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Dokumentenidentifikation DE102006002619B3 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 102006002619
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 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, die eine möglichst genaue Positions- oder Bewegungsbestimmung insbesondere bei sehr kleinen Tastelementen mit Abmessungen im Bereich von 1 bis 10 Mikrometern ermöglicht. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass um die Tastverlängerung eine Linse angebracht wird.

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 26 15 097 A1 offenbart eine Lichtleitfaser, an deren planen Endfläche eine im Wesentlichen halbkugelförmige Linse angeschmolzen ist.

Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung von Strukturen eines Objekts vorzuschlagen, die eine möglichst genaue Positions- oder Bewegungsbestimmung insbesondere bei sehr kleinen Tastelementen mit Abmessungen von 1 bis 10 Mikrometern ermöglicht.

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 Linsen angebracht, wobei der Abstand der Linse zum Tastelement und zum optischen Sensor vorzugsweise so gewählt ist, dass das durch die Linse vergrößerte Bild des Tastelements auf dem Sensor abgebildet wird. Damit ist die Linse zwischen Tastelement und Sensor an der Tasterverlängerung angebracht.

Vorzugsweise steht die Linse bzw. das Linsensystem außerhalb des Brennpunkts des optischen Sensors und wird bevorzugt annähernd radialsymmetrisch zur Tasterverlängerung angebracht.

Besonders bevorzugt wird die Form der Linse so gewählt, dass der Krümmungsradius der dem Tastelement zugewandten Seite der Linse größer ist als der Krümmungsradius der dem Tastelement abgewandten Seite der Linse.

Die Abbildung des Tastelements ermöglicht nach dessen Darstellung durch die Linse eine genauere Positions- oder Bewegungsbestimmung des Tastelements als ohne abbildendes Linsensystem. Die Linse kompensiert oder ändert je nach Messaufgabe die numerische Apertur. Sie passt die Abbildung des Tastelements dem zur Verfügung stehenden Sehfeld an.

Ist der Durchmesser der Linse kleiner als die Bilddiagonale des optischen Sensors, so lässt sich die Bewegung der Linse selbst auf dem Bild verfolgen. Damit dient die Verlagerung des Bildes des Tastelements aus dem Schwerpunkt bei Gebrauch eines Bildverarbeitungssystems zusätzlich zur Überwachung der Bewegung des Tastelements.

In einer besonderen Ausgestaltung ist die Linse derart aufgebaut, dass die an den seitlichen Rändern oder auf der Unterseite der Linse einzelne oder mehrere optische Strukturen aufgebracht sind, die weitere optische Funktionen bereitstellen. Dazu gehören z. B. Gitternetze, Fadenkreuze oder konzentrische Kreise.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Linse derart ausgestaltet, dass sich an ihrem seitlichen Rand innerhalb oder auf der Oberfläche der Linse mindestens eine Spiegelfläche befindet, die eine Abbildung der Umgebung außerhalb des Sehfelds der Linse ermöglicht.

In einer weiteren Ausgestaltung dient die Linse, den Blickwinkel beim Einsatz einer Schrägsichtkamera zu kompensieren.

In einer weiteren Ausgestaltung dient die Linse dazu, um Objekte, die sich in Medien mit von der Luft verschiedenen optischen Dichten zu vermessen. Eine derartige Linse wird z. B. dazu eingesetzt, um bei Messungen unter Wasser bestehende Brechzahlübergänge zu kompensieren.

In einer besonderen Ausgestaltung wird die Linse aus zwei oder mehr vorzugsweise symmetrischen Teilen gebildet, die eine Aussparung aufweisen, mit der die Tasterverlängerung eingeschlossen wird.

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

Der erfindungsgemäße Einsatz einer Linse ist preiswerter als eine Änderung der Optik in der Kamera. Die Linse kann reversibel montiert werden und lässt sich daher auch bei vorhandenen Messsystemen nachträglich einbauen.

Bei gleicher Systemoptik, die beispielsweise für ein Sehfeld von ca. 800 &mgr;m × 600 &mgr;m bei einer 10-fachen Vergrößerung ausgelegt ist, wird durch die vergrößerte Abbildung des Tastelements die Position oder Positionsänderung besser und höher aufgelöst erfasst. Damit wird das Messsystem insgesamt empfindlicher und führt keine quasi-quantisierte Bewegungserkennung mehr durch. Die für genaue Messungen erforderlichen Subpixeling-Routinen sind so auch für Tastelemente (Kugeln) mit einem Durchmesser unterhalb von 10 &mgr;m wieder einsetzbar.

In Verbindung mit einer Linse mit verringerter Apertur erhöht sich die Tiefenschärfe des Bildes. Damit lassen sich mögliche riskante Antastungen besser erkennen, ohne dass der Bauabstand zur empfindlichen Kameraoptik reduziert werden muss.

Durch den Einsatz einer Linse mit verringerter Apertur wird zusätzlich die Abbildungstreue erhöht. Abschattungsbedingte Verluste im Strahlengang werden so verringert. Dies steigert ebenfalls die Genauigkeit der Messung.

Durch den Einsatz einer als Lupe wirkenden Linse kann auf dem Sensorfeld besser erkannt werden, ob eine echte Antastung des Tastelements an die Wand des Objekts vorliegt oder nur so genannte Stick-slip-Effekte zu einer Bewegung des Tastelements führen. Zudem lässt sich so das Schaltspiel eines messenden Tasters ermitteln, wenn man die optisch erfasste Berührung mit dem Schaltsignal verrechnet.

Durch den Einsatz kleinerer Tastelemente sind Rauwertsmessungen mit höherer Qualität möglich.

Durch den Einsatz kleinerer Tastelemente entfällt die Notwendigkeit des Einsatzes von teuren stärker vergrößernden Linsen. Außerdem ist bei einer hochgenauen Optik mit niedriger Vergrößerung die Orientierung auf dem Messtisch einfacher, was zusätzliche Vorteile für die Bediener bringt.

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

1a Schematische Darstellung einer Vorrichtung aus dem Stand der Technik (links) und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (rechts) einschließlich des jeweils auf dem Sensorfeld abgebildeten Bildes des Tastelements.

1b Aus zwei symmetrischen Teilen zusammengesetzte Linse sowie die darin eingeschlossenen Tasterverlängerung

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

1a zeigt schematisch eine Vorrichtung aus dem Stand der Technik (links) und eine erfindungsgemäße Vorrichtung (rechts) einschließlich des jeweils auf dem Sensorfeld abgebildeten Bildes des Tastelements. Jeweils an der Spitze einer Tasterverlängerung 21, die an einer Tastelementaufhängung 20 befestigt ist, ist ein näherungsweise kugelförmiges Tastelement 22 angebracht. Gemäß dem Stand der Technik führt das beleuchtete Tastelement 22, das sich vorzugsweise in der Ebene 12 des Brennpunkts des optischen Sensors (Kamerafokus) befindet, zu einem Bild 22' des Tastelements 22 im Bild 11 des optischen Sensors (Kamerabild). Erfindungsgemäß ist oberhalb der Ebene 12 des Brennpunkts des optischen Sensors (Kamerafokus) eine Linse 23 angebracht, wodurch sich im Bild 11 des optischen Sensors (Kamerabild) nunmehr das im Vergleich zum Stand der Technik vergrößerte Bild 22' des Tastelements 22 innerhalb des Bildes 23' der Linse ergibt.

1b zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau der Linse 23. Hierzu ist die Linse 23' aus zwei spritzgegossenen symmetrischen Teilen 26, 26', die die Tasterverlängerung 21 im Bereich der Aussparung 24 einschließen, zusammengesetzt.

In 2 ist schematisch eine vorteilhafte Ausgestaltung 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.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Die Tasterverlängerung 21 ist mit einer Halterung 30 versehen, deren optische Ebene 38 oberhalb des Brennpunkts des optischen Sensors liegt. Die Halterung 30 weist drei mechanische Verbindungen 37, 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. Das kugelförmige Tastelement 22 ist an einer sekundären Tasterverlängerung 25 angebracht, die aufgrund der Aussparung der Tasterverlängerung 21 zwischen der Halterung 30 und der Linse 23 zwischen der Linse 23 und dem Tastelement 22 vorgesehen ist. 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 eine 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 nach 5. Hier wird die Linse 23 über Piezostäbe 56 innerhalb 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 erreicht.

1
Wand des Objekts
10
Optischer Sensor (Kamera)
11
Bildbereich des optischen Sensors 10 (Kamera bild)
12
Ebene des Brennpunkts 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 Tasterverlänge rung 21
25
sekundäre Tasterverlängerung
26, 26'
Teile der Linse
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


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) zwischen dem optischen Sensor (10) und dem Tastelement (22) eine Linse (23) angebracht ist. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (23) zumindest teilweise außerhalb des Brennpunkts des optischen Sensors (10) angebracht ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (23) annähernd radialsymmetrisch zur Tasterverlängerung (21) angebracht ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Linse (23) aus mindestens zwei Teilen (26, 26') zusammensetzt. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (23) zusätzlich mit optischen Strukturen versehen ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Tasterverlängerung (21) eine Halterung (30) angebracht ist. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (30) mit mindestens einer mechanischen Verbindung (37) versehen ist, wobei die Linse (23) mit der mindestens einen mechanische Verbindung (37) verbunden ist. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (30) mit mindestens einer mechanischen Verbindung (37) versehen ist, wobei an die mindestens eine mechanische Verbindung (37) mindestens ein Zusatzelement (39) angebracht ist. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zusatzelement (39) mindestens ein lichtsammelndes Element (31) oder mindestens ein lichtbündelndes Element (32) umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zusatzelement (39) mindestens einen Luftkanal (33) umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (33) mit eine Druckluftzufuhr (35) verbunden ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, 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 13, 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 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mechanische Verbindung (37) mindestens drei Piezostäbe umfasst, womit die Bewegung der Linse (23) steuerbar ist. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Piezostäbe in Form eines Tripods angeordnet sind.






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