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WO2005108919A1 - Messeinrichtung mit optischer tastspitze - Google Patents

Messeinrichtung mit optischer tastspitze Download PDF

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WO2005108919A1
WO2005108919A1 PCT/EP2005/004223 EP2005004223W WO2005108919A1 WO 2005108919 A1 WO2005108919 A1 WO 2005108919A1 EP 2005004223 W EP2005004223 W EP 2005004223W WO 2005108919 A1 WO2005108919 A1 WO 2005108919A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
measuring device
measuring
light source
positioning
sensor arrangement
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2005/004223
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Lehmann
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.)
Carl Mahr Holding GmbH
Original Assignee
Carl Mahr Holding 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 Carl Mahr Holding GmbH filed Critical Carl Mahr Holding GmbH
Priority to US11/579,418 priority Critical patent/US7483150B2/en
Priority to JP2007511919A priority patent/JP4929161B2/ja
Publication of WO2005108919A1 publication Critical patent/WO2005108919A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
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    • G—PHYSICS
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
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    • G—PHYSICS
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2210/00—Aspects not specifically covered by any group under G01B, e.g. of wheel alignment, caliper-like sensors
    • G01B2210/50—Using chromatic effects to achieve wavelength-dependent depth resolution

Definitions

  • the invention relates to a measuring device, in particular for roughness measurement, contour measurement or mold measurement.
  • Tactile measurement principles are fundamentally based on the contact of a workpiece surface with a probe body. This can cause surface deformation, contamination, or surface damage.
  • Optical measurement principles are in turn subject to other limitations that may occasionally cause difficulties. For example, problems with optical measurement of sloped surfaces, measurement speed limitations, measurement errors due to edge diffraction, etc., may occur.
  • an optical profile measuring device which is based on confocal microscopy.
  • the measuring device has a punctiform white light source and a lens which focuses the previously converted by a collimator to a parallel light beam to focus.
  • the distance of the focal points depends on the wavelength due to the desired chromatic aberration of the objective. That of the
  • Workpiece reflected light is picked up by the lens and passed through a beam splitter to a spectral analyzer.
  • the spectral analyzer lets the light fall on a specific point of the photodiode array. It is possible to deduce the distance between the objective and the workpiece surface from the position of the light spot incident on the photodiode line. This principle works well for fast distance detection.
  • US Pat. No. 5,785,651 discloses a measuring device provided in particular for measuring ophthalmic lenses with a plurality of optical measuring systems operating in parallel with one another, each of which operates as a confocal microscope.
  • Each such confocal microscope includes a polychromatic light source, an optical fiber serving as a spot stop, a lens which directs and receives light from the object and has significant chromatic aberration, a beam splitter, and a photoreceiver having the wavelength of the received signal indicative of received light.
  • a plurality of individual sensors are required, which are arranged as a matrix or line.
  • a confocal sensor is known, which is provided for measuring a arranged on a piezoelectric actuator workpiece. It uses a coherent light source and a high numerical aperture lens. To measure the workpiece this is moved transversely to the light beam of the sensor, wherein the distance between the sensor and the workpiece surface of the lens focal length slightly different. The focal point of the lens is slightly above or below the workpiece surface. The steep edge of the sensor signal when the workpiece surface passes through the focal point is used as a measuring characteristic.
  • Such sensors have an extremely small depth of field. The measuring range is limited to a few nanometers. On this basis, it is an object of the invention to provide an optical sensor for measuring curved surfaces.
  • the measuring device is based on a confocal sensor in the manner of a confocal microscope, which is equipped with at least two photoreceivers.
  • the confocal sensor arrangement generates at least two focal points which are spaced apart from one another in the measuring direction and which can be generated with the same or different light colors and the same or different polarization.
  • the assignment of the photoreceptor to the focal points via the light color through a wavelength-discriminating switch such as a spectrometer, a prism, a wavelength-dependent reflector or the like, the distinction of the focal points or the assignment of the photoreceptor to the focal points can also by spatial spacing of the photoreceptor to each other or by polarizing filter or other appropriate means.
  • the measuring device includes a difference-forming circuit that forms the difference between the signals supplied by both photoreceptors. This results in a nearly linear measuring range between the two focal points.
  • the difference signal passes during the passage of the workpiece Over the area between the two focal points approximately s-shaped, wherein in the middle of the measuring range, a zero signal can be set.
  • the position of the workpiece surface in the middle of the measuring range can be determined very easily and simply.
  • any other surface position lying within the measuring range can be detected very quickly and without mechanical adjustment of the measuring device.
  • this opens the way to fast measuring methods and, on the other hand, the possibility of a considerable measuring depth in the Z direction.
  • the differential signal is ideal as a tracking signal for a control loop, which tracks the sensor arrangement of the surface contour in analog or in stages. This creates the opportunity to measure spatially extended bodies, such as lenses, in particular aspherical lenses, quickly and precisely without contact. The thereby to be driven technical effort is low. It is a simple, robust and flexible to be adapted to different workpiece sizes and shapes measuring system.
  • the confocal sensor arrangement is connected to a two-axis Posit.ionier Road. While an axis is oriented essentially parallel to the workpiece surface as in the case of a feed device as a trailing axle, the other axis is oriented substantially at right angles to it.
  • the parallel axis is used to define a measuring path as in a stylus measurement method. Touch cutting methods are those in which the workpiece surface along a line through a
  • the vertical axis is used to track the confocal sensor assembly, so that the curved workpiece surface always in the measuring range remains.
  • this axis can be formed by a long pivot arm which carries the sensor arrangement.
  • the pivot arm extends approximately parallel to the workpiece surface. It is connected to a positioning device which is always kept at a constant or within a tolerance-constant distance from the measuring point or the workpiece surface via a proportional control device or a two-point control device. The tolerance is smaller than the measuring range.
  • confocal sensor arrangements can be used. In the simplest case this is based on a non-coherent or coherent short, at least two colored light source, • which is connected via a fiber coupler to the lens.
  • the fiber coupler also connects this to a spectrometer which has at least two photoreceptors whose output signals are fed to a differential amplifier.
  • the generated difference signal (intensity difference signal) can serve as a measurement signal and / or as a control signal for the first positioning device.
  • Another sensor detects the position of this positioning device and thus the position of the sensor arrangement. This can be done for example by an interferometric or incremental measuring system.
  • the measurement signal is gelling then by adding the position signal to the first positioning means with the one of the sensor array "obtained .ferten position signal. If the sensor array always be corrected to the center of the measurement range (in the case of proportional control device according to claim 7) also serve the position signal of P sitionier worn as a sole measurement signal.
  • FIG. 1 shows a measuring device in schematic schematic representation
  • FIG. 2 shows the measuring device according to FIG. 1 during the shape measurement on a workpiece
  • FIG. 3 shows the sensor arrangement of the measuring device according to FIG. 1 in a first exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a modified embodiment of a sensor arrangement with two monochromatic light sources in a schematic representation
  • FIG. 5 an exemplary embodiment of a sensor arrangement with differently polarized light in a basic diagram
  • FIG. 6 shows the intensity profile of the device by a Fotoempfän- output signal at the passage of the workpiece surface by the assigned thereto • focal point
  • FIG. 7 shows the difference signal obtained by subtracting two photoreceivers which are assigned to two spatially spaced focal points when the workpiece surface passes through the focal points.
  • control device 8 shows the control device in a first embodiment as a proportional control device as a block diagram
  • control device 9 shows the control device in one embodiment as a two-point control device as a block diagram.
  • FIG. 1 illustrates a measuring device 1 which serves to measure a workpiece 2.
  • the measurement can be a roughness measurement, a shape measurement or the measurement of the contour.
  • Different measuring tasks can also be fulfilled, for example by performing both a roughness measurement and a shape measurement.
  • the measuring device 1 includes an optical sensor in the form of a confocal sensor assembly 3, whose structure will be described later in connection with Figures 3 to 5.
  • the sensor arrangement 3 serves to scan the surface of the workpiece 2 without contact. It is supported by an arm 4, which is relatively long in comparison to the measuring path and substantially parallel to the surface of the
  • Workpiece 2 is arranged.
  • the arm 4 is pivotally mounted on a carriage 6 at a pivot point 5.
  • the possible pivotal movement of the arm 4 is illustrated in Figure 1 by an arrow 7. This determines the arcuate direction of movement of the sensor arrangement 3, which essentially coincides with the measuring direction of the sensor arrangement 3 illustrated by an arrow 8.
  • the carriage 6 is movable on a guide device 9 transversely to the measuring direction 8 approximately in the longitudinal direction of the arm 4. This movement is illustrated in FIG. 1 by an arrow 11.
  • a drive device 12 is provided only schematically indicated. This forms a second positioning for the carriage 6 on the guide device 9.
  • a first positioning device 13 serves for the controlled pivoting of the arm 4 about the pivot point 5.
  • the positioning device 13 will For example, formed by a plunger coil drive, which is controlled by a control device 14.
  • a position sensor 15 which is formed for example as an interferometric sensor or as an incremental measuring system.
  • the position sensor 15 is connected to the control device 14.
  • the sensor assembly 3 is connected via a line 16 to the control device 14.
  • a first embodiment of the sensor arrangement 3 is shown in FIG. To the sensor assembly 3 includes a sensor head 16, which is arranged at the free end of the arm 4 ( Figure 1).
  • the sensor head 16 is connected to a light source 19 and a light receiver 21 via an optical fiber 17 and a fiber coupler 18, which serves as Strahltei- 1er.
  • the light source 19 is an at least dichroic light source, preferably a light source emitting a continuous spectrum, such as an incandescent lamp or the like. It is also possible to use other light sources which are at least two
  • the light emitted by the light source 19 is coupled into the branch 22 of the optical fiber 17 leading from the fiber coupler 18 to the light source 19.
  • the light receiver 21 is a wavelength-sensitive light receiver. It contains, for example, a prism or an optical grating 23. The light reflected from the surface of the workpiece 2 and picked up again by the sensor head 16 is transmitted via a branch 24 of the optical fiber to the grating 23 and from there to a group of photoreceivers 25, 26, 27 thrown. These are from each other spatially spaced. Its output signals are fed to a calculation circuit 28.
  • the photoreceptor 25 generates the output signal U1.
  • the photoreceiver 26 generates the output signal U2.
  • the photoreceiver 27 generates the output signal U3.
  • the photoreceivers are arranged with respect to the optical grating 23 so that the center photoreceptor 26 receives the light of the wavelength ⁇ O.
  • the photo-receivers 25 and 27 arranged on both sides receive light of the wavelengths ⁇ O- ⁇ and ⁇ O + ⁇ , respectively. At exactly these wavelengths, the output voltages Ul and U3 have their maximum.
  • the distances between the photoreceivers ' 25 to 27 and the wavelengths and the measuring range of the sensor head 16 are matched to one another such that the measuring range of the sensor head 16 and the wavelength range preferably coincide approximately with the half width (FWHM) of the confocal signal.
  • FIG. 6 This illustrates the profile of the voltage U2 at the photoreceiver 26 during a movement of the sensor head 16 in the direction of its optical axis 29. If the surface of the workpiece 2 passes through the focal point 31 associated with the photoreceiver 26, the output signal U2 passes through a maximum.
  • the voltage signal has the shape of a bell curve.
  • the curve of the voltage U2 is also called a confocal signal.
  • the deviation h from the middle of the measuring range is referred to as altitude.
  • the current height value can be calculated on the basis of the wavelength ⁇ O and ⁇ from the output voltages U1 to U3 according to the following relationship, since it is proportional to the wavelength of the light ⁇ . This will be after the relationship
  • To the sensor head 16 includes a lens 32 with a collimator lens 33 and a focusing lens 34.
  • the end face of the optical fiber 17 acts as a point light source.
  • the objective 32 has a high chromatic aberration and generates differently colored focal points 35, 31, 36 along the optical axis 29.
  • the length of the area occupied by the focal points 35, 36 on the optical axis 29 is determined by the chromatic aberration of the objective 32 and the maximum frequency difference .DELTA.F in the light of the light source 19 is determined. If the light source 19 has a continuous spectrum, a line-shaped focal point region is formed on the optical axis 29.
  • the photoreceivers 25, 26, 27 are each a selected one
  • the arithmetic circuit 28 may provide a measurement signal indicative of the distance between the objective 32 and the workpiece surface with the evaluation strategy illustrated by the above formula. Furthermore, the
  • Arithmetic circuit to be part of the control device 14 and to have the blocks illustrated in Figure 8, which form a tracking circuit in the form of a proportional control device 37.
  • the proportional control device 37 has at least one differential amplifier 38 with a non-inverting input 39 and an inverting input 41 and an output 42 to which the positioning device 13 is connected. At the inputs 39, 41, the photoreceptors 25, 27 are connected.
  • the differential amplifier 38 may have a linear or, as illustrated in FIG. 7, also a slightly s-shaped curved characteristic.
  • the measuring device 1 described so far operates as follows:
  • the measuring device 1 is initially positioned so that the sensor assembly 3 floats above the point of interest of the workpiece 2.
  • the arm 4 is then lowered so far until the surface of the workpiece 2 in the area designated by ⁇ F between the focal points 35, 36 in Figure 3 device.
  • the light reflected from the surface is received by the lens 32.
  • the grating 23 then deflects the light emitted by the branch 24 in accordance with its wavelength. It thereby falls on one of its wavelengths corresponding point of the line formed by the photoreceptor 25 to 27.
  • the arithmetic circuit 28 now determines the exact altitude of the sampled surface point according to the formula given above.
  • the proportional control device 37 generates a signal for controlling the first positioning device 13. This is done by
  • the output voltage UA of the differential amplifier 38 has for different positions of the workpiece surface inside. half of the range .DELTA.F in Figure 3 to the illustrated in Figure 7 course. Around the central position 43, the output signal UA depends substantially linearly on the deviation ⁇ h from the workpiece surface from the middle position.
  • the output signal UA is fed to the positioning device 13 so that it guides the sensor head 16 substantially at a constant distance from the surface of the workpiece 2. In any case, it holds the surface of the workpiece within the measuring range .DELTA.F, even if at the same time the second positioning, ie the drive means 12 is driven to scan the surface of the workpiece 2 along a line.
  • the signal supplied by the arithmetic circuit 28 and the position signal of the position sensor 16 are then added in order to determine therefrom the true value of the height of the respective measured point of the surface in the Z direction (arrow 8 in FIG. 1).
  • workpieces such as aspherical lenses 44 can be measured. In the example of Figure 2, this is mounted on a turntable 45.
  • FIG. 9 illustrates an alternative embodiment of a control device for controlling the positioning device 13.
  • the control device is designed as a two-point control device 46. It is in turn connected to the photoreceivers 25, 27 and thus to the output voltages Ul, U3. Your differential amplifier 38 is connected to its output 42 but not directly to the positioning device 13.
  • the output 42 is connected to a threshold value switch 47, which only outputs a positive output signal when its input signal exceeds a positive threshold 48. It outputs a negative output signal if its input signal falls below a negative threshold 49. Otherwise, its output signal is 0.
  • a stepping device 51 This device gives the positioning device 13 a positive positioning step when it receives a positive input signal. Upon receiving a negative input signal, it gives the positioning device 13 a negative positioning step.
  • This two-point control device 46 feeds the Sehsor- arrangement 3 of the surface contour of the workpiece 2 in a stepped track.
  • the measurement value is in turn obtained by adding the position signal of the position sensor 15 with the signal output by the arithmetic circuit 28.
  • the arithmetic circuit 28 and the evaluation algorithm implemented by the latter are particularly advantageous with regard to critical local surface properties of the workpiece 2.
  • the local surface pitch or microstructure of the surface may vary. This leads to a changing steepness of the linear part of the characteristic 7 and thus complicates the exact assignment of an output voltage value UA to the altitude of the associated surface point of the workpiece 2.
  • This assignment is performed by the arithmetic circuit 28 on the basis of at least three photoreceivers 25, 26, 27. Alternatively, other photoreceivers may be provided be used to increase the resolution.
  • the equations corresponding to the calculation rule specified above are then to be used.
  • the (possibly initially logarithmized) waveform is approximated by a polynomial of order Nl.
  • the location of the maximum of this polynomial is proportional to the sought altitude value.
  • the arithmetic circuit 28 can also be connected to only two photoreceivers 25, 27.
  • the arithmetic circuit 28 can then also be replaced by the differential amplifier 38.
  • FIG. 4 illustrates a further embodiment of the sensor arrangement 3.
  • the objective 32 corresponds to the above-described objective 32 according to FIG. Accordingly, reference is made to the previous description.
  • the light source 19 is formed by two monochromatic light sources, for example two light emitting diodes 52, 53, which are connected via a fiber coupler 54 to the branch 22 of the optical fiber 17.
  • the LEDs 52, 53 emit different light color. It can be laser diodes or ordinary light-emitting diodes.
  • the light receiver 21 may be formed as illustrated in FIG. However, he can also, as in FIG 4, instead of the optical grating 23 have a wavelength-dependent reflector 55. This is especially true when the wavelengths of the LEDs 52, 53 differ greatly.
  • the photoreceivers 25 and 27 are connected, which in turn are connected to the differential amplifier 38. This generates the signal according to FIG. 7, which serves as a tracking signal for the positioning device 13. In addition, it can serve as a measurement signal.
  • FIG. 3 A further modified embodiment of the sensor arrangement 3 is shown in FIG. Reference is made to the previous descriptions based on the same reference numbers. Unlike these, however, a beam splitter 56 is arranged between the light exit opening of the optical fiber 17 and the lens 33, the light of a given polarization can just go through. Radially to the optical axis 29, a further optical fiber 57 is provided. The beam splitter 56 reflects light whose polarization plane is perpendicular to the light of the optical fiber 17, in the direction parallel to the optical axis 29. The optical fiber 57 is connected to the light source 19 via a fiber coupler 58. This can be a monochromatic or a polychromatic light source. The fiber coupler 58 shares that of the
  • Light source 19 incoming light on the optical fibers 17, 57.
  • a fiber coupler 58 is connected to the optical fiber 57, which passes the received light to the photoreceiver 27.
  • the photoemp Catchers 25, 27 are in turn connected to the differential amplifier 38.
  • the distance of the light exit opening of the optical fiber 17 from the beam splitter 56 has the distance of the
  • the distance difference determines the length of the measuring range ⁇ Z. If polychromatic light is used, for example, light of two LEDs or light with continuous
  • the photoreceivers 25, 27 generate a wavelength-dependent signal, for example by containing a diffraction grating or a prism and by dividing the respective photoreceptor 25, 27 into a series of individual receivers.
  • the lens 32 has a chromatic aberration.
  • An arithmetic circuit 28, as shown in FIG. 3, can then again be connected to the divided individual cells of the photoreceivers 25, 27. This arithmetic circuit can be responsible only for the photoreceiver group derived from the photoreceiver 25 or from the photoreceiver 27. It can also process the signals of all photoreceivers.
  • a measuring device 1 for measuring the shape, contour and / or roughness of a workpiece is based on a contactless optical button with a large numerical aperture, which has at least two different focal points, which at least two photoreceivers 25, 27 are assigned. These generate a difference signal for controlling a positioning device 13 for tracking the optical probe such that the workpiece surface is held within the measuring range thereof. The difference signal proves itself for fast and accurate tracking to the position of the sensor arrangement.

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Abstract

Eine Messeinrichtung (1) zur Vermessung der Form, Kontur und/oder Rauheit eines Werkstücks beruht auf einem berührungslosen optischen Taster mit großer numerischer Apertur, der wenigstens zwei verschiedene Brennpunkte hat, denen wenigstens zwei Fotoempfänger zugeordnet sind. Diese erzeugen ein Differenzsignal zur Ansteuerung einer Positioniereinrichtung (13) zur Nachführung des optischen Tasters so, dass die Werkstückoberfläche innerhalb des Messbereichs desselben gehalten wird. Das Differenzsignal bewährt sich zur schnellen und genauen Nachführung zur Position der Sensoranordnung (3).

Description

Messeinrichtung mit optischer Tastspitze
Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung, insbesondere zur Rauheitsmessung, Konturenmessung oder zur Formenmessung .
Zur Rauheits-, Form- oder Konturenmessung sind bislang optische oder taktile Messverfahren in Gebrauch, die jeweils typischen Beschränkungen unterliegen. Taktile Mess- prinzipien beruhen grundsätzlich auf der Berührung einer Werkstückoberfläche durch einen Tastkörper. Dies kann eine Verformung der Oberfläche, eine Verschmutzung derselben oder auch eine Beschädigung der Oberfläche verursachen.
Optische Messprinzipien unterliegen wiederum anderen Beschränkungen, die gelegentlich ebenfalls zur Schwierigkeiten führen können. Beispielsweise können Probleme beim optischen Messen geneigter Flächen, Einschränkungen der Mess- geschwindigkeit, Messfehler in Folge von Beugung an Kanten usw. auftreten.
Aus der GB 2144537 A ist eine optische Profilmessein- richtung bekannt, die auf der konfokalen Mikroskopie be- ruht. Die Messeinrichtung weist eine punktförmige Weißlichtquelle und ein Objektiv auf, das das zuvor durch einen Kollimator zu einem parallelen Lichtbündel umgewandelte Licht auf Brennpunkte konzentriert . Der Abstand der Brennpunkte hängt -in Folge der gewünschten chromatischen Aberra- tion des Objektivs von der Wellenlänge ab. Das von dem
Werkstück reflektierte Licht wird von dem Objektiv wieder aufgenommen und über einen Strahlteiler zu einem Spektral- analysator geleitet. Dieser enthält eine Fotodiodenzeile. Der Spektralanalysator lässt je nach aufgenommener Wellen- länge das Licht auf eine bestimmte Stelle der Fotodiodenzeile fallen. Aus der Position des auf die Fotodiodenzeile fallenden Lichtpunkts kann auf den Abstand zwischen dem Objektiv und der Werkstückoberfläche geschlossen werden. Dieses Prinzip bewährt sich gut zur schnellen Abstandserfassung .
Aus der gleichen Druckschrift ist es bekannt, die dem
Werkstück zugewandte Linse des Objektivs in Richtung ihrer optischen Achse hin und her oszillieren zu lassen, um den
Fokus in Messrichtung hin und her schwingen zu lassen. Aus dem oszillierenden Signal des Fotoempfängers kann wiederum auf den Abstand zwischen dem Objektiv und der Werkstückoberfläche geschlossen werden.
Aus der US-PS 5 785 651 ist eine insbesondere zur Ver- messung von Augenlinsen vorgesehene Messeinrichtung mit mehreren parallel zueinander arbeitenden optischen Messsystemen bekannt, die jeweils als konfokales Mikroskop arbeiten. Zu jedem solchen konfokalen Mikroskop gehört eine polychromatische Lichtquelle, eine Lichtleitfaser, die als Punktblende dient, ein Objektiv, das das Licht auf das Objekt richtet und von diesem empfängt und eine erhebliche chromatische Aberration aufweist, ein Strahlteiler und ein Fotoempfänger, der ein die Wellenlänge des empfangenen Lichts kennzeichnendes Signal abgibt.
Zur Erfassung der Form gewölbter Körper, wie beispielsweise einer Augenlinse, ist eine Vielzahl von Einzelsensoren erforderlich, die als Matrix oder Linie angeordnet sind.
Aus der US-PS 5 804 813 ist ein konfokaler Sensor bekannt, der zur Vermessung eines auf einem piezoelektrischen Aktor angeordneten Werkstücks vorgesehen ist. Es wird eine kohärente Lichtquelle und ein Objektiv mit hoher numeri- scher Apertur verwendet. Zur Vermessung des Werkstücks wird dieses quer zu dem Lichtstrahl des Sensors bewegt, wobei der Abstand zwischen dem Sensor und der Werkstückoberfläche von der Objektivbrennweite geringfügig abweicht. Der Brennpunkt des Objektivs befindet sich geringfügig oberhalb oder unterhalb der Werkstückoberfläche. Die steile Flanke des Sensorsignals bei Durchgang der Werkstückoberfläche durch den Brennpunkt wird als Messkennlinie verwendet . Solche Sensoren weisen eine äußerst geringe Tiefenschärfe auf. Der Messbereich ist auf wenige Nanometer beschränkt . Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen optischen Sensor zur Vermessung von gekrümmten Oberflächen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit der Messeinrichtung nach An- spruch 1 gelöst:
Die erfindungsgemäße Messeinrichtung beruht auf einem konfokalen Sensor nach Art eines konfokalen Mikroskops, der mit wenigstens zwei Fotoempfängern ausgerüstet ist. Die konfokale Sensoranordnung erzeugt wenigstens zwei voneinander in Messrichtung beabstandete Brennpunkte, die mit gleicher oder unterschiedlichen Lichtfarben sowie gleicher oder unterschiedlicher Polarisation erzeugt werden können.
Die Zuordnung der Fotoempfänger zu den Brennpunkten erfolgt über die Lichtfärbe durch einen wellenlängenunterscheidende Weiche, wie beispielsweise ein Spektrometer, ein Prisma, einen wellenlängenabhängigen Reflektor oder dergleichen, die Unterscheidung der Brennpunkte bzw. die Zuordnung der Fotoempfänger zu den Brennpunkten kann auch durch räumliche Beabstandung der Fotoempfänger zueinander oder durch Polarisationsfilter oder anderweitige entsprechende Mittel erfolgen.
Die Messeinrichtung enthält eine Differenzbildungs- Schaltung, die die Differenz aus den von beiden Fotoempfängern gelieferten Signalen bildet. Damit wird ein nahezu linearer Messbereich zwischen beiden Brennpunkten erhalten. Das Differenzsignal verläuft beim Durchgang der Werkstücko- berfläche durch den Bereich zwischen den beiden Brennpunkten etwa s-förmig, wobei in der Mitte des Messbereichs ein Nullsignal festgelegt sein kann. Auf diese Weise kann einerseits die Lage der Werkstückoberfläche in der Mitte des Messbereichs sehr leicht und einfach festgestellt werden. Andererseits kann jede andere, innerhalb des Messbereichs liegende Flächenposition sehr schnell und ohne mechanische Verstellung der Messeinrichtung erfasst werden. Dies eröffnet einerseits den Weg zu schnellen Messverfahren und ande- rerseits die Möglichkeit einer erheblichen Messtiefe in Z- Richtung. Außerdem eignet sich das Differenzsignal auf ideale Weise als Nachführungssignal für eine Regelschleife, die die Sensoranordnung der Oberflächenkontur analog oder in Stufen nachführt. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, räumlich ausgedehnte Körper, wie beispielsweise Linsen, insbesondere asphärische Linsen, schnell und präzise berührungslos zu vermessen. Der dabei zu treibende technische Aufwand ist gering. Es wird ein einfaches, robustes und dabei flexibel an verschiedene Werkstückgrößen und -formen anzupassendes Messsystem geschaffen.
Vorzugsweise wird die konfokale Sensoranordnung mit einer zweiachsigen Posit.ioniereinrichtung verbunden. Während eine Achse wie bei einem Vorschubgerät als Schlepp- achse im Wesentlichen parallel zu der Werkstückoberfläche orientiert ist, ist die andere Achse im Wesentlichen rechtwinklig zu dieser orientiert. Die parallele Achse dient der Festlegung eines Messwegs wie bei einem Tastschnittmess- verfahren. TastSchnittmessverf hren sind solche, bei denen die Werkstückoberfläche entlang einer Linie durch einen
Taster abgetastet wird. Die senkrechte Achse dient der Nachführung der konfokalen Sensoranordnung, so dass die gewölbte Werkstückoberflache stets in deren Messbereich bleibt. Beispielsweise kann diese Achse durch einen langen Schwenkarm gebildet werden, der die Sensoranordnung trägt. Der Schwenkarm erstreckt sich dabei ungefähr parallel zu der Werkstückoberfläche. Er ist mit einer Positionierein- richtung verbunden, die über eine ProportionalSteuereinrichtung oder eine ZweipunktSteuereinrichtung stets in einem konstanten oder innerhalb einer toleranzkonstanten Abstand zu dem Messpunkt bzw. der Werkstückoberflache gehalten wird. Die Toleranz ist dabei kleiner als der Messbe- reich.
Prinzipiell können unterschiedliche Bauformen konfokaler Sensoranordnungen verwendet werden. Im einfachsten Fall beruht dieser auf einer nicht kohärenten oder kurz kohären- ten, wenigstens zweifarbigen Lichtquelle, • die über einen Faserkoppler an das Objektiv angeschlossen ist. Der 'Faser- koppler verbindet dieses außerdem mit einem Spektrometer, das wenigstens zwei Fotoempfänger aufweist, deren Ausgangssignale einem Differenzverstärker zugeführt sind. Das er- zeugte Differenzsignal (Intensitäts-Differenzsignal) kann als Messsignal und/oder als Stellsignal für die erste Positioniereinrichtung dienen. Diese führt die Sensoranordnung an die Werkstückoberflache heran oder von dieser weg. Ein weiterer Sensor erfasst dabei die Position dieser Positio- niereinrichtung und somit die Position der Sensoranordnung. Dies kann beispielsweise durch ein interferometrisches oder inkrementales Messsystem geschehen. Das Messsignal wird dann durch Addition des Positionssignals der ersten Positioniereinrichtung mit dem von der Sensoranordnung gelie- ".ferten Positionssignal erhalten. Wird die Sensoranordnung stets auf die Mitte des Messbereichs nachgeführt (im Falle der Proportionalsteuereinrichtung nach Anspruch 7) kann auch das Positionssignal der P sitioniereinrichtung als alleiniges Messsignal dienen.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder von Ansprüchen.
In der Zeichnung sind Ausführungs- und Anwendungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
Figur 1 eine Messeinrichtung in schematisierter Prinzipdarstellung,
Figur 2 die Messeinrichtung nach Figur 1 bei der Form- messung an einem Werkstück,
Figur 3 die Sensoranordnung der Messeinrichtung nach Figur 1 in einem ersten prinzipiellen Ausführungs- beispiel,
Figur 4 eine abgewandelte Ausführungsform einer Sensoranordnung mit zwei monochromatischen Lichtquellen in Prinzipdarstellung,
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung mit unterschiedlich polarisiertem Licht in Prinzip- darsteilung,
Figur 6 den Intensitätsverlauf des von einem Fotoempfän- ger abgegebenen Signals bei Durchgang der Werkstückoberfläche durch den ihm zugeordneten • Brennpunkt , Figur 7 das Differenzsignal, _ erhalten durch Subtraktion zweier Fotoempf nger, die zwei räumlich voneinander beabstandeten Brennpunkten zugeordnet sind, bei Durchgang der Werkstückoberfläche durch die Brennpunkte ,
Figur 8 die Steuereinrichtung in einer ersten Aus- führungsform als Proportionalsteuereinrichtung als Blockschaltbild und
Figur 9 die Steuereinrichtung in einer Ausführungsform als Zweipunktsteuereinrichtung als Blockschaltbild.
In Figur 1 ist eine Messeinrichtung 1 veranschaulicht, die zur Vermessung eines Werkstücks 2 dient. Bei der Messung kann es sich um eine Rauheitsmessung, um eine Formmessung oder um die Messung der Kontur handeln. Es können auch verschiedene Messaufgaben erfüllt werden, indem beispielsweise sowohl eine Rauheitsmessung als auch eine Formmessung vorgenommen wird.
Zu der Messeinrichtung 1 gehört ein optischer Sensor in Form einer konfokalen Sensoranordnung 3, deren Aufbau später in Zusammenhang mit den Figuren 3 bis 5 beschrieben ist. Die Sensoranordnung 3 dient dazu, die Oberfläche des Werkstücks 2 berührungslos abzutasten. Sie wird von einem Arm 4 getragen, der im Vergleich zu dem Messweg relativ lang und im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des
Werkstücks 2 angeordnet ist. Der Arm 4 ist an einem Drehpunkt 5 schwenkbar an einem Schlitten 6 gelagert . Die mögliche Schwenkbewegung des Arms 4 ist in Figur 1 durch einen Pfeil 7 veranschaulicht . Dieser bestimmt die bogenförmige Bewegungsrichtung der Sensoranordnung 3, die im Wesentlichen mit der durch einen Pfeil 8 veranschaulichten Messrichtung der Sensoranordnung 3 übereinstimmt .
Dagegen ist der Schlitten 6 an einer Führungseinrich- tung 9 quer zu der Messrichtung 8 ungefähr in Längsrichtung des Arms 4 bewegbar. Diese Bewegung ist in Figur 1 durch einen Pfeil 11 veranschaulicht. Um den Schlitten 6 an der Führungseinrichtung 9 zu verschieben, ist eine lediglich schematisch angedeutete Antriebseinrichtung 12 vorgesehen. Diese bildet eine zweite Positioniereinrichtung für die
Sensoranordnung 3. Hingegen dient eine erste Positioniereinrichtung 13 zur kontrollierten Verschwenkung des Arms 4 um den Drehpunkt 5. Die Positioniereinrichtung 13 wird bei- spielsweise durch einen Tauchspulenantrieb gebildet, der von einer Steuereinrichtung 14 angesteuert wird. Zur präzisen Erfassung der Schwenkposition des Arms 4 dient ein Positionssensor 15, der beispielsweise als interferometri- scher Sensor oder als inkrementales Messsystem ausgebildet ist. Der Positionssensor 15 ist an die Steuereinrichtung 14 angeschlossen. Desgleichen ist die Sensoranordnung 3 über eine Leitung 16 an die Steuereinrichtung 14 angeschlossen. Ein erstes Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung 3 geht aus Figur 3 hervor. Zu der Sensoranordnung 3 gehört ein Sensorkopf 16, der an dem freien Ende des Arms 4 (Figur 1) angeordnet ist. Der Sensorkopf 16 ist über eine Lichtleitfaser 17 und einen Faserkoppler 18, der als Strahltei- 1er dient, an eine Lichtquelle 19 und einen Lichtempfänger 21 angeschlossen. Die Lichtquelle 19 ist eine mindestens bichromatische Lichtquelle, vorzugsweise eine Lichtquelle, die ein kontinuierliches Spektrum aussendet, wie beispielsweise eine Glühlampe oder dergleichen. Es können auch sons- tige Lichtquellen Anwendung finden, die zumindest zwei
Lichtfarben generieren. Das von der Lichtquelle 19 ausgesandte Licht wird in den von dem Faserkoppler 18 zu der Lichtquelle 19 führenden Zweig 22 der Lichtleitfaser 17 eingekoppelt .
Der Lichtempfänger 21 ist ein wellenlängensensitiver Lichtempfänger. Er enthält beispielsweise ein Prisma oder ein optisches Gitter 23. Das von der Oberfläche des Werkstücks 2 reflektierte und von dem Sensorkopf 16 wieder auf- genommene Licht wird über einen Zweig 24 der Lichtleitfaser auf das Gitter 23 und von diesem auf eine Gruppe von Fotoempfängern 25, 26, 27 geworfen. Diese sind voneinander räumlich beabstandet. Ihre AusgangsSignale werden einer Rechenschaltung 28 zugeführt.
Der Fotoempfänger 25 erzeugt das Ausgangssignal Ul . Der Fotoempfänger 26 erzeugt das Ausgangssignal U2. Der Fotoempfänger 27 erzeugt das Ausgangssignal U3. Die Fotoempfänger sind in Bezug auf das optische Gitter 23 so angeordnet, dass der mittlere Fotoempfänger 26 das Licht der Wellenlänge λO empfängt . Die zu seinen beiden Seiten an- geordneten Fotoempfänger 25 und 27 empfangen Licht der Wellenlängen λO-Δλ bzw. λO+Δλ. Bei genau diesen Wellenlängen haben die AusgangsSpannungen Ul bzw. U3 ihr Maximum. Die Abstände der Fotoempfänger '25 bis 27 sowie die Wellenlängen und der Messbereich des Sensorkopfs 16 sind dabei so auf- einander abgestimmt, dass der Messbereich des Sensorkopfs 16 und der Wellenlängenbereich vorzugsweise näherungsweise mit der Halbwertsbreite (FWHM) des konfokalen Signals übereinstimmt. Dazu wird auf Figur 6 verwiesen. Diese veranschaulicht den Verlauf der Spannung U2 an dem Fotoempfänger 26 bei einer Bewegung des Sensorkopfs 16 in Richtung seiner optischen Achse 29. Geht die Oberfläche des Werkstücks 2 durch den dem Fotoempfänger 26 zugeordneten Brennpunkt 31 hindurch durchläuft das Ausgangssignal U2 ein Maximum. Das Spannungssignal weist die Form einer Glockenkurve auf. Die Kurve der Spannung U2 wird auch als konfokales Signal bezeichnet . Die Abweichung h von der Messbereichsmitte wird als Höhenlage bezeichnet. Der aktuelle Höhenwert kann unter Zugrundelegung der Wellenlänge λO sowie Δλ aus den Ausgangsspannungen Ul bis U3 nach folgender Beziehung berech- net werden, denn er ist proportional zu der Lichtwellenlänge λ. Diese wird nach der Beziehung
Figure imgf000014_0001
berechnet .
Zu dem Sensorkopf 16 gehört ein Objektiv 32 mit einer Kollimatorlinse 33 und einer Fokussierlinse 34. Die Stirnfläche der Lichtleitfaser 17 wirkt als punktförmige Lichtquelle. Das Objektiv 32 weist eine hohe chromatische Aberration auf und erzeugt entlang der optischen Achse 29 verschieden farbige Brennpunkte 35, 31, 36. Die Länge des von den Brennpunkten 35, 36 eingenommenen Bereichs auf der optischen Achse 29 ist durch die chromatische Aberration des Objektivs 32 und die maximale Frequenzdifferenz ΔF in dem Licht der Lichtquelle 19 bestimmt. Weist die Lichtquelle 19 ein kontinuierliches Spektrum auf, bildet sich auf der op- tischen Achse 29 ein linienförmiger Brennpunktbereich. Die Fotoempfänger 25, 26, 27 sind jeweils einer ausgewählten
Spektrallinie und somit einem in dem Brennbereich liegenden Brennpunkt der ausgewählten Lichtfarbe zugeordnet. Die Ausgangsspannungen der Fotoempfänger 25 und 27 entsprechen dem in Figur 6 dargestellten Ausgangssignal U2.
Die Rechenschaltung 28 kann mit der durch die obige Formel veranschaulichten Auswertestrategie ein Messsignal liefern, das den Abstand zwischen dem Objektiv 32 und der Werkstückoberfläche kennzeichnet. Des Weiteren kann die
Rechenschaltung Teil der Steuereinrichtung 14 sein und dazu die in Figur 8 veranschaulichten Blöcke aufweisen, die eine Nachführschaltung in Form einer ProportionalSteuereinrichtung 37 bilden. Die Proportionalsteuereinrichtung 37 weist wenigstens einen Differenzverstärker 38 mit einem nicht invertierenden Eingang 39 und einem invertierenden Eingang 41 sowie einen Ausgang 42 auf, an den die Positioniereinrichtung 13 angeschlossen ist. An die Eingänge 39, 41 sind die Fotoempfänger 25, 27 angeschlossen. Der Differenzverstärker 38 kann eine lineare oder, wie in Figur 7 veran- schaulicht, auch leicht s-förmig gekrümmte Kennlinie aufweisen.
Die insoweit beschriebene Messeinrichtung 1 arbeitet wie folgt :
In Betrieb wird die Messeinrichtung 1 zunächst so positioniert, dass die Sensoranordnung 3 oberhalb der interessierenden Stelle des Werkstücks 2 schwebt. Durch Ansteuerung der ersten Positioniereinrichtung 13 wird der Arm 4 dann so weit abgesenkt bis die Oberfläche des Werkstücks 2 in den mit ΔF bezeichneten Bereich zwischen den Brennpunkten 35, 36 in Figur 3 gerät. Das von der Oberfläche reflektierte Licht wird von dem Objektiv 32 aufgenommen. Dabei gerät nur das Licht, dessen Brennpunkt von der Oberfläche des Werkstücks 2 getroffen wird, auf die punktförmige Apertur der Lichtleitfaser 17. Dieser Lichtanteil wird über den Zweig 24 ausgekoppelt. Das Gitter 23 lenkt das von dem Zweig 24 abgegebene Licht dann entsprechend seiner Wellenlänge ab. Es fällt dadurch auf eine seiner Wellenlängen entsprechende Stelle der durch die Fotoempfänger 25 bis 27 gebildeten Zeile. Die Rechenschaltung 28 bestimmt nun gemäß der oben angegebenen Formel die genaue Höhenlage des abgetasteten Oberflächenpunkts . Zugleich erzeugt die Proportionalsteuereinrichtung 37 ein Signal zur Ansteuerung der ersten Positioniereinrichtung 13. Dies erfolgt durch
Differenzbildung der AusgangsSpannungen Ul , U3 (Figur 8) . Die AusgangsSpannung UA des Differenzverstärkers 38 weist für verschiedene Positionen der Werkstückoberfläche inner- halb des Bereichs ΔF in Figur 3 den in Figur 7 veranschaulichten Verlauf auf. Um die Mittellage 43 herum hängt das ausgangssignal UA im Wesentlichen linear von der Abweichung Δh von der Werkstückoberfläche von der Mittellage ab.
Das Ausgangssignal UA wird der Positioniereinrichtung 13 zugeführt, so dass diese den Sensorkopf 16 im Wesentlichen in konstantem Abstand zu der Oberfläche des Werkstücks 2 führt. Jedenfalls hält sie die Oberfläche des Werkstücks innerhalb des Messbereichs ΔF und zwar auch dann, wenn zugleich die zweite Positioniereinrichtung, d.h. die Antriebseinrichtung 12 angesteuert wird, um die Oberfläche des Werkstücks 2 entlang einer Linie abzutasten. Das von der Rechenschaltung 28 gelieferte Signal und das Positions- signal des Positionssensors 16 werden dann addiert, um daraus den wahren Wert der Höhe des jeweils gemessenen Punkts der Oberfläche in Z-Richtung (Pfeil 8 in Figur 1) zu bestimmen. Mit diesem Verfahren und der Messeinrichtung 1 lassen sich Werkstücke, wie beispielsweise asphärische Linsen 44 vermessen. In dem Beispiel nach Figur 2 ist diese auf einem Drehtisch 45 montiert. Dreht dieser tastet die Sensoranordnung 3 einen kreisförmigen Bereich der Oberfläche der Linse 44 ab. Die zweite Positioniereinrichtung 12 kann dabei ruhen. Die erste Positioniereinrichtung 13 führt die Sensoranordnung 3 den Erhebungen und Vertiefungen der ' Oberfläche der Linse 44 nach. Alternativ kann der Drehtisch 45 ruhen und es kann die Antriebseinrichtung 12 angesteuert werden, um die Wölbung der Linse 44 an geeigneten Meridianen zu überprüfen. Bedarfsweise können der Drehtisch 45 und die zweite Antriebseinrichtung 12 auch zugleich angesteuert werden . Figur 9 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Positioniereinrichtung 13. Die Steuereinrichtung ist als Zwei- punktsteuereinrichtung 46 ausgebildet. Sie ist wiederum an die Fotoempfänger 25, 27 und somit an die AusgangsSpannungen Ul, U3 angeschlossen. Ihr Differenzverstärker 38 ist mit seinem Ausgang 42 jedoch nicht direkt an die Positioniereinrichtung 13 angeschlossen. Vielmehr ist der Ausgang 42 mit einem Schwellwertschalter 47 verbunden, der nur dann ein positives Ausgangssignal abgibt, wenn sein Eingangssignal eine positive Schwelle 48 überschreitet. Er gibt ein negatives Ausgangssignal ab, wenn sein Eingangssignal eine negative Schwelle 49 unterschreitet. Ansonsten ist sein Ausgangssignal 0. Nachgeschaltet ist eine Schrittvorgabe- einrichtung 51. Diese gibt der Positioniereinrichtung 13 einen positiven Positionierschritt vor wenn sie ein positives Eingangssignal empfängt. Bei Empfang eines negativen Eingangssignals gibt sie der Positioniereinrichtung 13 ei- nen negativen Positio ierschritt vor.
Diese Zweipunkt-Steuereinrichtung 46 führt die Sehsor- anordnung 3 der Oberflächenkontur des Werkstücks 2 in einer treppenförmigen Bahn nach. Die Messwertgewinnung erfolgt wiederum durch Addition des Positionssignals des Positions- sensors 15 mit dem von der Rechenschaltung 28 abgegebenen Signal .
Die Rechenschaltung 28 und der von dieser verwirklichte Auswertealgorithmus ist insbesondere im Hinblick auf kritische lokale Oberflächeneigenschaften des Werkstücks 2 vorteilhaft. Z.B. kann die lokale Oberflächensteigung oder die MikroStruktur der Oberfläche variieren. Dies führt zu einer sich ändernden Steilheit des linearen Teils der Kenn- linie gemäß Figur 7 und erschwert somit die genaue Zuordnung eines Ausgangsspannungswert UA zu der Höhenlage des zugehörigen Oberflächenpunkts des Werkstücks 2. Diese Zuordnung übernimmt die Rechenschaltung 28 auf Basis der min- destens drei Fotoempfänger 25, 26, 27. Alternativ können auch noch weitere Fotoempfänger vorgesehen werden, um die Auflösung zu erhöhen. Es sind dann der oben angegebenen Rechenvorschrift entsprechende Gleichungen anzuwenden. Bei N Fotoempfängern wird der (evtl. zunächst logarithmierte) Signalverlauf durch ein Polynom der Ordnung N-l approximiert . Die Lage des Maximums dieses Polynoms verhält sich proportional zu dem gesuchten Höhenwert. Für Anwendungen, bei denen eine geringere Auflösung ausreicht oder die Mi- krostruktur bzw. der Steigungsänderung der zu messenden Oberflächen unkritisch ist, kann die Rechenschaltung 28 auch an lediglich zwei Fotoempfänger 25, 27 angeschlossen. Die Rechenschaltung 28 kann dann außerdem durch den Differenzverstärker 38 ersetzt werden. Figur 4 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Sensoranordnung 3. Das Objektiv 32 stimmt mit dem vorbeschriebenen Objektiv 32 gemäß Figur 3 überein. Entsprechend wird auf die vorige Beschreibung verwiesen. Die Lichtquelle 19 wird durch zwei monochromatische Lichtquellen, beispielsweise zwei Leuchtdioden 52, 53 gebildet, die über einen Faserkoppler 54 an den Zweig 22 der Lichtleitfaser 17 angeschlossen sind. Die Leuchtdioden 52, 53 senden unterschiedliche Lichtfarbe aus. Es kann sich um Laserdioden oder auch um gewöhnliche Leuchtdioden handeln.
Der Lichtempfänger 21 kann, wie in Figur 3 veranschaulicht, ausgebildet sein. Er kann jedoch auch, wie in Figur 4 veranschaulicht, an Stelle des optischen Gitters 23 einen wellenlängenabhängigen Reflektor 55 aufweisen. Dies gilt insbesondere wenn die Wellenlängen der Leuchtdioden 52, 53 sich stark unterscheiden. An die unterschiedlichen Ausgänge des Reflektors 55 sind die Fotoempfänger 25 und 27 angeschlossen, die wiederum an den Differenzverstärker 38 angeschlossen sind. Dieser erzeugt das Signal gemäß Figur 7, das als Nachführsignal für die Positioniereinrichtung 13 dient. Außerdem kann es als Messsignal dienen.
Eine weiter abgewandelte Ausführungsform der Sensoranordnung 3 ist in Figur 5 dargestellt. Es wird unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen auf die vorigen Beschreibungen verwiesen. Anders als bei diesen ist jedoch zwischen der Lichtaustrittsöffnung der Lichtleitfaser 17 und der Linse 33 ein Strahlteiler 56 angeordnet, der Licht einer vorgegebenen Polarisation gerade durchgehen lässt . Radial zu der optischen Achse 29 ist eine weitere Lichtleitfaser 57 vorgesehen. Der Strahlteiler 56 reflektiert Licht dessen Polarisationsebene rechtwinklig zu dem Licht der Lichtleitfaser 17 steht, in Richtung parallel zu der optischen Achse 29. Die Lichtleitfaser 57 ist über einen Faserkoppler 58 an die Lichtquelle 19 angeschlossen. Diese kann eine monochromatische oder auch eine polychromatische Lichtquelle sein. Der Faserkoppler 58 teilt das von der
Lichtquelle 19 kommende Licht auf die Lichtleitfasern 17, 57 auf.
Während der Faserkoppler 18 das von der Lichtleitfaser 17 wieder aufgenommene, von dem Werkstück 2 reflektierte
Licht zu dem Fotoempfänger 25 leitet, ist an die Lichtleitfaser 57 ein Faserkoppler 58 angeschlossen, der das empfangene Licht zu dem Fotoempfänger 27 leitet. Die Fotoemp- fänger 25, 27 sind wiederum an den Differenzverstärker 38 angeschlossen .
Der Abstand der Lichtaustrittsöffnung der Lichtleitfa- ser 17 von dem Strahlteiler 56 weist von dem Abstand der
Lichtaustrittsöffnung der Lichtleitfaser 57 von dem Strahlteiler 56 ab. Bei Verwendung monochromatischen Lichts bestimmt der Abstandsunterschied die Länge des Messbereichs ΔZ . Wird polychromatisches Licht verwendet, beispielsweise Licht zweier Leuchtdioden oder Licht mit kontinuierlichem
Spektrum, entarten die Brennpunkte 35, 36 zu langen, farbigen Brennlinien. Diese können sich überschneiden oder berühren. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Fotoempfänger 25, 27 ein wellenlängenabhängiges Signal erzeu- gen, beispielsweise indem sie ein Beugungsgitter oder ein Prisma enthalten und indem der jeweilige Fotoempfänger 25, 27 in eine Reihe von Einzelempfängern aufgeteilt wird. In diesem Fall weist das Objektiv 32 eine chromatische Aberration auf. An die aufgeteilten Einzelzellen der Fotoempfän- ger 25, 27 kann dann wieder eine Rechenschaltung 28, wie gemäß Figur 3, angeschlossen werden. Diese Rechenschaltung kann sowohl lediglich für die von dem Fotoempfänger 25 oder von dem Fotoempfänger 27 abgeleitete Fotoempfängergruppe zuständig sein. Sie kann auch die Signale aller Fotoempfän- ger verarbeiten.
Eine Messeinrichtung 1 zur Vermessung der Form, Kontur und/oder Rauheit eines Werkstücks beruht auf einem berührungslosen optischen Taster mit großer numerischer Apertur, der wenigstens zwei verschiedene Brennpunkte hat, denen wenigstens zwei Fotoempfänger 25, 27 zugeordnet sind. Diese erzeugen ein Differenzsignal zur Ansteuerung einer Positioniereinrichtung 13 zur Nachführung des optischen Tasters so, dass die Werkstückoberfläche innerhalb des Messbereichs desselben gehalten wird. Das Differenzsignal bewährt sich zur schnellen und genauen Nachführung zur Position der Sensoranordnung 3.

Claims

Patentansprüche :
1. Messeinrichtung (1), insbesondere zur Formmessung und/oder Rauheitsmessung von Werkstückoberflächen, mit einer konfokalen Sensoranordnung (3), die wenigstens eine Lichtquelle (19) und ein Objektiv (32), das wenigstens zwei voneinander räumlich beabstandete Brennpunkte (35, 36) erzeugt, sowie wenigstens zwei Photoempfänger (25, 27) aufweist, die den unterschiedlichen Brennpunkten (35, 36) zugeordnet sind, mit einer Rechenschaltung (28, 38), an deren Eingänge (41, 42) die Photoempfänger (25, 27) angeschlossen sind, und die an ihrem Ausgang (42) ein Differenzsignal (UA) erzeugt, das zur Abstandsmessung dient.
2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert desjenigen Differenzsignals, das entsteht, wenn die Werkstückoberfläche zwischen den Brennpunkten (35, 36) steht, als Nullpunkt (43) festgelegt ist.
3. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass die konfokale Sensoranordnung (3) mit einer ersten Positioniereinrichtung (13) verbunden ist, die eine erste Positionierrichtung (7) aufweist, die im Wesentlichen mit der Messrichtung (8) der Messeinrichtung (1) übereinstimmt.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konfokale Sensoranordnung (3) mit einer zweiten Positioniereinrichtung (12) verbunden ist, die eine zweite Positionierrichtung .(11) aufweist, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der Messrichtung (8) der Messeinrichtung (1) orientiert ist.
5. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Positioniereinrichtung (12) zu einem Vorschubgerät mit einem Schwenkarm (4) gehört, der mit einem Schwenkantrieb (13) und einem Winkel- geber oder Positionssensor (15) verbunden ist, wobei der Schwenkarm (4) die Sensoranordnung (3) trägt.
6. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzsignal (UA) als Nachführsignal für die erste Positioniereinrichtung (13) dient.
Messeinrichtung nach Anspruch 1,. dadurch gekennzeichnet, dass das die erste Positioniereinrichtung (13) an eine Proportionalsteuereinrichtung (37) angeschlossen
8. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Positioniereinrichtung (13) an eine Zweipunktsteuereinrichtung (46) angeschlossen ist .
9. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (19) eine wenigstens zweifarbige Lichtquelle ist und dass das Objektiv (32) eine chromatische Aberration aufweist.
10. Messeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (19) ein kontinuierliches Spektrum aufweist.
11. Messeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (19) wenigstens zwei monochromatische Einzellichtquellen (52, 53) umfasst .
12. Messeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass den Photoempfängern (25, 27) ein Spektro- meter (23) vorgeschaltet ist.
13. Messeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass den Photoempfängern (25, 27) ein wellenlängenselektiver Reflektor (55) vorgeschaltet ist.
14. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass die Lichtquelle (19) eine monochromatische Lichtquelle ist .
15. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (3) einen polarisations- optischen Strahlteiler (56) enthält.
16. Messeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,- dass der Strahlteiler (56) in dem Objektiv (32) angeordnet und mit zwei Fasern (17, 57) an dieses an- geschlossen ist, deren Lichtaustrittsflächen in unterschiedlichen Abständen zu dem Strahlteiler (56) angeordnet sind.
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