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DE102012223873A1 - Chromatische Punktsensorkonfiguration mit Echtzeitspektralkompensation - Google Patents

Chromatische Punktsensorkonfiguration mit Echtzeitspektralkompensation Download PDF

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DE102012223873A1
DE102012223873A1 DE102012223873A DE102012223873A DE102012223873A1 DE 102012223873 A1 DE102012223873 A1 DE 102012223873A1 DE 102012223873 A DE102012223873 A DE 102012223873A DE 102012223873 A DE102012223873 A DE 102012223873A DE 102012223873 A1 DE102012223873 A1 DE 102012223873A1
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DE
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optical path
cps
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workpiece
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David W. Sesko
Michael Nahum
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Mitutoyo Corp
Original Assignee
Mitutoyo Corp
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    • G—PHYSICS
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    • G01B21/04—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
    • G01B21/045—Correction of measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B2210/50—Using chromatic effects to achieve wavelength-dependent depth resolution

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Abstract

Ein chromatisches Punktsensorsystem, das dazu konfiguriert ist, mögliche Fehler aufgrund von Werkstückmaterialauswirkungen zu kompensieren, umfasst einen ersten konfokalen optischen Weg mit einem längsstreuenden Element, das dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichen Entfernungen in der Nähe eines Werkstück zu fokussieren; einen zweiten optischen Weg, der dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Wellenlängen im Wesentlichen in der gleichen Entfernung in der Nähe des Werkstücks zu fokussieren; eine Lichtquelle, die mit dem ersten konfokalen optischen Weg verbunden ist; eine Lichtquelle, die mit dem zweiten optischen Weg verbunden ist; ein Deaktivierungselement des ersten konfokalen optischen Wegs; ein Deaktivierungselement des zweiten optischen Wegs; und CPS-Elektronik, die einen CPS-Wellenlängendetektor umfasst, der Ausgabespektralprofildaten bereitstellt. Die Ausgabespektralprofildaten des zweiten optischen Wegs sind dazu benutzbar Ausgabespektralprofildaten des ersten konfokalen optischen Wegs in Bezug auf eine entfernungsunabhängige Profilkomponente zu kompensieren, die Fehler aufgrund von Werkstückmaterialauswirkungen aufweist.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft allgemein Präzisionsmessinstrumente und insbesondere chromatische Punktsensoren und ähnliche optische Entfernungsbestimmungsvorrichtungen und ihre Verwendung.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Es ist bekannt, chromatische Konfokalverfahren in optischen Höhen- oder Entfernungssensoren zu verwenden. Wie in US-Patentschrift 7,876,456 (dem Patent '456) beschrieben, die hiermit in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Gegenstand mit einbezogen wird, kann ein optisches Element mit einer axialen chromatischen Aberration, die auch als chromatische Axial- oder Längsdispersion bezeichnet wird, benutzt werden, um eine Breitbandlichtquelle derart zu fokussieren, dass der Axialabstand zum Fokus mit der Wellenlänge variiert. So wird nur eine Wellenlänge genau auf einer Oberfläche fokussiert, und die Oberflächenhöhe oder -entfernung relativ zum Fokussierelement bestimmt, welche Wellenlänge am besten fokussiert wird. Nach dem Reflektieren von der Oberfläche wird das Licht erneut auf eine kleine Detektorapertur wie etwa eine Lochblende oder das Ende eines Lichtwellenleiters fokussiert. Wenn das Licht von der Oberfläche reflektiert und durch das optische System in den Eingangs-/Ausgangslichtwellenleiter getreten ist, wird nur die Wellenlänge gut an der Apertur fokussiert, die auf der Oberfläche gut fokussiert wird. Alle anderen Wellenlängen werden an der Apertur schlecht fokussiert und koppeln daher nicht viel Leistung in den Lichtwellenleiter ein. Bei dem Licht, das durch den Lichtwellenleiter zurückgeleitet wird, ist der Signalpegel daher für diejenige Wellenlänge am höchsten, die der Oberflächenhöhe oder dem Abstand zur Oberfläche entspricht. Ein Detektor in Form eines Spektrometers misst den Signalpegel für die einzelnen Wellenlängen, um die Oberflächenhöhe zu bestimmen.
  • Das Patent '456 beschreibt ferner, dass bestimmte Hersteller auf praktische und kompakte Systeme verweisen, die wie oben beschrieben arbeiten und sich für chromatische Konfokalentfernungsmessung im industriellen Umfeld als chromatische Punktsensoren eignen. Ein kompaktes chromatisch streuendes optisches Bauteil, das mit solchen Systemen benutzt wird, wird als ein „optischer Stift” oder „Stift” bezeichnet. Der optische Stift ist über einen Lichtwellenleiter mit einem elektronischen Abschnitt des chromatischen Punktsensors verbunden, der das Licht durch den Lichtwellenleiter überträgt, damit es vom optischen Stift ausgegeben wird, und einen Spektrometer bereitstellt, der das zurückgeleitete Licht detektiert und analysiert. Das zurückgeleitete Licht bildet ein wellenlängengestreutes Intensitätsprofil, das vom Detektor-Array des Spektrometers empfangen wird. Pixeldaten, die dem wellenlängengestreuten Intensitätsprofil entsprechen, werden analysiert, um die „dominante Wellenlängenpositionskoordinate” zu bestimmen, die von einer Spitze oder einem Zentroid des Intensitätsprofils angezeigt wird, und die resultierende Pixelkoordinate der Spitze oder des Zentroids wird zusammen mit einer Referenztabelle benutzt, um die Entfernung zur Oberfläche zu bestimmen. Diese Pixelkoordinate kann mit Subpixelauflösung bestimmt werden und kann als die „Entfernungskoordinate” bezeichnet werden.
  • Das Patent '456 beschreibt ferner, dass der CPS-Spektrometer im normalen Betrieb für gewöhnlich eine Reichweite oder einen Spitzenbereich von Wellenlängen für eine bestimmte Messentfernung empfangt. Es wird offenbart, dass der CPS-Spektrometer die Form des Spitzenbereichs von Wellenlängen verzerren und dadurch die entsprechende Spitze bzw. den entsprechenden Zentroid und die resultierende Entfernungskoordinate beeinflussen kann. Die Systeme und Verfahren des Patents '456 stellen Komponentenkalibrierungsdaten bereit, die auch als Kompensationsdaten bezeichnet werden und die Auswirkungen von wellenlängenabhängigen Variationen (z. B. uneinheitliche Reaktion) des CPS-Spektrometers und/oder der CPS-Breitbandlichtquelle einschließen. Die Kompensationsdaten des Patents '456 dienen dazu, Fehler im Zusammenhang mit diesen Auswirkungen auf den Spektrometer und die Lichtquelle zu reduzieren oder zu beseitigen. Die Kompensationsdaten des Patents '456 können zu verschiedenen Zeitpunkten erneut bestimmt und/oder ersetzt werden, derart, dass die Kompensationsdaten ihre Wirkung in Bezug auf das Reduzieren oder Beseitigen von Fehlern trotz Änderungen am Spektrometer oder an der Lichtquelle (z. B. aufgrund der Alterung von Bauteilen, umweltbedingten Variationen oder dergleichen) beibehalten.
  • Chromatische Punktsensoren stellen eine sehr hohe Auflösung und Genauigkeit (z. B. eine Auflösung und Genauigkeit im Submikrometerbereich) anhand von Entfernungskalibrierungsdaten bereit, die bekannte Messentfernungen zur resultierenden dominanten Wellenlängenpositionskoordinate (der Entfernungskoordinate) am Array in Beziehung setzen. Auf der Ebene der Auflösung und Genauigkeit, die chromatische Punktsensoren bereitstellen, können Messfehler entstehen, da Messbedingungen nicht genau den Bedingungen entsprechen, die zum Zeitpunkt der Kalibrierung vorlagen, obwohl die Verfahren des Patents '456 benutzt werden.
  • Beispielsweise stellen Variationen des werkstückspezifischen spektralen Reflexionsvermögens eine Fehlerquelle eines chromatischen Punktsensors (CPS) dar. Ein chromatischer Punktsensor, der ein Mittel zum Kompensieren von Variationen des spektralen Reflexionsvermögens bereitstellt, ist in der US-Patentschrift Nr. 5,790,242 (dem Patent '242) offenbart. Kurz dargestellt wird ein Konfokalstrahl geteilt, und die geteilten Anteile des Strahls werden mit einer Konfokalapertur und einem zentralen Haltepunkt (bei dem es sich um eine „umgekehrte Lochblende” handelt) räumlich an ihrem Fokus gefiltert, um jeweilige Signale an jeweiligen Energieaufnahmedetektoren bereitzustellen. Das Patent '242 beschreibt, dass „an einem Zeitpunkt innerhalb des Durchlaufs”, wenn das Verhältnis zwischen dem Apertursignal und dem Signal von der Energie, die den zentralen Haltepunkt passiert, ein Maximum erreicht, die durch die Apertur tretende Energie das Ergebnis von „Fokus” ist, unabhängig vom Reflexionsvermögen der Zieloberfläche. Es wird eine Kalibrierung (durch nicht näher bestimmte Mittel) bereitgestellt, die die Wellenlänge zu diesem Zeitpunkt zur Tiefe auf der Oberfläche in Beziehung setzt. Allerdings hängt die Genauigkeit des Patents '242 somit vom Bereitstellen eines „Durchlaufs” und vom Messen eines Verhältnisses zwischen zwei Signalen „zu einem Zeitpunkt” und vom Detektieren einer dominanten Wellenlänge an einem der Signale zu diesem Zeitpunkt ab. Ein solches System führt zu elektronischer Komplexität und damit zusammenhängenden Rauschquellen und kann für einen Benutzer schwer verständlich und/oder kalibrierbar sein. Ferner sammelt ein solches System keine Daten, die die Zieloberflächenreflexionseigenschaften charakterisieren, was als eine Prüfung der Genauigkeit oder Kalibrierung oder als Materialprüfung in verschiedenen Anwendungen wünschenswert sein kann.
  • Das Bereitstellen eines verbesserten und/oder zuverlässigeren Betriebs chromatischer Punktsensoren durch Überwinden zusätzlicher Quellen von Messfehlern, die von Veränderungen in den Messbedingungen und insbesondere aus werkstückspezifischen Variationen des spektralen Reflexionsvermögens stammen, ist wünschenswert.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Diese Kurzdarstellung soll eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form vorstellen, die an späterer Stelle in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese Kurzdarstellung soll keine Hauptmerkmale des beanspruchten Gegenstands identifizieren und soll auch nicht als Hilfsmittel für die Bestimmung des Umfangs des beanspruchten Gegenstands herangezogen werden. Die vorliegende Erfindung soll Spektralprofildaten bereitstellen, die dazu benutzbar sind, Variationen im spektralen Reflexionsvermögen von Material „sofort” (also gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig mit entsprechenden CPS-Messdaten) zu kompensieren. Die Spektralprofildaten können in einigen Ausführungsformen auch dazu verwendbar sein, Fehler im Zusammenhang mit Variationen der Lichtquelle und dergleichen zu kompensieren. Die Konfiguration dieser Erfindung ist leichter zu benutzen und kann in einigen Anwendungen eine genauere und robustere Fehlerkompensation im Vergleich zum Patent '242 bereitstellen. Die Offenbarung des Patents '456 erwähnt keine Fehler, die auf Variationen des spektralen Materialreflexionsvermögens zurückgehen, und schlägt auch weder eine Konfiguration noch ein Verfahren vor, die zum Kompensieren solcher Fehler verwendbar sind.
  • Ein chromatisches Punktsensor-(CPS-)System ist dazu konfiguriert, mögliche Fehler zu kompensieren, einschließlich Fehlern, die auf Auswirkungen des Werkstückmaterials zurückgehen. Das CPS-System umfasst einen ersten konfokalen optischen Weg, der ein längsstreuendes Element aufweist, wobei der erste konfokale optische Weg dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichen Entfernungen in der Nähe eines Werkstücks zu fokussieren; einen zweiten optischen Weg, der dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Wellenlängen im Wesentlichen in der gleichen Entfernung in der Nähe des Werkstücks zu fokussieren; eine Lichtquelle, die verbunden ist, um ein erstes Eingabespektralprofil von Wellenlängen in den ersten konfokalen optischen Weg einzugeben; eine Lichtquelle, die verbunden ist, um ein zweites Eingabespektralprofil von Wellenlängen in den zweiten optische Weg einzugeben; ein Deaktivierungselement für den ersten konfokalen optischen Weg, das dazu konfiguriert ist, zu verhindern, dass das erste Eingabespektralprofil über den ersten konfokalen optischen Weg an ein Werkstück übertragen wird; ein Deaktivierungselement für den zweiten optischen Weg, das dazu konfiguriert ist, zu verhindern, dass das zweite Eingabespektralprofil über den zweiten optischen Weg an ein Werkstück übertragen wird; und CPS-Elektronik, die einen CPS-Wellenlängendetektor umfasst, der mehrere Pixel umfasst, die an einer Messachse des CPS-Wellenlängendetektors verteilt sind, wobei die mehreren Pixel jeweilige Wellenlängen empfangen und eine Ausgabe von Spektralprofildaten bereitstellen. Das CPS-System ist derart konfiguriert, dass dann, wenn das Blockierungselement des ersten konfokalen Wegs nicht aktiviert ist, das erste Eingabespektralprofil mit dem ersten konfokalen optischen Weg verbunden ist, der erste konfokale optische Weg entsprechende Strahlung an das Werkstück ausgibt und reflektierte Strahlung des ersten Wegs von der Werkstückoberfläche aufnimmt, wobei die reflektierte Strahlung des ersten Wegs ein erstes Ausgabespektralprofil aufweist, das eine entfernungsabhängige Profilkomponente mit einer Spitze, die eine Messentfernung vom ersten konfokalen optischen Weg zum Werkstück angibt, und eine entfernungsunabhängige Profilkomponente umfasst, die eine Werkstückmaterialkomponente aufweist, und die CPS-Elektronik entsprechende erste Ausgabespektralprofildaten bereitstellt. Das CPS-System ist ferner derart konfiguriert, dass dann, wenn das Blockierungselement des zweiten Wegs nicht aktiviert ist, das zweite Eingabespektralprofil mit dem zweiten optischen Weg verbunden ist, wobei der zweite optische Weg entsprechende Strahlung an die Werkstückoberfläche ausgibt und reflektierte Strahlung des zweiten Wegs von der Werkstückoberfläche empfängt, wobei die reflektierte Strahlung des zweiten Wegs ein zweites Ausgabespektralprofil aufweist, das eine entfernungsunabhängige Profilkomponente (also eine formbestimmende Beeinflussung des Spektralprofils) umfasst, die die Werkstückmaterialkomponente aufweist, und die CPS-Elektronik entsprechende zweite Ausgabespektralprofildaten bereitstellt, die dazu benutzbar sind, die ersten Ausgabespektralprofildaten in Bezug auf mögliche Messentfernungsfehler im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente zu kompensieren. Die Werkstückmaterialkomponente kann neben weiteren möglichen Fehlern beispielsweise Fehler im Zusammenhang mit Variationen des spektralen Reflexionsvermögens von Material charakterisieren.
  • Bei einigen Ausführungsformen können der erste optische Weg und der zweite optische Weg die erste Quellstrahlung und die zweite Quellstrahlung an denselben Teil des Werkstücks ausgeben. Bei einigen Ausführungsformen können der erste optische Weg und der zweite optische Weg jeweils eine gemeinsame Objektivlinse aufweisen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann das CPS-System in ein maschinell sehendes Inspektionssystem integriert sein, und der erste optische Weg und der zweite optische Weg können jeweils eine gemeinsame Objektivlinse aufweisen, die Teil des maschinell sehenden Inspektionssystems ist. Dies kann auf vorteilhafte Weise ein Mittel zum Messen von Oberflächenhöhen parallel zu einer optischen Achse des maschinell sehenden Inspektionssystems mit hoher Auflösung bereitstellen. Bei einigen Ausführungsformen kann das maschinell sehende Inspektionssystem dazu konfiguriert sein, die Werkstückoberfläche über die gemeinsame Objektivlinse abzubilden.
  • Bei einigen Ausführungsformen können die Lichtquelle, die zum Eingeben eines ersten Eingabespektralprofils von Wellenlängen in den ersten konfokalen optischen Weg verbunden ist, und die Lichtquelle, die zum Eingeben eines zweiten Eingabespektralprofils von Wellenlängen in den zweiten optischen Weg verbunden ist, dieselbe Lichtquelle sein. In alternativen Ausführungsformen können die Lichtquelle, die zum Eingeben eines ersten Eingabespektralprofils von Wellenlängen in den ersten konfokalen optischen Weg verbunden ist, und die Lichtquelle, die zum Eingeben eines zweiten Eingabespektralprofils von Wellenlängen in den zweiten optischen Weg verbunden ist, unterschiedliche Lichtquellen sein. Bei einigen Ausführungsformen können das Deaktivierungselement des ersten konfokalen optischen Wegs und das Deaktivierungselement des zweiten optischen Wegs dasselbe Element sein.
  • Bei einigen Ausführungsformen können das Deaktivierungselement des ersten konfokalen optischen Wegs und das Deaktivierungselement des zweiten optischen Wegs durch ein Schaltelement bereitgestellt werden können, das eins umfasst von (a) einer Verschlussblende und (b) einem Lichtleiterschalter.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die CPS-Elektronik ferner ein Steuersystem umfassen, das dazu konfiguriert ist, werkstückspezifische Spektralprofilkompensationsdaten auf Grundlage der zweiten Ausgabespektraldaten zu bestimmen, und die ersten Ausgabespektralprofildaten in Bezug auf mögliche Fehler einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente zu kompensieren.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die entfernungsunabhängige Profilkomponente eine Lichtquellenspektralprofilkomponente aufweisen, die der Lichtquelle zugeordnet ist, und das zweite Ausgabespektralprofil kann dazu benutzt werden, Fehler im Zusammenhang mit der Lichtquellenspektralprofilkomponente zu kompensieren.
  • Bei einigen Ausführungsformen können die unterschiedlichen Entfernungen, in denen der erste konfokale optische Weg unterschiedliche Wellenlängen fokussiert, einen Messbereich definieren, und die Entfernung, in der der zweite optische Weg unterschiedliche Wellenlängen fokussiert, kann innerhalb des Messbereichs liegen.
  • Bei einigen Ausführungsformen können der erste optische Weg und der zweite optische Weg einen gemeinsamen Weg mit einem gemeinsamen Strahlenteiler umfassen. Bei einigen Ausführungsformen können der erste optische Weg und der zweite optische Weg kollinear zwischen dem gemeinsamen Strahlenteiler und der Werkstückoberfläche sein. Bei einigen Ausführungsformen kann einer von dem ersten konfokalen optischen Weg und dem zweiten optischen Weg einen Reflektor umfassen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann der erste konfokale optische Weg einen ersten optischen Stift und der zweite optische Weg einen zweiten optischen Stift umfassen.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann der zweite optische Weg einen Achromat umfassen.
  • Bei verschiedenen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, wenn der zweite optische Weg ein konfokaler optischer Weg ist.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann die CPS-Elektronik einen Kompensationsabschnitt umfassen, der zweite optische Weg kann dazu benutzt werden, das zweite Ausgabespektralprofil von einem repräsentativen Teil der Werkstückoberfläche zu erlangen, der Kompensationsabschnitt kann das zweite Ausgabespektralprofil empfangen, der erste optische Weg kann dazu benutzt werden, das erste Ausgabespektralprofil von einem Messabschnitt der Werkstückoberfläche zu erlangen, die sich vom repräsentativen Teil unterscheidet, und der Kompensationsabschnitt kann dazu benutzt werden, die ersten Ausgabespektralprofildaten in Bezug auf mögliche Fehler einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente zu kompensieren.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass sich die CPS-Messprofilspitzenbereichssignale über einen Bereich von mehreren Pixeln oder mehreren Dutzend Pixeln oder mehr am Wellenlängendetektor erstrecken können. In Abwesenheit der oben erörterten Kompensationsverfahren weist die Form der CPS-Messprofilspitzenbereichssignale allgemein eine Art von Fehler oder eine Verzerrung auf, die auf BetriebsVariationen wie etwa die folgenden zurückgeht: Variationen des Reflexionsvermögens, LichtquellenVariationen, WellenlängendetektorVariationen usw. Solange diese Fehler oder Verzerrungen nicht kompensiert werden, ist die Bestimmung der Spitzenposition für den Messprofilspitzenbereich bei unterschiedlichen Werkstückoberflächenmaterialien usw. uneinheitlich oder fehlerhaft. Dabei ist es in verschiedenen Implementierungen wichtig, dass die oben erörterten Fehlerkompensationsdaten vor dem Bestimmen der Entfernungskoordinate mit Subpixelauflösung, die die Spitzenposition der Messprofilspitzenbereichssignale angibt, auf die Messprofilspitzenbereichssignale angewandt werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorstehenden Aspekte und zahlreiche der begleitenden Vorteile dieser Erfindung werden bei besserem Verständnis durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher werden; es zeigen:
  • 1 ein Blockschema eines ersten Ausführungsbeispiels eines chromatischen Punktsensor-(CPS-)Systems, das einen ersten und zweiten optischen Weg aufweist, gemäß der Erfindung;
  • 2 ein Schema mit Profildaten von einem chromatischen Punktsensor, das Spannungs-Offset-Signalpegel für die Pixel in einem Detektorarray darstellt;
  • 3 ein Schema mit Profildaten von einem chromatischen Punktsensor, das ein Spitzenbereichssignal darstellt, das einer Messentfernungskoordinate entspricht;
  • 4 ein Schema von EntfernungsKalibrierungsdaten eines chromatischen Punktsensors, das bekannte Messentfernungen mit Entfernungskoordinaten für einen chromatischen Punktsensor in Beziehung setzt;
  • 5 ein Schema eines Graphen, der ein Rohintensitätsprofilsignal für ein CPS-Quellen- und Detektorsubsystem darstellt, sowie eine Signalkomponente, die einer CPS-Lichtquelle zugeordnet ist, und ein repräsentatives ideales Spitzenbereichssignal, das einer Messentfernungskoordinate entspricht;
  • 6A und 6B Schemata eines ausgewählten Teils des Graphen aus 5, die die Auswirkungen von Kurzstrecken-Rohintensitätsprofilsignalkomponenten auf die Entfernungskoordinate zeigen, die für ein Spitzenbereichssignal bestimmt wurden, das einer Messentfernungskoordinate entspricht;
  • 7 ein Schema eines Graphen, der das spektrale Reflexionsvermögen unterschiedlicher Werkstückmaterialien darstellt;
  • 8 ein Blockschema eines zweiten Ausführungsbeispiels eines chromatischen Punktsensor-(CPS-)Systems, das einen ersten und zweiten optischen Weg aufweist, gemäß der Erfindung; und
  • 9 ist ein Blockschema eines dritten Ausführungsbeispiels eines chromatischen Punktsensor-(CPS-)Systems, das einen ersten und zweiten optischen Weg aufweist, gemäß der Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • 1 ist ein Blockschema eines ersten Ausführungsbeispiels eines chromatischen Punktsensor-(CPS-)Systems 100. Wie in 1 gezeigt, weist das chromatische Punktsensorsystem 100 einen optischen Doppelwegabschnitt 110, ein Umschaltelement 141 und einen Elektronikabschnitt 160 auf, der ein Quellen- und Detektorsubsystem 161 und eine Lichtquelle 140 umfasst. Der optische Doppelwegabschnitt 110 umfasst einen ersten konfokalen optischen Weg 120 und einen zweiten optischen Weg 130. Der erste konfokale optische Weg 120 umfasst ein chromatisch streuendes optisches Element 123. Der zweite optische Weg 130 umfasst ein nicht streuendes optisches Element 133. Bei einigen Ausführungsformen kann das nicht streuende optische Element 133 einen Achromat umfassen.
  • Das Quellen- und Detektorsubsystem 161 umfasst einen Wellenlängendetektor 162, wobei der CPS-Wellenlängendetektor 162 mehrere Pixel umfasst, die an einer Messachse des CPS-Wellenlängendetektors 162 verteilt sind, wobei die mehreren Pixel jeweilige Wellenlängen empfangen und Ausgabespektralprofildaten bereitstellen. Die Lichtquelle 164 ist zum Eingeben eines ersten Spektralprofils von Wellenlängen mit einem Lichtwellenleiter 112 verbunden, der dem ersten konfokalen optischen Weg 120 zugeordnet ist. Die Lichtquelle 164 ist außerdem zum Eingeben eines zweiten Spektralprofils von Wellenlängen mit einem Lichtwellenleiter 113 verbunden, der dem zweiten optischen Weg 130 zugeordnet ist. In der Ausführungsform aus 1 sind der erste und zweite optische Weg mit derselben Lichtquelle 164 verbunden. In alternativen Ausführungsformen kann jeder Weg bei Bedarf mit einer anderen Lichtquelle verbunden sein.
  • Im Betrieb gibt die Lichtquelle 164 mehrere Wellenlängenstrahlungen aus, wobei die mehreren Wellenlängenstrahlungen ein Eingabespektralprofil an einen verbundenen optische Weg (d. h. den ersten konfokalen optischen Weg 120 oder den zweiten optischen Weg 130) bereitzustellen. Der erste konfokale optische Weg 120 ist dazu konfiguriert, unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichen Entfernungen in der Nähe einer Oberflächenposition 190 eines Werkstücks 170 zu fokussieren, wie es für chromatische konfokale Sensorsysteme bekannt ist. Der zweite optische Weg 130 ist dazu konfiguriert, unterschiedliche Wellenlängen im Wesentlichen in der gleichen Entfernung in der Nähe der Oberflächenposition 190 des Werkstücks 170 zu fokussieren. Das Umschaltelement 141 ist zwischen der Lichtquelle 164 und wenigstens einem Abschnitt des ersten und zweiten optischen Wegs 120 und 130 angeordnet, derart, dass sie ihre Ausgabe an das Werkstück 170 selektiv deaktivieren können. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Umschaltelement 141 ein Deaktivierungselement des ersten konfokalen optischen Wegs, das dazu konfiguriert ist, zu verhindern, dass das erste Eingabespektralprofil über den ersten konfokalen optischen Weg 120 an ein Werkstück übertragen wird, und ein Deaktivierungselement des zweiten optischen Wegs, das dazu konfiguriert ist, zu verhindern, dass das zweite Eingabespektralprofil über den zweiten optischen Weg 130 an ein Werkstück übertragen wird. In der Ausführungsform aus 1 umfasst das Umschaltelement 141 ein Verschlussrad, das dazu konfiguriert ist, an einem ersten Zeitpunkt das Eingabespektralprofil über den ersten konfokalen optischen Weg 120 zu verbinden und das Eingabespektralprofil über den zweiten optischen Weg 130 zu blockieren und an einem zweiten Zeitpunkt das Eingabespektralprofil über den zweiten optischen Weg 130 zu verbinden und das Eingabespektralprofil über den ersten konfokalen optischen Weg 120 zu blockieren. Es sei darauf hingewiesen, dass das Umschaltelement 141 als ein Deaktivierungselement des ersten und/oder zweiten optischen Wegs arbeiten kann, das von der CPS-Elektronik 160 gemessen und/oder gesteuert wird (z. B. über eine Strom-/Signalleitung 141S), derart, dass die geeignete Signalverarbeitung mit der Anwesenheit des ersten und zweiten Ausgabespektralprofil synchronisiert wird.
  • Wenn das Blockierungselement des ersten konfokalen Wegs nicht aktiviert ist, wird das erste Eingabespektralprofil über den ersten konfokalen optischen Weg 120 verbunden. Der erste konfokale optische Weg 120, der den gemeinsamen Strahlenteiler des gemeinsamen Wegs 143 und die gemeinsame Objektivlinse 150 aufweist, gibt entsprechende Strahlung an die Oberflächenposition 190 des Werkstücks 170 ab und empfängt reflektierte Strahlung des ersten Wegs vom Werkstück 170. Der erste konfokale optische Weg 120 fokussiert die reflektierte Strahlung des ersten Wegs an eine Apertur 121, die die reflektierte Strahlung des ersten Wegs räumlich filtert und an die CPS-Elektronik 160 ausgibt. Aufgrund der axialen chromatischen Dispersion durch den ersten konfokalen optischen Weg 120 weist die reflektierte Strahlung des ersten Wegs ein erstes Ausgabespektralprofil auf, das eine entfernungsabhängige Profilkomponente mit einer Spitze umfasst, die eine Messentfernung Z von einer Referenzposition RP zum Werkstück 170 angibt. Das erste Ausgabespektralprofil umfasst auch eine entfernungsunabhängige Profilkomponente, die eine Werkstückmaterialkomponente aufweist, wie im Folgenden detaillierter beschrieben werden soll. Die CPS-Elektronik 160 stellt entsprechende erste Ausgabespektralprofildaten bereit, die die entfernungsabhängige Profilkomponente und die entfernungsunabhängige Profilkomponente aufweisen. Wenn das Blockierungselement des zweiten konfokalen Wegs nicht aktiviert ist, wird das zweite Eingabespektralprofil (das in dieser Ausführungsform das gleiche ist wie das erste Eingabespektralprofil) über den zweiten optischen Weg 130 verbunden. Der zweite optische Weg 130, der den gemeinsamen Strahlenteiler des gemeinsamen Wegs 143 und die gemeinsame Objektivlinse 150 aufweist, gibt entsprechende Strahlung an die Oberflächenposition 190 des Werkstücks 170 ab und empfängt reflektierte Strahlung des zweiten Wegs vom Werkstück 170.
  • Der zweite optische Weg 130 fokussiert die reflektierte Strahlung des ersten Wegs an eine Apertur 131, die die reflektierte Strahlung des zweiten Wegs räumlich filtert und an die CPS-Elektronik 160 ausgibt. Da vom zweiten optischen Weg 130 keine axiale chromatische Dispersion bereitgestellt wird, weist die reflektierte Strahlung des zweiten Wegs ein zweites Ausgabespektralprofil auf, das keine entfernungsabhängige Profilkomponente aufweist. Allerdings umfasst das zweite Ausgabespektralprofil eine entfernungsunabhängige Profilkomponente, die eine Werkstückmaterialkomponente aufweist, wie im Folgenden detaillierter beschrieben werden soll. Die CPS-Elektronik 160 stellt entsprechende zweite Ausgabespektralprofildaten bereit, die die entfernungsunabhängige Profilkomponente aufweisen. Daher sind die zweiten Ausgabespektralprofildaten dazu benutzbar, die ersten Ausgabespektralprofildaten in Bezug auf mögliche Messentfernungsfehler im Zusammenhang mit wenigstens der Werkstückmaterialkomponente zu kompensieren, die in ihrer entfernungsunabhängige Profilkomponente enthalten sind, wie im Folgenden detaillierter beschrieben werden soll.
  • Ein Hauptziel des chromatische Punktsensors 100 ist es, auf schnelle und robuste Weise, die auch von einem relativ ungeschulten Benutzer implementiert werden kann, Fehler im Zusammenhang mit dem werkstückspezifischen spektralen Reflexionsvermögen (die in der Werkstückmaterialkomponente vorhanden sind) zu kompensieren. Allerdings wird man verstehen, dass die Kompensation der entfernungsunabhängigen Profilkomponente nicht auf die Komponente im Zusammenhang mit dem werkstückspezifischen spektralen Reflexionsvermögen beschränkt ist. Beispielsweise weist die entfernungsunabhängige Profilkomponente bei einigen Ausführungsformen eine Lichtquellenspektralprofilkomponente, die der Lichtquelle 140 zugeordnet ist, und/oder eine Komponente im Zusammenhang mit dem Wellenlängendetektor 162 auf, und das zweite Ausgabespektralprofil kann dazu benutzt werden, auch diese Fehler zu kompensieren, wenn die Lichtquelle und/oder der Wellenlängendetektor für den ersten und zweiten optischen Weg gemeinsam ist.
  • Bei der Ausführungsform aus 1 weist der Elektronikabschnitt 160 eine Signalverarbeitungseinheit 166, einen Speicherabschnitt 168 und das Quellen- und Detektorsubsystem 161 auf, das den Wellenlängendetektor 162 und eine Breitbandlichtquelle 164 (auch als Weißlichtquelle bezeichnet) umfasst. In verschiedenen Ausführungsformen weist der Wellenlängendetektor 162 ein Detektorarray 163 eines Spektrometers auf. Der Wellenlängendetektor 162 kann auch eine zugehörige Signalverarbeitung aufweisen (die bei einigen Ausführungsformen z. B. von der Signalverarbeitungseinheit 166 bereitgestellt wird), die bestimmte Fehlerkomponenten in den Profildaten, die vom Detektorarray 163 bereitgestellt werden, anhand von Kompensationsdaten 169 entfernt oder kompensiert, die im Speicherabschnitt 168 gespeichert sein können. In verschiedenen hier offenbarten Ausführungsformen umfassen die Kompensationsdaten 169 werkstückspezifische Kompensationsdaten 169WS, die auf dem zweiten Ausgabespektralprofil beruhen. Der Elektronikabschnitt 160 ist über einen optischen Weg, der jeweils ein Lichtwellenleiterkabel 112 bzw. ein Lichtwellenleiterkabel 113 aufweist, die über einen 2 × 1-Anschluss CONNECT-E mit einem 1 × 2-Koppelelement KOPPPLER-E verbunden sind, an den ersten konfokalen optischen Weg 120 und den zweiten optischen Weg 130 gekoppelt. Bei einigen Ausführungsformen bestimmt die Signalverarbeitungseinheit 166 werkstückspezifische Spektralprofilkompensationsdaten 169WS auf Grundlage der zweiten Ausgabespektraldaten, um die ersten Ausgabespektralprofildaten in Bezug auf mögliche Fehler einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente gemäß in späteren Figuren umrissenen Verfahren zu kompensieren. Bestimmte Aspekte des Wellenlängendetektors 162 und der Signalverarbeitungseinheit 166 können daher bei einigen Ausführungsformen vereint und/oder nicht voneinander unterscheidbar sein. Die Breitbandlichtquelle 164, die von der Signalverarbeitungseinheit 166, gesteuert wird, ist über das Beleuchtungsleitersegment 165I an das 2 × 1-Koppelelement KOPPLER-E gekoppelt, und der Wellenlängendetektor 162 ist über das Beleuchtungsleitersegment 165I an das 2 × 1-Koppelelement KOPPLER-E gekoppelt.
  • Die reflektierte wellenlängenabhängige Intensität, die den ersten oder zweiten Ausgabespektralprofildaten entspricht, gelangt über den Lichtwellenleiterweg zurück zum Elektronikabschnitt 160 und das Koppelelement KOPPLER-E, so dass etwa 50% des Lichts durch das Signallichtwellenleitersegment 165S zum Wellenlängendetektor 162 geleitet wird. Der Wellenlängendetektor 162 nimmt die wellenlängenabhängige Intensität auf, die den ersten oder zweiten Ausgabespektralprofildaten entspricht, wandelt sie in ein spektrales Ausgabestärkeprofil um, das über ein Array von Pixeln an einer Messachse des Detektorarrays 163 verteilt ist, und wirkt derart, dass entsprechende Profildaten auf Grundlage der vom Detektorarray 163 ausgegebenen Pixeldaten bereitgestellt werden. Nach dem Anwenden der Kompensation auf die entfernungsunabhängige Profilkomponente einschließlich der Werkstückmaterialkomponente wird die Entfernungskoordinate (DIC) der ersten Ausgabespektralprofildaten mit Subpixelauflösung von der Signalverarbeitungseinheit 166 berechnet, und die DIC bestimmt die Messentfernung Z zur Oberflächenposition 190 anhand einer EntfernungsKalibrierungsreferenztabelle oder dergleichen, die im Speicherabschnitt 168 gespeichert ist, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 4 detaillierter beschrieben werden soll. Die Entfernungskoordinate kann durch verschiedene, im Folgenden beschriebene Verfahren bestimmt werden (z. B. durch Bestimmen des Zentroids von Profildaten in einem Spitzenbereich der Profildaten). Wenn die Entfernungskoordinate im Zuge von Kalibrierungsvorgängen bestimmt wird, kann sie als KalibrierungsEntfernungskoordinate bezeichnet werden, und wenn sie im Zuge von Werkstückoberflächenmessvorgängen bestimmt wird, kann sie als Messentfernungskoordinate bezeichnet werden.
  • In der Ausführungsform aus 1 umfasst die CPS-Elektronik einen werkstückspezifischen Kompensationsabschnitt 167, der zweite optische Weg 130 wird dazu benutzt, das zweite Ausgabespektralprofil von einem repräsentativen Abschnitt des Werkstücks 170 zu erlangen, der Kompensationsabschnitt 167 empfangt das Ausgabespektralprofil und bestimmt werkstückspezifische Kompensationsdaten (wie sie z. B. in dem Speicherabschnitt für werkstückspezifische Kompensationsdaten 169WS gespeichert sind). Der erste optische Weg wird dazu benutzt, das erste Ausgabespektralprofil von einem Messabschnitt der Werkstückoberfläche zu erlangen (der verschieden vom repräsentativen Abschnitt sein kann, wenn das Werkstück nach dem Erlangen des zweiten Ausgabespektralprofils von einem Abschnitt des Werkstücks 170 bewegt wurde), und der Kompensationsabschnitt 167 kompensiert die ersten Ausgabespektralprofildaten in Bezug auf mögliche Fehler, die Fehler im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente umfassen. In der Ausführungsform aus 1 geben der erste konfokale optische Weg 120 und der zweite optische Weg 130 die erste Quellstrahlung und die zweite Quellstrahlung an denselben Abschnitt des Werkstücks 170 aus, derart, dass der repräsentative Abschnitt und der Messabschnitt der gleiche sind, wenn das Werkstück nicht bewegt wird. Allerdings wird man verstehen, dass dies bevorzugt wird, aber nicht einschränkend ist. Beispielsweise können in alternativen Ausführungsformen der erste konfokale optische Weg 120 und der zweite optische Weg 130 die erste Quellstrahlung und die zweite Quellstrahlung an unterschiedliche Abschnitte des Werkstücks 170 ausgeben, die aus ähnlichem Material hergestellt sind und von denen erwartet werden kann, dass sie ähnliche Reflexionseigenschaften aufweisen. In einer solchen Ausführungsform können der erste konfokale optische Weg 120 und der zweite optische Weg 130 eine separate erste und zweite Objektivlinse mit benachbarten Sichtfeldern auf dem Werkstück umfassen.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Ausführungsform aus 1 besonders für ein CPS-System geeignet ist, das in ein maschinell sehendes Inspektionssystem integriert ist, wobei der erste konfokale optische Weg 120 und der zweite optische Weg 130 jeweils eine gemeinsame Objektivlinse aufweisen, die Teil des maschinell sehenden Inspektionssystems ist. In einem solchen CPS-System kann das maschinell sehende Inspektionssystem dazu konfiguriert sein, die Werkstückoberfläche über die gemeinsame Objektivlinse abzubilden. Eine Ausführungsform eines solchen Systems ist in 9 gezeigt und wird im Folgenden detaillierter beschrieben. In verschiedenen Ausführungsformen können die unterschiedlichen Entfernungen, in denen der erste konfokale optische Weg 120 unterschiedliche Wellenlängen fokussiert, einen Messbereich MR definieren, und die Entfernung, in der der zweite optische Weg 130 seine unterschiedlichen Wellenlängen (alle seine Wellenlängen) fokussiert, kann innerhalb des Messbereichs liegen. In der Ausführungsform aus 1 umfassen der erste konfokale optische Weg 120 und der zweite optische Weg 130 einen gemeinsamen Strahlenteiler des gemeinsamen Wegs 143. Der erste konfokale optische Weg 120 und der zweite optische Weg 130 sind zwischen dem gemeinsamen Strahlenteiler 143 und dem Werkstück 170 kollinear. Der zweite optische Weg 130 umfasst einen Reflektor 145. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Anordnung beispielhaft und nicht einschränkend ist. Durchschnittsfachleute werden wirksame Abwandlungen erkennen. 1 weist als Bezugsrahmen orthogonale XYZ-Koordinatenachsen auf. Die Z-Richtung ist als parallel zu einer optischen Achse oder Entfernungsmessachse des ersten konfokalen Wegs 120 definiert. Wie in 1 gezeigt, wird das Werkstück 170 während des Betriebs an der optischen Achse des ersten konfokalen Wegs 120 angeordnet. In einer Ausführungsform wird das Werkstück 170 auf einem Verschiebegestell 175 ausgerichtet und angeordnet, das vorteilhafterweise derart ausgerichtet werden kann, dass es unter Einschränkung durch Führungslager 175B in der X-Achsenrichtung verschoben wird, wobei seine Oberfläche 175A nominell parallel zur XY-Ebene ist. Andere beispielhafte Merkmale und Betriebsvorgänge des chromatischen Punktsensors 100 sollen im Folgenden detaillierter beschrieben werden.
  • 1 zeigt außerdem einen optischen Umgehungsweg 112A'-F, der über den Anschluss ANSCHLUSS-F an das Quellen- und Detektorsubsystem 161 angebracht sein kann, gemäß den im Patent '456 offenbarten Lehren. Der optische Umgehungsweg 112A'-F umfasst eine Lichtwellenleiterschleife, die am Anschlussabschnitt FUmgehung installiert ist, derart, dass das Umgehungslicht, das von der Lichtquelle 164 über den optischen Weg übertragen wird, in der Lichtwellenleiterschleife 112A'-F und zurück in den optischen Weg läuft und zurück zum Wellenlängendetektor 162 zurück geleitet wird, wo es ein Rohintensitätsprofil bildet, das für Kalibrierungsvorgänge benutzt werden kann, wie es im Patent '456 und/oder im Folgenden unter Bezugnahme auf 5 und 6 beschrieben ist.
  • Die folgende Beschreibung von 2 umreißt bestimmte bekannte Hintergrundsignalverarbeitungs- und/oder -Kalibrierungsvorgänge, die in bestimmten Ausführungsformen in Kombination mit dieser Erfindung benutzt werden können. Die Beschreibung soll betonen, dass die an späterer Stelle offenbarten erfindungsgemäßen Verfahren sich von diesen Betriebsvorgängen unterscheiden, aber mit ihnen kompatibel sind.
  • 2 ist ein Schema 200 von Profildaten eines chromatischen Punktsensors, das Spannungs-Offset-Signalpegel Voffset(p) für die Pixel in einem Detektorarray 163 darstellt, wenn keine Messoberfläche vorhanden ist (z. B. die Oberflächenposition 190 des Werkstücks 170 aus 1 nicht vorhanden ist), so dass kein mit Absicht reflektiertes Licht und keine signifikante dominante Wellenlängenspitze in dem resultierenden Intensitätsprofil vorliegt. Wie in 2 gezeigt, wird das Spannungs-Offset-Signal Voffset(p) in normierten Volt für je 1.024 Pixel dargestellt. „Normierte Volt” weisen der Sättigungsspannung des Detektorarrays 163 einen Wert von 1,0 zu. Das Spannungs-Offset-Signal Voffset(p) weist einen Vorspannungssignalpegel Vvorspannung auf, der in der Darstellung im Array nicht variiert, und eine Hintergrundsignalkomponente Vhintergrund(p), die in der Darstellung im Array von der Pixelkoordinate p abhängig ist. Das variable Hintergrundsignal Vhintergrund(p) stellt Signale wie etwa Hintergrundlicht von wellenlängenabhängigen zufälligen Reflexionen und dergleichen im chromatischen Punktsensor dar, ebenso wie solche, die auf den Dunkelstrom der verschiedenen Pixel p zurückgehen. In verschiedenen Ausführungsformen ist es vorteilhaft, wenn die Signalkomponenten Vhintergrund(p) (oder Signale, die die gleiche Variation aufweisen, etwa die Spannungs-Offset-Signale Voffset(p)) zur Kalibrierung oder Kompensation des Pixelarrays des Detektorarrays 163 gespeichert werden und dazu benutzt werden, fortlaufend alle nachfolgenden Profildatensignale von den einzelnen Pixeln p (z. B. durch Subtrahieren) zu kompensieren. Daher versteht es sich, dass davon ausgegangen wird, dass die Hintergrundsignalkomponente Vhintergrund(p) in verschiedenen Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung auf bekannte Weise kompensiert wird und es nicht notwendig ist, sie weiter ausdrücklich in Bezug auf die verschiedenen Intensitätsprofile oder erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorgänge oder dergleichen zu betrachten und zu beschreiben, die im Folgenden beschrieben werden.
  • Im Gegensatz zur Hintergrundsignalkomponente Vhintergrund(p), die im Zeitverlauf relativ stabil sein kann, kann sich der koordinatenunabhängige Vorspannugssignalpegel Vvorspannung aufgrund von Spannungsdrifts im Zusammenhang mit Veränderungen der Umgebungstemperatur und während des Betriebs vom Elektronikabschnitt 160 erzeugter Wärme ändern.
  • Die folgende Beschreibung von 3 und 4 umreißt bestimmte Signalverarbeitungsvorgänge, die Entfernungskoordinaten auf Grundlage eines Entfernungsangabeteilsatzes der Profildaten bestimmen, der dynamisch zum Kompensieren von Veränderungen des gleichzeitigen Vorspannugssignalpegels Vvorspannung angepasst wird, was zu besser wiederholbaren Entfernungsmessungen führt. Die hier umrissenen Vorgänge werden im Patent '456 detaillierter beschrieben. Diese Beschreibung soll Hintergrundinformationen liefern, die für ein Gesamtverständnis des Entfernungsmessvorgangs des chromatischen Punktsensors nützlich sind, und soll betonen, dass die im Folgenden offenbarten erfindungsgemäßen Verfahrensich von diesen Vorgängen unterscheiden, aber mit ihnen kompatibel sind.
  • 3 ist ein Schema 300 von Profildaten 310 (Messprofilsignaldaten) eines CPS-Detektors (z. B. des Detektors 162), wie sie während eines CPS-Messvorgangs entweder im Zuge bestimmter Kalibrierungsvorgänge des optischen Wegs oder des Systems insgesamt oder im Zuge eines regulären Messvorgangs erlangt werden. Die Profildaten 310 können auch als Profilsignale MS(p) bezeichnet werden, wobei MS(p) der Signalpegel (gezeigt in normierten Volt) im Zusammenhang mit den einzelnen Pixeln p eines Detektorarrays (z. B. des Detektorarrays 163) ist. Der Graph 300 aus 3 wird erstellt, indem eine Zieloberfläche in einiger Entfernung an der optischen Achse OA des ersten konfokalen Wegs 120 positioniert wird, wodurch die entsprechenden Messprofildaten 310 mit dem in 3 gezeigten dominanten Wellenlängenspitzenbereich erzeugt werden.
  • 3 zeigt einen Vorspannugssignalpegel MVvorspannung (in normierten Volt), eine Spitzenpixelkoordinate ppc, eine Spitzenpositionsindexkoordinate ppic und einen Datenschwellenwert MVschwelle, der die Untergrenze eines Entfernungsangabeteilsatzes der Daten in dem Spitzenbereich definiert. Alle „MV”-Werte sind in normierten Volt angegeben. 3 zeigt auch eine Entfernungskoordinate (DIC), die auf Grundlage des Entfernungsangabeteilsatzes der Daten in dem spektralen Kalibrierungsspitzenbereich bestimmt wird. Wie in der Anmeldung 214 beschrieben, kann es sich in einigen Ausführungsformen bei MVschwelle um indexspezifischen Schwellenwert MVschwelle(ppic) handeln.
  • Kurz beschrieben können Messvorgänge zum Bestimmen einer Entfernungskoordinate (z. B. einer Entfernungskoordinate DIC, wie sie in Bezug auf die Profildaten 310 beschrieben wurde), Folgendes einschließen:
    • • Positionieren der Zieloberfläche an der optischen Achse OA der Objektivlinse und Erfassen der Profildaten 310.
    • • Bestimmen der Spitzenpixelkoordinate (also des Pixels mit dem höchsten Signal).
    • • Bestimmen der Spitzenpositionsindexkoordinate ppic, die der Index zum Speichern und Abrufen von Kalibrierungsdaten (z. B. indexspezifischen SchwellenwertKalibrierungsdaten) ist. Sie kann bei einigen Ausführungsformen die gleichen wie die Spitzenpixelkoordinate sein.
    • • Bestimmen des Messungsvorspannugssignalpegels MVvorspannung.
    • • Bestimmen des Datenschwellenwerts MVschwelle (z. B. als Prozentsatz der Spitzenhöhe oder auf Grundlage von indexspezifischen SchwellenwertKalibrierungsdaten, die der aktuellen Spitzenpositionsindexkoordinate ppic entsprechen).
    • • Bestimmen der Entfernungskoordinate (DIC) mit Subpixelauflösung auf Grundlage des Entfernungsangabeteilsatzes von Daten, die in dem Messspitzenbereich einen Wert aufweist, der größer als MVschwelle ist.
    • • Für eine EntfernungsKalibrierungsmessung unabhängiges Bestimmen der entsprechenden Entfernung zur Zieloberfläche mit einer gewünschten Genauigkeit (z. B. mittels Interferometer), und Bestimmen eines EntfernungsKalibrierungsdatenpunkts in einer EntfernungsKalibrierungstabelle oder -kurve (z. B. einer EntfernungsKalibrierungstabelle oder -kurve, wie sie etwa durch die EntfernungsKalibrierungsdaten 410 aus 4 darstellt wird).
    • • Für eine normale Werkstückentfernungsmessung, Bestimmen der Messentfernung durch In-Beziehung-Setzen der Messung DIC mit einer entsprechenden Entfernung in den gespeicherten EntfernungsKalibrierungsdaten (z. B. einer EntfernungsKalibrierungstabelle oder -kurve, wie sie etwa durch die EntfernungsKalibrierungsdaten 410 aus 4 darstellt wird).
  • In den vorstehenden Vorgängen kann die Entfernungskoordinate DIC auf Grundlage des Entfernungsangabeteilsatzes von Daten über MVschwelle mit Subpixelauflösung bestimmt werden. Eine Messung DIC kann anhand einer Anzahl verschiedener Verfahren bestimmt werden. In einer Ausführungsform kann eine Messung DIC als die Subpixelauflösungskoordinate eines Zentroids XC des Entfernungsangabedatenteilsatzes bestimmt werden. Für einen Detektor mit 1024 Pixeln etwa kann der Zentroid XC wie folgt bestimmt werden:
    Figure 00180001
  • In einem spezifischen Beispiel n = 2, in GLEICHUNG 1. Es versteht sich, dass GLEICHUNG 2 die bei der Zentroidberechnung verwendeten Daten auf einen Entfernungsangabeteilsatz von Daten beschränkt. Wenn die Entfernungskoordinate DIC im Zuge von Kalibrierungsvorgängen bestimmt wird, kann sie als KalibrierungsEntfernungskoordinate sowie als Messentfernungskoordinate bezeichnet werden.
  • 4 ist ein Schema 400 von CPS-Messentfernungskalibrierungsdaten 410, die bekannte oder kalibrierten Messentfernungen ZAUS (in Mikrometern) an der vertikalen Achse zu Entfernungskoordinaten (in Pixeleinheiten) an der horizontalen Achse für den chromatischen Punktsensor 100 oder dergleichen in Beziehung setzen. Das Beispiel aus 4 gilt für einen ersten konfokalen optischen Weg 120 mit einem festgelegten Messbereich MR von 300 Mikrometern, der KalibrierungsEntfernungskoordinaten im Bereich von etwa 150–490 Pixeln entspricht. Allerdings kann der chromatische Punktsensor 100 bei Bedarf auch über einen größeren Pixelbereich des Detektorarrays 163 kalibriert werden. Die Referenz- oder „Null”-Entfernung ZAUS ist in gewissem Umfang beliebig und kann auf eine gewünschte Referenzentfernung relativ zum ersten konfokalen optischen Weg 120 eingestellt werden. Obwohl die EntfernungsKalibrierungsdaten 410 scheinbar eine gleichmäßige Kurve bilden, versteht es sich, dass die EntfernungsKalibrierung 410 für ein typisches CPS-System des Stands der Technik, insbesondere für wirtschaftliche CPS-Systeme, über kurze Strecken Fehler oder Unregelmäßigkeiten aufweisen kann.
  • Bei einigen Ausführungsformen können die CPS-Messentfernungskalibrierungsdaten 410 wie oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben bestimmt und/oder benutzt werden. Es soll kurz ein beispielhaftes LaborKalibrierungsverfahren erörtert werden, um die CPS-EntfernungsKalibrierungsdaten 410 weiter zu verdeutlichen. Kurz gesagt kann ein Spiegel eine Kalibrierungsoberfläche (z. B. anstelle der Oberfläche 190 aus 1) an der optischen Achse des ersten konfokalen optischen Wegs 120 bereitstellen. Der Versatz des Spiegels kann etwa in Schritten von 0,1 oder 0,2 Mikrometern gesteuert werden. Für jeden Schritt wird die tatsächliche Spiegelposition oder der Spiegelversatz mithilfe eines Referenzstandards wie etwa eines Interferometers ermittelt. Für jede tatsächliche Spiegelposition wird die entsprechende KalibrierungsEntfernungskoordinate (DIC) des chromatischen Punktsensors auf Grundlage der Intensitätsprofildaten bestimmt, die vom CPS-Detektor bereitgestellt werden (wie z. B. zuvor erörtert). Die KalibrierungsEntfernungskoordinate und die entsprechende tatsächliche Position werden dann aufgezeichnet, um die Kalibrierungsdaten 410 bereitzustellen.
  • Um später während der Messvorgänge eine Entfernungsmessung für eine Werkstückoberfläche (z. B. die Oberfläche 190 aus 1) bereitzustellen, wird die Werkstückoberfläche an der optischen Achse des ersten konfokalen optischen Wegs 120 positioniert. Die Messentfernungskoordinate des chromatischen Punktsensors wird auf Grundlage der Messentfernungskoordinate bestimmt, die anhand der Intensitätsprofildaten vom CPS-Detektor bestimmt wird. Sodann werden die EntfernungsKalibrierungsdaten 410 dazu benutzt, die CPS-Messentfernung ZAUS zu bestimmen, die der spezifischen Messentfernungskoordinate entspricht.
  • Wie im Patent '456 offenbart, weist die Form der CPS-Messprofilspitzenbereichssignale in Abwesenheit der Kompensationsverfahren, die das Patent '456 lehrt, allgemein eine Art von Verzerrung auf, die für eine bestimmte Lichtquelle oder einen Wellenlängendetektor oder beide (das Quellen- und Detektorsubsystem) einzigartig ist, wie im Folgenden detaillierter erläutert. Wenn diese einzigartige Formverzerrung nicht kompensiert wird, ist die Bestimmung Spitzenposition für den Profilspitzenbereich bei unterschiedlichen CPS-Systemen und/oder möglicherweise bei diversen Messentfernungen innerhalb eines jeweiligen CPS-Systems uneinheitlich oder fehlerhaft. Das Patent '456 lehrt, dass Verzerrungen entfernende Fehlerkompensationsfaktoren für das Quellen- und Detektorsubsystem vor der Bestimmung der Entfernungskoordinate mit Subpixelauflösung, die die Spitzenposition der Messprofilspitzenbereichssignale angibt, auf Messprofilspitzenbereichssignale angewandt werden können. Das Patent '456 lehrt auch, dass in verschiedenen Ausführungsformen die CPS-Entfernungskoordinaten, die in den CPS-Entfernungskalibrierungsdaten verwendet werden, auf fehlerkompensierten Messprofilsignaldaten beruhen können, die in Bezug auf Auswirkungen des Quellen- und Detektorsubsystems einer Fehlerkompensation unterzogen werden. Wie beispielsweise im Patent '456 gelehrt, kann das zur Kalibrierung verwendete System fehlerkompensierte Messprofilsignale bereitstellen, die auf Grundlage von Quellen- und Detektor-Fehlerkompensationsfaktoren beruhen, die relativ zu einem standardisierten oder Referenzsatz von Profilsignaldaten bestimmen werden. Wenn derselbe optische Stift zu einem späteren Zeitpunkt und/oder mit einem anderen Quellen- und Detektorsubsystem benutzt wird, kann das Quellen- und Detektorsubsystem fehlerkompensierte Messprofilsignaldaten auf Grundlage von Fehlerkompensationsfaktoren bereitstellen, die für das Quellen- und Detektorsubsystem relativ zu demselben standardisierten oder Referenzsatz von Profilsignaldaten bestimmt wurden, derart, dass die CPS-Entfernungskalibrierungsdaten für dieses Quellen- und Detektorsubsystem gültig sind.
  • 5 und 6 veranschaulichen eine Art von Quellen- und Detektorsubsystemkompensation, die vom Patent '456 gelehrt wird Die unten erörterten Punkte ähneln den im Zusammenhang mit ähnlichen Figuren im Patent '456 beschrieben werden, welche die folgenden Erläuterungen ergänzend verdeutlichen können. In den nachfolgenden Gleichungen bezeichnet „Z” eine tatsächliche Messentfernung zu einer Werkstückoberfläche, sofern nicht durch Erklärung oder Kontext anders angegeben. „ZAUS” bezeichnet die Entfernungsmessung, die vom CPS auf Grundlage einer bestimmten Entfernungskoordinate DIC ausgegeben wird, welche wiederum von den entsprechenden Profilsignalen MSp abhängt, wie zuvor unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben wurde. Es versteht sich, dass das CPS für jede Messentfernung Z einen eindeutigen Satz dieser Signale bereitstellt, die von Z abhängen. Daher bezeichnen wir einen solchen Satz von Profilsignalen als MSp(Z), der eine entsprechende Entfernungskoordinate DIC(Z) erzeugt (z. B. unter Bestimmung anhand der GLEICHUNGEN 1 und 2), was eine entsprechende CPS-Messausgabe ZAUS(Z) erzeugt. Anhand dieser Konventionen besagt die vorstehende Erläuterung, dass die DIC(Z), die mit einer Entfernung Z in Zusammenhang steht, von der Gesamtform oder dem Gesamtprofil des Spitzenbereichs der entsprechenden Messprofildaten MSp(Z) abhängt. Wir stellen außerdem MSp-Hochstellungen vor, die im Folgenden verwendet werden sollen, die Hochstellungen RAW (mit der Bedeutung „nicht in Bezug auf die aktuellen Messbedingungen kompensiert”), COMP (mit der Bedeutung „kompensiert”), REF (mit der Bedeutung „Referenz- oder Kalibrierungsbedingung”) und PEN (mit der Bedeutung „erzeugt vom optischen Stift 120 auf Grundlage eines festgelegten oder standardisierten Quellenintensitätspektrums”).
  • Anhand dieser Konventionen stellen wir den folgenden Ausdruck vor: MSP RAW / P(Z) = SI RAW / P·KPENP(Z)·DG RAW / P (Gleichung 3) wobei: SI RAW / P die relativen oder normierten Intensitäten der Wellenlängen beschreiben, die im Breitbandlicht einer CPS-Lichtquelle enthalten sind, entsprechend der Verteilung der Wellenlängen an den einzelnen Pixeln P eines festgelegten oder standardisierten Wellenlängendetektors. KPENP(Z) die relative oder normierte Übertragung (oder Abschwächung) der Wellenlängen beschreibt, die in einem Satz von Messprofildaten enthalten sind, die für eine Messentfernung Z von einem CPS-Stift in einen CPS-Wellenlängendetektor eingegeben werden, entsprechend der Verteilung der Wellenlängen an den einzelnen Pixeln P eines festgelegten oder standardisierten Wellenlängendetektors. KPENP(Z) als eine entfernungsabhängige Transferfunktion des CPS-Stiftes für die einzelnen Wellenlängen (oder ihre entsprechenden Detektorpixel) betrachtet werden kann. DG RAW / P die relative oder normierte Signalverstärkung im Zusammenhang mit den einzelnen Pixeln eines Wellenlängendetektors beschreibt. Auf diese Weise gibt GLEICHUNG 3 ungefähr an, dass für eine jeweilige Messentfernung Z das Wellenlängendetektorrohsignal MS RAW / P(Z) an einem jeweiligen Pixel P gleich der RohIntensität SI RAW / P ist, die auf den Wellenlängen, die Pixel P erreichen, in den CPS-Stift eingegeben wird, mal der entfernungsabhängigen Transferfunktion des CPS-Stifts KPENP(Z) für die Wellenlängen, die Pixel P bei der Entfernung Z erreichen, mal der Signalverstärkung DG RAW / P für Pixel P.
  • Als kurze Erläuterung einer Art von Quellen- und Detektorsubsystemkompensation, wie das Patent '456 sie lehrt, ist 5 ein Schema eines Graphen 500, der ein Rohintensitätsprofilsignal 520 für ein CPS Quellen- und Detektorsubsystem darstellt, das eine Langstreckensignalvariationskomponente 530 aufweist, die der CPS-Lichtquelle zugeschrieben werden kann, und andere Langstreckenvariationskomponenten des Durchsatzes des CPS-Systems, etwa die Detektorwellenlängenempfindlichkeit. Es versteht sich, dass die Langstreckenvariationskomponenten 530 nicht einzeln vom Wellenlängendetektor 162 detektiert werden, sondern bei einigen Ausführungsformen annähernd einer geglätteten und/oder Standardform eines Quellen- und Detektorintensitätsprofils entsprechen können und zu Zwecken dieser Offenbarung eine praktische Referenz bereitstellen. Repräsentative ideale Messprofilsignaldaten 510, die einer Messentfernungskoordinate 510-DIC entsprechen, werden ebenfalls gezeigt. Das Rohintensitätsprofilsignal 520 kann durch Umgehen eines optischen Stifts erlangt werden, wie es im Patent '456 gelehrt wird. Beispielsweise ist unter Verwendung einer der Konfigurationen ermittelt werden, die im Patent '456 erörtert werden, eine Lichtwellenleiterschleife (die z. B. ANSCHLUSS-F in 1 entspricht) angebracht, um Quelllicht von einem Anschluss (der z. B. ANSCHLUSS-E in 1 entspricht) einzuspeisen und durch den Anschluss zurück zum Quellen- und Detektorsubsystem 161 zu leiten. Wir können das Rohintensitätsprofilsignal 520 als einen Satz Signale SDSS RAW / P definieren, die das Quellen- und Detektorsubsystem 161 ungefähr wie folgt charakterisieren: SDSS RAW / P = SI RAW / P·DG RAW / P (Gleichung 4)
  • Zur künftigen Bezugnahme können wir GLEICHUNG 4 in GLEICHUNG 3 einsetzen werden; dies ergibt: MS RAW / P(Z) = SDSS RAW / P·KPENP(Z) (Gleichung 5)
  • Das Rohintensitätsprofilsignal 520. Die Quellen- und Detektorvariationen, die in den Quellen- und Detektortermen SI RAW / P und DG RAW / P und SDSS RAW / P in den GLEICHUNGEN 4 und 5 reflektiert werden, können zu Fehlern beim Bestimmen von Entfernungskoordinaten führen, wie unten unter Bezugnahme auf 6A–6B erörtert. Die idealen Messprofilsignaldaten 510 entsprechen einem Referenz- oder standardisierten Intensitätsprofil mal dem Term KPENP(Z). Der Term KPENP(Z) in den GLEICHUNGEN 5 und 3 kann als eine entfernungsabhängige Transferfunktion eines optischen Stifts (und/oder des erste optischen Wegs 120) für die einzelnen Wellenlängen (oder ihre entsprechenden Detektorpixel) betrachtet werden, wie zuvor angegeben. Es ist zu betonen, dass die idealen Messprofilsignaldaten 510 und die entsprechende Messentfernungskoordinate 510-DIC nicht im Signal 520 enthalten sind. Stattdessen werden sie in 6 nur angegeben, um eine Erklärung eines Segments 550 des Graphen 500 zu ergänzen. Die auf dem Segment 550 beruhende Erklärung soll im Folgenden unter Bezugnahme auf 6A und 6B fortgesetzt werden. 6A und 6B sind Schemata 600A und 600B, die das Segment 550 des Graphen aus 5 enthalten, einschließlich des Rohintensitätsprofilsignals 520 für ein CPS Quellen- und Detektorsubsystem, der repräsentativen idealen Messprofilsignaldaten 510 und ihrer entsprechenden idealen Entfernungskoordinate 510-DIC, wie zuvor beschrieben. 6A und 6B enthalten auch ein Referenzprofilsignal 640, das einen standardisierten oder Referenzsatz von Profilsignaldaten darstellt, der zur Kalibrierung gemäß der Lehre des Patents '456 und wie oben erörtert benutzt wird (z. B. entsprechend einem tatsächlichen oder kompensierten Intensitätsprofilsignal, das zum Ermitteln der EntfernungsKalibrierungsdaten 410 aus 4 benutzt wird). Bei einigen Ausführungsformen kann das Referenzprofilsignal 640 ungefähr gleich wie die Signalvariationskomponente 530 aus 5 sein, oder ein tatsächliches Profil sein (wie z. B. in GLEICHUNG 4 dargestellt), das zur Kalibrierung benutzt wird. Allerdings kann es allgemeiner alternativ ein ideales oder standardisiertes Profil (z. B. ein flaches Profil) sein. Wie zuvor angegeben, entspricht das Rohintensitätsprofilsignal 520 einem Satz von Signalen SDSS RAW / P , die das Quellen- und Detektorsubsystem 161 charakterisieren, und die idealen Messprofilsignaldaten 510 entsprechen einem Referenz- oder standardisierten Intensitätsprofil mal dem Term KPENP(Z), der als eine entfernungsabhängige Transferfunktion eines CPS-Stifts oder des optischen Wegs 120 für die Wellenlänge(n) an den einzelnen Detektorpixeln P betrachtet werden kann.
  • GLEICHUNG 5 beschreibt einen Satz von Rohmessprofilsignaldaten MS RAW / P(Z) , die das Produkt eines Roh- oder nicht standardisierten Intensitätsprofils sind, das von einem CPS-Quellen- und Detektorsubsystem 161 erzeugt wird, mal der entfernungsabhängigen Transferfunktion KPENP(Z) eines optischen Stifts oder des ersten konfokalen optischen Wegs 120 für eine Werkstückoberfläche in der Entfernung Z von dem optischen Stift oder dem ersten konfokalen optischen Weg 120. Dies entspricht den Rohmessprofilsignaldaten 510A in 6A. Wie in 6A gezeigt, verursachen die wellenlängenabhängigen Variationen in einem jeweiligen Quellen- und Detektorsubsystem 161 (die im Signal 520 reflektiert werden) entsprechende einzigartige Unregelmäßigkeiten und Asymmetrie in der Form des Spitzenbereichs der Rohmessprofilsignaldaten 510A und verzerren sie auf eine einzigartige Weise relativ zum Spitzenbereich der idealen Messprofilsignaldaten 510, die einem Referenz- oder standardisierten Intensitätsprofil mal dem entfernungsabhängige Transferfunktionsterm KPENP(Z) eines optischen Stifts oder des ersten konfokalen optischen Wegs 120 entsprechen. Natürlich ist eine Entfernungskoordinate 510A-DIC, die für die einzigartig verzerrten Rohmessprofilsignaldaten 510A bestimmt wird, für das Quellen- und Detektorsubsystem spezifisch sein und wird nicht mit der Entfernungskoordinate 510-DIC übereinstimmen, die den nicht verzerrten idealen Messprofilsignaldaten 510 entsprechen. Beispielsweise ist zu beachten, dass eine relativ geringe Verschiebung der Position der Messprofilsignaldaten 510 (z. B. eine Verschiebung um 20 Pixel nach links in 5, 6A und 6B), die einer relativ geringen Veränderung von Z entspricht, die Form der Rohmessprofilsignaldaten 510A drastisch verändern würde. Die relative Position der resultierenden Entfernungskoordinate würde sich auf diese Weise im Vergleich zu der geringfügigen Veränderung Z recht unberechenbar verändern. Im größten Teil des Stands der Technik wird ohne gute Begründung davon ausgegangen, dass der Spitzenbereich relativ schmal ist, weshalb die Bedeutung solcher Formverzerrungen und Asymmetrien daher in der Auslegung von CPS oder der Signalverarbeitung nicht ausreichend berücksichtigt wird (z. B. wird angenommen, dass eine Spitze in der Breite von einigen Pixeln keiner besonderen Verzerrung oder Asymmetrie unterliegt, usw.).
  • 6B zeigt die Ergebnisse eines verbesserten Signalverarbeitungsverfahrens gemäß den Lehren des Patents '456. In 6B werden die Variationen der Signale SDSS RAW / P , die das Quellen- und Detektorsubsystem 161 charakterisieren, relativ zu einem Referenzprofil (wie es z. B. vom Referenzprofilsignal 640 dargestellt wird) entfernt oder kompensiert. Unter Verwendung der zuvor definierten Benennungskonventionen entspricht das Referenzprofilsignal 640 einem Satz von Signalen SDSS REF / P , und die kompensierten Messprofilsignaldaten 510B entsprechen einem Satz von Signalen MS COMP / P(Z) : MS COMP / P(Z) = SDSS REF / P·KPENP(Z) (Gleichung 6)
  • Wie in 6B gezeigt, stimmt der Spitzenbereich der kompensierten Messprofilsignaldaten 510B, die dem Satz von Signalen MS COMP / P(Z) entsprechen, nominell mit den idealen Messprofilsignaldaten 510 überein, da das Profil, das den Satz von Signalen SDSS REF / P umfasst, nominell mit dem Referenzprofilsignal 640 übereinstimmt. Die Entfernungskoordinate 510B-DIC, die den kompensierten Messprofilsignaldaten 510B entspricht, stimmt deshalb eher mit der Entfernungskoordinate 510-DIC überein, die den idealen Messprofilsignaldaten 510 entspricht.
  • Zur künftigen Bezugnahme definieren wir einen Satz von Kompensationsfaktoren KCOMPP, die auf diesen Signalen beruhen können:
    Figure 00250001
  • Das heißt, da das Profil oder der Satz von Signalen SDSS REF / P bekannt sind, da sie der Referenzsatz sind (wie er z. B. zur EntfernungsKalibrierung benutzt wird), das Profil oder der Satz von Rohsignalen SDSS RAW / P bekannt sein können, da sie gemäß den Lehren des Patents '456 und/oder wie hier offenbart gemessen werden können, kann ein Satz von Kompensationsfaktoren KCOMPP bestimmt werden, der die Rohmesssignalwerte MS RAW / P(Z) in kompensierte Messsignalwerte MS COMP / P(Z) umwandelt, um eine Übereinstimmung mit EntfernungsKalibrierungsdaten (z. B. den EntfernungsKalibrierungsdaten 410) zu erreichen, wie unten gezeigt.
  • Anhand der Beziehung aus GLEICHUNG 7 können wir GLEICHUNG 6 wie folgt umschreiben: MS COMP / P(Z) = KCOMPP·(SDSS RAW / P·KPENP(Z)) (Gleichung 8)
  • In Kombination der GLEICHUNGEN 8 und 5: MS COMP / P(Z) = KCOMPP·MS RAW / P(Z) (Gleichung 9)
  • Wie zuvor angegeben, soll die vorliegende Erfindung Spektralprofildaten bereitstellen, die dazu benutzbar sind, Variationen im spektralen Reflexionsvermögen von Material „sofort” (also gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig mit entsprechenden CPS-Messdaten) zu kompensieren. Das Patent '456 und/oder die vorstehenden GLEICHUNGEN berücksichtigen keine Fehler im Zusammenhang mit Variationen des spektralen Reflexionsvermögens von Material. Die Quelle solcher Fehler lässt sich unter Bezugnahme auf 7 nachvollziehen.
  • 7 ist ein Schema eines Graphen 700, der das spektrale Reflexionsvermögen verschiedener Arten von Werkstückmaterialien darstellt, das auf einigen Wellenlängen je nach Materialzusammensetzung, Einfallswinkel und Oberflächeneigenschaften stark variieren kann.
  • 7 zeigt eine spektrale Reflexionskurve eines Aluminiumspiegels 710, eine spektrale Reflexionskurve eines Goldspiegels 720 und eine spektrale Reflexionskurve eines Silberspiegels 730. Alle spektralen Reflexionskurven wurden bei normalen Einfallswinkeln gemessen. Wie dargestellt, ist das Reflexionsvermögen der Materialien wellenlängenabhängig. Als ein konkretes Beispiel verändert sich das Reflexionsvermögen von Gold von 60% auf 95%, wenn sich die Wellenlänge von 500 nm auf 600 nm verändert, was im Allgemeinen innerhalb des Messbereichs eines CPS-Wellenlängendetektors liegt. Es versteht sich, dass derartige Faktoren bei bestimmten Anwendungen besonders relevant sind (so findet z. B. Gold breiten Einsatz in der Elektronik- und/oder Halbleiterindustrie, wo Präzisionsmessungen erforderlich sind). Es ist auch zu beachten, dass die spektrale Reflexionskurve des Aluminiumspiegels 710 relativ flach ist, weshalb sie in bestimmten Ausführungsformen für Kalibrierungsvorgänge geeignet ist. Andere Materialarten können ein komplexeres und schlechter vorhersagbares spektrales Reflexionsvermögen aufweisen (z. B. lackierte Flächen, Dünnfilme, dielektrische Materialien, Kunststoffe usw.).
  • Die Offenbarung des Patents '456 erwähnt keine Fehler, die auf Variationen des spektralen Materialreflexionsvermögens zurückgehen, und lehrt auch keine Konfiguration, die zum Kompensieren solcher Fehler verwendbar ist. Um diese Fehler zu beschreiben und zu berücksichtigen, können wir die oben genannten GLEICHUNGEN modifizieren. Insbesondere können wir GLEICHUNG 4 so auslegen, dass sie entfernungsunabhängige Profil- oder Spektralformdeterminanten oder -komponenten darstellt (z. B. wird in GLEICHUNG 4 die auf das Lichtquellenspektrum zurückgehende Profilkomponente durch den Term SI RAW / P dargestellt, und die auf die Detektorverstärkung zurückgehende Profilkomponente wird durch den Term DG RAW / P dargestellt). Das heißt, im Gegensatz zum entfernungsabhängigen Profilkomponententerm KPENP(Z), der durch einen optischen Stift oder den ersten konfokalen optischen Weg 120 bestimmt oder geliefert wird, hängen die Terme von GLEICHUNG 4 nicht von der Messentfernung zum Werkstück ab. Variationen des spektralen Reflexionsvermögens von Material können als eine weitere entfernungsunabhängige Profilkomponente oder Spektralformdeterminante betrachtet werden. Daher können wir GLEICHUNG 4 so modifizieren, dass sie Variationen des spektralen Reflexionsvermögens einer Werkstückoberfläche (und/oder einer Kalibrierungsoberfläche) berücksichtigt, und zwar: SDSS(MAT) RAW / P = SI RAW / P·DG RAW / P·MWF(MAT)P (Gleichung 10) wobei die Signale SDSS(MAT) RAW / P das entfernungsunabhängige Rohintensitätsprofil im Zusammenhang mit einem Quellen- und Detektorsubsystem 161 charakterisieren, das in Kombination mit einer jeweiligen Werkstückoberfläche (oder einer Kalibrierungsoberfläche) benutzt wird, die ein Material MAT (z. B. Aluminium, Gold usw.) umfasst. Es versteht sich, dass die Materialwellenlängenfaktoren MWF(MAT)P Faktoren (z. B., normierte Faktoren) sind, die das relative Reflexionsvermögen des Materials (wie z. B. in 7 gezeigt) auf Wellenlängen charakterisieren, die den Detektorpixeln P entsprechen. Basierend auf der vorstehenden Erläuterung versteht es sich, dass die entsprechende Modifikation von GLEICHUNG 5 zum Angeben der Werkstückoberflächenmaterialauswirkungen wie folgt lautet: MS(MAT) RAW / P(Z) = SDSS(MAT) RAW / P·KPENP(Z) (Gleichung 11) und die entsprechende Modifikation von GLEICHUNG 7 zum Angeben der Werkstückoberflächenmaterialauswirkungen wie folgt lautet:
    Figure 00270001
  • Anhand der Beziehung aus GLEICHUNG 12 können wir GLEICHUNG 6 wie folgt umschreiben: MS COMP / P(Z) = KCOMP(MAT)P·[SDSS(MAT) RAW / P·KPENP(Z)] (Gleichung 13)
  • In Kombination der GLEICHUNGEN 11 und 13: MS COMP / P(Z) = KCOMP(MAT)P·MS(MAT) RAW / P(Z) (Gleichung 14)
  • Analog zur vorstehenden Erörterung der GLEICHUNGEN 8 und 9 kann ein Satz von werkstückmaterialspezifischen Kompensationsfaktoren KCOMP(MAT)P bestimmt werden, der Rohmesssignalwerte MS(MAT) RAW / P(Z) , die von einem spezifischen Werkstückmaterial stammen, in kompensierte Messsignalwerte MS COMP / P(Z) umwandelt, um eine Übereinstimmung mit EntfernungsKalibrierungsdaten (z. B. die EntfernungsKalibrierungsdaten 410) zu erreichen.
  • Das Patent '456 lehrt ein Verfahren des „Umgehens” zum Charakterisieren und/oder Kompensieren der Quellen- und Detektorterme SI RAW / P und DG RAW / P , die unter Bezugnahme auf die GLEICHUNGEN 4 und 10 beschrieben wurden, befasst sich jedoch nicht mit dem materialspezifischen Term MWF(MAT)P in GLEICHUNG 10 oder den zugehörigen materialspezifischen Auswirkungen, die in den GLEICHUNGEN 11–14 berücksichtigt werden. Materialreflexionseigenschaften und damit zusammenhängede Fehler werden im Patent '456 ignoriert, und die „Umgehungsverfahren” der Kalibrierung und/oder Kompensation, die den optischen Stift umgehen, wie das Patent '456 lehrt, umgehen auch die Werkstückoberfläche. Damit bietet das Patent '456 kein Verfahren zum Sammeln von Daten zum Reflexionsvermögen von Material in Bezug auf eine Werkstückoberfläche oder zum Erkennen oder Korrigieren damit zusammenhängender Fehler.
  • Gemäß den Grundgedanken dieser Offenbarung kann der zweite optische Weg 130, der oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde, dazu benutzt werden, Daten zum Reflexionsvermögen eines Materials in Bezug auf eine Werkstückoberfläche zu sammeln. Insbesondere da der zweite optische Weg 130 chromatisch nicht streuend ist, kann er die entfernungsunabhängigen Signale SDSS(MAT) RAW / P bereitstellen, die unter Bezugnahme auf GLEICHUNG 10 erörtert wurden und die das entfernungsunabhängige Rohintensitätsprofil im Zusammenhang mit einem Quellen- und Detektorsubsystem 161 charakterisieren können, das in Kombination mit einer jeweiligen Werkstückoberfläche benutzt wird. Da das Profil oder der Signalsatz SDSS REF / P bekannt sind, weil es sich dabei um den Referenzsatz handelt (wie er z. B. zur EntfernungsKalibrierung benutzt wird), und das Profil oder der Satz von Rohsignalen SDSS(MAT) RAW / P bekannt sein kann, da es bzw. er durch einen chromatisch nicht streuenden optischen Weg gemessen werden kann, wie er hier offenbart ist, kann ein Satz von Kompensationsfaktoren KCOMP(MAT)P bestimmt werden (z. B. gemäß der in GLEICHUNG 12 gezeigten Beziehung), der die Rohmesssignalwerte von einem jeweiligen Werkstückoberflächenmaterial MS(MAT) RAW / P(Z) in kompensierte Messsignalwerte MS COMP / P(Z) umwandelt (z. B. gemäß der in GLEICHUNG 14 gezeigten Beziehung), um eine Übereinstimmung mit EntfernungsKalibrierungsdaten zu erreichen, wie hier offenbart.
  • Da die Verwendung eines chromatisch nicht streuenden optischen Wegs, wie hier offenbart, die Kombination von Termen charakterisieren kann, die in GLEICHUNG 10 gezeigt sind, wird man verstehen, dass dies die Quellen- und Detektoreigenschaften in Kombination den Eigenschaften des Werkstückoberflächenmaterials charakterisieren kann und die Notwendigkeit der Umgehungsverfahren des Patents '456 bei einigen Ausführungsformen ersetzen oder aufheben kann. Alternativ wird man verstehen, dass die Verwendung der Umgehungsverfahren des Patents '456 (z. B. die Verwendung der Umgehung ANSCHLUSS-F, die unter Bezugnahme auf 1 oder dergleichen erörtert wurde, verbunden mit einem Quellen- und Detektor) die Quellen- und Detektorterme SI RAW / P und DG RAW / P der GLEICHUNGEN 4 und 10 isolieren kann es und deshalb ermöglichen kamt, den materialspezifischen Term MWF(MAT)P in GLEICHUNG 10 einzeln auf Grundlage eines Vergleichs der Umgehungssignale und der Nicht-Umgehungssignale zu bestimmen. Bei einigen Ausführungsformen kann eine erste Lichtquelle verbunden sein, um ein erstes Eingabespektralprofil von Wellenlängen in den ersten konfokalen optischen Weg einzugeben, und eine zweite Lichtquelle kann verbunden sein, um ein zweites Eingabespektralprofil von Wellenlängen in den zweiten optischen Weg einzugeben, und die oben erörterte Alternative kann derart benutzt werden, dass der zweite optische Weg Daten bereitstellen kann, die dazu benutzbar sind, den materialspezifischen Term MWF(MAT)P zu isolieren und die ersten Ausgabespektralprofildaten in Bezug auf mögliche Fehler einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente zu kompensieren. Natürlich ist es auch möglich, bei Bedarf die oben erörterten Prozesse dazu zu benutzen, die Auswirkungen des Kalibrierungsspiegelmaterials separat von den Auswirkungen des Quellen- und Detektors während der EntfernungsKalibrierung zu charakterisieren.
  • Auf Grundlage der vorstehenden Offenbarung wird man verstehen, dass es gemäß den Lehren dieser Offenbarung verschiedene Möglichkeiten gibt, um die individuellen Terme von GLEICHUNG 10 zu charakterisieren und/oder das Referenzprofil oder den Satz von Signalen SDSS REF / P zu charakterisieren, und dass die verschiedenen entfernungsunabhängigen Profilkomponenten oder formbeeinflussenden Faktoren bei einigen Ausführungsformen individuell, bei einigen Ausführungsformen kombiniert oder bei anderen Ausführungsformen nacheinander bestimmt und kompensiert werden können. Es sei darauf hingewiesen, dass die vorstehenden Gleichungen einen Weg zum Verwenden der Signale veranschaulichen, die mithilfe eines chromatisch nicht streuenden optischen Wegs gemäß dieser Erfindung gesammelt wurden, und nicht einschränkend sind.
  • 8 ist ein Blockschema eines zweiten Ausführungsbeispiels eines chromatischen Punktsensorsystems 800. Der chromatische Punktsensor 800 ist ähnlich wie der chromatische Punktsensor 800 aus 1. Es sei darauf hingewiesen, dass ähnlich nummerierte Elemente 8XX ähnlich wie oder identisch mit den Elementen 1XX aus 1 sind und dass nur diejenigen Aspekte der Ausführungsform, die sich wesentlich von 1 unterscheiden, unter Bezugnahme auf 8 erörtert werden. In der Ausführungsform aus 8 umfasst der chromatische Punktsensor 800 ein Koppelelement KOPPLER-E, das mit dem Anschluss SCHALTEN/VERBINDEN-E, verbunden ist und dadurch Lichtwellenleiterkabel 812 und 813 mit der CPS-Elektronik 160 verbindet. Es ist zu beachten, dass der Anschluss SCHALTEN/VERBINDEN-E ein Umschaltelement ist, das einen Lichtleiterschalter (z. B. in einer Ausführungsform einen elektrooptischen Schalter) umfasst, der dazu konfiguriert ist, das Eingabespektralprofil (und den Wellenlängendetektor 162) an einem ersten Zeitpunkt mit dem ersten konfokalen optischen Weg 820 zu verbinden und das Eingabespektralprofil (und den Wellenlängendetektor 162) an einem zweiten Zeitpunkt mit dem zweiten optischen Weg 830 zu verbinden. Es sei darauf hingewiesen, dass der Anschluss SCHALTEN/VERBINDEN-E als ein Deaktivierungselement des ersten und/oder zweiten optischen Wegs arbeiten kann, das von der CPS-Elektronik 160 gemessen und/oder gesteuert wird, derart, dass die geeignete Signalverarbeitung mit der Anwesenheit des ersten und zweiten Ausgabespektralprofil synchronisiert wird. Auf diese Weise wird das Umschaltelement 141 aus 1 in dieser Ausführungsform in seiner Funktion durch den Anschluss SCHALTEN/VERBINDEN-E ersetzt. Allgemeiner ist zu beachten, dass das Deaktivierungselement des ersten konfokalen optischen Wegs und das Deaktivierungselement des zweiten optischen Wegs durch separate Elemente (z. B. Verschlüsse) bereitgestellt werden können, die dazu betrieben werden, jeweils einen wirksamen konfokalen Weg zu einem jeweiligen Zeitpunkt bereitzustellen, oder zusammengeführt und/oder nicht voneinander unterscheidbar sein können (z. B. eine einzelne Apertur an einer Drehscheibe oder ein gemeinsamer Deflektor oder dergleichen).
  • 9 ist ein Blockschema eines dritten Ausführungsbeispiels eines chromatischen Punktsensorsystems 900. Der chromatische Punktsensor 900 ist ähnlich wie der chromatische Punktsensor 800 aus 8. Es sei darauf hingewiesen, dass ähnlich nummerierte Elemente 9XX ähnlich wie oder identisch mit den Elementen 8XX aus 8 sind und dass nur diejenigen Aspekte der Ausführungsform, die sich wesentlich von 8 unterscheiden, unter Bezugnahme auf 9 erörtert werden.
  • In der Ausführungsform aus 9 ist der chromatische Punktsensor 900 in ein maschinell sehendes Inspektionssystem 990 integriert, das eine maschinell sehende Host-Steuerung 991 aufweist. Insbesondere ist ein optischer Doppelwegabschnitt 910 in das maschinell sehende Inspektionssystem 990 integriert, derart, dass der erste konfokale optische Weg 920 und der zweite optische Weg 930 jeweils eine gemeinsame Objektivlinse 950 aufweisen, die Teil der Bildgebungsoptik des maschinell sehenden Inspektionssystems 990 ist. Der erste konfokale optische Weg 920 und der zweite optische Weg 930 umfassen außerdem einen gemeinsamen Strahlenteiler 945 und einen gemeinsamen Strahlenteiler 947. Das maschinell sehende Inspektionssystem 990 umfasst auch eine Kamera 951, die dazu konfiguriert ist, ein Werkstück 970 an einem optischen Weg abzubilden, der die Objektivlinse 950 benutzt, die auch der erste konfokale optische Weg 920 und der zweite optische Weg 930 benutzen, und ein Linsenrevolversystem 953, das dazu konfiguriert ist, Linsen gemäß einer gewünschten Vergrößerung oder anderer optischer Kennlinien für die Bildgebung auszuwählen. Das maschinell sehende Inspektionssystem 990 umfasst auch einen Strahlenteiler 943, der derart konfiguriert ist, dass ein Abschnitt des optischen Wegs des ersten konfokalen optischen Wegs 120, des zweiten optischen Wegs 130 und des Bildgebungswegs des maschinell sehenden Inspektionssystems kollinear sind. Eine typische Weglänge von der gemeinsamen Objektivlinse 950 entweder bis zu einem nicht streuenden optischen Element 923 oder bis zu einem streuenden optischen Element 933 kann im Bereich von etwa 300 cm liegen. In einigen Ausführungsformen variiert das Licht von dem streuenden optischen Element 933 bis zur Objektivlinse 950 von der Kollimation, abhängig von seiner Wellenlänge, und das Licht von dem nicht streuenden optischen Element 933 bis zur Objektivlinse 950 kann für alle Wellenlängen annähernd kollimiert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Position der gemeinsamen Strahlenteiler 945 und 947 angepasst werden kann oder dass zusätzliche Strahlenteiler hinzugefügt werden können, um den ersten konfokalen optischen Weg 920 und den zweiten optischen Weg 930 in gewünschte Positionen relativ zu den Bauteilen des maschinell sehenden Inspektionssystems 990 zu bringen.
  • Bei Integration in das maschinell sehende Inspektionssystem 990 mit der maschinell sehenden Host-Steuerung 991 kann die Konfiguration der CPS-Elektronik 960 von der CPS-Elektronik 160 aus 1 abweichen. Wie beispielsweise in 9 gezeigt, können ein werkstückspezifischer Kompensationsabschnitt 967' und ein Speicherabschnitt 968', der dazu konfiguriert ist, Kompensationsdaten 969' einschließlich werkstückspezifischer Kompensationsdaten 969WS' zu speichern, in der maschinell sehenden Host-Steuerung 991 vorgesehen sein, die nach Bedarf und gemäß bekannten Verfahren Daten mit der CPS-Elektronik 960 austauschen kann In einigen Ausführungsformen kann die maschinell sehende Host-Steuerung 991 auch einen universellen Personalcomputer und Steuerungssoftware zum Betreiben des maschinell sehenden Inspektionssystems 990 aufweisen, ebenso wie Softwareroutinen, die mit der CPS-Elektronik 960 interagieren. Auf Grundlage dieser Offenbarung werden für Durchschnittsfachleuchte verschiedene alternative Konfigurationen auf der Hand liegen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite optische Weg (z. B. der zweite optische Weg 130, 830 oder 930) als ein konfokaler optischer Weg konfiguriert sein, wobei eine konfokale Apertur (z. B. 131, 831 oder 930) an einem Verbindungspunkt des zugehörigen Lichtwellenleiters (z. B. des Leiters 113, 813 oder 913) vorgesehen ist. Dies kann in vielen Fällen die wirtschaftlichste Konfiguration sein. Allgemeiner braucht der zweite optische Weg jedoch nicht konfokal zu sein. Wenn beispielsweise der Lichtwellenleiter und/oder die Apertur (z. B. das Ende des Lichtwellenleiters) im Zusammenhang mit dem zweiten optischen Weg groß genug ist, um ausreichend Signallicht von der Materialoberfläche durch den zweiten optischen Weg einzulassen, braucht der zweite optische Weg nicht konfokal zu sein. In solchen Ausführungsformen kann es jedoch trotzdem vorteilhaft sein, wenn der zweite optische Weg dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Wellenlängen im Wesentlichen in der gleichen Entfernung in der Nähe von einem Werkstück zu fokussieren, derart, dass ein spezifischer repräsentativer Abschnitt einer Materialoberfläche durch den resultierenden Beleuchtungspunkt isoliert werden kann. Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, werden für Fachleute anhand dieser Offenbarung zahlreiche Abwandlungen an den dargestellten und beschriebenen Anordnungen auf der Hand liegen. Daher wird man verstehen, dass verschiedene Änderungen an diesen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7876456 [0002]
    • US 5790242 [0006]

Claims (18)

  1. Die Ausführungsformen der Erfindung, in denen eine exklusive Eigenschaft oder ein ausschließliches Recht beansprucht wird, sind wie folgt definiert: 1. Chromatisches Punktsensor-(CPS-)System, das dazu konfiguriert ist, mögliche Fehler zu kompensieren, einschließlich Fehlern, die auf Auswirkungen des Werkstückmaterials zurückgehen, wobei das CPS-System Folgendes umfasst: einen ersten konfokalen optischen Weg, der ein längsstreuendes Element aufweist, wobei der erste konfokale optische Weg dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichen Entfernungen in der Nähe eines Werkstücks zu fokussieren; einen zweiten optischen Weg, der dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Wellenlängen im Wesentlichen in der gleichen Entfernung in der Nähe des Werkstücks zu fokussieren; eine Lichtquelle, die verbunden ist, um ein erstes Eingabespektralprofil von Wellenlängen in den ersten konfokalen optischen Weg einzugeben; eine Lichtquelle, die verbunden ist, um ein zweites Eingabespektralprofil von Wellenlängen in den zweiten optischen Weg einzugeben; ein Deaktivierungselement für den ersten konfokalen optischen Weg, das dazu konfiguriert ist, zu verhindern, dass das erste Eingabespektralprofil über den ersten konfokalen optischen Weg an ein Werkstück übertragen wird; ein Deaktivierungselement für den zweiten optischen Weg, das dazu konfiguriert ist, zu verhindern, dass das zweite Eingabespektralprofil über den zweiten optischen Weg an ein Werkstück übertragen wird; und CPS-Elektronik, die einen CPS-Wellenlängendetektor umfasst, der eine Vielzahl von Pixeln umfasst, die entlang einer Messachse des CPS-Wellenlängendetektors verteilt ist, wobei die Vielzahl der Pixel jeweilige Wellenlängen empfangt und eine Ausgabe von Spektralprofildaten bereitstellt, wobei das CPS-System derart konfiguriert ist, dass: wenn das Blockierungselement des ersten konfokalen Wegs nicht aktiviert ist, das erste Eingabespektralprofil mit dem ersten konfokalen optischen Weg verbunden ist, der erste konfokale optische Weg entsprechende Strahlung an das Werkstück ausgibt und reflektierte Strahlung des ersten Wegs von der Werkstückoberfläche aufnimmt, wobei die reflektierte Strahlung des ersten Wegs ein erstes Ausgabespektralprofil aufweist, das eine entfernungsabhängige Profilkomponente mit einer Spitze, die eine Messentfernung vom ersten konfokalen optischen Weg zum Werkstück angibt, und eine entfernungsunabhängige Profilkomponente umfasst, die eine Werkstückmaterialkomponente aufweist, und die CPS-Elektronik entsprechende erste Ausgabespektralprofildaten bereitstellt; und wenn das Blockierungselement des zweiten Wegs nicht aktiviert ist, das zweite Eingabespektralprofil mit dem zweiten optischen Weg verbunden ist, wobei der zweite optische Weg entsprechende Strahlung an die Werkstückoberfläche ausgibt und reflektierte Strahlung des zweiten Wegs von der Werkstückoberfläche empfangt, wobei die reflektierte Strahlung des zweiten Wegs ein zweites Ausgabespektralprofil aufweist, das eine entfernungsunabhängige Profilkomponente umfasst, die die Werkstückmaterialkomponente aufweist, und die CPS-Elektronik entsprechende zweite Ausgabespektralprofildaten bereitstellt, die dazu benutzbar sind, die ersten Ausgabespektralprofildaten in Bezug auf mögliche Entfernungsmessfehler im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente zu kompensieren.
  2. CPS-System nach Anspruch 1, wobei der erste optische Weg und der zweite optische Weg dazu konfiguriert sind, die erste Quellstrahlung und die zweite Quellstrahlung an denselben Teil des Werkstücks auszugeben.
  3. CPS-System nach Anspruch 1, wobei der erste optische Weg und der zweite optische Weg jeweils eine gemeinsame Objektivlinse aufweisen.
  4. CPS-System nach Anspruch 1, wobei das CPS-System in ein maschinell sehendes Inspektionssystem integriert ist, und der erste optische Weg und der zweite optische Weg jeweils eine gemeinsame Objektivlinse aufweisen, die Teil des maschinell sehenden Inspektionssystems ist.
  5. CPS-System nach Anspruch 4, wobei das maschinell sehende Inspektionssystem dazu konfiguriert ist, die Werkstückoberfläche über die gemeinsame Objektivlinse abzubilden.
  6. CPS-System nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle, die zum Eingeben eines ersten Eingabespektralprofils von Wellenlängen mit dem ersten konfokalen optischen Weg verbunden ist, und die Lichtquelle, die zum Eingeben eines zweiten Eingabespektralprofils von Wellenlängen mit dem zweiten optischen Weg verbunden ist, dieselbe Lichtquelle sind, derart, dass das erste und das zweite Eingabespektralprofil dasselbe Eingabespektralprofil darstellen.
  7. CPS-System nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle, die zum Eingeben eines ersten Eingabespektralprofils von Wellenlängen mit dem ersten konfokalen optischen Weg verbunden ist, und die Lichtquelle, die zum Eingeben eines zweiten Eingabespektralprofils von Wellenlängen mit dem zweiten optischen Weg verbunden ist, unterschiedliche Lichtquellen sind.
  8. CPS-System nach Anspruch 1, wobei das Deaktivierungselement des ersten konfokalen optischen Wegs und das Deaktivierungselement des zweiten optischen Wegs dasselbe Element sind.
  9. CPS-System nach Anspruch 1, wobei das Deaktivierungselement des ersten konfokalen optischen Wegs und das Deaktivierungselement des zweiten optischen Wegs durch ein Schaltelement bereitgestellt werden, das jeweils eins von (a) einem Blendenverschluss und (b) einem Lichtleiterschalter umfasst.
  10. CPS-System nach Anspruch 1, wobei die CPS-Elektronik ferner eine Signalverarbeitungseinheit umfasst, die werkstückspezifische Spektralprofilkompensationsdaten auf Grundlage der zweiten Ausgabespektraldaten bestimmt, um die ersten Ausgabespektralprofildaten in Bezug auf mögliche Fehler einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente zu kompensieren.
  11. CPS-System nach Anspruch 1, wobei die entfernungsunabhängige Profilkomponente eine Lichtquellenspektralprofilkomponente aufweist, die der Lichtquelle zugeordnet ist, und das zweite Ausgabespektralprofil dazu benutzt wird, Fehler im Zusammenhang mit der Lichtquellenspektralprofilkomponente zu kompensieren.
  12. CPS-System nach Anspruch 1, wobei die unterschiedlichen Entfernungen, in denen der erste konfokale optische Weg unterschiedliche Wellenlängen fokussiert, einen Messbereich definieren, und die Entfernung, in der der zweite optische Weg unterschiedliche Wellenlängen fokussiert, innerhalb des Messbereichs liegt.
  13. CPS-System nach Anspruch 1, wobei der erste konfokale optische Weg und der zweite optische Weg einen gemeinsamen Strahlenteiler eines gemeinsamen Wegs umfassen.
  14. CPS-System nach Anspruch 13, wobei der erste konfokale optische Weg und der zweite optische Weg zwischen dem gemeinsamen Strahlenteiler und der Werkstückoberfläche kollinear sind.
  15. CPS-System nach Anspruch 1, wobei einer von dem ersten konfokalen optischen Weg und dem zweiten optischen Weg einen Reflektor umfasst.
  16. CPS-System nach Anspruch 1, wobei der zweite optische Weg einen Achromat umfasst.
  17. CPS-System nach Anspruch 1, wobei die CPS-Elektronik einen Kompensationsabschnitt umfasst, der zweite optische Weg dazu benutzt wird, das zweite Ausgabespektralprofil von einem repräsentativen Teil der Werkstückoberfläche zu erlangen, der Kompensationsabschnitt das zweite Ausgabespektralprofil empfangt, der erste optische Weg dazu benutzt wird, das erste Ausgabespektralprofil von einem Messabschnitt der Werkstückoberfläche zu erlangen, die sich vom repräsentativen Teil unterscheidet, und der Kompensationsabschnitt dazu benutzt wird, die ersten Ausgabespektralprofildaten in Bezug auf mögliche Fehler einschließlich Fehlern im Zusammenhang mit der Werkstückmaterialkomponente zu kompensieren.
  18. CPS-System nach Anspruch 1, wobei der zweite optische Weg ein konfokaler optischer Weg ist.
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