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EP1071923A1 - Method for determining the profile of a material surface by point-by-point scanning according to the auto-focussing principle, and coordinate-measuring device - Google Patents

Method for determining the profile of a material surface by point-by-point scanning according to the auto-focussing principle, and coordinate-measuring device

Info

Publication number
EP1071923A1
EP1071923A1 EP99920685A EP99920685A EP1071923A1 EP 1071923 A1 EP1071923 A1 EP 1071923A1 EP 99920685 A EP99920685 A EP 99920685A EP 99920685 A EP99920685 A EP 99920685A EP 1071923 A1 EP1071923 A1 EP 1071923A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
material surface
probe
sensor
optics
point
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99920685A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ralf Christoph
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Werth Messtechnik GmbH
Original Assignee
Werth Messtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Werth Messtechnik GmbH filed Critical Werth Messtechnik GmbH
Publication of EP1071923A1 publication Critical patent/EP1071923A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/306—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces for measuring evenness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • G01B11/005—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines

Definitions

  • the invention relates to a method for point-by-point profile determination of a material surface with a coordinate measuring machine according to the autofocus principle, an optics arranged in a probe movable relative to the material surface being automatically adjusted in its distance from the material surface and the profile of the optics relative to the material surface Material surface is determined, as well as on a coordinate measuring machine.
  • optically scanning measuring systems For the surface analysis of material surfaces, optically scanning measuring systems are used that work according to the auto focus principle. For example, individual auto film points are measured using the contrast method during the scanning. This method requires long measuring times to record complete contours. A few seconds are required per measuring point.
  • the process consists in the strong sensitivity to changes in the properties of the material surface.
  • the invention is based on the problem of developing a method and a coordinate measuring device for dynamic scanning for measuring points on material surfaces, which enables fast scanning, is accurate and is largely unaffected by changes in properties of the material surface.
  • the problem is solved in a method for point-by-point profile determination of a material surface with a coordinate measuring machine according to the autofocus principle, an optics arranged in a probe movable relative to the material surface being automatically adjusted in its distance from the material surface and the profile of the material surface from the position of the optics relative to the material surface is determined, according to the invention, solved in that the photometric contrast is measured in each case in the imaging beam path of the optics at the ends of two different optical paths and that the distance setting of the optics is carried out in such a way that the measured contrast values are the same or almost the same. If the probe is moved against the material surface or away from it, the position of the plane depicted by the optics changes in relation to the ends of the two optical paths 3 where the contrast is measured.
  • the size of the respective contrast value depends on the distance of the imaging plane of the surface of the material from the ends at which the contrast is measured. The same contrast values occur when the imaging plane is at the same distance from the ends of the optical paths. By changing the probe position relative to the surface until the measured contrast values are the same, precise focusing is achieved.
  • the two optical paths end at different points in the probe, the contrast values being measured at the ends of the optical paths with one sensor in particular at the same time.
  • the contrast values are immediately available in any position of the probe, as a result of which the focusing time essentially depends on the adjustment speed of the probe.
  • the imaging beam path can also have two optical paths of different lengths, which end at a single sensor, which alternately - e.g. B. by LCD, shutter or splitter mirror - is released for the rays of the two paths. With this method, one sensor is sufficient for the contrast measurement.
  • the probe with the optics or the setting of the distance position of the probe is aligned in particular with a position controller of a coordinate measuring machine on the surface of the material.
  • the surface topography is determined by measuring the position of the probe.
  • a probe with an optical system in the imaging beam path of which means for photometric contrast value measurement are arranged at the ends of two optical paths of different lengths, 4 a comparator for determining mutual contrast value deviations,
  • Measuring means for the position of the probe in relation to the material surface.
  • the optics are automatically focused with high accuracy.
  • the invention quasi measures two pixels, one in front and the other behind the surface, which are used for focusing.
  • the position control loop is in particular part of a numerical path control for at least three coordinates. With the numerical path control, the probe is guided on paths that run in the longitudinal and transverse directions of the surface, the autofocusing of the probe also determining its distance from the surface.
  • a semitransparent mirror is provided in the imaging beam path of the optics, behind which a first sensor surface of a sensor is arranged at a first distance in the transmission direction and a second sensor surface of a sensor is arranged at a second distance in the reflection direction thereof.
  • the sensors measure the contrast values simultaneously.
  • two parallel branches of different lengths end in the imaging beam path of the optics at a sensor which is alternately released for the radiation in one and in the other parallel branch.
  • the sensor is used to measure both contrast values, which simplifies the measuring circuit. 5
  • a camera system with, for example, a video camera or a diode array or differential photodiode can be used as the sensor.
  • the probe or the sensor or sensors can be moved along an axis that is separate from the three axes of the coordinate measuring machine.
  • Fi 'eg. 2 shows a diagram of the measured values of the contrast in two sensors of FIG
  • Fig. 1 shown device depending on the distance of the sensors from the material surface.
  • a device for dynamic scanning (scanning) for measuring points on material surfaces by means of a coordinate measuring machine which is not explained and shown in greater detail contains a probe head 10 which is arranged to be movable relative to a workpiece 12, the surface 14 of which is to be scanned for measuring points.
  • an optic 16 for. B. a lens.
  • a beam splitter in the form of a semi-transparent mirror 20 is arranged in the imaging beam path.
  • a first sensor 22 is located in the beam path of the radiation transmitted by the semi-transparent mirror 20 6 photometric contrast measurement.
  • a second sensor 24 for contrast measurement is located in the beam path of the radiation with the optical axis 18 ′ reflected by the semi-transparent mirror 20.
  • a light-sensitive or optoelectric sensor plane 26 or surface is shown in the sensor 22, which is located in the beam path of the optics 16, i. H. the rays transmitted by the semi-transparent mirror 20 strike the sensor plane 26.
  • a light-sensitive or optoelectric sensor plane or surface 28 is shown, which is located in the beam path of the radiation reflected by mirror 20.
  • the optics 16 produces a first image of a point of the material surface or surface 14 in a first imaging plane 30.
  • the imaging plane 30 is intersected by the optical axis 18 and is located in the sensor 22 in the arrangement shown in FIG. 1 16 due to the reflected radiation in a second imaging plane 32, a second image of the point of the surface 14.
  • the imaging plane 32 is located in the sensor 24 in the arrangement shown in FIG. 1.
  • the sensor plane 26 is present with respect to the beam path of the optics 16 the imaging plane 30.
  • the sensor plane 28 is located behind the imaging plane 32 with respect to the reflected beam path.
  • the sensor planes 26, 28 are therefore arranged at different distances from the optics 16 and therefore also at a distance from one another with respect to the imaging beam path.
  • optoelectronic sensors with which contrasts can be determined are used as sensors 22, 24.
  • semiconductor video cameras or diode arrays or differential photodiodes are used. Like video cameras, these can be read out line by line. The read signals can be processed by software.
  • the contrast values measured by the sensor planes or surfaces are fed to a comparator 34 of a position control loop of the coordinate measuring machine, whose 7
  • Output width reach another comparator 36, to which the actual position values output by a measuring device on the probe 10 are fed.
  • the comparator 36 outputs its output values to a position controller 38, which controls a motor 40 on the output side, which controls the probe 10 in one with Z direction perpendicular to the surface 14 of the Weikstuck 12, which does not have to coincide with one of the axes of the coordinate measuring machine
  • contrast values K are set in the ordinate direction and the distance of the probe 10 from the surface 14 in the Z direction dai in the abscissa direction
  • the positions of the imaging planes 30, 32 change relative to the sensor planes 26 and 28.
  • the sensor planes 30, 32 therefore measure different contrast widths depending on the distance of the optics 16 from the surface 14.
  • the sensor 22 measures the contrast values represented by curve 44 in FIG. 2 as a function of the distances between the optics 16 and the surface 14.
  • the sensor 24 detects the values in FIG. 2 as a function of the distances between the flat 14 and their points from the optics 16 the Kuive 46 measured Konü ast values measured.
  • the curves 44, 46 intersect at a point 48, which corresponds to a distance Z A of the optics 16 from the surface 14 at the distance Z ⁇ the sensor planes 26 and 28 are each equally far from the imaging plane 30 and 32 removed
  • the probe 10 is at a distance Z A , at which the sensors measure the same contrast width, focus on the surface 14 or the point to be measured t
  • the profile of the surface 14 can be determined on the basis of the measurement range output by the actual value of the probe
  • the position controller automatically adjusts the probe 10 to the distance Z A.
  • surface roughness can cause the distances of the probe 10 from the surface to increase or decrease.
  • the control loop automatically tracks the probe 10 in the Z direction until the contrast values of the two sensors 22, 24 are the same size.
  • the probe 10 thus follows the surface topology exactly.
  • the arrangement of the sensors 22, 24 described above and shown in FIG. 1 quasi measures two image points, one of which lies in front of and behind the surface 14. The actual position of the surface 14 is then determined from the contrast difference. With the device described above, contactless scanning of surfaces profiled in particular in the Z direction is possible, even where lasers can no longer measure.
  • one with only one sensor can also be used.
  • two optical paths of different lengths are provided in the imaging beam path, which are alternately designed in such a way that the radiation emitted by the optics reaches the sensor in one way or another.
  • the principle of this embodiment is to optically implement the offset of the measuring points.
  • the sensors 22, 24 can be camera systems or video cameras. It is also possible to provide diode arrays or differential photo diodes on the sensor planes 26, 28 which, like cameras, are read out in rows.
  • the probe 10 is moved with a numerical path control in the longitudinal and transverse directions of the material surface 14 at a distance from it which is determined by the autofocusing of the probe 10 by means of the position control loop.
  • the position control loop is, for example, for the movement of the probe in the Z direction 9 several coordinates designed path control provided.
  • the dimensioning of the controller determines the size of the control deviation, ie the behavior of the control loop can be selected by selecting an appropriate controller, e.g. B. with proportional or proportional-integral behavior. Depending on the behavior of the controller, the measured contrast values are the same or almost the same size.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for determining the profile of a material surface by point-by-point scanning according to the auto-focussing principle and to a coordinate-measuring device. An optical system (16) is located in a contact probe (10) which can move in relation to the material surface. The path of the image rays of said optical system has two optical paths of different lengths. Contrast values are measured at the ends of each of the optical paths. The contact probe (10) is adjusted in terms of its distance from the material surface (14) in such a way that the contrast values are equal. The profile of the material surface (14) is then determined based on the position of the contact probe (10) in relation to the material surface.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren zur punktweise scannenden Profilbestimmung einer Materialoberfläche nach dem Autofokusprinzip sowie KoordinatenmessgerätMethod for point-by-point profile determination of a material surface according to the auto focus principle and coordinate measuring machine
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 Material- oberfläche bestimmt wird, sowie auf ein Koordinatenmessgerät.The invention relates to a method for point-by-point profile determination of a material surface with a coordinate measuring machine according to the autofocus principle, an optics arranged in a probe movable relative to the material surface being automatically adjusted in its distance from the material surface and the profile of the optics relative to the material surface Material surface is determined, as well as on a coordinate measuring machine.
Zur Oberflächenanalyse von Materialoberflächen werden optisch abtastende Messsysteme eingesetzt, die nach dem Autofokusprinzip arbeiten. Es werden beispielsweise einzelne Autofolαispunkte nach dem Kontrastverfahren bei der Abtastung gemessen. Um vollständige Konturen aufzunehmen, benötigt dieses Verfahren lange Messzeiten. Pro Messpunkt sind einige Sekunden erforderlich.For the surface analysis of material surfaces, optically scanning measuring systems are used that work according to the auto focus principle. For example, individual auto film points are measured using the contrast method during the scanning. This method requires long measuring times to record complete contours. A few seconds are required per measuring point.
Aus P. Profos, T. Pfeifer (Hrsg.): Handbuch der industriellen Messtechnik, 5. Aufl., Oldenbourg Verlag, München-Wien 1992, S. 455, 456 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt. Dabei werden Laserabstandssensoren für die Erfassung von Oberflächen-Topographien verwendet. Bei dem bekannten Verfahren wird Licht einer Laserdiode über einen Kollimator und ein bewegliches Objektiv auf die Materialoberfläche geworfen. Das von der Oberfläche 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 2From P. Profos, T. Pfeifer (ed.): Handbuch der industrial Messtechnik, 5th edition, Oldenbourg Verlag, Munich-Vienna 1992, pp. 455, 456, a method of the type mentioned is known. Laser distance sensors are used for the detection of surface topographies. In the known method, light from a laser diode is thrown onto the material surface via a collimator and a movable lens. The light reflected from the surface passes through the objective lens, the collimator and a beam splitter to an optoelectronic focus detector in the form of a modem line. The objective lens is adjusted depending on the surface topography. The height profile is determined from their movement. One disadvantage of this 2
Verfahrens besteht in der starken Empfindlichkeit gegenüber Eigenschaftsänderungen der Materialoberfläche.The process consists in the strong sensitivity to changes in the properties of the material surface.
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 Autofo- kussierung durch Kontrastmessung bekannt, wobei drei unterschiedlich lange optische Wege zur photometrischen Kontrastmessung benutzt und eine Scharfstellposition an einem Kontrastunterschied erkannt wird.From H. Naumann, G. Schröder: Bauelemente der Optik, Taschenbuch der Technische Optik, 6th ed., C. Hanser Verlag, Munich-Vienna 1992, pp. 348, 349, autofocusing by contrast measurement is known, three optical paths of different lengths are used for the photometric contrast measurement and a focus position is recognized by a contrast difference.
Aus der DE-Z: VDI-Z 131 (1989) Nr. 11, S. 12 - 16 R.-J. Ahlers, W. Rauh: "Koor- dinatenmesstechnik mit Bildverarbeitung" ist eine Koordinatenmessung nach dem Autofokusprinzip bekannt, bei der durch Kontrastanalyse mit Ortsfrequenzmessung der von einem bilderfassenden Sensor gelieferten Daten eine dreidimensionale Objektvermessung erfolgen kann.From DE-Z: VDI-Z 131 (1989) No. 11, pp. 12-16 R.-J. Ahlers, W. Rauh: "Coordinate measurement technology with image processing" is known as a coordinate measurement based on the autofocus principle, in which a three-dimensional object measurement can be carried out by contrast analysis with spatial frequency measurement of the data supplied by an image-capturing sensor.
Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, zum dynamischen Scannen zum Messen von Punkten von Materialoberflächen ein Verfahren und ein Koordinatenmessgerät zu entwickeln, das eine schnelle Abtastung ermöglicht, genau und von Eigenschaftsänderungen der Materialoberfläche weitgehend unbeeinflusst sind.The invention is based on the problem of developing a method and a coordinate measuring device for dynamic scanning for measuring points on material surfaces, which enables fast scanning, is accurate and is largely unaffected by changes in properties of the material surface.
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 unterschiedlich 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 Material Oberfläche oder von dieser weg bewegt wird, ändert sich die Lage der von der Optik abgebildeten Ebene gegenüber den Enden der beiden optischen Wege, an 3 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.The problem is solved in a method for point-by-point profile determination of a material surface with a coordinate measuring machine according to the autofocus principle, an optics arranged in a probe movable relative to the material surface being automatically adjusted in its distance from the material surface and the profile of the material surface from the position of the optics relative to the material surface is determined, according to the invention, solved in that the photometric contrast is measured in each case in the imaging beam path of the optics at the ends of two different optical paths and that the distance setting of the optics is carried out in such a way that the measured contrast values are the same or almost the same. If the probe is moved against the material surface or away from it, the position of the plane depicted by the optics changes in relation to the ends of the two optical paths 3 where the contrast is measured. The size of the respective contrast value depends on the distance of the imaging plane of the surface of the material from the ends at which the contrast is measured. The same contrast values occur when the imaging plane is at the same distance from the ends of the optical paths. By changing the probe position relative to the surface until the measured contrast values are the same, precise focusing is achieved.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform enden die beiden optischen Wege an verschiedenen Stellen im Tastkopf, wobei an den Enden der optischen Wege die Kontrastwerte mit jeweils einem Sensor insbesondere zugleich gemessen werden. Die Kontrastwerte stehen bei dieser Ausführungsform in jeder Stellung des Tastkopfs sofort zur Verfügung, wodurch die Fokussierdauer im Wesentlichen von der Einstellgeschwindigkeit des Tastkopfs abhängt.In a particularly advantageous embodiment, the two optical paths end at different points in the probe, the contrast values being measured at the ends of the optical paths with one sensor in particular at the same time. In this embodiment, the contrast values are immediately available in any position of the probe, as a result of which the focusing time essentially depends on the adjustment speed of the probe.
Der Abbildungsstrahlengang kann auch zwei verschieden lange optische Wege aufweisen, die an einem einzigen Sensor enden, der abwechselnd - z. B. durch LCD, Shutter oder Teilerspiegel - für die Strahlen der beiden Wege freigegeben wird. Bei diesem Verfahren reicht ein Sensor für die Kontrastmessung aus.The imaging beam path can also have two optical paths of different lengths, which end at a single sensor, which alternately - e.g. B. by LCD, shutter or splitter mirror - is released for the rays of the two paths. With this method, one sensor is sufficient for the contrast measurement.
Der Tastkopf mit der Optik bzw. die Einstellung der Abstandsposition des Tastkopfes wird insbesondere mit einem Lageregler eines Koordinatenmessgerätes auf die Oberfläche des Materials ausgerichtet. Durch Messung der Stellung des Tastkopfs wird die Oberflächentopograhie bestimmt.The probe with the optics or the setting of the distance position of the probe is aligned in particular with a position controller of a coordinate measuring machine on the surface of the material. The surface topography is determined by measuring the position of the probe.
Zur Lösung des der Erfindung zu Grunde liegenden Problems wird auch vorgeschlagen ein Koordinatenmessgerät zur punktweise scannenden Profilbestimmung einer Materialoberfläche nach dem Autofokusprinzip mitTo solve the problem on which the invention is based, a coordinate measuring machine for point-by-point profile determination of a material surface according to the autofocus principle is also proposed
einem Tastkopf mit einer Optik, in deren Abbildungsstrahlengang an den Enden zweier unterschiedlich langer optischer Wege jeweils Mittel zur photometrischen Kontrastwertmessung angeordnet sind, 4 einem Vergleicher zur Feststellung von gegenseitigen Kontrastwertabweichungen,a probe with an optical system, in the imaging beam path of which means for photometric contrast value measurement are arranged at the ends of two optical paths of different lengths, 4 a comparator for determining mutual contrast value deviations,
einem Lagerregelkreis, in dem der Vergleicher die Regelabweichung angibt sowie mit Bewegungsmitteln zur Regelung der Tastkopfposition relativ zur Materialoberfläche, unda bearing control loop in which the comparator specifies the control deviation and with means of movement for controlling the probe position relative to the material surface, and
Messmitteln für die Position des Tastkopfes in Bezug auf die Materialoberfläche.Measuring means for the position of the probe in relation to the material surface.
Durch die Regelung der Kontrastdifferenz auf Null bzw. nahezu Null entsprechend den Eigenschaften des Lageregelkreises wird die Optik selbsttätig mit hoher Genauigkeit fokussiert. 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.By regulating the contrast difference to zero or almost zero according to the properties of the position control loop, the optics are automatically focused with high accuracy. The invention quasi measures two pixels, one in front and the other behind the surface, which are used for focusing. The position control loop is in particular part of a numerical path control for at least three coordinates. With the numerical path control, the probe is guided on paths that run in the longitudinal and transverse directions of the surface, the autofocusing of the probe also determining its distance from the surface.
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 Kontrastwerte.In a preferred embodiment, a semitransparent mirror is provided in the imaging beam path of the optics, behind which a first sensor surface of a sensor is arranged at a first distance in the transmission direction and a second sensor surface of a sensor is arranged at a second distance in the reflection direction thereof. In this embodiment, the sensors measure the contrast values simultaneously.
Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform enden zwei unterschiedlich lange Parallelzweige 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. 5In a further advantageous embodiment, two parallel branches of different lengths end in the imaging beam path of the optics at a sensor which is alternately released for the radiation in one and in the other parallel branch. In this embodiment, the sensor is used to measure both contrast values, which simplifies the measuring circuit. 5
Als Sensor kann jeweils ein Kamerasystem mit beispielsweise einer Video- Kamera oder ein Diodenarray oder Differenzfotodiode verwendet werden.A camera system with, for example, a video camera or a diode array or differential photodiode can be used as the sensor.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Tastkopf bzw. der oder die Sensoren entlang einer zu den drei Achsen des Koordinatenmessgerätes separaten Achse bewegbar ist.In particular, it is provided that the probe or the sensor or sensors can be moved along an axis that is separate from the three axes of the coordinate measuring machine.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen und den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der folgenden Beschreibung eines in einer Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels.Further details, features and advantages of the invention result not only from the claims and the features to be extracted from them - individually and / or in combination - but also from the following description of a preferred exemplary embodiment shown in a drawing.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Einrichtung eines Koordinatenmessgerätes zum dynamischen Scannen von Punkten von Materialoberflächen nach dem Autofokusprinzip im Schema,1 shows a device of a coordinate measuring machine for the dynamic scanning of points of material surfaces according to the autofocus principle in the diagram,
Fi 'eg. 2 ein Diagramm der Messwerte des Kontrastes in zwei Sensoren der inFi 'eg. 2 shows a diagram of the measured values of the contrast in two sensors of FIG
Fig. 1 dargestellten Vorrichtung in Abhängigkeit vom Abstand der Sensoren von der Materialoberfläche.Fig. 1 shown device depending on the distance of the sensors from the material surface.
Eine Einrichtung zum dynamischen Scannen (Abtasten) zum Messen von Punkten von Materialoberflächen mittels eines nicht näher erläuterten und dargestellten Koordinatenmessgerätes 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 16, z. B. ein Objektiv. Von der Optik 16 ist nur die Hauptebene dargestellt. Die Fig. 1 zeigt die optische Achse 18 des Abbildungsstrahlengangs 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 6 photometrischen Kontrastmessung. Im Strahlengang der vom halbdurchlässigen Spiegel 20 reflektierten Strahlung mit der optischen Achse 18' befindet sich ein zweiter Sensor 24 zur Kontrastmessung.A device for dynamic scanning (scanning) for measuring points on material surfaces by means of a coordinate measuring machine which is not explained and shown in greater detail contains a probe head 10 which is arranged to be movable relative to a workpiece 12, the surface 14 of which is to be scanned for measuring points. In the probe 10 there is an optic 16, for. B. a lens. Of the optics 16, only the main plane is shown. 1 shows the optical axis 18 of the imaging beam path of the optics 16. A beam splitter in the form of a semi-transparent mirror 20 is arranged in the imaging beam path. A first sensor 22 is located in the beam path of the radiation transmitted by the semi-transparent mirror 20 6 photometric contrast measurement. A second sensor 24 for contrast measurement is located in the beam path of the radiation with the optical axis 18 ′ reflected by the semi-transparent mirror 20.
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 halbdurchlässigen 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.1, a light-sensitive or optoelectric sensor plane 26 or surface is shown in the sensor 22, which is located in the beam path of the optics 16, i. H. the rays transmitted by the semi-transparent mirror 20 strike the sensor plane 26. In sensor 24, a light-sensitive or optoelectric sensor plane or surface 28 is shown, which is located in the beam path of the radiation reflected by mirror 20.
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 Abbildungsebene 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 Abbildungsebene 32. Die Sensor- ebenen 26. 28 sind also in Bezug auf den Abbildungstrahlengang in verschiedenen Abständen von der Optik 16 und daher auch im Abstand voneinander angeordnet.The optics 16 produces a first image of a point of the material surface or surface 14 in a first imaging plane 30. The imaging plane 30 is intersected by the optical axis 18 and is located in the sensor 22 in the arrangement shown in FIG. 1 16 due to the reflected radiation in a second imaging plane 32, a second image of the point of the surface 14. The imaging plane 32 is located in the sensor 24 in the arrangement shown in FIG. 1. The sensor plane 26 is present with respect to the beam path of the optics 16 the imaging plane 30. The sensor plane 28 is located behind the imaging plane 32 with respect to the reflected beam path. The sensor planes 26, 28 are therefore arranged at different distances from the optics 16 and therefore also at a distance from one another with respect to the imaging beam path.
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 softwaremäßig erfolgen.In particular, optoelectronic sensors with which contrasts can be determined are used as sensors 22, 24. For example, semiconductor video cameras or diode arrays or differential photodiodes are used. Like video cameras, these can be read out line by line. The read signals can be processed by software.
Die von den Sensorebenen bzw. -flächen gemessenen Kontrastwerte werden einem Vergleicher 34 eines Lageregelkreises des Koordinatenmessgerätes zugeführt, dessen 7The contrast values measured by the sensor planes or surfaces are fed to a comparator 34 of a position control loop of the coordinate measuring machine, whose 7
Ausgangsweite in einen weiteren Vergleicher 36 gelangen, dem weiterhin die von einer Messeini ichtung am Tastkopf 10 ausgegebenen Lage-Ist-Werte zugeführt werden Der Veigleicher 36 gibt seine Ausgangswerte an einen Lageregler 38, der ausgangsseitig einen Motoi 40 steuert, der den Tastkopf 10 in einer mit Z bezeichneten Richtung senkrecht zur Oberflache 14 des Weikstucks 12 verstellen kann, die nicht mit einer der Achsen des Koordinatenmessgerätes übereinstimmen muss Die Lage-Ist-Werte des Tastkopfs 10 weiden weiteihin einer Auswerteinheit 42 zugeführt, die Daten über die Obeiflachentopographie des Weikstucks 14 erzeugtOutput width reach another comparator 36, to which the actual position values output by a measuring device on the probe 10 are fed. The comparator 36 outputs its output values to a position controller 38, which controls a motor 40 on the output side, which controls the probe 10 in one with Z direction perpendicular to the surface 14 of the Weikstuck 12, which does not have to coincide with one of the axes of the coordinate measuring machine
In dem in Fig 2 dargestellten Diagramm sind in Ordinatenπchtung Kontrastwerte K und in Abszissennchtung der Abstand des Tastkopfs 10 von der Oberflache 14 in der Z- Richtung dai gestelltIn the diagram shown in FIG. 2, contrast values K are set in the ordinate direction and the distance of the probe 10 from the surface 14 in the Z direction dai in the abscissa direction
Wenn dei Tastkopf 10 in Z-Richtung bewegt wird, andern sich die Lagen der Abbildungsebenen 30, 32 gegenüber den Sensorebenen 26 bzw 28 Von den Sensorebenen 30, 32 werden deshalb in Abhängigkeit vom Abstand der Optik 16 von der Oberflache 14 unteischiedliche Kontrastweite gemessen Der Sensor 22 misst in Abhängigkeit von den Abstanden dei Optik 16 von der Oberflache 14 die in Fig 2 durch die Kurve 44 dargestellten Kontrastwerte Mit dem Sensor 24 werden in Abhängigkeit von den Abstanden dei Obei flache 14 bzw deren Punkte von der Optik 16 die in Fig 2 durch die Kuive 46 dargestellten Konü astwerte gemessen Die Kurven 44, 46 schneiden sich in einem Punkt 48, dem ein Abstand ZA der Optik 16 von der Oberflache 14 entspricht Beim Abstand ZΛ sind die Sensorebenen 26 und 28 jeweils gleich weit von der Abbildungsebene 30 bzw 32 entfernt Der Tastkopf 10 ist beim Abstand ZA, bei dem die Sensoi ebenen gleiche Kontrastweite messen, auf die Oberflache 14 bzw den zu messenden Punkt fokussieit Beim Abstand ZA kann anhand des vom Istwertgebei des Tastkopfs ausgegebenen Messweits das Profil der Oberflache 14 bestimmt werdenIf the probe 10 is moved in the Z direction, the positions of the imaging planes 30, 32 change relative to the sensor planes 26 and 28. The sensor planes 30, 32 therefore measure different contrast widths depending on the distance of the optics 16 from the surface 14. The sensor 22 measures the contrast values represented by curve 44 in FIG. 2 as a function of the distances between the optics 16 and the surface 14. The sensor 24 detects the values in FIG. 2 as a function of the distances between the flat 14 and their points from the optics 16 the Kuive 46 measured Konü ast values measured. The curves 44, 46 intersect at a point 48, which corresponds to a distance Z A of the optics 16 from the surface 14 at the distance Z Λ the sensor planes 26 and 28 are each equally far from the imaging plane 30 and 32 removed The probe 10 is at a distance Z A , at which the sensors measure the same contrast width, focus on the surface 14 or the point to be measured t At the distance Z A , the profile of the surface 14 can be determined on the basis of the measurement range output by the actual value of the probe
In dei Fig 1 nicht dargestellt ist ein Teil des Lageiegleis, der den Tastkopf in den beiden andeien Richtungen, d h der X- und Y-Richtung des kartesischen Koordinaten- s> stems bewegt 8 Der Lageregler stellt den Tastkopf 10 selbsttätig auf den Abstand ZA ein. Wenn der Tastkopf 10 in der X- bzw. Y-Richtung bewegt wird, können Oberflächenrauhigkeiten 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 automatisch nach, bis die Kontrastwerte der beiden Sensoren 22, 24 gleich groß sind. Der Tastkopf 10 folgt somit genau der Oberflächentopologie.Not shown in FIG. 1 is a part of the position track which moves the probe head in the two other directions, ie the X and Y directions of the Cartesian coordinate system 8 The position controller automatically adjusts the probe 10 to the distance Z A. When the probe 10 is moved in the X or Y direction, surface roughness can cause the distances of the probe 10 from the surface to increase or decrease. In this case, there are differences in the contrast values measured by the sensors 22, 24, which are reduced as control deviation from the control loop to zero or almost zero, ie the control loop automatically tracks the probe 10 in the Z direction until the contrast values of the two sensors 22, 24 are the same size. The probe 10 thus follows the surface topology exactly.
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.The arrangement of the sensors 22, 24 described above and shown in FIG. 1 quasi measures two image points, one of which lies in front of and behind the surface 14. The actual position of the surface 14 is then determined from the contrast difference. With the device described above, contactless scanning of surfaces profiled in particular in the Z direction is possible, even where lasers can no longer measure.
Anstelle einer Vorrichtung mit zwei Sensoren kann auch eine mit nur einem Sensor verwendet 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.Instead of a device with two sensors, one with only one sensor can also be used. In such a device, two optical paths of different lengths are provided in the imaging beam path, which are alternately designed in such a way that the radiation emitted by the optics reaches the sensor in one way or another. The principle of this embodiment is to optically implement the offset of the measuring points.
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.The sensors 22, 24 can be camera systems or video cameras. It is also possible to provide diode arrays or differential photo diodes on the sensor planes 26, 28 which, like cameras, are read out in rows.
Der Tastkopf 10 wird mit einer numerischen Bahnsteuerung in Längs- und Querrichtung der Materialoberfläche 14 in einem Abstand zu dieser bewegt, der durch die Autofokus- sierung des Tastkopfs 10 mittels des Lageregelkreises bestimmt wird. Der Lageregelkreis ist beispielsweise für die Bewegung des Tastkopfs in der Z-Richtung der für 9 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. The probe 10 is moved with a numerical path control in the longitudinal and transverse directions of the material surface 14 at a distance from it which is determined by the autofocusing of the probe 10 by means of the position control loop. The position control loop is, for example, for the movement of the probe in the Z direction 9 several coordinates designed path control provided. The dimensioning of the controller determines the size of the control deviation, ie the behavior of the control loop can be selected by selecting an appropriate controller, e.g. B. with proportional or proportional-integral behavior. Depending on the behavior of the controller, the measured contrast values are the same or almost the same size.

Claims

10Patentansprüche 10 patent claims
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 Abstandeinstellung der Optik so erfolgt, dass die gemessenen Kontrastwerte gleich oder nahezu gleich sind.Method for point-by-point profile determination of a material surface with a coordinate measuring machine according to the autofocus principle, wherein an optic arranged in a probe movable relative to the material surface is automatically adjusted in its distance from the material surface and the profile of the material surface is determined from the position of the optics relative to the material surface that the photometric contrast is measured at the ends of two optical paths of different lengths in the imaging beam path of the optics and that the distance setting of the optics is carried out in such a way that the measured contrast values are the same or almost the same.
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 insbesondere gleichzeitig gemessen werden. A method according to claim 1, characterized in that the two optical paths end at different points in the probe and that the contrast values are measured at the ends with one sensor in particular simultaneously.
11 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. 11 3. The method according to claim 1, characterized in that the two optical paths end at the same point in the probe and that the contrast values are measured successively with a sensor to which the radiation of the one and the other optical path is fed in succession.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastkopf mit der Optik durch einen Lageregelkreis des Koordinatenmessgerätes auf die Materialoberfläche ausgerichtet bzw. in seiner Abstandsposition zur Materialoberfläche eingestellt wird und dass aus der Stellung des Tastkopfs die Oberflächentopographie bestimmt wird.4. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the probe is aligned with the optics through a position control loop of the coordinate measuring machine on the material surface or adjusted in its distance position to the material surface and that the surface topography is determined from the position of the probe.
5. Koordinatenmeßgerät zur punktweise scannenden Profilbestimmung einer Materialoberfläche (14) nach dem Autofokusprinzip mit5. Coordinate measuring device for point-by-point profile determination of a material surface (14) according to the auto focus principle
einem Tastkopf (10) mit einer Optik (16), in deren Abbildungsstrahlengang an den Enden zweier unterschiedlich langer optischer Wege jeweils Mittel zur photometrischen Kontrastwertmessung angeordnet sind,a probe (10) with an optical system (16), in the imaging beam path of which means for photometric contrast value measurement are arranged at the ends of two optical paths of different lengths,
einem Vergleicher (34) zur Feststellung von gegenseitigen Kontrastwertabweichungen,a comparator (34) for determining mutual contrast value deviations,
einem Lagerregelkreis, in dem der Vergleicher die Regelabweichung angibt sowie mit Bewegungsmitteln zur Regelung der Tastkopfposition relativ zur Materialoberfläche, unda bearing control loop in which the comparator specifies the control deviation and with means of movement for controlling the probe position relative to the material surface, and
Meßmitteln für die Position des Tastkopfes in Bezug auf die Materialoberfläche (14). 12 Kooidinatenmessgerat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Abbildungsstrahlengang der Optik (16) ein halbdurchlassiger Spiegel (20) vorgesehen ist. hinter dem in Durchlassrichtung in einem ersten Abstand eine erste Sensorflache (26) eines Sensors (22) und in dessen Reflexionsπchtung in einem vom ersten Abstand verschiedenen zweiten Abstand eine zweite Sensoi flache (28) eines Sensors (24) angeordnet istMeasuring means for the position of the probe in relation to the material surface (14). 12 Kooidinatenmessgerat according to claim 5, characterized in that a semitransparent mirror (20) is provided in the imaging beam path of the optics (16). Behind which a first sensor surface (26) of a sensor (22) is arranged at a first distance in the forward direction and a second sensor surface (28) of a sensor (24) is arranged in its reflection direction at a second distance that differs from the first distance
Koordinatenmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei unterschiedlich lange Parallelzweige im Abbildungssti ahlengang der Optik (16) an einem Sensor enden, der abwechselnd für die Strahlung im einen und andeien Parallelzweig freigegeben wirdCoordinate measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that two parallel branches of different lengths end in the imaging path of the optics (16) at a sensor which is alternately released for the radiation in one and the other parallel branch
Kooidinatenmessgerat nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadui ch gekennzeichnet, dass die Sensoren (22.24) Kameiasysteme sindKooidinatenmessgerat according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensors (22.24) are cameo systems
Kooidinatenmessgeiat nach zumindest einem dei vorhergehenden Ansprüche, dadui ch gekennzeichnet, dass die Kameras\ steme Video-Kameras sindKooidinatenmessgeiat according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cameras are video cameras
Kooidinatenmessgerat nach zumindest einem der voi hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoi flachen (26.28) Diodenarrays oder Differenzfotodioden aufweisenKooidinatenmessgerat according to at least one of the preceding claims, characterized in that the Sensoi have flat (26.28) diode arrays or differential photodiodes
Kooidinatenmessgerat nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadui ch gekennzeichnet, dass der Tastkopf (10) bzw der zumindest eine Sensor (22, 24) entlang einer zu den Achsen des Kooidinatenmessgerates separaten Achse verstellbar ist Coolant data measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the probe (10) or the at least one sensor (22, 24) is adjustable along an axis separate from the axes of the coolant measuring device
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