Beschreibung

Vorrichtung und Verfahren zur Formmessung von Freiform-Flächen

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Formmessung von Freiform-Flächen an Messobjekten mit einem punktmessenden optischen und/oder interferometrischen Tastarm, welcher entlang einer vorgegebenen Bahnlinie bewegbar ist, mit einem auf die zu messende Freiform-Fläche fokussierten Messstrahl.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Formmessung von Freiform-Flächen an Messobjekten mit einem punktmessenden optischen und/oder interferometrischen Tastarm, welcher entlang einer vorgegebenen Bahnlinie bewegt werden kann.

Aus der Schrift DE 198 08 273 ist eine interferometrische Messeinrichtung zum Erfassen der Form rauer Oberflächen bekannt, wobei eine räumlich kohärente Strahlerzeugungseinheit vorgesehen ist, die eine zeitlich kurzkohärente und breitbandige Strahlung abgibt, und eine Trennung in einen Abschnitt mit den Komponenten eines Modulationsinterferometers und den Komponenten einer Messsonde vorgenommen und die Messsonde über eine Lichtleitfaseranordnung mit dem Modulations- interferometer gekoppelt ist und von dem Modulationsinterferometer entfernt verwendbar ist.

Solche interferometrische Messemrichtungen werden in Formmessmaschinen eingesetzt. Die Messsonde ist in einem optischen Tastarm integriert, der beispielsweise über eine Magnetkupplung auswechselbar mit einer Messmaschine mechanisch verbunden ist. Das Modulationsinterferometer als Bestandteil des optischen Messgerätes ist ebenfalls an die Messmaschine angebunden. Die optische Verbindung zwischen dem optischen Messgerät und der Messsonde erfolgt über die Lichtleitfaseranordnung.

Bekannte Formmessmaschinen mit punktmessenden optischen Tastarmen verwenden Anordnungen zur Bewegung des Tastarm- Abtastpunktes entlang einer Bahnlinie. Ein optischer oder interfero- metrischer Tastarm hat jedoch einen begrenzten Akzeptanzwinkel, was die zulässige Variation der Oberflächenneigung der zu messenden Oberfläche begrenzt. Somit können mit einer solchen An- Ordnung grundsätzlich nur zylindrische, kegelförmige oder ebene Flächen vermessen werden. Die

Vermessung von beispielsweise kugelförmigen, rotationssymmetrischen oder asphärischen Oberflächen ist nicht möglich, da ab einer bestimmten Neigung der Oberfläche zu der optischen Achse des Tastarms der zulässige Akzeptanzwinkel überschritten wird.

Es sind weiterhin flächenhaft messende optische Systeme, beispielsweise in Form eines Weißlicht-

Interferometers, bekannt. Solche Systeme benötigen Objektive, welche für die zu messende Oberfläche angepasste Lichtwellen-Fronten erzeugen. Die Objektive für Freiform-Flächen sind sehr aufwändig und entsprechend teuer.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, welche die optische Vermessung von beliebigen Freiform-Flächen mit punktförmig messenden Tastarmen ermöglicht.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.

Vorteile der Erfindung

Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass der Tastarm bezogen auf seinen Abtastpunkt in zumindest einer Ebene derart drehbar ist, dass der Messstrahl senkrecht oder innerhalb eines Akzeptanzwinkels des Tastarms auf die zu messende Freiform-

Fläche trifft. überlagert mit der vorgegebenen Bahnbewegung des Tastarms kann der Abtastpunkt über die Freiform-Fläche bewegt werden, wobei der Winkel zwischen der Flächennormalen der zu messenden Oberfläche im Abtastpunkt und der optischen Achse des Tastarms über die Drehbewegung des Tastarms so eingestellt werden kann, dass der von dem Tastarm vorgegebene Akzeptanzwinkel, innerhalb dem eine Messung möglich ist, nicht überschritten wird. Dabei werden die besten Messergebnisse erzielt, wenn der Messstrahl senkrecht oder zumindest annähernd senkrecht auf die zu messende Oberfläche auftrifft.

Ist der Tastarm lediglich in einer Ebene um seinen Abtastpunkt drehbar und liegt auch die Bahnbewegung auf dieser Ebene, so ergibt dies einen einfachen Aufbau der Vorrichtung, die jedoch zunächst nur entlang einer Linie misst. Ist der Tastarm hingegen in zwei senkrecht aufeinander stehenden Ebenen drehbar und ist auch eine entsprechende Bahnbewegung vorgesehen, so können auch zweidimensionale Oberflächen gemessen werden.

Ist es vorgesehen, dass das Messobjekt drehbar ist, so kann mit einem Tastarm, der nur in einer Ebene um seinen Abtastpunkt drehbar ist und dessen Bahnbewegung auf dieser Ebene liegt, eine zweidimensionale Formfläche aufgenommen werden, indem das Messobjekt und somit die Frei- form-Fläche entsprechend gedreht wird. Dies ermöglicht beispielsweise die Messung der Oberfläche einer Kugel, indem der Tastarm auf einen Punkt der Kugeloberfläche ausgerichtet wird, die Kugeloberfläche durch die Rotationsbewegung der Kugel durch den Abtastpunkt bewegt wird und so die Kugeloberfläche linienförmig abgetastet wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Tastarm Teil einer interferometrischen Messeinrichtung ist, wobei der Tastarm über eine Lichtleitfaseranordnung mit einem Modulationsinterferometer verbunden ist. Die interferometrische Messeinrichtung ermöglicht die optische Vermessung der Oberfläche des Prüfobjektes. Dabei erlaubt die Lichtleitfaseranordnung die freie Bewegung des Tastarms entlang der Bahnlinie sowie die Drehung des Tastarms um den Abtastpunkt.

Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass der Tastarm bezogen auf seinen Abtastpunkt senkrecht zu der optischen Achse des Tastarms in zumindest einer Ebene gedreht wird und dass die Drehung des Tastarms bezogen auf seinen Abtastpunkt durch eine Rotationsbewegung des Tastarms senkrecht zu der optischen Achse des Tastarms bei gleichzeitiger

Bewegung des Tastarms entlang der Bahnlinie erreicht wird. Durch diesen überlagerten Bewegungsablaufkann der Abtastpunkt auf einen vorgesehenen Punkt der Freiform-Fläche unter Einhaltung eines günstigen Abtastwinkels ausgerichtet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausfuhrungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 in einer grafischen Darstellung die Bewegung eines Tastarms zur Messung einer ersten Freiform-Fläche,

Figur 2 in einer grafischen Darstellung die Bewegung eines Tastarms zur Messung einer zweiten Freiform-Fläche.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt in einer grafischen Darstellung die Bewegung eines Tastarms 21, 31 zur Messung ei- ner ersten Freiform-Fläche 10.

Der Tastarm 21, 31 ist in einer ersten Messposition 20 und in einer zweiten Messposition 30 dargestellt.

Für die erste Messposition 20 ist dem Tastarm Position 1 21 eine optische Achse Position 1 23 und ein Messstrahl Position 1 22 zugeordnet. Entsprechend ist für die zweite Messposition 30 dem Tastarm Position 2 31 eine optische Achse Position 2 33 und ein Messstrahl Position 2 32 zugeordnet.

Der Messstrahl Position 1 22 und der Messstrahl Position 2 32 sind in einem jeweils zugehörigen

Abtastpunkt Position 1 24 und Abtastpunkt Position 2 34 auf die erste Freiform-Fläche 10 fokus- siert.

Eine Bahnlinie 11 gibt die an die erste Freiform-Fläche 10 angepasste Bewegung des Tastarms 21, 31 an, entlang welcher der Tastarm 21, 31 von der ersten Messposition 20 zu der zweiten Messposition 30 gelangt.

Ein Drehwinkel 25 symbolisiert die mögliche Drehbewegung des Tastarms Position 1 21 in der ersten Messposition 20, während ein Drehwinkel 35 die mögliche Drehbewegung des Tastarms Position 2 31 in der zweiten Messposition 30 darstellt. Die Drehbewegung ist in dem Ausfuhrungsbeispiel auf 180° begrenzt, was durch die Winkelbegrenzung Position 1 26 und die Winkelbegren- zung Position 2 36 gezeigt ist.

Eine Bewegungsrichtung 12 gibt den Verfahrweg des Abtastpunktes 24, 34 über die erste Freiform- Fläche 10 an.

Zur optischen Vermessung der Oberfläche der ersten Freiform-Fläche 10 wird der Tastarm 21, 31 entlang der ersten Bahnlinie 10 derart bewegt, dass der Abtastpunkt 24, 34 über die erste Freiform- Fläche 10 bewegt wird. Die erste Bahnlinie 10 ist dabei so gewählt, dass der Messstrahl 22, 32 immer auf der ersten Freiform-Fläche 10 fokussiert ist.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Tastarm 21, 31 entsprechend dem dargestellten

Drehwinkel Position 1 25 und Drehwinkel Position 2 35 um den jeweiligen Abtastpunkt Position 1 23 beziehungsweise Abtastpunkt Position 2 33 gedreht werden kann. Dadurch ist es möglich, dass die optische Achse 23, 33 des Tastarms 21, 31 annähernd senkrecht auf die erste Freiform-Fläche 10 ausgerichtet werden kann. Der Messstrahl 22, 32 trifft somit immer innerhalb eines von dem Tastarm 21, 31 vorgegebenen Akzeptanzwinkel auf die erste Freiform-Fläche 10.

Drehbewegung und Bewegung entlang der ersten Bahnlinie 11 werden dabei so überlagert, dass der Abtastpunkt 24, 34 in einem günstigen Winkel der optischen Achse 23, 33 des Tastarms 21, 31 über die erste Freiform-Fläche 10 entsprechend der gezeigten Bewegungsrichtung 12 geführt wird. Damit wird es möglich, die Formabweichung der ersten Freiform-Fläche 10 von einer Sollkontur zu ermitteln, wobei sich die Oberflächenneigung der ersten Freiform-Fläche 10 nahezu beliebig ändern kann, ohne dass der Akzeptanzwinkel des Tastarms 21, 31 überschritten wird.

Figur 2 zeigt in einer grafischen Darstellung die Bewegung eines Tastarms 51, 61 zur Messung ei- ner zweiten Freiform-Fläche 40.

Der Tastarm 51, 61 ist in einer dritten Messposition 50 und einer vierten Messposition 60 gezeigt.

Analog der Darstellung in Figur 1 ist hier in der dritten Messposition 50 dem Tastarm Position 3 51 eine optische Achse Position 3 53, ein Messstrahl Position 3 52 und ein Abtastpunkt Position 3 54 zugeordnet. Ein Drehwinkel Position 3 55 gibt die mögliche Drehung des Tastarms Position 3 51 um den Abtastpunkt Position 3 54 an, um einen optimalen Winkel zwischen der optischen Achse Position 3 53 und der zweiten Freiform-Fläche 40 einzustellen. Dabei ist die Ausrichtung der Oberfläche der zweiten Freiform-Fläche 10 durch eine Tangente Position 3 57 gekennzeichnet. Der Drehwinkel Position 3 55 ist entsprechend der Winkelbegrenzung Position 3 56 auf 180° begrenzt.

In der vierten Messposition 60 ist der Tastarm Position 4 61 so ausgerichtet, dass seine optische Achse Position 4 63 annähernd senkrecht zur Oberfläche der zweiten Freiform-Fläche 40, dargestellt durch eine entsprechende Tangente Position 4 67, ausgerichtet ist. Ein Drehwinkel Position 4 65 gibt die dazu mögliche Drehbewegung des Tastarms Position 4 61 um seinen Abtastpunkt Position 4 64 wider. In der darstellten Ausführungsvariante ist die Ausrichtung des Tastarms Position 4 61 in seiner maximalen Auslenkung gezeigt, so dass die optische Achse Position 4 33 mit einer ge- zeigten Winkelbegrenzung Position 4 66 deckungsgleich übereinander liegt.

Der Tastarm 51, 61 kann entlang einer an die zweite Freiform-Fläche 40 angepassten zweiten Bahnlinie 41 derart verfahren werden, dass der Abtastpunkt 54, 64 über die zweite Freiform-Fläche 40 geführt wird. Dabei kann durch eine gleichzeitige Rotationsbewegung des Tastarms 51, 61 um den Abtastpunkt 54, 64 die optische Achse 53, 63 des Tastarms 51, 61 so eingestellt werden, dass der Messstrahl 52, 62 annähernd senkrecht, zumindest innerhalb des von dem Tastarm 51, 61 vorgegebenen Akzeptanzwinkels, auf die zweite Freiform-Fläche 40 trifft.

In dem Ausführungsbeispiel ist die zweite Freiform-Fläche 40 als Kugeloberfläche ausgebildet. Es ist vorgesehen, dass die Kugel um eine Drehachse 42 gemäß einer dargestellten Drehbewegung 43 eine rotationsförmige Bewegung ausüben kann. Diese Anordnung ermöglicht es, mit einer Vorrichtung, welche lediglich die dargestellte Bewegung des Tastarms 51, 61 in einer Bewegungsebene erlaubt, rotationssymmetrische Bauelemente zu messen. Dazu wird beispielsweise in der dritten Messposition 50 des Tastarms Position 3 51 die Kugel um die Drehachse 42 um 360° ge- dreht und die Oberfläche gemessen. Anschließend wird der Abtastpunkt Position 3 54 durch eine

Bewegung des Tastarms Position 3 51 entlang der zweiten Bahnlinie 41 in Richtung der vierte Messposition 60 verschoben, wobei der optimale Winkel zwischen der optischen Achse 53, 63 des Tastarms 51, 61 und der Kugeloberfläche durch eine entsprechende Drehbewegung des Tastarms

51, 61 eingestellt wird. In dieser neuen Position kann die Kugel wieder um 360° gedreht und die Oberfläche entsprechend gemessen werden. Der Vorgang wiederholt sich, bis die vierte Messposition 60 erreicht ist.

Durch Aneinanderfügen der so erhaltenen Messlinien kann ein komplettes Abbild der zweidimensionalen Oberfläche der Kugel erreicht werden, beispielsweise mit der Rauhigkeit der Kugeloberfläche als dritte Dimension.

Entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispiel können beliebige weitere rotationssymmetri- sehe Freiform-Flächen 40, beispielsweise mit asphärischen Geometrien, gemessen werden. Dabei kann beispielsweise die Rauhigkeit der Oberfläche oder die Abweichung von einer vorgegebenen Kontur über die gesamte Freiform-Fläche 40 ermittelt werden.