DE102007045570A1 - Sonde und Vorrichtung zum optischen Prüfen von Messobjekten - Google Patents

Sonde und Vorrichtung zum optischen Prüfen von Messobjekten

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Abstract

Es wird eine optische Sonde (1) zum optischen Prüfen von Messobjekten vorgeschlagen, wobei diese umfasst: einen Eingang (10) zur Einführung eines Eingangsstrahls in die Sonde (1), eine GRIN-Linse (8) (Graduate-Index Linse) zur Fokussierung des Eingangsstrahls zu einem Messstrahl und einen Ausgang (20) zur Beleuchtung der zu prüfenden Messobjekte, wobei die GRIN-Linse (8) mindestens eine gegenüber der Richtung (7) des Eingangsstrahls geneigte Oberfläche (9) aufweist zur Ablenkung des Messstrahls. Weiter wird eine Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Messobjekten 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 Messobjekten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Messobjekten mit der Sonde.
  • Um Oberflächen eines Messobjektes, z. B. eines Bauteils, zu überprüfen, kann eine optische Sonde eingesetzt werden. Ein Beispiel solch einer optischen Sonde, die auch kommerziell erhältlich ist, ist in 1 schematisch dargestellt. Die Sonde 1 weist einen Eingang 10 zur Einführung eines Eingangsstrahls in die Sonde 1, eine Linse 8 zur Fokussierung des Eingangsstrahls zu einem Messstrahl und einen Ausgang 20 zur Beleuchtung der zu prüfenden Messobjekten auf.
  • Der Eingangsstrahl wird durch eine Lichtleitfaser 11 in die Sonde 1 eingeführt, wobei für die Einkopplung der Lichtleitfaser 11 in die Sonde 1 eine Ferrule 2 vorgesehen ist. Zwischen der Ferrule 2 und der Linse 8 zur Fokussierung kann ein Platzhalter 4 („Spacer”) angeordnet werden.
  • Die Linse zur Fokussierung des Eingangsstrahls zu einem Messstrahl ist dabei oft eine sogenannte GRIN-Linse 8, 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.
  • Der fokussierte Messstrahl wird schließlich über ein Prisma 3, das am Ausgang 20 angeordnet ist, von seiner ursprünglichen Richtung zur Seite abgelenkt und beleuchtet so die Oberfläche des Messobjektes.
  • Auch wird in DE 100 57 539 A1 eine interferometrische Messvorrichtung beschrieben, die mit einem optischen Sondenteil verbunden ist. Es wird vorgeschlagen, als ein optisches Element in der Sonde auch eine GRIN-Linse vorzusehen. Weiter 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. Für die Ablenkung des Messlichts ist das Endstück abgeschrägt und verspiegelt.
  • Eine optische Sonde mit einer GRIN-Linse ist ebenso aus EP 1 222 486 B1 bekannt. Hier wird der Aufbau einer Sonde für den Einsatz als ein medizinisches Gerät beschrieben, zum Beispiel ein Endoskop. In der Sonde ist neben der GRIN-Linse ein separater Spiegel zur Strahlablenkung vorgesehen.
  • Aus US 6,654,518 B1 ist ein optischer Kollimator für optische Signalübertragung bekannt, bei der eine GRIN-Linse mit geneigten Oberflächen vorgesehen ist, um einfallende Strahlen in optische Faserleitungen einzukoppeln.
  • Die bisher bekannten optischen Sonden mit einer GRIN-Linse haben den Nachteil, dass zur Beleuchtung des Messobjektes eine separate Strahlablenkeinheit wie ein Spiegel oder Prisma notwendig ist.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße optische Sonde oder die erfindungsgemäße Vorrichtung mit der Sonde hat den Vorteil, dass die GRIN-Linse sowohl die Fokussierung des Eingangsstrahls zu einem Messstrahl als auch die Ablenkung des Messstrahls zur Beleuchtung des Messobjektes ermöglicht. Damit werden durch ein einzelnes optisches Element vorteilhaft mindestens zwei Funktionen gewährleistet.
  • Folglich entfällt die Notwendigkeit, eine separate Strahlablenkeinheit wie beispielsweise ein Prisma neben der GRIN-Linse anzuordnen. Die Problematik, die aus dieser Notwendigkeit resultiert, ist vielschichtig: Zunächst ist selbst die Herstellung eines solchen Prismas sowohl finanziell als auch technisch sehr aufwendig. Ihre Herstellung beansprucht mehrere Wochen, typischerweise etwa 12 Wochen. Hauptursache hierfür ist die notwendige Kompaktheit der optischen Sonde. Denn wenn die Sonde für bestimmte Messungen z. B. in enge Bohrungen eingeführt werden soll, muss die Sonde einen möglichst kleinen Durchmesser aufweisen, und damit gilt dies auch für alle optischen Elemente in der Sonde. Oft wird bei einem Prisma eine Kantenlänge von weniger als 1 mm gefordert, wodurch eine Handhabung des zu erzeugenden Prismas massiv erschwert wird. Bei einer Kantenlänge von etwa 0,8 mm stößt man schließlich an die technische Grenze. Andererseits ist ein sehr kontrollierter Schleifprozess am Prisma deshalb so wichtig, weil hierdurch die spätere Winkelgenauigkeit des reflektierenden Strahls bestimmt wird.
  • Aber auch nach der mühevollen Herstellung eines sehr kleinen Prismas bleibt noch die technische Herausforderung, dieses an die gewünschte Position in der Sonde stabil und exakt anzuordnen. Typischerweise wird das Prisma an die fokussierende Linse, also oft an die GRIN-Linse, angeklebt. Die Erfahrung lehrt leider, dass dieser Bearbeitungsschritt keine einfache Aufgabe darstellt. Insbesondere hat es sich gezeigt, dass die geforderte Genauigkeit der Positionierung des Prismas an der Linse auch unter höchsten Anforderungen kaum zu realisieren ist. Die Winkelgenauigkeit der Positionierung beim Klebevorgang ist etwa 20 mal niedriger als die Winkelgenauigkeit des geschliffenen Plasmas selbst.
  • Die oben beschriebenen Nachteile werden schlagartig durch die erfindungsgemäße Sonde beseitigt, da sowohl die Herstellung des Prismas als auch das Zusammenfügen des Prismas an die Linse überflüssig wird.
  • Der Vorteil wird erzielt durch eine optische Sonde, bei der die GRIN-Linse mindestens eine gegenüber der Richtung des Eingangsstrahls geneigte Oberfläche aufweist zur Ablenkung des Messstrahls.
  • 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,
  • 3a ein erstes Ausführungsbeispiel der GRIN-Linse, und
  • 3b ein zweites Ausführungsbeispiel der GRIN-Linse.
  • 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 GRIN-Linse 8 zur Fokussierung des Eingangsstrahls zu einem Messstrahl und einen Ausgang 20 zur Beleuchtung der zu prüfenden Messobjekten auf. Der Eingangsstrahl wird durch eine Lichtleitfaser 11 in die Sonde 1 eingeführt, wobei für die Einkopplung der Lichtleitfaser 11 in die Sonde 1 eine Ferrule 2 vorgesehen ist. Zwischen der Ferrule 2 und der GRIN-Linse 8 zur Fokussierung kann ein Platzhalter 4 („Spacer”) angeordnet werden. Solche optische Sonden 1 werden bei bestimmten Anwendungen auch Tastarme genannt, da sie Messobjekte optisch abtasten, zum Beispiel beim Abtasten von Bauteilen eines Automobils.
  • Zu den wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Sonde 1 zählen der Eingang 10 zur Einführung eines Eingangsstrahls in die Sonde 1, die GRIN-Linse 8 zur Fokussierung des Eingangsstrahls zu einem Messstrahl und der Ausgang 20 zur Beleuchtung der zu prüfenden Messobjekten. Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass die GRIN-Linse 8 mindestens eine gegenüber der Richtung 7 des Eingangsstrahls geneigte Oberfläche 9 aufweist zur Ablenkung des Messstrahls. Da ein Strahl an der geneigten Oberfläche 9 reflektiert und dabei in eine gewünschte Richtung abgelenkt wird, ist eine bisher vorgesehene separate Ablenkeinheit wie ein Spiegel oder ein Prisma überflüssig. Die für die Reflektion notwendige schräge Fläche ist also bereits in der GRIN-Linse 8 vorhanden.
  • Obwohl grundsätzlich mehrere geneigte Oberflächen 9 an der GRIN-Linse möglich sind, weist im Ausführungsbeipiel der 2 die GRIN-Linse 8 genau eine geneigte Oberfläche 9 auf. So werden zusätzliche Arbeitsvorgänge an der GRIN-Linse 8 möglichst auf ein Minimum reduziert.
  • Die GRIN-Linse 8 weist vorteilhaft eine totalreflektierende, geneigte Oberfläche 9 auf. Damit geht keine Strahlintensität verloren, sondern die gesamte Strahlintensität bleibt dem Messvorgang erhalten.
  • Am günstigsten ist es, wenn die geneigte Oberfläche 9 am Ausgang 20 der Sonde 1 angeordnet ist. So wird eine direkte Beleuchtung der Messobjekte gewährleitet. Bei Bedarf kann die geneigte Oberfläche 9 allerdings etwas entfernt vom Ausgang 20 der Sonde 1 angeordnet werden, zum Beispiel wenn mehrere geneigte Oberflächen 9 an der GRIN-Linse 8 vorgesehen sind, aber weniger Ausgänge 20 der Sonde 1. Es ist dann durch geeignete Maßnahmen wie das Anordnen von Umlenkeinheiten zu gewährleisten, dass alle Messstrahlen am Ausgang der Sonde 1 austreten können.
  • Die geneigte Oberfläche 9 kann je nach Bedarf einen beliebigen Neigungswinkel gegenüber der Richtung 7 des Eingangsstrahls aufweisen. Praktische Neigungswinkel betragen jedoch 40° bis 50°, insbesondere 45°.
  • Die 3a und 3b zeigen zwei Varianten der GRIN-Linse 8 mit einer geneigten Oberfläche 9, wobei jeweils eine seitliche Sicht und eine Draufsicht der GRIN-Linse 8 dargestellt sind. Wie aus den Zeichnungen erkennbar, hat die GRIN-Linse 8 in 3a eine kreisförmige Gestalt in Draufsicht. Hierdurch wird der an der geneigten Oberfläche 9 reflektierte Messstrahl durch die zylindrisch gekrümmte Außenfläche verzeichnet. Solch eine gekrümmte Austrittsfläche 15 für den Messstrahl kann jedoch akzeptiert werden, wenn der Messstrahl beispielsweise einen niedrigen Strahldurchmesser aufweist. Dann ist nämlich die Verzeichnung des Messstrahls durch die gekrümmte Austrittsfläche 15 vernachlässigbar klein. Bei anderen Anwendungen aber, insbesondere bei einem langen Arbeitsabstand zwischen Sonde und Messobjekt, kann möglicherweise der Effekt der Verzeichnung nicht vernachlässigt werden.
  • Um eine solche Verzeichnung durch die zylindrische Außenfläche zu vermeiden, wird eine zweite Variante der GRIN-Linse 8 – wie in 3b dargestellt – vorgeschlagen, wonach die GRIN-Linse 8 eine plane Austrittsfläche 16 für den Messstrahl aufweist. Da die Austrittsfläche 16 eben ist, tritt der Messstrahl nahezu senkrecht zur Linsenoberfläche aus und der Effekt der Verzeichnung wird fast vollständig beseitigt. Es kann also auch bei einer sonst gekrümmten Außenform der GRIN-Linse 8 eine hinreichend vernachlässigbare Verzeichnung des Messstrahls gewährleistet werden, wenn eine glatte Außenform zumindest an der Austrittsfläche 16 für den Messstrahl vorgesehen ist.
  • Für alle Ausführungsformen der Erfindung gelten übrigens: Die Erzeugung der geneigten Oberfläche 9 und/oder der planen Austrittsfläche 16 an der GRIN-Linse 8 ist einfacher und genauer als die Herstellung der Prismen aus dem Stand der Technik, weil die GRIN-Linse 8 typischerweise größer ist als ein Prisma in einer gleichen Sonde 1. Die GRIN-Linse 8 ist typischerweise einige mm lang. Dadurch wird die Handhabung erheblich vereinfacht. Es wird vorgeschlagen, für die Erzeugung der gewünschten Formen die GRIN-Linse 8 anzuschleifen und/oder zu polieren. Die geneigte Oberfläche 9 und/oder die plane Austrittsfläche 16 ist dann nach der Bearbeitung in der gewünschten Form angeschliffen und/oder poliert. Bei diesem Anschleifen zur Erzielung der geneigten Oberfläche 9 entsteht eine schräg verlaufende Endfläche der GRIN-Linse 8, so dass zwei Seiten mit unterschliedlicher Länge gebildet werden. Diese unterschiedlich grossen Seitenlängen führen zu einem Wegunterschied und beeinflussen so die urspürngliche Strahlform. Um diesen Effekt zu verkleinern, kann für die Linse ein Material mit relativ niedriger Gradienten-Brechungsindex gewählt werden. Die so hergestellte GRIN-Linse 8 wäre dann insgesamt länger als ohne diese Maßnahme, um die niedrige Gradienten-Brechungsindex zu kompensieren.
  • Vorteilhaft kann die geneigte Oberfläche 9 und/oder die plane Austrittsfläche 16 mit einer Schutzschicht versehen sein. Diese von außen zugänglichen Flächen werden somit z. B. vor Schmutz besonders geschützt.
  • Übrigens wird der an der Oberfläche 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 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 57 539 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 die fokussierende Linse 8 mindestens eine gegenüber der Richtung 7 des Eingangsstrahls geneigte Oberfläche 9 aufweist zur Ablenkung des Messstrahls. Hierdurch wird eine separate Ablenkeinheit wie ein Spiegel oder ein Prisma überflüssig. Weiter wurde eine Vorrichtung vorgeschlagen, die ein an sich bekanntes Interferometer und die beschriebene Sonde 1 umfasst. Insgesamt wird hierdurch eine sehr vereinfachte und präzise Herstellung einer optischen 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 10057539 A1 [0006, 0033]
    • - EP 1222486 B1 [0007]
    • - US 6654518 B1 [0008]

Claims (10)

  1. Optische Sonde (1) zum optischen Prüfen von Messobjekten, umfassend einen Eingang (10) zur Einführung eines Eingangsstrahls in die Sonde (1), eine GRIN-Linse (8) (Graduate-Index Linse) zur Fokussierung des Eingangsstrahls zu einem Messstrahl und einen Ausgang (20) zur Beleuchtung der zu prüfenden Messobjekten, dadurch gekennzeichnet, dass die GRIN-Linse (8) mindestens eine gegenüber der Richtung (7) des Eingangsstrahls geneigte Oberfläche (9) aufweist zur Ablenkung des Messstrahls.
  2. Sonde (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die GRIN-Linse (8) genau eine geneigte Oberfläche (9) aufweist.
  3. Sonde (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die GRIN-Linse (8) eine totalreflektierende, geneigte Oberfläche (9) aufweist.
  4. Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die GRIN-Linse (8) eine plane Austrittsfläche (16) für den Messstrahl aufweist.
  5. Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die geneigte Oberfläche (9) und/oder die plane Austrittsfläche (16) angeschliffen und/oder poliert ist.
  6. Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die geneigte Oberfläche (9) und/oder die plane Austrittsfläche (16) mit einer Schutzschicht versehen ist.
  7. Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die geneigte Oberfläche (9) am Ausgang (20) der Sonde (1) angeordnet ist.
  8. Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die geneigte Oberfläche (9) einen Neigungswinkel gegenüber der Richtung (7) des Eingangsstrahls von 40° bis 50°, insbesondere 45°, aufweist.
  9. Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Messobjekten, wobei ein Interferometer verbunden ist mit einer Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer mit der Sonde (1) mittels einer Lichtleitfaser (11) verbunden ist.
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