DE19816271C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Profilbestimmung einer Materialoberfläche - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren zum dynamischen Scannen zum Messen von Punkten auf Materialoberflächen nach dem Autofokusprinzip sowie ein Koordinatenmessgerät. In einem relativ zur Materialoberfläche beweglich angeordneten Tastkopf (10) befindet sich eine Optik (16), die einen Abbildungsstrahlengang mit zwei unterschiedlich langen optischen Wegen aufweist, an deren Enden jeweils Kontrastwerte gemessen werden, wobei der Tastkopf (10) so in seinem Abstand gegenüber der Materialoberfläche (14) eingestellt wird, dass die Konstrastwerte gleich sind. Aus der Position des Tastkopfs (10) gegenüber der Materialoberfläche (14) wird deren Profil bestimmt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur punktweise scannenden Profilbestimmung einer Materialoberfläche mit einem Koordinatenmessgerät nach dem Autofokusprinzip, wobei eine in einem relativ zur Materialoberfläche beweglichen Tastkopf angeordnete Optik automatisch in ihrem Abstand zur Materialoberfläche eingestellt und aus der Position der Optik gegenüber der Materialoberfläche das Profil der Materialoberfläche bestimmt wird, sowie auf ein Koordinatenmessgerät.

Zur Oberflächenanalyse von Materialoberflächen werden optisch abtastende Messsysteme eingesetzt, die nach dem Autofokusprinzip arbeiten. Es werden beispielsweise einzelne Autofokuspunkte nach dem Kontrastverfahren bei der Abtastung gemessen. Um vollständige Konturen aufzunehmen, benötigt dieses Verfahren lange Messzeiten. Pro Messpunkt sind einige Sekunden erforderlich.

Aus P. Profos, T. Pfeifer (Hrsg.): Handbuch der industriellen Messtechnik, 5. Aufl., Olden­ bourg Verlag, München-Wien 1992, S. 455, 456 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt. Dabei werden Laserabstandssensoren für die Erfassung von Oberflächen-Topogra­ phien verwendet. Bei dem bekannten Verfahren wird Licht einer Laserdiode über einen Kolli­ mator und ein bewegliches Objektiv auf die Materialoberfläche geworfen. Das von der Ober­ fläche reflektierte Licht gelangt über die Objektivlinse, den Kollimator und einem Strahlteiler zu einem optoelektronischen Fokusdetektor in Form einer Modemzeile. Die Objektivlinse wird oberflächentopographieabhängig nachgeführt. Aus ihrer Bewegung wird das Höhenprofil ermittelt. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht in der starken Empfindlichkeit gegenüber Eigenschaftsänderungen der Materialoberfläche.

Aus H. Naumann, G. Schröder: Bauelemente der Optik, Taschenbuch der technischen Optik, 6. Aufl., C. Hanser Verlag, München-Wien 1992, S. 348, 349, ist eine Autofokussierung durch Kontrastmessung bekannt, wobei drei unterschiedlich lange optische Wege zur photo­ metrischen Kontrastmessung benutzt und eine Scharfstellposition an einem Kontrastunter­ schied erkannt wird.

Aus der DE-Z: VDI-Z 131 (1989) Nr. 11, S. 12-16 R.-J. Ahlers, W. Rauh: "Koordinaten­ messtechnik mit Bildverarbeitung" ist eine Koordinatenmessung nach dem Autofokusprinzip bekannt, bei der durch Kontrastanalyse mit Ortsfrequenzmessung der von einem bilderfassen­ den Sensor gelieferten Daten eine dreidimensionale Objektvermessung erfolgen kann.

Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, zur punktweise scannenden Profilbestimmung zum Messen von Materialoberflächen ein Verfahren und ein Koordinatenmessgerät zu entwickeln, die eine schnelle Abtastung ermöglichen, genau und von Eigenschaftsänderungen der Materialoberfläche weitgehend unbeeinflusst sind.

Das Problem wird bei einem Verfahren zur punktweise scannenden Profilbestimmung einer Materialoberfläche mit einem Koordinatenmessgerät nach dem Autofokusprinzip, wobei eine in einem relativ zur Materialoberfläche beweglichen Tastkopf angeordnete Optik automatisch in ihrem Abstand zur Materialoberfläche eingestellt und aus der Position der Optik gegenüber der Materialoberfläche das Profil der Materialoberfläche bestimmt wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Abbildungsstrahlengang der Optik an den Enden zweier unter­ schiedlich langer optischer Wege jeweils der photometrische Kontrast gemessen wird und dass die Abstandeinstellung der Optik so erfolgt, dass die gemessenen Kontrastwerte gleich oder nahezu gleich sind. Wenn der Tastkopf gegen die Materialoberfläche oder von dieser weg bewegt wird, ändert sich die Lage der von der Optik abgebildeten Ebene gegenüber den Enden der beiden optischen Wege, an denen der Kontrast gemessen wird. Vom Abstand der Abbildungsebene der Oberfläche des Materials von den Enden, an denen der Kontrast gemessen wird, hängt die Größe des jeweiligen Kontrastwerts ab. Gleiche Kontrastwerte treten auf, wenn die Abbildungsebene den gleichen Abstand von den Enden der optischen Wege hat. Durch Veränderungen der Tastkopfposition gegenüber der Oberfläche so lange, bis die gemessenen Kontrastwerte gleich sind, wird eine genaue Fokussierung erreicht.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform enden die beiden optischen Wege an verschiedenen Stellen im Tastkopf, wobei an den Enden der optischen Wege die Kontrastwer­ te mit jeweils einem Sensor zugleich gemessen werden. Die Kontrastwerte stehen bei dieser Ausführungsform in jeder Stellung des Tastkopfs sofort zur Verfügung, wodurch die Fokus­ sierdauer im Wesentlichen von der Einstellgeschwindigkeit des Tastkopfs abhängt.

Der Abbildungsstrahlengang kann auch zwei verschieden lange optische Wege aufweisen, die an einem einzigen Sensor enden, der abwechselnd - z. B. durch LCD, Shutter oder Teiler­ spiegel - für die Strahlen der beiden Wege freigegeben wird. Bei diesem Verfahren reicht ein Sensor für die Kontrastmessung aus.

Der Tastkopf mit der Optik wird insbesondere mit einem Lageregler des Koordinatenmess­ gerätes in seiner Abstandsposition zu der Oberfläche des Materials eingestellt. Durch Mes­ sung der Stellung des Tastkopfs wird die Oberflächentopograhie bestimmt.

Bei einem Koordinatenmessgerät zur punktweise scannenden Profilbestimmung einer Materi­ aloberflächen nach dem Autofokusprinzip wird das Problem erfindungsgemäß gelöst mit

• - einem Tastkopf mit einer Optik, in deren Abbildungsstrahlengang an den Enden zweier unterschiedlich langer optischer Wege jeweils Mittel zur photometrischen Kontrastwertmessung angeordnet sind,
• - einem Vergleicher zur Feststellung von gegenseitigen Kontrastwertabweichungen,
• - einem Lagerregelkreis, in dem der Vergleicher die Regelabweichung angibt sowie mit Bewegungsmitteln zur Regelung der Tastkopfposition relativ zur Materialoberfläche und
• - mit Meßmitteln für die Position des Tastkopfes in Bezug auf die Materialoberfläche.

Durch die Regelung der Kontrastdifferenz auf Null bzw. nahezu Null entsprechend den Eigenschaften des Lageregelkreises wird die Optik selbsttätig mit hoher Genauigkeit fokus­ siert. Es werden mit der Erfindung quasi zwei Bildpunkte, von denen einer vor und der andere hinter der Oberfläche liegt, gemessen und für die Fokussierung ausgenutzt. Der Lageregelkreis ist insbesondere Teil einer numerischen Bahnsteuerung für wenigstens drei Koordinaten. Mit der numerischen Bahnsteuerung wird der Tastkopf auf Bahnen geführt, die in Längs- und Querrichtung der Oberfläche verlaufen, wobei zugleich die Autofokussierung des Tastkopfs dessen Abstand von der Oberfläche bestimmt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist im Abbildungsstrahlengang der Optik ein halbdurchlässiger Spiegel vorgesehen, hinter dem in Durchlassrichtung in einem ersten Abstand eine erste Sensorfläche eines Sensors und in dessen Reflexionsrichtung in einem vom ersten Abstand verschiedenen zweiten Abstand eine zweite Sensorfläche eines Sensors angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform messen die Sensoren gleichzeitig die Kon­ trastwerte.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform enden zwei unterschiedlich lange Parallel­ zweige im Abbildungstrahlengang der Optik an einem Sensor, der abwechselnd für die Strahlung im einen und im anderen Parallelzweig freigegeben wird. Der Sensor wird bei dieser Ausführungsform für die Messung beider Kontrastwerte benutzt, wodurch sich eine Vereinfachung der Messschaltung ergibt.

Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Tastkopf bzw. der oder die Sensoren entlang einer zu den drei Achsen des Koordinatenmessgerätes separaten Achse bewegbar ist.

Als Sensor kann jeweils ein Kamerasystem mit beispielsweise einer Video-Kamera oder ein Diodenarray oder Differenzfotodiode verwendet werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der folgenden Beschreibung eines in einer Zeichnung dargestellten bevor­ zugten Ausführungsbeispiels.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung eines Koordinatenmessgerätes zum dynamischen Scannen von Punkten von Materialoberflächen nach dem Autofokusprinzip im Schema,

Fig. 2 ein Diagramm der Messwerte des Kontrastes in zwei Sensoren der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung in Abhängigkeit vom Abstand der Sensoren von der Materialoberfläche.

Eine Einrichtung zum dynamischen Scannen (Abtasten) zum Messen von Punkten von Materialoberflächen mittels eines nicht näher erläuterten und dargestellten Koordinatenmess­ gerätes enthält einen Tastkopf 10, der relativ zu einem Werkstück 12 beweglich angeordnet ist, dessen Oberfläche 14 zur Messung von Punkten abgetastet werden soll. Im Tastkopf 10 befindet sich eine Optik, z. B. ein Objektiv. Von der Optik, die in Fig. 1 mit 16 bezeichnet ist, ist nur die Hauptebene dargestellt. Die Fig. 1 zeigt die optische Achse 18 des Ab­ bildungsstrahlengangs der Optik 16. Im Abbildungsstrahlengang ist ein Strahlteiler in Form eines halbdurchlässigen Spiegels 20 angeordnet. Im Strahlengang der vom halbdurchlässigen Spiegel 20 durchgelassenen Strahlung befindet sich ein erster Sensor 22 zur photometrischen Kontrastmessung. Im Strahlengang der vom halbdurchlässigen Spiegel 20 reflektierten Strahlung mit der optischen Achse 18' befindet sich ein zweiter Sensor 24 zur Kontrastmes­ sung.

Im Sensor 22 ist in Fig. 1 eine lichtempfindliche bzw. optoelektrische Sensorebene 26 oder -fläche dargestellt, die sich im Strahlengang der Optik 16 befindet, d. h. die vom halbdurch­ lässigen Spiegel 20 durchgelassenen Strahlen treffen auf die Sensorebene 26 auf. Im Sensor 24 ist eine lichtempfindliche bzw. optoelektrische Sensorebene oder -fläche 28 dargestellt, die sich im Strahlengang der vom Spiegel 20 reflektierten Strahlung befindet.

Die Optik 16 erzeugt in einer ersten Abbildungsebene 30 ein erstes Abbild eines Punktes der Materialoberfläche bzw. Oberfläche 14. Die Abbildungsebene 30 wird von der optischen Achse 18 geschnitten und befindet sich bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung im Sensor 22. Weiterhin erzeugt die Optik 16 aufgrund der reflektierten Strahlung in einer zweiten Ab­ bildungsebene 32 ein zweites Abbild des Punktes der Oberfläche 14. Die Abbildungsebene 32 befindet sich bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung im Sensor 24. Die Sensorebene 26 befindet sich in Bezug auf den Strahlengang der Optik 16 vor der Abbildungsebene 30. Die Sensorebene 28 befindet sich in Bezug auf den reflektierten Strahlengang hinter der Ab­ bildungsebene 32. Die Sensorebenen 26, 28 sind also in Bezug auf den Abbildungstrahlen­ gang in verschiedenen Abständen von der Optik 16 und daher auch im Abstand voneinander angeordnet.

Als Sensoren 22, 24 werden insbesondere optoelektronische Sensoren, mit denen Kontraste festgestellt werden können, eingesetzt. Beispielsweise werden Halbleiter-Videokameras oder Diodenarrays oder Differenzfotodioden verwendet. Diese können ebenso wie Videokameras zeilenweise ausgelesen werden. Die Verarbeitung der ausgelesenen Signale kann softwaremä­ ßig erfolgen.

Die von den Sensorebenen bzw. -flächen gemessenen Kontrastwerte werden einem Ver­ gleicher 34 eines Lageregelkreises des Koordinatenmessgerätes zugeführt, dessen Ausgangs­ werte in einen weiteren Vergleicher 36 gelangen, dem weiterhin die von einer Messein­ richtung am Tastkopf 10 ausgegebenen Lage-Ist-Werte zugeführt werden. Der Vergleicher 36 gibt seine Ausgangswerte an einen Lageregler 38, der ausgangsseitig einen Motor 40 steuert, der den Tastkopf 10 in einer mit Z bezeichneten Richtung senkrecht zur Oberfläche 14 des Werkstücks 12 verstellen kann, die nicht mit einer der Achsen des Koordinatenmessgerätes übereinstimmen muss. Die Lage-Ist-Werte des Tastkopfs 10 werden weiterhin einer Auswert­ einheit 42 zugeführt, die Daten über die Oberflächentopographie des Werkstücks 14 erzeugt.

In dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm sind in Ordinatenrichtung Kontrastwerte K und in Abszissenrichtung der Abstand des Tastkopfs 10 von der Oberfläche 14 in der Z-Richtung dargestellt.

Wenn der Tastkopf 10 in Z-Richtung bewegt wird, ändern sich die Lagen der Abbildungs­ ebenen 30, 32 gegenüber den Sensorebenen 26 bzw. 28. Von den Sensorebenen 30, 32 werden deshalb in Abhängigkeit vom Abstand der Optik 16 von der Oberfläche 14 unter­ schiedliche Kontrastwerte gemessen. Der Sensor 22 misst in Abhängigkeit von den Ab­ ständen der Optik 16 von der Oberfläche 14 die in Fig. 2 durch die Kurve 44 dargestellten Kontrastwerte. Mit dem Sensor 24 werden in Abhängigkeit von den Abständen der Ober­ fläche 14 bzw. deren Punkte von der Optik 16 die in Fig. 2 durch die Kurve 46 dargestellten Kontrastwerte gemessen. Die Kurven 44, 46 schneiden sich in einem Punkt 48, dem ein Abstand Z_A der Optik 16 von der Oberfläche 14 entspricht. Beim Abstand Z_A sind die Sensorebenen 26 und 28 jeweils gleich weit von der Abbildungsebene 30 bzw. 32 entfernt. Der Tastkopf 10 ist beim Abstand Z_A, bei dem die Sensorebenen gleiche Kontrastwerte messen, auf die Oberfläche 14 bzw. den zu messenden Punkt fokussiert. Beim Abstand Z_A kann anhand des vom Istwertgeber des Tastkopfs ausgegebenen Messwerts das Profil der Oberfläche 14 bestimmt werden.

In der Fig. 1 nicht dargestellt ist ein Teil des Lagereglers, der den Tastkopf in den beiden anderen Richtungen, d. h. der X- und Y-Richtung des kartesischen Koordinatensystems bewegt.

Der Lageregler stellt den Tastkopf 10 selbsttätig auf den Abstand Z_A ein. Wenn der Tastkopf 10 in der X- bzw. Y-Richtung bewegt wird, können Oberflächenrauigkeiten dazu führen, dass die Abstände des Tastkopfs 10 von der Oberfläche zu- oder abnehmen. In diesem Fall ergeben sich Unterschiede in den von den Sensoren 22, 24 gemessenen Kontrastwerte, die als Regelabweichung vom Regelkreis auf Null oder nahezu Null reduziert werden, d. h. der Regelkreis führt den Tastkopf 10 in Z-Richtung nach, bis die Kontrastwerte der beiden Sensoren 22, 24 gleich groß sind. Der Tastkopf 10 folgt somit genau der Oberflächentopolo­ gie.

Durch die oben beschriebene und in Fig. 1 dargestellte Anordnung der Sensoren 22, 24 werden quasi zwei Bildpunkte, von denen einer vor und hinter der Oberfläche 14 liegt, gemessen. Aus der Kontrastdifferenz wird dann die tatsächliche Lage der Oberfläche 14 bestimmt. Mit der oben beschriebenen Vorrichtung ist ein berührungsloses Abtasten von insbesondere in Z-Richtung profilierten Oberflächen möglich, und zwar auch dort, wo Laser nicht mehr messen können.

Anstelle einer Vorrichtung mit zwei Sensoren kann auch eine mit nur einem Sensor ver­ wendet werden. Bei einer derartigen Vorrichtung sind im Abbildungsstrahlengang zwei verschieden lange optische Wege vorgesehen, die abwechselnd so gestaltet werden, dass die von der Optik ausgehende Strahlung über den einen oder anderen Weg zum Sensor gelangt. Das Prinzip dieser Ausführungsform besteht darin, den Versatz der Messstellen optisch zu realisieren.

Die Sensoren 22, 24 können Kamerasysteme bzw. Video-Kameras sein. Es ist auch möglich, an den Sensorebenen 26, 28 Diodenarrays oder Diefferenzfotodioden vorzusehen, die ebenso wie bei Kameras zeilenförmig ausgelesen werden.

Der Tastkopf 10 wird mit einer numerischen Bahnsteuerung in Längs- und Querrichtung der Materialoberfläche 14 in einem Abstand zu dieser bewegt, der durch die Autofokussierung des Tastkopfs 10 mittels des Lageregelkreises bestimmt wird. Der Lageregelkreis ist bei­ spielsweise für die Bewegung des Tastkopfs in der Z-Richtung der für mehrere Koordinaten ausgelegten Bahnsteuerung vorgesehen. Die Dimensionierung des Reglers bestimmt die Größe der Regelabweichung, d. h. das Verhalten des Regelkreises lässt sich durch die Wahl eines entsprechenden Reglers, z. B. mit proportionalem oder proportional-intergralem Verhalten, bestimmen. Entsprechend dem Verhalten des Reglers werden die gemessenen Kontrastwerte gleich oder nahezu gleich groß erzielt.

Claims (11)

1. Verfahren zur punktweise scannenden Profilbestimmung einer Materialoberfläche mit einem Koordinatenmessgerät nach dem Autofokusprinzip, wobei eine in einem relativ zur Materialoberfläche beweglichen Tastkopf angeordnete Optik automatisch in ihrem Abstand zur Materialoberfläche eingestellt und aus der Position der Optik gegenüber der Materialoberfläche das Profil der Materialoberfläche bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Abbildungsstrahlengang der Optik an den Enden zweier unterschiedlich langer optischer Wege jeweils der photometrische Kontrast gemessen wird und dass die Abstandseinstellung der Optik so erfolgt, dass die gemessenen Kontrastwerte gleich oder nahezu gleich sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden optischen Wege an verschiedenen Stellen im Tastkopf enden und dass an den Enden die Kontrastwerte mit jeweils einem Sensor zugleich gemessen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden optischen Wege an der gleichen Stelle im Tastkopf enden und dass die Kontrastwerte nacheinander mit einem Sensor gemessen werden, dem jeweils nacheinander die Strahlung des einen und anderen optischen Wegs zugeführt wird.

4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastkopf mit der Optik durch einen Lageregelkreis des Koordinatenmess­ gerätes in seiner Abstandsposition eingestellt wird und dass aus der Stellung des Tast­ kopfs die Oberflächentopographie bestimmt wird.

5. Koordinatenmessgerät zur punktweise scannenden Profilbestimmung einer Material­ oberfläche nach dem Autofokusprinzip mit

• 1. einem Tastkopf mit einer Optik, in deren Abbildungsstrahlengang an den Enden zweier unterschiedlich langer optischer Wege jeweils Mittel zur photo­ metrischen Kontrastwertmessung angeordnet sind,
• 2. einem Vergleicher zur Feststellung von gegenseitigen Kontrastwertabweichun­ gen,
• 3. einem Lageregelkreis, in dem der Vergleicher die Regelabweichung angibt sowie mit Bewegungsmitteln zur Regelung der Tastkopfposition relativ zur Materialoberfläche, und
• 4. Meßmitteln für die Position des Tastkopfes in Bezug auf die Materialober­ fläche.

6. Koordinatenmessgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Abbildungsstrahlengang der Optik (16) ein halbdurchlässiger Spiegel (20) vorgesehen ist, hinter dem in Durchlassrichtung in einem ersten Abstand eine erste Sensorfläche (26) eines Sensors (22) und in dessen Reflexionsrichtung in einem vom ersten Abstand verschiedenen zweiten Abstand eine zweite Sensorfläche (28) eines Sensors (24) angeordnet ist.

7. Koordinatenmessgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei unterschiedlich lange Parallelzweige im Abbildungsstrahlengang der Optik (16) an einem Sensor enden, der abwechselnd für die Strahlung im einen und anderen Parallelzweig freigegeben wird.

8. Koordinatenmessgerät nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (22, 24) Kamerasysteme sind.

9. Koordinatenmessgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamerasysteme Video-Kameras sind.

10. Koordinatenmessgerät nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorflächen (26, 28) Diodenarrays oder Differenzfotodioden aufweisen.

11. Koordinatenmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastkopf (10) bzw. der zumindest eine Sensor (22, 24) entlang einer zu den Achsen des Koordinatenmessgerätes separaten Achse verstellbar ist.