DE 60 2004 004 916 T2 eine optische Freiform-Oberflächen- Messvorrichtung bekannt, bei welcher ein konturabtastender Abstandssensor im Wesentlichen orthogonal zu einer zu messenden Oberfläche platziert wird. Der
Abstandssensor ist dabei auf einer drehbaren Vorrichtung platziert, welche selbst auf einer Plattform angeordnet ist, die gegenüber einem Messrahmen beweglich ist. Ferner ist auf der den Abstandssensor aufnehmenden drehbaren Vorrichtung eine
Messoberfläche vorgesehen, deren Abstand zum Messrahmen mittels einer Einrichtung zur kontaktlosen Abstandsmessung gemessen wird. Schließlich ist eine
Drehmesseinrichtung zum Messen des Drehwinkels zwischen zwei Messrichtungen vorgesehen, wobei die erste Messrichtung durch die Bewegungsrichtung zwischen Plattform und Messrahmen, die zweite Messrichtung durch den Abstand zwischen dem Abstandssensor und der Oberfläche des zu vermessenden Elements vorgegeben ist.
Bei derartigen, etwa in einer Scanbewegung die Oberfläche eines Objektes
berührungslos abtastenden Sensors spielt die Bewegung und die Positioniergenauigkeit des Sensors gegenüber dem zu vermessenden Objekt eine entscheidende Rolle.
Um den Abstand zwischen dem Abstandssensor und der zu vermessenden Oberfläche präzise ermitteln zu können, muss der Sensor im Wesentlichen orthogonal zur zu vermessenden Oberfläche ausgerichtet sein und seine Ausrichtung entsprechend der Kontur des zu vermessenden Objekts anpassen. Für diese Anpassung sind sowohl Translations- als auch Drehbewegungen des Sensors durchzuführen.
Während eine Translationsbewegung des Sensors mittels weiterer Abstandssensoren gegenüber einer feststehenden Referenz mit ausreichend hoher Genauigkeit ermittelt werden kann, erweist sich jedoch gerade ein Drehen bzw. Verkippen des Sensors als problematisch.
Bei der geforderten Messgenauigkeit im Nanometer- oder Subnanometerbereich bewirkt eine Drehung des Sensors ferner auch stets eine nicht zu vernachlässigende translatorische Verschiebung des Sensors gegenüber der den Sensor tragenden Plattform. So muss das Messsignal des Sensors zumindest um die durch die
Drehbewegung des Sensors verursachte Positionsverschiebung des Sensors korrigiert werden. Die mechanischen Toleranzen des Sensor-Lagers verursachen nicht reproduzierbare Positionsveränderungen des Sensors in unterschiedlichen
Winkelstellungen. Es ist daher erforderlich, die Position des Sensors für jede mögliche Ausrichtung des Sensors präzise zu bestimmen. Aufgabe
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum hochpräzisen Vermessen von Oberflächen von Objekten bereitzustellen, wobei etwaige, z.B. durch eine
Drehbewegung des Sensorkopfs bedingte Positionsungenauigkeiten des Sensors in einfacher Art und Weise bestimmt und entsprechend kompensiert werden sollen. Die Vorrichtung soll sich dabei durch einen möglichst einfachen, platzsparenden sowie kostengünstig zu implementierenden Aufbau auszeichnen. Auch soll sie möglichst widerstandsfähig gegenüber äußeren Störeinflüssen ausgebildet sein.
Erfindung und vorteilhafte Wirkungen
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie mit einem Verfahren nach Patentanspruch 14 gelöst, wobei vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung jeweils Gegenstand abhängiger Ansprüche sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Vermessung zumindest eines
Oberflächenabschnitts eines auf einem Träger gelagerten Objekts ausgebildet. Die Vorrichtung weist dabei zumindest ein gegenüber dem Träger fixierbares
Referenzobjekt auf. Träger und Referenzobjekt müssen dabei nicht zwingend miteinander verbunden oder mechanisch gekoppelt sein. Es ist grundsätzlich ausreichend, wenn die Schwerpunkte oder Symmetrieachsen des Objektträgers, des Objekts selbst und /oder des Referenzobjekts während einer Vermessungsprozedur nicht zueinander bewegt werden, sondern statisch an ihrer jeweiligen Position verweilen; sozusagen zueinander ortsfixiert sind. Eine Drehbewegung des Objekts, bevorzugt um eine seiner Symmetrieachsen ist dabei zur Vermessung seiner Gesamtoberfläche vorgesehen. Für die Vermessung der Oberfläche des Objekts ist die Ermittlung eines relativen Abstandes zum Referenzobjekt jedoch nicht erforderlich. Die Vorrichtung weist ferner einen in zumindest einer ersten Richtung gegenüber dem Referenzobjekt beweglichen Halter auf. An diesem Halter sind ein Referenzkörper sowie ein Abstandsmesser oder eine Abstandsmesseinrichtung angeordnet.
Abstandsmesser und Referenzkörper sind dabei relativ zueinander drehbar gelagert.
Der Abstandsmesser ist ferner dazu ausgebildet, einen ersten Abstand zu einem ersten Punkt des zu vermessenden Oberflächenabschnitts des Objekts als auch einen zweiten Abstand zu einem hiermit korrespondierenden zweiten Punkt des Referenzkörpers zu bestimmen. Der mittels des Abstandsmessers zu ermittelnde erste Abstand stellt das eigentliche Messsignal dar, während anhand des gemessenen zweiten Abstands eine etwa rotationsbedingte Relativverschiebung zwischen dem Abstandsmesser und dem, ebenfalls am beweglichen Halter angeordneten, Referenzkörper ermittelt werden kann. Anhand des zu messenden zweiten Abstands kann insoweit eine Abstandskorrektur für den ersten gemessenen Abstand erfolgen.
Eine etwa durch die Drehbewegung des Abstandsmessers hervorgerufene nicht reproduzierbare Verschiebung des Sensors und ein daraus resultierende Verfälschung der Messwerte kann durch die Bestimmung des zweiten Abstands gegenüber einem, hinsichtlich seiner Kontur und Position bekannten Referenzkörper kompensiert werden. Ein Offset zwischen einer Drehachse und einer Messachse des Abstandsmessers kann durch Ermittlung der ersten und zweiten Abstände sowie durch eine relative
Ausrichtung von Referenzkörper und Abstandsmesser rechnerisch kompensiert werden.
Die Position des beweglichen Halters in Bezug auf das zumindest eine Referenzobjekt wird bevorzugt mit zumindest einem weiteren Abstandsmesser, insbesondere mit einer Anzahl Abstandssensoren ermittelt, um auf mittelbarem Wege die Position des
Abstandsmessers gegenüber dem Referenzobjekt bestimmen zu können. Nach einer bevorzugten Weiterbildung weist der am beweglichen Halter angeordnete Abstandsmesser einen dem zu vermessenden Objekt zugewandten ersten
Abstandssensor und einen zweiten, dem Referenzkörper zugewandten Abstandssensor auf. Der erste Abstandssensor dient einer Abstandsmessung zwischen
Abstandsmesser und zu vermessendem Objekt, während der zweite Abstandssensor zur Bestimmung der Position des Abstandsmessers bzw. des ersten Abstandssensors relativ zum beweglichen Halter dient. Die Position des Halters wiederum kann mittels zumindest eines, bevorzugt mittels zweier in unterschiedlichen Richtungen
ausgerichteter Sensoren gegenüber dem zumindest einen, bevorzugt gegenüber zwei Referenzobjekten bestimmt werden.
Die beiden Abstandssensoren sind hierbei bevorzugt in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, die sich transversal zur Ausrichtung einer Drehachse des
Abstandsmessers erstreckt. Insoweit liegen die Richtungen, entlang welcher die beiden Sensoren den Abstand zum Referenzkörper, respektive zur Objektoberfläche messen in einer gemeinsamen Ebene.
In Weiterbildung hiervon ist der Abstandsmesser drehbar am beweglichen Halter gelagert und der Referenzkörper ist drehfest am Halter angeordnet. Die Fixierung des Referenzkörpers am Halter ermöglicht insbesondere eine hochpräzise Bestimmung der Position des Abstandsmessers gegenüber dem Halter selbst.
In Weiterbildung hiervon weist der Referenzkörper eine auf die Drehbeweglichkeit des Abstandsmessers abgestimmte Referenzfläche auf. Die Referenzfläche ist derart ausgebildet, dass ein vom zweiten Abstandssensor emittiertes Messsignal von der Referenzfläche reflektiert und vom zweiten Abstandssensor wieder detektiert werden kann.
Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die Referenzfläche als eine Art
Hohlspiegel mit einer im Wesentlichen kreissegmentartigen Geometrie ausgebildet ist, wobei der Mittelpunkt des Hohlspiegels im Wesentlichen mit der Drehachse des
Abstandsmessers bzw. mit der Drehachse des ersten und/oder des zweiten Abstandssensors zusammenfällt. Die Referenzfläche ist insbesondere hohlzylindrischer Gestalt, wobei sich die gedachte Zylinderachse im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Abstandsmessers erstreckt. Abweichend hiervon kann die Referenzfläche auch eine polygonale Form oder eine beliebige, mittels Kalibrierung ermittelbare konkav gekrümmte Formgebung aufweisen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind der erste und der zweite
Abstandssensor des Abstandsmessers diametral entgegengesetzt zueinander ausgerichtet bzw. angeordnet. Der erste Abstandssensor ist bevorzugt derart ausgerichtet, dass seine Messachse bzw. dass die von ihm emittierten optischen Messsignale annähernd orthogonal auf dem zu vermessenden Oberflächenabschnitt auftreffen und dort wieder zum ersten Abstandssensor reflektiert werden. Dadurch, dass der zweite Abstandssensor in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet ist, kann der dabei ermittelte Abstand unmittelbar zur Korrektur des Messsignals des ersten Abstandssensors Verwendung finden.
Der vom zweiten Abstandssensor gemessene zweite Abstand ist ein direktes Maß für die vorzunehmende Abstandskorrektur für den ersten Abstandssensors. Es ist hierbei lediglich erforderlich, die Kontur bzw. Position und Verlauf der Referenzfläche des Referenzkörpers im Zuge einer Kalibrierung der Vorrichtung einmal präzise zu bestimmen, damit eine entsprechende, der jeweils vorherrschenden Ausrichtung bzw. Winkelstellung des Abstandsmessers entsprechende Längen- oder Abstandskorrektur der ermittelten Messwerte erfolgen kann. Für die Kalibrierung der Vorrichtung ist ein Abgleich des zweiten Abstands zu jeder möglichen Winkelstellung des
Abstandsmessers in Bezug auf den Referenzkörper vorzunehmen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Abstand zwischen dem
Referenzobjekt und dem beweglichen Halter mittels zumindest eines dritten
Abstandssensors bestimmbar. Der dritte Abstandssensor kann dabei entweder am Referenzobjekt oder am Halter selbst angeordnet sein. Zur Bestimmung des Abstandes bzw. der Position des Halters in Bezug auf das Referenzobjekt weist der Halter bzw. das Referenzobjekt eine entsprechende Mess- oder Spiegelfläche auf. Insbesondere für eine die gesamte Oberfläche des zu vermessenden Objekts abtastende Bewegung des Halters ist ein zweites Referenzobjekt vorgesehen, wobei der Halter auch gegenüber dem zweiten Referenzobjekt beweglich gelagert ist. Eine zweidimensionale
Beweglichkeit des Halters gegenüber den sich bevorzugt in einer entsprechenden Ebene erstreckenden Referenzobjekten ermöglicht ein Verfahren des Halters bevorzugt in der Ebene senkrecht zur Drehachse des Abstandsmessers. Insoweit ist es von Vorteil, wenn ein vierter Abstandssensor zur zweidimensionalen Positionsbestimmung des Halters in Bezug auf die Referenzobjekte Verwendung findet. Weiterhin kann vorgesehen werden, dass der das Objekt lagernde Träger drehbar gelagert ist, um sämtliche zu vermessende Oberflächenpunkte des Objekts in die von der Messeinrichtung vorgegebene Ebene zu verlagern.
In einer alternativen Ausgestaltung kann ferner vorgesehen werden, dass der erste Punkt, welcher auf einem zu vermessenden Oberflächenabschnitt des Objektes liegt und der zweite Punkt, der eine der Winkelstellung des Abstandsmessers entsprechende Stelle auf dem Referenzkörper bzw. auf seiner Referenzfläche definiert, auf einer gedachten Linie liegen bzw. eine Linie definieren, entlang derer der erste und der zweite Abstandssensor ausgerichtet sind. Mit anderen Worten sind die beiden diametral entgegengesetzt ausgerichteten Abstandssensoren des Abstandsmessers derart ausgerichtet, dass ein vom ersten Abstandssensor ausgehender Messstrahl im
Wesentlichen senkrecht auf die zu vermessende Oberfläche auftrifft. Durch jene
Ausrichtung ergibt sich zwangsläufig die Position des zweiten Punkts auf dem
Referenzkörper.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind der Träger, welcher der drehbaren Lagerung des zu vermessenden Objekts dient, und das Referenzobjekt voneinander mechanisch entkoppelt, d.h. sie können innerhalb vorgegebener Grenzen beliebig zueinander angeordnet sein. Die Positionierung des Trägers relativ zum Referenzobjekt muss für die Durchführung einer Oberflächenvermessung des Objekts nicht ermittelt werden. Im Zuge einer scannenden oder abtastenden Bewegung wird der bewegliche Halter mit seinem Referenzkörper gegenüber dem Objekt bewegt. Der Abstandsmesser mit seinen beiden entgegengesetzt ausgerichteten Abstandssensoren misst dabei jeweils den Abstand zwischen dem Referenzkörper und der zu vermessenden
Oberfläche des Objekts anhand einer Vielzahl einzelner Messpunkte. Aus einem Vergleich der ermittelten Abstandsdaten kann schließlich auf die Kontur und die Oberflächenbeschaffenheit des zu vermessenden Objekts geschlossen werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine Steuereinheit vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, zumindest den ersten Abstandssensor entlang der
Flächennormalen des ersten Punkts des zu vermessenden Oberflächenabschnitts des Objekts auszurichten. Die Steuereinheit dient bevorzugt einer automatischen Justage und Drehbewegung des Abstandssensors derart, dass die von ihm emittierten Signale vom Objekt zurückreflektiert werden. Bei einer verspiegelten Oberfläche des Objekts erfolgt eine Rückreflexion im Bereich um 180° gegenüber dem emittierten Signal. Je nach Sensorausgestaltung kann auch bis zu 3°, 5°, oder 10° von der
Oberflächennormalen des zu untersuchenden Oberflächenabschnitts abgewichen werden. Bei rauen oder streuenden Oberflächen können andere, hiervon abweichende Ausrichtungen des Sensors gegenüber der Flächennormalen erforderlich werden. Beispielsweise kann die Ausrichtung des Sensors von einer Steuereinheit vorgegeben werden.
Es erweist sich als besonders vorteilhaft, dass der zweite, vom zweiten
Abstandssensor ermittelbare Abstand zum Referenzkörper unmittelbar zur Korrektur des vom ersten Sensor ermittelbaren Abstandswertes verwendet werden kann. Die Ausrichtung der beiden Sensoren oder des Abstandsmessers in Bezug auf das zumindest eine Referenzobjekt spielt dabei keine Rolle. Für die Korrektur oder Kompensation einer durch Drehung und/oder Verschiebung des Sensors bedingte Änderung des ersten Abstandes müssen insbesondere keine
Positionskoordinaten des ersten und/oder des zweiten Sensors ermittelt werden. Die beiden von den zueinander entgegengesetzt ausgerichteten Sensoren ermittelbaren Abstände können einer Steuereinheit zur Durchführung einer unmittelbaren Fehlerkorrektur zugeführt werden. Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind sämtliche Abstandssensoren faseroptisch mit zumindest einer Lichtquelle gekoppelt. Eine freie Strahlpropagation erfolgt lediglich zwischen den jeweiligen Abstandssensoren und einer jeweils
zugeordneten spiegelnden Referenzfläche. Die faseroptische Anbindung ist
vergleichsweise wartungsarm und erfordert in aller Regel keine Nachjustage im Betrieb der Vorrichtung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ferner zumindest der erste, dem Objekt zugewandte Abstandssensor mit mehreren Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge gekoppelt, um den Abstand zum Objekt mittels eines Mehrwellenlängen- Messprinzips zu bestimmen. Ein solches Mehrwellenlängen-Messverfahren ermöglicht eine hochpräzise Abstandsmessung mit einer Auflösung im Nanometer- oder
Subnanometerbereich und kann ferner einen Eindeutigkeitsbereich des
Messergebnisses bis in den Millimeterbereich hinein bereitstellen. Bevorzugt werden als Lichtquellen weitgehend monochromatische Laser verwendet, deren Wellenlänge im Bereich zwischen 1520 und 1630 nm liegt. Die verwendeten Laserwellenlängen liegen typischerweise im S-, C- oder L-Band des optischen Telekommunikationsspektrums. Die Laserlichtquellen sind jedoch keineswegs auf den Infrarot-Spektralbereich beschränkt. So können grundsätzlich auch Wellenlängen im sichtbaren oder UV- Spektralbereich Verwendung finden.
Prinzipiell ist die Erfindung auch für einen mit lediglich einer Wellenlänge operierenden Abstandsmesser implementierbar. Mittels eines Mehrwellenlängen-Messverfahrens kann jedoch der Eindeutigkeitsbereich der empfangenen Signale sichtlich vergrößert werden. Die Abstandsmessung zum zu vermessenden Objekt erfolgt bevorzugt nach dem in der DE 10 2008 033 942 B3 beschriebenen Verfahren. Die jeweilige Phase oder Phasenlage der von der Objektoberfläche reflektierten Strahlen wird
wellenlängenselektiv detektiert und im Zuge einer elektronischen Auswertung zur Bestimmung des Abstandes verarbeitet.
In einem weiteren, nebengeordneten Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Vermessung zumindest eines Oberflächenabschnitts eines auf einem Träger gelagerten Objekts. Das Objekt ist dabei zumindest gegenüber einem ortsfesten
Referenzobjekt fixiert und ein Halter, an welchem ein Referenzkörper sowie ein
Abstandsmesser angeordnet sind, wird in einer das Objekt berührungslos abtastenden Bewegung in zumindest einer ersten Richtung gegenüber dem Referenzobjekt als auch gegenüber dem zu vermessenden Objekt bewegt. Im Zuge dieser abtastenden
Bewegung wird mittels des Abstandsmessers ein erster Abstand zu einem ersten Punkt des Oberflächenabschnitts des Objekts sowie ein zweiter Abstand zu einem hiermit korrespondierenden zweiten Punkt des Referenzkörpers bestimmt. Aus der Messung dieser beiden Abstände kann ein Abstand der beiden Punkte präzise bestimmt werden.
Da die Position des zweiten Punkts auf dem Referenzkörper bekannt ist und die Lage bzw. relative Position des Referenzkörpers gegenüber dem Referenzobjekt mittels zumindest einem weiteren Abstandssensor gemessen wird, kann auf diese Art und Weise die Position des ersten, auf dem Objekt befindlichen Punktes gegenüber dem bekannten Referenzobjekt eindeutig und mit einer Präzision im Nanometer- oder Subnanometerbereich bestimmt werden.
Insoweit ist nach einer Weiterbildung zumindest ein dritter Abstandssensor vorgesehen, der den Abstand zwischen dem Referenzobjekt und dem Halter zumindest entlang einer ersten Richtung bestimmt.
Von Vorteil ist ferner ein zumindest vierter Abstandssensor vorgesehen, der bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zum dritten Sensor ausgerichtet ist, um die Position des Halters in der von einem ersten und einem zweiten Referenzobjekt aufgespannten Ebene zu bestimmen.
Schließlich ist vorgesehen, dass anhand des ersten und des zweiten Abstandes, mithin des Abstandes zwischen Referenzkörper und zu vermessendem Objekt sowie anhand des Abstandes zwischen dem Referenzobjekt und dem beweglichen Halter die Position des ersten Punkts des zu vermessenden Oberflächenabschnitts des Objektes in Bezug auf das Referenzobjekt bestimmt wird. Im Zuge einer abtastenden oder scannenden Bewegung des Halters, bzw. einer hiermit sogar kombinierten Drehung des Referenzobjekts kann dessen gesamte Oberfläche punktweise abgetastet und mit Präzision im Nanometer- oder Subnanometerbereich vermessen werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden in der nachfolgenden Darstellung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei bilden sämtliche im Text beschriebene als auch in den Figuren bildlich
dargestellte Merkmale den Gegenstand der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung zum Vermessen eines
Oberflächenabschnitts eines auf einem Träger gelagerten Objekts,
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des beweglich gelagerten Halters und eine schematische Darstellung der faseroptischen Kopplung der in den Fig und 2 gezeigten Abstandssensoren mit diversen Laserlichtquellen und zugeordneten Detektoren.
Die in Fig. 1 schematisch skizzierte Messeinrichtung weist zwei orthogonal zueinander angeordnete Referenzobjekte 18, 20 auf, von denen sich das Referenzobjekt 18 im Wesentlichen in einer ersten Richtung (x) und das zweite Referenzobjekt 20 in einer hierzu senkrechten Richtung (y) erstreckt. An beiden Referenzobjekten 18, 20 sind einzelne Referenzflächen 22, 24 vorgesehen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Spiegelflächen ausgebildet sein können.
Ferner weist die Messeinrichtung 10 einen drehbar gelagerten Träger 12 auf, an dem ein zu vermessendes Objekt 14, wie zum Beispiel eine optische Komponente, etwa eine Linse 14, angeordnet ist. Der Objektträger 12 ist dabei um eine Drehachse 16 drehbar gelagert. Ferner weist die Messvorrichtung 10 einen in der x-y-Ebene beweglichen Halter 26 auf, der in Fig. 2 in vergrößerter Darstellung gezeigt ist.
Der Halter 26 weist eine hier nicht näher bezeichnete Grundplatte auf, an welcher ein Referenzkörper 28 sowie ein Lager 32 zur drehbaren Lagerung zweier
Abstandssensoren 34, 36 angeordnet ist. Der Referenzkörper 28 weist eine dem
Abstandsmesser 34, 36 zugewandte, vorliegend etwa nach Art einer
Zylinderinnenwandung ausgebildete Spiegel- oder Referenzfläche 30 auf. Diese ist bevorzugt als Hohlspiegel ausgebildet. Die Kontur der Referenzfläche 30 ist zur Kalibrierung der Messeinrichtung 10 präzise zu vermessen. Die Kontur und die einzelnen auf der Referenzfläche 30 abzutastenden Punkte 54 sind hinsichtlich ihrer Position bekannt und in einer Auswerteeinheit hinterlegt.
Der zwei entgegengesetzt ausgerichtete Abstandssensoren 34, 36 aufweisende
Abstandsmesser ist bezüglich einer Drehachse 48 drehbar am Lager 32 gehalten. Die Drehachse 48 verläuft hierbei bevorzugt orthogonal zu der von den beiden
Referenzobjekten 18, 20 aufgespannten Ebene (x, y). Der zum Objekt 14 gerichtete Abstandssensor 34 ist hierbei bevorzugt als Mehrwellenlängen-Sensor ausgebildet, der zur Bestimmung eines absoluten Abstands zwischen dem Sensor 34 bzw. zwischen seinem Messkopf 50 und einem ausgewählten ersten Punkt 52 auf der zu
vermessenden Oberfläche des Objekts 14 ausgebildet ist.
Die beiden Sensoren 34, 36 sind hierbei zueinander fixiert. Sie sind zudem bezogen auf die Drehachse 48 diametral zueinander ausgerichtet. Eine Veränderung der
Ausrichtung des Sensors 34 geht somit stets mit einer entsprechenden
Richtungsänderung des Sensors 36 einher.
Der Sensor 34 misst dabei in Reflexionsgeometrie. Das heißt, der auf den Punkt 52 gerichtete Messstrahl wird identisch zurückgespiegelt und vom Messkopf 50 wieder detektiert, schließlich einer mit dem Messkopf 34 gekoppelten, in Fig. 3 angedeuteten Sensor- bzw. Detektionseinheit 76, 78, 80, 82 zugeführt. Je nach Kontur des zu vermessenden Objekts 14 und der relativen Positionierung des Halters 26 gegenüber dem Objekt 14 ist die Ausrichtung bzw. Orientierung des Sensorkopfs 34 zu verändern. Eine Drehung des Abstandssensors 34, 36 um die Drehachse 48 kann jedoch eine Verschiebung des Abstandssensors 34 gegenüber dem Halter 26 mit sich bringen. Indem der zweite Abstandssensor 36 in einer dem ersten Sensor 34 entgegen gerichteten Richtung auf die Referenzfläche 30 des Referenzkörpers 28 ausgerichtet ist, kann eine etwa durch die Drehbewegung 42 des Abstandsmessers 34, 36 hervorgerufene Translation in Bezug auf den bekannten Referenzkörper 28 präzise gemessen und im Zuge der elektronischen Auswertung aufgenommener bzw.
detektierter Messsignale kompensiert werden.
Erfährt der Sensor 34 etwa rotationsbedingt eine Verschiebung zum Beispiel in
Richtung zum Objekt 14, würde dies den zu messenden Abstand 38 verringern. Eine solche Verschiebung würde aber gleichzeitig auch den zweiten Abstand, zwischen dem gegenüberliegenden Sensor 36 und der feststehenden Referenzfläche 30 quantitativ um das gleiche Maß vergrößern. Auf diese Art und Weise können etwaige drehbedingte Positionsungenauigkeiten des Abstandsmessers 34, 36 präzise vom zweiten Sensor 36 durch Messung eines zweiten Abstands 40 gegenüber einem ausgewählten zweiten Punkt 54 auf der Referenzfläche 30 kompensiert werden.
Die Position des Halters 26 gegenüber den Referenzobjekten 18, 20 kann mittels zweier weiterer Abstandssensoren 56, 58 erfolgen, die jeweils den Abstand 44 in y- Richtung bzw. den Abstand 46 in x-Richtung zum jeweiligen Referenzobjekt 18, 20 ermitteln.
Die Ausrichtung des Abstandsmessers 34, 36 gegenüber der Geometrie bzw. Position des Referenzkörpers 28 ergibt sich durch den zu vermessenden Punkt 52 auf der Oberfläche des Objekts 14. Es ist hierbei denkbar, mittels geeigneter Sensoren und elektromechanischer Stelleinrichtungen den zum Objekt 14 hin gerichteten
Abstandssensor 34 stets orthogonal zum jeweiligen Punkt 52 auszurichten. Der hierbei eingestellte Winkel des ersten und/oder des zweiten Abstandssensors 34, 36 kann sodann zur Bestimmung des Abstands 40 Verwendung finden. Der zu dem vorgegebenen Winkel tatsächlich gemessene Abstandswert 40 kann mit einem im Zuge eines Kalibrierprozesses aufgenommenen Referenzwert verglichen werden. Aus der Abweichung ergibt sich unmittelbar eine Längenkorrektur für den gemessenen Abstand 38.
In Fig. 3 ist ferner das der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Messvorrichtung
zugrundeliegende faseroptische Konzept schematisch dargestellt. Die Messvorrichtung weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Laser-Lichtquellen 60, 62, 64, 66 unterschiedlicher Wellenlänge auf. Sämtliche Lasersignale werden hierbei dem
Mehrwellenlängen-Abstandssensor 34 faseroptisch zugeführt. Mittels diesem kann nach einem Mehrwellenlängen-Messverfahren der Abstand 38 zu einem zu vermessenden Objekt 14 gemessen werden. Zumindest einer der verwendeten Laser 60 wird ferner für die übrigen drei Abstandssensoren 36, 56, 58 verwendet.
Die Abstandssensoren 36, 56, 58 werden dabei von ein und derselben Laser- Lichtquelle gespeist. Jeder dieser Sensoren kann demgemäß der Fig. 2 skizzierten Abstand der jeweils zugeordneten Referenzkörper 28 bzw. Referenzobjekt 18, 20 bestimmen. Die von den Sensoren 36, 56 und 58 in Reflexionsgeometrie detektierten Messsignale werden faseroptisch einzelnen Detektoren 70, 72, 74 zugeführt, deren Signale einer zentralen Auswerteeinheit 84 zugeführt werden.
Insbesondere der Haupt-Abstandssensor 34, der zum Vermessen einer an sich unbekannten Topologie oder Oberfläche des Objektes 14 ausgebildet ist, wird mit Signalen von insgesamt vier Laserlichtquellen 60, 62, 64, 66 gespeist. Das ebenfalls in Reflexionsgeometrie detektierte Signal wird ausgehend vom Detektor des
Abstandssensors 34 einem Fasersplitter oder Demultiplexer 86 zugeführt, der das detektierte und von der Oberfläche des Objekts 14 reflektierte interferometrische Messsignal einzelnen Detektoren 76, 78, 80, 82 wellenlängenselektiv zuführt.
Mit einer geeigneten Auswerteelektronik, wie sie zum Beispiel aus der
DE 10 2008 033 942 B3 bekannt ist, kann der Abstand 38 zwischen Abstandssensor 34 und zu vermessender Oberfläche des Objekts 14 im Nanometer- oder sogar
Subnanometerbereich präzise ermittelt werden.
Es wird schließlich darauf hingewiesen, dass die Anzahl und Art der hier beschriebenen Laser-Lichtquellen sowie die Anordnung einzelner Detektoren nur beispielhaft gezeigt sind. Im Rahmen der Erfindung können vielfältigste Modifikationen hinsichtlich der Art und Anzahl sowie der faseroptischen Kopplung einzelner Lichtquellen und Detektoren vorgenommen werden.
Bezugszeichenliste
10 Messvorrichtung
12 Träger
14 Objekt
16 Drehachse
18 Referenzobjekt
20 Referenzobjekt
22 Referenzfläche
24 Referenzfläche
26 Halter
28 Referenzkörper
30 Referenzfläche
32 Lager
34 Abstandssensor
36 Abstandssensor
38 Abstand
40 Abstand
42 Winkel
44 Abstand
46 Abstand
48 Drehachse
50 Messkopf
52 Messpunkt
54 Messpunkt
56 Abstandssensor
58 Abstandssensor
60 Lichtquelle
62 Lichtquelle
64 Lichtquelle
66 Lichtquelle
70 Detektor Detektor
Detektor
Detektor
Detektor
Detektor
Detektor
Auswerteeinheit
Fasersplitter, Demultiplexer

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Vermessung zumindest eines Oberflächenabschnitts eines auf einem Träger (12) gelagerten Objekts (14), mit: zumindest einem gegenüber dem Träger (12) fixierbaren Referenzobjekt (18, 20) und einem in zumindest einer ersten Richtung (x, y) gegenüber dem Referenzobjekt (18, 20) beweglichen Halter (26), an welchem ein
Referenzkörper (28) sowie ein Abstandsmesser (34, 36) angeordnet sind, die relativ zueinander drehbar gelagert sind, wobei der Abstandsmesser (34, 36) dazu ausgebildet ist, einen ersten Abstand (38) zu einem ersten Punkt (52) des Oberflächenabschnitts des Objekts (14) und einen zweiten Abstand (40) zu einem hiermit korrespondierenden zweiten Punkt (54) des
Referenzkörpers (28) zu bestimmen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der Abstandsmesser einen ersten, dem Objekt (14) zugewandten Abstandssensor (34) und einen zweiten, dem Referenzkörper (28) zugewandten Abstandssensor (36) aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der
Abstandsmesser (34, 36) drehbar am Halter (26) gelagert ist und der
Referenzkörper (28) drehfest am Halter (26) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Referenzkörper (28) eine auf die Drehbeweglichkeit des Abstandsmessers (34, 36) abgestimmte
Referenzfläche (30) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Referenzfläche als Hohlspiegel (30) mit einer im Wesentlichen kreissegmentartigen Geometrie ausgebildet ist, dessen Mittelpunkt im Wesentlichen mit der Drehachse (48) des Abstandsmessers (34, 36) zusammenfällt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, wobei der erste und der zweite Abstandssensor (34, 36) diametral entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand (44, 46) zwischen dem Referenzobjekt (18, 20) und dem Halter (26) mittels zumindest eines dritten Abstandssensors (56, 58) bestimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Punkt (52) und der zweite Punkt (54) auf einer gedachten Linie liegen, entlang derer der erste und der zweite Abstandssensor (34, 36) ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (12) und das Referenzobjekt (18, 20) voneinander mechanisch entkoppelt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Steuereinheit (84), die dazu ausgebildet ist, zumindest den ersten
Abstandssensor (34) entlang der Flächennormalen des ersten Punkts (52) des Oberflächenabschnitts des Objekts (14) auszurichten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei anhand des zweiten Abstands (40) eine durch die Drehung des Abstandsmessers (34, 36) bedingte Veränderung des ersten Abstands (38) kompensierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sämtliche Abstandssensoren (34, 36, 56, 58) faseroptisch mit zumindest einer
Lichtquelle (60, 62, 64, 66) gekoppelt sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest der erste, dem Objekt (14) zugewandte Abstandssensor (34) mit mehreren Lichtquellen (60, 62, 64, 66) unterschiedlicher Wellenlänge gekoppelt ist, um den Abstand zum Objekt (14) mittels eines Mehr-Wellenlängen-Messprinzips zu bestimmen.
14. Verfahren zur Vermessung zumindest eines Oberflächenabschnitts eines auf einem Träger (12) gelagerten Objekts (14), welches gegenüber einem ortsfesten Referenzobjekt (18, 20) fixiert wird und wobei ein Halter (26), an welchem ein Referenzkörper (28) sowie ein Abstandsmesser (34, 36) angeordnet sind, in einer das Objekt (14) berührungslos abtastenden
Bewegung in zumindest einer ersten Richtung (x, y) gegenüber dem
Referenzobjekt (18, 20) bewegt wird und wobei mittels des
Abstandsmessers (34, 36) ein erster Abstand (38) zu einem ersten Punkt (52) des Oberflächenabschnitts des Objekts (14) und ein zweiter Abstand (40) zu einem hiermit korrespondierenden zweiten Punkt (54) des
Referenzkörpers (28) bestimmt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei mittels zumindest eines dritten
Abstandssensor (56, 58) der Abstand zwischen dem Referenzobjekt (18, 20) und dem Halter (26) bestimmt wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 oder 15, wobei anhand des ersten und des zweiten Abstandes (38, 40) sowie des
Abstandes zwischen dem Referenzobjekt (18, 20) und dem Halter (26), die Position des ersten Punkts (52) in Bezug auf das Referenzobjekt (18, 20) bestimmt wird.
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