WO2007051567A1 - Measurement system for measurement of boundary surfaces or surfaces of workpieces - Google Patents

Measurement system for measurement of boundary surfaces or surfaces of workpieces Download PDF

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WO2007051567A1
WO2007051567A1 PCT/EP2006/010376 EP2006010376W WO2007051567A1 WO 2007051567 A1 WO2007051567 A1 WO 2007051567A1 EP 2006010376 W EP2006010376 W EP 2006010376W WO 2007051567 A1 WO2007051567 A1 WO 2007051567A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
measuring system
optical fibers
measuring
light source
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/010376
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Martin SCHÖNLEBER
Original Assignee
Precitec Optronik Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Precitec Optronik Gmbh filed Critical Precitec Optronik Gmbh
Publication of WO2007051567A1 publication Critical patent/WO2007051567A1/en

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

Definitions

  • Measuring system for measuring limit For measuring limit or
  • the invention relates to a measuring system for measuring boundary surfaces or surfaces of workpieces
  • an optical waveguide device in whose one end face the light of the at least one light source can be coupled in and whose other end face can be imaged by the objective as a function of the wavelength of the light in different planes;
  • a decoupling device with which at a boundary or surface of the workpiece reflected light from the beam path of the incident light can be decoupled
  • a spectrograph to which the light extracted by the decoupling means can be supplied and which is capable of producing electrical output signals representative of the intensity of the light as a function of the wavelength
  • an evaluation unit to which the electrical signals of the spectrograph can be supplied and which is able to determine therefrom and from stored data the topography of the interface;
  • the optical fiber device is an optical fiber bundle in which a plurality of optical fiber fibers is substantially parallel.
  • optical measuring devices of this type With optical measuring devices of this type meanwhile measurement accuracies in the direction perpendicular to the surface of significantly less than one micrometer can be achieved.
  • triangulation measurement methods interferometric measurement methods and measurement methods based on the autofocus principle, which are similarly known from CD players.
  • a measuring system of the type mentioned at the outset is known from an article by C. Dietz and M. Jurca entitled “An Alternative to the Laser", Sensoragazine No. 4, November 3, 1997, pages 15 to 18.
  • This measuring system enables a particularly accurate surface measurement with a very compact design.
  • white light generated by a halogen or xenon lamp is guided via a (single) glass fiber to a measuring head.
  • the measuring head contains a lens with strong chromatic aberration, which images the lens-side face of the glass fiber at a short distance in a short distance. Due to the chromatic aberration, a wavelength-dependent focal length results for this image.
  • an optical boundary or surface is present in the focal length range of the objective, only light of a specific wavelength produces a sharp pixel on this boundary or surface due to the wavelength-dependent focal length of the objective. Conversely, only the reflection of the light of this wavelength is again imaged sharply on the fiber end and coupled into the fiber. At the opposite end of the fiber, the returning light is decoupled and analyzed in a spectrograph. Each local maximum of the spectral intensity distribution corresponds to a reflective optical boundary or surface. If only the reflex at the next limit or surface of the measuring head is evaluated, then the distance between the measuring head and the boundary or surface can be deduced therefrom. If, in addition, the following boundary or surface is included in the evaluation, the thickness of a transparent layer or of a transparent body can be determined.
  • the thickness of the layer or of the body is obtained as the difference between the measured distances for the upper and the lower boundary or surface.
  • the bodies to be measured it may, for. B. glass panes or thin-walled glass tubes to be produced with uniform slice thickness or wall thickness.
  • Another area of application for the thickness measurement of transparent bodies is the verification of the surface fidelity of lenses.
  • the term surface measurement should therefore also include the layer thickness measurement in this context.
  • the pointwise measurement of the boundary or surface requires a certain amount of time. In principle, it is always desirable, especially in mass production, to keep this time as short as possible. Since usually more than one measuring point is to be machined, a mechanical movement of the measuring head relative to the workpiece is usually essential. This must be done with high accuracy and is relatively sluggish.
  • DE 10 2004 01 1 189 A1 shows a measuring system for measuring surfaces of workpieces, which has all the features of the preamble of claim 1. For the evaluation of the light returned by each fiber from the measuring head, a separate light receiver is required for each fiber.
  • DE 101 61 486 A1 shows the use of a plurality of optical cables with a central illumination fiber and these surrounding optical fibers, which guide the reflected light to an evaluation.
  • work is done in a kind of "dark field", since the light, which is reflected back exactly into the exit surface of the optical fiber, is faded out for the evaluation.
  • the spectrograph and the evaluation unit are designed so that they multi-channel and simultaneously processed at the boundary or surface of the workpiece reflected light of the different optical fibers.
  • the single-channel structure of the known measuring system is multiplied to a multi-channel design, although only one measuring head, a spectrograph and an evaluation unit, possibly modified, are used.
  • a "parallel" arrangement of the plurality of optical fibers within a fiber optic bundle is not to be understood as strict geometric parallelism.
  • Parallel in the context of the present invention, the optical fibers continue to run even when the arrangements of their faces at the two opposite ends of the light guide bundle differ, the individual optical fibers are thus rotated against each other.
  • a common light source is provided for all optical fibers. This means that the "depth range" given by the bandwidth of the light used and the dispersion of the objective, which can be measured on the boundary or surface of the workpiece, is the same for all optical fibers.
  • the coupling of the light from the light source to the individual optical fibers can, for example, be done so that the light source adjacent to the end faces of the optical fibers are arranged on a surrounding the light source circuit or on a spherical surface surrounding the light source. With a light source radiating uniformly into the different solid angles, this means that the light intensity coupled into each fiber optic fiber is approximately the same.
  • an arrangement may be used which is somewhat more complicated and in which the light of a light source is first coupled into an optical fiber and is distributed therefrom via at least one coupling piece to a plurality of optical fibers.
  • the measuring system does not differ appreciably from one in which the same light source is used for all optical fibers.
  • the acceleration of the measuring method in this case is essentially simply based on the fact that the same type of measurement takes place simultaneously in several points in the same "depth range" of the boundary or surface.
  • the second possibility when using different light sources is that at least a part of the light sources radiate in different wavelength ranges. In this case, at the same time measurements can be made in different depth ranges, which otherwise could not be made for a given broadband of the individual light source.
  • the end faces of the optical fibers facing the measuring head are arranged in a linear array.
  • a linear array This is particularly suitable where measuring points are to be measured on a boundary or surface, which lie on a straight line.
  • a relatively wide "strip" of the boundary or surface can be scanned with this linear array in a scanning movement of the measuring head.
  • the ends of the optical fiber fibers facing the measuring head can also form a two-dimensional matrix-like array. With this array it is possible to measure an entire area of a boundary or surface while the measuring head is stationary. With the measuring head moved, the boundary or surface can be scanned in a relatively wide "strip" by proceeding in the direction of movement of the measuring head in steps corresponding to the width of the array in this direction.
  • the ends of the optical fiber fibers facing the measuring head can be arranged in a workpiece-adapted array, in particular in a circular or cross shape.
  • measuring points must be measured which are located in a specific geometric arrangement on the workpiece. If the array of the ends of the optical waveguide fibers facing the measuring head is matched to the arrangement of the measuring points, movement of the measuring head during the measurement is not necessary.
  • the thickness of a transparent layer is to be measured, but generally also where comparatively large "depths" of the boundary or surface are to be detected, that embodiment of the invention in which the measuring head is suitable facing ends of the optical fibers are at least partially offset in the axial direction against each other.
  • the decoupling device may comprise a beam splitter; In this case, therefore, the coupling takes place outside of the optical fibers.
  • the decoupling device comprises at least one optical fiber coupling piece.
  • Such couplings generally T-couplings, are commercially available.
  • optical fibers of a fiber optic fiber bundle which is guided from the coupling device to the spectrograph, are arranged in an input gap of the spectrograph and that the end faces of the optical fiber bundle Fers to a corresponding number of strip-shaped detector Arrays of a detector device are imaged, wherein the strip-shaped detector arrays are arranged to extend transversely to the entrance gap.
  • the multi-channel processing of the light signals supplied by the individual optical fiber fibers can be made particularly simple.
  • strip-shaped detector arrays individual linear detectors can be used, but it is also conceivable that a two-dimensional detector array is used, individual rows or groups of lines being used as strip-shaped detectors.
  • the decoupling device can also be located in the measuring head. Then, a first optical fiber bundle leads from the light source or the light sources to the measuring head and a second optical fiber bundle leads from the measuring head to the spectrograph.
  • Figure 1 shows schematically the structure of a measuring system according to the invention
  • Figures Ia to 2c several ways to assign a plurality of optical fibers of one or more light sources
  • FIGS. 3a to 3d show several possibilities of arranging the optical fibers at their workpiece-near end
  • FIG. 4 schematically shows a measuring head which can alternatively be used in the measuring system of FIG. 1;
  • FIG. 5 shows an alternative to Figure 1 way of decoupling the light reflected on the measured workpiece light.
  • FIG. 6 is a schematic exploded view of the most important components of the spectrograph used in the measuring system of FIG.
  • the measuring system shown here and designated overall by the reference numeral 1 comprises two light-emitting diodes 2a, 2b, which serve as light sources.
  • the two light-emitting diodes 2 a, 2 b emit light in a certain wavelength range, ie they do not emit monochromatic light.
  • the wavelength range of the two light-emitting diodes 2a, 2b can be identical but also different.
  • the light emitted by the light-emitting diodes 2 a, 2 b is at least approximately parallelized by a first lens 4, then passes through a beam splitter cube 5 and a second lens 6, which projects the two light-emitting diodes 2 a, 2 b onto the end faces of two lens fibers arranged parallel to one another 7a, 7b focused.
  • the two optical fibers 7a, 7b form an optical fiber bundle 7 in the terminology of the appended claims.
  • the ends of the two optical fiber fibers 7a, 7b remote from the lens 6 lie within a measuring head 8, which is arranged in the vicinity of an interface 9 of a workpiece to be measured.
  • the measuring head 8 contains, as the most important component, an objective 10 which is indicated only schematically and which has a high dispersion in a known manner, that is to say is not consciously chromatically correct.
  • the objective 10 images the different wavelengths contained in the light of the light-emitting diodes 2 a, 2 b in different focal planes, a sharp image being achieved in the boundary surface 9 of the workpiece only for a specific wavelength.
  • the corresponding light is shown in FIG. 1 by solid lines, while the light of another wavelength, which is focused at a smaller distance from the objective 10, is shown in dashed lines.
  • the light reflected at the interface 9 of the workpiece passes through the lens 10 in the opposite direction and is focused by this on the lens 10 adjacent end faces of the two optical fibers 7a, 7b.
  • the light emerging from the opposite end faces of the optical fibers 7a, 7b is approximately parallelized by the lens 6 and partially - reflected at the mirror surface of the beam splitter cube 5 so that it falls in the lateral direction of another lens 1 1, which throws the two beams on the entrance slit of a spectrograph 12.
  • the internal structure of the spectrograph 12 will be explained below with reference to FIG. 6; For the moment it is sufficient to know that the spectrograph 12 generates electrical signals which are representative of the intensity of the received light as a function of the wavelength and which one
  • Evaluation unit 13 are supplied.
  • the evaluation unit 13 calculates the topography of the interface 9 of the workpiece from the electrical signals supplied to it and from variables stored in it.
  • the measuring system shown in Figure 1 is to be understood in many respects as a duplication of known measuring systems, wherein the duplication relates to the number of light sources and the number of optical fibers;
  • the optical elements 4, 5, 6, 10, 1 1, the spectrograph 12 and the evaluation unit 13 are provided only once.
  • the evaluation of the information obtained by the spectrograph 12 in the evaluation unit 13 can be carried out according to the same principles, as is also the case with the prior art mentioned at the outset. This may be referred to.
  • the measurement system 1 shown in FIG. 1 makes it possible to topographically measure a specific interface 9 in a much faster manner than in the prior art. In this case, a distinction is made between those cases in which the two light emitting diodes 2a, 2b emit light of the same wavelength range, and those in which the emitted wavelength ranges of the two light emitting diodes 2a, 2b differ.
  • the acceleration of the evaluation process simply results from the fact that at any time of the survey two closely spaced points of the interface 9 can be measured, so that during a scanning movement of the measuring head 8, for measuring the entire interface 9 is required, can be worked in wider stripes.
  • the distance between the two images of the LEDs 2a, 2b on the interface 9 of the workpiece to be measured is selected in accordance with the accuracy requirements. For example, in those cases where the wavelength ranges emitted by the two light-emitting diodes 2a, 2b are different, the arrangement of FIG. 1 serves simultaneously to perform topographic measurements at different distances from the measuring head 8, for example at an upper and lower boundary surface of one transparent layer.
  • the more accurate the measurement result the closer the two images of the LEDs 2a, 2b are laterally adjacent to one another.
  • the described arrangement makes it possible to measure interfaces that are so far apart that they could no longer be measured with the wavelength range emitted by a single light source.
  • Different wavelength ranges are generally advantageous wherever the measurements are to extend over a "depth" of the workpiece that can no longer be covered by the wavelength range of a single light source.
  • the measuring system 1 shown in FIG. 1 can be understood as a two-channel measuring system. Of course, it is possible to use a larger number of channels instead of two channels.
  • FIG. 2a A first example of a four-channel configuration of the measuring system 1 is shown in FIG. 2a.
  • this four light sources 102a, 102b, 102c, 102d are shown, each associated with an optical fiber 107a, 107b, 107c, 107d.
  • the optical fiber bundle 107 thus comprises as many optical fibers 107a to 107d as there are light sources 102a to 102d.
  • light sources in particular superluminescent diodes, which emit a sufficiently broadband light come into consideration as light sources.
  • the wavelength range emitted by the different light sources 102a-102d may be the same or different depending on the application.
  • FIG. 2a shows no imaging elements which couple the light emitted by the light sources 102a to 102d into the adjacent end faces of the optical fibers 107a to 107d.
  • imaging elements can be provided. This applies equally to FIGS. 2b and 2c described below.
  • FIG. 2b shows another type, as in four optical fibers 207a, 207b, 207c,
  • the ends of the four optical fibers 207a, 207b, 207c, 207d are bent so that the corresponding end faces lie approximately on a circle surrounding the light source 202.
  • all the optical fibers 207a to 207d of light of the same wavelength range happens as a broadband light source is preferably a xenon or halogen lamp.
  • a broadband light source is preferably a xenon or halogen lamp.
  • the illustrated two-dimensional arrangement of the end faces of the optical waveguide fibers 207a, 207d such is also considered, in which the individual end faces lie on a spherical surface surrounding the light source 202.
  • a single light source 302 is used, which in turn is preferably a xenon or halogen lamp.
  • a supercontum radiation source is considered as the light source.
  • the light emitted by the light source 302 is first coupled into an optical fiber 307a, which branches into the two optical fibers 307b, 307c via a first T-coupling piece 307a.
  • Each optical waveguide fiber 307b, 307c splits again into two optical waveguide fibers 307d, 307e or 307f, 307g via each respective T-coupling piece 307i or 307k.
  • the optical fiber bundle 307 of Figure 2c consists of a total of four optical fibers 307d to 307g.
  • the arrangement of the end faces of the optical fibers need not coincide at both ends, but it is possible to "twist" the optical fibers within their fiber optic fiber bundle between their end near the light source and its end near the measuring head so that virtually any arrangement or “arrays” of radiating faces in the vicinity of the probe
  • FIG. 3b shows a two-dimensional matrix of a total of twelve optical fiber fibers 407a to 4071 (for reasons of clarity, not all of the optical fibers are provided with the corresponding reference symbol in FIGS. 3b to 3d).
  • This arrangement can also be used for "stripwise" scanning of the interface 9 to be measured, wherein the scanning movement can be “stepwise” by performing a jump or step of the scan movement after each measurement process, which is the width of the matrix in this direction equivalent. If all measuring points lie within the area covered by the matrix, then movement of the measuring head 8 is not required.
  • FIG. 3c shows an "object-adapted" array of eight optical fibers 507a to 507h, whose end faces facing the measuring head lie on a circle. This arrangement is intended for such applications in which the points to be measured of the interface of the workpiece are at least approximately on a circle.
  • FIG. 3b Another object-adapted arrangement of nine optical fiber fibers 607a to 607i is shown in FIG. 3b.
  • the end faces of the optical waveguide fibers 607a, 607i facing the measuring head 8 form a cross, which likewise eliminates or at least minimizes scanning movement of the measuring head 8 in many applications.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a measuring head 708 in which the end faces of the optical fiber fibers 707a and 707b inserted into it end at different distances from the objective 710.
  • This arrangement can be used in particular where large "depth differences" are to be measured in the workpiece, for example, where a relatively large thickness of a transparent layer is to be determined on a workpiece.
  • narrower light sources can be used than would be required if the images of the end faces of both optical fibers 707a and 707b would be in the same plane at the same wavelength.
  • the light reflected at the interface 9 to be measured is decoupled by means of the beam splitter cube 5 and fed to the spectrograph 12.
  • a beam splitter cube 5 it is also possible to use an optical waveguide coupling device, as shown in FIG. 5 and provided there overall with the reference numeral 805.
  • an optical fiber bundle 807 is illustrated with three optical fiber fibers 807a, 807b, 807c extending from a holder 814 near the light source (s) to a holder 815 within the probe near the objective.
  • optical fibers 807a, 807b, 807c each open via a T-coupling piece 807d, 807e, 807f three further optical fibers 807g, 807h, 807i. Their ends are fastened in a holder 816, which is arranged in the vicinity of the entrance slit of the spectrograph 12.
  • the function of the coupling device 805 is self-explanatory.
  • the structure of the spectrograph 12 is shown schematically, which in principle can be used in all cases described above. It contains a first lens 20, which substantially parallelizes the light emitted in this case by a light-fiber bundle 7 arranged in its entrance slit 19 with light emitted by five optical fibers 7a to 7d. This parallelized light traverses a diffraction grating 21 and is thereby decomposed into the individual wavelengths contained in it and deflected in different dimensions in FIG. 6 in the horizontal direction.
  • a second lens 22 forms the end faces of the optical fiber bundle 7 on a corresponding number, in the present case five, horizontal stripes shaped detector arrays 23a, 23b, 23c, 23d and 23e of a detector device 23 from.
  • the evaluation unit 13 which is associated with this spectrograph 12, can determine the light intensity measured there for each "pixel" of the detector arrays 23a to 23e and assign it to the corresponding wavelength. From the result obtained in this way, the topography of the measured boundary surface (s) can be determined from data stored in the evaluation unit 13 and obtained, for example, in a previously performed calibration process, and output, for example, in a display.
  • the decoupling device is located in the measuring head.
  • a first optical fiber bundle leads from the light source or the light sources to the measuring head and a second optical fiber bundle from the measuring head to the spectrograph.
  • optical fibers 7, optionally in combination with a decoupling device such as shown in FIG. 5, any desired, object-adapted array arrangement of its end faces in the area of the measuring head 8 is possible (examples are shown in FIGS. 3a-3d), while at the same time the input gap 19 arranged or to be imaged on these faces of the optical fibers is a linear Form an array extending transversely to the dispersion direction of the spectrograph.

Abstract

A measurement system (1) for measurement of boundary surfaces or surfaces (9) of workpieces has at least one light source (2a, 2b) which emits non-monochromatic light. This light is supplied by an optical waveguide device (7), which contains a plurality of optical fibres (7a, 7b), to a measurement head (8) in which a chromatically uncorrected objective (10) is located. This images the adjacent end surfaces of the two optical fibres (7a, 7b) on different planes, as a function of the wavelength of the light. The light which is reflected on the measured boundary surface or surface (9) of the workpiece is output from the beam path of the incident light by means of an output device (5), and is passed to a spectrograph (12). This spectrograph (12) is designed in the same way as an evaluation unit (13) connected downstream from it, such that it can process the light that is supplied to and has been reflected on the boundary surface (9) of the workpiece, from the various optical fibres (7a, 7b), on a plurality of channels and at the same time, in such a manner that the topography of the boundary surface or surface (9) of the workpiece is determined quickly.

Description

Messsystem zur Vermessung von Grenz- oder Measuring system for measuring limit or
Oberflächen von WerkstückenSurfaces of workpieces
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Vermessung von Grenz- oder Oberflächen von Werkstücken mitThe invention relates to a measuring system for measuring boundary surfaces or surfaces of workpieces
a) mindestens einer Lichtquelle, die ein nicht-monochromatisches Licht aussendet;a) at least one light source emitting a non-monochromatic light;
b) einem Messkopf, der ein chromatisch nicht korrigiertes Objektiv aufweist;b) a measuring head having a chromatically uncorrected objective;
c) einer Lichtleitereinrichtung, in deren eine Stirnfläche das Licht der mindestens einen Lichtquelle einkoppelbar und deren andere Stirnfläche von dem Objektiv in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtes in unterschiedlichen Ebenen abbildbar ist;c) an optical waveguide device, in whose one end face the light of the at least one light source can be coupled in and whose other end face can be imaged by the objective as a function of the wavelength of the light in different planes;
d) einer Auskoppeleinrichtung, mit welcher an einer Grenz- oder Oberfläche des Werkstückes reflektiertes Licht aus dem Strahlengang des einfallenden Lichtes auskoppelbar ist;d) a decoupling device, with which at a boundary or surface of the workpiece reflected light from the beam path of the incident light can be decoupled;
e) einem Spektrographen, dem das durch die Auskoppeleinrichtung ausge- koppelte Licht zuführbar und der in der Lage ist, elektrische Ausgangssignale zu erzeugen, die für die Intensität des Lichtes als Funktion der Wellenlänge repräsentativ sind; unde) a spectrograph to which the light extracted by the decoupling means can be supplied and which is capable of producing electrical output signals representative of the intensity of the light as a function of the wavelength; and
f) einer Auswerteeinheit, der die elektrischen Signale des Spektrographen zuführbar sind und die in der Lage ist, hieraus und aus abgespeicherten Daten die Topographie der Grenzfläche zu ermitteln;f) an evaluation unit, to which the electrical signals of the spectrograph can be supplied and which is able to determine therefrom and from stored data the topography of the interface;
g) wobei die Lichtleitereinrichtung ein Lichtleiter-Faserbündel ist, in dem eine Mehrzahl von Lichtleiterfasern im wesentlichen parallel verläuft.g) wherein the optical fiber device is an optical fiber bundle in which a plurality of optical fiber fibers is substantially parallel.
In vielen Bereichen der Technik, etwa der Qualitätssicherung und Verschleißprüfung in der Luft- und Raumfahrt oder der Kraftwerkstechnik, stellt sich die Aufgabe, mit Hilfe eines Messgeräts berührungslos Oberflächen unterschiedlicher Art zu vermessen. Ziel derartiger Messungen ist dabei im Allgemeinen, für eine Vielzahl von Messpunkten, die entlang einer Linie oder auch über eine Fläche verteilt angeordnet sein können, den Abstand zu einer durch die Lage des Messgeräts vorgegebenen Referenzebene zu ermitteln. Auf diese Weise erhält man ein zweidimensionales Profil bzw. eine dreidimensionale Topographie der Oberfläche. Werden die gewonnenen Daten auf einem Datensichtgerät dargestellt, so lassen sich z. B. Fertigungs- und Materialfehler genau erkennen.In many areas of technology, such as quality assurance and wear testing in aerospace or power plant technology, arises the task of measuring non-contact surfaces of different types with the aid of a measuring device. The aim of such measurements is generally for a plurality of measuring points, which may be distributed along a line or over a surface, to determine the distance to a predetermined by the position of the measuring device reference plane. In this way one obtains a two-dimensional profile or a three-dimensional topography of the surface. If the data obtained displayed on a visual display, so can be z. B. accurately recognize manufacturing and material defects.
Mit optischen Messgeräten dieser Art können inzwischen Messgenauigkeiten in Richtung senkrecht zur Oberfläche von deutlich weniger als einem Mikrometer erzielt werden. Besonders verbreitet sind hierbei triangulatorische Messverfahren, interferometrische Messverfahren sowie auf dem Autofo- kus-Prinzip beruhende Messverfahren, wie sie in ähnlicher Weise von CD-Spielern her bekannt sind.With optical measuring devices of this type meanwhile measurement accuracies in the direction perpendicular to the surface of significantly less than one micrometer can be achieved. Particularly widespread are triangulation measurement methods, interferometric measurement methods and measurement methods based on the autofocus principle, which are similarly known from CD players.
Ein Messsystem der eingangs genannten Art ist aus einem Aufsatz von C. Dietz und M. Jurca mit dem Titel "Eine Alternative zum Laser", Sensormaga- zin Nr. 4, 3. November 1997, Seiten 15 bis 18 bekannt. Dieses Messsystem ermöglicht eine besonders genaue Oberflächenvermessung bei gleichzeitig sehr kompakter Bauweise. Bei dem bekannten Messsystem wird von einer Halogenoder Xenonlampe erzeugtes weißes Licht über eine (einzige) Glasfaser zu einem Messkopf geführt. Der Messkopf enthält ein Objektiv mit starker chroma- tischer Aberration, welches die objektivseitige Stirnfläche der Glasfaser in kurzer Entfernung verkleinert abbildet. Infolge der chromatischen Aberration ergibt sich eine wellenlängenabhängige Brennweite für diese Abbildung.A measuring system of the type mentioned at the outset is known from an article by C. Dietz and M. Jurca entitled "An Alternative to the Laser", Sensoragazine No. 4, November 3, 1997, pages 15 to 18. This measuring system enables a particularly accurate surface measurement with a very compact design. In the known measuring system, white light generated by a halogen or xenon lamp is guided via a (single) glass fiber to a measuring head. The measuring head contains a lens with strong chromatic aberration, which images the lens-side face of the glass fiber at a short distance in a short distance. Due to the chromatic aberration, a wavelength-dependent focal length results for this image.
Befindet sich eine optische Grenz- oder Oberfläche in dem Brennweitenbe- reich des Objektivs, so erzeugt aufgrund der wellenlängenabhängigen Brennweite des Objektivs nur Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge einen scharfen Bildpunkt auf dieser Grenz- oder Oberfläche. Umgekehrt wird nur der Reflex des Lichtes dieser Wellenlänge wieder scharf auf das Faserende abgebildet und in die Faser eingekoppelt. Am gegenüberliegenden Ende der Faser wird das zurücklaufende Licht ausgekoppelt und in einem Spektrographen analysiert. Jedes lokale Maximum der spektralen Intensitätsverteilung entspricht einer reflektierenden optischen Grenz- oder Oberfläche. Wird nur der Reflex an der dem Messkopf nächsten Grenz- oder Oberfläche ausgewertet, so lässt sich daraus der Abstand zwischen dem Messkopf und der Grenz- oder Oberfläche ableiten. Wird zusätzlich auch die darauf folgende Grenz- oder Oberfläche in die Auswertung mit einbεzogen, so lässt sich die Dicke einer transparenten Schicht oder eines transparenten Körpers bestimmen. Die Dicke der Schicht oder des Körpers ergibt sich dabei als Differenz der gemessenen Abstände für die obere und die untere Grenz- oder Oberfläche. Bei den zu vermessenden Körpern kann es sich z. B. um Glasscheiben oder dünnwandige Glasrohre handeln, die mit gleichmäßiger Scheibendicke bzw. Wandstärke hergestellt werden sollen. Ein weiteres Anwendungsgebiet für die Dickenmessung transparenter Körper ist die Überprüfung der Flächen treue von Linsen. Der Begriff der Oberflächenvermessung soll deswegen in diesem Zusammenhang auch die Schichtdickenmessung umfassen.If an optical boundary or surface is present in the focal length range of the objective, only light of a specific wavelength produces a sharp pixel on this boundary or surface due to the wavelength-dependent focal length of the objective. Conversely, only the reflection of the light of this wavelength is again imaged sharply on the fiber end and coupled into the fiber. At the opposite end of the fiber, the returning light is decoupled and analyzed in a spectrograph. Each local maximum of the spectral intensity distribution corresponds to a reflective optical boundary or surface. If only the reflex at the next limit or surface of the measuring head is evaluated, then the distance between the measuring head and the boundary or surface can be deduced therefrom. If, in addition, the following boundary or surface is included in the evaluation, the thickness of a transparent layer or of a transparent body can be determined. The thickness of the layer or of the body is obtained as the difference between the measured distances for the upper and the lower boundary or surface. In the bodies to be measured, it may, for. B. glass panes or thin-walled glass tubes to be produced with uniform slice thickness or wall thickness. Another area of application for the thickness measurement of transparent bodies is the verification of the surface fidelity of lenses. The term surface measurement should therefore also include the layer thickness measurement in this context.
Bei dem eingangs genannten bekannten Messsystem benötigt die punktweise Vermessung der Grenz- oder Oberfläche selbstverständlich eine gewisse Zeit. Grundsätzlich ist es, insbesondere in der Massenfertigung, immer erwünscht, diese Zeit so kurz wie möglich zu halten. Da in der Regel mehr als ein Messpunkt zu bearbeiten ist, ist eine mechanische Bewegung des Messkopfes ge- genüber dem Werkstück meist unerlässlich. Diese muss mit hoher Genauigkeit geführt werden und ist verhältnismäßig träge.Of course, in the case of the known measuring system mentioned at the outset, the pointwise measurement of the boundary or surface requires a certain amount of time. In principle, it is always desirable, especially in mass production, to keep this time as short as possible. Since usually more than one measuring point is to be machined, a mechanical movement of the measuring head relative to the workpiece is usually essential. This must be done with high accuracy and is relatively sluggish.
Die DE 10 2004 01 1 189 Al zeigt ein Messsystem zur Vermessung von Oberflächen von Werkstücken, das sämtliche Merkmale des Oberbegriffs des gel- tenden Anspruchs 1 aufweist. Für die Auswertung des durch jede Faser vom Messkopf zurückgeleiteten Lichtes ist dabei ein eigener Lichtempfänger für jede Faser erforderlich.DE 10 2004 01 1 189 A1 shows a measuring system for measuring surfaces of workpieces, which has all the features of the preamble of claim 1. For the evaluation of the light returned by each fiber from the measuring head, a separate light receiver is required for each fiber.
Die DE 101 61 486 Al zeigt den Einsatz von einer Vielzahl von Lichtleitkabeln mit einer zentralen Beleuchtungsfaser und diese umgebende Lichtleiterfasern, die das reflektierte Licht zu einer Auswerteeinrichtung führen. Hier wird in einer Art "Dunkelfeld" gearbeitet, da das Licht, das genau in die Austrittsfläche der Lichtleiterfaser zurückreflektiert wird, für die Auswertung ausgeblendet wird.DE 101 61 486 A1 shows the use of a plurality of optical cables with a central illumination fiber and these surrounding optical fibers, which guide the reflected light to an evaluation. Here, work is done in a kind of "dark field", since the light, which is reflected back exactly into the exit surface of the optical fiber, is faded out for the evaluation.
Auch hier sind im Wesentlichen alle Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gezeigt. Der Aufbau einer Auswerteeinrichtung, die eine spektrale Zerlegung des Lichtes und eine entsprechende Auswertung der Intensität durchführen muss, ist jedoch nicht erläutert.Again, essentially all features of the preamble of claim 1 are shown. The structure of an evaluation device, which is a spectral However, decomposition of the light and a corresponding evaluation of the intensity must be performed is not explained.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Messsystem der ein- gangs genannten Art bereitzustellen, das insgesamt schneller arbeitet.It is therefore an object of the present invention to provide a measuring system of the type mentioned at the outset which operates faster overall.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dassThis object is achieved in that
h) der Spektrograph und die Auswerteeinheit so ausgebildet sind, dass sie mehrkanalig und zeitgleich das an der Grenz- oder Oberfläche des Werkstücks reflektierte Licht der verschiedenen Lichtleiterfasern verarbeitet.h) the spectrograph and the evaluation unit are designed so that they multi-channel and simultaneously processed at the boundary or surface of the workpiece reflected light of the different optical fibers.
Erfindungsgemäß wird also im Prinzip der einkanalige Aufbau des bekannten Messsystems zu einer mehrkanaligen Bauweise vervielfacht, wobei allerdings nur ein Messkopf, ein Spektrograph und eine Auswerteeinheit, ggf. modifiziert, Verwendung finden. Unter einer "parallelen" Anordnung der mehreren Lichtleiterfasern innerhalb eines Lichtleiter-Bündels ist dabei keine strenge geometrische Parallelität zu verstehen. "Parallel" im Sinne der vorliegenden Erfindung verlaufen die Lichtleiterfasern auch dann noch, wenn die Anord- nungen ihrer Stirnflächen an den beiden gegenüberliegenden Enden des Lichtleiter-Bündels sich unterscheiden, die einzelnen Lichtleiterfasern also gegeneinander verdreht sind.Thus, according to the invention, in principle, the single-channel structure of the known measuring system is multiplied to a multi-channel design, although only one measuring head, a spectrograph and an evaluation unit, possibly modified, are used. A "parallel" arrangement of the plurality of optical fibers within a fiber optic bundle is not to be understood as strict geometric parallelism. "Parallel" in the context of the present invention, the optical fibers continue to run even when the arrangements of their faces at the two opposite ends of the light guide bundle differ, the individual optical fibers are thus rotated against each other.
Durch den mehrkanaligen Aufbau kann eine bestimmte Grenz- oder Oberflä- che in einem Bruchteil der Zeit, je nach der Anzahl der verwendeten Lichtleiterfasern ausgemessen werden. Unter günstigen Umständen ist es nicht mehr erforderlich, den Messkopf überhaupt gegenüber dem Werkstück zu verfahren, was sehr zur Beschleunigung des Messverfahrens beiträgt.Due to the multichannel structure, a specific boundary or surface can be measured in a fraction of the time, depending on the number of optical fibers used. Under favorable circumstances, it is no longer necessary to move the measuring head at all with respect to the workpiece, which greatly contributes to the acceleration of the measuring method.
Im einfachsten Falle ist für alle Lichtleiterfasern eine gemeinsame Lichtquelle vorgesehen. Dies bedeutet, dass der durch die Bandbreite des verwendeten Lichts und die Dispersion des Objektivs vorgegebene "Tiefenbereich", der auf der Grenz- oder Oberfläche des Werkstückes vermessen werden kann, für alle Lichtleiterfasern derselbe ist.In the simplest case, a common light source is provided for all optical fibers. This means that the "depth range" given by the bandwidth of the light used and the dispersion of the objective, which can be measured on the boundary or surface of the workpiece, is the same for all optical fibers.
In diesem Falle kann die Einkopplung des Lichtes von der Lichtquelle auf die einzelnen Lichtleiterfasern beispielsweise so geschehen, dass die der Licht- quelle benachbarten Stirnflächen der Lichtleiterfasern auf einem die Lichtquelle umgebenden Kreis oder auf einer die Lichtquelle umgebenden Kugelfläche angeordnet sind. Bei einer gleichmäßig in die verschiedenen Raumwinkel strahlenden Lichtquelle bedeutet dies, dass die in jede Lichtleiterfaser einge- koppelte Lichtintensität in etwa dieselbe ist.In this case, the coupling of the light from the light source to the individual optical fibers can, for example, be done so that the light source adjacent to the end faces of the optical fibers are arranged on a surrounding the light source circuit or on a spherical surface surrounding the light source. With a light source radiating uniformly into the different solid angles, this means that the light intensity coupled into each fiber optic fiber is approximately the same.
Alternativ kann eine Anordnung verwendet werden, die etwas aufwendiger ist und bei welcher das Licht der einen Lichtquelle zunächst in eine Lichtleiterfaser eingekoppelt wird und aus dieser über mindestens ein Koppelstück auf mehrere Lichtleiterfasern verteilt wird.Alternatively, an arrangement may be used which is somewhat more complicated and in which the light of a light source is first coupled into an optical fiber and is distributed therefrom via at least one coupling piece to a plurality of optical fibers.
Es ist auch möglich, dass unterschiedliche Lichtquellen für unterschiedliche Lichtleiterfasern vorgesehen sind. Dabei wiederum gibt es zwei Möglichkeiten:It is also possible that different light sources are provided for different optical fibers. Again, there are two possibilities:
Entweder strahlt zumindest ein Teil der Lichtquellen im selben Wellenlängenbereich. Dann unterscheidet sich funktional das Messsystem insoweit nicht nennenswert von einem solchen, bei dem für alle Lichtleiterfasern dieselbe Lichtquelle verwendet wird. Die Beschleunigung des Messverfahrens beruht in diesem Falle im wesentlichen schlicht darauf, dass dieselbe Art von Messung im selben "Tiefenbereich" der Grenz- oder Oberfläche gleichzeitig an mehreren Punkten stattfindet.Either at least some of the light sources emit in the same wavelength range. Then functionally the measuring system does not differ appreciably from one in which the same light source is used for all optical fibers. The acceleration of the measuring method in this case is essentially simply based on the fact that the same type of measurement takes place simultaneously in several points in the same "depth range" of the boundary or surface.
Die zweite Möglichkeit bei Verwendung unterschiedlicher Lichtquellen ist die, dass mindestens ein Teil der Lichtquellen in unterschiedlichen Wellenlängen- bereichen strahlen. In diesem Falle können gleichzeitig Messungen in unterschiedlichen Tiefenbereichen vorgenommen werden, die bei einer gegebenen Breitbandigkeit der einzelnen Lichtquelle sonst nicht vorgenommen werden könnten.The second possibility when using different light sources is that at least a part of the light sources radiate in different wavelength ranges. In this case, at the same time measurements can be made in different depth ranges, which otherwise could not be made for a given broadband of the individual light source.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die dem Messkopf zugewandten Stirnflächen der Lichtleiterfasern in einem linearen Array angeordnet. Dieses eignet sich insbesondere dort, wo Messpunkte auf einer Grenz- oder Oberfläche ausgemessen werden sollen, die auf einer Geraden liegen. Alternativ lässt sich mit diesem linearen Array in einer Scanbewe- gung des Messkopfes ein verhältnismäßig breiter "Streifen" der Grenz- oder Oberfläche abtasten. Die dem Messkopf zugewandten Enden der Lichtleiterfasern können auch ein zweidimensionales matrixartiges Array bilden. Mit diesem Array ist bei stehendem Messkopf die Messung eines ganzen Bereiches einer Grenz- oder Oberfläche möglich. Bei bewegtem Messkopf kann in einem verhältnismäßig breiten "Streifen" die Grenz- oder Oberfläche abgetastet werden, indem in Bewegungsrichtung des Messkopfes in Schritten vorgegangen wird, welche der Breite des Arrays in dieser Richtung entsprechen. Werden die Stirnseiten der Lichtleiterfasern in benachbarten Zeilen der zweidimensionalen Matrix etwas gegeneinander versetzt, sodass die Spalten der Matrix nicht mehr senkrecht sondern schräg zu den Zeilen verlaufen, so können in einer kontinuierlichen Scanbewegung sehr dicht beieinander liegende Punkte auf der Grenzflache des Werkstücks vermessen werden.In a further preferred embodiment of the invention, the end faces of the optical fibers facing the measuring head are arranged in a linear array. This is particularly suitable where measuring points are to be measured on a boundary or surface, which lie on a straight line. Alternatively, a relatively wide "strip" of the boundary or surface can be scanned with this linear array in a scanning movement of the measuring head. The ends of the optical fiber fibers facing the measuring head can also form a two-dimensional matrix-like array. With this array it is possible to measure an entire area of a boundary or surface while the measuring head is stationary. With the measuring head moved, the boundary or surface can be scanned in a relatively wide "strip" by proceeding in the direction of movement of the measuring head in steps corresponding to the width of the array in this direction. If the end faces of the optical fibers in adjacent rows of the two-dimensional matrix offset slightly from each other, so that the columns of the matrix no longer perpendicular but obliquely to the lines, so in a continuous scanning movement very close together points on the interface of the workpiece can be measured.
Allgemein gilt, dass die dem Messkopf zugewandten Enden der Lichtleiterfa- sern in einem Werkstück-angepassten Array, insbesondere in Kreis- oder Kreuzform, angeordnet sein können. Für viele Anwendungszwecke müssen Messpunkte vermessen werden, die sich in einer bestimmten geometrischen Anordnung auf dem Werkstück befinden. Wird das Array der dem Messkopf zugewandten Enden der Lichtleiterfasern der Anordnung der Messpunkte an- gepasst, so ist eine Bewegung des Messkopfes während der Messung nicht erforderlich.In general, the ends of the optical fiber fibers facing the measuring head can be arranged in a workpiece-adapted array, in particular in a circular or cross shape. For many applications, measuring points must be measured which are located in a specific geometric arrangement on the workpiece. If the array of the ends of the optical waveguide fibers facing the measuring head is matched to the arrangement of the measuring points, movement of the measuring head during the measurement is not necessary.
Besonders für solche Anwendungsfälle, bei denen die Dicke einer transparenten Schicht vermessen werden soll, aber generell auch dort, wo verhältnismä- ßig große "Tiefen" der Grenz- oder Oberfläche erfasst werden sollen, eignet sich diejenige Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die dem Messkopf zugewandten Enden der Lichtleiterfasern zumindest teilweise in axialer Richtung gegeneinander versetzt sind.Particularly for those applications in which the thickness of a transparent layer is to be measured, but generally also where comparatively large "depths" of the boundary or surface are to be detected, that embodiment of the invention in which the measuring head is suitable facing ends of the optical fibers are at least partially offset in the axial direction against each other.
Die Auskoppeleinrichtung kann einen Strahlteiler umfassen; in diesem Falle erfolgt also die Auskopplung außerhalb der Lichtleiterfasern.The decoupling device may comprise a beam splitter; In this case, therefore, the coupling takes place outside of the optical fibers.
Alternativ ist es möglich, dass die Auskoppeleinrichtung mindestens ein Lichtleiter-Koppelstück umfasst. Derartige Koppelstücke, im Allgemeinen T-Koppelstücke, sind im Handel erhältlich. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Lichtleiterfasern eines Lichtleiter-Faserbündels, das von der Auskoppeleinrichtung zum Spektrographen geführt ist, in einem Eingangsspalt des Spektrographen angeordnet sind und dass die Stirnflächen des Lichtleiter-Fa- serbündels auf eine entsprechende Anzahl von streifenförmigen Detektor- arrays einer Detektoreinrichtung abgebildet werden, wobei die streifenförmigen Detektorarrays quer zum Eingangsspalt verlaufend angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich die mehrkanalige Verarbeitung der von den einzelnen Lichtleiterfasern gelieferten Lichtsignalen besonders einfach gestalten. Als streifenförmige Detektorarrays können einzelne linienförmige Detektoren verwendet werden, es ist aber auch denkbar, dass ein zweidimensionales Detek- torarray eingesetzt wird, wobei einzelne Zeilen oder Gruppen von Zeilen als streifenförmige Detektoren verwendet werden.Alternatively, it is possible that the decoupling device comprises at least one optical fiber coupling piece. Such couplings, generally T-couplings, are commercially available. In a particularly preferred embodiment of the invention it is provided that optical fibers of a fiber optic fiber bundle, which is guided from the coupling device to the spectrograph, are arranged in an input gap of the spectrograph and that the end faces of the optical fiber bundle Fers to a corresponding number of strip-shaped detector Arrays of a detector device are imaged, wherein the strip-shaped detector arrays are arranged to extend transversely to the entrance gap. In this way, the multi-channel processing of the light signals supplied by the individual optical fiber fibers can be made particularly simple. As strip-shaped detector arrays, individual linear detectors can be used, but it is also conceivable that a two-dimensional detector array is used, individual rows or groups of lines being used as strip-shaped detectors.
Die Auskoppeleinrichtung kann sich auch im Messkopf befinden. Dann führt ein erstes Lichtleiter-Faserbündel von der Lichtquelle oder den Lichtquellen zum Messkopf und ein zweites Lichtleiter-Faserbündel vom Messkopf zum Spektrographen .The decoupling device can also be located in the measuring head. Then, a first optical fiber bundle leads from the light source or the light sources to the measuring head and a second optical fiber bundle leads from the measuring head to the spectrograph.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigenEmbodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing; show it
Figur 1 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Messsystems;Figure 1 shows schematically the structure of a measuring system according to the invention;
Figur Ia bis 2c mehrere Möglichkeiten, eine Mehrzahl von Lichtleiterfasern einer oder mehreren Lichtquellen zuzuordnen;Figures Ia to 2c several ways to assign a plurality of optical fibers of one or more light sources;
Figuren 3a bis 3d mehrere Möglichkeiten der Anordnung der Lichtleiterfasern an deren werkstücknahem Ende;FIGS. 3a to 3d show several possibilities of arranging the optical fibers at their workpiece-near end;
Figur 4 schematisch einen Messkopf, der alternativ bei dem Messsystem der Figur 1 eingesetzt werden kann;FIG. 4 schematically shows a measuring head which can alternatively be used in the measuring system of FIG. 1;
Figur 5 eine zu Figur 1 alternative Art der Auskopplung des am vermessenen Werkstück reflektierten Lichtes; Figur 6 in schematischer Explosionsansicht die wichtigsten Komponenten des bei dem Messsystem der Figur 1 eingesetzten Spektrographen.5 shows an alternative to Figure 1 way of decoupling the light reflected on the measured workpiece light. FIG. 6 is a schematic exploded view of the most important components of the spectrograph used in the measuring system of FIG.
Zunächst wird auf die Figur 1 Bezug genommen. Das hier dargestellte und insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Messsystem umfasst zwei Leuchtdioden 2a, 2b, die als Lichtquellen dienen. Die beiden Leuchtdioden 2a, 2b senden in einem bestimmten Wellenbereich Licht aus, emittieren also kein monochromatisches Licht. Der Wellenlängenbereich der beiden Leuchtdioden 2a, 2b kann identisch aber auch unterschiedlich sein. Das von den Leuchtdioden 2a, 2b ausgesandte Licht wird von einer ersten Linse 4 zumindest annähernd parallelisiert, durchsetzt dann einen Strahlteilerwürfel 5 und eine zweite Linse 6, welche die beiden Leuchtdioden 2a, 2b auf die der Linse 6 zugewandten Stirnflachen von zwei parallel zueinander angeordneten Lichtleiterfasern 7a, 7b fokussiert. Die beiden Lichtleiterfasern 7a, 7b bilden in der Terminologie der anliegenden Patentansprüche ein Lichtleiter-Faserbündel 7.First, reference is made to FIG. The measuring system shown here and designated overall by the reference numeral 1 comprises two light-emitting diodes 2a, 2b, which serve as light sources. The two light-emitting diodes 2 a, 2 b emit light in a certain wavelength range, ie they do not emit monochromatic light. The wavelength range of the two light-emitting diodes 2a, 2b can be identical but also different. The light emitted by the light-emitting diodes 2 a, 2 b is at least approximately parallelized by a first lens 4, then passes through a beam splitter cube 5 and a second lens 6, which projects the two light-emitting diodes 2 a, 2 b onto the end faces of two lens fibers arranged parallel to one another 7a, 7b focused. The two optical fibers 7a, 7b form an optical fiber bundle 7 in the terminology of the appended claims.
Die von der Linse 6 abgewandten Enden der beiden Lichtleiterfasern 7a, 7b liegen innerhalb eines Messkopfes 8, der in der Nähe einer zu vermessenden Grenzfläche 9 eines Werkstückes angeordnet ist. Der Messkopf 8 enthält als wichtigste Komponente ein nur schematisch angedeutetes Objektiv 10, das in bekannter Weise eine hohe Dispersion aufweist, also chromatisch bewusst nicht korrigiert ist. Das Objektiv 10 bildet die verschiedenen, im Licht der Leuchtdioden 2a, 2b enthaltenen Wellenlängen in unterschiedlichen Brenn- ebenen ab, wobei eine scharfe Abbildung in der Grenzfläche 9 des Werkstük- kes nur für eine bestimmte Wellenlänge erreicht ist. Das entsprechende Licht ist in Figur 1 mit durchgezogenen Linien dargestellt, während das Licht einer anderen Wellenlänge, welches in geringerer Entfernung von dem Objektiv 10 fokussiert wird, gestrichelt dargestellt ist.The ends of the two optical fiber fibers 7a, 7b remote from the lens 6 lie within a measuring head 8, which is arranged in the vicinity of an interface 9 of a workpiece to be measured. The measuring head 8 contains, as the most important component, an objective 10 which is indicated only schematically and which has a high dispersion in a known manner, that is to say is not consciously chromatically correct. The objective 10 images the different wavelengths contained in the light of the light-emitting diodes 2 a, 2 b in different focal planes, a sharp image being achieved in the boundary surface 9 of the workpiece only for a specific wavelength. The corresponding light is shown in FIG. 1 by solid lines, while the light of another wavelength, which is focused at a smaller distance from the objective 10, is shown in dashed lines.
Das an der Grenzfläche 9 des Werkstückes reflektierte Licht durchläuft das Objektiv 10 in entgegengesetzter Richtung und wird von diesem auf die dem Objektiv 10 benachbarten Stirnflachen der beiden Lichtleiterfasern 7a, 7b fokussiert. Das aus den gegenüberliegenden Stirnflächen der Lichtleiterfasern 7a, 7b austretende Licht wird von der Linse 6 annähernd parallelisiert und teilweise - an der Spiegelfläche des Strahlteilerwürfels 5 so reflektiert, dass es in seitlicher Richtung auf eine weitere Linse 1 1 fällt, welche die beiden Strahlenbündel auf den Eingangsspalt eines Spektrographen 12 wirft.The light reflected at the interface 9 of the workpiece passes through the lens 10 in the opposite direction and is focused by this on the lens 10 adjacent end faces of the two optical fibers 7a, 7b. The light emerging from the opposite end faces of the optical fibers 7a, 7b is approximately parallelized by the lens 6 and partially - reflected at the mirror surface of the beam splitter cube 5 so that it falls in the lateral direction of another lens 1 1, which throws the two beams on the entrance slit of a spectrograph 12.
Der innere Aufbau des Spektrographen 12 wird weiter unten anhand der Fi- gur 6 erläutert; für den Augenblick genügt es zu wissen, dass der Spektro- graph 12 elektrische Signale erzeugt, welche repräsentativ für die Intensität des empfangenen Lichtes als Funktion der Wellenlänge sind und die einerThe internal structure of the spectrograph 12 will be explained below with reference to FIG. 6; For the moment it is sufficient to know that the spectrograph 12 generates electrical signals which are representative of the intensity of the received light as a function of the wavelength and which one
Auswerteeinheit 13 zugeleitet werden. Die Auswerteeinheit 13 errechnet aus den ihr zugeführten elektrischen Signalen und aus in ihr abgespeicherten Größen die Topographie der Grenzfläche 9 des Werkstückes.Evaluation unit 13 are supplied. The evaluation unit 13 calculates the topography of the interface 9 of the workpiece from the electrical signals supplied to it and from variables stored in it.
Das in Figur 1 dargestellte Messsystem ist in vielerlei Hinsicht als Duplikation bekannter Messsysteme zu verstehen, wobei die Duplizierung die Zahl der Lichtquellen und die Zahl der Lichtleiterfasern betrifft; die optischen Elemen- te 4, 5, 6, 10, 1 1 , der Spektrograph 12 und die Auswerteeinheit 13 sind jedoch nur einmal vorgesehen. Grundsätzlich kann die Auswertung der vom Spektrographen 12 gewonnenen Informationen in der Auswerteeinheit 13 nach denselben Grundsätzen erfolgen, wie dies auch bei dem eingangs genannten Stand der Technik geschieht. Hierauf darf verwiesen werden.The measuring system shown in Figure 1 is to be understood in many respects as a duplication of known measuring systems, wherein the duplication relates to the number of light sources and the number of optical fibers; However, the optical elements 4, 5, 6, 10, 1 1, the spectrograph 12 and the evaluation unit 13 are provided only once. In principle, the evaluation of the information obtained by the spectrograph 12 in the evaluation unit 13 can be carried out according to the same principles, as is also the case with the prior art mentioned at the outset. This may be referred to.
Durch das in Figur 1 dargestellte Messsystem 1 ist es möglich, in sehr viel schnellerer Weise als beim Stande der Technik eine bestimmte Grenzfläche 9 topographisch zu vermessen. Dabei ist zwischen denjenigen Fällen zu unterscheiden, in denen die beiden Leuchtdioden 2a, 2b Licht desselben Wellenlän- genbereichs ausstrahlen, und denjenigen, bei denen sich die ausgesandten Wellenlängenbereiche der beiden Leuchtdioden 2a, 2b unterscheiden.The measurement system 1 shown in FIG. 1 makes it possible to topographically measure a specific interface 9 in a much faster manner than in the prior art. In this case, a distinction is made between those cases in which the two light emitting diodes 2a, 2b emit light of the same wavelength range, and those in which the emitted wavelength ranges of the two light emitting diodes 2a, 2b differ.
Soweit die beiden Leuchtdioden 2a, 2b dasselbe Licht ausstrahlen, ergibt sich die Beschleunigung des Auswertvorganges einfach dadurch, dass zu jedem Zeitpunkt der Vermessung zwei dicht beieinander liegende Stellen der Grenzfläche 9 vermessen werden können, so dass bei einer Scanbewegung des Messkopfes 8, die zur Vermessung der gesamten Grenzfläche 9 erforderlich ist, in breiteren Streifen gearbeitet werden kann. Der Abstand zwischen den beiden Bildern der Leuchtdioden 2a, 2b auf der Grenzfläche 9 des zu vermes- senden Werkstückes wird dabei entsprechend den Genauigkeitsanforderungen gewählt. In denjenigen Fällen, in denen sich die Wellenlängenbereiche unterscheiden, welche die beiden Leuchtdioden 2a, 2b aussenden, dient die Anordnung der Figur 1 beispielsweise dazu, gleichzeitig Topographie-Messungen in unterschiedlichen Abständen von dem Messkopf 8 durchzuführen, beispielsweise an einer oberen und unteren Grenzfläche einer transparenten Schicht. In diesem Falle ist das Messergebnis um so genauer, um so näher die beiden Bilder der Leuchtdioden 2a, 2b seitlich nebeneinander liegen. Die beschriebene Anordnung ermöglicht dabei die Vermessung von Grenzflächen, die so weit voneinander beabstandet sind, dass sie mit dem Wellenlängenbereich, der von ei- ner einzigen Lichtquelle ausgesandt wird, nicht mehr vermessen werden könnten.As far as the two LEDs 2a, 2b emit the same light, the acceleration of the evaluation process simply results from the fact that at any time of the survey two closely spaced points of the interface 9 can be measured, so that during a scanning movement of the measuring head 8, for measuring the entire interface 9 is required, can be worked in wider stripes. The distance between the two images of the LEDs 2a, 2b on the interface 9 of the workpiece to be measured is selected in accordance with the accuracy requirements. For example, in those cases where the wavelength ranges emitted by the two light-emitting diodes 2a, 2b are different, the arrangement of FIG. 1 serves simultaneously to perform topographic measurements at different distances from the measuring head 8, for example at an upper and lower boundary surface of one transparent layer. In this case, the more accurate the measurement result, the closer the two images of the LEDs 2a, 2b are laterally adjacent to one another. The described arrangement makes it possible to measure interfaces that are so far apart that they could no longer be measured with the wavelength range emitted by a single light source.
Unterschiedliche Wellenlängenbereiche sind generell überall dort von Vorteil, wo die Messungen sich über eine "Tiefe" des Werkstücks erstrecken sollen, die von dem Wellenlängenbereich einer einzelnen Lichtquelle nicht mehr abgedeckt werden kann.Different wavelength ranges are generally advantageous wherever the measurements are to extend over a "depth" of the workpiece that can no longer be covered by the wavelength range of a single light source.
Das in Figur 1 dargestellte Messsystem 1 kann als zweikanaliges Messsystem verstanden werden. Selbstverständlich ist es möglich, statt zweier Kanäle auch eine größere Zahl von Kanälen einzusetzen.The measuring system 1 shown in FIG. 1 can be understood as a two-channel measuring system. Of course, it is possible to use a larger number of channels instead of two channels.
Ein erstes Beispiel für eine vierkanalige Ausgestaltung des Messsystems 1 ist in Figur 2a dargestellt. In dieser sind vier Lichtquellen 102a, 102b, 102c, 102d dargestellt, denen jeweils eine Lichtleiterfaser 107a, 107b, 107c, 107d zugeordnet ist. Das Lichtleiter-Faserbündel 107 umfasst somit ebenso viele Lichtleiterfasern 107a bis 107d, wie es Lichtquellen 102a bis 102d gibt. Als Lichtquellen kommen wiederum Leuchtdioden, insbesondere auch Superlumineszenzdioden, in Betracht, die ein genügend breitbandiges Licht aussenden. Wiederum kann der Wellenlängenbereich, der von den verschiedenen Licht- quellen 102a bis 102d ausgesandt wird, derselbe oder auch - je nach Anwendungszweck - unterschiedlich sein.A first example of a four-channel configuration of the measuring system 1 is shown in FIG. 2a. In this four light sources 102a, 102b, 102c, 102d are shown, each associated with an optical fiber 107a, 107b, 107c, 107d. The optical fiber bundle 107 thus comprises as many optical fibers 107a to 107d as there are light sources 102a to 102d. In turn, light sources, in particular superluminescent diodes, which emit a sufficiently broadband light come into consideration as light sources. Again, the wavelength range emitted by the different light sources 102a-102d may be the same or different depending on the application.
In Figur 2a sind keine Abbildungselemente dargestellt, welche das von den Lichtquellen 102a bis 102d ausgesandte Licht in die benachbarten Stirnflä- chen der Lichtleiterfasern 107a bis 107d einkoppeln. Selbstverständlich können aber bei Bedarf derartige Abbildungselemente vorgesehen werden. Dies gilt in gleicher Weise für die nachfolgend beschriebenen Figuren 2b und 2c. Figur 2b zeigt eine andere Art, wie in vier Lichtleiterfasern 207a, 207b, 207c,FIG. 2a shows no imaging elements which couple the light emitted by the light sources 102a to 102d into the adjacent end faces of the optical fibers 107a to 107d. Of course, if required, such imaging elements can be provided. This applies equally to FIGS. 2b and 2c described below. FIG. 2b shows another type, as in four optical fibers 207a, 207b, 207c,
207d Licht einer einzigen Lichtquelle 202 eingekoppelt wird Hierzu sind die Enden der vier Lichtleiterfasern 207a, 207b, 207c, 207d so abgebogen, dass die entsprechenden Stirnflächen etwa auf einem die Lichtquelle 202 urngε- benden Kreis liegen Bei dieser Anordnung werden selbstverständlich alle Lichtleiterfasern 207a bis 207d von Licht desselben Wellenlangenbereiches passiert Als breitbandige Lichtquelle dient vorzugsweise eine Xenon- oder Halogenlampe. Statt der dargestellten zweidimensionalen Anordnung der Stirnflachen der Lichtleiterfasern 207a, 207d kommt auch eine solche in Be- tracht, bei der die einzelnen Stirnflachen auf einer die Lichtquelle 202 umgebenden Kugelflache liegen.For this purpose, the ends of the four optical fibers 207a, 207b, 207c, 207d are bent so that the corresponding end faces lie approximately on a circle surrounding the light source 202. In this arrangement, of course, all the optical fibers 207a to 207d of light of the same wavelength range happens as a broadband light source is preferably a xenon or halogen lamp. Instead of the illustrated two-dimensional arrangement of the end faces of the optical waveguide fibers 207a, 207d, such is also considered, in which the individual end faces lie on a spherical surface surrounding the light source 202.
Auch bei der m Figur 2c dargestellten Anordnung wird nur eine einzige Lichtquelle 302 eingesetzt, bei der es sich wiederum vorzugsweise um eine Xenon- oder Halogenlampe handelt Zusätzlich kommt bei der Anordnung der Figur 2c als Lichtquelle besonders eine Superkontmuums-Strahlungsquelle m Betracht. Das von der Lichtquelle 302 ausgestrahlte Licht wird zunächst in eine Lichtleiterfaser 307a eingekoppelt, die sich über ein erstes T-Kopplungsstuck 307a in die beiden Lichtleiterfasern 307b, 307c verzweigt. Jede Lichtleiterfa- ser 307b, 307c spaltet sich erneut über jeweils em T-Kopplungsstuck 307i bzw 307k erneut in zwei Lichtleiterfasern 307d, 307e bzw 307f, 307g auf. Auf diese Weise besteht auch das Lichtleiter-Faserbundel 307 der Figur 2c aus insgesamt vier Lichtleiterfasern 307d bis 307g.In the arrangement shown in FIG. 2c, too, only a single light source 302 is used, which in turn is preferably a xenon or halogen lamp. In addition, in the arrangement of FIG. 2c, a supercontum radiation source is considered as the light source. The light emitted by the light source 302 is first coupled into an optical fiber 307a, which branches into the two optical fibers 307b, 307c via a first T-coupling piece 307a. Each optical waveguide fiber 307b, 307c splits again into two optical waveguide fibers 307d, 307e or 307f, 307g via each respective T-coupling piece 307i or 307k. In this way, the optical fiber bundle 307 of Figure 2c consists of a total of four optical fibers 307d to 307g.
Die Anordnung der Stirnflachen der Lichtleiterfasern braucht an beiden Enden nicht übereinzustimmen, vielmehr ist es möglich, die Lichtleiterfasern innerhalb des Lichtleiter-Faserbundels zwischen ihrem Ende nahe der oder den Lichtquellen und ihrem Ende nahe dem Messkopf so zu "verdrehen", dass sich praktisch beliebige Anordnungen oder "Arrays" von strahlenden Stirnflachen in der Nahe des Messkopfes ergebenThe arrangement of the end faces of the optical fibers need not coincide at both ends, but it is possible to "twist" the optical fibers within their fiber optic fiber bundle between their end near the light source and its end near the measuring head so that virtually any arrangement or "arrays" of radiating faces in the vicinity of the probe
In Figur 3a sind die Austπtts-Stirnflachen von vier Lichtleiterfasern 107a bis 107d dargestellt, die beispielsweise der Anordnung der Figur 2a aber auch den Anordnungen der Figuren 2b und 2c zugeordnet werden können Ersicht- lieh sind hier diese Stirnflachen in einem linearen Array angeordnet, so dass also die einzelnen Lichtleiterfasern 107a bis 107d im geometrischen Sinne "parallel" durch das Lichtleiter-Faserbundel 107 hindurchgefuhrt sind Diese Anordnung kann beispielsweise dazu verwendet werden, bei einer Scanbewegung des Messkopfes senkrecht zu Erstreckungsrichtung des linearen Arrays, den die Stirnflächen der Lichtleiterfasern 107a bis 107b bilden, die zu vermessende Grenzfläche des Werkstückes in einem relativ breiten Streifen abzu- tasten. Wenn die zu vermessenden Grenzflächenpunkte des Werkstückes auf einer Geraden und dicht genug beieinander liegen, kann auf eine Bewegung des Messkopfes 8 überhaupt verzichtet werden.In Figure 3a, the Austπtts end faces of four optical fibers 107a to 107d are shown, which can be assigned to the arrangement of Figure 2a but also the arrangements of Figures 2b and 2c Apparently borrowed here these end faces are arranged in a linear array, so that Thus, the individual optical fibers 107a to 107d in the geometric sense "parallel" hindurchgefuhrt through the fiber optic bundle 107 These Arrangement can be used, for example, during a scanning movement of the measuring head perpendicular to the direction of extension of the linear array, which form the end faces of the optical fibers 107a to 107b, the surface to be measured of the workpiece to be measured in a relatively wide strip. If the interface points of the workpiece to be measured lie on a straight line and close enough together, movement of the measuring head 8 can be dispensed with at all.
Figur 3b zeigt eine zweidimensionale Matrix aus insgesamt zwölf Lichtleiterfa- sern 407a bis 4071 (aus Übersichtlichkeitsgründen sind in den Figuren 3b bis 3d nicht alle Lichtleiterfasern mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehen). Auch diese Anordnung kann zum "streifenweisen" Abtasten der zu vermessenden Grenzfläche 9 eingesetzt werden, wobei die Scanbewegung "sprung- oder schrittweise" erfolgen kann, indem nach jedem Messvorgang ein Sprung oder Schritt der Scanbewegung durchgeführt wird, welcher der Breite der Matrix in dieser Richtung entspricht. Liegen alle Messpunkte innerhalb des von der Matrix erfassten Bereiches, ist eine Bewegung des Messkopfes 8 nicht erforderlich.FIG. 3b shows a two-dimensional matrix of a total of twelve optical fiber fibers 407a to 4071 (for reasons of clarity, not all of the optical fibers are provided with the corresponding reference symbol in FIGS. 3b to 3d). This arrangement can also be used for "stripwise" scanning of the interface 9 to be measured, wherein the scanning movement can be "stepwise" by performing a jump or step of the scan movement after each measurement process, which is the width of the matrix in this direction equivalent. If all measuring points lie within the area covered by the matrix, then movement of the measuring head 8 is not required.
Figur 3c zeigt ein "objektangepasstes" Array von acht Lichtleiterfasern 507a bis 507h, deren dem Messkopf zugewandte Stirnflächen auf einem Kreis liegen. Diese Anordnung ist für solche Anwendungsfälle gedacht, bei denen die zu vermessenden Punkte der Grenzfläche des Werkstückes zumindest annähernd auf einem Kreis liegen.FIG. 3c shows an "object-adapted" array of eight optical fibers 507a to 507h, whose end faces facing the measuring head lie on a circle. This arrangement is intended for such applications in which the points to be measured of the interface of the workpiece are at least approximately on a circle.
Eine weitere objektangepasste Anordnung von neun Lichtleiterfasern 607a bis 607i ist in Figur 3b dargestellt. Hier bilden die dem Messkopf 8 zugewandten Stirnflächen der Lichtleiterfasern 607a, 607i ein Kreuz, was ebenfalls in vielen Anwendungsfällen eine Scanbewegung des Messkopfes 8 erübrigt oder zu- mindest minimiert.Another object-adapted arrangement of nine optical fiber fibers 607a to 607i is shown in FIG. 3b. Here, the end faces of the optical waveguide fibers 607a, 607i facing the measuring head 8 form a cross, which likewise eliminates or at least minimizes scanning movement of the measuring head 8 in many applications.
Die dem Messkopf benachbarten Stirnflächen der Lichtleiterfasern müssen nicht unbedingt alle in derselben Ebene liegen, wie dies beim Ausführungsbeispiel der Figur 1 der Fall ist. Die Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel ei- nes Messkopfes 708, bei dem die Stirnflächen der in ihn eingeführten Lichtleiterfasern 707a und 707b in unterschiedlichen Abständen von dem Objektiv 710 enden. Dies hat zur Folge, dass die Stirnfläche der Lichtleiterfaser 707a, die näher am Objektiv 710 liegt, in einer größeren Entfernung von dem Objektiv 710 in einer Ebene A abgebildet wird, während die Stirnfläche der Lichtleiterfaser 707b, die in größerem Abstand von dem Objektiv 710 ist, in einer Ebene B abgebildet wird, die näher an dem Objektiv 710 liegt.The end faces of the optical fiber fibers which are adjacent to the measuring head need not necessarily all lie in the same plane, as is the case in the exemplary embodiment of FIG. FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a measuring head 708 in which the end faces of the optical fiber fibers 707a and 707b inserted into it end at different distances from the objective 710. As a result, the end face of the optical fiber 707a, which is closer to the lens 710, is imaged at a greater distance from the lens 710 in a plane A, while the end face of the optical fiber 707b, which is at a greater distance from the lens 710, is imaged in a plane B which is closer to the lens Lens 710 is located.
Diese Anordnung lässt sich insbesondere dort einsetzen, wo große "Tiefenunterschiede" in dem Werkstück zu vermessen sind, beispielsweise dort, wo eine verhältnismäßig große Dicke einer transparenten Schicht auf einem Werkstück zu bestimmen ist. Auf diese Weise lassen sich schmalbandigere Licht- quellen einsetzen als sie erforderlich wären, wenn die Bilder der Stirnflächen beider Lichtleiterfasern 707a und 707b bei derselben Wellenlänge in derselben Ebene liegen würden.This arrangement can be used in particular where large "depth differences" are to be measured in the workpiece, for example, where a relatively large thickness of a transparent layer is to be determined on a workpiece. In this way narrower light sources can be used than would be required if the images of the end faces of both optical fibers 707a and 707b would be in the same plane at the same wavelength.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das an der zu ver- messenden Grenzfläche 9 reflektierte Licht mittels des Strahlteilerwürfels 5 ausgekoppelt und dem Spektrographen 12 zugeleitet. Statt eines Strahlteilerwürfels 5 lässt sich jedoch auch eine Lichtleiter-Kopplungseinrichtung verwenden, wie sie in Figur 5 dargestellt und dort insgesamt mit dem Bezugszeichen 805 versehen ist. Hier ist ein Lichtleiter-Faserbündel 807 mit drei Licht- leiterfasern 807a, 807b, 807c dargestellt, das sich von einem Halter 814 in der Nähe der Lichtquelle(n) zu einem Halter 815 innerhalb des Messkopfes in der Nähe des Objektivs erstreckt. In die Lichtleiterfasern 807a, 807b, 807c münden jeweils über ein T-Kopplungsstück 807d, 807e, 807f drei weitere Lichtleiterfasern 807g, 807h, 807i. Deren Enden sind in einem Halter 816 be- festigt, der in der Nähe des Eintrittsspaltes des Spektrographen 12 angeordnet ist. Die Funktion der Kopplungseinrichtung 805 ist selbsterklärend.In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 1, the light reflected at the interface 9 to be measured is decoupled by means of the beam splitter cube 5 and fed to the spectrograph 12. Instead of a beam splitter cube 5, however, it is also possible to use an optical waveguide coupling device, as shown in FIG. 5 and provided there overall with the reference numeral 805. Here, an optical fiber bundle 807 is illustrated with three optical fiber fibers 807a, 807b, 807c extending from a holder 814 near the light source (s) to a holder 815 within the probe near the objective. Into the optical fibers 807a, 807b, 807c each open via a T-coupling piece 807d, 807e, 807f three further optical fibers 807g, 807h, 807i. Their ends are fastened in a holder 816, which is arranged in the vicinity of the entrance slit of the spectrograph 12. The function of the coupling device 805 is self-explanatory.
In Figur 6 schließlich ist schematisch der Aufbau des Spektrographen 12 dargestellt, der in allen oben geschilderten Fällen grundsätzlich zum Einsatz kommen kann. Er enthält eine erste Linse 20, welche das in diesem Falle von einem in seinem Eingangspalt 19 angeordneten Lichtleiter-Faserbündel 7 mit fünf Lichtleiterfasern 7a bis 7d ausgestrahlte Licht im Wesentlichen paralleli- siert. Dieses parallelisierte Licht durchquert ein Beugungsgitter 21 und wird dabei nach den einzelnen, in ihm enthaltenen Wellenlängen zerlegt und in Fi- gur 6 in unterschiedlichem Ausmaße in horizontaler Richtung ablenkt. Eine zweite Linse 22 bildet die Stirnflächen des Lichtleiter-Faserbündels 7 auf einer entsprechenden Anzahl, im vorliegenden Falle fünf, horizontalen streifen- förmigen Detektorarrays 23a, 23b, 23c, 23d und 23e einer Detektoreinrichtung 23 ab.In Figure 6, finally, the structure of the spectrograph 12 is shown schematically, which in principle can be used in all cases described above. It contains a first lens 20, which substantially parallelizes the light emitted in this case by a light-fiber bundle 7 arranged in its entrance slit 19 with light emitted by five optical fibers 7a to 7d. This parallelized light traverses a diffraction grating 21 and is thereby decomposed into the individual wavelengths contained in it and deflected in different dimensions in FIG. 6 in the horizontal direction. A second lens 22 forms the end faces of the optical fiber bundle 7 on a corresponding number, in the present case five, horizontal stripes shaped detector arrays 23a, 23b, 23c, 23d and 23e of a detector device 23 from.
Die Auswerteeinheit 13. die diesem Spektrographen 12 zugeordnet ist, kann für jedes "Pixel" der Detektorarrays 23a bis 23e die dort gemessene Lichtintensität ermitteln und der entsprechenden Wellenlänge zuordnen. Aus dem so gewonnenen Ergebnis lässt sich aus in der Auswerteeinheit 13 gespeicherten Daten, die beispielsweise in einem zuvor durchgeführten Kalibriervorgang gewonnen wurden, die Topographie der vermessenen Grenzfläche(n) ermitteln und beispielsweise in einer Anzeige ausgeben.The evaluation unit 13, which is associated with this spectrograph 12, can determine the light intensity measured there for each "pixel" of the detector arrays 23a to 23e and assign it to the corresponding wavelength. From the result obtained in this way, the topography of the measured boundary surface (s) can be determined from data stored in the evaluation unit 13 and obtained, for example, in a previously performed calibration process, and output, for example, in a display.
Selbstverständlich ist es auch möglich, als dispersives Element im Spektrographen statt des in Figur 6 dargestellten transmissiven Beugungsgitters ein reflektives Beugungsgitter oder ein Glasprisma zu verwenden.Of course, it is also possible to use a reflective diffraction grating or a glass prism instead of the transmissive diffraction grating shown in FIG. 6 as the dispersive element in the spectrograph.
Bei einem in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die Auskoppeleinrichtung im Messkopf.In an embodiment not shown in the drawing, the decoupling device is located in the measuring head.
In diesem Falle führt ein erstes Lichtleiter-Faserbündel von der Lichtquelle oder den Lichtquellen zum Messkopf und ein zweites Lichtleiter-Faserbündel von dem Messkopf zum Spektrographen.In this case, a first optical fiber bundle leads from the light source or the light sources to the measuring head and a second optical fiber bundle from the measuring head to the spectrograph.
Der Einsatz von Lichtleiterfasern 7, gegebenenfalls in Kombination mit einer Auskoppeleinrichtung, wie z. B. in Figur 5 gezeigt ist, ermöglicht jede beliebi- ge, objektangepasste Arrayanordnung ihrer Stirnflächen im Bereich des Messkopfes 8 (Beispiele sind in den Figur 3a - 3d gezeigt), während gleichzeitig die Eingangsspalt 19 angeordneten oder auf diesen abzubildenden Stirnflächen der Lichtleiterfasern ein lineares Array bilden, dass sich quer zur Dispersionsrichtung des Spektrographen erstreckt. The use of optical fibers 7, optionally in combination with a decoupling device, such. As shown in FIG. 5, any desired, object-adapted array arrangement of its end faces in the area of the measuring head 8 is possible (examples are shown in FIGS. 3a-3d), while at the same time the input gap 19 arranged or to be imaged on these faces of the optical fibers is a linear Form an array extending transversely to the dispersion direction of the spectrograph.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Messsystem zur Vermessung von Grenz- oder Oberflächen von Werkstücken mit a) mindestens einer Lichtquelle, die ein nicht-monochromatisches Licht aussendet; b) einem Messkopf, der ein chromatisch nicht korrigiertes Objektiv aufweist; c) einer Lichtleitereinrichtung, in deren eine Stirnfläche das Licht der mindes- tens einen Lichtquelle einkoppelbar und deren andere Stirnfläche von dem1 . Measuring system for measuring boundary surfaces or surfaces of workpieces with a) at least one light source emitting a non-monochromatic light; b) a measuring head having a chromatically uncorrected objective; c) an optical waveguide device, in whose one end face the light of at least one light source can be coupled in and whose other end face of the light source
Objektiv in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts in unterschiedlichen Ebenen abbildbar ist; d) einer Auskoppeleinrichtung, mit welcher an einer Grenzfläche des Werkstückes reflektiertes Licht aus dem Strahlengang des einfallenden Lichtes auskoppelbar ist; e) einem Spektrographen, dem das durch die Auskoppeleinrichtung ausgekoppelte Licht zuführbar und der in der Lage ist, elektrische Ausgangssignale zu erzeugen, die für die Intensität des Lichtes als Funktion der Wellenlänge repräsentativ sind; und f) einer Auswerteeinheit, der die elektrischen Signale des Spektrographen zuführbar sind und die in der Lage ist, hieraus und aus abgespeicherten Daten die Topographie der Grenz- oder Oberfläche zu ermitteln; g) wobei die Lichtleitereinrichtung ein Lichtleiter-Faserbündel ist, in dem eine Mehrzahl von Lichtleiterfasern im wesentlichen parallel verläuft; dadurch gekennzeichnet, dass h) der Spektrograph ( 12) und die Auswerteeinheit ( 13) so ausgebildet sind, dass sie mehrkanalig und zeitgleich das an der Grenz- oder Oberfläche (9) des Werkstücks reflektierte Licht verschiedener Lichtleiterfasern (7a, 7b ; 107a, 107b, 107c, 107d; 207a, 207b, 207c, 207d; 307a, 307b, 307c, 307d, 307f; 407a, 407b, 407c, 407d, 407e, 407f, 407g, 407h, 407i, 407j , 407k, 4071; 507a, 507b, 507c, 507d, 507e, 507f, 507g, 507h; 607a, 607b, 607c, 607d, 607e, 607f, 607g, 607h, 6071; 707a, 707b ; 807a, 807b , 807c) verarbeiten .Lens can be imaged in different planes depending on the wavelength of the light; d) a decoupling device, with which at a boundary surface of the workpiece reflected light from the beam path of the incident light can be coupled out; e) a spectrograph, to which the light coupled out by the decoupling means can be supplied and which is capable of producing electrical output signals which are representative of the intensity of the light as a function of the wavelength; and f) an evaluation unit, to which the electrical signals of the spectrograph can be supplied and which are able to determine therefrom and from stored data the topography of the boundary or surface; g) said optical fiber means being an optical fiber bundle in which a plurality of optical fiber fibers are substantially parallel; characterized in that h) the spectrograph (12) and the evaluation unit (13) are formed so that they multi-channel and at the same time at the boundary or surface (9) of the workpiece reflected light of different optical fibers (7a, 7b, 107a, 107b , 107c, 107d, 207a, 207b, 207c, 207d, 307a, 307b, 307c, 307d, 307f, 407a, 407b, 407c, 407d, 407e, 407f, 407g, 407h, 407i, 407j, 407k, 4071, 507a, 507b , 507c, 507d, 507e, 507f, 507g, 507h, 607a, 607b, 607c, 607d, 607e, 607f, 607g, 607h, 6071, 707a, 707b, 807a, 807b, 807c).
2. Messsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass für alle Lichtleiterfasern (207a, 207b , 207c, 207d; 307a, 307b , 307c, 307d, 307e,2. Measuring system according to claim 1, characterized in that for all optical fibers (207a, 207b, 207c, 207d; 307a, 307b, 307c, 307d, 307e,
307f, 307g) eine gemeinsame Lichtquelle (202 ; 302) vorgesehen ist. 307f, 307g) a common light source (202; 302) is provided.
3. Messsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die der Lichtquelle (202) benachbarten Stirnflächen der Lichtleiterfasern (207a, 207b, 207c, 207d) auf einem die Lichtquelle (202) umgebenden Kreis oder auf einer die Lichtquelle (202) umgebenden Kugelfläche angeordnet sind.3. Measuring system according to claim 2, characterized in that the light source (202) adjacent end faces of the optical fibers (207a, 207b, 207c, 207d) arranged on a light source (202) surrounding the circle or on a light source (202) surrounding spherical surface are.
4. Messsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der einen Lichtquelle (302) zunächst in eine Lichtleiterfaser (307a) eingekoppelt und dann aus dieser über mindestens ein Koppelstück (307h, 307i, 307k) auf mehrere Lichtleiterfasern (307b, 307c, 307d, 307e, 307f, 307g) verteilt wird.4. Measuring system according to claim 2, characterized in that the light of a light source (302) first coupled into an optical fiber (307a) and then from this at least one coupling piece (307h, 307i, 307k) on a plurality of optical fibers (307b, 307c, 307d, 307e, 307f, 307g).
5. Messsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Lichtquellen (2a, 2b; 102a, 102b, 102c, 102d) für unterschiedliche Lichtleiterfasern (7a, 7b; 107a, 107b, 107c, 107d) vorgesehen sind.5. Measuring system according to claim 1, characterized in that different light sources (2a, 2b, 102a, 102b, 102c, 102d) are provided for different optical fibers (7a, 7b, 107a, 107b, 107c, 107d).
6. Messsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Lichtquellen (2a, 2b; 102a, 102b, 102c, 102d) im selben Wellenlängenbereich strahlt.6. Measuring system according to claim 5, characterized in that at least a part of the light sources (2a, 2b, 102a, 102b, 102c, 102d) radiates in the same wavelength range.
7. Messsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Lichtquellen (2a, 2b; 102a, 102b, 102c, 102d) in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen strahlt.7. Measuring system according to claim 5 or 6, characterized in that at least a part of the light sources (2a, 2b, 102a, 102b, 102c, 102d) radiates in different wavelength ranges.
8. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die dem Messkopf (8) zugewandten Stirnflächen der8. Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring head (8) facing end faces of
Lichtleiterfasern ( 107a, 107b, 107c, 107d) in einem linearen Array angeordnet sind.Optical fibers (107a, 107b, 107c, 107d) are arranged in a linear array.
9. Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich- net, dass die dem Messkopf (8) zugewandten Stirnflächen der Lichtleiterfasern (407a, 407b, 407c, 407d, 407e, 407f, 407g, 407h, 407i, 407j, 407k, 4071) ein zweidimensionales, matrixartiges Array bilden.9. Measuring system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the measuring head (8) facing end faces of the optical fibers (407a, 407b, 407c, 407d, 407e, 407f, 407g, 407h, 407i, 407j, 407k, 4071) form a two-dimensional matrix-like array.
10. Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich- net, dass die dem Messkopf (8) zugewandten Stirnflachen der Lichtleiterfasern (507a, 507b , 507c, 507d, 507e, 507f, 507g, 507h; 607a, 607b, 607c, 607d, 607e, 607f, 607g, 607h, 607i) in einem Werkstück-angepassten Array, insbesondere in Kreis- oder Kreuzform angeordnet sind.10. Measuring system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the measuring head (8) facing end faces of the optical fibers (507a, 507b, 507c, 507d, 507e, 507f, 507g, 507h; 607a, 607b, 607c, 607d, 607e, 607f, 607g, 607h, 607i) are arranged in a workpiece-adapted array, in particular in a circular or cross shape.
1 1. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die dem Messkopf (708) zugewandten Stirnflächen der1 1. Measuring system according to one of the preceding claims, character- ized in that the measuring head (708) facing end faces of
Lichtleiterfasern (707a, 707b) zumindest teilweise in axialer Richtung gegeneinander versetzt sind.Optical fibers (707a, 707b) are at least partially offset in the axial direction against each other.
12. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Auskoppeleinrichtung (5) einen Strahlteiler (5) um- fasst.12. Measuring system according to one of the preceding claims, character- ized in that the decoupling device (5) comprises a beam splitter (5).
13. Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppeleinrichtung mindestens ein Lichtleiterfaser-Koppel- stück (807d, 807e, 807f) umfasst.13. Measuring system according to one of claims 1 to 1 1, characterized in that the decoupling device comprises at least one optical fiber coupling piece (807d, 807e, 807f).
14. Messystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtleiterfasern (7a bis 7e) eines Lichtleiter-Faserbündels (7), das von der Auskoppeleinrichtung zum Spektrographen ( 12) geführt ist, in einem Eingangsspalt ( 19) des Spektrographen ( 12) angeordnet sind und dass die Stirnflächen des Lichtleiter-Faserbündels 7 auf eine entsprechende Anzahl von streifenförmigen Detektorarrays (23a bis 23e) einer Detektoreinrichtung (23) abgebildet werden, wobei die streifenförmigen Detektorarrays (23a bis 23e) quer zum Eingangsspalt ( 19) verlaufend angeordnet sind.14. Measuring system according to claim 13, characterized in that optical fibers (7a to 7e) of an optical fiber bundle (7), which is guided by the coupling device to the spectrograph (12), in an input gap (19) of the spectrograph (12) are arranged and that the end faces of the optical fiber bundle 7 are imaged onto a corresponding number of strip-shaped detector arrays (23a to 23e) of a detector device (23), wherein the strip-shaped detector arrays (23a to 23e) are arranged running transversely to the input gap (19).
15. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppeleinrichtung im Messkopf angeordnet ist, wobei ein erstes Lichtleiter-Faserbündel von der Lichtquelle oder den Lichtquellen zu dem Messkopf und ein zweites Lichtleiter-Faserbündel von dem Messkopf zum Spektrographen führt. 15. Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the decoupling device is arranged in the measuring head, wherein a first optical fiber bundle leads from the light source or the light sources to the measuring head and a second optical fiber bundle from the measuring head to the spectrograph.
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