DE102008060621B3

DE102008060621B3 - Optische Anordnung zum berührungslosen Messen oder Prüfen einer Körperoberfläche

Info

Publication number: DE102008060621B3
Application number: DE102008060621A
Authority: DE
Inventors: Carsten Dr. Glasenapp
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2028-12-06
Also published as: US8767218B2; US20120069351A1; EP2370780A1; CN102239384B; WO2010063775A1; CN102239384A

Abstract

Optische Anordnung zur berührungslosen Ermittlung der Eigenschaft einer Körperoberfläche (2), wie Krümmung, Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit, umfassend:
– Mittel zur Ausbildung eines Spaltes (5) zwischen der Körperoberfläche (2) und einer Referenzkante (4), wobei
– die Referenzkante (4) die Richtung einer an die Körperoberfläche (2) gelegten Tangente definiert, und
– die Abstände zwischen der Körperoberfläche (2) und der Referenzkante (4), in Richtung der Normalen der Tangente betrachtet, Spaltbreiten (a) definieren,
– eine Einrichtung zur Abbildung des Spaltes (5) auf einen ortsauflösenden Detektor (9),
– eine mit dem Detektor (9) verbundene Auswerteeinrichtung, ausgebildet
– zur Ermittlung von in Richtung der Tangente nebeneinander liegenden Spaltbreiten (a) anhand der Ausgangssignale des Detektors (9), und
– zur Ermittlung der Eigenschaft der Körperoberfläche (2), wie Krümmung, Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit, anhand der entlang der Tangente nebeneinander liegenden Spaltbreiten (a).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Optische Anordnung zum berührungslosen Messen oder Prüfen von Eigenschaften einer Körperoberfläche, wie Krümmung, Verlauf, Kontur, Rauhigkeit, Lage. Die erfindungsgemäße Anordnung ist sowohl zur Qualitätskontrolle von technischen Oberflächen durch Vermessung, Vergleich mit Referenzoberflächen als auch zur Vermessung von Mikrostrukturen an Oberflächen geeignet.
Verfahren zum Vermessen von Geometrien und Oberflächenstrukturen zwecks Überprüfung von Fertigungstoleranzen an Werkstücken sind beispielsweise in Form von taktilen Meßverfahren bekannt.
Bei diesen Verfahren wird das Werkstück mechanisch angetastet, die Bewegungen des Tasters mittels Maßstäben detektiert und aus den dabei gewonnenen Meßwerten auf die Werkstückform bzw. auf Abweichungen von der Sollformen geschlossen.
Zwar haben diese Verfahren einen hohen Entwicklungsstand erreicht und zeichnen sich daher durch vielseitige Variations- und Anwendungsmöglichkeiten aus. Nachteilig sind jedoch zum einen die zwingende Berührung des Tasters mit dem Werkstück, die insbesondere bei weichen Materialien oder bei empfindlichen, wie beispielsweise optischen Oberflächen nicht erwünscht ist, und zum anderen die verhältnismäßig langen Meßzeiten, die den Ablauf industrieller Fertigungsprozesse behindern.
Bekannt sind weiterhin Verfahren optischer Art zum berührungsfreien Vermessen von Oberflächenkonturen, zur Bestimmung der Rauhigkeit von Oberflächen oder des Durchmessers von Bohrlöchern.
Dabei wird Licht auf die zu vermessende oder zu prüfende Oberfläche fokussiert und das von der Oberfläche reflektierte oder gestreute Licht ausgewertet. Um aus den Ergebnissen auf zwei- oder dreidimensionale Konturen schlußfolgern zu können, sind eine Vielzahl wiederholter Punktmessungen in Verbindung mit einer jeweiligen Verschiebung der Meßanordnung erforderlich. Daher sind diese Verfahren ebenfalls in oft unerwünschter Weise zeitaufwendig.
Eine in DD 148 982 B1 beschriebene Meßanordnung bewertet das Vorhandensein zulässiger oder unzulässiger Spaltbreiten bei der Prüfung von rotationssymmetrischen Bauteilen, insbesondere im Zusammenhang mit Kolbenringen für Verbrennungsmotoren oder Verdichtungsringen für Kompressoren.
Dabei wird der zu prüfende Ring in einen Lehrring eingespannt und Licht auf den Spalt zwischen dem zu prüfenden Ring und dem Lehrring gerichtet. Das durch den Spalt dringende Licht wird mittels eines Fotoempfängers in ein analoges elektrisches Signal gewandelt und dieses der Bewertung der Spaltbreite zugrundegelegt. Das Prüfen oder Vermessen von Körpergeometrien und Oberflächentopographien ist mit dieser Anordnung nicht möglich.
In DD 84 941 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Beschaffenheit ebener Oberflächen beschrieben, insbesondere bezogen auf Beton-, Putz-, Kunststein- und Natursteinoberflächen. Dabei wird auf die zu messende Oberfläche ein Haarlineal aufgelegt, wodurch zwischen der Oberfläche und der gerade geschliffenen, schneidartigen Meßkante des Haarlineals ein Spalt entsteht. Auf den Spalt wird ein pulsierendes, monochromatisches Lichtband gleicher Intensität gerichtet. Das durch den Spalt hindurch tretende Licht wird mittels eines Linsensystems, das dem Spalt nachgeordnet ist, in einem Punkt gesammelt und anschließend über einen Detektor in elektrische Signale umgewandelt, die nachfolgend mit vorgegebenen Größen verglichen werden. Aus dem Vergleich wird zwecks Klassifizierung auf die Oberflächenbeschaffenheit geschlossen.
Eine Anordnung und ein Verfahren zur Prüfung der Ebenheit von Oberflächen, beschrieben in US 2008/0225280 A1 , weist eine Lichtquelle auf sowie eine Empfangseinrichtung für das von der Lichtquelle kommende Licht. Zwischen der Lichtquelle und der Empfangseinrichtung sind die Oberfläche eines Werkstückes und eine Referenzebene so einander gegenübergestellt, daß sich dabei Spalt ausbildet. Das Licht, das durch den Spalt hindurchtritt, trifft auf die Empfangseinrichtung, die daraus ein Signal generiert, aus dem auf die Ebenheit der Oberfläche des Werkstücks geschlossen wird.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit der in verhältnismäßig kurzer Zeit bei geringem technischem Aufwand Körpergeometrien und Oberflächentopographien vermessen oder geprüft werden können.
Erfindungsgemäß umfaßt eine optische Anordnung zur berührungslosen Ermittlung der Eigenschaft einer Körperoberfläche, wie Krümmung, Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit:

– Mittel zur Ausbildung eines Spaltes zwischen der Körperoberfläche und einer Referenzkante, wobei – die Referenzkante die Richtung einer an die Körperoberfläche gelegten Tangente definiert, und – die Abstände zwischen der Körperoberfläche und der Referenzkante, in Richtung der Normalen der Tangente betrachtet, Spaltbreiten definieren,
– eine Einrichtung zur Abbildung des Spaltes auf einen ortsauflösenden Detektor,
– eine mit dem Detektor verbundene Auswerteeinrichtung, ausgebildet – zur Ermittlung von in Richtung der Tangente nebeneinander liegender Spaltbreiten anhand der Ausgangssignale des Detektors, und – zur Ermittlung der Eigenschaft der Körperoberfläche, wie Krümmung, Verlauf, Kontur oder Rauhigkeit, anhand der entlang der Tangente nebeneinander liegenden Spaltbreiten.

In alternativen Ausgestaltungen kann die erfindungsgemäße optische Anordnung, je nach Auslegung der Auswerteeinrichtung, ausgebildet sein zum Messen der Eigenschaften auf Basis der als physikalische Größen ermittelten Spaltbreiten oder zum Prüfen der Eigenschaften durch Vergleich der ermittelten Spaltbreiten mit Soll-Spaltbreiten.
Die Ausdehnung der Referenzkante in Richtung der Tangente entspricht im speziellen Fall der Ausdehnung der Körperoberfläche in dieser Richtung, das heißt der zwischen der Referenzkante und der Körperoberfläche ausgebildete Spalt erstreckt sich über die gesamte Ausdehnung der Körperoberfläche in dieser Richtung. Der Spalt wird insgesamt zur Auswertung auf den Detektor abgebildet.
Ist dagegen in Richtung der Tangente gesehen die Ausdehnung der Referenzkante kleiner als die Ausdehnung der Körperoberfläche, weist die erfindungsgemäße Anordnung eine Einrichtung zur Verschiebung der Referenzkante in dieser Richtung auf. Damit wird erreicht, daß die Referenzkante zeitlich nacheinander verschiedenen Teilbereichen der Körperoberfläche gegenübersteht. Der sich dabei jeweils in Richtung der Tangente ausbildende Spalt wird zur Auswertung auf den Detektor abgebildet.
In dieser Weise ist die eindimensionale Kontur der Körperoberfläche in Richtung der Referenzkante bestimmbar. Soll darüber hinaus die Struktur auch mehrdimensional in Form einer Topographie der Körperoberfläche bestimmt werden, ist in einer entsprechenden Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung zusätzlich eine Einrichtung zur Parallelverschiebung der Referenzkante senkrecht zur Tangentenrichtung vorgesehen. Damit wird erreicht, daß die Referenzkante zeitlich nacheinander den verschiedensten Teilbereichen der Körperoberfläche gegenübersteht und der dabei jeweils ausgebildete Spalt zur Auswertung auf den Detektor abgebildet wird.
Im Zusammenhang mit der Verschiebung der Referenzkante kann eine Zwangsführung vorgesehen sein, die beispielsweise als mechanische Gerad- oder Kurvenführung ausgebildet ist und dazu dient, die Referenzkante während ihrer Fortbewegung in einem konstanten Abstand zur Körperoberfläche zu führen, der einer vorgegebenen Spaltbreite entspricht.
Es ist denkbar und liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, wenn alternativ zu einer Zwangsführung oder auch zusätzlich dazu eine Regeleinrichtung vorhanden ist, die zur Einhaltung des Abstandes zwischen der Referenzkante und der Körperoberfläche auf Basis einer kontinuierlichen oder periodischen Abstandsmessung ausgebildet ist.
Der Detektor besteht aus einer Vielzahl von Einzelsensoren, die entweder in einer Zeile oder in mehreren parallelen Zeilen angeordnet sind.
Die elektronischen Ausgangssignale derjenigen Sensoren des Detektors, auf die der Spalt abgebildet wird bzw. die aufgrund der Abbildung beleuchtet sind, sind ein Maß für die Spaltbreite. Die Spaltbreite und Lage des Spaltes wird dabei durch Auswertung der Intensitätsverteilung als Äquivalent der Ausgangssignalstärken bestimmt. Zur Auswertung der Intensitätsverteilung werden vorteilhaft Subpixel-Algorithmen genutzt. Derartige Auswertung sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden deshalb hier nicht näher erläutert. Mit der Subpixelauswertung kann die Intensitätsverteilung genauer bestimmt werden als mit der alternativ ebenfalls möglichen Auswertung der Intensitätsverteilung unter Berücksichtigung der Abstände von Einzelsensoren.
Als Detektoren kommen beispielsweise CCD-Sensoren zur Anwendung, die in der Regel aus in Zeilen und Spalten, selte ner aus nur in einer Zeile angeordneten lichtempfindlichen Fotodioden, auch als Pixel bezeichnet, bestehen.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ist der Referenzkante eine Lichtaustrittsöffnung zugeordnet, von der aus das von einer Lichtquelle kommende Licht, bevorzugt durch eine fokussierende Optik hindurch, auf die der Referenzkante gegenüberliegende Körperoberfläche gerichtet ist. Dabei ist die Lichtaustrittsöffnung in der Relation zu dem Detektor so positioniert, daß das austretende Licht als Beleuchtungslicht bei der Abbildung des Spaltes auf den Detektor dient.
Als Lichtquelle kann eine Leuchtdiode vorgesehen sein, die bevorzugt Licht einer bestimmten Wellenlänge mit homogener Intensität abstrahlt und beispielsweise über einen Lichtleiter mit der Lichtaustrittsöffnung verbunden ist.
Alternativ kommt jedoch auch eine breitbandige Lichtquelle in Kombination mit einer diffraktiven Linse zur Anwendung, um eine in Abhängigkeit von der Wellenlänge verschiedene Lage der Fokuslinie zu erzeugen. Auf dieser Basis sind Messungen in axialer Richtung möglich.
Besonders vorteilhaft ist die Referenzkante an einer Lehre ausgebildet, und die Lichtquelle ist in die Lehre integriert.
Dem Detektor sollte eine Abbildungsoptik mit definiertem Abbildungsmaßstab vorgeordnet sein. Unter Zugrundelegung dieses Abbildungsmaßstabes einerseits und der Abstände der Pixel auf der Empfangsfläche des Detektors andererseits wird mittels eines Bildauswertungsprogramms die Breite des Spaltes bestimmt.
Im bevorzugten Fall sind der Detektor und die Abbildungsoptik Bauteile einer Kamera, und die Kamera und die Lehre sind in einen vorgegebenen Abstand fest miteinander verbunden.
Um die optische Abtastung der Körperoberfläche bei Anwendungsfällen mit erschwerter Zugänglichkeit zu ermöglichen, kann im Strahlenverlauf zwischen dem Spalt und der Abbildungsoptik mindestens ein Umlenkspiegel vorgesehen sein.
Um unerwünschte Reflexionen bei der optischen Abtastung der Körperoberfläche zu unterdrücken, kann der Abbildungsoptik ein Polarisationsfilter vorgeordnet sein. So werden vor allem die Reflexionen nicht mit auf den Detektor abgebildet, die eine Polarisationsrichtung parallel zur Körperoberfläche haben und das Auswertungsergebnis verfälschen könnten.
Zur Bestimmung der Krümmung, des Verlaufs, der Kontur oder der Rauhigkeit von Körperoberflächen oder ausgewählter Bereiche von Körperoberflächen, die im Wesentlichen plan sind, ist die Referenzkante als eine Gerade ausgeführt.
Im Rahmen der Erfindung liegt jedoch ebenfalls eine Ausführung, bei welcher

– die Referenzkante ringförmig ausgebildet und die Körperoberfläche die Innenfläche eines die Referenzkante zentrisch umschließenden Kreiszylinders ist, wobei
– zwischen der Referenzkante und der Körperoberfläche ein ringförmiger Spalt ausgebildet ist, und
– eine Einrichtung zur Abbildung des ringförmigen Spaltes auf einen ortsauflösenden Detektor vorhanden ist.

Dabei ist auch hier die Referenzkante an einer Lehre ausgebildet, die in diesem Fall die Form eines runden Lehrdorns hat. Die Lichtaustrittsfläche ist ebenfalls ringförmig ausgebildet und der Referenzkante zugeordnet.
Vorteilhafter Weise ist auch hierbei eine Einrichtung zum Verschieben des Lehrdorns einschließlich Referenzkante und Lichtaustrittsfläche in Richtung der Mittenachse der zylindrischen Innenfläche vorhanden.
In dieser Ausführungsform ist die erfindungsgemäße optische Anordnung besonders zum berührungsfreien Vermessen oder Prüfen des Durchmessers, der Position, der Lage oder der Form von Bohrlöchern geeignet. Insbesondere kann mit der Verschiebung des Lehrdorns in Richtung der zylindrischen Innenfläche eine dreidimensionale Oberflächentopographie der Bohrung erstellt werden.
Als Detektor dient hier ebenfalls eine CCD-Kamera mit Optik, welche im fixen Abstand mit dem Lehrdorn verbunden ist. Aus dem Abbildungsmaßstab der Optik und dem Abstand der Pixel zueinander kann somit aus dem Kamerabild auf den Durchmesser, Form und der Lage des Bohrlochs geschlossen werden.
In den Erfindungsgedanken eingeschlossen sind auch Ausgestaltungen, bei denen die Referenzkante austauschbar oder in ihrer Größe verstellbar ist und Ausgestaltungen, bei denen die Bestimmung von Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit der Körperoberfläche aus der Interpretation des Auf grund von Lichtbeugung entstanden Kamerabildes vorgesehen ist.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 die erfindungsgemäße optische Anordnung in einer Prinzipdarstellung,
2 die erfindungsgemäße optische Anordnung nach 1 in einer Ausgestaltung zum berührungslosen Messen oder Prüfen der Innenflächen von Aussparungen, insbesondere von Bohrungen,
3 Beispiele zum berührungslosen Messen oder Prüfen von Außenflächen oder an Innenflächen an technischen Körpern,
4 ein erstes Beispiel einer Abbildung des Spaltes auf dem Detektor,
5 ein zweites Beispiel einer Abbildung des Spaltes auf dem Detektor.
Aus 1 ist symbolisch ein Körper 1 dargestellt, für dessen Körperoberfläche 2 die Krümmung, der Verlauf, die Kontur oder Rauhigkeit gemessen oder geprüft werden soll. Der Körperoberfläche 2 gegenüber steht eine Lehre 3 mit einer Referenzkante 4. Zwischen der Referenzkante 4 und der Körperoberfläche 2 ist ein Spalt 5 mit der Spaltbreite a ausgebildet.
Die Lehre 3 ist über eine Abstandshalterung 6 mit einer Kamera 7 verbunden, welche eine Abbildungsoptik 8 und einen ortsauflösenden Detektor 9 umfaßt.
Zwecks Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung sei angenommen, daß die Körperoberfläche 2, die in diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen plan ist, in den Koordinatenrichtungen Y, Z eines kartesischen Koordinatensystems X, Y, Z ausgedehnt ist, während sich die Spaltbreite a in Richtung X erstreckt. Die Referenzkante 4 erstreckt sich dann in Richtung Y bzw. senkrecht zur Zeichenebene X, Z, und der Spalt 5 liegt in der Ebene X, Y.
In die Lehre 3 ist eine Leuchtdiode 10 integriert, welcher in Abstrahlrichtung des von ihr ausgehenden Lichtes eine fokussierte Optik 11 vorgeordnet ist. Die Leuchtdiode 10 gibt vorzugsweise Licht einer bestimmten Wellenlänge, beispielsweise 500 nm, mit homogener Intensität ab.
Weiterhin ist der Referenzkante 4 eine Lichtaustrittsöffnung 12 zugeordnet, durch welche hindurch das Licht der Leuchtdiode 10 das Meßobjekt in der Höhe des Spaltes 5 beleuchtet. Der beleuchtete Spalt 5 wird durch eine transparente Halteplatte 13 hindurch mittels der Abbildungsoptik 8 auf den ortsauflösenden Detektor 9 angebildet, wobei die Abbildungen der Referenzkante 4 und des Bereiches der Körperoberfläche 2, der der Referenzkante 4 gegenüber liegt, die Meßmarken für die Spaltbreite bilden.
Der Detektor 9 weist eine Vielzahl von Einzelsensoren auf, auch als Pixel bezeichnet, die entweder in nur einer Zeile oder in einer Matrix aus mehreren Zeilen und Spalten angeordnet sind. Der Abbildungsmaßstab der Abbildungsoptik 8 ist auf die Abstände der Pixel im Detektor so abgestimmt, daß die elektronischen Ausgangssignale der bei der Abbildung des Spaltes 5 auf den Detektor 9 beleuchteten Pixel ein Äquivalent für die Spaltbreite a sind.
Ist die transparente Halteplatte 13 als Polarisationsfilter ausgebildet, so werden störende Reflexionen, die eine Polarisationsrichtung parallel zur Körperoberfläche 2 haben, in vorteilhafter Weise nicht mit auf den Detektor abgebildet.
Die Ausdehnung des Spaltes 5 in Richtung Y ist auf die Anzahl der parallel nebeneinander liegenden Sensorzeilen des Detektors 9 abgestimmt. Verfügt der Detektor 9 über nur eine Sensorzeile, hat die Referenzkante 4 eine Ausdehnung, die dem Empfangsbereich der Sensoren dieser Zeile in Richtung Y entsprechen. Verfügt der Detektor 9 über mehrere in Richtung Y nebeneinander liegende Sensorzeilen, so ist die Referenzkante 4 dem Empfangsbereich dieser Sensoren entsprechend ausgedehnt.
Dem Detektor 9 ist eine zeichnerisch nicht dargestellte Auswerteeinrichtung nachgeordnet, die ausgebildet ist zur Ermittlung einer Vielzahl von in Richtung Y nebeneinander liegender Spaltbreiten a anhand der von dem Detektor abgegebenen Ausgangssignale und zur Ermittlung der Eigenschaft der Körperoberfläche anhand der Differenzen der in Richtung Y nebeneinander liegenden Spaltbreiten a.
Mit der Auswerteeinrichtung werden anhand der Spaltbreiten a jeweils Krümmung, Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit der Körperoberfläche 2 in dem Bereich ermittelt, welcher der Referenzkante 4 gegenüberliegt. Um größere Bereiche der Körperoberfläche 2 zum Zweck der Bestimmung der Spaltbreiten a abzutasten, ist eine Einrichtung zur Verschiebung der erfindungsgemäßen Anordnung und des Körpers 1 relativ zueinander in den Richtungen Y und/oder Z vorgesehen.
So kann beispielsweise der Körper 1 feststehend angeordnet sein, während die erfindungsgemäße Anordnung beweglich mit der Verschiebeeinrichtung verbunden ist. Mit der Verschiebung in den Richtungen Y und/oder Z läßt sich die Spaltbreite a für Bereiche der Körperoberfläche 2 ermitteln, deren Ausdehnung größer ist als die Ausdehnung der Referenzkante 4. Auf dieser Basis werden über weite Bereiche der Körperoberfläche 2 die bereits genannten Eigenschaften wie Krümmung, Verlauf, Kontur oder Rauheit bestimmt.
Die Verschiebeeinrichtung ist zeichnerisch nicht dargestellt, kann jedoch mit Geradführungen realisiert werden, die an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind. Dabei kann eine mechanische Zwangsführung vorgesehen sein, die dafür sorgt, daß der Abstand zwischen der Körperoberfläche 2 und der Referenzkante 4 während der Verschiebung konstant bleibt.
Alternativ zu einer mechanischen Zwangsführung kann jedoch auch eine Regeleinrichtung vorgesehen sein, die zur Einhaltung des Abstandes zwischen der zwischen der Körperoberfläche 2 und der Referenzkante 4 auf Basis einer kontinuierlichen oder periodischen Abstandsmessung ausgebildet ist. Eine erforderliche Korrektur der Spaltbreite a erfolgt durch Nachstellung in Richtung X.
Während das Ausführungsbeispiel nach 1 die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung im Zusammenhang mit der Bestimmung der Eigenschaften einer an einem Körper 1 außen liegenden, im wesentlichen planen Körperoberfläche 2 beschreibt, zeigt 2 anhand eines zweiten Ausführungsbeispiels die Wirkungsweise beim berührungslosen Messen oder Prüfen der Eigenschaften einer innen liegenden Körperober fläche 2. Der Übersichtlichkeit halber werden in 2 für dieselben Baugruppen auch dieselben Bezugszeichen wie in 1 verwendet.
Der hier in einem Querschnitt dargestellte Körper 1 weist eine Aussparung 14 auf, beispielsweise ein Bohrung oder ein Langloch. Die Lehre 3 ist hier, im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 1, als Lehrdorn ausgebildet, der in die Aussparung 14 eintaucht.
Die Richtung Y entspricht auch in diesem Fall der Richtung einer an die Körperoberfläche 2 gelegten Tangente, die Richtung X entspricht der Richtung der Normalen zur Tangente. Die Spaltbreiten a werden wiederum in Richtung X gemessen.
Auch hierbei ist in die Lehre 3 eine Leuchtdiode 10 integriert, wobei im Lichtweg von der Leuchtdiode 10 bis zum Spalt 5 eine fokussierende Optik 11 vorgesehen ist. Auch hier kann ein Lichtleiter 15 vorgesehen sein.
Um Bereiche der Körperoberfläche 2 abtasten zu können, die in ihrer Ausdehnung größer sind als die Ausdehnung der Referenzkante 4, kann auch hier eine Einrichtung zur Verschiebung der erfindungsgemäßen Anordnung und des Körpers 1 relativ zueinander in Richtung der Tangente und/oder in Richtung Z vorgesehen sein, vorteilhaft auch hier wieder in Verbindung mit einer Zwangsführung.
3 zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele zur Positionierung und Führung der Lehre 3 bzw. der erfindungsgemäßen Anordnung relativ zu verschiedenen Bereichen der Körperoberfläche 2 am Körper 1.
So ist beispielsweise die Lehre 3.1 zur berührungslosen Abtastung einer außen liegenden planen Körperoberfläche 2.1 vorgesehen und zu diesem Zweck in der Richtung R1 verschiebbar.
Die Lehre 3.2, ausgebildet als Lehrdorn wie in 2 gezeigt, ist zur Abtastung einer innen liegenden gekrümmten Körperoberfläche 2.2 vorgesehen, beispielsweise einer in den Körper 1 eingebrachten Bohrung 16. Dazu wird die Lehre 3.2 auf einer Kreisbahn in Richtung R2 bewegt, wobei der Abstand zwischen der Referenzkante 4 und der Körperoberfläche 2.2 mittels Zwangsführung oder Abstandsregelung konstant gehalten wird.
Die Lehre 3.3 dient zur Abtastung der innen liegenden gekrümmten Körperoberfläche 2.3 eines in den Körper 1 eingebrachten Langloches 17. Die Fortbewegung der hier ebenfalls als Lehrdorn ausgebildeten Lehre 3.3 erfolgt in der Richtung R3, wobei ebenfalls der Abstand zwischen Referenzkante 4 und Körperoberfläche 3.3 konstant gehalten wird.
Die Fortbewegungsrichtungen R1, R2 und R3 entsprechen dabei stets der Richtung der an die jeweilige Körperoberfläche 2.1, 2.2, 2.3 gelegten Tangenten, während die Spaltbreite a in Richtung der Normalen gemessen wird.
In 3 erfolgt die Abtastung der Körperoberflächen 2.1, 2.2 und 2.3 in der Zeichenebene, d. h. die Krümmung, Verlauf, Kontur oder Rauhigkeit der Körperoberflächen 2.1, 2.2 und 2.3 werden in der zur Erläuterung gewählten Darstellung lediglich in der Zeichenebene bestimmt. Zur darüber hinaus gehenden Bestimmung auch außerhalb der Zeichenebene bzw. zur Bestimmung der Oberflächentopographien werden die Lehren 3.1, 3.2 bzw. 3.3 in die Zeichenebene hinein bzw. aus der Zeichenebene heraus verschoben. Durch aneinanderreihen mehrerer Konturlinien wird so eine dreidimensionale Topographie der zu vermessenden oder zu prüfenden Körperoberflächen 2.1, 2.2 und 2.3 erstellt.
So ist sinngemäß auch das berührungslosen Messen oder Prüfen von Körperoberflächen 2 an Kegelinnen- und Kegelaußenwänden möglich.
Generell sollte die Form der Lehre auf die zur vermessenden Konturen des Prüflings abgestimmt sein. Für Bohrlöcher sind runde Formen zu wählen, wobei es zweckmäßig ist, Lehren mit verschiedenen Durchmessern für verschiedene Lochdurchmesser zu verwenden, da der Meßfehler mit steigendem Lichtspalt wächst. Diesbezüglich ist in den Erfindungsgedanken eingeschlossen:

– ein Set an Lehren mit verschiedenen Durchmessern, oder
– eine Lehre mit einer Wechselblende, bei welcher durch das Auswechseln einer Blendenscheibe der Außendurchmesser an den Durchmesser des zu vermessenden Bohrlochs angepaßt wird, oder
– eine variable Lehre, bei der nach dem Prinzip einer inversen Irisblende der Außendurchmesser stufenlos variiert werden kann.

Je nach Ausgestaltung ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung die Messung oder Prüfung sowohl nach der Lichtspaltmethode als auch nach dem Prinzip der Triangulationsmessung.
Bei der Lichtspaltmethode hat die Referenzkante sinngemäß die Funktion der Meßkante eines an sich bekannten Haarlineals. Die Lehre wird so positioniert, daß die Referenzkante der zu vermessenden oder zu prüfenden Körperoberfläche gegenübersteht oder auch auf diese aufgesetzt wird, und der sich dabei ausbildende Spalt wird wie bereits beschrieben unter Beleuchtung im Gegenlicht als Lichtspalt auf den ortsauflösenden Detektor abgebildet und die Abbildung mittels Bildauswerteverfahren quantitativ oder qualitativ bewertet.
Mit anderen Worten: Bei wachsendem Lichtspalt wechselt der Sensor fließend seine Meßmethode. Aus dem Lichtspaltsensor wird ein Triangulationssensor. Der Triangulationssensor bestimmt aus der Lage der Lichtintensitätsverteilung der Körperoberfläche auf dem Kamerachip seinen Abstand zum Mittelpunkt bzw. der Referenzkante der Lehre.
Beim Triangulationsverfahren bilden der Spalt sowie die beiden Strahlen, die einerseits von der Referenzkante und andererseits von dem der Referenzkante gegenüberliegenden Bereich der Körperoberflächen kommen, ein Dreieck. Die Kenntnis des Abstandes zwischen der Referenzkante und dem Detektor an der Lehre sowie der Positionen der Abbildungen der im Gegenlicht beleuchteten Referenzkante und des der Referenzkante gegenüberliegenden Bereiches der Körperoberflächen werden anhand der an sich bekannten Triangulationsbeziehungen zur Bewertung der Spaltbreite genutzt.
Durch die Verwendung einer fokussierenden Beleuchtungseinheit kann die Bestimmung kleiner Spaltbreiten nach dem Prinzip der Lichtspaltmethode, die Bestimmung von größeren Spaltbreiten nach dem Prinzip des Triangulationsverfahrens erfolgen ohne daß sich die beiden Methoden in unerwünschter Weise gegenseitig beeinflussen. Das Beleuchtungslicht sollte fokussiert auf den betreffenden Bereich der Körperoberflächen gerichtet sein, um die gewünschte Meßgenauigkeit zu erzielen. Dabei wird die Tiefenmeßgenauigkeit durch die Größe der Fokuslinie bestimmt.
Der Meßbereich läßt sich als Funktion der Genauigkeit in Abhängigkeit der Spaltbreite a ausdrücken. Für Spaltbreiten a < 100 μm kann die Meßgenauigkeit durch den Schattenwurf des Lehrdorns beeinflußt sein. Bei Spaltbreiten a > 100 μm ist die Strahltaille der Beleuchtung definierend für die erzielbare Genauigkeit. Für die jeweilige Anwendung ist die Lage und Ausdehnung der Fokuslinie der Beleuchtungsoptik auf die erforderliche Meßgenauigkeit bzw. nötigen Meßbereich anzupassen. So erzielen kurze Brennweiten eine hohe Meßgenauigkeit mit geringerer Ausdehnung des Meßbereiches, längere Brennweiten einen größeren Meßbereich mit geringerer Genauigkeit.
Optional kann eine diffraktive Beleuchtungsoptik mit einer spektral durchstimmbaren Lichtquelle vorgesehen sein, womit sich der Meßbereich ohne eine Verringerung der zu erzielenden Meßgenauigkeit erweitern läßt. Begründet ist dies durch die lineare Abhängigkeit zwischen Wellenlänge und Brennweite bei diffraktiven Linsen. Somit kann die Lage der Fokuslinie durch die Wahl der Wellenlänge bestimmt werden. Die durchstimmbare Lichtquelle kann in Form von mehreren Lichtquellen mit verschiedener Wellenlänge, einem multispektralem Laser oder einer Weißlichtquelle im Zusammenwirken mit einem Spektralfilter realisiert werden.
Mehrere Lichtquellen verschiedener Wellenlängen oder eine spektral durchstimmbare Lichtquelle sind auch deshalb sinnvoll, weil verschiedene Materialien und Oberflächen unterschiedliche Reflexionseigenschaften bezüglich des Lichts einer Wellenlänge haben.
Auch können Fremdlichteinflüsse mittels eines Farbfilters vor der Abbildungsoptik geblockt werden.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht in der Eignung zum sekundenschnellen kontaktfreien Überprüfen der Sollgeometrien oder topographischen Vermessung von Geometrien.
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Einsatz in Koordinatenmeßmaschinen. Da die Spaltbreite a genau ermittelt werden kann, ist es möglich, schnell und berührungsfrei die Position, die Lage und die Oberflächenstruktur eines beliebigen Werkstückes im Koordinatensystem einer Koordinatenmeßmaschine zu bestimmen.
In diesem Anwendungsfall ist die erfindungsgemäße Anordnung bevorzugt mit einer Einrichtung zur Messung und Regelung des Abstandes zwischen der Lehre und dem Werkstück in axialer Richtung ausgestattet, um mögliche Kollisionen zu verhindern. Die bereits erwähnte Abstandsregelung in Richtung der Spaltbreite a kann auch hier dazu dienen, eine Kollisionsgefahr frühzeitig zu erkennen. Die Verwendung eines axialen Abstandsensor erweitert die Einsatzmöglichkeit der beschriebenen Anordnung dahingehend, daß Messungen im gesamten Halbraum +/–x, +/–y und +z des Koordinatensystems X, Y, Z durchgeführt werden können.
Ist bei einer oben bereits beschriebenen Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung

– die Referenzkante ringförmig an einem kreisrunden Lehrdorn ausgebildet und die Körperoberfläche die Innenfläche eines die Referenzkante zentrisch umschließenden Kreiszylinders, wobei
– zwischen der Referenzkante und der Körperoberfläche ein ringförmiger Spalt ausgebildet ist, und ist
– eine Einrichtung zur Abbildung des ringförmigen Spaltes auf einen ortsauflösenden Detektor vorhanden,

Liegt bei einer Beleuchtung der Bohrlochinnenwand der Intensitätsschwerpunkt der Lichtverteilung auf der Objektebene der Abbildungsoptik, entspricht der Intensitätsschwerpunkt in der Abbildung auf dem Detektor der Position der Bohrlochwand. 4 zeigt hierzu ein Beispiel.
Dieser Fall betrifft vor allem bei Spaltbreiten a > 1 mm und einem Bohrlochdurchmesser von 10 mm zu.
Für kleine Spaltbreiten a < 1 mm bei demselben Bohrlochdurchmesser liegt der Intensitätsschwerpunkt der Lichtverteilung im Bohrloch unterhalb der Objektebene der Abbildungsoptik. In diesem Fall liegt die Position der Bohrlochwand auf der abfallenden Flanke der Intensitätsverteilung in der Abbildung. Hierzu zeigt 5 ein Beispiel.

1: Körper
2, 2.1, 2.2, 2.3: Körperoberfläche
3, 3.1, 3.2, 3.3: Lehre
4: Referenzkante
5: Spalt
6: Abstandshalterung
7: Kamera
8: Abbildungsoptik
9: Detektor
10: Leuchtdiode
11: fokussierende Optik
12: Lichtaustrittsöffnung
13: Halteplatte
14: Aussparung
15: Lichtleiter
16: Bohrung
17: Langloch
a: Spaltbreite
X, Y, Z: Richtungen
R1, R2, R3: Bewegungsrichtungen

Claims

Optische Anordnung zur berührungslosen Ermittlung der Eigenschaft einer Körperoberfläche (2), wie Krümmung, Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit, umfassend: – Mittel zur Ausbildung eines Spaltes (5) zwischen der Körperoberfläche (2) und einer Referenzkante (4), wobei – die Referenzkante (4) die Richtung einer an die Körperoberfläche (2) gelegten Tangente definiert, und – die Abstände zwischen der Körperoberfläche (2) und der Referenzkante (4), in Richtung der Normalen der Tangente betrachtet, Spaltbreiten (a) definieren, – eine Einrichtung zur Abbildung des Spaltes (5) auf einen ortsauflösenden Detektor (9), – eine mit dem Detektor (9) verbundene Auswerteeinrichtung, ausgebildet – zur Ermittlung von in Richtung der Tangente nebeneinander liegenden Spaltbreiten (a) anhand der Ausgangssignale des Detektors (9), und – zur Ermittlung der Eigenschaft der Körperoberfläche (2), wie Krümmung, Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit, anhand der entlang der Tangente nebeneinander liegenden Spaltbreiten (a).
Optische Anordnung nach Anspruch 1, ausgebildet – zum Messen der Eigenschaft anhand der als physikalische Größen ermittelten Spaltbreiten (a), oder – zum Prüfen der Eigenschaft durch Vergleich der ermittelten Spaltbreiten (a) mit Soll-Spaltbreiten, jeweils – nach der Lichtspaltmethode oder dem Triangulationsverfahren.
Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Ausdehnung der Referenzkante (4) kleiner ist als die Ausdehnung der Körperoberfläche (2) in Richtung der Referenzkante (4), ausgestattet mit einer Einrichtung zur Längsverschiebung der Referenzkante (4) in Richtung der Tangente.
Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, ausgestattet mit einer Einrichtung zur Parallelverschiebung der Referenzkante (4) und damit zur Parallelverschiebung des Spaltes (5) senkrecht zur Tangente.
Optische Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, ausgestattet mit einer Zwangsführung bei der Verschiebung der Referenzkante (4), bevorzugt in Form einer mechanischen Gerad- oder Kurvenführung, wobei die Referenzkante (4) in einem vorgegebenen, der Spaltbreite (a) entsprechenden Abstand zur Körperoberfläche (2) verbleibt.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, mit einer Regeleinrichtung, ausgebildet zur Einhaltung des Abstandes zwischen der Referenzkante (4) und der Körperoberfläche (2) auf Basis einer kontinuierlichen oder periodischen Abstandsmessung.
Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher der Detektor (9) mindestens eine Zeile aus einer Vielzahl von Einzelsensoren aufweist und die Verwendung von Subpixelalgorithmen zur Bestimmung der Lage und der Ausdehnung der Intensitätsverteilung auf den Einzelsensoren vorgesehen ist.
Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche mit einer Lichtquelle, deren Strahlung, bevorzugt durch eine fokussierende Optik hindurch, auf den der Referenzkante (4) gegenüber liegenden Bereich der Körperoberfläche (2) gerichtet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 8, bei welcher als Lichtquelle eine Leuchtdiode (10) vorgesehen ist, die bevorzugt Licht einer bestimmten Wellenlänge mit homogener Intensität abstrahlt.
Optische Anordnung nach Anspruch 8, bei welcher als Lichtquelle eine breitbandige Lichtquelle (10) in Kombination mit einer diffraktiven Linse vorgesehen ist, die eine in Abhängigkeit von der Wellenlänge verschiedene Lage der Fokuslinie erzeugt.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei welcher – die Referenzkante (4) an einer Lehre (3) ausgebildet ist, – die Lichtquelle in die Lehre (3) integriert ist, – dem Detektor (9) eine Abbildungsoptik (8) mit definiertem Abbildungsmaßstab vorgeordnet ist, – der Detektor (9) und die Abbildungsoptik (8) Bauteile einer Kamera (7) sind, und – die Kamera (7) und die Lehre (3) in einem vorgegebenen Abstand zueinander als Baueinheit verbunden sind.
Optische Anordnung nach Anspruch 11, ausgestattet mit einer Einrichtung zur Messung und Regelung des Abstandes zwischen der Lehre und dem Körper, an dem die Körperoberfläche (2) ausgebildet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, bei welcher der Abbildungsoptik (8) ein Polarisationsfilter vorgeordnet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, ausgestattet mit einer Einrichtung zur Abstandsmessung, mit welcher Messungen in axialer Richtung im Halbraum +/–x, +/–y, +z des Koordinatensystems X, Y, Z vorgesehen sind.
Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die Referenzkante austauschbar oder in ihrer Größe verstellbar ist.
Optische Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die Bestimmung von Verlauf, Kontur, Lage oder Rauhigkeit der Körperoberfläche (2) aus der Interpretation des aufgrund von Lichtbeugung entstanden Kamerabildes vorgesehen ist.