DE10161486A1 - Konfokaler Liniensensor - Google Patents

Konfokaler Liniensensor

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DE10161486A1
DE10161486A1 DE2001161486 DE10161486A DE10161486A1 DE 10161486 A1 DE10161486 A1 DE 10161486A1 DE 2001161486 DE2001161486 DE 2001161486 DE 10161486 A DE10161486 A DE 10161486A DE 10161486 A1 DE10161486 A1 DE 10161486A1
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    • GPHYSICS
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    • G01B2210/00Aspects not specifically covered by any group under G01B, e.g. of wheel alignment, caliper-like sensors
    • G01B2210/50Using chromatic effects to achieve wavelength-dependent depth resolution

Abstract

Eine Sensoreinrichtung zur Abstandsmessung nach dem Prinzip der konfokalen Mikroskopie weist eine nahezu punktförmige erste Apertur für eien Sendelichtstrahl und wenigstens eine auf einem zu der ersten Apertur konzentrischen Kreis angeordnete zweite Apertur als Empfangsapertur auf. Beide nutzen ein gemeinsames Objektiv, das einen Kollimator und ein Fokussierelement enthält. Durch die Beabstandung der zweiten Apertur von der optischen Achse und die Anordnung der ersten Apertur genau auf der optischen Achse wird erreicht, dass das über die zweite Apertur empfangen, vom Messobjekt reflektierte Licht ein Intensitätsminimum aufweist, wenn sich die Objektoberfläche 2 exakt im Fokuspunkt der betrachteten Lichtwellenlänge befindet. Wird multichromatisches Licht verwendet und weist das aus Kollimator und Fokussierelement gebildete Objektiv eine ausreichende longitudinale chromatische Aberration auf, ist die Wellenlänge des von der zweiten Apertur nicht empfangenen Lichts ein Kennzeichen für den Abstand zwischen dem Sensor und dem Messpunkt der Objektoberfläche.

Description

  • [0001]
    Die Erfindung betrifft einen Abstandssensor, der insbesondere zum Messen und Prüfen von Präzisionsbauteilen geeignet ist, sowie ein Messverfahren.
  • [0002]
    Zum Messen und Prüfen von Präzisionsbauteilen mit anspruchsvollen Toleranzen können optische Messverfahren eingesetzt werden, die auf mikrooptischer Grundlage realisierbar sind. Solche Messeinrichtungen können mit mechanischen Präzisions-Formmessgeräten kombiniert werden, um Formabweichungen eines Werkstücks im Submikrometerbereich und Rauheiten im Nanometerbereich zu bestimmen.
  • [0003]
    Aus der DE 196 08 468 C2 ist ein optischer Abstandssensor bekannt, der nach dem konfokalen optischen Abbildungsprinzip arbeitet, um Abstands- und/oder Höhenwerte einer Oberfläche zu bestimmen. Zu dem Sensor gehören eine Sendeeinheit mit mehreren punktförmigen Lichtquellen, die über ein Linsensystem und einen halbdurchlässigen Spiegel auf der Oberfläche eines Messobjekts abgebildet werden. Auf diese Weise wird eine geradlinige Reihe von Abtastpunkten erzeugt. Außerdem enthält der Sensor eine Empfangseinheit mit mehreren zu den Lichtquellen korrespondierenden punktförmigen Empfängern gleicher Anzahl, die konfokal im bildseitigen Messbereich angeordnet sind. Der Beleuchtungs- und der Messstrahl sind koaxial geführt. Die optische Wegstrecke zwischen der Empfangseinheit und der Abbildungsoptik ist periodisch variierbar ausgebildet. Außerdem enthält die Empfangseinheit einen Peakdetektor zur Feststellung maximaler Leuchtdichten auf der Empfangseinheit, wobei die jeweils korrespondierenden optischen Wegstrecken, dem jeweiligen Höhenwert des aktuellen Abtastpunkts entsprechen.
  • [0004]
    Dieses Messprinzip erfordert eine mechanische Bewegung eines Elements zur Veränderung des Lichtwegs.
  • [0005]
    Außerdem ist aus der US-PS 5785651 ein konfokales Messsystem mit in einer Linie oder in einer Matrix angeordneten Messpunkten bekannt. Bei diesem sind die Sendeeinheit und die Empfangseinheit beispielsweise über eine gemeinsame Lichtleitfaser an ein Objektiv angeschlossen. Die Trennung von Mess- und Beleuchtungsstrahl erfolgt bei einer ersten Ausführungsform über ein entsprechendes Prisma. Bei anderen Ausführungsformen dient dazu ein Spiegel. Außerdem ist eine weitere Ausführungsform angegeben, bei der für den Beleuchtungsstrahl eine Sendefaser und für den Empfangsstrahl eine Empfangsfaser vorgesehen sind, deren offene Stirnflächen eng benachbart nebeneinander angeordnet sind. Bei allen Ausführungsformen ist die Empfangseinheit mit Mitteln zur Bestimmung der Farbveränderung versehen, die das Licht auf seinem Weg von der Sendeeinheit zu dem Messobjekt und von diesem zu der Empfangseinheit erfahren hat. Eine Farbveränderung ergibt sich aus der chromatischen Aberration des Objektivs, der zufolge lediglich eine Wellenlänge eines angebotenen Lichtspektrums optimal auf der Objektoberfläche fokussiert ist. Die Lichtfarbe entspricht somit dem Abstand zwischen dem Objektiv und der Objektoberfläche.
  • [0006]
    Beide vorgestellte Sensoren nehmen die Form einer Oberfläche lediglich punktweise auf. Der Abstand zwischen einzelnen Messpunkten kann einen Mindestabstand nicht unterschreiten. Zum einen sind die zu verwendenden Objektive größer als der jeweilige Tastpunkt, so dass schon deshalb die Tastpunkte nicht beliebig dicht zusammen gerückt werden können. Zum anderen kann das von einem Tastpunkt reflektierte Licht die Messung eines benachbarten Tastpunkts stören, wenn dieser zu nahe liegt. Für viele Anwendungen ist jedoch die Erfassung des Höhenprofils eines Werkstücks nicht nur punktweise sondern auf einer Linie gefordert. Dies soll möglichst schnell und sicher erfolgen.
  • [0007]
    Die aus der US-PS 5785651 bekannten Messeinrichtungen beruhen grundsätzlich auf der Erfassung eines Lichtintensitätsmaximums. Wird für das Beleuchten des Messobjekts und für die Aufnahme des reflektierten Lichts ein und dieselbe Lichtleitfaser verwendet, kann es zu störenden Reflexionen kommen. Eine Entkopplung über ein entsprechendes Empfangsobjektiv durch halbdurchlässige Prismen und Spiegel kann ebenfalls zu störenden Reflexionen führen. Außerdem nimmt der erforderliche Bauraum des Objektivs erheblich zu, was einer Erhöhung der Punktdichte beim Abtasten entgegen steht. Werden die Sendelichtleitfaser und die Empfangslichtleitfaser hingegen einfach etwas aus der optischen Achse heraus verschoben nebeneinander angeordnet, kann es zu Messungenauigkeiten kommen.
  • [0008]
    Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Abstandssensor und ein Messverfahren zu schaffen, der bzw. das eine präzise Vermessung von Bauteilen gestattet.
  • [0009]
    Diese Aufgabe wird mit dem Abstandssensor nach Anspruch 1, 2 oder 21 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 25 gelöst:
    Der Abstandssensor nach Anspruch 1 weist eine erste, nahezu punktförmige, optische Apertur auf, die der Beleuchtung des Objekts dient. Eine zweite Apertur ist konzentrisch zu der ersten Apertur angeordnet und somit beispielsweise ringförmig ausgebildet. Damit trifft das vom Objekt rückgestreute Licht die zweite Apertur nur bei Defokussierung. Das optimal fokussierte Licht hingegen, trifft nur die erste Apertur, was jedoch unbeachtlich ist. Von der zweiten Apertur wird es nicht aufgenommen, so dass die angeschlossene Sendeeinheit hier einen wohldefinierten Intensitätsabfall wahrnimmt. Die Einstellung der Objektoberfläche auf die Fokusebene verursacht ein Intensitätsminimum. Wird mit einer Weißlichtbeleuchtung oder mit einer mehrfarbigen Beleuchtung gearbeitet, stellt eine an die zweite Apertur angeschlossene Empfangseinrichtung den Ausfall der Lichtwellenlänge fest, in deren Fokus sich die Objektoberfläche befindet. Dies gestattet eine einfache und empfindliche Erfassung der Fokussierungsebene und somit des Abstands zwischen dem Abstandssensor und der Objektoberfläche. In der Nähe der Fokussierungsebene werden erhebliche Lichtintensitäten festgestellt, denn das von der Objektoberfläche reflektierte Licht trifft die zweite Apertur. Auf diese Weise ist durch Maximumsuche eine grobe Vorpositionierung möglich. Durch Minimumsuche ist dann der genaue Abstand feststellbar.
  • [0010]
    Das Messprinzip gilt ebenso für den Abstandssensor nach Anspruch 2. Dieser weist eine Gruppe zweiter Aperturen auf, die konzentrisch zu der ersten Apertur angeordnet sind. Die Gruppe zweiter Aperturen ersetzt somit die konzentrische zweite Apertur des Anspruchs 1. Die im Zusammenhang mit Anspruch 1 erläuterten Vorzüge gelten entsprechend.
  • [0011]
    Die Lichtquelle kann prinzipiell eine monochromatische Lichtquelle sein. Dabei ist zur Auffindung der Fokusebene eine Relativbewegung zwischen dem Sensor und der Objektoberfläche in Richtung der optischen Achse erforderlich. Sendet die Lichtquelle jedoch Licht aus, das Komponenten mit wenigstens zwei, vorzugsweise mehreren unterschiedlichen Wellenlängen enthält und weist das Objektiv eine ausreichende longitudinale chromatische Aberration auf, ist jeder Lichtwellenlänge gewissermaßen ihre eigene Fokusebene zugeordnet. Wird ein kontinuierliches Spektrum genutzt, sind praktisch unendlich viele, beliebig dicht beieinander liegende Fokusebenen vorhanden. Das von der Empfangseinheit empfangene Licht ist dagegen farbig - es enthält die Wellenlänge des Lichts, in dessen Fokusebene die Objektoberfläche liegt, nicht.
  • [0012]
    Zur Beleuchtung eignen sich beispielsweise LEDs. Diese können unterschiedliche Farben emittieren oder als so genannte Weißlicht-LEDs ausgebildet sein. Es können auch solche zum Einsatz kommen, bei denen eine blaues Licht aussendende Diode mit Fluoreszenzmittel versehen ist. Alternativ können jedoch auch Halogenlampen oder Xenonlampen verwendet werden, so dass eine für die zu lösende Messaufgabe ausreichende spektrale Bandbreite und Intensität zur Verfügung steht. Um besonders hohe Messgeschwindigkeiten zu erreichen, können außerdem polychromatische Lichtquellen eingesetzt werden, in denen die Strahlen mehrerer Laserdioden, die bei unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, in einem Lichtweg zusammen geführt werden. Auch fasergekoppelte Superlumineszenzdioden sind für die Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung geeignet.
  • [0013]
    An die Aperturen sind vorzugsweise Wellenleiterstrukturen zur Festlegung des Lichtwegs angeschlossen. Solche Wellenleiterstrukturen werden beispielsweise durch Lichtleitfasern gebildet. Die erste Apertur kann beispielsweise über eine Singlemodefaser an die Lichtquelle angeschlossen sein, die als Sendefaser dient. Die zweite Apertur kann an eine Hohlfaser gebildet sein, d. h. eine Faser mit größerem Querschnitt, in die die Sendefaser eingebettet ist. Die an die zweite Apertur angeschlossene Faser bildet somit eine Empfangsfaser und kann als Multimodefaser ausgebildet sein. Wenn jedoch an Stelle der zweiten ringförmigen Apertur eine Gruppe zweiter Aperturen (Anspruch 2) vorgesehen ist, können an diese auch eine Gruppe von Empfangsfasern angeschlossen sein, die sich konzentrisch um die Sendefaser anordnen.
  • [0014]
    Der Lichtempfänger kann beispielsweise durch ein Mikrospektrometer gebildet werden, das mit einem Fasereingang ausgestattet ist und die erforderliche spektrale Auflösung aufweist. Es ist so ausgebildet, dass es ein oder mehrere Signale abgibt, die die Spektralverteilung des empfangenen Lichts kennzeichnen. Für kostengünstigere Messsysteme mit geringerer Auflösung ist auch der Einsatz einer farbauflösenden Photodiodenzeile möglich, die beispielsweise ein Rot-Grün-Blau-Signal liefert. Bei Ausbildung des Abstandssensors als Liniensensor können mehrere Mikrospektrometer parallel geschaltet werden, um so eine möglichst hohe Messgeschwindigkeit zu erreichen. Eine kostengünstige Alternative, die nicht zu Lasten der Auflösung geht, stellt ein Mehrkanal-Mikrospektrometer dar. Möglich ist auch der Einsatz eines optischen Multiplexers, bei dem die Signale unterschiedlicher Punktsensoren seriell dem Mikrospektrometer zugeführt und spektral analysiert werden. Um zu einer möglichst hohen Auflösung zu gelangen, können zur weiteren Auswertung der Ausgangssignale des Mikrospektrometers Subpixel-Interpolationsalgorithmen verwendet werden, welche die typische Charakteristik der Signalform berücksichtigen.
  • [0015]
    Der Abstandssensor ist vorzugsweise durch eine Gruppe mehrerer, nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ausgebildeter einzelner Abstandssensoren gebildet, die auf dem Objekt eine Anzahl von Tastpunkten festlegen, die in einer Reihe angeordnet sind. Der Abstandssensor kann bei dieser Ausführungsform mit einer Stelleinrichtung verbunden sein, die dazu eingerichtet ist, den Abstandssensor in einer von der Reihe festgelegten Längsrichtung zu bewegen. Die Positioniereinrichtung hat dabei vorzugsweise einen Stellweg, der wenigstens gleich dem Abstand zwischen zwei benachbarten Tastpunkten ist. Als Positioniereinrichtung kann eine Piezo-Stelleinrichtung verwendet werden. Damit kann der Sensor in eine Abtastbewegung versetzt werden, bei der alle zwischen zwei benachbarten Tastpunkten gelegenen Messpunkte erfasst werden. Damit ist die lückenlose Erfassung eines Linienprofils möglich. Zusätzlich kann eine Relativbewegung zwischen dem Abstandssensor und dem Objekt erzeugt werden, die quer zu der Linie der Abtastpunkte gerichtet ist. Die Abtastbewegung kann eine hochfrequente Schwingung oder auch eine schrittweise Bewegung sein. Damit lassen sich Flächenprofile lückenlos aufnehmen.
  • [0016]
    Den Abstandssensoren nach Anspruch 1 und 2 ist gemeinsam, dass die Empfangsapertur (zweite Apertur) eine größere Fläche aufweist als die Sendeapertur (erste Apertur). Dadurch ist die Lichtausbeute relativ groß, d. h. es können auch Objektoberflächen vermessen werden, die eine relativ hohe Lichtabsorption aufweisen. Die große Empfangsapertur ermöglicht außerdem die Nutzung relativ niedriger Beleuchtungsintensitäten.
  • [0017]
    Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der nachfolgenden Beschreibung oder Unteransprüchen.
  • [0018]
    In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
  • [0019]
    Fig. 1 eine Messeinrichtung mit dem erfindungsgemäßen Abstandssensor in schematischer Darstellung,
  • [0020]
    Fig. 2 den Abstandssensor der Messeinrichtung nach Fig. 1 in einer ausschnittsweisen Darstellung,
  • [0021]
    Fig. 3 das Objektiv des Abstandssensors der Messeinrichtung nach Fig. 1 in einer schematisierten Perspektivdarstellung,
  • [0022]
    Fig. 4 den Abstandssensor nach Fig. 2 in einer vergrößerten, ausschnittsweisen Prinzipdarstellung,
  • [0023]
    Fig. 5 die Aperturen des Abstandssensors nach Fig. 4 in einer schematisierten Vorderansicht,
  • [0024]
    Fig. 6 die empfangene Lichtintensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge und
  • [0025]
    Fig. 7 eine alternative Aperturanordnung in Vorderansicht.
  • [0026]
    In Fig. 1 ist eine Messeinrichtung 1 veranschaulicht, die zur Feinvermessung der Objektoberfläche 2 eines Messobjekts 3 dient. Dazu ist das Messobjekt 3 von einer Halteeinrichtung 4 gelagert. Diese wird im Ausführungsbeispiel durch einen Drehtisch 5 gebildet. Andere Halteeinrichtungen, wie ein ruhender Tisch, ein Kreuztisch oder dergleichen, sind einsetzbar.
  • [0027]
    Zu der Messeinrichtung 1 gehört ein Abstandssensor 6, der im Ausführungsbeispiel als Liniensensor ausgebildet ist. Er erzeugt auf der Objektoberfläche 2 eine Reihe 7 einander benachbarter, jedoch voneinander beabstandeter Messpunkte 8, die durch Lichtfokusse gebildet werden. Der Abstandssensor 6 ist somit als Liniensensor ausgebildet, wobei die Linie eine Gerade ist. Er kann jedoch auch eine anderweitige Anordnung einzelner Messpunkte 8 vorgeben, beispielsweise in Form einer Matrix oder in Form von Kurven.
  • [0028]
    Der Abstandssensor 6 weist einen Messkopf 9 auf, der über Lichtleitkabel 11 an eine Beleuchtungs- und Auswerteeinrichtung 12 angeschlossen ist. Diese erfasst den jeweiligen Abstand zwischen dem Messkopf 9 und dem auf der Objektoberfläche 2 liegenden Messpunkt. Das Messprinzip ist an späterer Stelle erläutert.
  • [0029]
    Der Messkopf 9 ist von einer Positioniereinrichtung 14 getragen, die eine Bewegung des Messkopfs 9 in einer von den Messpunkten 8 festgelegten Längsrichtung Z gestattet. Diese Richtung Z ist in Fig. 1 durch einen Pfeil markiert. Zu der Positioniereinrichtung gehört ein von einem nicht weiter veranschaulichten Gestell getragener Piezoantrieb 15, dessen Maximalhub vorzugsweise etwa dem Abstand zweier benachbarter Messpunkte 8 voneinander entspricht. Der Piezoantrieb 15 ist dabei von der Beleuchtungs- und Auswerteeinrichtung 12 oder einer übergeordneten Steuerung gesteuert und erzeugt eine hochfrequente Schwingbewegung. Die Beleuchtungs- und Auswerteeinrichtung 12 ordnet dabei jeder momentanen Auslenkung des Piezoantriebs 15 den jeweils aktuellen Messwert zu.
  • [0030]
    Zur Erfassung der Form der Objektoberfläche 2 in einem beispielsweise nominell zylinderförmigen Bereich, wird das Messobjekt 3 mittels des Drehtischs 5 zunächst in einer Anfangsposition positioniert. In dieser Anfangsposition nimmt der Abstandssensor 6 die Messwerte aller Messpunkte 8 auf. Mittels des Piezoantriebs 15 wird der Messkopf 9 nun kontinuierlich oder schrittweise in Z-Richtung so verstellt, dass von den neuen Messpunkten 8, die an die ursprünglichen Messpunkte 8 unmittelbar angrenzenden Bereiche erfasst werden. Auf die Weise wird z. B. in einem kontinuierlichen Schwingungsvorgang oder Schritt für Schritt der zwischen den Messpunkten 8 gelegene Bereich abgetastet, so dass Profilinformation über die gesamte von der Reihe 7 festgelegte Linie erhalten wird. Im nächsten Schritt wird das Messobjekt 3 mittels des Drehtischs 5 um einen Winkelschritt gedreht, worauf die beschriebene Messprozedur wiederholt wird. Auf diese Weise wird nach und nach ein ringförmiger Streifen 16 der Objektoberfläche 2 vollständig erfasst.
  • [0031]
    Der Abstandssensor 6 ist ausschnittsweise in Fig. 2 veranschaulicht. Er besteht aus einer Anzahl von in einer Reihe angeordneten Einzelsensoren 17, gemäß Fig. 2. Jeder Einzelsensor 17 ist an eine Beleuchtungseinheit 18 angeschlossen, die, wie dargestellt, allen Einzelsensoren 17gemeinsam zugehören kann oder aus mehreren Einzellichtquellen besteht, die den Einzelsensoren jeweils einzeln zugeordnet sind. Die Beleuchtungseinheit 18 weist dabei wenigstens eine Lichtquelle 19 auf, die nicht monochromatisches Licht erzeugt. Als Lichtquelle kann eine Xenonlampe, eine Halogenlampe, eine Leuchtdiode oder ein Leuchtdiodenarray, eine Leuchtstofflampe, eine Weißlicht-LED oder eine anderweitige Lichtquelle dienen, die ein kontinuierliches Spektrum oder ein Linienspektrum mit mehreren Linien erzeugt.
  • [0032]
    Das von der Lichtquelle 19 ausgehende Licht wird über geeignete Mittel, beispielsweise Sammellinsen 21, in Lichtleitfasern 22 eingekoppelt, die als Sendefasern zur Objektbeleuchtung dienen. Die Lichtleitfaser 22 endet in einer planen Stirnfläche, die, wie Fig. 4 und 5 veranschaulichen, eine erste Apertur 23 bildet. Diese ist nahezu punktförmig, wobei ihr Durchmesser dem Durchmesser der Lichtleitfaser 22 entspricht. Die Lichtleitfaser 22 ist vorzugsweise eine Singlemode-Lichtleitfaser. Das aus dieser quasi punktförmigen Apertur austretende Licht wird über ein Objektiv 24 fokussiert (Fig. 4). Das Objektiv 24 weist dabei eine große longitudinale chromatische Aberration auf. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass im Strahlengang konzentrisch zu einer optischen Achse 25 eine Sammellinse 26 und eine Fresnelsche Zonenplatte 27 angeordnet sind. Die optische Achse 25 steht senkrecht auf der die Apertur 23 bildenden Stirnfläche der Lichtleitfaser 22 und ist konzentrisch zu dieser angeordnet. Alternativ können hintereinander zwei diffraktive Fresnelelemente angeordnet sein. Der Kerndurchmesser der Lichtleitfaser 22 entspricht dem Durchmesser der lichtemittierenden Fläche. Diese bildet somit eine nahezu punktförmige Lichtquelle. Diese wird mittels der Sammellinse 26 und des Fresnelelements 27gegebenenfalls verkleinert auf die Objektoberfläche abgebildet, so dass das Licht auf punktförmige Objektbereiche (Messpunkt 8) fokussiert wird, deren Durchmesser ca. ein bis zwei Mikrometer beträgt. In Folge der vorhandenen deutlichen longitudinalen chromatischen Aberration des Objektivs 24 ergeben sich für unterschiedliche Lichtwellenlängen unterschiedliche Fokusse 28, 29, wobei ein Bereich B auf der optischen Achse 25 existiert, in dem sich die Fokusse der unterschiedlichen Lichtwellenlängen aufhalten. Der Bereich B entspricht dabei dem longitudinalen Messbereich in Richtung der optischen Achse 25.
  • [0033]
    Konzentrisch zu der optischen Achse 25, sowie der Lichtleitfaser 22 ist eine zweite Lichtleitfaser 31 vorgesehen, die beispielsweise als Multimode-Lichtleitfaser ausgebildet ist und die Lichtleitfaser 22 umgibt. Die Lichtleitfaser 31 dient als Empfangsfaser. Ihre Stirnfläche bildet eine zweite Apertur 32, die die erste Apertur 23 ringförmig umgibt. Während die erste Apertur 23 möglichst klein, d. h. nahezu punktförmig ist, weist die zweite Apertur 32, die als Empfangsfläche dient, eine wesentlich größere Fläche auf. Dies stellt eine hohe Empfangssignalstärke sicher.
  • [0034]
    Fig. 3 veranschaulicht den Aufbau des Messkopfs 9 an einem Beispiel mit 8 Einzelsensoren 17 (17a bis 17h). Die Einzelsensoren sind jeweils nach dem in Fig. 4 veranschaulichten Prinzip aufgebaut. Die Einzelsensoren 17a bis 17d weisen jeweils eingangsseitig eine konvexe Sammellinse 26a bis 26h und ausgangsseitig ein Fresnelelement 27a bis 27h auf. Diese Fresnelelemente sind an zueinander rechtwinkligen Flächen zweier im Winkel von 60° zueinander stehenden Prismen 33, 34 ausgebildet, wobei alle Fresnellinsen 27a bis 27h in einer Reihe in einer gemeinsamen Ebene liegend angeordnet sind. Die Prismen 33, 34 dienen als Umlenkspiegel. Die entsprechenden optischen Achsen 25a bis 25h sind entsprechend dem jeweiligen Strahlengang angedeutet. Zur Ein- und Auskopplung von Licht in das von den jeweiligen Linsen 26, 27 gebildete Objektiv sind für jeden Einzelsensor 17a bis 17h Lichtleitkabel 35a bis 35h vorgesehen. Die jeweilige Lichtleitfaser 22 jedes Lichtleitkabels 35 ist zu der Beleuchtungseinheit 18 geführt und sendet somit Licht durch den Messkopf 9 zu dem Messobjekt 3. Die Lichtleitfasern 31 der Lichtleitkabel 35 sind zu einer Auswerteeinrichtung 36 geführt. Diese ist Teil der Beleuchtungs- und Auswerteeinrichtung 12. Die Auswerteeinrichtung 36 erfasst die spektrale Verteilung des empfangenen Lichts und gibt ein dem Intensitätsminimum des empfangenen Lichts entsprechendes Signal ab oder ein Signal aus dem sich dieses Intensitätsminimum ermitteln lässt. Beispielsweise ist die Auswerteeinrichtung 36 ein Spektralanalysator. Es kann jedem Lichtleitkabel 35 ein eigener Spektralanalysator zugeordnet sein. Alternativ kann dieser im Multiplexbetrieb arbeiten.
  • [0035]
    Die insoweit beschriebene Messeinrichtung 1 arbeitet wie folgt:
    In Betrieb senden alle Lichtleitfasern 22 der Lichtleitkabel 35a bis 35h Licht auf dem jeweiligen durch die optischen Achsen 25a bis 25h gekennzeichneten Lichtweg zu dem Messobjekt 3. Dabei bewirken die Linsen des Objektivs 24 eine Bündelung des Lichts. Im Einzelnen tritt das Licht, wie Fig. 4 veranschaulicht, aus der Apertur 23, die nahezu punktförmig ist, aus und wird von dem Objektiv 24 wieder fokussiert. In Folge der chromatischen longitudinalen Aberration des Objektivs 24 liegen die Brennpunkte der einzelnen enthaltenen Lichtfrequenzen entlang der optischen Achse 25 verteilt in dem Bereich B (Fig. 4). Das Licht des Brennpunkts, der genau mit dem Messpunkt 8 übereinstimmt, wird von der Objektoberfläche 2 reflektiert und trifft genau die erste Apertur 23. Es wird somit an der zweiten Apertur 32 nicht wirksam. Die anderen Spektralanteile des nichtmonochromatischen Lichts haben jedoch Fokuspunkte, die nicht mit dem Messpunkt 8 übereinstimmen. Sie werden deshalb auf der Objektoberfläche 2 nicht scharf abgebildet. Entsprechend wird das von den unscharf abgebildeten Messpunkten reflektierte Licht auch nicht ausschließlich auf der ersten Apertur 23 sondern zumindest teilweise auch auf der zweiten Apertur 32 abgebildet. Somit ergibt sich in dem von der zweiten Apertur 32 aufgenommenen Empfangssignal ein Intensitätsminimum für die Lichtfrequenz, deren Fokuspunkt genau auf der Objektoberfläche 2 liegt. Es ergibt sich der in Fig. 6 veranschaulichte Intensitätsverlauf, der Intensität des an der zweiten Apertur 32 empfangenen Lichts in Abhängigkeit von der Lichtfrequenz. Die Frequenz des Intensitätsminimums ist somit charakteristisch für den Abstand zwischen dem Objektiv 24 und der Objektoberfläche 2. Die Auswerteeinrichtung 36 enthält somit im weitesten Sinne einen Intensitätsminimumsdetektor, der lediglich die Aufgabe hat, ein Signal zu erzeugen, das der Lichtfrequenz entspricht, bei der die Lichtintensität das in Fig. 6 veranschaulichte lokale Minimum hat.
  • [0036]
    Die in der Nähe des Intensitätsminimums vorhandenen Intensitätsmaxima können dazu herangezogen werden, eine grobe Vorpositionierung des Messobjekts 3 oder des Messkopfs 9 durchzuführen. Es wird dazu lediglich eine Position gesucht in der an der Apertur 32 eine hohe Gesamthelligkeit angetroffen wird. Ist diese vorhanden wird in dem empfangenen Spektrum das Minimum gesucht.
  • [0037]
    Bei einer alternativen Ausführungsform ist die zweite Apertur 32 durch eine Gruppe 37 zweiter Einzelaperturen 32a bis 32f ersetzt. Im Einzelfall kann eine einzige aus der optischen Achse 25 heraus verlagerte zweite Einzelapertur 32a genügen, wobei die erste Apertur 23 (Sendeapertur) jedoch auf der optischen Achse 25 angeordnet ist. Bevorzugt werden jedoch Anordnungen mit zwei, drei oder mehreren zu der Gruppe 37 gehörenden zweiten Aperturen. Die zweiten Aperturen 32a bis 32f sind an Lichtleitfasern angeschlossen, die zu der Auswerteeinrichtung 36 führen. Die Funktion entspricht der Funktion der vorbeschriebenen Ausführungsform.
  • [0038]
    Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Liniensensor mikrooptisch ausgelegt, so dass der Abstand zwischen zwei Einzelelementen maximal einige Hundert Mikrometer beträgt. Die erforderliche Amplitude der hochfrequenten Relativbewegung des Positionierantriebs 15 ist so gering, dass sie mittels Piezo-elektrischer Stellelemente realisierbar ist.
  • [0039]
    Bei einer größeren Anzahl von Einzelsensoren 17a bis 17n erweist sich eine Auslegung des mikrooptischen Messkopfs als vorteilhaft, bei der die Strahlenverläufe der Einzelsensoren 17a bis 17n dreidimensional, wie beispielsweise in Fig. 3 veranschaulicht, angeordnet werden, so dass ein Sensorkopf mit möglichst geringem Durchmesser resultiert, der in kleine Bohrungen eingeführt werden kann. Es können die Objektive benachbarter Einzelsensoren 17 zu einer Kollimatorleiste zusammengeführt werden. Die in Fig.3 veranschaulichte Ausführungsform kann nahezu beliebig oft wiederholt oder fortgesetzt werden, um die Anzahl der Einzelsensoren zu erhöhen ohne die Querschnittsfläche des Sensorkopfs zu ändern. Der Messkopf 9 kann an einem Vorschubgerät montiert werden. Er kann an dem Werkstück oder an einer gesonderten Halterung abgestützt werden. Die Relativbewegung zwischen dem Messobjekt 3 und dem Messkopf 9 kann durch Bewegung des Messobjekts 3 oder Bewegung des Messkopfs 9 oder durch Bewegung sowohl des Messobjekts 3 als auch des Messkopfs 9 erreicht werden.
  • [0040]
    Eine Sensoreinrichtung zur Abstandsmessung nach dem Prinzip der konfokalen Mikroskopie weist eine nahezu punktförmige erste Apertur für einen Sendelichtstrahl und wenigstens eine auf einem zu der ersten Apertur konzentrischen Kreis angeordnete zweite Apertur als Empfangsapertur auf. Beide nutzen ein gemeinsames Objektiv, das einen Kollimator und ein Fokussierelement enthält. Durch die Beabstandung der zweiten Apertur von der optischen Achse und die Anordnung der ersten Apertur genau auf der optischen Achse wird erreicht, dass das über die zweite Apertur empfangene, vom Messobjekt reflektierte Licht ein Intensitätsminimum aufweist, wenn sich die Objektoberfläche 2 exakt im Fokuspunkt der betrachteten Lichtwellenlänge befindet. Wird multichromatisches Licht verwendet und weist das aus Kollimator und Fokussierelement gebildete Objektiv eine ausreichende longitudinale chromatische Aberration auf, ist die Wellenlänge des von der zweiten Apertur nicht empfangenen Lichts ein Kennzeichen für den Abstand zwischen dem Sensor und dem Messpunkt der Objektoberfläche.

Claims (25)

1. Abstandssensor (6), insbesondere zum Messen und Prüfen von Präzisionsbauteilen oder anderen Messobjekten (3),
mit einer Lichtquelle (19),
mit wenigstens einer ersten, nahezu punktförmigen optischen Apertur (23), die über einen ersten Lichtweg (22) mit der Lichtquelle (19) verbunden ist und die der Beleuchtung eines Messobjekts (3) dient,
mit einem Objektiv (24), das zwischen der ersten Apertur (23) und dem Messobjekt (3) angeordnet ist und das der Fokussierung des aus der Apertur (23) austretenden Lichts sowie der Sammlung des von dem Messobjekt (3) rückgestreuten Lichts dient,
mit wenigstens einer zweiten Apertur (32), die konzentrisch zu der ersten Apertur (23) angeordnet ist.
2. Abstandssensor (6), insbesondere zum Messen und Prüfen von Präzisionsbauteilen oder anderen Messobjekten (3),
mit einer Lichtquelle (19),
mit wenigstens einer ersten, nahezu punktförmigen optischen Apertur (23), die über einen ersten Lichtweg (22) mit der Lichtquelle (19) verbunden ist und die der Beleuchtung des Messobjekts (3) dient,
mit einem Objektiv (24), das zwischen der ersten Apertur (23) und dem Messobjekt (3) angeordnet ist und das der Fokussierung des aus der Apertur (23) austretenden Lichts sowie der Sammlung des von dem Messobjekt (3) rückgestreuten Lichts dient,
mit wenigstens einer Gruppe (37) zweiter Aperturen (32a, 32b, 32c, 32d, 32e, 32f), die konzentrisch zu der ersten Apertur (23) angeordnet sind.
3. Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (19) Licht aussendet, das Komponenten mit unterschiedlichen Wellenlängen (λ) enthält.
4. Abstandssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (19) Licht mit einem kontinuierlichen Spektrum aussendet.
5. Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (19) farbiges Licht aussendet.
6. Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (19) weißes Licht aussendet.
7. Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Apertur (32) oder die Gruppe (37) zweiter Aperturen (32a, 32b, 32c, 32d, 32e, 32f) über wenigstens einen zweiten Lichtweg (31) an einen Lichtempfänger (36) angeschlossen ist.
8. Abstandssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger (36) Teil einer Auswerteeinrichtung (12) ist.
9. Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger (36) dazu eingerichtet ist, ein Signal abzugeben, das die Spektralverteilung des empfangenen Signals kennzeichnet.
10. Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtempfänger (36) dazu eingerichtet ist, ein Signal abzugeben, das der Frequenz oder der Wellenlänge (λ) eines Intensitätsminimums in dem Spektrum des empfangenen Lichtsignals entspricht.
11. Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandssensor (6) mehrere erste Aperturen (23) aufweist, die über mehrere Objektive (26a-h, 27a-h) auf dem Messobjekt (3) eine Reihe von Lichtpunkten erzeugt, die in einer Reihe angeordnet sind.
12. Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandssensor (6) mehrere zweite Aperturen (32) aufweist, die über mehrere Objektive (26a-h, 27a-h) das rückgestreute Licht der auf dem Messobjekt (3) erzeugten Reihe von Lichtpunkten aufnimmt.
13. Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtweg (22) durch eine Lichtleitfaser (22) mit einer Stirnfläche gebildet ist, die die erste Apertur (23) bildet.
14. Abstandssensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser (22) eine Singlemode-Faser ist.
15. Abstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Apertur (32) ringförmig ausgebildet ist.
16. Abstandssensor nach Anspruch 7 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lichtweg (31) durch eine Hohlfaser gebildet ist.
17. Abstandssensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfaser (31) eine Multimode-Faser ist.
18. Abstandssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturen (32) der Gruppe (37) auf einem zu der ersten Apertur (23) konzentrischen Kreis angeordnet sind.
19. Abstandssensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem zweiten Lichtweg (31) mehrere an die zweiten Aperturen (32a-f) angeschlossene Lichtleitfasern gehören.
20. Abstandssensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfasern Multimode-Fasern sind.
21. Abstandssensor, der auf einem Messobjekt (3) eine Anzahl in einer Reihe angeordneter Tastpunkte (8) festlegt und der mit einer Positionier- und Stelleinrichtung (14) verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, den Abstandssensor (6) in einer von der Reihe festgelegten Längsrichtung (z) zu bewegen.
22. Abstandssensor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (14) einen Stellweg aufweist, der wenigstens gleich dem Abstand zwischen zwei benachbarten Tastpunkten (8) ist.
23. Abstandssensor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (14) eine Piezo- Stelleinrichtung ist.
24. Abstandssensor nach Anspruch 1 und 21 oder nach Anspruch 2 und 21.
25. Verfahren zur Bestimmung des Abstands einer Objektoberfläche von einem Messkopf, wobei Licht über eine erste zur optischen Achse eines Objektivs koaxiale Apertur ausgesandt und über wenigstens eine zweite, außerhalb der optischen Achse angeordnete Apertur aufgenommenen wird, und wobei das Zusammentreffen der Objektoberfläche und des Fokuspunkts des Objektivs durch ein Intensitätsminimum des über die zweite Apertur aufgenommenen Lichts erkannt wird.
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