DE102007045567A1

DE102007045567A1 - Sonde und Vorrichtung zum optischen Prüfen von Oberflächen

Info

Publication number: DE102007045567A1
Application number: DE200710045567
Authority: DE
Inventors: Ralf Kochendoerfer; Pawel Drabarek; David Rychtarik
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-09-24
Filing date: 2007-09-24
Publication date: 2009-04-02
Also published as: WO2009040157A1

Abstract

Es wird eine optische Sonde (1) zum optischen Prüfen von Oberflächen (5) vorgeschlagen, wobei diese umfasst: einen Eingang (10) zur Einführung eines Eingangsstrahls in die Sonde (1), einen Ausgang (20) zur Beleuchtung der zu prüfenden Oberflächen (5), optische Elemente (8) zur Überführung des Eingangsstrahls in einen Messtrahl, der in einem Austrittswinkel alpha, bezogen auf die Richtung (7) des Eingangsstrahls, aus der Sonde (1) austritt, wobei ein Mittel (15) zur variablen Steuerung des Austrittswinkels alpha vorgesehen ist. Weiter wird eine Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Oberflächen (5) beschrieben, wobei in der Vorrichtung ein Interferometer mit der optischen Sonde (1) verbunden ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine optische Sonde zum optischen Prüfen von Oberflächen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Oberflächen mit der Sonde.
Um Oberflächen eines Messobjektes, z. B. eines Bauteils, zu überprüfen, können optische Sonden eingesetzt werden. So wird in DE 100 57 539 A1 eine interferometrische Messvorrichtung beschrieben, die mit einem optischen Sondenteil verbunden ist. Dabei ist sein vorderer, dem Messobjekt zugekehrter Bereich als Messkopf ausgebildet. Der Messkopf ist mit einer dünnen, als Messfaser ausgebildeten Lichtleitfaser versehen, deren freier Endbereich als Endstück zum Beleuchten einer Messstelle des Messobjektes und Aufnehmen von reflektiertem Messlicht ausgebildet ist. Hierfür ist das Endstück abgeschrägt und verspiegelt.
Ebenso ist aus DE 197 14 202 A1 eine weitere Vorrichtung zum optischen Prüfen einer Oberfläche bekannt, wobei das zu prüfende Messobjekt gleichzeitig an zwei verschiedenen Stellen mittels zweier Messstrahlen beleuchtet werden kann. Insbesondere wird in einem Ausführungsbeispiel durch zwei nicht zueinander parallel verlaufenden Messstrahlen ermöglicht, zwei Stellen gleichzeitig senkrecht zu beleuchten, die nicht in einer Ebene liegen. Diese Sonde bietet also zwei unterschiedliche Blickrichtungen.
Die bisher beschriebenen Messvorrichtungen mit optischen Sonden haben jedoch den Nachteil, dass bei zu prüfenden Messobjekten mit Oberflächen unterschiedlicher Geometrien bestimmte optische Komponenten der Sonde ausgetauscht werden müssen, um eine geeignete Blickrichtung der Sonde zu erreichen.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße optische Sonde oder die erfindungsgemäße Vorrichtung mit der Sonde hat den Vorteil, dass jede Blickrichtung der Sonde ermöglicht wird. Dabei ist es nicht notwendig, die Sonde umzubauen oder Teile der optischen Komponenten auszuwechseln.
Auch kann die Sonde nun für Messobjekte mit beliebiger Oberflächenform, insbesondere auch mit vielen Winkeländerungen der Oberflächenform, eingesetzt werden. Weiter ist es vorteilhaft, dass hierzu nur ein Messstrahl für unterschiedliche Geometrien ausreichend ist. Ist nur ein Messstrahl notwendig, können auch schwächere, preisgünstigere Lichtquellen eingesetzt werden verglichen mit Sonden mit mehreren Messstrahlen wie aus dem Stand der Technik bekannt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonde und
2 ein zu prüfendes Messobjekt mit mehreren, zueinander schrägen Ebenen, die alle von einem Messstrahl nacheinander optimal beleuchtet werden können.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Sonde 1 zum optischen Prüfen von Oberflächen dargestellt. Die optische Sonde 1 wird hier als ein optischer Tastarm vorgeschlagen. Zunächst wird der Aufbau der Sonde 1 erläutert.
Am Eingang 10 der Sonde 1 wird ein Eingangsstrahl in die Sonde 1 eingeführt. Vorteilhaft wird der Eingangsstrahl mittels einer Lichtleitfaser 11 in die Sonde 1 eingeführt. Die Lichtleitfaser 11 selbst kann durch eine Ferrule 13 am Eingang 10 in die Sonde 1 eingeführt werden. Optische Elemente 8, die in 1 aus Übersichtlichkeitsgründen nur schematisch durch einen Block dargestellt sind, überführen den Eingangsstrahl in einen Messstrahl. Der Messstrahl tritt in einem Austrittswinkel α bezogen auf die Richtung 7 des Eingangsstrahls aus der Sonde 1 aus. Typischerweise umfassen die optischen Elemente 8 mindestens eine Linse. Zwischen der Ferrule 13 und den optischen Elementen 8 kann ein Abstandshalter 3 angeordnet sein. Während die Ferrule 13 und der Abstandshalter 3 zusammengehalten werden durch einen Haltestift 2, sind gleichzeitig der Abstandshalter 3 und die optischen Elemente 8 angeordnet innerhalb eines Röhrchens 4.
Zu den wesentlichen Komponenten der Sonde 1 zählen der Eingang 10 zur Einführung eines Eingangsstrahls in die Sonde 1, der Ausgang 20 zur Beleuchtung der zu prüfenden Oberflächen, optische Elemente 8 zur Überführung des Eingangsstrahls in einen Messstrahl, der in einem Austrittswinkel α bezogen auf die Richtung 7 des Eingangsstrahls aus der Sonde 1 austritt. Erfindungsgemäß ist weiter ein Mittel 15 zur variablen Steuerung des Austrittswinkels α vorgesehen.
Dadurch, dass die Sonde 1 ein Mittel 15 zur variablen Steuerung des Austrittswinkels α umfasst, kann vorteilhaft die Blickrichtung der optischen Sonde 1 praktisch beliebig gewählt werden, ohne irgendwelche Komponenten der Sonde 1 auszutauschen oder die gesamte Sonde 1 zu kippen. Insbesondere kann der Austrittwinkel α nicht nur 90° betragen, sondern auch deutlich weniger oder mehr. Die Möglichkeit zur stufenlosen Einstellung des Austrittwinkels α erlaubt einen flexiblen Einsatz der Sonde 1 auch bei Messobjekten mit vielfältiger Oberflächengestaltung.
So zeigt 2 ein zu prüfendes Messobjekt 6 mit mehreren, zueinander schrägen Oberflächen 5. Das Messobjekt 6 weist neben flachen Oberflächen 5 auch zylindrische und kegelförmige Flächen auf. Obwohl die Oberflächen 5 mehrere Ebenen mit unterschiedlichen Winkeln aufweisen, können sie alle von einem Messstrahl der erfindungsgemäßen Sonde 1 nacheinander optimal beleuchtet werden. Hierfür wird der variabel steuerbare Austrittwinkel α je nach vorliegender Situation so gewählt, dass der Messstrahl senkrecht auf die zu prüfende Oberfläche 5 auftrifft. Je nach Bedarf kann aber natürlich der Austrittwinkel α gerade so gewählt werden, dass der Messstrahl mit einem bestimmten Winkel kleiner oder größer als 90° auf die zu prüfende Oberfläche 5 auftrifft. In 2 ist aus Übersichtlichkeitsgründen nicht die gesamte Sonde 1, sondern nur das Mittel 15 der optischen Sonde 1 in verschiedenen Zuständen dargestellt.
Das Mittel 15 kann ebenfalls ein optisches Element sein. Durch eine kontrollierte Kippung oder Drehung des optischen Elementes gegenüber der Richtung 7 des Eingangsstrahls wird eine Änderung des Austrittswinkels α herbeigeführt. In 1 und 2 ist es beispielsweise durch einen Spiegel ausgebildet. Auch ist es vorteilhaft, wenn das Mittel 15 ein elektrisch steuerbares Element ist. So wird eine schnelle, bequeme und präzise Einstellung des Austrittswinkels α gewährleistet. Wie in 1 erkennbar, kann das Mittel 15 mit einer elektrischen Leitung 14 zur elektrischen Steuerung verbunden sein. Damit wird eine Fernsteuerung des Mittels 15 ermöglicht. Zudem kann durch die elektrische Leitung 14 gleichzeitig die Energieversorgung des Mittels 15 erfolgen.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass das Mittel 15 bevorzugt am Ausgang 20 der Sonde 1 angeordnet wird. So wird die unmittelbare Steuerung des Austrittswinkels α gewährleistet. Grundsätzlich reicht es jedoch aus, dass das Mittel 15 im Strahlengang des Eingangs- oder Messstrahls angeordnet ist.
In einem weiteren, in Figuren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Mittel 15 ebenfalls ein optisches Element, aber nicht durch einen Spiegel, sondern durch ein Prisma ausgebildet.
Übrigens wird der an der Oberfläche 5 des Messobjektes reflektierte Messstrahl wieder durch die Sonde 1 aufgenommen. Typischerweise durchläuft der reflektierte Messstrahl nun den bisherigen Strahlengang in umgekehrter Richtung, d. h. er wird am Ausgang 20 der Sonde 1 wieder in die Sonde 1 eingeführt und verlässt die Sonde 1 am Eingang 10. Die Begriffe „Eingang" und „Ausgang" beziehen sich, wie für einen Fachmann geläufig, nicht auf den reflektierten Messstrahl. Der wieder aus der Sonde 1 herausgeführte Messstrahl wird sodann einer Detektionseinheit zugeführt, an der eine Auswerteeinheit angeschlossen ist. So wird eine Analyse der mit der Sonde 1 beleuchteten Oberfläche 5 ermöglicht.
Alle bisher beschriebenen Ausführungsformen der Sonde 1 sind übrigens geeignet, mit einem an sich bekannten Interferometer verbunden zu werden. Zusammen bilden sie dann eine Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Oberflächen 5. Idealerweise ist das Interferometer mit der Sonde 1 mittels der bereits genannten Lichtleitfaser 11 verbunden. Der Aufbau eines typischen Interferometers wird nicht weiter erläutert, da dieser bereits z. B. in eingangs zitierten Schriften DE 100 57 539 A1 oder DE 197 14 202 A1 ausführlich beschrieben wurde. Es sei nur betont, dass das Interferometer neben einer Detektionseinheit auch eine Auswerteeinheit umfassen kann.
Zusammenfassend wird festgestellt, dass eine optische Sonde 1 beschrieben wurde, bei der der Austrittwinkel α des Messstrahls variabel steuerbar ist. Hierdurch wird eine leichte Anpassung an unterschiedlichen Geometrien der zu prüfenden Oberflächen 5 erzielt. Weiter wurde eine Vorrichtung vorgeschlagen, die ein an sich bekanntes Interferometer und die beschriebene Sonde 1 umfasst. Insgesamt wird eine sehr flexible, präzise und schnelle Abtastung von unterschiedlichen Oberflächen erzielt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10057539 A1 [0002, 0020]
- DE 19714202 A1 [0003, 0020]

Claims

Optische Sonde (1) zum optischen Prüfen von Oberflächen (5), umfassend einen Eingang (10) zur Einführung eines Eingangsstrahls in die Sonde (1), einen Ausgang (20) zur Beleuchtung der zu prüfenden Oberflächen (5), optische Elemente (8) zur Überführung des Eingangsstrahls in einen Messstrahl, der in einem Austrittswinkel α bezogen auf die Richtung (7) des Eingangsstrahls aus der Sonde (1) austritt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel (15) zur variablen Steuerung des Austrittswinkels α vorgesehen ist.
Sonde (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (15) ein optisches Element ist.
Sonde (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (15) ein elektrisch steuerbares Element ist.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (15) durch einen Spiegel ausgebildet ist.
Sonde (1) nach, einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (15) durch ein Prisma ausgebildet ist.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (15) mit einer elektrischen Leitung (14) zur elektrischen Steuerung verbunden ist.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (15) am Ausgang (20) angeordnet ist.
Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Oberflächen (5), wobei ein Interferometer verbunden ist mit einer Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer mit der Sonde (1) mittels einer Lichtleitfaser (11) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser (11) durch eine Ferrule (13) am Eingang (10) in die Sonde (1) eingeführt wird.