DE10057539A1 - Interferometrische Messvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Messvorrichtung zum Messen von Oberflächenkenngrößen, Formen, Abständen und Abstandsänderungen, z. B. Schwingungen, insbesondere in engen Hohlräumen, von Messobjekten (5) mit einem Sondenteil (2) und mit einer optischen Faser. Eine Oberflächenvermessung auch in sehr feinen Bohrungen wird dadurch ermöglicht, dass die optische Faser in einem Messkopf (2.3) an dem das Messobjekt (5) anfahrenden freien Ende des Sondenteils (2) vorsteht und selbst als Messfaser (2.4) zum Beleuchten einer Messstelle und Aufnehmen von von dieser kommendem Messlicht (4) ausgebildet ist (Fig.).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Interferometrische Messvorrichtung zum Messen von Oberflächenkenngrößen, Formen, Abständen und Abstandsänderun­ gen, z. B. Schwingungen, insbesondere in engen Hohlräumen, von Messobjekten mit einem Sondenteil und mit einer optischen Faser.

Eine derartige interferometrische Messvorrichtung ist in der DE 198 08 273 A1 als bekannt ausgewiesen. Bei dieser bekannten Messvorrichtung wird in dem interferometrischen Messsystem mittels Kohärenz-Multiplex das optische System der Messvorrichtung auf zwei Subsysteme aufgeteilt, nämlich ein so bezeich­ netes Modulations-Interferometer und einen Sondenteil. Der Sondenteil ist auf diese Weise gut handhabbar und weist einen Messkopf auf, mit dem auch Mes­ sungen in relativ langen, engen Bohrungen möglich sind. Die Messvorrichtung ist für eine Mehrwellenlängeninterferometrie ausgelegt, so dass eine Messbereicherweiterung erzielt wird. Es gibt allerdings so eng dimensionierte Bohrungen, dass auch ein derartiger Messkopf nicht mehr eingesetzt werden kann.

Bei einer in der DE 198 19 762 A1 gezeigten weiteren interferometrischen Messvorrichtung dieser Art sind verschiedene raumsparende Messsonden für das Messsystem vorgeschlagen.

Die EP 0 126 475 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungs­ freien Messen der Ist-Positionen und/oder des Profils rauher Oberflächen, das auf dem Konzept eines Mehrwellenlängen-Heterodyn-Interferometers basiert und als Lichtquelle ein oder mehrere Laser beinhaltet. Die Heterodyntechnik ermög­ licht es, auf der Grundlage der Phasenauswertung Messfehler weitgehend zu un­ terdrücken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine interferometrische Messvor­ richtung der eingangs angegebenen Art bereit zu stellen, mit der Messungen auch in noch engeren Hohlräumen, z. B. unterhalb von einem Millimeter, wie sie bei Einspritzdüsen vorkommen, möglichst genau durchführen zu können.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass die optische Faser in einem Messkopf an dem das Messobjekt anfahrenden freien Ende des Sondenteils vorsteht und selbst als Messfaser zum Beleuchten einer Messstelle und Aufnehmen von von dieser kommendem Mess­ licht ausgebildet ist. Die Messfaser, deren Durchmesser z. B. im Bereich von kleiner 100 µm liegt, kann mit ihrem freien Ende in sehr dünne Bohrungen eingefahren werden und den zu messenden Oberflächenbereich beleuchten und von dort Licht empfangen, um es zu einer an sich bekannten, insbesondere nach dem Prinzip der Phasenauswertung, arbeitenden Auswerteeinrichtung weiter zu leiten.

Für eine genaue Beleuchtung und Erfassung des Messlichts sind dabei die Maßnahmen vorteilhaft, dass der freie Endbereich der Messfaser zum Beleuchten einer Messstelle und Aufnehmen des Messlichts entsprechend der Messaufgabe ausgebildet ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen zum Erzielen eines genauen Messergeb­ nisses bestehen darin, dass der freie Endbereich poliert, mit einer Blende versehen, als Linse oder Prisma ausgebildet, gegen störendes Reflexlicht be­ handelt, abgeschrägt, verspiegelt, entspiegelt oder mit einer Kombination dieser Maßnahmen versehen ist.

Eine feine Bearbeitung des Endbereichs der Messfaser ergibt sich dadurch, dass der freie Endbereich zur Strahlformung oder Strahllenkung mit einem Klebetrop­ fen versehen und/oder aufgerauht ist.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme für die Lichtleitung und Auswertung besteht darin, dass die Messfaser eine monomode Faser ist.

Verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich dadurch, dass der Auf­ bau des Interferometers einem klassischen Interferometer, einem Weißlichtinter­ ferometer oder einem Heterodyninterferometer entspricht. Bei der Weißlichtin­ terferometrie wird eine kurzkohärente, breitbandige Lichtquelle, z. B. eine Superlumineszenzdiode oder ähnliche Lichtquelle verwendet und das Maximum des Interferenzkontrasts ausgewertet, wie an sich bekannt.

Interferometer der genannten Art sind im übrigen in den eingangs genannten Druckschriften näher beschrieben. Klassische Interferometer sind an sich ebenfalls weit verbreitet.

Eine Messbereicherweiterung, d. h. eine Vergrößerung des Eindeutigkeitsbereichs wird vorteilhaft z. B. dadurch erzielt, dass das Interferometer zur Erweiterung des Messbereichs als Mehrwellenlängeninterferometer ausgebildet ist. Zur Vorge­ hensweise im Einzelnen sei ebenfalls auf den eingangs erwähnten Stand der Technik verwiesen.

Ist vorgesehen, dass der Messfaser in dem Sondenteil ein Faserstück vorge­ schaltet ist und dass die Trennfläche zwischen dem Faserstück und der Mess­ faser als Strahlteiler-Fläche zum Bilden einer reflektierten Referenzwelle und einer durchgelassenen Messwelle ausgenutzt ist, so sind die Messfasern leicht auswechselbar und der Messkopf für unterschiedliche Messaufgaben ausrüstbar. Gleichzeitig wird die Trennfläche günstig ausgenutzt für den interferometrischen Aufbau, so daß z. B. keine zusätzliche reflektierende Fläche für den Referenz­ strahl erforderlich ist. Für einen einfachen Aufbau ist dabei die Massnahme vorteilhaft, dass die Verbindung zwischen der Messfaser und dem Faserstück als Faserstecker ausgebildet ist.

Für eine einfache Handhabung der Messvorrichtung ist des Weiteren eine Ausge­ staltung vorteilhaft, bei der vorgesehen ist, dass zum Beleuchten eine kurzkohärente Lichtquelle in einem von dem Sondenteil entfernten und mit diesem über eine Lichtleitfaser verbundenen Modulationsinterferometer oder in dem Sonden­ teil angeordnet ist, das dann über eine Lichtleitfaser mit einem entfernten Demodulationsinterferometer verbunden ist, und dass die Kohärenzlänge der Lichtquelle kürzer ist als eine halbe Differenz eines Lichtweges einer Refe­ renzwelle und eines Lichtwegs einer Messwelle.

Bei Aufteilung in Sondenteil und Demodulationsinterferometer ist dabei ein Aufbau in der Weise günstig, dass das Licht der Lichtquelle über eine weitere Lichtleitfaser und über einen Faser-Strahlteiler in das Faserstück geführt und aus diesem nach Beleuchten der Messstelle in die Lichtleitfaser geführt wird.

Ist des Weiteren vorgesehen, dass der Sondenteil einen feststehenden Sonden­ teil und einen in diesem drehbar gelagerten rotierbaren Sondenteil mit dem Messkopf aufweist, so kann auf einfache Weise eine Rundummessung durchge­ führt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Die Figur zeigt eine interferometrische Messvorrichtung 1 mit einem Sondenteil 2 und einem davon entfernten, über eine Lichtleitfaser 2.7" angeschlossenen Demodulationsinterferometer. Der Sondenteil weist einen feststehenden Sonden­ teil 2.1 und einen daran drehbar gelagerten rotierbaren Sondenteil 2.2 auf, der an seinem vorderen, einem Messobjekt 5 zugekehrten Bereich als Messkopf 2.3 ausgebildet ist.

Der Messkopf 2.3 ist an seinem in eine enge Bohrung des Messobjekts 5 ein­ führbaren Endbereich mit einer dünnen, als Messfaser 2.4 ausgebildeten Licht­ leitfaser versehen, die z. B. einen Durchmesser von 125 µm aufweist und mittels einer Faserkupplung 2.32 mit einem Faserstück 2.7' des Sondenteils 2 gekop­ pelt ist. Wie in der Detaildarstellung Z genauer ersichtlich, ergibt sich an der Koppelstelle zwischen der Messfaser 2.4 und dem Faserstück 2.7' eine Trenn­ fläche, die als Strahlteiler-Fläche 2.31 ausgebildet ist, und zum Erzeugen einer daran reflektierten Referenzwelle und einer durchgehenden Messwelle genutzt wird.

Der freie Endbereich der Messfaser 2.4 ist, wie aus der Detaildarstellung Z1 ersichtlich, als Endstück 2.5 zum Beleuchten einer Messstelle des Messobjektes 5 und Aufnehmen von reflektiertem Messlicht 4 ausgebildet, und zwar vorlie­ gend abgeschrägt und verspiegelt. Wie einleitend erwähnt, kommen jedoch auch andere Maßnahmen zur Gestaltung des Endstücks 2.5 und Anpassung an unter­ schiedliche Messaufgaben in Frage.

In dem Sondenteil 2 ist des Weiteren eine kurzkohärente Lichtquelle 2.6 ange­ ordnet, mit der ein Kohärenz-Multiplex erzielt wird, um eine störungsfreie Übertragung der Messwelle und der Referenzwelle zwischen dem Sondenteil 2 und dem Demodulations-Interferometer 3 zu erzielen. Das Licht der kurzkohären­ ten Lichtquelle 2.6, wie z. B. einer Superlumineszenzdiode, wird über eine weitere Lichtleitfaser 2.7 geführt und mittels eines Faser-Strahlteilers 2.8 in das Faserstück 2.7' und von dort in die Messfaser 2.4 geleitet. Das von der Mess­ stelle zurück kommende Licht durchläuft wiederum den Faser-Strahlteiler 2.8 und wird von dort in die weitere Lichtleitfaser 2.7" über einen optischen Koppler 2.9 im Bereich der Drehlagerung und weiteren optischen Elementen in Form von GRIN (Graduate-Index)-Linsen 2.91 geführt.

Das Demodulations-Interferometer umfaßt, ähnlich wie die Modulationsinterfero­ meter in den eingangs genannten Druckschriften, ein Verzögerungselement 3.1, Modulatoren 3.1, 3.2', z. B. akustooptische Modulatoren, ein Spektralelement 3.3, eine Photodetektoranordnung 3.4 und Lichtlenkelemente 3.5, 3.5'.

Das Licht der kurzkohärenten Lichtquelle 2.6 wird in die vorzugsweise mono­ mode Lichtleitfaser 2.7 eingekoppelt und gelangt über den Faser-Strahlteiler 2.8 zu der Strahlteiler-Fläche 2.31, in der es in die Messwelle und die Referenzwelle aufgeteilt wird. Die Referenzwelle wird zurück in das Faserstück 2.7' einge­ koppelt und über den optischen Koppler 2.9 in das Demodulations-Interferometer 3 geführt. Die Messwelle wird auf der Messfaser 2.4, deren Ende unter einem Winkel von z. B. 45° Grad geschliffen und verspiegelt ist, ausgekoppelt und beleuchtet die zu vermessende Innenwand einer kleinen Bohrung mit einem Durchmesser von z. B. 200 µm, wobei die Messfaser 2.4 einen Durchmesser von z. B. 125 µm hat. Das von der Wand reflektierte Messlicht 4 wird über die Messfaser 2.4, den Faser-Strahlteiler 2.8 und dem optischen Koppler 2.9 in das Demodulations-Interferometer 3 eingekoppelt und mit der Referenzwelle über­ lagert. Die beiden Wellen können dabei nicht interferieren, da die Kohärenzlänge der Lichtquelle 2.6 kürzer als die Hälfte des optischen Weges in der Messfaser ist.

Das Demodulations-Interferometer 3 ist z. B. nach dem Prinzip eines Mach- Zehnder-Interferometers aufgebaut. In dem Demodulations-Interferometer wird das Licht auf zwei Strahlen aufgeteilt. In einem Arm des Demodulations- Interferometers wird das Verzögerungselement 1, z. B. eine planparallele Glas­ platte, eingesetzt, das die Differenz der optischen Wege beider Teilstrahlen, die im Messkopf 2.3 erzwungen wurde, zurücksetzt. Die beiden Lichtstrahlen wer­ den mit Hilfe der Modulatoren 2 gegenseitig in der Frequenz verschoben. Die Frequenzdifferenz beträgt z. B. einige kHz. Die beiden interferenzfähigen Teil­ strahlen werden in dem Strahlteiler 3.5 überlagert, ausgekoppelt, mit Hilfe des Spektralelements 3.3, z. B. einem Gitter oder Prisma oder Filter, in mehrere Far­ ben (Wellenlängen: λ1, λ2, . . . . λ_n) zerlegt und auf die Photodetektoranordnung 4 fokusiert. Jeder Photodetektor liefert ein elektrisches Signal mit der durch die Modulatoren 2 erzeugten Differenzfrequenz und einer Phase Δϕ, die mit der Messgröße ΔL (Abstand zum Messobjekt 5) und der zugehörigen Wellenlänge λv zusammenhängt: Δϕ = (2.π/λ_n).ΔL.

Durch die Vermessung der Phasendifferenzen der Signale mehrerer Detektoren (Mehrwellenlängen-Hetrodyn-Interferometrie) läßt sich der Abstand ΔL zur In­ nenwand der Bohrung, der größer als einzelne Lichtwellen sein darf, eindeutig bestimmen.

Die Informationsübertragung vom rotierenden Sondenteils 2.2 zum feststehen­ den Sondenteil 2.1 wird über den optischen Koppler 2.9 durchgeführt. Der op­ tische Koppler 2.9 kann in Form der zwei gezeigten, an die Faserenden angekop­ pelten GRIN-Linsen 2.91 ausgeführt werden. Da der optische Koppler 2.9 sich im Lichtweg nach dem Faser-Strahlteiler 2.8 befindet, stören eventuelle kleine Verkippungen oder Verschiebungen beider Sondenteile 2.1, 2.2 während der Drehung nicht.

Die eigentliche Messsonde der Messfaser 2.4 ist ein sehr empfindlicher Teil (dünne Faser) und wird auch deswegen als leicht auswechselbares Element in Form eines Steckers (Faserkupplung 2.32) an den rotierbaren Sondenteil 2.2 montiert.

Claims (12)

1. Interferometrische Messvorrichtung zum Messen von Oberflächenkenn­ größen, Formen, Abständen, Abstandsänderungen, und Schwingungen, insbesondere in engen Hohlräumen, von Messobjekten (5) mit einem Sondenteil (2) und mit einer optischen Faser, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser in einem Messkopf (2.3) an dem das Messobjekt (5) anfahrenden freien Ende des Sondenteils (2) vorsteht und selbst als Messfaser (2.4) zum Beleuchten einer Messstelle und Aufnehmen von von dieser kommendem Messlicht (4) ausgebildet ist.

2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Endbereich der Messfaser (2.4) zum Beleuchten einer Mess­ stelle und Aufnehmen des Messlichts (4) entsprechend der Messaufgabe ausgebildet ist.

3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Endbereich poliert, mit einer Blende versehen, als Linse oder Prisma ausgebildet, gegen störendes Reflexlicht behandelt, abge­ schrägt, verspiegelt, entspiegelt oder mit einer Kombination dieser Maßnahmen versehen ist.

4. Messvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Endbereich zur Strahlformung oder Strahllenkung mit einem Klebetropfen versehen und/oder aufgerauht ist.

5. Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfaser (2.4) eine monomode Faser ist.

6. Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau des Interferometers einem klassischen Interferometer, einem Weißlichtinterferometer oder einem Heterodyninterferometer ent­ spricht.

7. Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer zur Erweiterung des Messbereichs als Mehrwel­ lenlängeninterferometer ausgebildet ist.

8. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Messfaser (2.4) in dem Sondenteil (2) ein Faserstück (2.7) vorgeschaltet ist und
dass die Trennfläche zwischen dem Faserstück (2.7) und der Messfaser (2.4) als Strahlteiler-Fläche zum Bilden einer reflektierten Referenzwelle und einer durchgelassenen Messwelle ausgenutzt ist.

9. Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Messfaser (2.4) und dem Faserstück (2.7) als Faserstecker (2.32) ausgebildet ist.

10. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet
dass zum Beleuchten eine kurzkohärente Lichtquelle (2.6) in einem von dem Sondenteil (2) entfernten und über eine Lichtleitfaser (2.7) ver­ bundenen Modulationsinterferometer oder in dem Sondenteil (2) angeord­ net ist, das dann über eine Lichtleitfaser (2.7) mit einem entfernten Demodulationsinterferometer (3) verbunden ist, und
dass die Kohärenzlänge der Lichtquelle (2.6) kürzer ist als eine halbe Differenz eines Lichtweges einer Referenzwelle und eines Lichtwegs einer Messwelle.

11. Messvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der Lichtquelle (2.6) über eine weitere Lichtleitfaser (2.7) und über einen Faser-Strahlteiler (2.8) in das Faserstück (2.7') geführt und aus diesem nach Beleuchten der Messstelle in die Lichtleitfaser (2.7") geführt wird.

12. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenteil (2) einen feststehenden Sondenteil (2.1) und einen in diesem drehbar gelagerten rotierbaren Sondenteil (2.2) mit dem Messkopf (2.3) aufweist.