DE102015202470A1

DE102015202470A1 - Method and device for high-precision optical measurement on objects with adhering fluidic layers

Info

Publication number: DE102015202470A1
Application number: DE102015202470.9A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Noll; Jann Kämmerling
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2035-02-13
Also published as: WO2016128249A1; DE102015202470B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hochpräzisen optischen Messung an Objekten mit anhaftenden fluidischen Schichten, bei denen die optische Messung am Objekt ortsselektiv mit optischer Messstrahlung erfolgt, wobei die fluidische Schicht am Ort der jeweiligen optischen Messung durch lokale Erwärmung mit weiterer elektromagnetischer Strahlung für die Dauer der Messung transient in der Dicke verringert wird. Auf diese Weise wird die Messunsicherheit für die Geometriemessung erheblich verbessert, ohne die fluidischen Schichten vor der Messung entfernen zu müssen.The present invention relates to a method and a device for high-precision optical measurement on objects with adherent fluidic layers, in which the optical measurement on the object is location-selective with optical measuring radiation, wherein the fluidic layer at the location of the respective optical measurement by local heating with further electromagnetic radiation is transiently reduced in thickness for the duration of the measurement. In this way, the measurement uncertainty for the geometry measurement is significantly improved without having to remove the fluidic layers before the measurement.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hochgenauen optischen Messung geometrischer Größen von Objekten, an deren Oberfläche eine fluidische Schicht haftet, wobei die optische Messung am Objekt ortsselektiv mit optischer Messstrahlung erfolgt.The present invention relates to a method and a device for high-precision optical measurement of geometrical variables of objects, on the surface of which a fluidic layer is adhered, wherein the optical measurement on the object is made location-selective with optical measuring radiation.

Die Prüfung geometrischer Merkmale von Bauteilen, Komponenten, Halbzeugen und Produkten mit optischen Messmethoden ist eine etablierte Technologie, die Eingang in viele Anwendungsfelder in der Produktionstechnik für Aufgaben der Prozesskontrolle und der Qualitätssicherung gefunden hat. Von besonderem Interesse sind dabei diejenigen optischen Methoden, bei denen die optische Strahlung ortsselektiv auf das Messobjekt eingestrahlt wird, um bestimmte geometrische Merkmale zu messen. Ortsselektiv bedeutet auch in der vorliegenden Patentanmeldung, dass die Messstrahlung bspw. als kollimiertes Strahlenbündel, als Strahlfokus oder als Linie auf das Messobjekt gerichtet wird, um gezielt geometrische Größen im bestrahlten Bereich zu messen. Im Gegensatz zu einer flächenhaften Beleuchtung werden also i. A. nur Teile der Oberfläche des Messobjekts beleuchtet. Im Fall der Lasertriangulation, der interferometrischen Abstandsmessung, der konfokalen Messung oder des Autofokusverfahrens als Beispiele für optische Messungen gemäß der vorliegenden Patentanmeldung ist die bestrahlte Fläche durch den Strahlquerschnitt oder die Strahltaille eines Laserstrahls oder der Strahlung einer anderen teilkohärenten Strahlungsquelle gegeben und hat bspw. die Form eines Scheibchens mit einem Durchmesser von 0,3 μm bis 5 mm (1D-Messung) oder die Form einer Linie mit einer Breite von 0,3 μm bis 500 μm und einer Länge von 100 μm bis 1000 mm (2D-Messung).The inspection of geometric features of components, components, semi-finished products and products with optical measuring methods is an established technology that has found its way into many fields of application in production technology for process control and quality assurance tasks. Of particular interest are those optical methods in which the optical radiation is irradiated in a location-selective manner on the measurement object in order to measure certain geometric features. Location-selective also means in the present patent application that the measuring radiation is directed, for example, as a collimated beam, as a beam focus or as a line onto the object to be measured in order to measure geometric variables in the irradiated area. In contrast to a planar illumination so i. A. illuminated only parts of the surface of the measurement object. In the case of laser triangulation, interferometric distance measurement, confocal measurement, or auto focus method as examples of optical measurements according to the present application, the irradiated area is given by the beam cross section or the beam waist of one laser beam or the radiation of another partially coherent radiation source and has the shape, for example a slice having a diameter of 0.3 μm to 5 mm (1D measurement) or the shape of a line having a width of 0.3 μm to 500 μm and a length of 100 μm to 1000 mm (2D measurement).

Das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung lassen sich bspw. für die optische Messung der Dicke von Walzblechen, die Messung der Geradheit und des Querschnittprofils von Schienen, die Messung der Ebenheit von Grobblechen oder Halbleiterwafern oder des Rundlaufs von Wellen, die dimensionelle Prüfung von Fahrzeugkomponenten (Felgen, Bremsen, Achsträger, Kühlerkomponenten), die Prüfung geometrischer Merkmale von Wellen (Antriebswellen, Kurbelwellen, Nockenwellen, Ausgleichswellen), die Messung der Rauheit von Oberflächen, die Messung der Mikrotopologie oberflächenbearbeiteter Halbzeuge oder die Inline-Messung von Werkstücken und Werkzeugen in Montagelinien oder Bearbeitungszentren einsetzen. Dies ist selbstverständlich keine abschließende Aufzählung.The method and the associated apparatus can be used, for example, for the optical measurement of the thickness of rolled sheets, the measurement of the straightness and the cross-sectional profile of rails, the measurement of the flatness of heavy plates or semiconductor wafers or the concentricity of waves, the dimensional testing of vehicle components (rims Checking the geometric characteristics of shafts (drive shafts, crankshafts, camshafts, balance shafts), measuring the roughness of surfaces, measuring the micro-topology of surface-treated semi-finished products or the in-line measurement of workpieces and tools in assembly lines or machining centers deploy. Of course, this is not an exhaustive list.

Die erzielten Genauigkeiten der ortsselektiven optischen Messverfahren reichen in den Mikrometer- und Submikrometerbereich. In dieser Genauigkeitsklasse – im Sinne von Messunsicherheiten zwischen 1 nm bis 50 μm – sind nunmehr Einflussfaktoren bei der Messung geometrischer Größen, wie z. B. Abständen zwischen einer Bezugsfläche eines optischen Sensors und einem Oberflächenpunkt auf einem Messobjekt, zu berücksichtigen, die bislang keine oder nur eine untergeordnete Rolle gespielt haben.The achieved accuracies of the location-selective optical measuring methods reach into the micrometer and sub-micrometer range. In this class of accuracy - in the sense of measurement uncertainties between 1 nm to 50 microns - are now influencing factors in the measurement of geometric variables, such. B. distances between a reference surface of an optical sensor and a surface point on a measurement object, to take into account that have played no or only a minor role so far.

Zu diesen Einflussfaktoren gehören auf der Oberfläche des Messobjekts anhaftende fluidische Schichten mit Dicken im Bereich von 1 nm bis 500 μm, die das Messergebnis sowohl in systematischer als auch in statistischer Weise beeinflussen können. Dadurch wird die erreichbare Messunsicherheit der dimensionellen Prüfung des eigentlichen Messobjekts, in der Regel ein Festkörper, grundsätzlich beschränkt. Beispiele dieser fluidischen Schichten sind Ölfilme oder ölhaltige Filme, die aus Korrosionsschutzgründen oder für die Durchführung bestimmter Bearbeitungsprozesse auf metallische Halbzeuge aufgebracht werden, um die Bildung von Oberflächenoxidation, Flugrost etc. zu verzögern oder zu unterbinden oder eine Kühl-, Schmier-, Gleit- oder Transportwirkung auszuüben. Die Verteilung und Ausbildung anhaftender fluidischer Filme bzw. Schichten hängt von den Eigenschaften des Fluids sowie den Eigenschaften und dem Bewegungszustand der Materialoberfläche (physikalisch, chemisch, Raumorientierung im Schwerefeld) des Messobjekts ab. Entsprechend variiert die entstehende Fluiddicke auf metallischen Halbzeugen im Bereich zwischen 1 nm und 500 μm.These influencing factors include fluidic layers adhering to the surface of the test object with thicknesses in the range of 1 nm to 500 μm, which can influence the measurement result both systematically and statistically. As a result, the achievable measurement uncertainty of the dimensional examination of the actual measurement object, generally a solid, is fundamentally limited. Examples of these fluidic layers are oil films or oil-containing films which are applied to metallic semi-finished products for corrosion protection reasons or for carrying out certain machining processes in order to delay or prevent the formation of surface oxidation, rust, etc. or a cooling, lubricating, sliding or Exercise transport effect. The distribution and formation of adhering fluidic films or layers depends on the properties of the fluid as well as the properties and the state of movement of the material surface (physical, chemical, spatial orientation in the gravitational field) of the measurement object. Accordingly, the resulting fluid thickness varies on metallic semi-finished products in the range between 1 nm and 500 microns.

Stand der TechnikState of the art

Zur Verringerung der Messunsicherheiten bei der optischen Messung geometrischer Größen von Objekten mit anhaftenden fluidischen Schichten ist es bekannt, die fluidischen Schichten z.B. durch Waschvorgänge vor einer Messung zu entfernen. Das erfordert jedoch zusätzliche Arbeitsschritte und die Kosten und die Durchlaufzeit erhöhen sich. Nach der Messung müssen die fluidischen Schichten in der Regel wieder auf die Objektoberfläche aufgebracht werden, um den Korrosionsschutz oder die Kühl- und Schmierwirkung wieder zu gewährleisten. Bei dieser Vorgehensweise fallen auch Waschrückstände an, die zu entsorgen oder zu recyceln sind. Zudem steigt der Verbrauch an Substanzen für die fluidischen Schichten mit entsprechenden Kosten und Umweltauswirkungen.In order to reduce the measurement uncertainties in the optical measurement of geometrical sizes of objects with adherent fluidic layers, it is known to coat the fluidic layers e.g. by washing before a measurement. However, this requires additional work steps and the cost and lead time increase. After the measurement, the fluidic layers usually have to be applied again to the object surface in order to ensure the corrosion protection or the cooling and lubricating effect again. This procedure also involves washing residues that have to be disposed of or recycled. In addition, the consumption of substances for the fluidic layers increases with corresponding costs and environmental impacts.

Eine weitere Möglichkeit zur Messung geometrischer Größen an Messobjekten mit anhaftenden fluidischen Schichten besteht in der Nutzung taktiler Messmethoden. Mit taktilen Messmethoden können derartige Objekte mit geringerer Messunsicherheit vermessen werden, da der Tastvorgang das anhaftende Fluid im Bereich der Antastung während des Messvorgangs verdrängt und dieses daher nicht oder nur in sehr geringem Umfang das Messergebnis beeinflusst. Ein Nachteil der taktilen Messmethoden ist jedoch ihr prinzipbedingter verschwindender Arbeitsabstand, der höhere Anforderungen an die Automatisierungstechnik bedingt und Kollisionsgefahren im Umfeld automatischer Handhabungssysteme erhöht. Der verschwindende Arbeitsabstand verringert die Flexibilität in der Anwendung bei variierendem Spektrum an zu prüfenden Messobjekten und Geometriekenngrößen. Weiterhin ist die Geschwindigkeit taktiler Messmethoden meist erheblich geringer als die berührungsloser optischer Messverfahren.Another possibility for measuring geometric variables on DUTs with adherent fluidic layers is the use of tactile measurement methods. With tactile measurement methods such objects can be measured with less uncertainty, since the keying the displaced adhering fluid in the region of the probing during the measuring process and this therefore not or only to a very limited extent affects the measurement result. However, a disadvantage of the tactile measuring methods is their inherent vanishing working distance, which requires higher demands on the automation technology and increases the risk of collision in the environment of automatic handling systems. The vanishing working distance reduces the flexibility in the application with varying spectrum of test objects and geometry parameters. Furthermore, the speed of tactile measurement methods is usually much lower than the non-contact optical measurement methods.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine hochpräzise optische Messung geometrischer Größen – wie Abstände, Formen, Konturen, Krümmungen usw. – von Objekten ermöglicht wird, an deren Oberfläche fluidische Schichten anhaften, ohne die Schichten aufwändig entfernen zu müssen.The object of the present invention is therefore to provide a method and a device with which a high-precision optical measurement of geometric variables - such as distances, shapes, contours, curvatures, etc. - is made possible by objects on the surface of which fluidic layers adhere, without the To remove layers with difficulty.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved by the method and the device according to claims 1 and 9. Advantageous embodiments of the method and the device are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiments.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren erfolgt die optische Messung am Objekt in bekannter Weise ortsselektiv mit optischer Messstrahlung. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die fluidische Schicht am Ort der jeweiligen optischen Messung durch lokale Erwärmung mit einer weiteren elektromagnetischen Strahlung, vorzugsweise in Form eines Strahlenbündels, für die Dauer der optischen Messung transient in der Dicke verringert wird. Diese Verringerung der Schicht- bzw. Filmdicke beruht darauf, dass mit der weiteren Strahlung lokal thermische Energie in die fluidische Schicht eingekoppelt wird, die die Viskosität des Fluids herabsetzt. Durch die verringerte Viskosität bildet sich lokal unter der Wirkung fluidischer Kräfte, der Gravitationskraft sowie ggf. von Trägheitskräften eine geringere Schichtdicke der anhaftenden fluidischen Schicht aus. In the proposed method, the optical measurement is carried out on the object in a known manner location-selective with optical measuring radiation. The method is characterized in that the fluidic layer at the location of the respective optical measurement is reduced transiently in thickness by local heating with a further electromagnetic radiation, preferably in the form of a radiation beam, for the duration of the optical measurement. This reduction of the layer or film thickness is based on the fact that with the further radiation locally thermal energy is coupled into the fluidic layer, which reduces the viscosity of the fluid. As a result of the reduced viscosity, a smaller layer thickness of the adhering fluidic layer is formed locally under the effect of fluidic forces, the gravitational force and possibly of inertial forces.

Damit wird die Messunsicherheit bei der optischen Messung an diesem Ort entsprechend verringert. Vorzugsweise werden die Parameter der weiteren elektromagnetischen Strahlung dabei so gewählt, dass ein vorgegebener Grenzwert der Schichtdicke lokal am Ort der Messung unterschritten wird. Dieser Grenzwert ist so gewählt, dass er deutlich geringer als die angestrebte Messunsicherheit der optischen Messung ist. Auf diese Weise werden die systematischen und die statistischen Fehlereinflüsse der anhaftenden fluidischen Schicht auf die optische Messung weitgehend reduziert. This reduces the measurement uncertainty in the optical measurement at this location accordingly. Preferably, the parameters of the further electromagnetic radiation are selected so that a predetermined limit value of the layer thickness is undershot locally at the location of the measurement. This limit is chosen so that it is significantly lower than the desired measurement uncertainty of the optical measurement. In this way, the systematic and statistical error influences of the adhering fluidic layer on the optical measurement are largely reduced.

Da bei dem vorgeschlagenen Verfahren die fluidische Schicht nicht entfernt sondern nur deren Dicke am jeweiligen Messort vorübergehend reduziert wird, muss anschließend keine neue fluidische Schicht auf das Objekt aufgetragen werden. Die fluidische Schicht bzw. der fluidische Film, z.B. ein Korrosionsschutzfilm, verbleibt stets auf dem Messobjekt. Er wird nur lokal für die Dauer der Messung in seiner Dicke verringert, um präzise Messergebnisse mit dem eingesetzten optischen Messverfahren erzielen zu können. Durch das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden damit erstmals Messungen geometrischer Größen an Objekten mit optischen Messverfahren ermöglicht, die trotz auf der Oberfläche der Objekte anhaftender fluidischer Filme Messunsicherheiten im Bereich von 50 μm bis herunter zu 1 nm erlauben. Damit werden Messunsicherheiten optischer Sensoren, die berührungslos über Arbeitsabstände zwischen 100 μm bis zu 100 mm und darüber hinaus das Objekt messen, im Bereich derjenigen taktiler Messsysteme erreicht oder übertroffen.Since in the proposed method, the fluidic layer is not removed but only the thickness of which is temporarily reduced at the respective measuring location, then no new fluidic layer must be applied to the object. The fluidic layer or fluidic film, e.g. a corrosion protection film always remains on the test object. It is reduced in thickness only locally for the duration of the measurement in order to be able to achieve precise measurement results with the optical measuring method used. The proposed method and the associated apparatus thus make it possible for the first time to carry out measurements of objects with optical measuring methods that allow measurement uncertainties in the range from 50 μm down to 1 nm, despite fluidic films adhering to the surface of the objects. In this way, measurement uncertainties of optical sensors, which measure contactlessly over working distances of between 100 μm up to 100 mm and beyond, in the field of tactile measuring systems are achieved or exceeded.

Die weitere elektromagnetische Strahlung wird vorzugsweise so auf das Objekt gerichtet, dass sie am Ort der optischen Messung einen Strahlquerschnitt aufweist, der größer als der Strahlquerschnitt des Messstrahls am Ort der optischen Messung ist. Bei einer Relativbewegung zwischen dem Messstrahl und der Objektoberfläche wird die gebündelte weitere elektromagnetische Strahlung vorzugsweise in Bewegungsrichtung um einen Vorlaufabstand versetzt zum Messstrahl auf die Objektoberfläche gerichtet. Der Vorlaufabstand wird dabei so gewählt, dass zum Zeitpunkt der Messung die Dicke der fluidischen Schicht am Messort entsprechend verringert ist. Bei einer Messung ohne Relativbewegung zwischen Objektoberfläche und Messstrahlung bzw. Messstrahl wird vorzugsweise kein Versatz zwischen dem Messstrahl und der gebündelten weiteren elektromagnetischen Strahlung eingestellt. Die weitere elektromagnetische Strahlung wird in diesem Fall vorzugsweise koaxial zur Messstrahlung auf die Objektoberfläche gerichtet.The further electromagnetic radiation is preferably directed onto the object such that it has a beam cross section at the location of the optical measurement which is larger than the beam cross section of the measurement beam at the location of the optical measurement. In the case of a relative movement between the measuring beam and the object surface, the bundled further electromagnetic radiation is preferably directed in the direction of movement by a lead distance offset from the measuring beam onto the object surface. The lead spacing is chosen so that at the time of measurement, the thickness of the fluidic layer is reduced accordingly at the measurement location. In a measurement without relative movement between the object surface and the measuring radiation or measuring beam, preferably no offset between the measuring beam and the bundled further electromagnetic radiation is set. The further electromagnetic radiation is preferably directed coaxially to the measuring radiation on the object surface in this case.

Die Parameter der weiteren elektromagnetischen Strahlung werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise so gewählt, dass die fluidische Schicht nicht thermisch zersetzt oder in anderer Weise dauerhaft verändert wird.In the proposed method, the parameters of the further electromagnetic radiation are preferably selected such that the fluidic layer is not thermally decomposed or permanently changed in any other way.

In einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird die Verringerung der Dicke der anhaftenden Schicht zusätzlich durch einen auf den Ort der optischen Messung gerichteten, kontinuierlichen oder gepulsten Gasstrom verstärkt. Die Parameter des Gasstroms werden dabei vorzugsweise so eingestellt, dass sich die fluidische Schicht nicht von der Oberfläche des Objekts ablöst. Durch den Gasstrom kann aufgrund der verringerten Viskosität der fluidischen Schicht am Ort der Messung die Dicke dieser Schicht noch weiter verringert werden, falls dies für die zu erzielende Messunsicherheit der optischen Messung erforderlich ist.In one embodiment of the proposed method, the reduction in the thickness of the adherent layer is further enhanced by a continuous directed to the location of the optical measurement or pulsed gas stream amplified. The parameters of the gas stream are preferably adjusted so that the fluidic layer does not detach from the surface of the object. Due to the reduced viscosity of the fluidic layer at the location of the measurement, the thickness of this layer can be further reduced by the gas flow if this is necessary for the measurement uncertainty of the optical measurement to be achieved.

Die vorgeschlagene Vorrichtung weist einen optischen Sensor für die Durchführung der optischen Messung, eine Trägereinrichtung für einen Messkopf des optischen Sensors und eine Trägereinrichtung für das zu vermessende Objekt auf, die durch eine Maschinenstruktur miteinander verbunden sind. Der Messkopf beinhaltet optische Elemente zur Führung der Messstrahlung sowie der weiteren elektromagnetischen Strahlung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren. Die Messstrahlung kann hierbei bspw. über einen Lichtwellenleiter in den Messkopf eingekoppelt werden, über den dann auch die vom Messort reflektierte oder rückgestreute Messstrahlung an eine Mess- oder Detektionseinheit geleitet wird. Die weitere elektromagnetische Strahlung kann ebenfalls in den Messkopf eingekoppelt werden. Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle für die weitere elektromagnetische Strahlung jedoch bereits im Messkopf angeordnet. Es besteht auch die Möglichkeit, den Messkopf mit der Strahlungsquelle für die Messstrahlung auszustatten und auch eine geeignete Mess- bzw. Detektionseinheit für die optische Messung in den Messkopf zu integrieren. The proposed device comprises an optical sensor for carrying out the optical measurement, a support device for a measuring head of the optical sensor and a support device for the object to be measured, which are interconnected by a machine structure. The measuring head includes optical elements for guiding the measuring radiation and the further electromagnetic radiation according to the proposed method. In this case, the measuring radiation can be coupled, for example, via an optical waveguide into the measuring head, via which the measuring radiation reflected or backscattered by the measuring location is then conducted to a measuring or detection unit. The further electromagnetic radiation can likewise be coupled into the measuring head. Preferably, however, the radiation source for the further electromagnetic radiation is already arranged in the measuring head. It is also possible to equip the measuring head with the radiation source for the measuring radiation and also to integrate a suitable measuring or detection unit for the optical measurement in the measuring head.

Wenigstens eine der beiden Trägereinrichtungen ist vorzugsweise als hochgenaue Achse für die Erzeugung von Linear- oder Drehbewegungen ausgebildet, über die dann der Messkopf oder das Messobjekt für die Messung entsprechend genau bewegt werden können. Die Steuerung der optischen Messungen, der Bewegungen sowie der Einstrahlung der weiteren elektromagnetischen Strahlung erfolgt über eine mit dem Messkopf und der oder den Trägereinrichtungen verbundene Steuereinrichtung.At least one of the two carrier devices is preferably designed as a highly accurate axis for the generation of linear or rotary movements, over which then the measuring head or the measurement object for the measurement can be moved according to exactly. The control of the optical measurements, the movements and the irradiation of the further electromagnetic radiation takes place via a control device connected to the measuring head and to the carrier device (s).

Als optische Messverfahren können die bereits in der Beschreibungseinleitung genannten Messverfahren, bspw. Lasertriangulation, interferometrische Abstandsmessung, konfokale Messung, Autofokusmessung, Laufzeitmessung oder auch Varianten oder Kombinationen dieser Messverfahren eingesetzt werden. Es ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Messverfahren begrenzt ist, sondern für alle optischen Verfahren eingesetzt werden kann, bei denen eine ortsselektive Messung mit optischer Messstrahlung durchgeführt wird.As optical measuring methods, the measurement methods already mentioned in the introduction to the description, for example laser triangulation, interferometric distance measurement, confocal measurement, autofocus measurement, transit time measurement or also variants or combinations of these measurement methods can be used. It is obvious that the present invention is not limited to these measuring methods, but can be used for all optical methods in which a location-selective measurement with optical measuring radiation is carried out.

Durch das beschriebene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung kann die Messunsicherheit optischer Sensoren für die Geometriemessung an Messobjekten mit anhaftenden fluidischen Schichten erheblich verbessert werden, ohne dass diese Schichten zuvor entfernt werden müssen. Die transiente Verringerung der Dicke der fluidischen Schicht, ausgelöst durch Einwirkung einer weiteren elektromagnetischen Strahlung und ggf. zusätzlich eines äußeren Gasstroms, die beide in der Umgebung des Messorts auf die fluidische Schicht einwirken, bietet den Vorteil, dass sich die Schicht nach der Messung wieder rekonstituiert und ihren Anwendungszweck erfüllt. Sonst erforderliche Prozessschritte wie das Waschen der Messobjekte zur Entfernung der fluidischen Schichten oder das Wiederaufbringen dieser Schichten entfallen.By means of the described method and the associated device, the measurement uncertainty of optical sensors for the geometry measurement on measuring objects with adhering fluidic layers can be considerably improved without these layers having to be removed beforehand. The transient reduction of the thickness of the fluidic layer, triggered by the action of a further electromagnetic radiation and possibly additionally an external gas flow, both of which act on the fluidic layer in the vicinity of the measurement location, offers the advantage that the layer reconstitutes itself after the measurement and its purpose. Otherwise required process steps such as the washing of the measuring objects to remove the fluidic layers or the reapplication of these layers are eliminated.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The proposed method and the associated device will be explained in more detail below with reference to embodiments in conjunction with the drawings. Hereby show:

1 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung; 1 a schematic representation of an embodiment of the proposed device;

2 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Wechselwirkung der Messstrahlung mit einem Messobjekt mit anhaftender fluidischer Schicht; 2 a representation for illustrating the interaction of the measuring radiation with a measuring object with adhering fluidic layer;

3 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Beeinflussung einer anhaftenden fluidischen Schicht mit weiterer elektromagnetischer Strahlung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren; 3 a schematic representation for illustrating the influence of an adhering fluidic layer with further electromagnetic radiation according to the proposed method;

4 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung des Messkopfes der vorgeschlagenen Vorrichtung; und 4 a schematic representation of an embodiment of the measuring head of the proposed device; and

5 ein Beispiel für das Bestrahlungsprofil von Messstrahlung und weiterer elektromagnetischer Strahlung auf der Oberfläche eines Messobjekts. 5 an example of the irradiation profile of measuring radiation and further electromagnetic radiation on the surface of a measuring object.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

1 zeigt in schematischer Darstellung einen beispielhaften Aufbau der vorgeschlagenen Vorrichtung zur Vermessung geometrischer Merkmale eines Messobjekts mit einem optischen Messverfahren. Die Figur zeigt einen optischen Sensor 3, der einen Messstrahl 4 emittiert und diesen ortsselektiv auf die Oberfläche 2 eines Messobjekts 1 richtet. Der optische Sensor 3 kann bspw. ein Triangulationssensor, ein Laser-Lichtschnittsensor, ein Interferometer, ein konfokaler Sensor, ein Autofokussensor, ein absolut messender interferometrischer Sensor, ein Laufzeitsensor oder ein vergleichbarer Sensor basierend auf Varianten oder Kombinationen der genannten Sensorprinzipien sein. Der optische Sensor 3 besteht in der Regel aus einem optischen Messkopf, der über geeignete Verbindungen, wie bspw. Lichtleiter, mit einer oder mehreren weiteren Einheiten des Sensors verbunden ist, die bspw. die Messstrahlungsquelle und den Detektor enthalten können. Der optische Sensor 3 ist in der Regel mit einer vom Sensor getrennten Steuer- und Auswerteelektronik verbunden. 1 shows a schematic representation of an exemplary structure of the proposed device for measuring geometric features of a measuring object with an optical measuring method. The figure shows an optical sensor 3 that has a measuring beam 4 emitted and this site-selective on the surface 2 a measurement object 1 directed. The optical sensor 3 For example, a triangulation sensor, a laser light-section sensor, an interferometer, a confocal sensor, an autofocus sensor, an absolute interferometric sensor, a run-time sensor, or a comparable sensor may be based on variants or combinations of the aforementioned sensor principles. The optical sensor 3 usually consists of an optical Measuring head, which is connected via suitable connections, such as, for example, optical fiber, with one or more other units of the sensor, which may contain, for example, the measuring radiation source and the detector. The optical sensor 3 is usually connected to a separate from the sensor control and evaluation.

Im einfachsten Fall trifft der Messstrahl 4 auf einen Punkt 6, dem Messort, auf der Oberfläche 2 des Messobjekts 1 und der Sensor 3 misst den Abstand zwischen dem Punkt 6 und einer Bezugsebene 5. Der Sensor 3 ist über eine Trägereinrichtung 9 mit einer Maschinenstruktur 8 verbunden. An dieser ist eine weitere Trägereinrichtung 7 montiert, die das Messobjekt 1 fixiert. Eine oder beide Trägereinrichtungen 7, 9 können ansteuerbare Achsen für die Erzeugung von Linear- oder Drehbewegungen aufweisen, so dass der Messpunkt 6 z.B. über die Oberfläche 2 des Messobjekts 1 bewegt und auf diese Weise sukzessiv eine Reihe von Abständen bei jeweils bekannten Achspositionen der Trägereinrichtungen 7, 9 und bekannten Orientierungen des Messobjekts 1 und des Sensors 3 gemessen werden können. Die Achspositionen und Orientierungen sind relativ zur Maschinenstruktur 8 bekannt, so dass eine Serie von Messdaten erfasst werden kann, die Geometriemerkmale des zu prüfenden Messobjekts 1 beschreiben. Beispiele sind Abstände, Positionen, Durchmesser, Form, Rundheit, Exzentrizität usw. In bekannter Weise können auch statt der Achsen der Trägereinrichtungen 7, 9 oder in Kombination mit diesen mit der Sensorik gekoppelte Scanner eingesetzt werden, die den Messstrahl 4 ablenken und so den Punkt 6 auf der Messobjektoberfläche verschieben.In the simplest case, the measuring beam hits 4 to a point 6 , the place of measurement, on the surface 2 of the measurement object 1 and the sensor 3 measures the distance between the point 6 and a reference plane 5 , The sensor 3 is via a carrier device 9 with a machine structure 8th connected. At this is another carrier device 7 mounted, which is the measuring object 1 fixed. One or both carriers 7 . 9 can have controllable axes for the generation of linear or rotary movements, so that the measuring point 6 eg over the surface 2 of the measurement object 1 moves and in this way successively a series of distances at each known axis positions of the carrier devices 7 . 9 and known orientations of the measurement object 1 and the sensor 3 can be measured. The axis positions and orientations are relative to the machine structure 8th known, so that a series of measurement data can be detected, the geometry features of the test object to be tested 1 describe. Examples are distances, positions, diameter, shape, roundness, eccentricity, etc. In a known manner, instead of the axes of the carrier devices 7 . 9 or in combination with these sensors coupled to the sensor, which are the measuring beam 4 distract and so the point 6 move on the target surface.

Im Allgemeinen haften an der Oberfläche 2 des Messobjekts 1 fluidische Schichten 10, wie z.B. Ölfilme, wie dies in 2 veranschaulicht ist. Deren Dicke 11 variiert je nach Menge des aufgebrachten Fluids, dessen fluidischen Eigenschaften, der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Oberfläche des Messobjekts 1 sowie der Raumorientierung der Oberfläche 1 und deren Bewegungszustand. Der Dickenvariationsbereich reicht von 1 nm bis 500 μm und ist damit in der gleichen Größenklasse wie die angestrebten Messunsicherheiten der Geometriemessung.Generally adhere to the surface 2 of the measurement object 1 fluidic layers 10 , such as oil films, as shown in 2 is illustrated. Their thickness 11 varies depending on the amount of the applied fluid, its fluid properties, the physico-chemical properties of the surface of the measurement object 1 as well as the spatial orientation of the surface 1 and their state of motion. The thickness variation range extends from 1 nm to 500 μm and is therefore in the same size class as the targeted measurement uncertainties of geometry measurement.

Der Messstrahl 4 des Sensors 3 wechselwirkt daher nicht nur mit der Oberfläche 2 des Messobjekts 1, sondern auch mit der fluidischen Schicht 10. Aufgrund der endlichen Dicke 11 wird das Messsignal verfälscht da ein Teil des Lichts bereits an der freien Flüssigkeitsoberfläche des Fluids gestreut wird, ein weiterer Teil an der Oberfläche des Messobjekts 1 und eventuell ein weiterer Teil innerhalb des Volumens der fluidischen Schicht 10. Die Überlagerung dieser Messsignalanteile führt zu einem Messfehler. Ist die Dicke der anhaftenden fluidischen Schicht konstant, resultiert ein systematischer Fehler. Im Allgemeinen variiert jedoch die Dicke 11 der fluidischen Schicht 10 als Funktion der Zeit, z. B. aufgrund des Zusammenspiels zwischen der durch die Trägereinrichtung 7 für eine Messung ausgelösten Bewegung des Messobjekts 1 und der Geometrie des Messobjekts. Daraus resultiert ein statistischer Fehler. Beide Fehleranteile vergrößern die Messunsicherheit. Dies betrifft insbesondere Messaufgaben, bei denen Messunsicherheiten besser als 10 μm und insbesondere besser als 1 μm bis herunter zu 10 nm angestrebt werden.The measuring beam 4 of the sensor 3 therefore interacts not only with the surface 2 of the measurement object 1 but also with the fluidic layer 10 , Due to the finite thickness 11 the measurement signal is falsified because part of the light is already scattered at the free liquid surface of the fluid, another part at the surface of the measurement object 1 and possibly another part within the volume of the fluidic layer 10 , The superimposition of these measurement signal components leads to a measurement error. If the thickness of the adhered fluidic layer is constant, a systematic error results. In general, however, the thickness varies 11 the fluidic layer 10 as a function of time, e.g. B. due to the interaction between the by the carrier device 7 for a measurement triggered movement of the DUT 1 and the geometry of the DUT. This results in a statistical error. Both error components increase the measurement uncertainty. This applies in particular to measurement tasks in which measurement uncertainties are better than 10 μm and in particular better than 1 μm down to 10 nm.

Der Lösungsansatz des vorgeschlagenen Verfahrens und der vorgeschlagenen Vorrichtung beruht darauf, die Dicke der fluidischen Schicht in der örtlichen Umgebung der einfallenden Strahlung des optischen Sensors für mindestens die Dauer der Messung mit einer weiteren elektromagnetischen Strahlung, die mit der fluidischen Schicht wechselwirkt, so zu beeinflussen, dass ihre lokale Dicke herabgesetzt wird. Hierzu emittiert der Messkopf des optischen Sensors 3 zusätzlich die weitere elektromagnetische Strahlung, im Folgenden als zweite elektromagnetische Strahlung bezeichnet. Diese Emission ist in der 1 nicht explizit dargestellt, wird jedoch in Verbindung mit den 3 bis 5 noch näher erläutert.The approach of the proposed method and the proposed device is based on influencing the thickness of the fluidic layer in the local environment of the incident radiation of the optical sensor for at least the duration of the measurement with a further electromagnetic radiation which interacts with the fluidic layer, that their local thickness is lowered. For this purpose, the measuring head of the optical sensor emits 3 in addition, the further electromagnetic radiation, hereinafter referred to as second electromagnetic radiation. This issue is in the 1 not explicitly shown, but in conjunction with the 3 to 5 explained in more detail.

3 illustriert diesen Ansatz in schematischer Weise. Ein Strahl zweiter elektromagnetischer Strahlung 12 wird auf die Oberfläche 2 des Messobjekts 1 gerichtet. Beispielsweise umschließt dieser weitere Strahl 12 den Messstrahl 4 des optischen Sensors 3. Die zweite elektromagnetische Strahlung wird so gewählt, dass sie vorzugsweise mit dem anhaftenden Fluid wechselwirkt und nicht mit dem dieses Fluid tragenden Messobjekt 1. Durch die Wechselwirkung wird in das Fluid in der Umgebung des Messorts 6 thermische Energie eingekoppelt, die die Viskosität des Fluids beeinflusst. Eine geringfügige lokale Temperaturerhöhung des Fluids führt zu einer lokal verringerten Viskosität dieses Fluids, so dass sich die Schichtdicke 13 der Schicht 10 an der Oberfläche 2 des Messobjekts 1 ortsselektiv ändert. Unter der Wirkung fluidischer Kräfte, der Gravitationskraft und von Trägheitskräften – wie z. B. aufgrund einer Rotation des Messobjekts 1 während der Messung – bildet sich lokal durch die verringerte Viskosität des Fluids eine geringere Schichtdicke aus. Auch durch äußere Impulsströme, wie z. B. eine auf den Wechselwirkungsort gerichtete Gasströmung, können äußere Kräfte auf das Fluid einwirken, die eine lokale Verringerung der Fluiddicke verstärken. Die örtlich variierende Schichtdicke 13 kann daher im gezeigten Beispiel durch eine Funktion der Form d_x = d_x(z) beschrieben werden (vgl. Koordinatensystem 14), die im Bereich der Messstrahlung 4 des optischen Sensors 3 ein lokales Minimum d_min annimmt. Dieses Minimum wird so gewählt, dass es kleiner oder auch sehr viel kleiner als die angestrebte Messunsicherheit u ist, d. h. es gilt: d_min < u oder d_min << u. 3 illustrates this approach in a schematic way. A beam of second electromagnetic radiation 12 will be on the surface 2 of the measurement object 1 directed. For example, this surrounds another beam 12 the measuring beam 4 of the optical sensor 3 , The second electromagnetic radiation is chosen so that it preferably interacts with the adhering fluid and not with the measuring object carrying this fluid 1 , Due to the interaction is in the fluid in the area around the site 6 thermal energy coupled, which affects the viscosity of the fluid. A slight local temperature increase of the fluid leads to a locally reduced viscosity of this fluid, so that the layer thickness 13 the layer 10 on the surface 2 of the measurement object 1 location-selective changes. Under the effect of fluidic forces, the gravitational force and inertial forces - such. B. due to a rotation of the measurement object 1 During measurement - formed locally by the reduced viscosity of the fluid from a smaller layer thickness. Also by external pulse currents, such. B. directed to the interaction site gas flow, external forces can act on the fluid, which enhance a local reduction of the fluid thickness. The locally varying layer thickness 13 can therefore be described in the example shown by a function of the form d _x = d _x (z) (see 14 ), which are in the range of measuring radiation 4 of the optical sensor 3 assumes a local minimum d _min . This minimum is chosen so that it is smaller or too is much smaller than the desired measurement uncertainty u, ie it applies: d _min <u or d _min << u.

Die Wellenlänge der zweiten elektromagnetischen Strahlung wird vorzugsweise so gewählt, dass die Absorptionslänge der Strahlung bei dieser Wellenlänge im anhaftenden Fluid in etwa so groß ist, wie die vor Einwirkung dieser Strahlung vorliegende Dicke des anhaftenden Fluids am Messort. In jedem Falle liegt die Absorptionslänge der Strahlung in der Größenordnung der Dicke des anhaftenden Fluids. Bei dieser Strahlung kann es sich sowohl um schmalbandige Strahlung als auch um breitbandige Strahlung handeln. Bei Nutzung von schmalbandiger Strahlung sollte sich die Wellenlänge dieser Strahlung von der Wellenlänge der Messstrahlung unterscheiden, damit sie die optische Messung nicht stört. Bei Nutzung breitbandiger Strahlung ist es zwar auch günstig, wenn die Messstrahlung nicht innerhalb des Wellenlängenbereiches der breitbandigen Strahlung liegt, jedoch nicht unbedingt erforderlich.The wavelength of the second electromagnetic radiation is preferably selected such that the absorption length of the radiation at this wavelength in the adhering fluid is approximately as large as the thickness of the adhering fluid at the measurement location present before the action of this radiation. In any case, the absorption length of the radiation is on the order of the thickness of the adhering fluid. This radiation can be both narrowband radiation and broadband radiation. When using narrow-band radiation, the wavelength of this radiation should be different from the wavelength of the measurement radiation so that it does not interfere with the optical measurement. When using broadband radiation, it is also advantageous if the measurement radiation is not within the wavelength range of the broadband radiation, but not absolutely necessary.

Bestrahlungsstärke, Bestrahlungsverteilung und Einwirkdauer der zweiten elektromagnetischen Strahlung werden so gewählt, dass sich im Bereich der ortsselektiven Messung mit dem optischen Sensor 3, d. h. am jeweiligen Messort, eine hinreichend geringe Dicke des Fluids während der Messung ausbildet, wobei die oben angegebene Bedingung eingehalten wird. Weiterhin sind die Bestrahlungsparameter der zweiten elektromagnetischen Strahlung so gewählt, dass das Fluid nicht thermisch zersetzt wird oder anderweitig dauerhaft verändert wird. So ist sichergestellt, dass nach der Messung das Fluid wieder die ursprünglich anhaftende Dicke einnimmt und der Zweck des Fluids – z. B. der Korrosionsschutz – erhalten bleibt. Die Bestrahlungsparameter sind vorzugsweise so gewählt, dass nur eine vernachlässigbare Energiemenge im Messobjekt absorbiert wird. Damit ist sichergestellt, dass sich dieses nicht thermisch verändert oder dessen thermische Ausdehnung so gering ist, dass sie wesentlich kleiner ist, als die angestrebte Messunsicherheit. Das Messobjekt selbst wirkt als Wärmereservoir großer Wärmekapazität und konstanter Temperatur, das nach Einwirkung der zweiten elektromagnetischen Strahlung 12 wieder einen Temperaturausgleich zwischen Fluid und Messobjekt bei der Ausgangstemperatur herstellt.Irradiance, irradiation distribution and exposure time of the second electromagnetic radiation are chosen so that in the region of the location-selective measurement with the optical sensor 3 , ie at the respective measuring location, forms a sufficiently small thickness of the fluid during the measurement, wherein the above-mentioned condition is met. Furthermore, the irradiation parameters of the second electromagnetic radiation are chosen so that the fluid is not thermally decomposed or otherwise permanently changed. This ensures that after the measurement, the fluid again assumes the originally adhering thickness and the purpose of the fluid -. B. the corrosion protection - is maintained. The irradiation parameters are preferably chosen so that only a negligible amount of energy is absorbed in the measurement object. This ensures that this does not change thermally or whose thermal expansion is so low that it is significantly smaller than the desired measurement uncertainty. The measurement object itself acts as a heat reservoir of great heat capacity and constant temperature, after exposure to the second electromagnetic radiation 12 again produces a temperature compensation between the fluid and the object to be measured at the outlet temperature.

Zusätzlich zur zweiten elektromagnetischen Strahlung wird in einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens sowie der zugehörigen Vorrichtung ein Gasstrom auf den Wechselwirkungsbereich der zweiten elektromagnetischen Strahlung mit der anhaftenden Fluidschicht gerichtet, der die lokale Verringerung der Dicke des anhaftenden Fluids unterstützt. Der Gasstrom wird so gewählt, dass der Impulsübertrag auf das Fluid nur zu einer lokalen Verdrängung aber nicht zu einer Ablösung des Fluids führt.In addition to the second electromagnetic radiation, in one embodiment of the proposed method and apparatus, a gas flow is directed to the interaction region of the second electromagnetic radiation with the adhered fluid layer which assists in locally reducing the thickness of the adhering fluid. The gas flow is chosen so that the momentum transfer to the fluid leads only to a local displacement but not to a separation of the fluid.

Die entsprechende Einstellung des Gasstroms sowie der Bestrahlungsparameter für die Bestrahlung mit der zweiten elektromagnetischen Strahlung können durch Vorversuche ermittelt werden. Für die Verringerung auf eine entsprechende Mindestdicke der anhaftenden Schicht können dabei vorab Messungen mit und ohne anhaftendes Fluid durchgeführt werden, um die jeweils erreichten Messunsicherheiten zu vergleichen.The corresponding adjustment of the gas flow and the irradiation parameters for the irradiation with the second electromagnetic radiation can be determined by preliminary experiments. For the reduction to a corresponding minimum thickness of the adhering layer, measurements with and without adhering fluid can be carried out beforehand in order to compare the respectively achieved measurement uncertainties.

4 zeigt beispielhaft eine Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens, bei der die zweite elektromagnetische Strahlung eine Strahlung im Bereich der optischen Wellenlängen zwischen 200 nm und 20 μm ist. Hierbei kann es sich bspw. um IR-Strahlung eines Globar, einer Quarz-Halogen-Lampe, einer Hg-Hochdrucklampe, eines Heizwiderstandes, einer Leuchtdiode oder eines Lasers handeln, die oder der als Strahlungsquelle für die weitere elektromagnetische Strahlung eingesetzt werden kann. Dargestellt ist eine Überlagerung der Messstrahlung 4 des optischen Sensors und der zweiten elektromagnetischen Strahlung 12. In dem Beispiel der 4 wird der optische Sensor 3 durch einen Messkopf 3a in Verbindung mit einer nicht dargestellten weiteren Sensoreinheit gebildet, in der die Strahlungsquelle für die Messstrahlung sowie die für die Messung erforderliche optische Detektionseinheit angeordnet sind. Im gezeigten Beispiel wird die Messstrahlung 4, 4´ dem Messkopf 3a über einen Lichtwellenleiter 15 zugeführt. In dem Messkopf 3a wird die Messstrahlung über eine Optik 16 kollimiert und mit einer weiteren Optik 17 für die ortsselektive Messung fokussiert oder auf einen kleineren Strahldurchmesser kollimiert. Die am Messobjekt 1 rückgestreute Messstrahlung gelangt über die gleichen Optiken 17, 16 wieder zurück zum Lichtwellenleiter 15 und über diesen zur Mess- oder Detektionseinheit, die ein Abstandssignal erzeugt, bspw. nach einem interferometrischen Prinzip oder einer Phasen- bzw. Laufzeitmessung. 4 shows an example of an embodiment of an apparatus for performing the proposed method, wherein the second electromagnetic radiation is a radiation in the range of optical wavelengths between 200 nm and 20 microns. This may be, for example, IR radiation of a globar, a quartz-halogen lamp, a Hg high-pressure lamp, a heating resistor, a light-emitting diode or a laser, which can be used as a radiation source for the further electromagnetic radiation. Shown is a superposition of the measuring radiation 4 the optical sensor and the second electromagnetic radiation 12 , In the example of 4 becomes the optical sensor 3 through a measuring head 3a formed in conjunction with a further sensor unit, not shown, in which the radiation source for the measuring radiation and the optical detection unit required for the measurement are arranged. In the example shown, the measuring radiation 4 . 4' the measuring head 3a via an optical fiber 15 fed. In the measuring head 3a the measuring radiation is transmitted via an optic 16 collimated and with another look 17 focussed for the location-selective measurement or collimated to a smaller beam diameter. The on the test object 1 backscattered measuring radiation passes through the same optics 17 . 16 back to the fiber optic cable 15 and via this to the measuring or detection unit which generates a distance signal, for example, according to an interferometric principle or a phase or transit time measurement.

Im Messkopf 3a ist eine Strahlungsquelle 18 für die zweite elektromagnetische Strahlung 12, angeordnet, die über eine Optik 19 und einen dichroitischen Strahlteiler 20 mit der Messstrahlung 4 überlagert wird. Der dichroitische Strahlteiler 20 und die Optiken 17 und 19 sind so ausgelegt und positioniert, dass die zweite elektromagnetische Strahlung 12´ im Bereich der einfallenden Messstrahlung 4´ auf die anhaftende fluidische Schicht 10 einwirkt. Insbesondere umschließt das Bestrahlungsprofil der zweiten elektromagnetischen Strahlung 12´ dasjenige der Messstrahlung 4´ und erzeugt eine lokale Verringerung der Dicke der anhaftenden fluidischen Schicht 10 während eines Messvorgangs. Im dargestellten Beispiel bewegen sich der Messkopf 3a und das Messobjekt 1 in z-Richtung relativ zueinander. Die Strahlachse der zweiten elektromagnetischen Strahlung 12´ wird hierbei in z-Richtung versetzt zur Strahlachse 24 des Messstrahls 4´ auf die Oberfläche des Messobjekt 1 gerichtet, damit zum Messzeitpunkt die erforderliche Verringerung der Dicke der anhaftenden Schicht 10 am Messort erreicht wird. In the measuring head 3a is a radiation source 18 for the second electromagnetic radiation 12 , arranged, over an optics 19 and a dichroic beam splitter 20 with the measuring radiation 4 is superimposed. The dichroic beam splitter 20 and the optics 17 and 19 are designed and positioned so that the second electromagnetic radiation 12' in the area of the incident measuring radiation 4' on the adherent fluidic layer 10 acts. In particular, the irradiation profile encloses the second electromagnetic radiation 12' that of the measuring radiation 4' and produces a local reduction in the thickness of the adherent fluidic layer 10 during a measurement process. In the example shown, the measuring head move 3a and the measurement object 1 in the z-direction relative to each other. The beam axis of the second electromagnetic radiation 12' This is offset in the z-direction to the beam axis 24 of the measuring beam 4' on the surface of the measuring object 1 directed so that at the time of measurement, the required reduction in the thickness of the adherent layer 10 is reached at the measuring location.

5 zeigt hierzu eine schematische Ansicht des Bestrahlungsprofils der Messstrahlung 4´ und der zweiten elektromagnetischen Strahlung 12´ auf der Oberfläche 2 des Messobjekts 1. Die jeweiligen Durchstoßungspunkte der Strahlachsen der Messstrahlung 4´ und der zweiten elektromagnetischen Strahlung 12´ mit der Oberfläche 2 des Messobjekts 1 – dargestellt als kleine Kreuze in 5 – weisen im Allgemeinen einen Abstand 25 gegeneinander auf. Dieser wird gleich null gewählt – entsprechend einer koaxialen Strahlführung – oder weist einen im Verhältnis zum Messabstand geringen Wert ≠ 0 auf, so dass z. B. bei einer Bewegung des Messobjekts 1 relativ zur Messstrahlung 4´ in positiver z-Richtung (vgl. Koordinatensystem 14) durch diesen Versatz Objektpunkte zuerst das Zentrum des Bestrahlungsprofils der zweiten elektromagnetischen Strahlung 12´ durchlaufen, bevor sie den Durchstoßungspunkt der Strahlachse der Messstrahlung 4´ mit dem Messobjekt erreichen. Der beschriebene Vorlaufabstand 25 wird so gewählt, dass die Einwirkdauer der zweiten elektromagnetischen Strahlung 12´ bei einem gegebenen Satz von Parametern dieser Strahlung (Strahlungsleistung, Bestrahlungsprofil, Wellenlänge) sowie den Eigenschaften des anhaftenden Fluids (physikalisch-chemische Eigenschaften, aufgebrachte Menge), der Geometrie des Messobjekts und seines Bewegungszustands hinreichend ist, um zu einer lokalen Verringerung der Dicke des anhaftenden Fluids für das Zeitintervall der Messung im Ortsbereich der Einwirkung der Messstrahlung 4´ zu führen. Hierzu kann die zweite elektromagnetische Strahlung 12´ bei geeigneter Wahl der Parameter auch kontinuierlich auf die Objektoberfläche eingestrahlt werden. 5 shows a schematic view of the irradiation profile of the measuring radiation 4' and the second electromagnetic radiation 12' on the surface 2 of the measurement object 1 , The respective piercing points of the beam axes of the measuring radiation 4' and the second electromagnetic radiation 12' with the surface 2 of the measurement object 1 - represented as small crosses in 5 - generally have a distance 25 against each other. This is chosen equal to zero - in accordance with a coaxial beam guidance - or has a low in relation to the measuring distance value ≠ 0, so that z. B. during a movement of the measurement object 1 relative to the measuring radiation 4' in positive z-direction (see coordinate system 14 ) by this offset object points first the center of the irradiation profile of the second electromagnetic radiation 12' before passing through the piercing point of the beam axis of the measuring radiation 4' reach with the measurement object. The described advance distance 25 is chosen so that the exposure time of the second electromagnetic radiation 12' for a given set of parameters of this radiation (radiant power, irradiance profile, wavelength) and the properties of the adhering fluid (physicochemical properties, amount applied), the geometry of the object to be measured and its state of motion sufficient to cause a local reduction in the thickness of the adherent Fluids for the time interval of the measurement in the local area of the action of the measuring radiation 4' respectively. For this purpose, the second electromagnetic radiation 12' if the parameters are suitably selected, they can also be continuously irradiated onto the object surface.

4 zeigt eine Ausgestaltung der Vorrichtung, bei der die Dicke der fluidischen Schicht am Messort zusätzlich durch Beaufschlagung mit einem äußeren Impulsstrom, im vorliegenden Fall einer Gasströmung, unterstützt und verstärkt wird. Der Gasstrom ist vorzugsweise koaxial oder parallel zur Strahlachse 24 der Messstrahlung 4´ angeordnet oder schließt mit dieser nur einen kleinen Winkel ein und wird in Richtung des Messobjekts 1 geführt. 4 zeigt hierzu eine Düse 21, die den Strahlengang der Messstrahlung 4´ und der zweiten elektromagnetischen Strahlung 12´ umschließt und einen Gasstrom 22 in Richtung auf das Messobjekt 1 führt. Die Symmetrieachse dieser Düse (strichpunktierte Linie 23) ist entweder koaxial oder parallel zur Strahlachse 24 der Messstrahlung 4´ angeordnet oder schließt mit dieser einen kleinen Winkel ein. In 4 ist beispielhaft eine Anordnung dargestellt, in der die beiden Achsen 23, 24 parallel zueinander verlaufen. Mit der parallelen oder geringfügig geneigten Anordnung wird wiederum ein Vorlaufabstand analog zu demjenigen eingestellt, der bereits für die Durchstoßungspunkte der Strahlachsen der Messstrahlung 4´ und der zweiten elektromagnetischen Strahlung 12´ durch die Oberfläche des Messobjekts 1 erläutert wurde. Richtung und Größe des Vorlaufabstands werden in Abhängigkeit vom Bewegungszustand des Messobjekts gewählt. Bei verschwindender Relativbewegung zwischen Messobjekt 1 und Messkopf 3a beträgt der Vorlaufabstand null, d. h. die Achsen der Gasströmung 22 und der Messstrahlung 4´ verlaufen koaxial. Im Falle einer Relativbewegung zwischen Messobjekt 1 und Messstrahlung 4´ wird der Vorlaufabstand ≠ 0 gewählt und so orientiert, wie es anhand von 5 analog für die Lage der Strahlachsen der zweiten elektromagnetischen Strahlung 12´ und der Messstrahlung 4´ gezeigt ist. 4 shows an embodiment of the device in which the thickness of the fluidic layer at the measuring location is additionally supported and reinforced by application of an external pulse current, in this case a gas flow. The gas stream is preferably coaxial or parallel to the jet axis 24 the measuring radiation 4' arranged or closes with this only a small angle and is in the direction of the measuring object 1 guided. 4 shows a nozzle for this purpose 21 , the beam path of the measuring radiation 4' and the second electromagnetic radiation 12' encloses and a gas flow 22 in the direction of the measurement object 1 leads. The symmetry axis of this nozzle (dot-dash line 23 ) is either coaxial or parallel to the beam axis 24 the measuring radiation 4' arranged or includes with this a small angle. In 4 is an example of an arrangement shown in which the two axes 23 . 24 parallel to each other. With the parallel or slightly inclined arrangement, in turn, a lead spacing is set analogous to that which already applies to the piercing points of the beam axes of the measuring radiation 4' and the second electromagnetic radiation 12' through the surface of the measurement object 1 was explained. Direction and size of the flow distance are selected depending on the motion state of the measurement object. With vanishing relative movement between the object to be measured 1 and measuring head 3a the flow distance is zero, ie the axes of the gas flow 22 and the measuring radiation 4' are coaxial. In the case of a relative movement between the object to be measured 1 and measuring radiation 4' the lead distance ≠ 0 is chosen and oriented as it is based on 5 analogous to the position of the beam axes of the second electromagnetic radiation 12' and the measuring radiation 4' is shown.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Messobjekt measurement object
22: Oberfläche des Messobjekts Surface of the test object
33: optischer Sensor optical sensor
3a3a: Messkopf des optischen Sensors Measuring head of the optical sensor
4, 4´4, 4': Messstrahl measuring beam
55: Bezugsebene reference plane
66: Messpunkt/Messort Measuring point / Location
77: Trägereinrichtung für Messobjekt Supporting device for measuring object
88th: Maschinenstruktur machine structure
99: Trägereinrichtung für Messkopf Carrier device for measuring head
1010: fluidische Schicht fluidic layer
1111: Dicke der fluidischen Schicht Thickness of the fluidic layer
12, 12´12, 12': zweite elektromagnetische Strahlung second electromagnetic radiation
1313: Dicke der fluidischen Schicht Thickness of the fluidic layer
1414: Koordinatensystem coordinate system
1515: Lichtwellenleiter optical fiber
1616: Kollimationsoptik collimating optics
1717: Fokussieroptik focusing optics
1818: Strahlungsquelle für zweite elektromagnetische Strahlung Radiation source for second electromagnetic radiation
1919: Optik für zweite elektromagnetische Strahlung Optics for second electromagnetic radiation
2020: dichroitischer Strahlteiler dichroic beam splitter
2121: Düse jet
2222: Gasstrom gas flow
2323: Symmetrieachse der Düse Symmetry axis of the nozzle
2424: Strahlachse der Messstrahlung Beam axis of the measuring radiation
2525: Vorlaufabstand leading distance

Claims

Method for high-precision optical measurement of geometrical sizes of objects on the surface ( 2 ) a fluidic layer ( 10 ), in which the optical measurement on the object ( 1 ) site-selective with optical measuring radiation ( 4 . 4' ), characterized in that the fluidic layer ( 10 ) locally ( 6 ) of the respective optical measurement by local heating with at least one further electromagnetic radiation ( 12 . 12' ) transient in thickness for the duration of the measurement ( 13 ) is reduced.

Method according to claim 1, characterized in that the further electromagnetic radiation ( 12 . 12' ) coaxial with the measuring radiation ( 4 . 4' ) so on the object ( 1 ) that they are locally ( 6 ) of the optical measurement has a beam cross section that is greater than a beam cross section of the measurement radiation ( 4 . 4' ) locally ( 6 ) of the optical measurement.

Method according to claim 1, characterized in that the further electromagnetic radiation ( 12 . 12' ) during a relative movement between the measuring radiation ( 4 . 4' ) and the surface ( 2 ) of the object ( 1 ) with a lead interval ( 25 ) to the measuring radiation ( 4 . 4' ) on the surface ( 2 ) of the object ( 1 ).

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that parameters of the further electromagnetic radiation ( 12 . 12' ) are chosen so that the fluidic layer ( 10 ) by the further electromagnetic radiation ( 12 . 12' ) is not thermally decomposed or permanently changed in any other way.

Method according to Claim 4, characterized in that the parameters of the further electromagnetic radiation ( 12 . 12' ) are chosen so that the thickness ( 13 ) of the fluidic layer ( 10 ) by the further electromagnetic radiation ( 12 . 12' ) is reduced to a value which exceeds a predetermined limit value for the thickness ( 13 ) of the layer falls below.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the transient local reduction of the thickness ( 13 ) of the fluidic layer ( 10 ) with the help of a locally on the surface ( 2 ) of the object ( 1 ) directed gas stream ( 22 ) is strengthened.

Method according to claim 6, characterized in that the parameters of the gas flow ( 22 ) are selected so that the fluidic layer ( 10 ) by the gas flow ( 22 ) not from the surface ( 2 ) of the object ( 1 ) replaces.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the wavelength or the wavelength range of the further electromagnetic radiation ( 12 . 12' ) is selected such that the absorption length of the further electromagnetic radiation ( 12 . 12' ) in the fluidic layer ( 10 ) of the order of the thickness ( 13 ) of the fluidic layer ( 10 ) before the action of the further electromagnetic radiation ( 12 . 12' ) lies.

Device for high-precision optical measurement of geometrical sizes of objects on the surface ( 2 ) fluidic layers ( 10 ), with - an optical sensor ( 3 ) for carrying out the optical measurement, - a first carrier device ( 9 ) for a measuring head ( 3a ) of the optical sensor ( 3 ), - a second carrier device ( 7 ) for the object to be measured ( 1 ) and - a machine structure ( 8th ), via which the first and second carrier device ( 7 . 9 ), wherein - the measuring head ( 3a ) optical elements ( 16 . 17 . 19 . 20 ) for guiding measuring radiation ( 4 . 4' ) for carrying out the optical measurement and for guiding further electromagnetic radiation ( 12 . 12' ), with which the measuring radiation ( 4 . 4' ) and the further electromagnetic radiation ( 12 . 12' ) on the surface ( 2 ) of the object to be measured ( 1 ).

Apparatus according to claim 9, characterized in that in the measuring head ( 3a ) a radiation source ( 18 ) for the further electromagnetic radiation ( 12 . 12' ) is arranged.

Apparatus according to claim 9 or 10, characterized in that the first ( 9 ) and / or the second carrier device ( 7 ) Axes for the generation of linear or rotary movements of the measuring head ( 3a ) and / or the object to be measured ( 1 ) exhibit.

Device according to one of claims 9 to 11, characterized in that at an output opening of the measuring head ( 3a ) through which the measuring radiation ( 4 . 4' ) and the further electromagnetic radiation ( 12 . 12' ) on the surface ( 2 ) of the object to be measured ( 1 ), a nozzle ( 21 ) is arranged with a gas supply such that via the nozzle ( 21 ) a gas stream ( 22 ) on the surface ( 2 ) of the object to be measured ( 1 ) can be directed.