-
Die
Erfindung betrifft einen optischen Messkopf, der insbesondere zur
Oberflächenmessung
an schwer zugänglichen
Stellen eingerichtet ist.
-
In
der Oberflächenmesstechnik
spielen taktile Sensoren nach wie vor eine große Rolle. Jedoch ist die Messgeschwindigkeit
begrenzt. Außerdem muss
auf das Messobjekt eine Messkraft ausgeübt werden, was bei empfindlichen
Oberflächen,
dünnen Folien
und dergleichen, zu Schwierigkeiten füh ren kann. Bei beengten Verhältnissen
kann die auszuübende
Messkraft außerdem
das Tastelement verformen, wodurch bei ungünstigen Tastergeometrien, z.B.
bei der Messung in sehr tiefen Bohrungen, Messunsicherheiten entstehen.
-
Optische
Sensoren weisen diese Nachteile nicht auf. Ihre Messgeschwindigkeit
ist aber letztlich durch die Anzahl der zur Verfügung stehenden Photonen bestimmt.
Mit ihnen ist eine kräftefreie
Abtastung von Messobjekten möglich.
Es ist damit prinzipiell auch die schnelle Erfassung von 3D-Geometrien möglich. Jedoch
beruhen optische Sensoren auf dem vom Messobjekt reflektierten Licht,
wodurch zahlreiche Störeffekte
auftreten können.
Beispielsweise entstehen an Kanten Beugungseffekte. Die Oberflächenrauheit
kann eine störende
Speckle-Bildung hervorrufen. Auch können Neigungswinkel zwischen
der Oberflächennormalen
im Antastpunkt des Messobjekts und der optischen Achse des Sensors
nur begrenzt toleriert werden.
-
Beispielsweise
ist zur Vermessung von Bohrungen von Werkstücken aus der
DE 102 56 273 A1 ein optischer
Liniensensor bekannt, mit dem die Wandung von Bohrungen auf einer
ganzen Linie optisch erfasst werden kann. Dazu weist der Liniensensor
ein Interferometer auf, an das eine optische Platte angeschlossen
ist. Diese wirkt als Doppelprisma. Das an einer Kante eingestrahlte
Licht tritt an einer um 90° versetzten
Kante aus und wird somit im Wesentlichen senkrecht zur Wandungsoberfläche geleitet.
-
Dieser
Sensor stellt einen Spezialsensor dar, der insbesondere zur Abtastung
von in einer Richtung geraden Flächen,
wie beispielsweise Zylinderwandungen, geeignet ist.
-
Des
Weiteren ist aus der
DE 101
61 486 ein konfokaler Liniensensor bekannt, der ein Objektiv
mit mehreren, dem Werkstück
zugewandten Lichtaustrittsfenstern in Form von Fresnellinsen aufweist.
Diese Linsen sind an Umlenkprismen ausgebildet, an die eingangsseitig
Lichtleitfasern angeschlossen sind. Zwischen der jeweiligen Lichtleitfaser
und dem Prismeneingang ist ein fokussierendes, optisches Element
angeordnet. Das Prisma bewirkt eine 90°-Lichtumlenkung. Innerhalb des
Prismas wird ein paralleler Strahlengang vorausgesetzt. Dieser Sensor
erfordert, dass die zu vermessende Werkstückoberfläche rechtwinklig zu den optischen
Achsen der ausgangsseitigen Fresnellinsen ausgerichtet ist. Dies
erschwert das Vermessen unbekannter Oberflächengeometrien.
-
Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Messkopf zu schaffen,
der sowohl zur Vermessung von zylindrischen Bohrungen als auch zur
Vermessung von schwach kegeligen Bohrungen oder sonstigen schwer
zugänglichen
Stellen von Werkstücken
einsetzbar ist.
-
Der
erfindungsgemäße Messkopf
zeichnet sich durch ein Objektiv mit großer numerischer Apertur aus.
Außerdem
enthält
es einen Spiegel, der das Licht seitlich zu der Längsachse
einer Licht zu- und abführenden
Lichtleitfaser ein- und
austreten lässt. Zu
dem Objektiv gehören
zwei fokussierende optische Elemente, die insgesamt eine numerische Apertur > 0,1 aufweisen. Diese
große
numerische Apertur gestattet nicht nur die Erzielung einer großen optischen
Auflösung
bei der Vermessung der Werkstückoberfläche. Sie
macht die Messung darüber
hinaus unempfindlich gegenüber
Fehlausrichtungen der Werkstückoberfläche in Bezug
auf die optische Achse des Objektivs. Kleinere Winkelfehler können toleriert werden,
so dass der Messkopf auch die Vermessung von Kegelflächen oder
sonstigen Oberflächenkonturen
gestattet.
-
Es
haben sich zwei Bauformen des erfindungsgemäßen Messkopfs als besonders
vorteilhaft herausgestellt. Eine erste Familie von Ausführungsbeispielen
beruht auf einer halbkugelförmigen
oder kugelabschnittsförmigen
Linse, die eine verspiegelte Fläche
aufweist oder an einer verspiegelten Fläche anliegt und somit sowohl
die Lichtumlenkung als auch eine Vorfokussierung des Lichts ermöglicht.
Zusätzlich
ist in dem Lichtweg ein weiteres fokussierendes Element angeordnet.
Dieses ist beispielsweise durch ein diffraktives Element in Form
einer Zonenplatte, Zonenlinse, diffraktive Linse oder beugungsoptische
Linse gebildet. Es wird eine diffraktive, d.h. beugungsoptische
Linse, bevorzugt. Diese weist eine hohe chromatische Aberration
auf, die hier gewünscht
ist.
-
Eine
zweite Familie von Ausführungsformen beruht
auf der Vorfokussierung des aus einer Lichtleitfaser kommenden Lichts
mittels einer GRIN-Linse (Gradienten-Index-Linse), an die sich ein
Umlenkspiegel und ein zweites fokussierendes, optisches Element,
beispielsweise ein diffraktives Element, anschließt, z.B.
eine Zonenplatte, Zonenlinse, diffraktive Linse oder beugungsoptische
Linse. Dieses Element kann auch in den Spiegel integriert sein,
so dass dieser dann einen beugungsoptischen, fokussierenden Spiegel
bildet. Die Verwendung einer GRIN-Linse ist im Hinblick auf eine
mikrooptische Realisierung des Objektivs besonders vorteilhaft.
Die GRIN-Linse ist durch einen durchsichtigen Zylinder gebildet,
dessen Planflächen
die Lichtein- und -austrittsflächen
bilden. Das Linsenmaterial weist einen sich in Abhängigkeit
vom Radius ändernden
Brechungsindex auf, wodurch die gewünschten fokussierenden Eigenschaften
erzielt werden. Die Herstellung von GRIN-Linsen ist auch in sehr
kleinen Dimensionen mit Linsendurchmessern kleiner als 1 mm mit hoher
Präzision
möglich.
-
Beiden
genannten Familien ist gemeinsam, dass das erste fokussierende Element
eine Vorfokussierung des Lichts zu einem konvergenten Lichtbündel vornimmt.
Das zweite fokussierende Element fokussiert das Lichtbündel weiter.
Es wird dadurch eine hohe numerische Apertur erreicht.
-
Der
Messkopf arbeitet vorzugsweise mit nicht monochromatischem Licht,
beispielsweise farbigem oder weißem Licht, mit einem wenigstens über einen
gewissen Frequenzbereich kontinuierlichem Spektrum. Solches Licht
kann beispielsweise von einer Glühlampe,
einer Hochdruckentladungslampe oder auch von anderen Lichtquellen
stammen. Durch die hohe chromatische Aberration wenigstens einer der
beiden fokussierenden Elemente wird trotz der hohen numerischen
Apertur eine hohe effektive Tiefenschärfe des Objektivs erreicht.
Entlang der optischen Achse sind die Fokuspunkte der unterschiedlichen,
im Licht enthaltenen Wellenlängen
angeordnet. Der Sensor erfasst durch das Objektiv deshalb Licht
nur der Wellenlänge,
in dessen Brennpunkt sich die Objektoberfläche befindet. Die durch die
Faserkern-Stirnfläche
gebildete Blende blendet die übrigen Wellenlängen aus.
Der Messkopf ist vorzugsweise als konfokales Mikroskop ausgebildet.
Das aufgenommene Licht wird einer spektralen Analyse unterworfen.
Die erfasste Lichtfarbe ist ein Maß für den Abstand des erfassten
Oberflächenpunkts
von dem Objektiv.
-
Objektive
des so beschriebenen Aufbaus lassen sich wegen ihrer geringen Abmessungen ohne
Weiteres zu einem Li niensensor zusammensetzen. Damit können linienhafte
Abschnitte einer Werkstückoberfläche in einem
einfachen kurzen Messvorgang vermessen werden. Der sich ergebende
Messkopf ist schlank, so dass auch schwer zugängliche Werkstückabschnitte
leicht vermessen werden können.
-
Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Figurenbeschreibung
oder von Ansprüchen.
-
In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
-
1 eine
Messeinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Messkopf bei der Vermessung
eines Werkstücks
in schematisierter Darstellung,
-
2 bis 4 Messköpfe mit
Halbkugellinse in schematisierter Prinzipdarstellung,
-
5 bis 7 Messköpfe mit
GRIN-Linse in schematisierter Darstellung,
-
8 einen
optischen Liniensensor bestehend aus mehreren Punktsensoren gemäß einer
der 2 bis 4,
-
9 und 10 weitere
Ausführungsformen
der optischen Punktsensoren in schematisierter Darstellung,
-
11 den
Punktsensor nach 9 in perspektivischer Darstellung,
-
12 den
Punktsensor nach 9 und 11 in
Seitenansicht und
-
13 den
Punktsensor nach 10 in perspektivischer Ansicht.
-
In 1 ist
eine Messeinrichtung 1 veranschaulicht, mit der die Oberfläche eines
Werkstücks 2,
insbesondere auch an sehr schwer zugänglichen Stellen, wie beispielsweise
innerhalb einer Bohrung 3 zu vermessen ist. Dazu dient
ein schlanker Messkopf 4, der in die Bohrung 3 eingeführt werden
kann. Der Messkopf 4 beruht auf einem optischen Messprinzip und
tastet die Oberfläche
der Bohrung 3 optisch an einer punktförmigen Stelle 5 an.
Der Messkopf 4 wird über
eine nicht weiter veranschaulichte Positioniereinrichtung bewegt.
Dazu ist er beispielsweise Teil einer Koordinatenmessmaschine.
-
Der
Messkopf 4 ist über
ein Lichtleitkabel, das wenigstens eine Lichtleitfaser 6 enthält, an eine Messeinheit 7 angeschlossen,
zu der eine Lichtquelle 8 und ein Lichtempfänger 9 gehören.
-
Die
Lichtquelle 8 enthält
ein breitbandiges, nahezu punktförmiges
Leuchtmittel 11, z.B. eine geeignete Glühlampe, sowie einen Reflektor 12,
der das Licht auf eine Sammellinse 13 wirft. Es wird somit ein
im Wesentlichen paralleles Lichtbündel 14 erzeugt, das
letztendlich zur Beleuchtung der Stelle 5 dient. Dazu passiert
das Lichtbündel 14 zunächst einen
halbdurchlässigen
Spiegel 15 und wird dann mittels einer weiteren Sammellinse 16 in
die Lichtleitfaser 6 des Lichtleitkabels eingekoppelt.
Es lässt
sich als Lichtquelle auch eine auf einem Halbleiter basierende Lichtquelle,
z.B. eine Superluminiszenzdiode verwenden, bei der eine Lichtleitfaser
direkt an die Licht emittierende Fläche des Halbleitermaterials
gekoppelt ist. Der halbdurchlässige
Spiegel 15 kann durch einen Y-Koppler ersetzt werden.
-
Von
dem Messkopf 4 aufgenommenes Licht wird über die
Lichtleitfaser 6 und die Sammellinse 16 zurück auf den
halbdurchlässigen
Spiegel 15 geleitet. Dieser koppelt das Licht als Lichtbündel 17 aus und
leitet es zu dem Lichtempfänger 9.
-
Der
Lichtempfänger 9 enthält eine
Linsenanordnung 18, die den Durchmesser des Lichtbündels 17 wesentlich
vermindert, so dass ein im Grunde linienhafter Lichtstrahl 19 verbleibt.
Dieser wird durch ein Prisma 21 entsprechend seiner Lichtfarbe
(Wellenlänge)
abgelenkt und fällt
auf einen vielzelligen Photodetektor 22 oder einen sonstigen
ortsempfindlichen Sensor. Die Stelle, an der der abgelenkte Lichtstrahl 19' auftrifft,
kennzeichnet die Wellenlänge
des Lichts. Die Empfangsfaser kann auch direkt an ein geeignetes
Spektrometer gekoppelt werden, bei dem die spektrale Aufspaltung
z.B. mittels eines optischen Gitters erfolgt.
-
2 veranschaulicht
eine erste Ausführungsform
des Messkopfs 4 in schematischer Darstellung. Der Messkopf 4 enthält eine
halbkugelförmige
Linse 23, die von dem divergent aus der Lichtleitfaser 6 austretenden
Licht getroffen wird. Die halbkugelförmige Linse 23 weist
eine verspiegelte, vorzugsweise plan ausgebildete Fläche 24 auf
(oder liegt an einem Spiegel an), die vorzugsweise unter einem Winkel
von 45° zu
der Längsrichtung
der Lichtleitfaser 6 angeordnet ist. Dies gilt zumindest
für Messköpfe 4 mit
rechtwinklig seitlich austretendem Licht. Sind andere Austrittsrichtungen
gewünscht,
kann die Fläche 24 der
Linse 23 in einem entsprechend anderen Winkel angeordnet
sein.
-
Die
Linse 23 ist durch nicht weiter veranschaulichte Befestigungsmittel
an einem Träger 25 befestigt
und gehal ten. Der Träger 25 kann
beispielsweise aus einem durchsichtigen Kunststoffmaterial ausgebildet
sein. Die Stelle, an der das von der Linse 23 reflektierte
und vorfokussierte Licht den Träger 25 durchstrahlt,
kann in diesen eine Zonenlinse 26 eingearbeitet sein. Diese
ist vorzugsweise als beugungsoptisches (diffraktives) Element ausgebildet. Der
verwendete Kunststoff weist vorzugsweise eine hohe Brechzahl auf.
Die Linse 23 mit ihrer verspiegelten Fläche 24 bildet zusammen
mit der Zonenlinse 26 ein Objektiv, das quer zu dem Träger 25 sowie
zu der Lichtleitfaser 6 nur eine äußerst geringe Abmessung aufweist.
Darüber
hinaus weist es insgesamt eine sehr hohe numerische Apertur von >0,1, vorzugsweise >0,3 auf. Es können Werte
von 0,5 und mehr erreicht werden. Die numerische Apertur A berechnet sich
zu: A = n·sin σ, wobei
σ der halbe Öffnungswinkel
des aus der Linse 23 nebst Fläche 24 und Zonenlinse 26 gebildeten
Objektivs 27 und n die Brechzahl des Mediums zwischen dem
Objektiv und seinem Brennpunkt 28 ist.
-
Die
hohe numerische Apertur gestattet die Vermessung von Werkstückoberflächen auch
dann, wenn diese nicht unbedingt rechtwinklig zu der optischen Achse 29 des
Objektivs 27 ausgerichtet sind.
-
Der
Messkopf 4 weist eine hohe chromatische Aberration auf.
Diese wird im Wesentlichen durch die Zonenlinse 26 verursacht,
die bewusst zur Erzielung einer hohen chromatischen Aberration gestaltet
ist. Die Brennweite nimmt mit zunehmender Lichtwellenlänge ab (negative
longitudinale chromatische Aberration). Es können jedoch auch brechungsoptische
Elemen te (refraktive Linsen) verwendet werden, die eine positive
longitudinale chromatische Aberration aufweisen (die Brennweite nimmt
mit der Lichtwellenlänge
zu).
-
Die
insoweit beschriebene Messeinrichtung 1 arbeitet wie folgt:
Der
Messkopf 4 wird zunächst
so vor der Werkstückoberfläche positioniert,
dass wenigstens einer seiner verschieden farbigen, entlang der Achse 29 angeordneten
Brennpunkte an der Stelle 5 der Werkstückoberfläche liegt. Genau genommen,
liegen unendlich viele Brennpunkte entlang eines Abschnitts der
optischen Achse 29 verteilt, wobei sich benachbarte Brennpunkte
farblich nur infinitesimal unterscheiden. Die Lichtquelle 8 koppelt
nun über
die Lichtleitfaser 6 Licht in den Messkopf 4 ein,
um die Stelle 5 zu beleuchten. Dabei liegt die Werkstückoberfläche an einer
Stelle der optischen Achse 29, die dem Brennpunkt einer
bestimmten Lichtwellenlänge
entspricht. Das reflektierte Licht wird von dem Objektiv 27 wieder
aufgenommen. Durch die nahezu punktförmige Stirnfläche der
Lichtleitfaser wird aus dem reflektierten, aufgenommenen Licht nur
das Licht des Brennpunkts aufgenommen und zu dem Lichtempfänger 9 geleitet.
Der Lichtempfänger 9 nimmt
eine spektrale Analyse vor. Der Photodetektor 22 erzeugt
an einer Ausgangsleitung 31 ein Ausgangssignal, das die empfangene
Lichtwellenlänge
kennzeichnet. Aus dieser kann auf den Abstand zwischen dem Objektiv 27 bzw.
zwischen den Messkopf 4 und der Werkstückoberfläche geschlossen werden.
-
Die
Möglichkeit
der Erzielung einer hohen numerischen Apertur ergibt sich bei dem
Objektiv 27 nach 2 durch die
Verwendung der halbkugelförmigen
Linse 23 in Verbindung mit der Zonenlinse 26.
-
Eine
abgewandelte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Objektivs 27 ist
in 3 veranschaulicht. Wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist der Lichtweg gestrichelt eingetragen. Jedoch ist die Zonenlinse 26 vor
der Linse 23, d.h. zwischen der Linse 23 und dem
Lichtaus- und -eintritt der Lichtleitfaser 6 angeordnet.
Es ergibt sich wiederum ein Objektiv 27 mit großer numerischer
Apertur, d.h. großem Öffnungswinkel
2σ des Objektivs 27.
Die Zonenlinse 26 kann wiederum an einem Kunststoffträger ausgebildet
sein, der mit einem Fortsatz 32 in den Lichtweg ragt.
-
Wie 4 veranschaulicht,
ist es auch möglich,
die Linse 23 und die Zonenlinse 26 miteinander zu
vereinigen. Die halbkugelförmige
oder auch kugelabschnittsförmige
Linse 23 ist dazu an ihrer spiegelnden Fläche 24,
die vorzugsweise als Planfläche
ausgebildet ist, mit einer Zonenstruktur 26a versehen, die
eine hohe chromatische Aberration verursacht. Die Linse 23 liefert
ein Objektiv mit kurzer Brennweite und hoher numerischer Apertur.
-
Allen
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen
ist gemeinsam, dass sie als wesentliches Element die kugelabschnittsförmige oder
halbkugelförmige
Linse 23 nutzen. Solche Linsen lassen sich mit rationellen
Fertigungsverfahren mit äußerst kleinen
Abmessungen in hoher Präzision
fertigen, was eine Miniaturisierung des beschriebenen Messkopfs 4 ermöglicht.
-
Die 5 bis 7 veranschaulichen
andere, ebenfalls miniaturisierungsfreundlich gestaltete Ausführungsformen
des Messkopfs 4. Es wird zunächst auf 5 verwiesen.
Bei dieser ist auf dem Träger 25 eine
GRIN-Linse 33 angeordnet. Die GRIN-Linse ist eine Linse
zylindrischer Grundform, bei der sich der Brechungsindex ausgehend
von der zentralen optischen Achse radial nach außen hin verändert, so dass ein Fokussierungseffekt
erreicht wird. Die Lichtleitfaser 6 wirft das Licht auf
eine plane Stirnfläche
der GRIN-Linse 33. Dieser folgend ist an der gegenüber liegenden
Seite ein Spiegel 34 angeordnet, der das vorgebündelte Licht
seitlich durch den Träger 25 nach
außen
wirft. An dem Träger 25 ist
die diffraktive Struktur in Form der Zonenlinse 26 ausgebildet,
wodurch in unmittelbarer Nähe
der Werkstückoberfläche ein
großer Öffnungswinkel
2σ erzielt
wird. Dieser ist vorzugsweise größer als
35°, d.h.
NA > 0,3.
-
Wie 6 veranschaulicht,
kann an Stelle des Spiegels 34 auch ein Prisma 35 vorgesehen
werden, das eine verspiegelte Basisfläche 36 aufweist. Die
rechtwinklig zueinander stehenden Seiten bilden den Lichtein- und
-auslass. Es ist wiederum am Lichtauslass eine Zonenlinse 26 vorgesehen,
um den großen Öffnungswinkel
2σ zu erzielen.
-
7 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung, bei der die GRIN-Linse 33 mit einem diffraktivem
Reflektor 36 kombiniert ist. Im Lichtweg ist im Anschluss
an die Lichtleitfaser 6 die GRIN-Linse 33 angeordnet.
Der nachfolgend angeordnete diffraktive Reflektor 36 erzeugt
einerseits die gewünschte
hohe chromatische Aberration und andererseits zugleich die seitliche
Ablenkung des Lichts und die kurze Brennweite des Objektivs 27,
die sich in dem großen Öffnungswinkel
2σ dokumentiert.
Sowohl die GRIN-Linse 33 als auch der diffraktive Reflektor 36 sind miniaturisierungsfreundliche
Bauelemente, so dass das Objektiv 27 äußerst klein aufgebaut werden
kann.
-
8 veranschaulicht
ein Beispiel für
einen Liniensensor 37, der durch eine Folge von Punktsensoren
gebildet ist. Die Punktsensoren können nach einem der vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiele
ausgebildet sein. In dem in 8 veranschaulichten
Beispiel dient der Sensor gemäß 2 als
Grundlage. Das Lichtleitkabel enthält hier mehrere Lichtleitfasern
und zwar eine für
jeden Messpunkt. Entsprechend ist auch jede Faser an einen eigenen, nicht
weiter veranschaulichten Lichtempfänger entsprechend dem Lichtempfänger 9 nach 1 angeschlossen.
Jeder Lichtleitfaser ist jeweils eine Halbkugellinse 23 (23a bis 23j)
zugeordnet, wobei die geometrischen Verhältnisse entsprechend 2 eingerichtet
sind. Unterhalb der schräg
angeordneten Linsen 23a bis 23j sind in dem Träger 25 die
Zonenlinsen 26 angeordnet, die in 8 durch
die Linsen 23a bis 23j verdeckt sind. Die Linsen 23a bis 23j leiten
somit das Licht senkrecht zur Zeichenebene nach unten, so dass die
optischen Achsen der so gebildeten Einzelobjektive parallel und
im Abstand zueinander senkrecht in die Zeichenebene hineingehen.
-
Ein
solcher Liniensensor 37 kann in dem Messkopf 4 gemäß 1 angeordnet
werden, um dann einen größeren linienhaften
Abschnitt der Wandung der Bohrung 3 zu erfassen. Aufgrund
der geringen Abmessungen der Einzelsensoren bzw. Einzelobjektive
können
diese sehr dicht aneinander heranrücken und es kann ein Messkopf 4 geschaffen
werden, der einen Durchmesser von beispielsweise kaum mehr als 2
mm aufweist. Es ist somit die Untersuchung von Werkstücken und
die Ver messung derselben auch unter sehr beengten Bedingungen möglich.
-
Die
Erfindung wendet bei einem Abstandssensor das konfokal-chromatische
Messprinzip so an, dass bei minimalem Messkopfdurchmesser eine Winkelumlenkung
des zur Messung verwendeten Lichts mit einer großen numerischen Apertur kombiniert
und eine Longitudinalauflösung
im Submikrometerbereich erreicht wird. Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Lösung liegt
darin, dass das aus einer axial angeordneten Faser divergent austretende
Licht in mindestens zwei aufeinander folgenden Schritten kollimiert
und fokussiert wird, wobei nach der Teilkollimation, nach der vollständigen Kollimation
oder nach der vollständigen
Kollimation einschließlich
einer Vorfokussierung eine Winkelumlenkung in die gewünschte Messrichtung
erfolgt, wobei die endgültige
Fokussierung entweder der Winkelumlenkung nachgeordnet ist oder
zusammen mit der Winkelumlenkung bezogen wird. Die Abstandsmessung
beruht auf der Wellenlängenaufspaltung
des Fokuspunkts entlang der optischen Achse und der spektralen Analyse
des in die Faser zurück
gekoppelten Lichts. Die gewünschte
spektrale Aufspaltung kann durch eine Kombination von achromatischen Elementen
oder Elementen mit positiver longitudinaler chromatischen Aberration
sowie Elementen mit negativer longitudinaler chromatischer Aberration
erreicht werden. Solche Elemente sind beispielsweise refraktive
Linsen und diffraktive Linsen. Die erforderlichen optischen Elemente
können
ganz oder teilweise mikrooptisch ausgeführt werden. Die letzte Fokussierung
erfolgt vorzugsweise mittels eines in einem Trägersubstrat eingeschriebenen
diffraktiven Elements. Dieses Element kann aus einem Polymer ausgebildet
sein und Haltestrukturen für
die Lichtleitfaser und/oder die optischen Elemente (Linsen und Spiegel)
aufweisen. Es können auch
mehrere punktförmig
messende Sensoren zu einem linienförmig messenden Sensor kombiniert
werden.
-
Vorzugsweise
erfolgt die Kollimation, die Vorfokussierung und die Winkelumlenkung
durch eine schräg
gestellte Halbkugellinse 23 mit verspiegelter Planfläche 24,
die vor einem fokussierenden diffraktivem Element 26 angeordnet
ist. Alternativ und ebenfalls miniaturisierungsfähig kann eine GRIN-Linse oder
eine andere refraktive Linse zur Kollimation und Vorfokussierung
vor einem Planspiegel angewendet werden. Der Planspiegel dient der Winkelumlenkung.
Ihm ist ein fokussierendes diffraktives Element nachgeordnet. Alternativ
kann das diffraktive Element in den Spiegel integriert sein.
-
Es
kann auch vorgesehen werden, zuerst eine Vorkollimation durch ein
diffraktives Element 26 vorzunehmen, das vor einer schräg gestellten
Halbkugellinse mit verspiegelter Planfläche angeordnet ist, die zur
Kollimation, Vorfokussierung, Winkelumlenkung und Fokussierung dient.
Weiter ist es möglich,
zuerst eine Kollimation und ggf. Vorfokussierung durch eine GRIN-Linse
oder eine andere refraktive Linse vorzunehmen, wobei die nachfolgende
Winkelumlenkung mittels eines Prismas realisiert wird, bei dem zur
Fokussierung die dem Objekt zugewandte Fläche oder die spiegelnde Planfläche mit
einer diffraktiven Struktur versehen wird.
-
Die 9 und 10 zeigen
derzeit bevorzugte Ausführungsformen
einer Realisierung des erfindungsgemäßen Sensors. Bei der Ausführungsform
gemäß 9 ist
die Linse 23 an ihrer Fläche 24 verspiegelt.
Sie ist knapp oberhalb des Trägers 25 gehalten
oder mit diesem verbunden. An dem Träger 25 ist eine Zonenlinse 26,
beispielsweise in Form eines diffraktiven Elements, ausgebildet.
Die Linse 23 wirkt als re fraktives Element. Die praktische
Ausführungsform
dieses Punktsensors ist in den 11 und 12 veranschaulicht.
Der Träger 25 ist
beispielsweise aus Quarzglas ausgebildet. Die Linse 23 ist zwischen
zwei Halteelementen 38, 39 lagerichtig gehalten.
Das Halteelement 38 ist etwa Y-förmig ausgebildet und mit dem
Träger 25 verbunden.
Beispielsweise ist es mit diesem verklebt. Das Halteelement 39 weist
eine an der Fläche 24 anliegende
Planfläche auf
und bestimmt somit die Ausrichtung der Linse 23. Diese
schwebt über
dem Träger 25 oder
berührt
diesen in einem Punkt. Das Halteelement 39 sitzt auf einem
Haltestück 41,
das beispielsweise mit dem Träger 25 verklebt
oder sonstwie verbunden ist.
-
In
einigem Abstand zu der Linse 23 ist die Lichtleitfaser 6 gehalten.
Dazu dient ein Halteblock 42, der auf den Träger 25 aufgesetzt
ist. Beispielsweise ist er durch Haltestrukturen 43, 44 formschlüssig gehalten,
die an oder auf dem Träger 25 ausgebildet
sind.
-
Bei
der Ausführungsform
nach 10 ist anstelle der Linse 23 die Kombination
einer GRIN-Linse 33 mit einem nachgeordneten Spiegel 34 vorgesehen.
Die GRIN-Linse 33 kann direkt an dem Träger 25 befestigt sein.
Der Träger 25 kann
außerdem
eine Haltestruktur aufweisen, die den Spiegel 34 trägt. Vorzugsweise
ist der Träger 25 aus
einem Kunststoff oder Quarzglas oder einem ähnlichen Material ausgebildet.
Bevorzugt wird ein 0,3 mm dickes Quarzglassubstrat, an dem die nötigen diffraktiven
Strukturen zur Ausbildung der Zonenlinse 26 und Haltestrukturen
ausgebildet werden können.
Die praktische Ausführung
des Punktsensors nach 10 ist in 13 perspektivisch
veranschaulicht. Die GRIN-Linse 33 ist zwischen beidseits
ihrer Mantelfläche
angeordneten Haltestrukturen 45 gelagert, die an den Träger 25 angeformt oder
an diesem befestigt sind. Zwischen den Haltestrukturen 45,
die die GRIN-Linse 33 halten, und einer Haltestruktur 46,
die an den Träger 25 angeformt,
aus diesem ausgearbeitet oder sonstwie mit diesem verbunden ist,
ist ein Spiegelelement 47 gehalten, das der GRIN-Linse 33 eine
Schrägfläche zuwendet.
Es kann von der GRIN-Linse 33 beabstandet sein oder diese
etwas übergreifen
und somit am Ort fixieren. Die der GRIN-Linse zugewandte Planfläche ist
verspiegelt und bildet somit den Spiegel 34, wie er aus 10 ersichtlich
ist.
-
Die
Lichtleitfaser 6 ist in dem Halteblock 42 wie
bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gehalten.
Insoweit wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
-
Bei
den Ausführungsbeispielen
gemäß 11 bis 13 handelt
es sich um prozesssicher und technologisch sehr einfach herzustellende Punktsensoren,
die eine hohe Erfassungsgenauigkeit ermöglichen.
-
Es
kann auch zuerst eine Kollimation und ggf. eine Vorfokussierung
durch eine GRIN-Linse oder eine andere diffraktive Linse vorgenommen
werden, wobei die nachfolgende Winkelumlenkung mittels eines schräg gestellten
Spiegels realisiert wird, bei dem zur Fokussierung die spiegelnde
Planfläche mit
einer diffraktiven Struktur versehen ist. Die Kollimation kann auch
durch eine erste Grenzfläche
einer schräg
gestellten Halbkugellinse erfolgen, wobei die Winkelumlenkung durch
die spiegelnde Planfläche
in die eine diffraktive Struktur eingeschrieben ist und die endgültige Fokussierung
durch die zweite Grenzfläche
der schräg
gestellten Halbkugellinse erreicht wird.
-
Ein
erfindungsgemäßer Messkopf 4 weist
die Kombination einer Zonenlinse 26, die vorzugsweise als
diffraktive Linse ausgebildet ist, mit einer Halbkugellinse 23 oder
einer GRIN-Linse 33 auf. Dies ist ein miniaturisierungsfähiges Konzept,
das zu sehr schlanken Messköpfen 4 mit
hoher numerischer Apertur und in Folge dessen bestem Auflösungsvermögen führt. Derartige
Messköpfe
sind unempfindlich gegen Winkelfehler hinsichtlich der Ausrichtung des
Messkopfs gegen die zu messende Fläche oder Schrägstellung
der Fläche
gegen die optische Achse des Messkopfs.