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Die
Erfindung bezieht sich auf eine optische Messvorrichtung zum Vermessen
der Oberfläche
eines in einer Aufnahme angeordneten Objekts mittels Fokuslage von
beleuchtendem Licht.
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Zum
Vermessen von Oberflächen
sind verschiedene optische Messvorrichtungen bekannt, beispielsweise
solche, mit denen eine Oberfläche
interferometrisch vermessen wird, wie z.B. in
DE 101 31 779 A1 ,
DE 100 39 239 A1 und
DE 197 21 843 C1 mit darin
befindlichen weiteren Nachweisen angegeben. Andere optische Messvorrichtungen
zum Vermessen von Objektoberflächen
basieren z. B. auf dem Prinzip der konfokalen Mikroskopie. Um genaue
Messungen zu erhal ten, ist es stets erforderlich, die Objektoberfläche in den
Fokus des beleuchtenden Lichts zu bringen. Insbesondere bei automatischen
Messvorgängen
oder Fertigungsprozessen kann sich aufgrund dieser ständigen Regulierung
der Höhenposition
in Abhängigkeit
vom Objekt ein erheblicher Aufwand ergeben.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, geometrische Größen eines
Objektes mit Hilfe von mechanischen Maßkörpern zu bestimmen. So werden
beispielsweise in
US 2,536,401 Maßkörper zur Bestimmung
von geometrischen Größen eines
Objektes beschrieben, wobei die Maßkörper eine Referenzfläche und
eine oder mehrere definiert stufenförmig ansteigende Schrägen aufweisen
können.
Die zu vermessenden Objekte werden auf einer gleichen Ebene wie
die Referenzfläche
angeordnet und ihre geometrische Abmessung durch einen Vergleich
der Objektausdehnung mit den definiert hohen Stufen des Messkörpers bestimmt.
Dabei sind vorteilhaft die einzelnen Seiten des Maßkörpers durch
unterschiedlichen Höhenverlauf
der Schrägen
für verschiedene Messbereiche
geeignet.
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Weiter
ist es auch bekannt, eine Auflagefläche zur Aufnahme von Objekten
dadurch zu bilden, dass diese zumindest teilweise vom stufenförmig oder
konisch ansteigenden Schrägen
umgeben ist. Beispielsweise weist die in
DE 200 03 340 U1 gezeigte
Schublade für
ein CD- oder DVD-Laufwerk eine kreisförmige Auflagefläche, welche
von abgestuften Absätzen
zur Positionierung oder Vorzentrierung des zu aufnehmenden Objektes
umfangen ist. Die gestuften Absätze
dienen hier also als Anlegekanten des zu aufnehmenden Objektes,
weshalb eine zu Messzwecken unabdingbare, genaue Skalierung der
Stufenhöhen
in dieser Anwendung weder vorgesehen noch notwendig ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Messvorrichtung
der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der die Messvorgänge möglichst
weitgehend vereinfacht werden.
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Vorteile der
Erfindung
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach
ist vorgesehen, dass die Aufnahme als Objektträger mit einer Aufnahmefläche und
einer diese zumindest teilweise umgebenden und gegenüber dieser
definiert stufenförmig
oder kontinuierlich mit Skalierung ansteigenden Schräge ausgebildet
ist.
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Mit
diesen Maßnahmen
kann das Objekt hinsichtlich der Höhe seiner Oberfläche bei
einfachen Messvorgängen
in relativ großem
Rahmen unabhängig
von einer kalibrierung der optischen Messvorrichtung auch absolut
vermessen werden, da die Höheninformation
aus der das Messobjekt umgebenden Schräge des Objektträgers eindeutig
erhalten wird. Die Stufenhöhe
bzw. Skalierung kann dabei auf die gewünschte Feinheit der Messung,
beispielsweise im Mikrometerbereich, abgestimmt werden. Auf diese Weise
können
beispielsweise in der Automatisierung häufig vorkommende unterschiedlich
hohe und/oder unterschiedlich plat zierte Teile in ihrer Höhe vermessen
werden, ohne dass der Fokus jedesmal erneut gesucht und kalibriertwerden
muss.
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Ein
für die
Platzierung und Vermessung des Objekts günstiger Aufbau besteht darin,
dass die Schräge
entlang einer oder zwei Längsseiten
der Aufnahmefläche
parallel zu diesen angeordnet ist.
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Eindeutige
Messergebnisse werden vorteilhaft dadurch erhalten, dass die Stufenebenen
bezüglich
der optischen Achse des Beleuchtungslichts normal liegen und gleiche
oder unterschiedliche Breite und Höhe besitzen, wobei die Stufenzahl
oder eine andere Stufeneigenschaft als Skalierung genutzt werden
kann.
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Verschiedene
Ausgestaltungsmöglichkeiten für die Messvorrichtung
bestehen darin, dass die Aufnahmefläche bezüglich der optischen Achse des
Beleuchtungslichts in einer Normalenebene oder schräg angeordnet
ist. Die schräge
Anordnung der Aufnahmefläche
kann z.B. in Verbindung mit ebenen Stufen für eine verfeinerte Auswertung
nach Art eines Nonius-Effektes genutzt werden. Auch ist denkbar, den
Neigungswinkel der Aufnahmefläche
definiert verstellbar auszulegen, um z.B. nicht planparallel Objekte
einer bestimmten Soll-Geometrie zu vermessen.
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Insbesondere
auch für
die Vermessung planparalleler Objekte sind weiterhin die Maßnahmen vorteilhaft,
dass der Neigungswinkel der schräg
angeordneten Aufnahmefläche
von dem Neigungswinkel der umgebenden Schräge abweicht.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten bestehen darin, dass die Neigungsrichtungen
der Aufnahmefläche
und der umgebenden Schräge
in parallelen Ebenen oder rechtwinklig zueinander stehenden Ebenen
liegen.
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Ein
für genaue
Messungen und sicher detektierbare Messwerte günstiges Messsystem besteht darin,
dass die Messvorrichtung eine interferometrische Messeinrichtung
aufweist und das Beleuchtungslicht gleichzeitig auf die Oberfläche des
Objekts und die umgebende Schräge
fällt.
Mit diesen Maßnahmen
lässt sich
beispielsweise bei Ausbildung als Weißlichtinterferometer mit Licht
einer geeigneten Kohärenzlänge, beispielsweise
im Bereich einiger oder einiger 10 Mikrometer, die Höhe der Objektoberfläche aus
den entstehenden Interferenzstreifen einerseits durch die umgebende
Schräge
und andererseits durch die Oberfläche des Objekts schnell und genau
vermessen.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1A und 1B einen
Objektträger
einer optischen Messvorrichtung mit darin aufgenommenem Objekt in
Vorderansicht,
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1C den
Objektträger
mit Objekt nach den 1A, 1B in
Draufsicht,
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1D den
Objektträger
nach 1A in einer seitlichen Darstellung,
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2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des Objektträgers
mit Objekt in Vorderansicht,
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3A und 3B eine
weitere Ausführungsform
des Objektträgers
mit zwei verschieden hohen Objekten in Vorderansicht,
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3C den
Objektträger
nach 3A in Draufsicht,
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3D den
Objektträger
nach 3A in einer seitlichen Darstellung,
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4 eine
weitere Ausführungsform
des Objektträgers
mit Objekt in Vorderansicht,
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5A und 5B ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Objektträgers
mit unterschiedlich hohen Objekten in einer seitlichen Darstellung,
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5C den
Objektträger
nach 5A in Draufsicht und
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6A bis 6C ein
weiteres Ausfürhungsbeispiel
für einen
Objektträger
in einer seitlichen Ansicht.
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Ausführungsbeispiel
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Die 1A bis 1D zeigen
verschiedene Ansichten eines Objektträgers 1 einer optischen Messvorrichtung
mit darin aufgenommenem Objekt 2, das in den 1A und 1B unterschiedliche Höhe besitzt.
Der Objektträger 1 weist
zur Aufnahme des Objekts 2 mit dessen Unterseite eine ebene,
normal zu dem einfallenden Beleuchtungslicht 3 liegende
Aufnahmefläche 1.4 für das z.B.
planparallele Objekt 2 auf. Beidseitig des Objekts schließen sich
an die Aufnahmefläche
bezüglich
dieser schräg
unter einem gewissen Neigungswinkel oder gekrümmt ansteigende Schrägflächen 1.1 an,
die parallel zu den Längsseiten
des Objekts 2 bzw. der vorliegend rechteckförmigen Aufnahmefläche 1.4 verlaufen
und abgestuft sind. Die Stufenebenen 1.5 liegen parallel
zu der Aufnahmefläche 1.4 und
besitzen vorliegend unterschiedliche Breiten, so dass sie durch
die Stufenbreite und/oder die Stufenzahl unterscheidbar sind. Die
Stufenhöhen
können
gleich oder unterschiedlich sein, wobei sich die Stufenhöhen und
Stufenbreiten auf beiden Seiten ebenfalls unterscheiden können.
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Das
Beleuchtungslicht 3 fällt
entweder gleichzeitig oder sukzessive auf das Objekt 2 und
auf die das Objekt 2 zumindest teilweise umgebende Schrägfläche bzw.
Schräge 1.1 und
ist so eingestellt, dass das Licht auf einer Stufenebene 1.5 fokussiert ist,
wozu bereits eine relativ grobe Einstellung reicht. In einer Abbildungseinrichtung
oder von dem Messsystem ist die betreffende Stufe aufgrund der Stufenzahl
oder einer sonstigen Eigenschaft eindeutig erkennbar, so dass auch
die Höhe
des Fokus oberhalb der Aufnahmefläche 1.4 bekannt ist,
da die Lage der Stufenebenen 1.5 über die Aufnahmefläche 1.4 in
der Messvorrichtung bekannt sind. Liegt nun auch die Oberfläche des
Objekts 2 im Fokus, so ist die Höhe der Oberfläche oder
eines betreffenden Oberflächenabschnitts
bekannt. Auf diese Weise kann bei automatischen Messvorgängen festgestellt
werden, ob die Objekte 2 die erforderliche Sollhöhe aufweisen und
eine Gut/Schlecht-Bewertung gegebenenfalls mit einer Aussonderung
vorgenommen werden. Dabei kann es je nach Messaufgabe bereits genügen, die
relative Lage der Oberfläche
oder eines Oberflächenabschnitts
des Objekts 2 bezüglich
einer Stufenebene 1.5 festzustellen.
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Als
optische Messeinrichtung, die einen Teil der Messvorrichtung bildet,
kommen grundsätzlich verschiedene
optische Messprinzipien in Frage, die auf der Auswertung des Fokus
beruhen, beispielsweise eine interferometrische Messeinrichtung
oder eine konfokale Messeinrichtung. Als interferometrische Messeinrichtung
eignet sich für
viele Anwendungsfälle
die Weißlichtinterferometrie,
die darauf beruht, dass innerhalb der Kohärenzlänge des verwendeten Beleuchtungslichts
die gewünschten
Interferenzerscheinungen auftreten. Beispielsweise sind Lichtquellen
gut geeignet, die Licht einer Kohärenzlänge im Bereich einiger oder
einiger 10 oder einiger 100 Mikrometer bereitstellen. In 1C sind
zwei Inter ferenzlinien, wie sie z.B. auf einem Sichtgerät dargestellt
werden können,
zu sehen, wobei zwei unterschiedliche Höhen 2.1, 2.1' (durchgezogene
und gestrichelte Linie) je nach Fokuslage kenntlich gemacht sind.
Dabei betrifft die durchgezogene Linie beispielsweise die Höhe des in 1A gezeigten
höheren
Objekts 2 und die gestrichelte Linie die in 1B gezeigte
niedrigere Höhe
des Objekts 2. Da die Interferenzerscheinungen nur innerhalb
der Kohärenzlänge auftreten,
ist die Höhe
beispielsweise im Mikrometerbereich eindeutig bestimmt.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Objektträgers 1,
wobei die das Objekt 2 vorliegend auf einer Seite umgebende
Schräge 1.2 kontinuierlich
verläuft
und zur Kenntlichmachung der Höhe
der Fokuslage über
der Aufnahmefläche 1.4 eine
Skalierung 1.3 vorgesehen ist.
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Bei
dem in den 3A bis 3D gezeigten weiteren
Ausführungsbeispiel
der optischen Messvorrichtung ist die Aufnahmefläche 1.4 unter einem gewissen
Neigungswinkel schräg
ausgebildet, wobei die Neigungsrichtung in einer Ebene liegt, die
senkrecht zu einer Ebene verläuft,
in der die Neigung der das Objekt 2 umgebenen Schräge 1.1 ausgerichtet ist.
Diese Ausbildung des Objektträgers
ergibt die Möglichkeit, über die
Höhe oder
Dicke des Objekts 2 genauere Aussagen zu machen als bei
dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel.
Je nach Höhe
es Objekts 2 ist nämlich
ein Interferenzstreifen auf der Objektoberfläche 2 unterschiedlich
weit von dem stets an gleicher Position auftretenden Interferenzstreifen
auf der Schräge 1.1 des
Objektträgers 1 in Neigungsrichtung
der Aufnahmefläche 1.4 verschoben.
In 3C bezeichnet beispielsweise die gestrichelte
Linie die Soll-Höhe 2.1', während die
duchgehende Linie auf der Objektoberfläche die Ist-Höhe 2.1 angibt.
Je geringer die Höhe
des Objekts 2, um so weiter ist der die Ist-Höhe 2.1 bezeichnende
Interferenzstreifen gegenüber
dem Interferenzstreifen auf der Schräge 1.1 vorliegend
nach rechts verschoben.
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Entsprechende
Messergebnisse wie bei dem Ausführungsbeispiel
nach den 3A bis 3D erhält man auch
bei dem Ausführungsbeispiel
nach 4, bei dem gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach
den 3A bis 3D die
Schräge 1.2 kontinuierlich
ausgebildet und mit einer Skalierung 1.3 versehen ist.
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Es
ist auch möglich,
wie in den 5A bis 5C gezeigt,
die Schräge
der Aufnahmefläche 1.4 in
einer Ebene zu neigen, die parallel zu der Ebene verläuft, in
der die das Objekt 2 umgebende Schrägfläche 1.1 geneigt ist,
wobei sich die Neigungswinkel der Schrägfläche 1.1 und der Aufnahmefläche 1.4 insbesondere
bei Vermessung planparalleler Objekte zum Erzielen möglichst
differenzierter Aussagen unterscheiden sollten. Auch bei dieser
Ausbildung des Objektträgers
ergibt sich je nach Höhe
des Messobjekts 2 eine Verschiebung des Interferenzstreifens der
Oberfläche
des Objekts 2 gegenüber
dem Interferenzstreifen der Schrägfläche 1.1,
so dass auch mit dieser Ausbildung die Abweichung einer Ist-Höhe 2.1 von einer Soll-Höhe 2.1' festgestellt
und eine entsprechende Bewertung mit absoluten Höhenangaben vorgenommen werden
kann.
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Bei
einem in den 6A bis 6C gezeigten
weiteren Ausführngsbeispiel
des Objektträgers 1 ist
die Aufnahmefläche 1.4 gegenüber dem
Ausführungsbeispiel
nach den 5A bis 5C normal
zu der optischen Achse des Beleuchtungslichts 3 ausgerichtet.
Liegt der Fokus z. B. auf der vierten Stufenebene 1.5,
so treten Interferenzstreifen bezüglich der Objektoberfläche nur
dann auf, wenn die Ob jektoberfläche
eine der vierten Stufenebene entsprechende Höhe wie diese Stufenebene 1.5 besitzt,
wie anhand der 1A bis 1D erläutert.
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Als
Vorteile, die mit dem beschriebenen Objektträger 1 erzielt werden,
ergeben sich:
- – Ist die Höhe des Fokus einmal individuell
eingestellt, so lässt
sie sich sofort ablesen und die Höhe des Objekts lässt sich
unmittelbar bestimmen.
- – Der
Objektträger 1 ist
unabhängig
von der Kalibrierung des Interferometers, da die Skala bereits auf
dem Objektträger 1 durch
die Stufen oder eine entsprechende Skalierung vorzufinden ist.
- – Es
sind Absolutwerte der Höhe
bestimmbar.
- – Die
Anforderungen an den Objektträger 1,
insbesondere auch hinsichtlich der Schräge bzw. Umwandung sind nicht
besonders hoch, da der Objektträger 1 ohnehin
kalibriert wird.
- – Die
Schräge 1.1 bzw.
Umwandung kann mit herkömmlichen
Werkzeugen verwirklicht werden.
- – Der
Objektträger 1 und
damit die Messung ist unabhängig
von der verwendeten optischen Messeinrichtung, die z.B. in einem
Interferometer besteht.
- – Die
Messung kann sehr schnell durchgeführt werden, da eine Bildumwandlung,
d.h. Umwandlung von Interferenzstreifen in ein Höhenbild entfallen kann.
- – Planparallele
Objekte 2 können
sehr schnell mit nur einer Einstellung sofort vermessen und miteinander
verglichen werden.
- – Durch
eine einmalige Kalibrierung der Schrägfläche 1.1 ist eine absolute
Vermessung der Höhe möglich.
- – Durch
die flache Aufnahmefläche 1.4 kann
eine eventuelle Verkippung des Objekts 2, d.h. die Lage
der Oberfläche
festgestellt werden.
- – Es
sind nur wenige Bilder zur Findung der Interferenzstreifen nötig, da
nicht die gesamte Höhe vermessen
werden muss (Abtasttheorien), sondern eine Schrittweite der Kohärenzlänge ausreicht.
- – Der
Abtastbereich kann verkleinert werden.
- – Im
Größenbereich
der Kohärenzlänge ist
eine sehr schnell Gut-Schlecht-Aussage
möglich.