DE102009040990A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche - Google Patents

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Vermessen einer Oberfläche (10) umfasst eine Lichtlenkeinrichtung (3), die ein optisches Signal (13) in einem Strahlenfächer (11) auf die Oberfläche (10) lenkt, und eine Detektoreinrichtung (6), die Intensitäten von an einer Mehrzahl von Punkten (12a, 12b, 12c) der Oberfläche (10) in dem Strahlenfächer (11) reflektierten und/oder gestreuten optischen Signalen (14a, 14c) erfasst. Das optische Signal (13) weist eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate auf. Eine Auswerteeinrichtung (7) der Vorrichtung (1) ist mit der Detektoreinrichtung (6) gekoppelt, um zum Vermessen der Oberfläche (10) Signalkomponenten der von der Detektoreinrichtung (6) erfassten Intensitäten auszuwerten, wobei die Signalkomponenten jeweils eine Frequenz aufweisen, die der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche unter Verwendung eines optischen Messverfahrens.
  • Die Messung einer Oberflächenkontur von dreidimensionalen Körpern hat vielfache Anwendungen, beispielsweise bei der Digitalisierung von Räumen, wie sie für Statikfragen im Bauingenieurwesen oder für Multimediaanwendungen eingesetzt wird, oder bei der quantitativen Qualitätskontrolle, insbesondere in der industriellen Produktion. Hierbei stellt die hochgenaue Vermessung sehr großer Objekte mit einer typischen Abmessung von einigen Metern mit einer hohen Auflösung eine Herausforderung dar.
  • Taktile Koordinatenmessmaschinen erreichen hohe Genauigkeiten in Volumina von einigen Kubikmetern. Diese Messungen können aber zeitintensiv sein, insbesondere wenn Positionen einer großen Zahl von über die Messkörperoberfläche verteilten Punkten bestimmt werden sollen. Koordinatenmessmaschinen für Objekte mit typischen Abmessungen im Meterbereich sind massive, nicht mobile Geräte. Die Verwendung einer taktile Messung ist außerdem bei empfindlichen Oberflächen nicht oder nur bedingt anwendbar.
  • Herkömmliche Messvorrichtungen zur optischen Vermessung einer Oberfläche, die einen Profilschnitt ermitteln, beruhen beispielsweise auf dem konfokalen Prinzip oder auf einer Triangulationsmessungen. Die EP 0 405 423 B1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Objekts, bei dem bzw. der neben einer Positionsbestimmung mittels Triangulation auch eine Ausrichtung eines Körpers ermittelt wird. Die EP 1 218 690 B1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Lage eines Zielverfolgungsspiegels und eine Spiegelanordnung dafür, wobei mittels interferometrischer Techniken eine Lageänderung der Spiegelanordnung ermittelt wird.
  • Bei zahlreichen herkömmlichen Profilmessgeräten besteht eine Kopplung zwischen einer Größe des Messbereichs und einer erzielbaren Auflösung derart, dass für einen größeren Messbereich typischerweise nur eine geringere Auflösung erzielbar ist. Darüber hinaus unterliegen diese Messtechniken auch im Hinblick auf den Dynamikbereich der jeweiligen Messvorrichtung, in dem die Oberfläche vermessen werden kann, Einschränkungen.
  • Laserweglängenmessgeräte erlauben die Bestimmung eines Abstands eines Objekts. In K. Minoshima and H. Matsumoto, „High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser", Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5512–5517 (2000) wird eine Distanzmessung unter Verwendung von Frequenzkämmen unter Laborbedingungen beschrieben. Die beschriebene Messung kann zwar mit hoher Genauigkeit erfolgen, erfolgt aber in einer Dimension mit einem vorgegebenen Strahlengang und erlaubt nicht die Vermessung einer Oberfläche.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche anzugeben. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren anzugeben, die bzw. das es erlaubt, eine Oberfläche berührungslos mit hoher Auflösung zu vermessen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben sind. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsbeispiele.
  • Die angegebene Vorrichtung und das angegebene Verfahren erlauben es, eine Oberfläche berührungslos zu vermessen. Unter dem Vermessen einer Oberfläche wird hier typischerweise die Bestimmung wenigstens eines Profilschnitts oder der Topographie wenigstens eines flächigen Bereichs der Oberfläche verstanden.
  • Eine Vorrichtung zum Vermessen einer Oberfläche nach einem Aspekt umfasst eine Lichtlenkeinrichtung, eine Detektoreinrichtung und eine Auswerteeinrichtung. Die Lichtlenkeinrichtung ist eingerichtet, um ein optisches Signal in einem Strahlenfächer auf die Oberfläche zu lenken, wobei das optische Signal eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate umfasst. Die Detektoreinrichtung ist eingerichtet, um Intensitäten von an einer Mehrzahl von Punkten der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signalen zu erfassen, wobei der Strahlenfächer die Mehrzahl von Punkten überdeckt. Die Auswerteeinrichtung ist mit der Detektoreinrichtung gekoppelt und eingerichtet, um zum Vermessen der Oberfläche Signalkomponenten der von der Detektoreinrichtung erfassten Intensitäten auszuwerten, wobei die Signalkomponenten der erfassten Intensitäten jeweils eine Frequenz aufweisen, die der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht.
  • Die Vorrichtung erlaubt es, dass für eine Mehrzahl von Punkten der Oberfläche an den Punkten reflektierte und/oder gestreute Signale ausgewertet werden, um so die Oberfläche berührungslos zu vermessen. Beispielsweise kann jeweils die Phasenlage der Signalkomponenten der von der Detektoreinrichtung erfassten Intensitäten relativ zu einem Referenzsignal ausgewertet werden, um einen Abstand der zugehörigen Punkte der Oberfläche zu einer Referenzposition zu ermitteln, so dass ein Profilschnitt der Oberfläche ermittelt werden kann. Die Auswertung einer Signalkomponente, deren Frequenz der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht, für jede der erfassten Intensitäten erlaubt es, eine Weglängenmessung für die an der Mehrzahl von Punkten der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten Signale durchzuführen.
  • Als Signalkomponente wird hierbei eine spektrale Komponente der erfassten Intensität als Funktion der Zeit bezeichnet. Die Auswerteeinrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, um für jede erfasste Intensität eine Phasenlage einer Signalkomponente der erfassten Intensität auszuwerten. Zur Auswertung der Phasenlage kann jeweils eine Phasendifferenz der Signalkomponente der Intensität mit einem mit derselben Frequenz oszillierenden Referenzsignal ermittelt werden, das eine Phasenlage des optischen Signals vor Durchlaufen des Wegs zu der Oberfläche abgeleitet wird.
  • Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um für jede der erfassten Intensitäten die Phasenlage einer Signalkomponente zu ermitteln, die mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert. Dadurch ist bei vorgegebener Phasenauflösung eine höhere Ortsauflösung erzielbar.
  • Die Lichtlenkeinrichtung kann eingerichtet sein, um das optische Signal zu dem Strahlenfächer aufzuweien, um das optische Signal gleichzeitig zu der Mehrzahl von Punkten der Oberfläche zu lenken. Dazu kann die Lichtlenkeinrichtung eine geeignete Aufweitungsoptik, beispielsweise eine Zylinderoptik, umfassen. Die Lichtlenkeinrichtung kann auch so eingerichtet sein, dass sie das optische Signal gleichzeitig zu einer Mehrzahl von zueinander geneigten Strahlenfächern aufweitet, um das optische Signal nicht nur entlang einer Linie, sondern entlang einer Mehrzahl von Linien oder in einem flächigen Bereich auf die Oberfläche zu lenken. Der Strahlenfächer wird dann von dem entsprechend aufgeweiteten Signal, beispielsweise einem Lichtkegel, umfasst. Diese Ausgestaltung erlaubt es, Messungen für mehrere Punkte der Oberfläche parallel durchzuführen.
  • Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, um die reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale an mehreren Positionen zu empfangen. Die Vorrichtung kann so eingerichtet sein, dass unterschiedliche Positionen der mehreren Positionen die reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale von unterschiedlichen Punkten der Mehrzahl von Punkten empfangen. Dazu kann die Vorrichtung eine geeignete Abbildungsoptik umfassen. Beispielsweise kann an einer ersten Position, an der optische Signale empfangen werden, ein an einem ersten Punkt der Oberfläche reflektiertes und/oder gestreutes Signal empfangen werden, und an einer zu der ersten Position beabstandeten zweiten Position kann ein an einem zweiten Punkt der Oberfläche reflektiertes und/oder gestreutes Signal empfangen werden. Die Positionen, an denen die reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale empfangen werden, können durch optische oder elektrooptische Komponenten definiert sein, beispielsweise durch Detektoren der Detektoreinrichtung, durch Enden von Lichtleitfasern oder durch andere optische Elemente, mit denen Licht zu Fotodetektoren der Detektoreinrichtung gelenkt wird.
  • Die Auswerteeinrichtung kann einen Signalverarbeitungspfad zum Bestimmen einer Phasenlage eines mit der Repetitionsrate oder dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden elektrischen Signals umfassen. Die Vorrichtung kann so eingerichtet sein, dass dem Signalpfad steuerbar ein elektrisches Signal zuführbar ist, das wahlweise eine Intensität eines an einer ersten Position der mehreren Positionen empfangenen reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals oder eines an einer zweiten Position der mehreren Positionen empfangenen reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals repräsentiert. Diese Ausgestaltung ermöglicht, dass nicht für jede der Positionen, an denen die reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale empfangen werden, ein separater Signalverarbeitungspfad in der Auswerteeinrichtung vorgesehen werden muss.
  • Die Vorrichtung kann einen mit dem Signalverarbeitungspfad gekoppelten Multiplexer für elektrische Signale oder einen mit dem Signalverarbeitungspfad gekoppelten Multiplexer für optische Signale aufweisen. Falls beispielsweise die Detektoreinrichtung mehrere Detektoren umfasst, können Ausgangssignale eines ersten Detektors und eines zweiten Detektors über einen Multiplexer für elektrische Signale dem Signalverarbeitungspfad zugeführt werden. Falls die an der Mehrzahl von Punkten reflektierten und/oder gestreuten Signale mit Lichtleitfasern zu der Detektoreinrichtung geleitet werden, können mindestens zwei Lichtleitfasern mit einem Multiplexer für optische Signale gekoppelt sein.
  • Die Detektoreinrichtung kann mehrere Detektoren umfassen, wobei ein Detektor und ein weiterer Detektor der mehreren Detektoren eingerichtet sein können, um an unterschiedlichen Punkten der Mehrzahl von Punkten reflektierte und/oder gestreute optische Signale zu erfassen. Die Vorrichtung kann so ausgestaltet sein, dass paarweise verschiedene Detektoren der mehreren Detektoren optische Signale von paarweise verschiedenen Punkten der Mehrzahl von Punkten empfangen. Die Detektoreinrichtung kann eine Zeile von Fotodetektoren umfassen. Die Detektoreinrichtung kann auch als flächige Anordnung von Fotodetektoren ausgebildet sein, um die gleichzeitige Erfassung von an einem flächigen Bereich der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signalen zu erlauben.
  • Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um gleichzeitig ein Ausgangssignal des Detektors und ein Ausgangssignal des weiteren Detektors zu verarbeiten. Auf diese Weise können die an unterschiedlichen Punkten der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale parallel ausgewertet werden.
  • Die Lichtlenkeinrichtung kann so eingerichtet sein, dass die Lichtlenkeinrichtung eine Scaneinrichtung umfasst, mit der das optische Signale in einem Lichtstrahl als Funktion der Zeit so abgelenkt wird, dass es den Strahlenfächer überstreicht. Die Scaneinrichtung kann einen Resonanzscanner, einen Galvanometerscanner oder einen Polygonscanner umfassen.
  • Die Lichtlenkeinrichtung kann als Resonanzscanner ausgebildet sein und ein oszillierendes Element, das eine Resonanzfrequenz aufweist, insbesondere ein mechanisch schwingendes Element, umfassen, um das optische Signal sequentiell zu der Mehrzahl von Punkten zu lenken. Mit einem Resonanzscanner kann durch geeignete Wahl der Oszillationsfrequenz eine schnelle Abtastung der Mehrzahl von Punkten der Oberfläche erfolgen. Die Oszillationsfrequenz kann abhängig von einer für die von der Auswerteeinrichtung für die Auswertung einer Signalkomponente einer erfassten Intensität benötigte Zeit gewählt werden.
  • Die Vorrichtung kann eine Steuereinrichtung umfassen, mit der eine Amplitude und/oder Nulllage der Schwingungsbewegung des oszillierenden Elements steuerbar ist.
  • Die Auswerteeinrichtung kann mit einem Sensor für das oszillierende Element gekoppelt und eingerichtet sein, um abhängig von Phasenlagen der Schwingungsbewegung des oszillierenden Elements und den von der Detektoreinrichtung erfassten Intensitäten Positionen der Mehrzahl von Punkten zu bestimmen. Dies erlaubt es, die Oberfläche zu vermessen, selbst wenn die Lichtlenkeinrichtung nicht gesteuert einen einzigen Punkt abtasten kann.
  • Die Vorrichtung kann ein f-Theta-Objektiv umfassen, das beispielsweise in dem Strahlengang zwischen der Scaneinrichtung und der Oberfläche vorgesehen sein kann.
  • Die Vorrichtung kann so eingerichtet sein, dass die durch den Strahlenfächer definierte verstellbar ist. Auf diese Weise kann der Strahlenfächer so verstellt werden, dass mehrere unabhängige Profilschnitte aufgenommen werden können. Dazu kann die Vorrichtung einen steuerbaren Umlenkspiegel umfassen.
  • Die Vorrichtung kann eine steuerbare Antriebseinrichtung umfassen, mit der wenigstens die Lichtlenkeinrichtung und/oder die Detektoreinrichtung relativ zu der zu vermessenden Oberfläche repositioniert werden können. Die Antriebseinrichtung kann elektronisch, insbesondere abhängig von die Oberfläche betreffenden Daten angesteuert werden. Die die Oberfläche betreffenden Daten können aus einem aufgenommenen Übersichtsbild oder bekannten CAD-Daten der Oberfläche gewonnen werden. Auf diese Weise kann gezielt ein Bereich der Oberfläche angefahren werden, der mit höherer Genauigkeit zu vermessen ist.
  • Die Vorrichtung kann eine Lichtquelle zum Erzeugen des optischen Signals umfassen. Die Lichtquelle kann einen Kurzpulslaser umfassen. Die Lichtquelle kann als optischer Frequenzkamm-Generator ausgestaltet sein, um zum Erzeugen des optischen Signals einen optischen Frequenzkamm zu erzeugen. Optische Frequenzkämme weisen eine hohe Phasenstabilität und ein ausgeprägtes Oberwellenspektrum im Frequenzraum auf und erlauben, eine Signalkomponente der Intensität, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, zur Auswertung heranzuziehen.
  • Bei einem Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche nach einem Aspekt wird ein optisches Signal in einem Strahlenfächer auf die Oberfläche gelenkt, wobei das optische Signal eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate umfasst. Intensitäten von an einer Mehrzahl von Punkten der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signalen werden erfasst, wobei die Mehrzahl von Punkten von dem Strahlenfächer überdeckt werden. Signalkomponenten der erfassten Intensitäten werden ausgewertet, wobei die ausgewerteten Signalkomponenten jeweils eine Frequenz aufweisen, die der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht.
  • Das Verfahren erlaubt es, dass für eine Mehrzahl von Punkten der Oberfläche an den entsprechenden Punkten reflektierte und/oder gestreute Signale ausgewertet werden, um so die Oberfläche berührungslos zu vermessen. Beispielsweise kann ein Profilschnitt der Oberfläche ermittelt werden. Die Auswertung einer Signalkomponente, deren Frequenz der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht, für jede der erfassten Intensitäten erlaubt es, eine Weglängenmessung für die an der Mehrzahl von Punkten der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten Signale durchzuführen. Auf diese Weise können Abstände der Punkte zu einer Referenzposition ermittelt werden.
  • Zum Auswerten der Signalkomponenten kann für jede erfasste Intensität eine Phasenlage einer Signalkomponente der erfassten Intensität ausgewertet werden. Zum Auswerten der Phasenlage kann jeweils eine Phasendifferenz der Signalkomponente der Intensität mit einem mit derselben Frequenz oszillierenden Signalkomponente eines Referenzsignais ermittelt werden, das eine Phasenlage des optischen Signals vor Durchlaufen des Wegs zur und von der Oberfläche abgeleitet wird.
  • Das optische Signal kann zu dem Strahlenfächer aufgeweiet und gleichzeitig zu der Mehrzahl von Punkten der Oberfläche gelenkt werden.
  • Die an der Mehrzahl von Punkten der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale können an mehreren Positionen empfangen werden, wobei an unterschiedlichen Positionen der mehreren Positionen optische Signale empfangen werden, die an unterschiedlichen Punkten der Mehrzahl von Punkten reflektiert und/oder gestreut werden. Die Positionen, an denen die reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale empfangen werden, können durch optische oder elektrooptische Komponenten definiert sein, beispielsweise durch Detektoren der Detektoreinrichtung, durch Enden von Lichtleitfasern oder durch andere optische Elemente, mit denen Licht zu Fotodetektoren der Detektoreinrichtung gelenkt wird.
  • Bei dem Verfahren kann einem Signalverarbeitungspfad zum Bestimmen einer Phasenlage eines mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden elektrischen Signals steuerbar ein elektrisches Signal zugeführt werden, das wahlweise eine Intensität eines an einer ersten Position der mehreren Positionen empfangenen reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals oder eines an einer zweiten Position der mehreren Positionen empfangenen reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals repräsentiert. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, für jede der Positionen, an denen die reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale erfasst werden, einen separaten Signalverarbeitungspfad vorzusehen.
  • Ein an einem Punkt der Mehrzahl von Punkten reflektiertes und/oder gestreutes optisches Signal kann mit einem Detektor und ein an einem weiteren Punkt der Mehrzahl von Punkten reflektiertes und/oder gestreutes optisches Signal kann mit einem weiteren Detektor erfasst werden, wobei die Signale parallel verarbeitet werden können.
  • Das optische Signal kann in einem Lichtstrahl so gelenkt werden, dass es den Strahlenfächer überstreicht. Dazu kann das optische Signal mit einer Scaneinrichtung abgelenkt werden. Das optische Signal kann mit einem Resonanzscanner abgelenkt werden. Das optische Signal kann mit einem oszillierenden Element, das eine Resonanzfrequenz aufweist, insbesondere mit einem mechanisch schwingenden Element sequentiell zu der Mehrzahl von Punkten gelenkt werden.
  • Eine Phasenlage einer Schwingungsbewegung des oszillierenden Elements und die Signalkomponenten der erfassten Intensitäten können ausgewertet werden, um Positionen der Mehrzahl von Punkten zu bestimmen. Dabei kann eine Richtung der Punkte relativ zu einem vorgegebenen Referenzpunkt und ein Abstand der Punkte von dem vorgegebenen Referenzpunkt bestimmt werden.
  • Das oszillierende Element kann derart gesteuert werden, dass das optische Signal die Mehrzahl von Punkten in einer ersten Richtung und in einer dazu entgegengesetzten zweiten Richtung überstreicht, wobei zum Vermessen der Oberfläche die Intensitäten, die beim Überstreichen der Mehrzahl von Punkten in der ersten Richtung erfasst werden, und die Intensitäten, die beim Überstreichen der Mehrzahl von Punkten in der zweiten Richtung erfasst werden, ausgewertet werden. Auf diese Weise können Abbildungsfehler, die durch die endliche Signalverarbeitungszeit der erfassten Intensitäten bei einer kontinuierlichen Bewegung des optischen Signals hervorgerufen werden, durch eine geeignete Kombination der bei Scanbewegungen in entgegengesetzte Richtungen ermittelten Daten wenigstens teilweise kompensiert werden.
  • Der Strahlenfächer kann so verstellt werden, dass der Strahlenfächer sequentiell in unterschiedlichen Ebenen liegt. Auf diese Weise können für mehrere Bereiche der Oberfläche Profilschnitte aufgenommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Öffnungswinkel des Strahlenfächers gesteuert werden. Die Steuerung der Position und/oder des Öffnungswinkels des Strahlenfächers kann abhängig von die Oberfläche betreffenden Daten erfolgen. Die die Oberfläche betreffenden Daten können durch ein Übersichtsbild oder durch CAD-Daten oder dergleichen gewonnen werden.
  • Das optische Signal kann ein optischer Frequenzkamm sein. Optische Frequenzkämme weisen eine hohe Phasenstabilität und ein ausgeprägtes Oberwellenspektrum im Frequenzraum auf und erlauben, eine Signalkomponente der Intensität, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, zur Auswertung heranzuziehen.
  • Das Verfahren nach einem Aspekt oder Ausführungsbeispiel kann mit einer Vorrichtung nach einem Aspekt oder Ausführungsbeispiel der Erfindung durchgeführt werden.
  • Während hier auf „Punkte” der Oberfläche und auf an den Punkten der Oberfläche reflektierte und/oder gestreute Signale Bezug genommen wird, die von der Detektoreinrichtung erfasst werden, wird der Begriff „Punkt” in diesem Kontext nicht nur für nulldimensionale Objekte verwendet, sondern bezieht sich auch auf Abschnitte der Oberfläche mit kleinen lateralen Abmessungen. Derartige Abschnitte können beispielsweise durch einen Strahldurchmesser des von der Messeinrichtung verwendeten optischen Signals und/oder eine laterale Auflösung der Detektoreinrichtung und der zugehörigen Abbildungsoptik definiert sein.
  • Die Vorrichtungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung können allgemein zum Vermessen von Oberflächen eingesetzt werden. Ein beispielhaftes Anwendungsfeld sind Messanwendungen in der quantitativen Qualitätskontrolle, insbesondere in der industriellen Produktion. Jedoch sind die Ausführungsbeispiele der Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel.
  • 2 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung von 1 beim Vermessen einer Oberfläche.
  • 3A und 3B sind schematische Darstellungen einer Detektoreinrichtung und einer damit gekoppelten Auswerteeinrichtung einer Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel.
  • 4 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • 5 ist eine Flussdiagrammdarstellung eines Verfahrens zum Vermessen einer Oberfläche nach einem Ausführungsbeispiel.
  • 6A und 6B zeigen schematische Darstellungen von beispielhaften Messprofilen zur Erläuterung des Verfahrens von 5.
  • 7 zeigt schematische Darstellungen von beispielhaften Messprofilen zur Erläuterung des Verfahrens von 5.
  • 8 ist eine Flussdiagrammdarstellung eines Verfahrens zum Vermessen einer Oberfläche nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • 9A, 9B und 9C sind schematische Darstellungen einer Oberflächenstruktur und von beispielhaften Messprofilen zur Erläuterung des Verfahrens von 8.
  • 10 ist eine schematische Darstellung einer Oberfläche zur Erläuterung des Verfahrens von 8.
  • 11 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Signalverarbeitungspfads einer Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern dies in der nachfolgenden Beschreibung nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird. Auch wenn einzelne Ausführungsbeispiele im Hinblick auf spezifische Anwendungen, beispielsweise im Kontext einer industriellen Anlage, beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zum Vermessen einer Oberfläche 10 nach einem Ausführungsbeispiel.
  • Die Vorrichtung 1 umfasst eine Lichtquelle 2, die mit einer Repetitionsrate eine Folge kurzer Lichtpulse erzeugt, eine Lichtlenkeinrichtung 3, die von der Lichtquelle 2 erzeugte Folge von Lichtpulsen zu einem Strahlenfächer aufweitet, eine Detektoreinrichtung 6 mit mehreren Fotodetektoren 6a–6c und eine Auswerteeinrichtung 7, deren Ausgestaltung und Funktionsweise nachfolgend noch näher erläutert wird. Die Vorrichtung umfasst weiterhin optische Komponenten, beispielsweise einen Strahlteiler 4 und eine Abbildungsoptik 5, die so eingerichtet sind, dass das von der Lichtquelle 2 erzeugte optische Signal in dem Strahlenfächer 11 auf die Oberfläche 10 auftrifft und an Punkten 12 der Oberfläche reflektierte und/oder gestreute optische Signale von den Detektoren der Detektoreinrichtung 6 erfasst werden.
  • Im Betrieb der Vorrichtung 1 erzeugt die Lichtquelle 2 eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate. Die Lichtquelle 2 kann beispielsweise als optischer Frequenzkamm-Generator ausgestaltet sein, der mit hoher Phasenstabilität eine Folge von Lichtpulsen erzeugt, deren Dauer kurz im Vergleich zu einem zeitlichen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen ist. Die Lichtlenkeinrichtung 3 weist eine Aufweitungsoptik, beispielsweise eine Zylinderoptik, auf, um das von der Lichtquelle erzeugte optische Signal 13 zu einem Strahlenfächer 11 aufzuweiten. Das optische Signal 13 wird in dem Strahlenfächer 11 über den Strahlteiler 4 auf die Oberfläche 10 gelenkt, wobei der von dem Strahlenfächer 11 auf der Oberfäche 10 beleuchtete Bereich eine Mehrzahl von Punkten 12 definiert, an denen der Profilschnitt der Oberfläche 10 ermittelt wird. An der Mehrzahl von Punkten 12 wird das in dem Strahlenfächer 11 auftreffende optische Signal 13 gestreut und/oder reflektiert. Die gestreuten und/oder reflektierten optischen Signale 14a, 14c werden über den Strahlteiler 4 und die Abbildungsoptik 5 zu der Detektoreinrichtung 6 gelenkt. Dabei sind die optischen Komponenten der Vorrichtung 1 derart eingerichtet, dass die an unterschiedlichen Positionen der Detektoreinrichtung 6 auf die Detektoreinrichtung 6 einfallenden gestreuten und/oder reflektierten optischen Signale 14a, 14c unterschiedlichen Punkten 12a, 12b, 12c der Oberfläche zuordenbar sind. Die Detektoreinrichtung 6 der Vorrichtung 1 weist eine zeilenförmige Anordnung von Fotodetektoren 6a, 6b, 6c auf, wobei der Fotodetektor 6a ein an dem Punkt 12a der Oberfläche 10 gestreutes und/oder reflektiertes optisches Signal 14a, der Fotodetektor 6b ein an dem Punkt 12b der Oberfläche 10 gestreutes und/oder reflektiertes optisches Signal und der Fotodetektor 6c ein an dem Punkt 12c der Oberfläche 10 gestreutes und/oder reflektiertes optisches Signal 14c erfasst. Anders ausgedrückt wird die durch die Lichtquelle 2 und die Aufweitungsoptik 3 auf die Oberfläche 10 projizierte Linie, der aufgrund der gepulsten Lichtabgabe der Lichtquelle 2 ein zeitliches Muster aufgeprägt ist, über den Strahlteiler 4 und die Abbildungsoptik 5 auf die Detektoreinrichtung 6 abgebildet. Die Abbildungsoptik 5 ist vorteilhaft so eingerichtet, dass ein Punkt der Oberfläche 10 im Wesentlichen auf genau einen Detektor der Detektoreinrichtung 6 abgebildet wird. Um variable Abstände der Oberfläche 10 von den Komponenten der Vorrichtung 1 zu berücksichtigen, kann die Abbildungsoptik 5 beispielsweise relativ zu der Detektoreinrichtung 6 und dem Strahlteiler 4 beweglich angeordnet sein. Die Position der Abbildungsoptik 5, bzw. falls die Abbildungsoptik mehrere optische Komponenten umfasst, die Positionen der optischen Komponenten der Abbildungsoptik 5, kann bzw. können basierend auf einem mit einer weiteren Messmethode ermittelten Schätzwert für den Abstand zwischen einem Punkt der Oberfläche, beispielsweise dem Auftreffpunkt des Mittelstrahls des Strahlenfächers 11, und dem Strahlteiler 4 eingestellt werden.
  • Jeder der Detektoren 6a, 6b, 6c der Detektoreinrichtung 6 erfasst eine Intensität des auf ihn einfallenden gestreuten und/oder reflektierten optischen Signals als Funktion der Zeit. Die von den Detektoren 6a, 6b, 6c der Detektoreinrichtung 6 erfassten Intensitäten spiegeln die Folge von Pulsen mit der Repetitionsrate wieder, wobei unterschiedliche zurückgelegte Weglängen zu unterschiedlichen Laufzeiten der erfassten gestreuten und/oder reflektierten optischen Signale führen, aus denen die zurückgelegten Weglängen ermittelbar sind.
  • Die Auswerteeinrichtung 7 weist eine Mehrzahl von Signalverarbeitungspfaden 7a, 7b, 7c zur Verarbeitung der Ausgangssignale der Detektoren der Detektoreinrichtung 6 auf. Jedem der Signalverarbeitungspfade 7a, 7b, 7c wird ein elektrisches Signal 16a, 16b, 16c zugeführt, das eine von einem der Detektoren der Detektoreinrichtung 6 erfasste Intensität als Funktion der Zeit repräsentiert. Bei einem Ausführungsbeispiel kann für jeden Detektor ein zugeordneter Signalverarbeitungspfad in der Auswerteeinrichtung 7 vorgesehen sein. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine Anzahl der Signalverarbeitungspfade der Auswerteeinrichtung 7 kleiner sein als eine Anzahl der Detektoren der Detektoreinrichtung 6. Im letzteren Fall kann ein Signalverarbeitungspfad mehreren Detektoren der Detektoreinrichtung 6 zugeordnet sein, wie unter Bezugnahme auf 3A und 3B noch näher erläutert wird.
  • Der Auswerteeinrichtung 7 wird ein Referenzsignal 15 zugeführt, das eine Intensität des von der Lichtquelle 2 erzeugten gepulsten optischen Signals repräsentiert, d. h. das die Phasenlage ohne Durchlaufen der Weglänge zur und von der Oberfläche 10 aufweist. Das Referenzsignal 15 kann beispielsweise erzeugt werden, indem ein Anteil des von der Lichtquelle 2 erzeugten optischen Signals 13 innerhalb oder außerhalb eines Gehäuses der Lichtquelle 2 abgezweigt und auf einen Referenzsignaldetektor gelenkt wird, der das elektrische Referenzsignal 15 bereitstellt. Um Information über die Laufzeit der optischen Signals über einen der Mehrzahl von Punkten der Oberfläche 10 zu dem zugeordneten Detektor der Detektoreinrichtung 6 zu erhalten, wird in dem entsprechenden Signalverarbeitungspfad eine Signalkomponente des Ausgangssignals des Detektors ausgewertet, deren Frequenz der Repetitionsrate der Folge von Lichtpulsen, die im Folgenden mit f0 bezeichnet wird, oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht. Insbesondere kann zur Bestimmung einer Laufzeit des entsprechenden reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals eine Signalkomponente des Ausgangssignals des Detektors ausgewertet werden, deren Frequenz mit einem großen ganzzahligen Vielfachen n·f0 mit n >> 1, beispielsweise mit n > 100, oszilliert. Das Auswerten der von einem der Detektoren der Detektoreinrichtung 6 erfassten Intensität in der Auswerteeinrichtung 7 kann insbesondere die Ermittlung einer Phasendifferenz zwischen der Signalkomponente der erfassten Intensität und der mit derselben Frequenz oszillierenden Signalkomponente des Referenzsignals 15 umfassen. Diese Phasendifferenz ist gleich dem Produkt aus der Frequenz der Signalkomponente und der Laufzeit des an der Oberfläche 10 reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals relativ zu einer Laufzeit zu der Aufnahmeposition des Referenzsignals 15, Δφ = n·f0·τ, wobei τ der Laufzeitunterschied ist. Wie unter Bezugnahme auf 11 noch näher erläutert wird, kann die Auswerteeinrichtung 7 so eingerichtet sein, dass die Signalkomponente der von einem Detektor der Detektoreinrichtung 6 erfassten Intensität unter Beibehaltung ihrer Phasendifferenz zu der entsprechenden Signalkomponente des Referenzsignals 15 abwärtsgemischt wird, um die Ermittlung der Phasendifferenz zu erleichtern.
  • Die Auswerteeinrichtung 7 ermittelt auf diese Weise für jede der von den Detektoren der Detektoreinrichtung 6 erfassten Intensitäten anhand einer Signalkomponente, die mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, eine Phasendifferenz, die zur Laufzeit des entsprechenden reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals und somit zu der zurückgelegten Wegstrecke proportional ist. Auf diese Weise können für die unterschiedlichen Strahlrichtungen im Strahlenfächer 11 die Abstände des Auftreffpunkts des optischen Signals auf der Oberfläche von einer geeigneten Referenzposition, die beispielsweise durch den Strahlendurchtrittspunkt der Aufweitungsoptik 3 definiert sein kann, ermittelt werden. Da aufgrund der Abbildung des von einem Punkt der Oberfläche 10 reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals auf einen Detektor der Detektoreinrichtung 6 die ermittelten Abstände den Strahlrichtungen zuordenbar sind, kann so ein Profilschnitt der Oberfläche 10 erfasst werden.
  • Die Mehrzahl von Signalverarbeitungspfaden 7a, 7b, 7c der Auswerteeinrichtung 7 erlaubt es, die Phasenlagen und somit die Weglängen für eine Mehrzahl von Punkten der Oberfläche parallel zu ermitteln. Auf diese Weise kann im Wesentlichen gleichzeitig der Profilschnitt, der durch die Linie gegeben ist, entlang der der Strahlenfächer 11 auf die Oberfläche 10 auftrifft, ermittelt werden. Auch wenn mehrere Detektoren einem Signalverarbeitungspfad zugeordnet sind, kann durch Vorsehen mehrerer Signalverarbeitungspfade eine parallele Verarbeitung der von mehreren Detektoren erfassten Intensitäten ermöglicht werden.
  • Weitere Einrichtungen können zur weiteren Verarbeitung der von der Auswerteeinrichtung 7 ermittelten Phasenlagen vorgesehen sein. Die Vorrichtung 1 umfasst eine elektronische Recheneinheit 8, die beispielsweise als auf geeignete Weise softwaretechnisch eingerichteter Personal Computer oder eine andere rechentechnische Einrichtung ausgestaltet sein kann. Die Recheneinheit 8 wertet die von der Auswerteeinrichtung 7 bereitgestellten Daten, die Ergebnisse der Auswertung von Signalkomponenten der von der Detektoreinrichtung 6 erfassten Intensitäten repräsentieren, weiter aus, um daraus beispielsweise einen Profilschnitt entlang der Oberfläche 10 zu berechnen. Mit der elektronischen Recheneinheit 8 ist eine steuerbare Antriebseinrichtung 9 gekoppelt, mit der Komponenten der Vorrichtung 1, beispielsweise die Lichtlenkeinrichtung 3 und/oder die Detektoreinrichtung 6, relativ zu der zu vermessenden Oberfläche 10 repositioniert werden können. Die Ansteuerung der Antriebseinrichtung 9 kann abhängig von in einem Übersichtsscan aufgenommenen Profilschnitten erfolgen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Antriebseinheit 9 eingerichtet sein, um den Strahlenfächer 11 in der Ebene des Strahlenfächers, d. h. in 1 nach oben oder nach unten, zu verschieben. Auf diese Weise kann mit unterschiedlichen, aber im Wesentlichen überlappenden Positionen des Strahlenfächers ein Profilschnitt mehrfach aufgenommen werden. Insbesondere falls die Detektoreinrichtung 6 nur eine kleine Anzahl von separaten Detektoren 6a, 6b, 6c umfasst, kann durch Kombination der so ermittelten Profilschnitte eine höhere laterale Auflösung erzielt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel kann durch eine geeignete Verstellung einer oder mehrerer optischer Komponenten eine Subpixel-Auflösung dadurch erreicht werden, dass der Strahlenfächer 11 in der Ebene des Strahlenfächers einmal oder mehrfach derart verstellt wird, dass sich die Position des Abbildes eines gegebenen Punktes der Oberfläche, beispielsweise des Punktes 12b, auf der Detektorzeile 6 für die unterschiedlichen Positionen des Strahlenfächers nur um weniger als eine Pixelbreite der Detektoreinrichtung 6 verschiebt. Die für mehrere derartige Positionen des Strahlenfächers ermittelten Profilschnitte können, beispielsweise durch Interpolation, zu einem Profilschnitt höherer Auflösung kombiniert werden. Beispielsweise können insgesamt p Profilschnitte mit nur geringfügig verschobenen Strahlenfächern aufgenommen werden, so dass immer im Wesentlichen derselbe Oberflächenbereich abgebildet wird, wobei zwischen den Aufnahmen die Position des Strahlenfächers so geändert wird, dass sich das Abbild eines gegebenen Punktes der Oberfläche auf der Detektoranordnung 6 um einen Bruchteil einer Pixelbreite, beispielsweise um den Bruchteil 1/p der Pixelbreite, relativ zu dem bei einer anderen Strahlenfächerposition resultierenden Position des Abbildes des gegebenen Punktes verschiebt.
  • Auch wenn in 1 beispielhaft die Projektion des optischen Signals auf eine im Wesentlichen planare Oberfläche 10 dargestellt ist, kann die Vorrichtung 1 allgemein zum Ermitteln von Profilschnitten eingesetzt werden. 2 zeigt schematisch die Verwendung der Vorrichtung 1 zum Erfassen eines Profilschnitts einer Oberfläche 10', die abschnittsweise gekrümmt ist.
  • Um zu berücksichtigen, dass bei einer nicht-planaren Oberfläche der Abstand zwischen Strahlteiler 4 und der Oberfläche 10' für unterschiedliche Positionen des Strahlenfächers variieren kann, kann eine Position der Abbildungsoptik 5 relativ zu der Detektoreinrichtung 6 einstellbar sein. Die Position der Abbildungsoptik 5 kann beispielsweise so eingestellt werden, dass wenigstens ein Punkt der Oberfläche 10', der von dem Strahlenfächer 11 erfasst wird, von der Abbildungsoptik 5 im Wesentlichen nur auf einen zugeordneten Detektor der Detektoreinrichtung 6 abgebildet wird. Vorteilhaft kann die Abbildungsoptik 5 eine Nulllage aufweisen, in der eine derartige Abbildung für typische Abstände der Oberfläche 10' von einem Strahldurchtrittspunkt der Aufweitungsoptik 3 realisiert ist. Alternativ oder zusätzlich kann insbesondere bei Oberflächen, bei denen die Abstände naher Punkte der Oberfläche 10' zu dem Strahldurchtrittspunkt der Aufweitungsoptik 3 stark variiert, ein Öffnungswinkel des Strahlenfächers 11 ausreichend verkleinert werden, dass die Varianz der Abstände innerhalb des Strahlenfächers 11 einen vorgegebenen Schwellenwert nicht übersteigt. Eine derartige Anpassung des Öffnungswinkels des Strahlenfächers kann beispielsweise abhängig von einer Varianz der Abstände durchgeführt werden, die bei der vorhergehenden Erfassung eines Profilschnitts ermittelt wurden.
  • Die Vorrichtung 1 kann so eingerichtet sein, dass der Strahlenfächer 11 relativ zu der Oberfläche 10, 10' bewegbar ist. Dazu kann die Antriebseinrichtung 9 so ausgebildet sein, dass der Strahlenfächer 11 selektiv zu Bereichen der Oberfläche bewegt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 1 einen Scan-Spiegel umfassen, der den Strahlenfächer 11 in einer Richtung quer zu der durch den Strahlenfächer 11 definierten Ebene umlenkt. Der Scan-Spiegel kann mit einem steuerbaren Aktuator gekoppelt sein, um eine kontrollierte Positionierung zu ermöglichen. Die Ablenkung des Strahlenfächers 11 quer zu der durch den Strahlenfächer 11 definierten Ebene kann auch mit einem Resonanzscanner realisiert werden. Information über die momentane Stellung des Scan-Spiegels kann durch einen Sensor bereitgestellt werden, der die Stellung des Scan-Spiegels erfasst. Falls die Stellung des Scan-Spiegels mit einem Steuersignal gesteuert wird, kann Information über die Stellung des weiteren Scan-Spiegels auch aus dem Steuersignal abgeleitet werden.
  • Abwandlungen der Vorrichtung 1 können bei weiteren Ausführungsbeispielen realisiert werden. Während bei der unter Bezugnahme auf 1 erläuterten Ausgestaltung der Vorrichtung 1 für jeden Detektor der Detektoreinrichtung 6 ein diesem zugeordneter Signalverarbeitungspfad vorgesehen ist, können bei einem weiteren Ausführungsbeispiel Multiplexer für elektrische oder für optische Signale vorgesehen sein, so dass eine Anzahl der Signalverarbeitungspfade in der Auswerteeinrichtung 7 kleiner gewählt werden kann als eine Anzahl von Positionen, an denen die an der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale empfangen werden.
  • 3A zeigt eine Ausgestaltung einer Detektoreinrichtung und Auswerteeinrichtung, die bei der Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel verwendet werden kann. Beispielsweise kann die in 3A dargestellte Detektoreinrichtung und Auswerteeinrichtung anstelle der Detektoreinrichtung 6 und Auswerteeinrichtung 7 der Vorrichtung 1 verwendet werden.
  • Die Detektoreinrichtung 21 von 3A ist eingerichtet, um an einer Mehrzahl von Positionen optische Signale zu empfangen, die an der Oberfläche reflektiert und/oder gestreut wurden. Dazu ist eine Mehrzahl von Lichtleitfasern 22 vorgesehen, deren Enden 31 die Mehrzahl von Positionen definieren, an denen an der Oberfläche reflektierte und/oder gestreute optische Signale empfangen werden. Weiterhin ist eine Mehrzahl von optischen Multiplexern 24 vorgesehen, von denen jeder eingangsseitig an mehrere Lichtleitfasern 22 gekoppelt ist. Beispielsweise ist ein optischer Multiplexer 24a eingangsseitig mit Lichtleitfasern 27, 28 gekoppelt, die Licht an den durch ihre Enden 32, 33 definierten Positionen empfangen. Die optischen Multiplexer 24 sind eingerichtet, um eines der eingangsseitig empfangenen optischen Signale steuerbar an eine weitere Lichtleitfaser bereitzustellen, die den entsprechenden Multiplexer mit einem diesem zugeordneten Detektor koppelt. Entsprechend sind mehrere weitere Lichtleitfasern 25 und eine Detektoranordnung 26 mit einer Mehrzahl von Fotodetektoren vorgesehen, die über die weiteren Lichtleitfasern 25 von den optischen Multiplexern 24 weitergeleitete optische Signale empfangen. Beispielsweise stellt der Multiplexer 24a wahlweise das in der Lichtleitfaser 27 geführte Signal oder das in der Lichtleitfaser 28 geführte Signal über die weitere Lichtleitfaser 25a an den Fotodetektor 26a bereit. Die Fotodetektoren der Detektoranordnung 26 erfassen die Intensität der über eine der Lichtleitfasern 25 empfangenen Signale und stellen ein die Intensität repräsentierendes Ausgangssignal an jeweils einen Signalverarbeitungspfad 7a–7d der Auswerteeinrichtung 7 bereit. Die Auswertung des Ausgangssignals des Fotodetektors in dem zugeordneten Signalverarbeitungspfad der Auswerteeinrichtung 7 kann wie unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben erfolgen.
  • Die Multiplexer 24 können so gesteuert werden, dass zeitsequentiell die unterschiedlichen eingangsseitig empfangenen Signale an die Detektoranordnung 26 weitergeleitet werden. Auf diese Weise kann zwar immer noch eine Mehrzahl von erfassten Intensitäten parallel ausgewertet werden, wobei nicht für jede der möglichen Positionen 31, an denen die optischen Signale empfangen werden, ein separater Signalverarbeitungspfad vorgesehen werden muss.
  • 3B zeigt eine Ausgestaltung einer Detektoreinrichtung und Auswerteeinrichtung, die bei der Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel verwendet werden kann. Beispielsweise kann die in 3B dargestellte Detektoreinrichtung und Auswerteeinrichtung anstelle der Detektoreinrichtung 6 und Auswerteeinrichtung 7 der Vorrichtung 1 verwendet werden.
  • Die Detektoreinrichtung 41 von 3B ist eingerichtet, um an einer Mehrzahl von Positionen optische Signale zu empfangen, die an der Oberfläche reflektiert und/oder gestreut wurden. Dazu ist eine Detektoranordnung 46 mit einer Mehrzahl von Fotodetektoren vorgesehen. Die Fotodetektoren der Detektoranordnung sind zeilenförmig angeordnet. Die Detektoreinrichtung 41 von 3B umfasst weiterhin eine Mehrzahl von Multiplexern 44 für elektrische Signale, wobei jeweils Ausgänge mehrerer Detektoren der Detektoranordnung 46 mit einem der Multiplexer gekoppelt sind. Beispielsweise sind die Detektoren 46a und 46b ausgangsseitig mit dem Multiplexer 44a gekoppelt. Die Multiplexer 44 sind eingerichtet, um steuerbar eines der eingangsseitig empfangenen elektrischen Signale als Ausgangssignal an einen dem entsprechenden Multiplexer zugeordneten Signalverarbeitungspfad der Auswerteeinrichtung 7 bereitzustellen. Beispielsweise kann der Multiplexer 44a steuerbar eines der beiden von den Fotodetektoren 46a oder 46b empfangenen Signale an die Auswerteeinrichtung 7 bereitstellen. Die Auswertung des Ausgangssignals des Fotodetektors in dem zugeordneten Signalverarbeitungspfad der Auswerteeinrichtung 7 kann wie unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben erfolgen.
  • Die Multiplexer 44 können so gesteuert werden, dass zeitsequentiell die unterschiedlichen eingangsseitig empfangenen Signale an die Auswerteeinrichtung 7 weitergeleitet werden. Auf diese Weise kann zwar immer noch eine Mehrzahl von erfassten Intensitäten parallel ausgewertet werden, wobei nicht für jede der möglichen Positionen, an denen die an der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten Signale empfangen werden, ein separater Signalverarbeitungspfad vorgesehen werden muss.
  • Weitere Abwandlungen der unter Bezugnahme auf 1–3 beschriebenen Vorrichtung können bei weiteren Ausführungsbeispielen realisiert sein. Beispielsweise kann anstelle einer zeilenförmigen Anordnung von Fotodetektoren oder Enden von Lichtleitfasern auch eine zweidimensionale Anordnung gewählt werden. Die Aufweitungsoptik kann entsprechend so ausgestaltet sein, dass das von der Lichtquelle erzeugte optische Signal gleichzeitig in mehreren Strahlenfächern, insbesondere in einem Lichtkegel, auf die zu vermessende Oberfläche gelenkt wird. Auf diese Weise können parallel mehrere Profilschnitte der Oberfläche ermittelt werden, d. h. die Topographie der Oberfläche kann erfasst werden.
  • 4 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 51 zum Vermessen einer Oberfläche 10'' nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • Die Vorrichtung 51 umfasst eine Lichtquelle 52, die mit einer Repetitionsrate eine Folge kurzer Lichtpulse erzeugt, eine Lichtlenkeinrichtung, die als Scanner 53 ausgebildet ist, um das von der Lichtquelle 52 erzeugte optische Signal 13' in einem Strahlenfächer 11 strahlförmig über die Oberfläche 10'' zu tasten, eine Detektoreinrichtung 56 mit einem Fotodetektor und eine Auswerteeinrichtung 57 zum Auswerten der von dem Fotodetektor 56 erfassten Signals. Die Vorrichtung umfasst weiterhin optische Komponenten, beispielsweise einen Strahlteiler 54 und eine Abbildungsoptik 55, die so eingerichtet sind, dass das von der Lichtquelle 52 erzeugte optische Signal 13' auf die Oberfläche 10'' auftrifft und das an einem Punkt 12d der Oberfläche reflektierte und/oder gestreute optische Signal von der Detektoreinrichtung 56 erfasst wird.
  • Die Lichtquelle 52 der Vorrichtung 51 kann die für die Lichtquelle 2 der Vorrichtung 1 beschrieben Ausgestaltung aufweisen und beispielsweise als optischer Frequenzkamm-Generator ausgestaltet sein, der mit hoher Phasenstabilität eine Folge von Lichtpulsen erzeugt, deren Dauer kurz im Vergleich zu einem zeitlichen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen ist. Das von der Lichtquelle 52 erzeugte optische Signal 13' wird von dem Scanner 53 als Lichtstrahl auf die Oberfläche 10'' gelenkt, wobei der Scanner 53 den Lichtstrahl derart lenkt, dass er im Lauf der Zeit einen Strahlenfächer 11 überstreicht. Dem Scanner 53 im Strahlengang von der Lichtquelle 52 zu der Oberfläche 10'' nachgeordnet ist optional ein f-Theta-Objektiv 60 vorgesehen, um eine im Wesentlichen lineare Abhängigkeit zwischen einer Auftreffposition des optischen Signals 13' in einer Ebene und der durch den Scanner 53 herbeigeführten Winkelrichtung des optischen Signals 13' zu erreichen.
  • Das optische Signal 13' trifft zu einem gegeben Zeitpunkt an dem Punkt 12d der Oberfläche auf. Ein an dem Punkt 12d reflektiertes und/oder gestreutes optisches Signal wird über den Strahlteiler 4 und eine Abbildungsoptik 55 auf den Detektor 56 gelenkt, der die Intensität des einfallenden reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals 14 erfasst. Um variable Abstände der Oberfläche 10'' von den Komponenten der Vorrichtung 51 zu berücksichtigen, kann die Abbildungsoptik 55 beispielsweise relativ zu der Detektoreinrichtung 56 und dem Strahlteiler 54 beweglich angeordnet sein. Die Position der Abbildungsoptik 55, bzw. falls die Abbildungsoptik mehrere optische Komponenten umfasst, die Positionen der optischen Komponenten der Abbildungsoptik 55, kann bzw. können basierend auf einem mit einer weiteren Messmethode ermittelten Schätzwert für den Abstand zwischen einem Punkt der Oberfläche, beispielsweise dem Auftreffpunkt des Mittelstrahls des Strahlenfächers 11, und dem Strahlteiler 54 eingestellt werden.
  • Die Auswerteeinrichtung 57 empfängt ein Ausgangssignal des Detektors 56 und wertet eine Signalkomponente des die Intensität des reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals 14 repräsentierenden Ausgangssignals des Detektors 56 aus, die mit der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert. Zur Auswertung der Signalkomponente kann die Auswerteeinrichtung 57 eine Phasendifferenz zwischen der Signalkomponente des Ausgangssignals des Detektors 56 und einer mit derselben Frequenz oszillierenden Referenzsignal, das aus dem von der Lichtquelle 52 erzeugten optischen Signal vor Durchlaufen des Wegs über die Oberfläche 10'' abgeleitet wird, ermitteln. Die Signalkomponente, für die die Phasendifferenz ermittelt wird, kann so gewählt werden, dass ihre Frequenz einem großen ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsrate, n·f0 mit n >> 1, beispielsweise mit n > 100, entspricht. Die entsprechende Phasendifferenz Δφ = n·f0·τ ist proportional zu dem Laufzeitunterschied τ und somit zu der von dem erfassten reflektierten und/oder gestreuten optischen Signal zurückgelegten Weglänge. Wie unter Bezugnahme auf 11 noch näher erläutert wird, kann die Auswerteeinrichtung 57 so eingerichtet sein, dass die Signalkomponente der von einem Detektor 56 erfassten Intensität unter Beibehaltung ihrer Phasendifferenz zu der entsprechenden Signalkomponente des Referenzsignals abwärtsgemischt wird, um die Phasendifferenz zu ermitteln.
  • Indem der Scanner 53 das optische Signal 13' so ablenkt, dass es den Strahlenfächer 11 überstreicht, können mit der Auswerteeinrichtung 57 zeitsequentiell Phasendifferenzen und somit Abstände für eine Mehrzahl von Punkten 12d, 12e, 12f der Oberfläche 10'' zu einem vorgegebenen Bezugspunkt, beispielsweise dem Auftreffpunkt des optischen Signals 13' auf dem Scanner 53, ermittelt werden. Basierend aus den entsprechenden Abständen und der jeweils zugeordneten Strahlrichtung des optischen Signals 13', die durch die Scanposition des Scanners 53 bestimmt ist, kann ein Profilschnitt der Oberfläche ermittelt werden. Dazu weist die Vorrichtung 51 eine elektronische Recheneinheit 58, beispielsweise einen softwaretechnisch geeignet eingerichteten Personal Computer auf, die mit der Auswerteeinrichtung 57 und dem Scanner 53 gekoppelt ist, um basierend auf der von der Auswerteeinrichtung 57 ermittelten Phasendifferenz und der Scanposition des Scanners 53 den Profilschnitt zu ermitteln.
  • Der Scanner 53 kann so ausgebildet sein, dass sich ein Auftreffpunkt des optischen Signals 13' auf der Oberfläche 10'' kontinuierlich weiterbewegt, so dass die Oberfläche während der kontinuierlichen Bewegung des optischen Signals 13 in dem Strahlenfächer 11 vermessen wird.
  • Der Scanner 53 kann beispielsweise als Galvanometerscanner oder Polygonscanner ausgebildet sein. Der Scanner 53 kann auch als ein Resonanzscanner mit einem schwingenden Element ausgebildet sein. Falls der Scanner 53 ein schwingendes Element umfasst, kann die Recheneinrichtung 58 mit dem Scanner 53 gekoppelt sein, um eine momentane Phase der Oszillation des schwingenden Elements zu ermitteln und zur Erzeugung des Profilschnitts zu verwenden. Eine Scanamplitude des Scanners 53, insbesondere eine Schwingungsamplitude eines Resonanzscanners, kann einstellbar sein, um einen Öffnungswinkel des Strahlenfächers 11 einzustellen. Zusätzlich kann eine Nulllage des Scanners 53 einstellbar sein, um eine Position des Strahlenfächers zu kontrollieren. Auf diese Weise können ein Anfangs- und Endwinkel der Scanbewegung eingestellt werden.
  • Information über den momentanen, durch den Scanner 53 hervorgerufenen Ablenkwinkel des optischen Signals 13' kann von einem Sensor 53a zum Erfassen der aktuellen Scanposition des Scanners 53 bereitgestellt werden. Falls der Scanner 53 mit einem Steuersignal in eine gewünschte Ablenkposition gebracht wird, kann die Information über den momentanen, durch den Scanner 53 hervorgerufenen Ablenkwinkel des optischen Signals 13' auch aus dem Steuersignal abgeleitet werden.
  • Mit der elektronischen Recheneinheit 58 ist eine steuerbare Antriebseinrichtung 59 gekoppelt, mit der Komponenten der Vorrichtung 51, beispielsweise der Scanner 53 und/oder die Detektoreinrichtung 56, relativ zu der zu vermessenden Oberfläche 10 repositioniert werden können. Die Ansteuerung der Antriebseinrichtung 59 kann abhängig von in einem Übersichtsscan aufgenommenen Profilschnitten erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 51 einen weiteren Scan-Spiegel umfassen, der den Strahlenfächer 11 quer zu der durch den Strahlenfächer 11 definierten Ebene umlenkt. Der weitere Scan-Spiegel kann mit einem steuerbaren Aktuator gekoppelt sein, um eine kontrollierte Positionierung des Strahlenfächers 11 zu ermöglichen. Alternativ kann auch der weitere Scan-Spiegel als mechanisch oszillierendes Element mit einer Resonanzfrequenz ausgebildet sein. Eine aktuelle Stellung des weiteren Scan-Spiegels kann auch mit einem weiteren Sensor erfasst und zur Ermittlung des Profilschnitts an die elektronische Recheneinheit 58 bereitgestellt werden.
  • Der Scanner 53 der Vorrichtung 51 kann so eingerichtet sein, dass das optische Signal 13' den Strahlenfächer 11 nicht nur einmal, sondern mehrfach überstreicht. Insbesondere kann der Scanner 53 so eingerichtet sein, dass das optische Signal 13' den Strahlenfächer 11 wenigstens zweimal in entgegengesetzten Richtungen überstreicht. Die bei den beiden Scans in unterschiedliche Richtungen als Funktion des Ablenkwinkels erfassten Abstände können kombiniert werden, um einen Profilschnitt zu erzeugen.
  • 5 ist eine Flussdiagrammdarstellung 61 eines Verfahrens zum Vermessen einer Oberfläche nach einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren kann mit der Vorrichtung 51 von 4 durchgeführt werden.
  • Bei 61 wird ein optisches Signal, das eine Folge von Lichtpulsen umfasst, in einem Lichtstrahl so gelenkt, dass es sequentiell in einer ersten Scanrichtung auf eine Mehrzahl von Punkten der Oberfläche auftrifft. Dabei überstreicht das optische Signal einen Strahlenfächer. Bei der Vorrichtung 51 kann der Scan in der ersten Richtung durch eine entsprechende Scanbewegung des Scanners 53 realisiert werden. Abstände der Mehrzahl von Punkten zu einer Referenzposition werden durch Auswertung des von dem Detektor 56 bei dem ersten Scan erfassten Signals als Funktion der durch den Scanner definierten Ablenkposition ermittelt.
  • Bei 62 wird das optische Signal in dem Lichtstrahl so gelenkt, dass es sequentiell in einer zweiten Scanrichtung auf die Mehrzahl von Punkten der Oberfläche auftrifft. Die zweite Scanrichtung ist entgegengesetzt zur ersten Scanrichtung. Dabei überstreicht das optische Signal den Strahlenfächer in entgegengesetzter Richtung. Bei der Vorrichtung 51 kann der Scan in der zweiten Richtung durch eine entsprechende Scanbewegung des Scanners 53 realisiert werden. Abstände der Mehrzahl von Punkten zu einer Referenzposition werden durch Auswertung des von dem Detektor 56 bei dem zweiten Scan erfassten Signals als Funktion der durch den Scanner definierten Ablenkposition ermittelt.
  • Bei 63 wird ein Profilschnitt der Oberfläche abhängig von den bei dem Scan in der ersten Richtung und dem Scan in der zweiten Richtung erfassten Daten ermittelt. Bei dem Ermitteln bei 63 können die bei dem ersten Scan und dem zweiten Scan als Funktion des jeweiligen Ablenkwinkels ermittelten Abstände einer mathematischen Operation unterworfen werden, um durch eine Datensynthese der bei dem ersten und zweiten Scan ermittelten Abstände das Profil mit höherer Genauigkeit zu ermitteln. Das Ermitteln bei 63 kann so erfolgen, dass Abbildungsunschärfen, die durch die kontinuierliche Bewegung des optischen Signals 13' und die endliche Signalverarbeitungszeit, die durch den Detektor 56 und die Signalverarbeitung in der Auswerteeinrichtung 57 bedingt ist, zumindest teilweise kompensiert wird. Das Ermitteln bei 63 kann bei der Vorrichtung 51 von der elektronischen Recheneinheit 58 durchgeführt werden.
  • Unter Bezugnahme auf 6A, 6B und 7 wird beispielhaft erläutert, wie anhand von in unterschiedlichen Scanrichtungen ermittelten Daten ein Profilschnitt mit höherer Genauigkeit erzeugt werden kann.
  • 6A zeigt eine schematische Darstellung 71 einer Oberflächenstruktur 72 in Form einer Treppenstufe. Ein Messprofil 73, das mit einem Scan in einer ersten Richtung erfasst wird, zeigt eine Verschmierung der scharfen Kanten der Oberflächenstruktur 72, die durch die Weiterbewegung des optischen Signals während der Signalerfassung und Signalauswertung bedingt sind, und einen lateralen Versatz der Position der Stufe. Ein Messprofil 74, das mit einem Scan in einer zweiten Richtung erfasst wird, zeigt eine Verschmierung der scharfen Kanten der Oberflächenstruktur 72, die durch die Weiterbewegung des optischen Signals während der Signalerfassung und Signalauswertung bedingt sind, und einen lateralen Versatz der Position der Stufe. Der laterale Versatz weist aufgrund der entgegengesetzten Scanbewegungen beim Scan in der ersten Richtung und beim Scan in der zweiten Richtung eine entgegengesetzte Richtung auf.
  • 6B zeigt eine schematische Darstellung 71 zur Illustration, wie durch mathematische Operationen basierend auf den beim Scan in der ersten Richtung und beim Scan in der zweiten Richtung erfassten Messprofile 73, 74 die Position der Stufe mit höherer Genauigkeit ermittelbar ist. Dazu kann, wie in 6B dargestellt, das bei dem Scan in der zweiten Richtung ermittelte Messprofil 74 einer mathematischen Operation unterworfen werden, bei der modifizierte Daten 76 generiert werden, die der maximalen Höhe des Messprofils 74 minus dem jeweiligen Wert des Messprofils 74 an der entsprechenden Position entsprechen. Anders ausgedrückt werden die modifizierten Daten 76 generiert durch eine Spiegelung des Messprofils 74 an einer horizontalen Linie, die in der Mitte zwischen den beiden im Wesentlichen flachen Randabschnitten des Messprofils 74 verläuft, so dass das Messprofil 74 invertiert wird. Ein Schnittpunkt 77 der modifizierten Daten 76 und dem Messprofil 73, das in der ersten Scanrichtung aufgenommen wurde, gibt die Position der Treppenstufe mit höherer Genauigkeit an.
  • Aufgrund der Überabtastung der Oberfläche bei der Datenerfassung mit unterschiedlichen Scanrichtungen können somit bis in einen Bereich bedeutungsvolle Messgrößen erhalten werden, bei dem die aufzulösenden Strukturgrößen nicht kleiner sind als ein Schwellenwert, der aus der Scanbewegung und der endlichen Signalerfassungs- und Signalverarbeitungszeit resultiert.
  • 7 zeigt eine schematische Darstellung 81 einer Oberflächenstruktur 82 mit einer schrägen Kante. Schematisch dargestellt ist ein Messprofil 83, das mit einem Scan in einer ersten Richtung erfasst wird, und ein Messprofil 84, das mit einem Scan in einer zweiten Richtung erfasst wird. Die im Vergleich zur Scangeschwindigkeit endliche Signalerfassungs- und Signalverarbeitungszeit führt zu einer Ausschmierung der scharfen Strukturmerkmale der tatsächlichen Oberflächenstruktur 82 in den Messprofilen 83, 84. Wie im unteren Abschnitt von 7 dargestellt, kann durch Bildung des arithmetischen Mittels der beiden Messprofile 83 und 84 ein Profilschnitt 85 erzeugt werden, der den tatsächlichen Verlauf der Oberflächenstruktur 82 mit höherer Genauigkeit wiederspiegelt.
  • Die unter Bezugnahme auf 1–7 beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können so eingerichtet sein, dass der Strahlenfächer, dessen Schnittlinie mit der Oberfläche die Linie definiert, an der ein Profilschnitt gemessen wird, hinsichtlich seiner Position und/oder Ausrichtung veränderbar ist. Weiterhin kann ein Öffnungswinkel des Strahlenfächers einstellbar sein, wie bereits erläutert wurde. Dazu kann die Aufweitungsoptik der Vorrichtung 1 von 1 relativ zu der Lichtquelle 2 verstellbar sein, oder der Scanner 53 der Vorrichtung 51 von 5 kann so steuerbar sein, dass der Öffnungswinkel des Strahlenfächer 11 eingestellt wird.
  • Um die Position und/oder Ausrichtung des Strahlenfächers zu verändern, kann ein weiterer Scan-Spiegel vorgesehen sein, der eine Verstellung des Strahlenfächers in unterschiedliche Ebenen erlaubt. Alternativ oder zusätzlich kann eine oder mehrere Einrichtungen der Vorrichtung mit der Antriebseinrichtung 9, 59 so gekoppelt sein, dass der Strahlenfächer dreidimensional bewegbar ist. Die Antriebseinrichtung kann beispielsweise als Kinematik einer Koordinatenmessmaschine oder eines Roboters realisiert sein, an der Einrichtungen der Vorrichtung 1, 51 angebracht sein können. Auf diese Weise kann der Strahlenfächer gezielt so positioniert werden, dass spezifisch einzelne Bereiche der Oberfläche vermessen werden.
  • Die Verstellung des Strahlenfächers kann abhängig von vorgegebenen Daten über die zu vermessende Oberfläche erfolgen, die beispielsweise in Form von CAD-Daten vorliegen. Basierend auf diesen Daten kann der Strahlenfächer selektiv so eingestellt werden, dass nur spezifische Bereiche, so genannte Regions of Interest (Rol) der Oberfläche mit höherer Genauigkeit vermessen werden. Alternativ oder zusätzlich können die mit höherer Genauigkeit zu vermessenden Bereiche basierend auf mit einem ersten Scan gewonnenen Daten automatisch ausgewählt werden.
  • 8 ist eine Flussdiagrammdarstellung 91 eines Verfahrens zum Vermessen einer Oberfläche. Das Verfahren kann mit einer der unter Bezugnahme auf 1–7 erläuterten Vorrichtungen durchgeführt werden.
  • Bei 92 wird ein Übersichts-Scan aufgenommen. Dazu wird ein optisches Signal in einem Strahlenfächer auf die zu vermessende Oberfläche gelenkt, und an der Oberfläche reflektierte und/oder gestreute optische Signale werden erfasst und wie unter Bezugnahme auf 1–7 beschrieben ausgewertet. Der Übersichts-Scan kann einen Profilschnitt entlang einer Linie der Oberfläche beinhalten. Zum Aufnehmen des Übersichts-Scans kann auch eine Position und/oder Ausrichtung des Strahlenfächers verändert werden, um eine Vielzahl von Profilschnitten zu ermitteln. Zum Aufnehmen des Übersichts-Scans kann der Strahlenfächer derart gewählt werden, dass er auf die Oberfläche entlang einer verhältnismäßig langen Linie auftrifft. Dazu kann ein Abstand von optischen Komponenten der Vorrichtung von der Oberfläche groß gewählt werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Strahlenfächer mit großem Öffnungswinkel gewählt werden.
  • Bei 93 werden die bei dem Übersichts-Scan erfassten Profildaten ausgewertet. Das Auswerten bei 93 kann eine automatische Merkmalsextraktion basierend auf den in dem Übersichts-Scan erfassten Daten beinhalten. Mit der automatischen Merkmalsextraktion können beispielsweise Kanten, Vertiefungen, Erhebungen oder andere sich topographisch abhebende Merkmale der Oberfläche identifiziert und eine Abschätzung ihrer Position ermittelt werden. Die Merkmalsextraktion kann eine an sich bekannte algorithmische Kantendetektion umfassen. Basierend auf der Merkmalsextraktion können Bereiche der Oberfläche ausgewählt werden, die mit höherer Genauigkeit vermessen werden sollen. Das Auswählen der Bereiche kann automatisch oder benutzerdefiniert erfolgen.
  • Bei 94 wird der Strahlenfächer eingestellt, um die Vermessung der bei 93 ausgewählten Bereiche durchzuführen. Das Einstellen des Strahlenfächers kann ein geeignetes Einstellen von Umlenkspiegeln beinhalten. Das Einstellen des Strahlenfächers kann auch ein Einstellen des Öffnungswinkels des Strahlenfächers beinhalten. Alternativ oder zusätzlich können Einrichtungen der Vorrichtung zum Vermessen der Oberfläche relativ zu der Oberfläche repositioniert werden, um die ausgewählten Bereiche zu vermessen. Beispielsweise kann die gesamte Vorrichtung 1, 51 so montiert sein, dass sie relativ zu der Oberfläche dreidimensional verfahrbar ist. Bei 94 kann der Strahlenfächer so verstellt werden, dass sequentiell verschiedene ausgewählte Bereiche vermessen werden.
  • 9A, 9B und 9C illustrieren eine Anwendung des Verfahrens von 8. Basierend auf einem Übersichts-Scan werden Bohrungen in der Oberfläche identifiziert. Anschließend wird der Strahlenfächer so eingestellt, dass er im Wesentlichen eine der Bohrungen abdeckt, deren Position und Profil mit höherer Genauigkeit ermittelt werden soll, beispielsweise im Hinblick auf die Formtreue der Bohrung. Um die Bohrung zu vermessen, können beispielsweise optische Elemente der Vorrichtung zum Vermessen der Oberfläche näher an der Oberfläche positioniert und die Breite des Strahlenfächers so eingestellt werden, dass der Strahlenfächer die Bohrung in einer Richtung vollständig überdeckt. Wie in 9A dargestellt, kann für eine Position des Strahlenfächers 11 ein Profilschnitt 103 der Bohrung 101 erfasst werden. Der Strahlenfächer wird dann quer zu der durch den Strahlenfächer definierten Ebene in eine andere Ebene verstellt, wie in 9B und 9C dargestellt, um sequentiell mehrere Profilschnitte der Bohrung zu erfassen. So wird bei der in 9B dargestellten Position des Strahlenfächers 11 ein Profilschnitt 104 der Bohrung 101 erfasst, und bei der in 9C dargestellten Position des Strahlenfächers 11 wird ein Profilschnitt 105 der Bohrung 101 erfasst. Durch die sequentiellen Aufnahmen kann der Verlauf und das Höhenprofil der Bohrungskante erfasst werden.
  • 10 illustriert eine weitere Anwendung des Verfahrens von 8. 10 ist eine schematische Darstellung einer Oberfläche, die einen Spalt 112 aufweist. Derartige Oberflächen sind häufig beispielsweise bei der Fertigung von Kraftfahrzeugen zu vermessen. Der Strahlenfächer wird dabei an unterschiedlichen Positionen des Spalts 112 so positioniert, dass er im Wesentlichen in Querrichtung über den Spalt 112 verläuft, wobei Messungen an unterschiedlichen Längspositionen des Spalts 112 durchgeführt werden. Die Auftrefflinie des Strahlenfächers auf der Oberfläche ist in unterschiedlichen Positionen des Strahlenfächers bei 113–117 dargestellt.
  • Die unter Bezugnahme auf 1–7 erläuterte Messtechnik, bei der das optische Signale eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate umfasst und eine Signalkomponente von an der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signalen ausgewertet wird, die mit der Repetitionsrate oder insbesondere mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert, erlaubt eine genaue Weglängenmessung bei großen Abständen. Daher kann über eine geeignete Einstellung des Öffnungswinkels des Strahlenfächers eine Messung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden, ohne die Vorrichtung zum Vermessen der Oberfläche oder Komponenten davon über größere Distanzen bewegen zu müssen.
  • Eine Implementierung der Weglängenmessung, die bei den oben beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren eingesetzt werden kann, wird nachfolgend noch ausführlicher beschrieben.
  • Die Lichtquellen 2, 52 der Vorrichtung zum Vermessen der Oberfläche erzeugen eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate. Die Lichtquellen 2, 52 können so ausgebildet sein, dass die Dauer jedes Lichtpulses im Vergleich zu dem Zeitabstand T0 = 1/f0 zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen der von der Lichtquelle erzeugten Folge von Lichtpulsen sehr klein ist, z. B. von der Größenordnung 1·10–5. Eine derartige Folge von Lichtpulsen, kann von verschiedenen Lasern erzeugt werden, die für die Erzeugung kurzer Lichtpulse eingerichtet sind. Insbesondere können optische Frequenzsynthesizer verwendet werden. Beispielsweise kann ein elektrisch gepumpter Diodenlaser, z. B. ein gütegeschalteter Laser, ein verstärkungsgeschalteter (gain switched) Laser, ein aktiv oder passiv modengekoppelter Laser oder ein Laser mit hybrider Modenkopplung, oder ein modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (Vertical-Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) als Lichtquelle 2, 52 verwendet werden. Es kann auch ein optisch gepumpter Laser, beispielsweise ein passiv modengekoppelter oberflächenemittierender Laser mit externem vertikalen Resonator (Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers, VECSEL) oder ein auf photonische-Kristallfasern basierender Laser (photonic-crystal-fiber laser) als Lichtquelle 2, 52 verwendet werden. Beispielhafte Pulsdauern der Lichtquelle 2, 52 liegen in einem Bereich von 100 fs und 100 ps. Beispielhafte Repetitionsraten liegen in einem Bereich von 50 MHz bis 50 GHz. Beispielhafte mittlere Leistungen liegen in einem Bereich von 1 mW bis 10 W. Beispielhafte Werte für den Pulsjitter liegen zwischen 10 fs und 1 ps Effektivwert (quadratischer Mittelwert). Die optischen Signale können eine Wellenlänge im sichtbaren oder unsichtbaren (IR, UV) Bereich des optischen Spektrums aufweisen.
  • 11 zeigt ein schematisches Blockschaltbild zur Erläuterung der Signalverarbeitung der an der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale. Das Blockschaltbild zeigt eine Auswerteschaltung mit einem Signalverarbeitungspfad 121 für ein Ausgangssignal eines schematisch dargestellten Fotodetektors 6a. Die Signalverarbeitungspfade 7a, 7b, 7c der Auswerteeinrichtung 7 oder die Auswerteeinrichtung 57 können die unter Bezugnahme auf 11 beschriebene Ausgestaltung aufweisen. Der Signalverarbeitungspfad 121 ist eingerichtet, um eine mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierende Signalkomponente eines Ausgangssignals 16a eines zugeordneten Detektors 6a abwärts zu mischen, um die Phasendifferenz dieser Signalkomponente zu einer mit derselben Frequenz oszillierenden Signalkomponente des Referenzsignals 15 zu bestimmen. Das Referenzsignal 15 repräsentiert die Intensität des optischen Signals als Funktion der Zeit, bevor dieses den Weg zur zu vermessenden Oberfläche und zurück zu der Detektoreinrichtung durchläuft. Auch wenn in 11 schematisch eine Signalverarbeitung des von dem Fotodetektor 6a der Vorrichtung 1 ausgegebenen Signals 16a dargestellt ist, kann ein entsprechender Signalverarbeitungspfad zur Verarbeitung der von jedem der Fotodetektoren 6b, 6c, 56 der Vorrichtungen 1 und 51 bereitgestellten Ausgangssignale vorgesehen sein.
  • Der Signalverarbeitungspfad 121 umfasst einen Eingangsverstärker 123, ein Bandpassfilter 124, einen Mischer 125, ein weiteres Filter 129 und einen Phasenauswerter 130 auf. Das Bandpassfilter 74 kann so eingerichtet sein, dass sein Durchlassbereich ein Vielfaches der Repetitionsrate n·f0 beinhaltet, mit dem die Signalkomponente oszilliert, die zur Ermittlung der Weglängendifferenz ausgewertet wird. Dabei kann n > 1, insbesondere n >> 1 sein.
  • Die Auswerteeinrichtung empfängt weiterhin das Referenzsignal 15. Das Referenzsignal 15 wird mit einem Eingangsverstärker 126 verstärkt. Ein Ausgangssignal des Eingangsverstärkers 126 wird einem Bandpassfilter 127 und einem weiteren Filter 128 zugeführt, das ebenfalls als Bandpassfilter ausgebildet sein kann. Das Bandpassfilter 127 kann so eingerichtet sein, dass sein Durchlassbereich das Vielfache (n – k)·f0 der Repetitionsrate oder das Vielfache (n + k)·f0 der Repetitionsrate beinhaltet, wobei k eine ganze Zahl und 0 < k < n ist. Das Filter 128 kann so eingerichtet sein, dass sein Durchlassbereich das Vielfache k·f0 der Repetitionsrate beinhaltet. Das Filter 128 kann einen Durchlassbereich aufweisen, dessen Breite kleiner als die Repetitionsrate f0 ist. Bei den genannten Durchlassbereichen kann insbesondere k = 1 gewählt werden.
  • Ein Ausgangssignal 134 des Bandpassfilters 124 und ein Ausgangssignal 137 des Bandpassfilters 127 werden Eingängen des Mischers 125 zugeführt. Ein Ausgangssignal des Mischers 125 wird mit dem Filter 129, dessen Durchlassbereich das Vielfache k·f0 der Repetitionsrate beinhaltet, gefiltert. Die Bandpassfiltern 124, 127 und das Filter 129 sind so eingerichtet, dass ein Ausgangssignal des Filters 129 der mit der Differenzfrequenz k·f0 oszillierenden Signalkomponente des von dem Mischer 75 ausgegebenen Mischprodukts aus der mit der Frequenz n·f0 oszillierenden Signalkomponente des von dem Detektor 6a erfassten, an der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals und der mit der Frequenz (n – k)·f0 oder (n + k)·f0 oszillierenden Signalkomponente des Referenzsignals 15 ist. Dazu kann beispielsweise jedes der Filter 124, 127 und 129 einen Durchlassbereich mit einer Breite aufweisen, die kleiner als f0 ist. Während in 11 die Bandpassfilter 124 und 127 aus Gründen der Übersichtlichkeit als separate Komponenten dargestellt sind, kann die entsprechende Filterung auch durch die Filtercharakteristik des Mischers 125 erzielt werden.
  • Das Ausgangssignal 135 des Filters 125 oszilliert mit einer Frequenz k·f0, die kleiner als die Frequenz n·f0 der Signalkomponente ist, die zur Messung der Phasenlage herangezogen wird. Das Abwärtsmischen erfolgt jedoch unter Beibehaltung der Phasenlage, so dass die Phasendifferenz zwischen dem mit der Frequenz k·f0 oszillierenden Signal 135 und dem Ausgangssignal 138 des Filters 128 gleich der Phasendifferenz zwischen den mit der Frequenz n·f0 oszillierenden Signalkomponenten der von dem Fotodetektor 6a als Funktion der Zeit erfassten Intensität des an der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals und der mit der Frequenz n·f0 oszillierenden Signalkomponenten des Referenzsignals 15 ist.
  • Die Signale 135 und 138 werden einem Phasenauswerter 130 zugeführt, der die Phasendifferenz Δϕ = n·f0·τ zwischen dem Signal 135 und dem Signal 138 bestimmt, die proportional zum Laufzeitunterschied ist. Das Abwärtsmischen unter Beibehaltung der Phasenbeziehung erlaubt, dass die Phasenmessung bei tiefen Frequenzen erfolgen.
  • Auch wenn unter Bezugnahme auf 11 eine Ausgestaltung einer Auswerteeinrichtung beschrieben wurde, bei der die Phasenlage einer mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden Signalkomponente ausgewertet wurde, kann bei einem weiteren Ausführungsbeispiel auch die Phasenlage der mit der Repetitionsrate oszillierenden Signalkomponente ausgewertet werden. Dabei kann die mit der Repetitionsrate oszillierende Signalkomponente ebenfalls auf eine niedrigere Frequenz abwärts gemischt werden, wobei die Signalverarbeitung unter Verwendung der in der deutschen Patentanmeldung 10 2009 024 460.3 mit dem Titel „Auswerteeinrichtung, Messanordnung und Verfahren zur Weglängenmessung” zur Signalverarbeitung beschriebenen Einrichtungen erfolgen kann.
  • Die Vorrichtungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung erlauben eine genaue und berührungslose Vermessung einer Oberfläche. Die Vorrichtungen und Verfahren können allgemein zum Vermessen von Oberflächen eingesetzt werden, wobei beispielhafte Anwendungsfelder die Vermessung von Räumen zur Digitalisierung der Räume, beispielsweise in Statikanwendungen, oder die quantitative Qualitätssicherung in industriellen Einrichtungen sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0405423 B1 [0004]
    • EP 1218690 B1 [0004]
    • DE 102009024460 [0115]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
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Claims (20)

  1. Vorrichtung zum Vermessen einer Oberfläche (10; 10'; 10''), umfassend eine Lichtlenkeinrichtung (3; 53), die eingerichtet ist, um ein optisches Signal (13) in einem Strahlenfächer (11) auf die Oberfläche (10; 10'; 10'') zu lenken, wobei das optische Signal (13; 13') eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate umfasst, eine Detektoreinrichtung (6; 21; 41; 56), die eingerichtet ist, um Intensitäten von an einer Mehrzahl von Punkten (12a, 12b, 12c; 12d, 12e, 12f) der Oberfläche (10; 10'; 10'') in dem Strahlenfächer (11) reflektierten und/oder gestreuten optischen Signalen (14a, 14c; 14) zu erfassen, und eine Auswerteeinrichtung (7; 57), die mit der Detektoreinrichtung (6; 21; 41; 56) gekoppelt und eingerichtet ist, um zum Vermessen der Oberfläche (10; 10'; 10'') Signalkomponenten der von der Detektoreinrichtung (6; 21; 41; 56) erfassten Intensitäten auszuwerten, wobei die Signalkomponenten jeweils eine Frequenz aufweisen, die der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtlenkeinrichtung (2) eingerichtet ist, um das optische Signal (13) zu dem Strahlenfächer (11) aufzuweien, um das optische Signal (13) gleichzeitig zu der Mehrzahl von Punkten (12a, 12b, 12c) der Oberfläche (10; 10') zu lenken.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Detektoreinrichtung (6; 21; 41) eingerichtet ist, um die reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale (14a, 14c) an mehreren Positionen (6a, 6b, 6c; 31; 46) zu empfangen, wobei die Vorrichtung (1) derart eingerichtet ist, dass unterschiedliche Positionen der mehreren Positionen (6a, 6b, 6c; 31; 46) die reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale (14a, 14c) von unterschiedlichen Punkten der Mehrzahl von Punkten (12a, 12b, 12c) empfangen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Auswerteeinrichtung (7) einen Signalverarbeitungspfad (7a, 7b, 7c, 7d; 121) zum Bestimmen einer Phasenlage eines mit der Repetitionsrate oder dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden elektrischen Signals umfasst, dem steuerbar ein elektrisches Signal zuführbar ist, das wahlweise eine Intensität eines an einer ersten Position der mehreren Positionen (31; 46) empfangenen reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals oder eine Intensität eines an einer zweiten Position der mehreren Positionen (31; 46) empfangenen reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals repräsentiert.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, umfassend einen mit dem Signalverarbeitungspfad (7a, 7b, 7c, 7d; 121) gekoppelten Multiplexer (44a) für elektrische Signale oder einen mit dem Signalverarbeitungspfad gekoppelten Multiplexer (24a) für optische Signale.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Detektoreinrichtung (6; 21; 41) mehrere Detektoren (6a, 6b, 6c; 24; 44) umfasst, wobei ein Detektor und ein weiterer Detektor der mehreren Detektoren (6a, 6b, 6c; 24; 44) eingerichtet sind, um an unterschiedlichen Punkten der Mehrzahl von Punkten (12a, 12b, 12c) reflektierte und/oder gestreute optische Signale (14a, 14c) zu erfassen.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Auswerteeinrichtung (7) eingerichtet ist, um gleichzeitig ein Ausgangssignal des Detektors und ein Ausgangssignal des weiteren Detektors zu verarbeiten.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtlenkeinrichtung (53) ein oszillierendes Element, das eine Resonanzfrequenz aufweist, insbesondere ein mechanisch schwingendes Element, umfasst, um das optische Signal (13') sequentiell zu der Mehrzahl von Punkten (12d, 12e, 12f) zu lenken.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, um abhängig von erfassten Phasenlagen einer Schwingungsbewegung des oszillierenden Elements und den von der Detektoreinrichtung (56) erfassten Intensitäten Positionen der Mehrzahl von Punkten (12d, 12e, 12f) zu bestimmen.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Lichtquelle (2; 52), insbesondere einen optischen Frequenzkamm-Generator, zum Erzeugen des optischen Signals (13; 13').
  11. Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche (10; 10'; 10''), wobei ein optisches Signal (13; 13') in einem Strahlenfächer (11) auf die Oberfläche (10; 10'; 10'') gelenkt wird, wobei das optische Signal (13; 13') eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate umfasst, Intensitäten von an einer Mehrzahl von Punkten (12a, 12b, 12c; 12d, 12e, 12f) der Oberfläche (10; 10'; 10'') reflektierten und/oder gestreuten optischen Signalen (14a, 14c; 14) erfasst werden, wobei die Mehrzahl von Punkten (12a, 12b, 12c; 12d, 12e, 12f) in dem Strahlenfächer (11) angeordnet sind, und Signalkomponenten der erfassten Intensitäten ausgewertet werden, wobei die Signalkomponenten jeweils eine Frequenz aufweisen, die der Repetitionsrate oder einem Vielfachen der Repetitionsrate entspricht.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das optische Signal (13) zu dem Strahlenfächer (11) aufgeweiet und gleichzeitig zu der Mehrzahl von Punkten der Oberfläche (10; 10') gelenkt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die an der Mehrzahl von Punkten (12a, 12b, 12c) der Oberfläche (10; 10') reflektierten und/oder gestreuten optischen Signale (14a, 14c) an mehreren Positionen (6a, 6b, 6c; 31; 46) empfangen werden, wobei an unterschiedlichen Positionen der mehreren Positionen (6a, 6b, 6c; 31; 46) optische Signale (14a, 14c) empfangen werden, die an unterschiedlichen Punkten der Mehrzahl von Punkten (12a, 12b, 12c) reflektiert und/oder gestreut werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei einem Signalverarbeitungspfad (7a, 7b, 7c, 7d; 121) zum Bestimmen einer Phasenlage eines mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden elektrischen Signals steuerbar ein elektrisches Signal zugeführt wird, das wahlweise eine Intensität eines an einer ersten Position (6a, 6b, 6c; 31; 46) der mehreren Positionen empfangenen reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals oder eines an einer zweiten Position der mehreren Positionen (6a, 6b, 6c; 31; 46) empfangenen reflektierten und/oder gestreuten optischen Signals repräsentiert.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11–14, wobei ein an einem Punkt der Mehrzahl von Punkten (12a, 12b, 12c) reflektiertes und/oder gestreutes optisches Signal (14a) mit einem Detektor (6a) und ein an einem weiteren Punkt der Mehrzahl von Punkten reflektiertes und/oder gestreutes optisches Signal (14c) mit einem weiteren Detektor (6c) erfasst und parallel verarbeitet werden.
  16. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das optische Signal (13') mit einem oszillierenden Element (53), das eine Resonanzfrequenz aufweist, insbesondere mit einem mechanisch schwingenden Element, sequentiell zu der Mehrzahl von Punkten (12d, 12e, 12f) gelenkt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei Phasenlagen einer Schwingungsbewegung des oszillierenden Elements (53) und die Signalkomponenten der erfassten Intensitäten ausgewertet werden, um Positionen der Mehrzahl von Punkten (12d, 12e, 12f) zu bestimmen.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das optische Signal (13') die Mehrzahl von Punkten (12d, 12e, 12f) in einer ersten Richtung und in einer dazu entgegengesetzten zweiten Richtung überstreicht, und wobei zum Vermessen der Oberfläche (10'') die Intensitäten, die beim Überstreichen der Mehrzahl von Punkten (12d, 12e, 12f) in der ersten Richtung erfasst werden, und die Intensitäten, die beim Überstreichen der Mehrzahl von Punkten (12d, 12e, 12f) in der zweiten Richtung erfasst werden, ausgewertet werden.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11–18, wobei der Strahlenfächer (11; 113–117) in einer Richtung quer zu einer durch den Strahlenfächer (11; 113–117) definierten Ebene bewegt wird, um die Oberfläche (10; 10'; 10'') abzutasten.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das optische Signal (13; 13') ein optischer Frequenzkamm ist.
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