DE102006001329A1 - Device for precise measurement of surface of test specimen, has scanning device with lens positioned relative to surface of specimen such that radiation source is arranged for radiation reflected to surface of specimen - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur hochgenauen Messung der Oberfläche eines Prüflings durch Abtastung der Oberfläche mit Hilfe einer hochpräzisen positionierbaren Abtastvorrichtung, wobei der Prüfling zwischen den Abtastungen relativ zur Abtastvorrichtung bewegbar ist.The The invention relates to a device for high-precision measurement of surface of a test object by scanning the surface with the help of a high precision positionable scanning device, wherein the device under test between the scans is movable relative to the scanning device.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur hochgenauen Messung der Oberfläche eines Prüflings, bei dem eine Abtastung der relativ zu einer Abtastvorrichtung bewegten Oberfläche erfolgt und die bei der Abtastung ermittelten Messwerte zur Bestimmung eines Verlaufs von Eigenschaften der Oberfläche herangezogen werden.The The invention further relates to a method for high-precision measurement the surface a test object, in which a scan moved relative to a scanning device surface and the measured values determined during the sampling for determination a course of properties of the surface are used.
Für hochgenaue Messungen der Oberfläche von Prüflingen mit einer Abtastvorrichtung werden häufig Koordinatenmessgeräte eingesetzt, von denen hochpräzise Ausführungsformen auf dem Markt sind. Der Aufbau eines kartesischen Koordinatenmessgerätes besteht in der Regel aus drei senkrecht aufeinander stehenden Verfahrachsen. Die drei Achsen bauen nach dem Prinzip der kinematischen Kette aufeinander auf, wobei das letzte Glied das Messkopfsystem, bestehend aus einem Messkopf und einem Tastersystem, trägt. Das Tastersystem weist an seiner Spitze eine Antastkugel auf, mit der ein auf der Werkstückaufnahme befestigter Prüfling an getastet wird, um so die Oberfläche des Prüflings zu erfassen. Obwohl das Koordinatenmessgerät grundsätzlich in der Lage ist, alle Oberflächen des Prüflings mit dem Tastersystem anzutasten, kann es zweckmäßig sein, den Prüfling in einer Drehvorrichtung zu lagern und während des Abtastens zu drehen. Für jedes Antasten werden die jeweiligen Koordinaten bestimmt, sodass auf diese Weise die Koordinaten der Antastpunkte auf der Oberfläche festgestellt werden können. Die Antastkugel bestimmt die Auflösung der Oberflächenerfassung, da Welligkeiten und Rauigkeiten, deren Erhebungen einen Abstand aufweisen, der geringer als der Durchmesser der Antastkugel ist, nicht bzw. nicht vollständig erfasst werden können. Die Verwendung sehr kleiner Antastkugeln führt zu einem erheblich erhöhten Aufwand.For highly accurate Measurements of the surface of specimens Coordinate measuring machines are frequently used with a scanning device. of which high precision embodiments are in the market. The construction of a Cartesian coordinate measuring machine exists usually of three mutually perpendicular axes. The three axes build on each other according to the principle of the kinematic chain on, where the last link is the measuring head system, consisting of a Measuring head and a stylus system, carries. The stylus system points at its tip a probing ball, with the one on the workpiece holder fixed specimen is keyed so as to capture the surface of the specimen. Even though the coordinate measuring machine in principle is capable of all surfaces of the test piece with the stylus system, it may be appropriate to the specimen in to store a rotating device and rotate during scanning. For each Touching the respective coordinates are determined, so on this way the coordinates of the touch points on the surface are detected can be. The probing ball determines the resolution of the surface detection, because ripples and roughness, whose elevations are a distance which is less than the diameter of the probe ball, not or not completely can be detected. The Use of very small probes leads to a considerably increased effort.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben angesprochene hochgenaue Messung der Oberfläche eines Prüflings mit einer hochpräzisen positionierbaren Abtastvorrichtung zu verbessern.Of the present invention is therefore the object of the above addressed high-precision measurement of the surface of a specimen with a high-precision positionable scanning device to improve.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass mit der Abtastvorrichtung eine Linse relativ zur Oberfläche des Prüflings positionierbar ist, dass eine Strahlenquelle für einen an der Oberfläche des Prüflings reflektierenden Strahl so angeordnet ist, dass der Strahl durch die Linse verläuft und die Linse mittels der Abtastvorrichtung so positionierbar ist, dass der Strahl auf einen Auftreffpunkt der Oberfläche des Prüflings fokussiert wird, und dass eine zumindest einen Teil des reflektierten Strahls aufnehmende Empfangseinrichtung vorgesehen ist, deren Ausgangssignal als ein Messsignal für die Oberfläche am Auftreffpunkt mittels einer Auswertungseinrichtung auswertbar ist.to solution This object is inventively a device the aforementioned Art characterized in that with the scanning a Lens relative to the surface position of the test object is that a source of radiation for one on the surface of the test piece Reflecting beam is arranged so that the beam through the lens runs and the lens being positionable by means of the scanning device, that the beam is at a point of impact of the surface of the DUT is focused, and that at least a part of the reflected Beam receiving receiving device is provided, the output signal as a measurement signal for the surface evaluable at the point of impact by means of an evaluation device is.
Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß mit einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass die Abtastung der Oberfläche mittels eines von der Oberfläche reflektierbaren Messstrahls erfolgt, der eine von der Abtastvorrichtung gehaltene Linse durchläuft, dass die Linse mittels der Abtastvorrichtung so positioniert wird, dass der Messstrahl jeweils an einem Auftreffpunkt der Oberfläche des Prüflings fokussiert ist, dass der Messstrahl so ausgerichtet ist, dass er von der Oberfläche in den Strahlengang des ausgesandten Messstrahls reflektiert wird, und dass der reflektierte Messstrahl als Messsignal für die Oberfläche am Auftreffpunkt herangezogen wird.The Object is further according to the invention with a method of the initially mentioned Sort of solved by that the scanning of the surface by means of one of the surface reflectable measuring beam, which is one of the scanning device going through lens, that the lens is positioned by means of the scanning device that the measuring beam in each case at a point of impact of the surface of the DUT Focused is that the measuring beam is aligned so that it from the surface in the beam path of the emitted measuring beam is reflected, and that the reflected measuring beam is used as a measuring signal for the surface at the point of impact becomes.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, die vorzugsweise durch ein Koordinatemessgerät gebildete Abtastvorrichtung nicht mehr unmittelbar für den Messvorgang, sondern nur noch zum Zustellen der erfindungsgemäß verwendeten Linse zu benutzen. Die Linse befindet sich in einem Strahlengang eines Messstrahls, der vorzugsweise durch einen Laser, beispielsweise einen üblichen und preiswerten Helium-Neon-Laser, generiert ist. Die Linse wird mit der Abtastvorrichtung in einer solchen Entfernung zu der Oberfläche des Prüflings positioniert, dass der Messstrahl auf dem jeweiligen Auftreffpunkt auf der Oberfläche des Prüflings fokussiert ist. Da der Messstrahl an der Oberfläche reflektiert wird, kann der reflektierte Messstrahl als Messsignal genutzt werden. Dies gelingt vorzugsweise dadurch, dass ein über einen Strahlteiler ausgekoppelter Teil des ausgesandten Messstrahls und ein über denselben Strahlteiler ausgekoppelter Teil des reflektierten Strahls einander überlagert werden, um so ein interferometrisches Signal zu bilden, dass in bekannter Weise für die Feststellung des Abstandes zur Oberfläche ausgewertet werden kann. Da der durch die Linse gebildete Fokus sehr klein (im Bereich von wenigen μm) sein kann, lassen sich somit Oberflächenstrukturen, die zu unterschiedlichen Abständen führen, mit einer sehr hohen Auflösung messen.Of the present invention is based on the idea that preferably through a coordinate measuring device formed scanning device no longer directly for the measurement process, but only to use for delivering the lens used in the invention. The lens is located in a beam path of a measuring beam, preferably by a laser, for example a conventional and cheap helium neon laser, is generated. The lens becomes with the scanning device at such a distance to the surface of the DUT positioned so that the measuring beam on the respective impact point on the surface of the test piece is focused. Since the measuring beam is reflected at the surface, the reflected measuring beam can be used as a measurement signal. This succeeds preferably in that an over a beam splitter decoupled part of the emitted measuring beam and an over the same beam splitter decoupled part of the reflected beam superimposed on each other so as to form an interferometric signal that in known way for the determination of the distance to the surface can be evaluated. Since the focus formed by the lens is very small (in the range of few μm) can thus be surface structures that are too different intervals to lead, with a very high resolution measure up.
Es ist im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, das Interferometer in eine interferometrische Nachführeinrichtung einzubinden, mit der die Positionen der Strahlenquelle sowie der Empfangseinrichtung einstellbar sind, sodass eine Nachführung in eine optimale Position möglich ist, wenn beispielsweise die Intensität oder das Signal-Rausch-Verhältnis des empfangenen interferometrischen Signals abnimmt.It is advantageous in the context of the invention, the interferometer in a interferometric tracking device To integrate, with the positions of the radiation source and the Receiving device are adjustable so that a tracking in an optimal position possible is, for example, if the intensity or the signal-to-noise ratio of the received interferometric signal decreases.
Die Bewegung des Prüflings ist vorzugsweise eine Drehbewegung, sodass der Prüfling vorzugsweise auf einem Drehtisch gelagert ist, der als hochpräzises Bauteil ausgebildet ist.The Movement of the test piece is preferably a rotational movement, so that the test specimen preferably is mounted on a turntable, which is designed as a high-precision component.
Bei der Abtastung einer Kugel ändert sich theoretisch der Abstand zwischen der Linse und der Kugeloberfläche beim Drehen der Kugel nicht, sofern die Drehachse des Drehtisches mit dem Kugelmittelpunkt zusammenfällt und senkrecht auf dem einfallenden Messstrahl steht. Größere Fehler werden durch eine Exzentrizität der Lagerung, also durch einen Abstand zwischen der Drehachse und Kugelmittelpunkt, verursacht. In bisheriger Technik war dieser Abstand iterativ durch manuelles Ausrichten zu minimieren, um die Messung durchführen zu können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht demgegenüber, die Bewegung des Prüflings relativ zur Linse, beispielsweise durch eine exzentrische Lagerung, vorab festzustellen, um die Abtastvorrichtung während der Bewegung des Prüflings entsprechend der so festgestellten Daten zu verfahren. Die festgestellten Bewegungsdaten können somit als Solldaten für die Steuerung der Abtastvorrichtung verwendet werden. Die Ermittlung der Bewegung des Prüflings kann bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Drehung des Prüflings um 360° vorgenommen wird und die Oberfläche des Prüflings mit einer herkömmlichen Antastkugel taktil abgetastet wird. Gleiches ist möglich, wenn bei der Drehung aufgrund der Form des Prüflings Abstandsänderungen entstehen, die durch eine entsprechende Bewegung der Linse kompensiert werden müssen.at the sampling of a sphere changes Theoretically, the distance between the lens and the spherical surface at Do not turn the ball if the axis of rotation of the turntable with the ball center coincides and is perpendicular to the incident measuring beam. Bigger mistakes be through an eccentricity the storage, so by a distance between the axis of rotation and Ball center, caused. In previous technology, this distance was iteratively by manually aligning to minimize the measurement carry out to be able to. The device according to the invention allows In contrast, the movement of the test object relative to the lens, for example by eccentric mounting, beforehand to detect the scanning device during the movement of the test piece according to the so determined data to proceed. The detected movement data can thus as target data for the control of the scanning device can be used. The investigation the movement of the specimen can in an embodiment according to the invention, for example be done by making a rotation of the specimen by 360 ° will and the surface of the test piece with a conventional probing ball tactile is scanned. The same is possible when turning due to the shape of the specimen changes in distance arise, which compensates by a corresponding movement of the lens Need to become.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es wesentlich, dass der Strahlengang auf die Position des Prüflings ausgerichtet wird. Dies geschieht vorzugsweise dadurch, dass der Messstrahl ohne zwischengeschaltete Linse auf die Oberfläche des Prüflings so gerichtet wird, dass der Messstrahl in sich selbst reflektiert wird. Hierdurch wird die Ausrichtung der Strahlenquelle, vorzugsweise eines optischen Lasers, festgelegt. Es kann zweckmäßig sein, für die Ausrichtung an der Stelle des Prüflings eine reflektierende Einmesskugel zu verwenden, die insbesondere für die Optimierung der Ausrichtung zur Verwendung der Intensität des Signals in der Empfangsvorrichtung, insbesondere in Form eines Interferometers, erleichtert.For the inventive method It is essential that the beam path is aligned to the position of the specimen becomes. This is preferably done by the measuring beam without intermediate lens is directed to the surface of the specimen so that the measuring beam is reflected in itself. This will be the Alignment of the radiation source, preferably an optical laser, established. It may be appropriate for the alignment in the place of the test piece to use a reflective Einmesskugel, in particular for the Optimize alignment to use the intensity of the signal in the receiving device, in particular in the form of an interferometer, facilitated.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand von schematischen Skizzen für ein Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen:The Invention will be explained in more detail below with reference to schematic sketches for an embodiment. Show it:
Die
in
Von
der Strahlenquelle in dem Interferometer
Auf
dem Drehtisch ist in einer Halterung
Hierzu
befindet sich die Linse
Es
ist somit erkennbar, dass die Zustellung der Linse
Da
die Verschiebungen mit einem hochpräzisen Koordinatenmessgerät vorgenommen
werden, bleibt sichergestellt, dass die Positionierung der Linse
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