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Dokumentenidentifikation DE102006002618B3 26.07.2007
Titel Vorrichtung zur Messung von Strukturen eines Objekts
Anmelder Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 76133 Karlsruhe, DE
Erfinder Thelen, Richard, 76133 Karlsruhe, DE
DE-Anmeldedatum 19.01.2006
DE-Aktenzeichen 102006002618
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.07.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.07.2007
IPC-Hauptklasse G01B 11/03(2006.01)A, F, I, 20060119, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01B 5/012(2006.01)A, L, I, 20060119, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Strukturen eines Objektes, mit einem Tastelement, das von einer Tasterverlängerung ausgeht, einem optischen Sensor zur Aufnahme eines Bildes des Tastelements auf einem Sensorfeld, und einer Auswerteeinheit, mit der aus der Position des optischen Sensors zum Koordinatensystem eines Koordinatenmessgeräts und mittels des optischen Sensors gemessenen Position des Tastelements die Strukturen berechenbar sind, die eine bessere Ausleuchtung der Bereiche um das Tastelement ermöglicht sowie eine Adhäsion des Tastelements an der Wand des Objekts vermeidet oder bei bestehender Adhäsion eine Trennung des Tastelements von der Wand des Objekts ermöglicht. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass um die Tastverlängerung eine Halterung angebracht ist, die vorzugsweise mit mechanischen Verbindungen versehen ist, an die Zusatzelemente angebracht sind, die zur Durchführung dieser Aufgaben ausgestaltet sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Strukturen eines Objekts.

Die EP 0 988 505 B1 offenbart eine Vorrichtung zur Messung von Strukturen eines Objekts mit einem Tastelement, das von einer Tasterverlängerung ausgeht, einem optischen Sensor zur Aufnahme eines Bildes des Tastelements auf einem Sensorfeld, und einer Auswerteeinheit, mit der aus der Position des optischen Sensors zum Koordinatensystem eines Koordinatenmessgeräts und mittels des optischen Sensors gemessenen Position des Tastelements die Strukturen berechenbar sind.

Aus der DE 298 24 806 U1 ist eine weitere Vorrichtung zur Messung von Strukturen eines Objekts mit von einer Tasterverlängerung ausgehenden einem Tastelement, das als Tastscheibe oder Tastspitze ausgebildet ist, bekannt.

Die DE 198 24 107 A1 offenbart eine auswechselbare Verbindung zwischen einem Tastelement und einer Tasterverbindung, die mittels einer Kupplung hergestellt wird.

Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung von Strukturen eines Objekts vorzuschlagen, die eine bessere Ausleuchtung der Bereiche um das Tastelement ermöglicht sowie die Adhäsion des Tastelements an der Wand des Objekts vermeidet oder beseitigt.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Messung von Strukturen eines Objekts wie z. B. der Seitenwand eines mikrostrukturierten Bauteils.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit einem Tastelement ausgestattet. Hierbei kann es sich wie in der EP 0 988 505 B1 um eine Kugel oder wie in der DE 298 24 806 U1 um eine Scheibe handeln, deren jeweiliger Durchmesser bekannt ist und deren optische Abbildung des Umfangs ganz oder teilweise dazu eingesetzt wird, einen Punkt an einer berührten Seitenwand des Objekts zu erfassen und in die Sichtebene einem optischen Sensors wie z. B. einer Kamera zur Aufnahme eines Bildes des Tastelements auf einem Sensorfeld zu übertragen, um schließlich eine Koordinatentransformation zur Bestimmung des absoluten Berührpunktes des Tastelements mit dem Objekt durchzuführen.

Das Tastelement ist fest oder lösbar mit einer Tasterverlängerung verbunden. Die Tasterverlängerung selbst ist entweder wie in der EP 0 988 505 B1 biegeelastisch, was besonders vorteilhaft beim Einsatz von sehr kleinen Tastelementen mit Abmessungen von 1–10 &mgr;m ist, oder als starrer Schaft wie bei schaltenden Tastern ausgestaltet. Im letzteren Falle entfällt zwar die Nutzung des biegeelastischen Effektes des Schaftes, die Vorteile einer optischen Abbildung des Tastelements und der Wand des Objekts bei Annäherung bleiben erhalten. Aus einer Steuerung, die das Verfahren der Tastspitze bei Auslenkung der Tastspitze unterbricht, wird so ein System, das sich der Wand des Objekts geregelt annähert. Das ist besonders vorteilhaft für empfindliche oder besonders leichte Objekte, die sich ansonsten verschieben oder nur zerstörend messen lassen.

An oder um die Tasterverlängerung sind eine oder mehrere Halterungen (Halter) angebracht, die vorzugsweise außerhalb des Brennpunkts (Fokus) des optischen Sensors montiert ist.

Die Halterung ist bevorzugt zwischen dem optischen Sensor und dem Tastelement angebracht.

Dabei trägt die Halterung mittels einer oder mehrerer geeigneter mechanischer Verbindungen ein oder mehrere weitere Zusatzelemente. Diese Zusatzelemente sind vorzugsweise in einer weiteren optischen Ebene angebracht.

In einer Ausgestaltung dienen die Zusatzelemente als Beleuchtungshilfe. Dazu sind in der Halterung zusätzlich optische Bauteile angebracht, die eine Lichtumlenkung hin zu interessanten oder kritischen Bereichen ermöglichen. Insbesondere bei sehr kleinen Messobjekten oder sehr engen Bohrungen sind weit entfernte Lichtleitstrukturen mit großer numerischer Apertur ungünstig. Alternativ lässt sich über fresnelartige Strukturen auch Licht aus dem Ringlicht einfangen und gebündelt zurückwerfen, so dass nur eine schmale Zone rund um das Tastelement ausgeleuchtet wird, jedoch mit hoher Intensität.

In einer alternativen Ausgestaltung dienen die Zusatzelemente zur Verringerung von so genannten stick-slip-Effekten. Durch Kanäle in den Zusatzelementen kann gereinigte Druckluft zwischen das Tastelement und die Wand des Objekts gebracht werden, um eine Adhäsion des Tastelements an der Wand zu verhindern, zu unterbrechen und eine Trennung des Tastelements von der Wand zu erleichtern. Hierbei ist es möglich, sowohl laminare als auch turbulente Strömungsbedingungen einzustellen.

In einer weiteren Ausgestaltung werden Zusatzelemente, die als Beleuchtungshilfe dienen, mit Zusatzelementen zur Verringerung von stick-slip-Effekten an dieselbe mechanische Verbindung angebracht.

In einer weiteren Ausgestaltung werden Zusatzelemente, die als Spiegelfläche dienen, an dieselbe mechanische Verbindung angebracht. Diese ermöglichen zusätzlich eine Abbildung der Umgebung außerhalb des Sehfelds der Linse.

In einer weiteren Ausgestaltung ist zumindest die Oberfläche der Halterung so ausgestaltet, dass diese ganz oder teilweise elektrisch leitfähig ist. Damit lässt sich eine elektrostatische Aufladung zumindest teilweise vermeiden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird an die Tasterverlängerung vorzugsweise zwischen dem Tastelement und der Halterung entweder direkt oder über eine mechanische Verbindung an der Halterung zusätzlich eine Linse angebracht.

Im letzteren Fall setzt sich die Linse bevorzugt aus zwei oder mehr vorzugsweise symmetrischen Teilen zusammen, die eine Aussparung aufweisen, um die Tasterverlängerung bevorzugt radialsymmetrisch eingeschlossen wird.

Besonders bevorzugt befindet sich Linse zumindest teilweise außerhalb des Brennpunkts des optischen Sensors und besitzt eine Form, bei der der Krümmungsradius der dem Tastelement zugewandten Seite der Linse größer ist als der Krümmungsradius der dem Tastelement abgewandten Seite der Linse.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die Linse zusätzlich mit optischen Strukturen versehen sein, die bevorzugt an deren Rand in Inneren oder an der Oberfläche der Linse eingebracht sind.

In einer weiteren Ausgestaltung besteht die Möglichkeit der Schrägsicht und Schrägantastung. Versieht man die Linse mit mindestens zwei Rotationsfreiheitsgraden, so lässt sich eine Schieflage zwischen Tastelement und Linse ausgleichen. Darüber hinaus wird es damit möglich, mit dem Tastelement schräg z. B. unterhalb von bearbeitungsbedingten Graten an Metallteilen zu messen. Trotzdem kann so taktil optisch gemessen werden, wenn die Winkel nicht so groß werden, dass die Gravität die Kennlinie der Tasterverlängerung bei biegeschlaffen Systemen überlagert und eine genaue Bestimmung der Messposition in mindestens einer Dimension erheblich erschwert.

Alternativ ist eine Tripod-Aufhängung der Linse zum Antasten schräger Flächen möglich.

In einer weiteren Ausgestaltung lässt sich die Messgenauigkeit durch unterstützende Verfahren wie Beugungsmusterauswertung erhöhen. Weist ein Zusatzelement eine Oberfläche auf, deren Neigungsänderung ein auswertbares Signal liefert, z. B. über ein Beugungsmuster oder einen Triangulationssensor, so kann die Neigung der Linse indirekt zur Abstandsbestimmung genutzt werden, wenn der Abstand des taktilen Endes von der Linse durch vorherige Kalibration bekannt ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist insbesondere die im Folgenden aufgeführten Vorteile auf.

Durch die vergrößerte Darstellung des Bildes des Tastelements innerhalb der Linse sowie der auch weiterhin bestehenden Darstellung des Arbeitsfeldes außerhalb der Linsenabbildung ergibt sich eine Möglichkeit der schnellen Orientierung.

Zusammen mit der Möglichkeit, Licht in die Nähe des Tastelements auf Wände des Objekts zu bringen, lässt sich mit einem ausreichend empfindlichen Sensor sowie einer schnellen Regelung der Tischbewegung eine „Blindfahrt" unternehmen, die dann abgebrochen wird, wenn das durch ein an der Halterung befestigtes optisches Element in die Umgebung des Tastelements abgestrahlte Licht einen Tischhalt auslöst, der z. B. auf einem registrierten Anstieg des von den Wänden auf das Tastelement zurückgeworfenen Lichts beruht, der mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen wird. Alternativ kann dazu auch eine elektrisch leitfähige Struktur eingesetzt werden, mit der die Halterung versehen ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1 Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Halterung, mechanischen Verbindungen, Zusatzelementen und Tastelement

2 Tasterverlängerung mit Halterung, Linse und Tastelement

3 Unterbrochene Tasterverlängerung mit Halterung, mechanischen Verbindungen, Zusatzelementen, starrer Linse und Tastelement

4a Vorrichtung mit mechanischen Verbindungen, die über Lager verfügen, so dass die Linse beweglich ist.

4b Vorrichtung mit mechanischen Verbindungen, die über eine Kulisse verfügen, die der Linse eine Rotation um eine horizontale Achse durch ihren Mittelpunkt aufzwingt.

5 Vorrichtung mit Piezostäben mit starrer optischer Achse

6 Vorrichtung mit Piezostäben in Tripod-Anordnung mit beweglicher optischer Achse

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung. An der Spitze einer Tasterverlängerung 21 ist ein kugelförmiges Tastelement 22 angebracht. Weiterhin ist die Tasterverlängerung 21 mit einer Halterung 30 versehen, deren optische Ebene 38 oberhalb des Brennpunkts des optischen Sensors liegt. Die Halterung 30 weist an zwei Seiten mechanische Verlängerungen 37, 37' auf, an denen jeweils als Zusatzelemente in einer ersten optischen Ebene 36 ein lichtsammelndes Element 31, 31' darunter ein Luftkanal 33, 33', hieran anschließend ein Luftaustrittskanal 34, 34' und in einer zweiten optischen Ebene 36' ein lichtbündelndes Element 32, 32' angebracht sind. Die Luftkanäle 33, 33' sind jeweils mit einer Druckluftzufuhr 35, 35' verbunden. Das vom lichtsammelnden Element 31 gesammelte Licht wird über das lichtbündelnde Element 32 so auf die Wand 1 des Objekts geworfen, dass das Tastelement 22 besonders gut ausgeleuchtet wird. Weiterhin sind elektrisch leitfähige Strukturen 57, 57' vorgesehen, die dazu dienen, elektrisch Ladung abzuführen. Alternativ stellen die elektrisch leitfähigen Strukturen 57, 57' ein Signal bereit, mit dem zur Vermeidung einer Kollision mit dem Objekt die Messvorrichtung angehalten oder ihre Geschwindigkeit verringert wird.

In 2 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. An der Spitze einer Tasterverlängerung 21 ist ein kugelförmiges Tastelement 22 angebracht. Weiterhin ist die Tasterverlängerung 21 mit einer Halterung 30 versehen, die an drei Seiten mechanische Verbindungen 37, 37', 37'' besitzt, die eine Linse 23 tragen, die eine Aussparung 24 für die Tasterverlängerung 21 aufweist. Das auf der Linse 23 abgebildete Bild 22' des Tastelements 22 zeigt die Vergrößerungswirkung der Linse.

In 3 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung aus 1 zu erkennen, die zusätzlich mit der Linse 23 versehen ist, wobei jedoch das Teilstück der Tasterverlängerung 21 zwischen der Halterung 30 und der Linse 23 ausgespart wurde, so dass eine sekundäre Tasterverlängerung 25 zwischen der Linse 23 und dem Tastelement 22 übrig blieb. Auch hier wird das vom lichtsammelnden Element 31 gesammelte Licht über das lichtbündelnde Element 32 so auf die Wand 1 des Objekts geworfen, dass damit das Tastelement 22 besonders gut ausgeleuchtet wird. Das auf der Linse 23 abgebildete Bild 22' des Tastelements 22 zeigt auch hier die Vergrößerungswirkung der Linse.

4a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer passiven Vorrichtung mit Linse 23 und Halterung 30, die sich von der in 3 dargestellten Vorrichtung darin unterscheidet, dass die Tasterverlängerung 21 nicht unterbrochen ist und die Linse 23 zusätzlich mit einer Lagerung 50, 50' versehen ist, die die Linse mit Rotationsfreiheitsgraden ausstattet. Der Nachweis der Auslenkung der Linse 23 erfolgt durch einen Neigungssensor 42, der von dem von der Lichtquelle 41 erzeugten Licht, das von der Linse 23 reflektiert wird, beaufschlagt wird und auf diese Weise die Neigung der Linse 23 feststellt. Diese Vorrichtung benötigt nicht notwendigerweise Rückstellmomente, weil eine Verschiebung des Tastelements 22 innerhalb des aperturbedingten Bildausschnitts 43 in jedem Fall sichtbar wird, und zwar unabhängig davon, ob die Tasterverlängerung 21 starr oder biegeelastisch ist. Die Linse 23 weist durch den endlichen Durchmesser der Tasterverlängerung 21, der in ihrer optischen Achse angeordnet ist, einen optisch nicht wirksamen Mittelpunkt auf.

Statt einer passiven Vorrichtung kann die Auslenkung des Tastelements 22, wie in 4b dargestellt, z. B. dadurch erzwungen werden, dass eine Kulisse 52 vorgesehen ist, die der Linse 23 eine Rotation um eine horizontale Achse durch den Mittelpunkt der Linse 23 aufzwingt. Dies lässt sich auch mehrfach für verschieden orientierte Achsen zum Erreichen mehrerer Freiheitsgrade anwenden. Die durch die Kraftübertragung 51 erzwungene Bewegung 53 für die Auslenkung bewirkt schließlich eine resultierende Bewegung 54 des Tastelements 22.

Eine aktive Auslenkung der Linse erfolgt im Ausführungsbeispiel gemäß 5. Hier wird über Piezostäbe 56 die Linse 23 mittels einer starren optischen Achse bewegt.

Eine aktive Auslenkung der Linse 23 wird über Piezostäbe 56, die in Tripod-Anordnung mit beweglicher optischer Achse angeordnet sind, gemäß 6 erzielt.

1
Wand des Objekts
11
Bildbereich des optischen Sensors 10 (Kamera bild)
12
Brennpunkt des optischen Sensors 10 (Kamerafokus)
20
Aufhängung der Tasterverlängerung 21
21
Tasterverlängerung (Schaft)
22
Tastelement (Kugel)
22''
Bild des Tastelements 22
22''
weiteres Bild des Tastelements 22
23
Linse
23'
Bild der Linse 23
24
Aussparung in der Linse 23 für Tasterverlängerung 21
25
sekundäre Tasterverlängerung
30
Halterung (Halter)
31
Lichtsammelndes Element
32
Lichtbündelndes Element
33
Luftkanal
34
Luftaustrittskanal
35
Druckluftzufuhr
36
erste optische Ebene
36'
zweite optische Ebene
37, 37', 37'''
Mechanische Verbindung zur Halterung
38
Optische Ebene der Halterung
39, 39'
Zusatzelemente
41
Lichtquelle für Neigungssensor
42
Sensor für Licht
43
Aperturbedingter Bildausschnitt
50, 50'
Lagerung der Linse 23
51
Kraftübertragung
52
Kulisse
53
Bewegung für Auslenkung
54
Resultierende Bewegung
56, 56'
Piezostäbe für Auslenkung
57, 57'
elektrisch leitfähige Struktur


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Messung von Strukturen eines Objekts mit einem Tastelement (22), das von einer Tasterverlängerung (21) ausgeht, einem optischen Sensor (10) zur Aufnahme eines Bildes des Tastelements (22) auf einem Sensorfeld, und einer Auswerteeinheit, mit der aus der Position des optischen Sensors zum Koordinatensystem eines Koordinatenmessgeräts und mittels des optischen Sensors gemessenen Position des Tastelements (22) die Strukturen berechenbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass an der Tasterverlängerung (21) eine Halterung (30) mit mindestens einer mechanischen Verbindung (37) angebracht ist, wobei die mindestens eine mechanische Verbindung (37) mit mindestens einem Zusatzelement (39) versehen ist. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (30) zwischen dem optischen Sensor und dem Tastelement (22) angebracht ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zusatzelement (39) mindestens ein lichtsammelndes Element (31) oder mindestens ein lichtbündelndes Element (32) umfasst. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zusatzelement (39) mindestens einen Luftkanal (33) umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (33) mit einer Druckluftzufuhr (35) verbunden ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Oberfläche der Halterung (30) teilweise elektrisch leitfähig ist oder elektrisch leitfähige Strukturen aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Tasterverlängerung (21) eine Linse (23) angebracht ist. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (23) annähernd radialsymmetrisch zur Tasterverlängerung (21) angebracht ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an die mindestens eine mechanische Verbindung (37) eine Linse (23) angebracht ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (23) zwischen der Halterung (30) und dem Tastelement (22) angebracht ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (23) zumindest teilweise außerhalb des Brennpunkts des optischen Sensors (10) angebracht ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (23) so ausgestaltet ist, dass der Krümmungsradius der dem Tastelement (22) zugewandten Seite der Linse (23) größer ist als der Krümmungsradius der dem Tastelement (22) abgewandten Seite der Linse (23). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Linse (23) aus mindestens zwei Teilen zusammensetzt. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (23) zusätzlich mit optischen Strukturen versehen ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Tasterverlängerung (21) auf einem Teilstück zwischen der Halterung (30) und der Linse (23) unterbrochen ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verbindung (37) über Lager (50, 50') verfügt, über die die Linse (23) bezüglich mindestens einem Rotationsfreiheitsgrad beweglich ist. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mechanische Verbindung (37) mindestens drei Piezostäbe umfasst, womit die Bewegung der Linse (23) bewegbar ist. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Piezostäbe in Form eines Tripods angeordnet sind.






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