-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft eine optische Sonde zum optischen Prüfen
von Messobjekten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie eine Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Messobjekten mit
der Sonde.
-
Es
ist z. B. in der industriellen Fertigung von Bauteilen bekannt,
die Bauteile während oder nach ihrem Herstellungsprozess
optisch zu überprüfen. Dabei wird mit einer optischen
Sonde die Oberflächen der Bauteile beleuchtet und ein verwertbares Bild
von der Oberfläche gewonnen. Ein Beispiel solch einer optischen
Sonde ist in 1 schematisch dargestellt. Die
Sonde 1 weist einen Eingang 10 zur Einführung
eines Eingangsstrahls in die Sonde 1, eine Kollimationslinse 3 zur Überführung
des divergierenden Eingangsstrahls in einen Parallelstrahl, eine
Fokussierlinse 8 zur Fokussierung des Eingangsstrahls zu
einem Messstrahl und einen Ausgang 20 zur Beleuchtung der
zu prüfenden Bauteilen auf. Der Eingangsstrahl wird durch
eine Lichtleitfaser 11 in die Sonde 1 eingeführt.
-
Am
Ausgang 20 der Sonde 1 ist zusätzlich ein
Prisma 2 zur Strahlablenkung angeordnet. Das Prisma 2 ist
dabei fest mit der Fokussierlinse 8 verbunden. Der fokussierte
Messstrahl wird durch das Prisma 2 seitlich abgelenkt und
tritt so aus der Sonde 1 aus.
-
Während
die Kollimationslinse 3 unbeweglich in der Sonde 1 angeordnet
ist, ist die Fokussierlinse 8 um eine Drehachse 5 rotierbar.
Da das Prisma 2 fest mit der Fokussierlinse 8 verbunden
ist, rotiert es zusammen mit der Fokussierlinse 8. Durch
die Rotation der Fokussierlinse 8 und des Prismas 2 um
die Drehachse 5 resultiert für den am Prisma 2 reflektierenden
Messstrahl auch eine entsprechende Drehbewegung. Der Fokus 6 des
Messstrahls bewegt sich dabei auf einer Fokuskreisbahn 7,
die in 1 in Draufsicht skizziert ist.
-
Der
Durchmesser der Fokuskreisbahn 7 bleibt immer konstant.
Solch eine Sonde 1 ist zum Beispiel geeignet für
optische Messungen von Bohrungen, die einen gleich großen
Durchmesser wie den der Fokuskreisbahn 7 aufweisen. So
können die Innenwände der Bohrungen schnell und
einfach optisch abgetastet werden.
-
Eine
rotierende optische Sonde wird auch in
DE 100 57 540 A1 beschrieben.
Es wird ebenfalls vorgeschlagen, mit der dort vorgestellten Sonde
beispielsweise die Wand einer Bohrung abzutasten und so die Formabweichung
des Innenzylinders zu vermessen.
-
Sollen
jedoch mehrere Bauteile mit unterschiedlichen Bohrungsdurchmessern
vermessen werden, ist ein Prüfen aller Bauteile mit einer
einzigen Sonde 1 nicht möglich, da die Fokuskreisbahn 7 der
Sonde 1 nicht flexibel eingestellt werden kann. Ähnliche
Problematik ist auch bei Bauteilen ohne Bohrung gegeben, wenn die
Sonde 1 und das Bauteil zueinander z. B. aus prozesstechnischen
Gründen nicht bewegt werden dürfen, aber die zu
vermessende Außenfläche des Bauteils Stufen aufweist
und so eine ständige Anpassung des Fokusabstandes vom Ausgang 20 der
Sonde 1 erforderlich ist.
-
Die
bisher bekannten optischen Sonden 1 mit einer Fokussierlinse 8 haben
daher den Nachteil, dass bei zu vermessenden Bauteilen mit unterschiedlichen
Abmessungen in oben beschriebenen Situationen ein Austauschen der
Sonde 1 oder zumindest der Optik in der Sonde 1 notwendig
ist.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die
erfindungsgemäße optische Sonde bzw. die erfindungsgemäße
Vorrichtung mit der Sonde hat den Vorteil, dass ein sehr flexibler
Einsatz der Sonde ermöglicht wird. Vorteilhaft kann der
Abstand des Fokus vom Ausgang der Sonde variabel eingestellt werden.
-
Folglich
entfällt die Notwendigkeit, die Sonde oder die Optik der
Sonde auszutauschen bei verändertem Abstand der zu vermessenden
Prüffläche gegenüber der Sonde bzw. dem
Ausgang der Sonde.
-
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
Beispiel einer bekannten Sonde aus dem Stand der Technik,
-
2 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Sonde, und
-
3a bis 3c eine
erfindungsgemäße Sonde in jeweils unterschiedlichen
Zuständen.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
In 1 ist
ein Beispiel einer aus dem Stand der Technik bekannten optischen
Sonde 1 dargestellt. Der Aufbau der bekannten Sonde 1 wurde
bereits eingangs erläutert.
-
Ein
erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Sonde zeigt 2. Wie aus dem Stand der Technik
bereits bekannt und oben beschrieben, weist die Sonde 1 einen
Eingang 10 zur Einführung eines Eingangsstrahls
in die Sonde 1, eine Fokussierlinse 8 mit einer
optischen Achse 9 zur Fokussierung des Eingangsstrahls
zu einem Messstrahl 13 und einen Ausgang 20 zur
Beleuchtung der zu prüfenden Messobjekten auf. Erfindungsgemäß ist
nun zusätzlich vorgesehen, dass die Fokussierlinse 8 entlang
der optischen Achse 9 verschiebbar angeordnet ist. Die
mögliche Verschiebung der Fokussierlinse 8 entlang
der optischen Achse 9 ist in 2 durch
den Doppelpfeil 12 dargestellt worden.
-
Die
Fokussierlinse 8 ist vorteilhaft durch eine sogenannte
GRIN-Linse 8 ausgebildet, die eine Kurzform von „Graduate
Index-Linse", „Graded Index-Linse" oder „Gradient
Index-Linse" ist. Im Gegensatz zu konventionellen Linsen verändert
sich die Brechungsindex einer GRIN-Linse stetig und stufenlos im
Material der Linse. Vorteilhaft kann daher beispielsweise auf eine
gekrümmte Oberflächenform wie im Falle von konventionellen
Linsen verzichtet werden.
-
In
diesem Beispiel wird übrigens der Eingangsstrahl durch
eine Lichtleitfaser 11 in die Sonde 1 eingeführt.
Weiter ist eine Strahlablenkeinheit 2 zur Ablenkung des
Messstrahls 13 vorgesehen. Der fokussierte Messstrahl 13 wird
so zur Seite abgelenkt und kann Flächen, die parallel zur
optischen Achse 9 verlaufen, senkrecht beleuchten. Solche
optische Sonden 1 werden bei bestimmten Anwendungen auch
Tastarme genannt, da sie Messobjekte flächenweise optisch
abtasten. Die Strahlablenkeinheit 2 ist hier in 2 durch
ein Prisma ausgebildet, kann aber je nach Bedarf auch durch einen
Spiegel ausgebildet werden. In beiden Fällen kann die Sonde 1 z.
B. innerhalb einer Bohrung eines zu vermessenden Bauteils angeordnet
werden, um die Innenwand der Bohrung optisch abzutasten.
-
Zwischen
der Fokussierlinse 8 und der Ablenkeinheit 2 kann
eine um eine Drehachse 5 rotierende Einheit 4 vorgesehen
werden. Die rotierende Einheit 4 läßt
sich um die Drehache 5 unabhängig von der starren
Sonde 1 rotieren. Typischerweise ist die rotierende Einheit 4 ein
Platzhalter oder eine weitere Linse, insbesondere eine Kollimationslinse,
innerhalb der Sonde 1. Die rotierende Einheit 4 und
die Strahlablenkeinheit 2 sind fest miteinander verbunden.
Durch das gemeinsame Rotieren der rotierenden Einheit 4 und
der Strahlablenkeinheit 2 während der Messung
beschreibt der fokussierte Messstrahl 13 – wie
aus dem Stand der Technik bekannt – eine Fokuskreisbahn 7,
die in 1 in Draufsicht skizziert ist. Die Messung wird
dann optimal durchgeführt, wenn der Durchmesser 14 der
Fokuskreisbahn 7 genauso groß wie der Durchmesser
der Bohrung ist.
-
Schließlich
wird noch vorgeschlagen, eine aus Übersichtlichkeitsgründen
nicht in Figuren dargestellte Linearverstelleinheit zur Verschiebung
der Fokussierlinse 8 vorzusehen. Durch eine solche Linearverstelleinheit
wird eine exakte, kontrollierbare und zuverlässige Verschiebung
der Fokussierlinse 8 gewährleistet.
-
Die 3a bis 3c zeigen
die bisher beschriebene, erfinderische Sonde 1 in unterschiedlichen
Zuständen. Zunächst zeigt die 3a die
Sonde 1 in einem Ausgangszustand wie in 2 dargestellt.
Die Fokussierlinse 8 und die rotierende Einheit 4 sind
mit einem mittleren Abstand 15a zueinander angeordnet.
Daraus resultiert eine Fokuskreisbahn 7, die einen mittelgroßen
Durchmesser aufweist.
-
Nun
wird die Fokussierlinse 8 in Richtung zum Ausgang 20 der
Sonde 1 verschoben. Der einfache Pfeil 12a zeigt
diese Richtung an. Da die rotierende Einheit 4 bezüglich
ihrer Ortsposition innerhalb Sonde 1 nicht bewegt wird,
ergibt sich daraus ein kürzerer Abstand 15b zwischen
der Fokussierlinse 8 und der rotierenden Einheit 4.
Gleichzeitig ist der Abstand zwischen der Fokussierlinse 8 und
dem Ausgang 20 der Linse 1 verkürzt worden,
so dass der Fokus 6 des Messstrahls 13 von der
Drehachse 5 sich weiter entfernt hat. Mit der Zunahme des
Abstands des Fokus 6 von der Drehachse 5 nimmt
entsprechend der Durchmesser der Fokuskreisbahn 7 zu.
-
Umgekehrt
zeigt die 3c den Zustand, wenn die verschiebbare
Fokussierlinse 8 in die entgegengesetzte Richtung bewegt
wird, also weiter weg vom Ausgang 20 der Sonde 1 verschoben
wird. Die entsprechende Richtung der Verschiebung wird durch den
einfachen Pfeil 12b demonstriert. Nun erkennt man einen
größeren Abstand 15c zwischen der verschobenen
Fokussierlinse 8 und der um die Drehachse 5 rotierbaren,
aber entlang der optischen Achse 9 starren Einheit 4.
Gleichzeitig vergrößert sich auch der Abstand
zwischen der Fokussierlinse 8 und dem Ausgang 20 der
Sonde 1. Der Fokus 6 des Messtrahls 13 bewegt
sich dadurch in Richtung zur Drehachse 5, und entsprechend
nimmt der Durchmesser der Fokuskreisbahn 7 ab.
-
Mit
der beschriebenen Sonde 1 ist es also möglich,
den Abstand zwischen dem Fokus 6 und der Drehachse 5 frei
einzustellen, in dem man die Fokussierlinse 8 entsprechend
in die gewünschte Richtung verschiebt.
-
Die
flexible Verschiebung des Fokus 6 des Messstrahls 13 gegenüber
dem Ausgang 20 der Sonde 1 ist natürlich
auch möglich, wenn eine rotierende Strahlablenkeinheit 2 nicht
vorgesehen ist. In solchen Fällen verschiebt sich der Fokus 6 des
Messstrahls 13 entlang der optischen Achse 9.
-
Übrigens
wird der an der Oberfläche des Messobjektes reflektierte
Messstrahl 13 wieder durch die Sonde 1 aufgenommen.
Typischerweise durchläuft der reflektierte Messstrahl 13 nur
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 vom Messobjekt
reflektierten Messstrahl 13. 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 Messobjekte 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 Messobjekten. 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 Schrift
DE 100 57 540 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 eine flexible Änderung des Fokusabstands
vom Ausgang 20 der Sonde 1 möglicht ist.
Hierzu ist in der Sonde 1 eine entlang der optischen Achse 9 verschiebbare
Fokussierlinse 8 angeordnet. Weiter wurde eine Vorrichtung
vorgeschlagen, die ein an sich bekanntes Interferometer und die
beschriebene Sonde 1 umfasst. Insgesamt wird hierdurch
eine bei unterschiedlichen Messobjekten sehr vielfältig
einsetzbare optische Sonde 1 erzielt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10057540
A1 [0006, 0028]