DE102007017664A1

DE102007017664A1 - Measuring device, particularly for measuring shape and roughness of object surfaces, has movable supported base, and controlling device that is connected with interferometric space measuring device and driving device

Info

Publication number: DE102007017664A1
Application number: DE200710017664
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. Lehmann
Original assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Current assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Priority date: 2007-04-14
Filing date: 2007-04-14
Publication date: 2008-10-16

Abstract

The measuring device has a movable supported base, which stands in connection with a driving device (10). A controlling device is connected with an interferometric space measuring device (21) and the driving device. The driving device affects a measuring section (6) around its length. An independent claim is also included for a method for the execution of key section measurements with measuring device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Tastschnittgerät mit interferometrischer Tastspitze.The The invention relates to a stylus instrument with interferometric Prod.

Es ist bekannt, Objekte optisch zu vermessen. Dazu offenbart beispielsweise die DE 103 17 826 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Abständen, Topographien oder Tiefenprofilen. Dazu ist eine interferometrische Anordnung mit einer Interferometereinheit vorgesehen, die über eine faseroptische Einrichtung sowohl an eine Lichtquelle als auch an ein Objektiv mit einer Austrittslinse angeschlossen ist. Über diese wird Licht zu einem Messobjekt geführt und von diesem zurück empfangen. Das Licht wird dann dem Interferometer zugeführt, um die gewünschte Messung durchzuführen.It is known to visually measure objects. For example, the disclosed DE 103 17 826 A1 a method and a device for the interferometric measurement of distances, topographies or depth profiles. For this purpose, an interferometric arrangement is provided with an interferometer unit, which is connected via a fiber-optic device both to a light source and to a lens with an exit lens. About this light is guided to a measurement object and received by this back. The light is then supplied to the interferometer to perform the desired measurement.

Die interferometrische Abstandsmessung ist auch aus der DE 198 08 273 A1 bekannt. Ein dafür eingerichtetes Interfero meter ist über eine faseroptische Einrichtung an Objektive angeschlossen, die sowohl einen Messlichtweg als auch einen Referenzlichtweg enthalten. Zur Messung wird vorzugsweise kurzkohärentes Licht angewandt.The interferometric distance measurement is also from the DE 198 08 273 A1 known. An equipped Interfero meter is connected via a fiber optic device to lenses that contain both a measuring light path and a reference light path. For the measurement, preferably short-coherent light is used.

Des Weiteren sind so genannte Tastschnittgeräte bekannt. Die DE 10 2004 022 454 A1 offenbart insbesondere ein optisches Tastschnittgerät. Dieses dient zur kontinuierlichen Aufnahme von Messwerten entlang einer linearen oder nicht linearen Abtastlinie einer gekrümmten Objektoberfläche. An Stelle einer mechanischen Tastspitze dient ein Lichtstrahl zum Abtasten der Objektoberfläche. Dieser tritt aus einem entsprechenden Lichtaustrittsfenster aus, das an einem schwenkbar gelagerten Tastarm vorgesehen ist. Der Tastarm wird in einer Vorschubrichtung bewegt, so dass seine (optische) Tastspitze das Werkstück linienhaft abtastet. Die Werkstückoberfläche reflektiert das Licht das von dem Lichtaustrittsfenster wieder aufgenommen und einer Auswerteeinrichtung zugeführt wird. Diese erzeugt ein Regelsignal, mit der ein Schwenkantrieb des Arms so angesteuert wird, dass die Lichtweglänge zwischen Lichtaustrittsfenster und Werkstückoberfläche konstant bleibt. Ein Messsystem erfasst dabei die Schwenkbewegungen des Arms und gibt entsprechende Signale ab. Aus diesen Signalen lässt sich das Oberflächenprofil des Werkstücks bestimmen.Furthermore, so-called stylus devices are known. The DE 10 2004 022 454 A1 discloses in particular an optical stylus device. This serves to continuously record measured values along a linear or non-linear scanning line of a curved object surface. Instead of a mechanical stylus tip, a light beam is used to scan the object surface. This exits from a corresponding light exit window, which is provided on a pivotally mounted sensing arm. The scanning arm is moved in a feed direction so that its (optical) stylus tip scans the workpiece linearly. The workpiece surface reflects the light which is picked up again by the light exit window and fed to an evaluation device. This generates a control signal with which a pivot drive of the arm is controlled so that the light path length between the light exit window and the workpiece surface remains constant. A measuring system detects the pivoting movements of the arm and emits corresponding signals. From these signals, the surface profile of the workpiece can be determined.

Zur Bestimmung des Abstands zwischen dem Lichtaustrittsfenster und der Objektoberfläche wird zweifarbiges Licht und der Umstand genutzt, dass das Objektiv für die verschiedenen Lichtfarben verschiedene Brennweiten aufweist. Eine Auswerteschaltung erfasst dann die von den beiden Lichtfarben erzeugten Reflexsignale und erzeugt aus diesen ein Differenzsignal. Dieses ist mittig zwischen den beiden verschieden farbigen Brennpunkten null. Ein Regler führt den Tastarm nun so, dass die Objektoberfläche möglichst mittig zwischen den beiden Brennpunkten liegt.to Determining the distance between the light exit window and the Object surface becomes two-tone light and the circumstance used that the lens for the different light colors different Has focal lengths. An evaluation circuit then detects the from the two light colors generated reflex signals and generated from these Differential signal. This is different in the middle between the two colored foci zero. A controller guides the probe arm now so that the object surface is as central as possible between the two focal points.

Die Lösung kann bei schlecht reflektierenden Objektoberflächen, bei farbigen Objektoberflächen oder bei stark geneigten Objektoberflächen auf Grenzen stoßen.The Solution can be used for poorly reflective object surfaces, with colored object surfaces or with strongly inclined ones Object surfaces encounter limits.

Andererseits sind Messverfahren zur rein optischen Oberflächenvermessung bekannt. Dazu wird beispielsweise auf die US-PS 5785651 verwiesen. Diese Messeinrichtung bildet ein konfokales Mikroskop, das mit farbigem Licht arbeitet. Aus der Lichtfarbe des von dem konfokalen Mikroskop wieder aufgenommenen Lichts lässt sich auf den Objektiv-Objekt-Abstand schließen. Zur Vermessung räumlicher Gebilde schlägt diese Druckschrift vor, eine große Anzahl entsprechender konfokaler Mikroskope so miteinander zu kombinieren, dass diese gleichzeitig ein Flächenstück eines Messobjekts punktweise vermessen können.On the other hand, measuring methods for purely optical surface measurement are known. This is for example on the U.S. Patent 5,785,651 directed. This measuring device forms a confocal microscope that works with colored light. From the light color of the light received by the confocal microscope, the lens-object distance can be deduced. For the measurement of spatial structures, this document proposes to combine a large number of corresponding confocal microscopes so that they can simultaneously measure a patch of a measured object pointwise.

Die Tiefenauflösung ist bei dieser Messeinrichtung begrenzt. Es können im Grunde nur Objekte vermessen werden, deren Oberflächenwölbungen das vorgegebene relativ enge Messvolumen nicht verlässt.The Depth resolution is limited in this measuring device. Basically, only objects can be measured whose Surface curvatures the given relatively narrow Measurement volume does not leave.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verlässliche und im Einsatz robuste Messeinrichtung zu schaffen, mit der sich Messwerte unbekannter Objektoberflächen entlang vorgegebener Linien aufnehmen lassen.It Object of the invention, a reliable and in use Robust measuring device to create, with the measured values of unknown Record object surfaces along predetermined lines to let.

Diese Aufgabe wird mit der Messeinrichtung nach Anspruch 1 gelöst:
Die erfindungsgemäße Messeinrichtung ist ein Tastschnittgerät mit robuster optischer Tastspitze, das flexibel an unterschiedlichen Oberflächengeometrien und Beschaffenheiten einsetzbar ist. Das Tastschnittgerät ist mit einer interferometrischen Abstandsmesseinrichtung versehen, die eine optische Tastspitze bildet. Insbesondere und bevorzugterweise weist die interferometrische Abstandsmesseinrichtung eine große numeri sche Apertur auf. Dies gestattet die Durchführung von Messungen auch an geneigten optischen Flächen. Die große numerische Apertur führt zwangsläufig zu einer (sehr) geringen Schärfentiefe, die ihrerseits den Messbereich der optischen Tastspitze auf typische Weise einige Mikrometer einschränkt. Deshalb eignen sich interferometrische Sensoren allgemein nicht zur Erfassung von Oberflächen mit größerer Krümmung es sei denn, die interferometrischen Sensoren werden mit einer geringen numerischen Apertur realisiert, wobei sich dann Messbereiche von mindestens 100 Mikrometer erzielen lassen. Die erfindungsgemäße Messeinrichtung nutzt jedoch, wie erwähnt, vorzugsweise eine große numerische Apertur und somit eine geringe Schärfentiefe. Durch mechanische Nachführung der optischen Tastspitze entlang der Oberflächenkontur des Messobjekts mittels einer Regeleinrichtung, wird der die optische Tastspitze tragende Arm so nachgeführt, dass die Messstrecke innerhalb des (geringen) Messbereichs gehalten wird. Die Regeleinrichtung muss den Arm der Oberflächenkontur des Werkstücks bzw. Messobjekts nicht exakt nachführen. Es genügt, wenn die Güte des Reglers ausreicht, die Messstrecke innerhalb der Grenzen des Schärfentiefenbereichs der optischen Tastspitze zu halten.This object is achieved with the measuring device according to claim 1:
The measuring device according to the invention is a stylus instrument with a robust optical stylus tip, which can be used flexibly on different surface geometries and textures. The stylus instrument is provided with an interferometric distance measuring device which forms an optical stylus tip. In particular and preferably, the interferometric distance measuring device has a large numerical aperture. This allows the performance of measurements even on inclined optical surfaces. The large numerical aperture inevitably leads to a (very) shallow depth of field, which in turn limits the measuring range of the optical stylus tip to a few micrometers in a typical manner. Therefore, interferometric sensors are generally not suitable for detecting surfaces with greater curvature, unless the interferometric sensors are realized with a low numerical aperture, which can then achieve measurement ranges of at least 100 microns. However, as mentioned, the measuring device according to the invention preferably uses a large one numerical aperture and thus a shallow depth of field. By mechanically tracking the optical stylus tip along the surface contour of the test object by means of a control device, the arm carrying the optical stylus tip is tracked so that the test section is kept within the (small) measuring range. The control device does not have to track the arm of the surface contour of the workpiece or measurement object exactly. It is sufficient if the quality of the controller is sufficient to keep the measuring path within the limits of the depth of field of the optical stylus tip.

Der Messbereich in Messrichtung (Z-Richtung) hängt nicht mehr von der Schärfentiefe der optischen Tastspitze sondern lediglich von dem durchfahrbaren und messtechnisch erfassbaren Positionierbereich des Arms ab. Er kann mehrere Millimeter betragen, bedarfsweise aber auch größer oder kleiner sein.Of the Measuring range in measuring direction (Z direction) no longer hangs from the depth of field of the optical stylus tip only from the traversable and metrologically detectable positioning range of the arm. It can be several millimeters, but as needed also be bigger or smaller.

Zu der Messeinrichtung gehört vorzugsweise noch eine Vorschubeinrichtung, die dazu dient, eine Relativbewegung zwischen dem Arm und der Objektoberfläche entlang der Objektoberfläche zu erzielen. Dies ist vorzugsweise eine Antriebseinrichtung, die den Arm relativ zu dem Objekt bewegt. Es kann jedoch alternativ oder ergänzend auch eine Antriebseinrichtung vorgesehen sein, die das Objekt auf gerader oder abweichender Bahn führt. Beispielsweise kann das Objekt auf einem Drehtisch positioniert sein, der das Objekt zur Erzeugung eines gekrümmten Tastschnitts dreht.To the measuring device preferably still includes a feed device, which serves a relative movement between the arm and the object surface along the surface of the object. This is preferable a drive device that moves the arm relative to the object. However, it may alternatively or additionally also a drive device be provided that the object on a straight or divergent path leads. For example, the object may be positioned on a turntable, the object for generating a curved Tastschnitts rotates.

Ansonsten weist die Vorschubeinrichtung vorzugsweise eine Linearführung mit wenigstens einer Führungsschiene und einem linear beweglichen Schlitten sowie einen Vorschubantrieb auf, mit dem der Schlitten entlang der Führungsschiene bewegbar ist. Damit lässt sich eine definierte Relativbewegung zwischen dem Messobjekt und der optischen Tastspitze erzielen.Otherwise the feed device preferably has a linear guide with at least one guide rail and a linearly movable carriage and a feed drive, with the carriage along the Guide rail is movable. This can be a defined relative movement between the measurement object and the Achieve optical stylus tip.

Der Arm ist an dem Schlitten vorzugsweise schwenkbar gelagert. Zur Nachregelung des Abstands zwischen dem Arm und dem Messobjekt d. h. zur Nachregelung der Messweglänge, ist vorzugsweise ein Armantrieb vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, den Arm zu bewegen. Außerdem ist dem Arm vorzugsweise ein Messsystem zugeordnet, das dazu eingerichtet ist, die (Schwenk-)Position des Arms zu erfassen. Dieses Messsystem kann ein interferometrisches Messsystem, ein inkrementaler Geber oder ein sonstiges vorzugsweise hochpräzises Messsystem sein. Es kann z. B. zur Erfassung der Schwenkposition des Arms dienen.Of the Arm is preferably pivotally mounted on the carriage. For readjustment the distance between the arm and the object to be measured d. H. for readjustment the Meßweglänge, an arm drive is preferably provided, which is adapted to move the arm. Furthermore the arm is preferably associated with a measuring system, which is set up is to detect the (pivoting) position of the arm. This measuring system can be an interferometric measuring system, an incremental encoder or another preferably high-precision measuring system be. It can, for. B. serve to detect the pivoting position of the arm.

Wird die Messweglänge präzise konstant gehalten, sind wie bei einem mechanischen Tastschnittgerät, die von dem Messsystem gelieferten Messwerte die gesuchten Z-Messwerte für das Objekt. Dies setzt an der interferometrischen Abstandsmesseinrichtung eine komplexe Auswerteschaltung voraus, die einen hoch aufgelösten Abstandswert in Echtzeit generiert. Aus diesem wird dann das erforderliche Reglereingangssignal erzeugt.Becomes the Meßweglänge kept precisely constant, are as with a mechanical stylus, by the Measured values supplied the sought Z measured values for the object. This starts with the interferometric distance measuring device a complex evaluation circuit, which is a high-resolution Distance value generated in real time. This then becomes the required Controller input signal generated.

Es ist jedoch auch möglich, eine einfachere Auswerteschaltung zu verwenden, die lediglich ein vergleichsweise grobes, d. h. wenig präzises Reglereingangssignal gewinnt, das in Echtzeit vorliegt und (gerade eben) ausreicht, die optische Tastspitze in ihrem Messbereich oder mit anderen Worten, die Messweglänge in dem Tiefenschärfenbereich der interferometri schen Abstandsmesseinrichtung zu halten. Wird die Messung auf diese Weise durchgeführt, ist es zweckmäßig, die Signale der interferometrischen Abstandsmesseinrichtung und die Signale des Messsystems in einer Speichereinrichtung aufzuzeichnen, um daraus zu einem späteren Zeitpunkt beispielsweise in einer Messwertnachaufbereitung die gewünschten und gesuchten Messwerte zu errechnen.It However, it is also possible, a simpler evaluation circuit to use only a comparatively coarse, d. H. little precise controller input signal wins in real time is present and (just now) sufficient, the optical stylus tip in their measuring range or in other words, the measuring path length in the depth of field range of the interferometric rule distance measuring device to keep. If the measurement is carried out in this way is it is convenient to use interferometric signals Distance measuring device and the signals of the measuring system in one Record memory device to make it to a later For example, in a postprocessing the desired and to search for the desired measured values.

Der interferometrische Sensor ist vorzugsweise ein faseroptischer Sensor. Dieser kann objektseitig ein Objektiv mit Referenzlichtweg, z. B. ein Mireauobjektiv aufweisen. In das Objektiv ist dann eine zu der optischen Achse senkrechte Referenzfläche integriert. Es kann auch ein anderes Objektiv vorgesehen sein, das einen Strahlteiler zum Anschluss eines Referenzlichtwegs enthält. Weiter ist es möglich, Objektive ohne Referenzlichtweg oder ein freies Faserende zur Beleuchtung des Messobjekts zu nutzen. Die optische Tastspitze ist dann besonders klein.Of the interferometric sensor is preferably a fiber optic sensor. This object can be a lens with reference light path, z. B. have a Mireauobjektiv. In the lens is then one to the integrated optical axis vertical reference surface. It can also be provided another lens, which is a beam splitter contains for connecting a reference light path. Next is it possible to use lenses without reference light path or a free one Use the fiber end to illuminate the DUT. The optical Tastspitze is then particularly small.

Vorzugsweise wird der Sensor faseroptisch ausgeführt, wobei der Kernquerschnitt einer Mono-Mode-Faser als Eintrittsblende dient. Dadurch können störende Effekte wie die Beugung an Kanten weitgehend vermieden werden.Preferably the sensor is performed fiber optic, wherein the core cross section a mono-mode fiber serves as an entrance panel. Thereby can annoying effects such as the bending at edges largely avoided become.

Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Ansprüchen, der Zeichnung und/oder der Beschreibung.Further Details of advantageous embodiments of the invention are the subject of claims, the drawing and / or the description.

Die nachfolgende Figurenbeschreibung beschränkt sich auf wesentliche Aspekte der Erfindung und sonstiger Gegebenheiten. Die Zeichnung offenbart weitere Einzelheiten und ergänzt die Beschreibung. Es zeigen:The The following description of the figures is limited to essential ones Aspects of the invention and other conditions. The drawing discloses further details and supplements the description. Show it:

1 ein faseroptisches Tastschnittgerät in Prinzipdarstellung, 1 a fiber optic stylus device in schematic representation,

2 eine erste Ausführungsform der interferometrischen Messeinrichtung und der angeschlossenen Auswerteschaltung als Übersichtsblockbild, 2 A first embodiment of the interferometric measuring device and the connected evaluation circuit as a block diagram,

3 eine abgewandelte Ausführungsform der Auswerteeinrichtung als Übersichtsblockbild und 3 a modified embodiment of the evaluation as a block diagram and

4 eine abgewandelte Ausführungsform der interferometrischen Abstandsmesseinrichtung in Übersichtsdarstellung. 4 a modified embodiment of the interferometric distance measuring device in an overview.

In 1 ist ein faseroptisches Tastschnittgerät 1 veranschaulicht, das zur Abtastung einer Objektoberfläche 2 eines Objekts 3 dient. Das Objekt 3 ist auf einem geeigneten Träger 4 beispielsweise einem X-Y-Tisch oder einem Drehtisch oder einem anderweitigen Träger gelagert. In der Nähe des Objekts 3 ist außerdem das Tastschnittgerät 1 gelagert. Dieses weist einen Tastarm 5 auf, der mit einer optischen Tastspitze versehen ist. Diese wird durch eine Messstrecke 6 gebildet, über die Licht von einem Lichtaustrittsfenster des Tastarms 5 zu der Objektoberfläche 2 und von dieser zu dem Lichtaustrittsfenster zurück läuft.In 1 is a fiber optic stylus instrument 1 illustrates that for scanning an object surface 2 an object 3 serves. The object 3 is on a suitable carrier 4 for example, an XY table or a turntable or other support stored. Near the object 3 is also the stylus device 1 stored. This has a sensing arm 5 on, which is provided with an optical stylus tip. This is through a measuring section 6 formed over the light from a light emission window of the probe arm 5 to the object surface 2 and from this back to the light exit window.

Der Tastarm 5 ist an einem Träger, wie beispielsweise einem Schlitten 7 schwenkbar gelagert. Seine Schwenkposition wird von einem Messsystem 8 erfasst. Dieses wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen Geber 9 gebildet, der z. B. als inkrementaler Drehgeber ausgebildet sein kann, um die Schwenkbewegung des Arms 5 mit einer Auslösung von beispielsweise wenigen Winkelminuten oder genauer zu erfassen.The probe arm 5 is on a carrier, such as a carriage 7 pivoted. Its swivel position is controlled by a measuring system 8th detected. This is in the present embodiment by a dealer 9 formed, the z. B. may be formed as incremental encoder to the pivotal movement of the arm 5 with a triggering of, for example, a few minutes of an arc or more accurately.

Der Schlitten 7 trägt außerdem eine Schwenkantriebseinrichtung 10 mittels derer die Schwenkposition des Arms 5 präzise festgelegt werden kann. Die Schwenkantriebseinrichtung 10 kann z. B. eine oder mehrere elektrisch erregbare Spulen 11 enthalten, die eine beweglichen Kern 12 aufweist, der über einen Hebelarm 13 an den Arm 5 angeschlossen ist.The sled 7 also carries a pivot drive device 10 by means of which the pivoting position of the arm 5 can be precisely determined. The pivot drive device 10 can z. B. one or more electrically energizable coils 11 contain a moving core 12 which has a lever arm 13 to the arm 5 connected.

Der Schlitten 7 ist an zumindest einer Führungsschiene 14 linear verschiebbar gelagert, wobei der Schlitten 7 und die Führungsschiene 14 eine Führungseinrichtung 15 bilden. Die Führungseinrichtung 15 führt den Schlitten 7 in einer Führungsrichtung 16, die quer zu der vorzugsweise horizontalen Schwenkachse des Arms 5 gerichtet ist.The sled 7 is on at least one guide rail 14 mounted linearly displaceable, wherein the carriage 7 and the guide rail 14 a leadership facility 15 form. The management device 15 leads the sledge 7 in a leadership direction 16 transverse to the preferably horizontal pivot axis of the arm 5 is directed.

Um den Schlitten 7 kontrolliert in Führungsrichtung 16 zu bewegen, ist ein Schlittenantrieb 17 vorgesehen, beispielswei se in Form eines Motors 18, der mit dem Schlitten 7 über eine Gewindespindel 19 verbunden ist.To the sled 7 controlled in the direction of leadership 16 to move is a carriage drive 17 provided, beispielswei se in the form of a motor 18 , with the sledge 7 via a threaded spindle 19 connected is.

Der Motor 18, die Schwenkantriebseinrichtung 10 und das Messsystem 8 sind mit einer Steuereinrichtung 20 verbunden, die Messwerte auswertet und die Schwenkantriebseinrichtung 10 sowie den Schlittenantrieb 17 ansteuert. Die Steuereinrichtung 20 ist außerdem mit einer interferometrischen Abstandsmesseinrichtung 21 verbunden, die an die Messstrecke 6 angeschlossen ist. Die interferometrische Abstandsmesseinrichtung 21 gibt an ihrem Ausgang ein elektrisches Signal ab, das an die Steuereinrichtung 20 geleitet wird.The motor 18 , the pivot drive device 10 and the measuring system 8th are with a control device 20 connected, the measured values evaluates and the swivel drive device 10 and the carriage drive 17 controls. The control device 20 is also equipped with an interferometric distance measuring device 21 connected to the measuring section 6 connected. The interferometric distance measuring device 21 outputs at its output an electrical signal which is sent to the control device 20 is directed.

2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau der interferometrischen Abstandsmesseinrichtung 21 und Teile der Steuereinrichtung 20. 2 illustrates an embodiment of the construction of the interferometric distance measuring device 21 and parts of the controller 20 ,

Die Abstandsmesseinrichtung 21 ist (vorzugsweise) als faseroptischer Sensor ausgebildet. Zu ihm gehören eine Lichtquelle 22, von der Licht in eine Lichtleitfaser 23 eingekoppelt wird. Das Licht kann monochromatisches Licht, beispielsweise Laserlicht oder das Licht einer Laserdiode, sein. Es kann auch kurzkohärentes Licht zur Anwendung kommen, beispielsweise weißes Licht. Die Lichtleitfaser 23 ist über einen Faserkoppler 24 an eine weitere Lichtleitfaser 25 angeschlossen. Diese setzt den Lichtweg über einen Faserkoppler 26 zu einer Lichtleitfaser 27 fort, die der Beleuchtung der Objektoberfläche 2 dient. Dazu weist sie an ihrem Ende ein kleines Objektiv 28 auf, das eine Linse zur Bündelung des austretenden Lichts enthält. Es ist auch möglich, an das Ende der Lichtleitfaser 27 eine ebene oder gekrümmte Lichtaustrittsfläche anzuformen, die mit dem Objektiv 28 zusammenwirkt oder dieses ersetzt. Von dem Objektiv 28 zu der Objektoberfläche 2 und zurück ist ein Abstand vorgesehen, der die Messstrecke 6 bildet.The distance measuring device 21 is (preferably) designed as a fiber optic sensor. To him belong a light source 22 , from the light into an optical fiber 23 is coupled. The light may be monochromatic light, for example laser light or the light of a laser diode. It is also possible to use short-coherent light, for example white light. The optical fiber 23 is via a fiber coupler 24 to another optical fiber 25 connected. This sets the light path via a fiber coupler 26 to an optical fiber 27 continuing, the illumination of the object surface 2 serves. For this she has a small lens at the end 28 on, which contains a lens for focusing the emerging light. It is also possible at the end of the optical fiber 27 to form a plane or curved light exit surface with the lens 28 cooperates or replaces this. From the lens 28 to the object surface 2 and back a distance is provided, which the measuring distance 6 forms.

Von dem Faserkoppler 26 geht in einem weiteren Zweig eine Lichtleitfaser 29 ab, die an ihrem Ende verspiegelt ist oder zu einer Spiegelanordnung 30 führt, um dadurch einen Referenzlichtweg festzulegen.From the fiber coupler 26 goes in another branch an optical fiber 29 from which is mirrored at its end or to a mirror assembly 30 leads, thereby defining a reference light path.

Von dem Faserkoppler 24 führt eine Lichtleitfaser 31 zu einem geeigneten Sensor 32, wie beispielsweise einer Linienkamera oder einer Flächenkamera.From the fiber coupler 24 leads an optical fiber 31 to a suitable sensor 32 , such as a line camera or an area camera.

Die insoweit beschriebene faseroptische Anordnung bildet ein Interferometer, das an dem Sensor 32 ein Interferenzmuster erzeugt. In Abhängigkeit von diesem erzeugt der Sensor 32 ein Ausgangssignal, das an eine Auswerteeinrichtung 33 weiter geleitet wird. Diese ermittelt ein analoges oder auch digitales Ausgangssignal, das die Länge der Messstrecke 6 kennzeichnet. Das Signal wird zu einer Vergleichereinrichtung 34 geleitet, die das Signal mit einem Sollwert 35 vergleicht. Das sich ergebende Differenzsignal wird an die Schwenkantriebseinrichtung 10 weiter gegeben, um diese so anzusteuern, dass die Länge der Messstrecke 6 möglichst konstant gehalten wird.The fiber optic arrangement described so far constitutes an interferometer attached to the sensor 32 generates an interference pattern. Depending on this, the sensor generates 32 an output signal to an evaluation device 33 is passed on. This determines an analog or digital output signal, which is the length of the measuring section 6 features. The signal becomes a comparator device 34 passed the signal with a setpoint 35 compares. The resulting difference signal is sent to the pivot drive device 10 given in order to control this so that the length of the measuring section 6 kept as constant as possible.

Zur Bestimmung der Messwerte enthält die Steuereinrichtung 20 einen Computer 36, der an das Messsystem 8 und den Schlittenantrieb 17 angeschlossen ist.To determine the measured values, the control device 20 a computer 36 that is connected to the measuring system 8th and the carriage drive 17 connected.

In dieser Konfiguration arbeitet das Tastschnittgerät 1 wie folgt:
Zur Vermessung der Objektoberfläche 2 wird das Tastschnittgerät 1 aktiviert, woraufhin die Steuereinrichtung 20 die Schwenkantriebseinrichtung 10 ansteuert. Diese bewirkt ein langsames Verschwenken des Arms 5, wodurch sich die Länge der Messstrecke 6 ändert. Die Abstandsmesseinrichtung 21 überwacht den Vorgang. Sobald die tatsächliche Länge der Messstrecke 6 mit dem Sollwert 35 übereinstimmt, stoppt die Schwenkantriebseinrichtung. Die Messstrecke 6 ist nun auf ihrem Soll wert 35 eingerastet. Es wird nun der Schlittenantrieb 17 in Gang gesetzt. Der von dem Objektiv 28 ausgehende Lichtpunkt tastet nun die Oberfläche 2 des Messobjekts 3 ab. Während des Vorgangs bestimmt die Abstandsmesseinrichtung 21 fortwährend die Länge der Messstrecke mit interferenzoptischer Genauigkeit auf Bruchteile eines Mikrometers genau. Durch fortwährende Nachsteuerung der Schwenkantriebseinrichtung 10 wird die Messstrecke 6 konstant gehalten. Dies geschieht durch gezielte Verschwenkung des Arms 5. Die von dem Messsystem 8 gelieferten Messwerte werden von dem Computer 36 zusammen mit den Positionswerten des Schlittenantriebs 17 zu Messwertepaaren zusammengestellt und abgespeichert, weiter verarbeitet und/oder ausgegeben.In this configuration, the stylus works 1 as follows:
For measuring the object surface 2 becomes the stylus device 1 activated, whereupon the control device 20 the pivot drive device 10 controls. This causes a slow pivoting of the arm 5 , which increases the length of the measuring section 6 changes. The distance measuring device 21 monitors the process. Once the actual length of the measuring section 6 with the setpoint 35 matches, the pivot drive device stops. The measuring section 6 is now worth it 35 engaged. It will now be the carriage drive 17 set in motion. The one from the lens 28 Outgoing point of light now scans the surface 2 of the measurement object 3 from. During the process, the distance measuring device determines 21 The length of the measurement path with interference-optical accuracy is always accurate to fractions of a micrometer. By continuous readjustment of the swivel drive device 10 becomes the measuring section 6 kept constant. This is done by targeted pivoting of the arm 5 , The of the measuring system 8th Delivered readings are from the computer 36 together with the position values of the carriage drive 17 combined to measured value pairs and stored, further processed and / or output.

3 veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungsform der Steuereinrichtung 20. Während die in 2 beschriebene Steuereinrichtung 20 die Länge der Messstrecke 6 im Rahmen der interferometrischen Messgenauigkeit absolut konstant hält, lässt die Ausführungsform nach 3 gewisse Schwankungen zu, die jedoch nicht größer sind als der Messbereich der Abstandsmesseinrichtung 21. Beispielsweise kann die Messweglänge um einige wenige Mikrometer schwanken. Die Auswerteeinrichtung 33' kann entsprechend einfacher ausfallen. Ebenso muss die angeschlossene Regelschleife nicht fehlerlos arbeiten. Vielmehr ist eine gewisse Regelabweichung zulässig, was z. B. einen schnelleren Vorschub des Schlittenantriebs 17 ermöglicht. Damit führt die Schwenkantriebseinrichtung 10 den Arm 5 weniger präzise. Die Länge der durch die Messstrecke 6 gebildeten optischen Tastspitze kann etwas variieren. Der Computer 36 zeichnet wiederum die von dem Messsystem 8 und von dem Schlittenantrieb 17 gelieferten Messwerte auf. Zusätzlich zeichnet er in einem Speicherabschnitt 37 die von dem Sensor 32 gelieferten Signale in Zuordnung zu den Signalen des Messsystems 8 und des Schlittenantriebs 17 auf. Zu einem geeigneten Zeitpunkt, beispielsweise nach Abschluss der Messung, werden die Messwerte des Messsystems 8 mit Messwerten kombiniert, die durch beliebig komplizierte Aufbereitung der in dem Speicherabschnitt 37 abgelegten Signale des Sensors 32 gewonnen werden können. 3 illustrates a modified embodiment of the control device 20 , While the in 2 described control device 20 the length of the measuring section 6 within the interferometric measurement accuracy keeps absolutely constant, the embodiment is after 3 certain fluctuations, but not greater than the measuring range of the distance measuring device 21 , For example, the path length can vary by a few microns. The evaluation device 33 ' can be correspondingly easier. Likewise, the connected control loop does not have to work flawlessly. Rather, a certain error is allowed, which z. B. a faster feed of the carriage drive 17 allows. This leads to the pivot drive device 10 the arm 5 less precise. The length of the through the measuring section 6 formed optical stylus tip may vary slightly. The computer 36 in turn draws that of the measuring system 8th and from the carriage drive 17 supplied measured values. In addition, he draws in a storage section 37 that from the sensor 32 supplied signals in association with the signals of the measuring system 8th and the carriage drive 17 on. At a suitable time, for example after completion of the measurement, the measured values of the measuring system 8th combined with measured values, by arbitrarily complicated treatment of the in the memory section 37 stored signals of the sensor 32 can be won.

Auf diese Weise sind präzise Messwerte zu erhalten, obwohl der Arm 5 der Kontur der Objektobjektfläche 2 nicht präzise folgt.In this way, accurate readings are obtained, although the arm 5 the contour of the object object surface 2 not precise follows.

Bei dem vorgestellten Tastschnittgerät können grundsätzlich beliebige Abstandsmesseinrichtungen 21 auf interferenzoptischer Basis eingesetzt werden. 4 veranschaulicht einen interferenzoptischen Sensor, der mit einem einzigen Faserkoppler 24 auskommt. Der Sensor 32 enthält zur Auswertung des von dem Objektiv 28 aufgenommenen Lichts zwei in getrennten Lichtwegen 38, 39 angeordnete Spiegel 40, 41. Von diesen ist vorzugsweise einer rechtwinklig zur optischen Achse und der andere etwas schräg zur optischen Achse ausgerichtet. Die beiden Lichtwege 38, 39 sind über einen halbdurchlässigen Spiegel 42 einander sowie an die Faser 31 und den Sensor 32 in Form z. B. einer Kamera 43 gekoppelt. Diese kann eine Linienkamera sein, der eine Zylinderlinse 44 vorgeschaltet ist. Diese interferenzoptische Anordnung erzeugt auf dem Kamerachip ein Linienmuster, dessen Linien in die eine oder andere Richtung laufen, wenn sich die Länge der Messstrecke 6 ändert.In principle, any distance measuring devices can be used in the presented stylus device 21 be used on an interference optical basis. 4 illustrates an interference-optical sensor that uses a single fiber coupler 24 gets along. The sensor 32 contains for evaluation of the lens 28 received light two in separate light paths 38 . 39 arranged mirrors 40 . 41 , Of these, one is preferably oriented at right angles to the optical axis and the other slightly oblique to the optical axis. The two light paths 38 . 39 are over a half-transparent mirror 42 each other as well as to the fiber 31 and the sensor 32 in the form of z. B. a camera 43 coupled. This can be a line camera, which is a cylindrical lens 44 upstream. This interference-optical arrangement generates on the camera chip a line pattern whose lines run in one direction or the other when the length of the measuring path 6 changes.

Erfindungsgemäß wird ein Tastschnittgerät mit optischer Tastspitze vorgeschlagen. Die Tastspitze wird durch eine interferenzoptische Messeinrichtung gebildet. Diese ist vorzugsweise mit einer großen numerischen Apertur und somit mit einem sehr kleinen Messbereich in Richtung der Messstrecke 6 ausgebildet. Zur Vermessung einer Objektoberfläche wird der interferenzoptische Sensor als optische Tastspitze für einen schwenkbar gelagerten Tastarm genutzt, der somit die Objektoberfläche 2 berührungslos abtastet. Durch die große numerische Apertur des interferenzoptischen Sensors werden Störungen durch Kanten oder starke Flächenneigungen ausgeschlossen.According to the invention, a stylus device with optical stylus tip is proposed. The probe tip is formed by an optical interference measuring device. This is preferably with a large numerical aperture and thus with a very small measuring range in the direction of the measuring path 6 educated. To measure an object surface, the interference-optical sensor is used as an optical stylus tip for a pivotally mounted probe arm, which thus the object surface 2 scans contactlessly. Due to the large numerical aperture of the interference-optical sensor, disturbances due to edges or strong surface slopes are excluded.

11: Tastschnittgerätprofiler
22: Objektoberflächeobject surface
33: Objektobject
44: Trägercarrier
55: TastarmProbe arm
66: Messstreckemeasuring distance
77: Schlittencarriage
88th: Messsystemmeasuring system
99: Gebergiver
1010: SchwenkantriebseinrichtungSwivel drive mechanism
1111: SpuleKitchen sink
1212: Kerncore
1313: Hebelarmlever arm
1414: Führungsschieneguide rail
1515: Führungseinrichtungguide means
1616: Führungsrichtungguide direction
1717: Schlittenantriebcarriage drive
1818: Motorengine
1919: Gewindespindelscrew
2020: Steuereinrichtungcontrol device
2121: AbstandsmesseinrichtungDistance measuring device
2222: Lichtquellelight source
23, 25, 2723 25, 27: Lichtleitfaseroptical fiber
24, 2624 26: Faserkopplerfiber coupler
2828: Objektivlens
29, 3129 31: Lichtleitfaseroptical fiber
3030: Spiegelanordnungmirror arrangement
3232: Sensorsensor
3333: Auswerteeinrichtungevaluation
3434: VergleichereinrichtungComparison means
3535: Sollwertsetpoint
3636: Computercomputer
3737: Speicherabschnittstorage section
38, 3938 39: Lichtwegelight paths
40, 4140 41: Spiegelmirror
4242: halbdurchlässiger Spiegelsemipermeable mirror
3333: Kameracamera
4444: Zylinderlinsecylindrical lens

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 10317826 A1 [0002]
- DE 19808273 A1 [0003]
DE 102004022454 A1 [0004]
US 5785651 [0007]

Claims

Measuring device ( 1 ), in particular for the shape measurement and / or roughness measurement of object surfaces ( 2 ), with a movably mounted arm ( 5 ), which is provided with a drive device ( 10 ) in relation to an object surface ( 2 ) with an interferometric distance measuring device ( 21 ), which is a measuring section ( 6 ) between the arm ( 5 ) and the object surface ( 2 ), and with a control device ( 34 ) interfaced with the interferometric distance measuring device ( 21 ) and the drive device ( 10 ) is connected to the length of the measuring section ( 6 ) to influence.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the arm ( 5 ) is connected to a feed device to the arm ( 5 ) along the object surface ( 2 ) to move.

Measuring device according to claim 2, characterized in that the feed device is a linear guide ( 15 ) with at least one guide rail ( 14 ), a linearly movable carriage ( 7 ) and a feed drive ( 17 ) to the carriage ( 7 ) along the guide rail ( 14 ) to move.

Measuring device according to claim 3, characterized in that the arm ( 5 ) on the carriage ( 7 ) is pivotally mounted.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the arm ( 5 ) an arm drive ( 10 ), which is adapted to the arm ( 5 ) to move the distance of the arm ( 5 ) from the object surface ( 2 ) and thus to influence the measuring path length.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the arm ( 5 ) a measuring system ( 8th ) arranged to adjust the position of the arm ( 5 ) capture.

Measuring device according to claim 6, characterized that the measuring system is an interferometric measuring system.

Measuring device according to claim 6, characterized in that the measuring system ( 8th ) is an incremental measuring system.

Measuring device according to claim 6, characterized in that the arm ( 5 ) is pivotally mounted and that the measuring device ( 8th ) the pivotal position of the arm ( 5 ) is formed detecting.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the interferometric distance measuring device ( 21 ) is a fiber optic sensor.

Measuring device according to claim 10, characterized in that the fiber-optic sensor on the object side a lens ( 28 ) without reference light path.

Measuring device according to claim 10, characterized in that that the fiber-optic sensor has a lens on the object side, which specifies a reference light path.

Measuring device according to claim 12, characterized in that that in the lens a perpendicular to the optical axis right reference surface integrated, at which a reference light beam is created.

Measuring device according to claim 10, characterized in that the fiber-optic sensor has an entrance aperture, which passes through the core cross-section of the optical fiber ( 27 ) is formed.

Measuring device according to claim 14, characterized in that the optical fiber ( 27 ) is a single-mode fiber.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the interferometric distance measuring device ( 21 ) an evaluation circuit ( 33 ' ) which provides an actual signal with low accuracy, by means of which the control device ( 34 ) the arm ( 5 ).

Measuring device according to claim 16, characterized in that a memory device ( 36 . 37 ) is provided to both from the interferometric distance sensor ( 21 ) and also to record measured values which show the assigned positions of the arm ( 5 ).

Measuring device according to claim 17, characterized in that a computing device ( 36 ) is provided to generate precise measured values from the recorded signals.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the control device is adapted to the length of the measuring path ( 6 ) to keep constant.

Method for performing proficiency measurement with a measuring device according to claim 1, characterized in that by means of a fast evaluation circuit ( 33 ) a tracking signal for the positioning of the arm ( 5 ) and the arm ( 5 ) is guided accordingly, wherein the supplied by the interferometric measuring system Signals and signals are stored that indicate the position of the arm ( 5 ), after obtaining the signals, an evaluation routine for determining the measured values is performed.

Method for carrying out scanning measurements with a measuring device according to claim 1, characterized in that by means of a precise evaluation circuit ( 33 ) a tracking signal for the positioning of the arm ( 5 ) and the arm ( 5 ) at a constant distance to the object surface ( 2 ) to be led.