-
Die
Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Durchführung eines
berührungslosen
optischen Messverfahrens, mit einem Messkopfhalter, der mit einer
Messkopfaufnahme zur auswechselbaren Anbringung eines Messkopfs
ausgerüstet
ist, und mit einem am Messkopfhalter anbringbaren Messkopf, der eine
zur Messkopfaufnahme korrespondierende Messkopfschnittstelle aufweist,
sowie einen Messkopf und einen Messkopfhalter.
-
Messeinrichtungen
zur Durchführung
von Messverfahren, insbesondere zur Ermittlung von Oberflächengeometrien,
sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden auch als Messmaschinen
bezeichnet. Eine bekannte Messmaschine weist einen Messkopfhalter
auf, der in wenigstens einer Raumrichtung beweglich an einem Stativ
oder einer Grundplatte angebracht ist und an dem ein Messkopf angebracht
werden kann. Der Messkopfhalter dient dazu, den Messkopf in die
Nähe der
abzutastenden Oberfläche
zu bringen und in Kenntnis der Position des Messkopfhalters und
des daran angebrachten Messkopfs über ein Tastverfahren mit Berührkontakt oder über ein
berührungsloses
optisches Messverfahren die gewünschte
Ermittlung von Oberflächengeometrien
zu ermöglichen.
Für eine
flexible Nutzung der Messeinrichtung sind der Messkopfhalter mit
einer Messkopfaufnahme und der Messkopf mit einer Messkopfschnittstelle
ausgerüstet,
die eine lösbare
und mit hoher mechanischer Genauigkeit reproduzierbare Anbringung
des Messkopfs am Messkopfhalter ermöglichen. Damit können unterschiedliche
Messköpfe
an dem Messkopfhalter angebracht werden, die auf unterschiedliche
Messbereiche und/oder Messverfahren abgestimmt sind. Bei ausschließlicher
Verwendung von Messköpfen,
die für Tastverfahren
ausgebildet sind, kann damit ein rascher und gegebenenfalls auch
automatisierter Wechsel zwischen den Messköpfen vorgenommen werden. Soll
ergänzend
ein für
ein optisches Messverfahren eingerichteter Messkopf eingesetzt werden,
so kann der Messkopfwechsel bei bekannten Messeinrichtungen nicht
automatisiert erfolgen, da der optische Messkopf eine Bereitstellung
von Messlicht und gegebenenfalls eine Auskopplung von Signallicht
erfordert. Die hierzu notwendigen Lichtleiteinrichtungen, die beispielsweise
als Lichtleitfasern ausgeführt
sind, müssen
von einem Bediener manuell angebracht werden, da sie sich nicht
mit vertretbarem Aufwand automatisiert am Messkopfhalter anbringen
lassen.
-
Somit
ergibt sich bei einem Wechsel zwischen Messköpfen, die für unterschiedliche Messverfahren
eingerichtet sind, die Notwendigkeit für einen manuellen Eingriff
eines Bedieners, wodurch die Leistungsfähigkeit der Messeinrichtung
reduziert wird.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Messeinrichtung bereitzustellen,
die einen automatisierten Wechsel von Messköpfen ermöglicht.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art
gelöst,
bei der die Messkopfaufnahme und die Messkopfschnittstelle eine
optische Übertragungsstrecke
für eine
Freistrahlübertragung
bilden. Bei einer Freistrahlübertragung
wird ein Messlichtstrahl und/oder ein Signallichtstrahl über eine
gewisse Länge
nur in Luft geführt,
bevor er in ein optisch dichteres Medium wie beispielsweise eine Lichtleitfaser
eingekoppelt oder von einer Spiegelanordnung in seiner Richtung
umgelenkt wird. Die Länge
der Freistrahlstrecke beträgt wenige
1/10 mm bis einige mm und ist so gewählt, dass unter Berücksichtigung
optische Parameter eine möglichst
große
mechanische Toleranz zwischen den jeweils am Ende der Freistrahlstrecke
angeordneten Optikeinrichtungen, insbesondere Lichtleitfasern, Linsen
oder Spiegel, zugelassen werden kann. Der Messlichtstrahl und/oder
der Signallichtstrahl werden mittels optischer Elemente derart für die Freistrahlstrecke
zwischen dem Messkopfhalter und dem Messkopf aufbereitet, dass Störungen des Freistrahls,
wie sie durch Versatz und/oder Verkippung optischer Achsen und/oder
Verschmutzungen auftreten, lediglich zu einer Reduzierung der Transmissionsrate
für die
Freistrahlstrecke führen.
Eine Beeinträchtigung
der Genauigkeit des mit Hilfe des Messlichtstrahls und des Signallichtstrahls
ermittelten Messergebnisses findet hingegen nur bei massiven Störungen der
Freistrahlstrecke statt.
-
In
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Messkopfhalter
und der Messkopf jeweils einen optischen Signalleiter, insbesondere
eine flexible Lichtleitfaser, enthalten. Dies ermöglicht die gewünschte Auswechselbarkeit
der Messköpfe.
Der optische Signalleiter ist vorzugsweise fest am oder im Messkopfhalter
bzw. Messkopf angebracht bzw. integriert. Wenn ein optischer Messkopf
am Messkopfhalter angebracht wird, ist somit keine aufwendige und
störungsanfällige optomechanische
Kopplung von Lichtfasern notwendig. Auch eine Anbringung einer durchgehenden
Lichtfaser, die einstückig
von einer Lichtquelle bis zum Messkopf geführt ist, entfällt. Vielmehr
wird lediglich die dem Messkopfhalter zugeordnete Lichtquelle aktiviert
und stellt über
die optischen Signalleiter das Messlicht zur Verfügung. Der optische
Signalleiter ist vorzugsweise als Lichtleitfaser oder als optische
Spiegelanordnung ausgebildet.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messkopfaufnahme
und/oder die Messkopfschnittstelle wenigstens ein optisches Element
aufweisen, das für
eine Lichtübertragung mittels
Freistrahl eingerichtet ist. Das optische Element kann einstückig am
optischen Signalleiter angeformt sein, insbesondere als kalottenförmig bearbeitete
Endfläche
einer Lichtleitfaser oder als stoffschlüssig auf eine Lichtleitfaser
aufgeklebte Kugellinse. Ergänzend
oder alternativ ist ein separates optisches Element, insbesondere
eine sphärische
oder asphärische
Linse, ein Achromat, eine Kugellinse, eine Gradientenindex-Linse
(GRIN-Linse) oder eine Zylinderlinse beabstandet zum optischen Signalleiter angeordnet.
Das optische Element dient vorzugsweise der Kollimation der aus
dem optischen Signalleiter auszukoppelnden Lichtstrahlen und der
Fokussierung der in den optischen Signalleiter einzukoppelnden Lichtstrahlen.
Bei einer Auslegung des optischen Elements als Kollimator werden
die aus den optischen Signalleitern austretenden Messlichtstrahlen und
Signallichtstrahlen im Bereich der Freistrahlstrecke als Parallelstrahlen
ausgerichtet, wodurch die gewünschte
Unempfindlichkeit der Übertragungsstrecke
gewährleistet
werden kann.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Messkopf
mit einer Messoptik zur Durchführung
einer konfokalen chromatischen Dickenmessung ausgerüstet ist.
Dieses optische Messverfahren wird auch als chromatische Längsaber ration
bezeichnet und basiert auf der Verwendung von Messlicht mit einem
breitbandigen Wellenlängenspektrum.
Das Messlicht wird ausgehend von einer Lichtquelle über die Übertragungsstrecke
in den Messkopf eingekoppelt, der die Messoptik trägt, die einen
konstruktiv bedingten, ausgeprägten Farblängsfehler
aufweist. Das Messlicht wird wellenlängenabhängig auf die abzutastende Oberfläche fokussiert.
Eine scharfe Abbildung der Endfläche
des optischen Signalleiters auf die abzutastende Oberfläche ergibt
sich nur für
eine einzige Wellenlänge,
alle anderen Wellenlängen
des Messlichtstrahls werden nur unscharf auf die abzutastende Oberfläche abgebildet.
Ausgehend von der abzutastenden Oberfläche wird auch nur der Anteil
des Messlichts, der scharf auf die Oberfläche abgebildet wurde, mit hoher
Effizienz in die Messoptik und die Signalleiter eingekoppelt. Messlichtanteile
mit anderen Wellenlängen
werden wegen der unscharfen Abbildung nur mit geringer Effizienz
in die Messoptik eingekoppelt und somit stark unterdrückt. Das
reflektierte Signallicht wird einer Auswerteeinrichtung bereitgestellt,
wo anhand der spektralen Intensitätsverteilung die Wellenlänge mit
der höchsten
Intensität
ermittelt werden kann. Durch Kalibrierung kann aus der gefundenen Wellenlänge die
gesuchte Distanz zwischen Messkopf und abzutastender Oberfläche bestimmt
werden. Der Messkopf ist vorzugsweise als rein passive Optik ohne
elektronische oder bewegte Teile in einer kompakten Bauform realisiert.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messoptik
unabhängig
von der Übertragungsstrecke
für die
Freistrahlübertragung kalibrierbar
ist. Die Übertragungsstrecke,
bei der der Messlichtstrahl und/oder der Signallichtstrahl im Freistrahl übertragen
werden, dient lediglich der Übertragung
des Lichts. Das Licht wird in der Übertragungsstrecke nicht in
Abhängigkeit
von der abzutastenden Oberfläche
modifiziert, ebenso wenig findet eine Veränderung der Charakteristik
des Messlichts oder des Signallichts in der Übertragungsstrecke statt. Vielmehr
dient ausschließlich
die im Messkopf angeordnete Messoptik der Aufbereitung des Messlichts
für die
Distanzmessung und der entsprechenden Einkopplung des Signallichts
in den optischen Signalleiter. Somit ist es möglich, die Messoptik unabhängig von
der Übertragungstrecke
zu kalibrieren. Dadurch wird ein automatisierter Wechsel an der
Messeinrichtung zwischen unterschiedlichen optischen Messköpfen ermöglicht,
da für
eine exakte Messung lediglich der jeweils individuell für den eingesetzten
Messkopf ermittelte Kalibrationsdatensatz bereitgestellt werden
muss. Zudem wird durch die Entkopplung der optischen Eigenschaften
der Übertragungsstrecke und
des Messkopfs auch eine vom Messkopf unabgängige Kalibration des dem Messkopfhalter
zugeordneten optischen Signalleiters und der ggf. zugehörigen optischen
Elemente ermöglicht.
Dadurch ist eine vorteilhafte Wartungsfreundlichkeit der Messeinrichtung
sichergestellt, jede einzelne Komponente ist unabhängig von
den anderen Komponenten kalibrierbar.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine optische
Achse der Übertragungsstrecke
für die
Freistrahlübertragung
versetzt und/oder winklig zu einer optischen Achse der Messoptik
angeordnet ist. Zwischen der Übertragungsstrecke
und der im Messkopf angeordnete Messoptik ist wenigstens eine weitere
optische Einrichtung, insbesondere ein Spiegel, eine Linse, eine
Lichtleitfaser oder eine Kombination davon, angeordnet. Mit Hilfe dieser
zusätzlichen
opti schen Einrichtung wird die gewünschte optische Entkopplung
ermöglicht,
so dass eine Kalibration des Messkopfs unabhängig von der Übertragungsstrecke
und eine Kalibration der Übertragungsstrecke
unabhängig
von der Messoptik des Messkopfs möglich sind.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Signalleiter
und das optische Element in einer fest vorgebbaren Position gegenüber einer
in der Messkopfaufnahme bzw. der Messkopfschnittstelle ausgebildeten
Positioniereinrichtung angeordnet sind. Die Anbringung des Messkopfs
am Messkopfhalter erfolgt mit geeigneten mechanischen Positioniermitteln,
insbesondere mit einer Steckkupplung, die eine hochpräzise und
reproduzierbare Ausrichtung zwischen den zu verbindenden Komponenten
gewährleistet.
Der Signalleiter und das optische Element, die am Messkopfhalter und
am Messkopf vorgesehen sein können,
sind vorzugsweise derart in der Messkopfaufnahme bzw. in der Messkopfschnittstelle
angeordnet, dass für
sie ebenfalls die Positioniergenauigkeit der mechanischen Positioniermittel
gilt. Somit ist unabhängig
von der fehlertoleranten Auslegung der Übertragungsstrecke eine hochgenaue
Positionierung der sich gegenüberliegenden
optischen Komponenten der Übertragungsstrecke
gewährleistet.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Übertragungsstrecke
für die Freistrahlübertragung
für eine
Lichtübertragung
in Vorwärts-
und Rückwärtsrichtung
eingerichtet ist. Hierdurch wird ein einfacher Aufbau der Übertragungsstrecke
ermöglicht,
da sowohl für
das Messlicht als auch für
das Signallicht die gleichen optischen Einrichtungen wie Signalleiter
und optische Elemente genutzt werden.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine erste Übertragungsstrecke
für die
Freistrahlübertragung
für eine
Lichtübertragung in
Vorwärtsrichtung
und eine zweite, baulich getrennt ausgeführte Übertragungsstrecke für die optische Freistrahlübertragung
für die
Lichtübertragung
in Rückwärtsrichtung
vorgesehen ist. Hierdurch kann jeweils ein auf die jeweilige Lichtübertragung
(Messlicht/Signallicht) angepasstes optisches System bereitgestellt
werden, um eine besonders verlustarme Lichtübertragung zu gewährleisten.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das optische
Element als rotationssymmetrisches Transmissionselement ausgebildet
ist. Als rotationssymmetrische Transmissionselemente werden insbesondere
sphärische
oder asphärische
Linse, Achromate, Kugellinsen, Gradientenindex-Linsen (GRIN-Linsen),
Zylinderlinsen eingesetzt, die kostengünstig hergestellt werden können.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Messkopfaufnahme
und/oder der Messkopfschnittstelle ein zumindest abschnittsweise
paraboloid geformter Spiegel und ein Planspiegel als optische Elemente
zugeordnet sind, wobei der Planspiegel exzentrisch im paraboloid
geformten Spiegel angeordnet ist. Damit kann mit einfachen Mitteln
eine Revolveranordnung zur Aufnahme mehrerer Messköpfe aufgebaut
werden. Mit Hilfe der Spiegelanordnung können der Messlichtstrahl und der
Signallichtstrahl in den jeweils aktiven Messkopf eingekoppelt bzw.
aus diesem ausgekoppelt werden.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine auf die Messkopfaufnahme
und die Messkopfschnittstelle angepasste Zwischenplatte vorgesehen, die
zur Aufnahme des messkopfhalterseitigen Signalleiters und des wenigstens
einen zugehörigen
optischen Elements dient. Die Zwischenplatte ermöglicht die Anbringung eines
optischen Signalleiters an einen Messkopfhalter, der an sich nicht
für eine
optische Signalübertragung
ausgerüstet
ist. Die Zwischenplatte wird zwischen dem Messkopfhalter und dem
Messkopf angeordnet und trägt
den messkopfseitigen Signalleiter. Da die Zwischenplatte mit den Positioniereinrichtungen
des Messkopfhalters und des Messkopfs ausgestattet ist, müssen am
Messkopfhalter und am Messkopf keine baulichen Veränderungen
vorgenommen werden. Vorzugsweise ist die Zwischenplatte derart gestaltet,
dass sie auch die Aufnahme anderer Messköpfe ermöglicht, so dass der Messkopfhalter
zusammen mit der Zwischenplatte kalibriert werden kann.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Messkopf vorgesehen, der eine
Messkopfschnittstelle und eine Messoptik zur Durchführung eines
berührungsfreien
optischen Messverfahrens, insbesondere zur konfokalen chromatischen Dickenmessung,
aufweist, bei dem die Messkopfschnittstelle mit wenigstens einem
optischen Element ausgestattet ist, das für eine Einkopplung eines Messlichtstrahls
und/oder eine Auskopplung eines Signallichtstrahls im Freistrahl
ausgebildet ist. Ein solcher Messkopf ist trotz der Anpassung auf
ein optisches Messverfahren automatisiert austauschbar und gewährleistet
durch die kontaktfreie und somit verschleißfreie optische Kopplung auch
bei häufigem Messkopfwechsel
eine gleich bleibende Messgenauigkeit.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Messkopfhalter mit einer Messkopfaufnahme
zur auswechselbaren Anbringung eines Messkopfs vorgesehen, bei dem
die Messkopfaufnahme mit wenigstens einem optischen Element ausgestattet
ist, das für
eine Auskopplung eines Messlichtstrahls und/oder eine Einkopplung
eines Signallichtstrahls im Freistrahl ausgebildet ist. Der Messkopfhalter
ist auf die Verwendung eines optischen Messkopfs zugeschnitten,
der automatisiert ausgetauscht werden kann und auch bei einer Vielzahl
von Austauschzyklen eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet.
-
Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele,
die anhand der Zeichnungen dargestellt sind.
-
Dabei
zeigt:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Messeinrichtung,
-
2 eine
schematische Darstellung einer Messkopfaufnahme und eines Messkopfs
mit Messkopfschnittstelle,
-
3 eine
schematische Detaildarstellung von optischen Elementen der Messkopfaufnahme,
-
4 eine
schematische Darstellung des konfokalen chromatischen Messverfahrens,
-
5 eine
schematische Darstellung einer Revolveranordnung für mehrere
Messköpfe,
-
6 eine
schematische Darstellung einer Zwischenplatte zur Ankopplung eines
optischen Messkopfs an einen konventionellen Messkopfhalter.
-
Eine
in der 1 dargestellte Messeinrichtung 10 umfasst
einen mehrachsigen Roboterarm, an dem ein Messkopfhalter 12 und
ein Messkopf 14 angebracht sind. Der Roboterarm umfasst
mehrere gelenkig miteinander verbundene Gelenkarme 20,
denen jeweils Antriebsmotoren 22 zugeordnet sind, die von
einer nicht dargestellten Steuereinrichtung angesteuert werden können. Der
Messkopf 14 kann mittels des Roboterarms in mehreren Raumrichtungen verstellbar über einen
Messtisch 16 geführt
werden, auf dem ein Messobjekt 18 abgelegt ist, das eine
abzutastende Oberflächengeometrie
aufweist.
-
In
der 2 sind der Messkopfhalter 12 und der
Messkopf 14 näher
dargestellt. Der Messkopfhalter 12 weist eine Messkopfschnittstelle
auf, die im Wesentlichen aus einer Anordnung von mehreren, präzise platzierten
und dimensionierten Bohrungen 24, 26, 28 besteht.
Die zentrale Bohrung 24 ist mit einer nicht näher dargestellten
Klemmeinrichtung versehen, die einen am Messkopf 14 angeordneten Klemmzapfen 30 klemmen
kann, um den Messkopf 14 am Messkopfhalter 12 festzulegen.
Eine Positionierbohrung 26 stellt eine rotatorische Lage
des Messkopfs 14 gegenüber
dem Messkopfhalter 12 sicher. Die Messkopfschnittstelle
des Messkopfs 14 weist einen zur Positionierbohrung 26 korrespondierenden
Passstift 32 auf. Am Messkopfhalter 12 ist zudem
eine Kupplungsbohrung 28 vorgesehen, in der optische Elemente
aufgenommen sind, wie dies in der 3 näher dargestellt
wird. In die Kupplungsbohrung 28 wird bei Anbringung des
Messkopfs 14 ein optischer Stecker 34 eingesteckt,
der in gleicher Weise mit optischen Elementen wie der in 3 näher dargestellt
Messkopfhalter 12 ausgerüstet ist. Zwischen den optischen
Elementen des Messkopfhalters 12 und des Messkopfs 14 verbleibt
im gesteckten Zustand ein Luftraum, der als Freistrahl-Übertragungsstrecke 35 für das Messlicht
und das Signallicht dient.
-
Wie
in der 3 näher
dargestellt wird, ist in der Kupplungsbohrung 28 eine Aufnahmehülse 36 angeordnet,
die mittels eines nicht dargestellten, in der Kupplungsbohrung 28 vorgesehenen
Feingewindes in axialer Richtung der Kupplungsbohrung 28 verstellt
werden kann. Die Aufnahmehülse 36 dient zur
Festlegung eines Fasersteckers 38, der die Terminierung
einer Lichtleitfaser 40 bildet, die für die Auskopplung von Messlicht
in Richtung des Messkopfs 14 sowie für die Einkopplung von Signallicht
in Richtung einer nicht dargestellten Auswerteeinheit vorgesehen
ist. Gemäß der Darstellung
der 3 ist unterhalb des Fasersteckers 38 eine
Kollimatorlinse 42 angeordnet, die in einer verstellbar
in der Aufnahmehülse 36 angeordneten
Linsenfassung 44 aufgenommen ist. Der Faserstecker 38 ist
schräg
zur Mittellängsachse
der Aufnahmehülse 36 in
einer Justagehülse 37 aufgenommen.
Durch die Schrägstellung des
Fasersteckers 38 wird eine verlustarme Einkopplung von
Signallicht in die Lichtleitfaser 40 gewährleistet.
-
In
dem nur schematisch dargestellten optischen Stecker 34 des
Messkopfs 14 ist eine spiegelbildlich identische Anordnung
von optischen Komponenten wie in der Kupplungsbohrung 28 vorgesehen.
-
In
gestecktem Zustand von Messkopfhalter 12 und Messkopf 14 sind
somit die Kollimatorlinsen 42 die am nächsten zueinander angeordneten
optischen Elemente. Die Kollimatorlinsen 42 gewährleisten
jeweils, dass das aus den Fasersteckern 38 ausgekoppelte
Licht in Richtung der gegenüberliegenden
Kollimatorlinse als Parallelstrahl abgestrahlt wird. Somit führen Abstandsunterschiede
und geringfügige
Verkippungen und Achsversetzungen zwischen den Kollimatorlinsen 42 nicht
zu einer Beeinträchtigung
der Übertragungsstrecke 35,
in der das Messlicht und das Signallicht als Freistrahl vorliegen.
-
Ausgehend
von den optischen Elementen im optischen Stecker 34 ist
gemäß der 2 eine
Lichtleitfaser 48 vorgesehen, die bis zu der nicht näher dargestellten
Messoptik im Messkopf 14 geführt ist. In der 4 werden
das Messprinzip der chromatisch konfokalen Distanzmessung und die
dazu notwendigen optischen Komponenten näher dargestellt.
-
Von
einer Messlichtquelle 50, die üblicherweise als Laserlichtquelle
mit breitbandigem Wellenlängenspektrum
ausgebildet ist, wird Messlicht in eine Lichtleitfaser 52 eingekoppelt,
die an einen Faserkoppler 54 angeschlossen ist. Im Faserkoppler 54 wird
das Messlicht in die dem Messkopfhalter 12 zugeordnete
Lichtleitfaser 40 eingekoppelt und über die vergrößert dargestellte Übertragungsstrecke 35 im Freistrahl
zum Messkopf 14 übertragen
und dort in die Lichtleitfaser 48 eingekoppelt. In dem
Endbereich der Lichtleitfaser 48, der der Übertragungsstrecke abgewandt
ist, wird das Messlicht aus der Lichtleitfaser 48 als Freistrahl
ausgekoppelt und trifft auf eine erste Linse 56 und danach
auf eine zweite Linse 58. Diese beiden Linsen 56 und 58 bilden
im Wesentlichen ein Objektiv mit einem ausgeprägten Farblängsfehler, das die Anteile
des Laserlichts mit unterschiedlichen Wellenlängen unter schiedlich stark
bricht.
-
Der
Anteil des Messlichts, der eine kurze Wellenlänge λmin aufweist,
wird stärker
gebrochen als der Anteil des Messlichts, der längere Wellenlängen λmax aufweist.
Der Anteil des Messlichts mit der Wellenlänge λ1, die
zwischen λmin und λmax liegt, ist auf die Oberfläche des
Messobjekts 18 fokussiert und wird daher mit einem hohen
Wirkungsgrad zurück
in dem Messkopf 14 eingekoppelt. Demgegenüber werden Anteile
des Messlichts, die nicht auf die Oberfläche des Messobjekts 18 fokussiert
sind, nur mit deutlich geringerem Wirkungsgrad in den Messkopf 14 eingekoppelt.
Das in den Messkopf 14 eingekoppelte Signallicht wird über die
Linsen 56, 58 zurück in die Lichtleitfaser 48 eingekoppelt
und über
die Übertragungsstrecke
in die Lichtleitfaser 40 im Messkopfhalter eingekoppelt.
Im sich an die Lichtleitfaser 40 anschließenden Faserkoppler 54 wird
das Signallicht in eine Lichtleitfaser 60 eingekoppelt,
die mit einem nicht näher
dargestellten Spektrometer verbunden ist. In dem Spektrometer findet
eine wellenlängenbezogene
Intensitätsauswertung
des Signallichts statt. Dabei ergibt sich, wie dies in 4 schematisch
dargestellt ist, ein hoher Intensitätspegel für das Signallicht mit der Wellenlänge λ1,
während
Signallicht mit anderen Wellenlängen
keinen relevanten Intensitätspegel
hervorruft. In Kenntnis der Position des Messkopfs 14 kann
somit aus dem ermittelten Intensitätsmaximum ein Abstand zwischen
Messkopf 14 und Messobjekt 18 ermittelt werden.
-
Bei
der Ausführungsform
gemäß der 5 ist
anstelle der sich gegenüberliegenden
Kollimatorlinsen 42 eine Anordnung von abschnittsweise
paraboloid geformten Spiegeln 62, 64 und Planspiegeln 66, 68 vorgesehen.
Das aus einer nicht dargestellten Lichtleitfaser ausgekoppelte Messlicht
wird durch eine Bohrung 70 im oberen Parabolspiegelabschnitt 62 auf
den oberen Planspiegel 66 abgestrahlt und von dort auf
die verspiegelte Oberfläche
des Parabolspiegelabschnitts 62 reflektiert. Durch dessen
Oberflächenkrümmung werden
aus divergierenden Lichtstrahlen parallele Lichtstrahlen, die in
Richtung des unteren Parabolspiegels 64 abgestrahlt werden. Nach
Auftreffen auf den unteren Parabolspiegel 64 werden die
Lichtstrahlen mittels des unteren Planspiegels 68 durch
die Bohrung 72 hindurch in die nicht dargestellte, messkopfseitige
Lichtleitfaser eingekoppelt. Der messkopfseitige Parabolspiegel 64 ist rotationssymmetrisch
ausgeführt
und mit insgesamt vier Bohrungen versehen, von denen aufgrund der Schnittdarstellung
lediglich drei Bohrungen 72, 74, 76 sichtbar
sind. Unterhalb der Bohrungen ist jeweils ein Messkopf 14 angebracht.
Jeder der Messköpfe 14 ist
für einen
anderen Messbereich ausgelegt und kann durch Rotation des Parabolspiegels 64 in
die Position gebracht werden, in der der Messlichtstrahl eingekoppelt
und der Signallichtstrahl ausgekoppelt wird. Somit kann bei der
Ausführungsform
gemäß der 5 ein
rascher Wechsel von Messköpfen 14 zur Anpassung
an unterschiedliche Messaufgaben durch Rotation des die Messköpfe 14 tragenden
Parabolspiegels 64 erfolgen.
-
Bei
der Ausführungsform
gemäß der 6 ist
eine Zwischenplatte 78 dargestellt, die zwischen einem
konventionellen Messkopfhalter 80 ohne optische Elemente
und einem nicht dargestellten optischen Messkopf, der zur chromatisch
konfokalen Distanzmessung eingerichtet ist, angeordnet werden kann.
Die Aufgabe der Zwischenplatte 78 besteht darin, eine Aufnahme von
taktilen und optischen Messköpfen
an dem Messkopfhalter 80 zu ermöglichen, ohne Modifikationen
am Messkopfhalter 80 vornehmen zu müssen. Die Zwischenplatte 78 weist
zu diesem Zweck eine in Richtung des Messkopfhalters 80 gewandte
Messkopfschnittstelle ohne optische Elemente und eine in Richtung
des nicht dargestellten Messkopfs gewandte Messkopfaufnahme mit
optischen Elementen auf. Die optischen Elemente sind in gleicher
Weise wie bei dem in 3 näher dargestellten Messkopfhalter 12 ausgebildet.
Eine separate Lichtleitfaser 82 gewährleistet die Bereitstellung von
Messlicht und die Auskopplung von Signallicht.
-
An
die Zwischenplatte 78 können
sowohl optische als auch taktile Messkopfe angekoppelt werden. Eine
Kalibrierung der Messeinrichtung findet mit eingebauter Zwischenplatte 78 statt.
Aufgrund der hohen Präzision
der Messkopfschnittstelle und der Messkopfaufnahme an der Zwischenplatte 78 ergibt sich
bei Einsatz der Zwischenplatte 78 nur eine geringfügig verschlechterte
Genauigkeit des Messverfahrens. Dies wird je nach Anwendung durch
den Vorteil aufgewogen, in rascher Abfolge automatisiert eine Auswechslung
der Messköpfe
vornehmen zu können.