Today’s measurement tasks in dimensional micro and nano metrology can be characterized by decreasing structural sizes and absolute dimensions of workpieces with increasing three-dimensionality at the same time. This applies to highly curved surfaces like cutting edges of cutting tools, optical lenses and microlens arrays or also functional surfaces. Existing sensors cannot meet the increasing requirements due to a limited measurable surface angle, resulting in higher measurement deviation or erroneous points. The current approach to increase the detectable angle, a sensor data fusion of different measurements under different working angles, is time consuming and introduces additional contributions to measurement uncertainty. Other approaches like deconvolution have a limited effectiveness. This work demonstrates a procedure to increase the detectable surface angle range while avoiding the disadvantages of existing approaches. It is based on the rotation of a sensor around its probing point during the measurement. By tracking the working angle depending on the local surface slope, the sensor stays in its optimal working angle and slope-dependent measurement deviation is avoided. The procedure increases the effectively detectable surface angle and allows the application of 1D sensors for 3D measurements. The sensor tracking was realized and investigated in theory with a simulation environment and practically under the application of a nanopositioning and nanomeasuring machine. The accuracy of a developed rotary kinematic was increased by applying an in-situ calibration principle based on a sensor with electrical near-field interaction and the effectiveness of sensor tracking was verified.

Die Messaufgaben heutiger dimensioneller Mikro- und Nanomesstechnik sind geprägt von zunehmend sinkenden Strukturgrößen und Bauteilabmessungen bei zugleich zunehmender Dreidimensionalität. Dies umfasst stark gekrümmte Oberflächen von Schneidkanten an Werkzeugen, optische Linsen und Mikrolinsenarrays oder auch funktionale Oberflächen. Bestehende Sensorik ist im erfassbaren Oberflächenwinkelbereich begrenzt, was zu steigender Messabweichung und nicht erfassten Punkten führt. Der bestehende Ansatz zur Steigerung des erfassbaren Winkels, eine Datenfusion aus mehreren Messungen mit unterschiedlichen Sensorneigungen, ist zeitaufwändig und bringt zusätzliche Unsicherheitsbeiträge. Andere Verfahren, wie die Dekonvolution sind in ihrer Effektivität begrenzt. Die vorliegende Arbeit zeigt ein Verfahren zur Steigerung des erfassbaren Oberflächenwinkelbereichs und der Vermeidung der Nachteile bestehender Ansätze. Es basiert auf der Rotation eines Sensors um seinen Antastpunkt während der Messung. Durch Nachführung des Arbeitswinkels, abhängig von der lokalen Oberflächenneigung, wird der Sensor stets im optimalen Arbeitswinkel betrieben und winkelbedingte Messabweichung wird vermieden. Das Verfahren erhöht den effektiv erfassbaren Oberflächenwinkel und erlaubt 1D Sensoren für 3D Messungen zu nutzen. Die Sensornachführung wurde theoretisch in einer Simulationsumgebung und praktisch unter Anwendung eines Nanopositionier- und Nanomessgeräts realisiert und untersucht. Die Genauigkeit einer entwickelten Rotationskinematik wurde durch ein in-situ Kalibrierkonzept auf Basis eines Sensors mit elektrischer Nahfeldwechselwirkung gesteigert und die Wirksamkeit der Nachführung verifiziert.