DE102016211052A1

DE102016211052A1 - Messkopf und Messvorrichtung zur Vermessung eines Objekts mittels interferometrischen Messverfahren

Info

Publication number: DE102016211052A1
Application number: DE102016211052.7A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Brill; Ulrich Marx
Original assignee: Mabri Vision GmbH
Current assignee: Mabri Vision GmbH
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2036-06-22
Also published as: DE102016211052B9; DE102016211052B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Messkopf zur Vermessung eines Objektes (30) mittels eines interferometrischen Messverfahrens, wobei die Messvorrichtung optische Elemente (10, 12a, 12b, 13a, 13b, 16, 16a, 16b) aufweist, und die optischen Elemente (10, 12a, 12b, 13a, 13b, 16, 16a, 16b) so angeordnet sind, dass ein zusammenhängendes Segment des Objektes (30) mit mindestens drei unabhängigen Messstrahlen (21, 22, 23) mit jeweils gleicher optischen Weglänge optisch vermessen werden kann, wobei die gleiche optische Weglänge ab einem Referenzpunkt gegeben ist, ab dem die mindestens drei unabhängigen Messstrahlen (21, 22, 23) zeitlich oder örtlich trennbar sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Messvorrichtung, die einen solchen Messkopf umfasst und ein zugehöriges Verfahren zur Vermessung eines Objektes mittels eines interferometrischen Messverfahrens.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Messkopf zur Vermessung eines Objekts mittels eines interferometrischen Messverfahrens. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf eine Messvorrichtung, die einen solchen Messkopf umfasst und ein zugehöriges Verfahren zur Vermessung eines Objektes.
Hintergrund der Erfindung
Zur Qualitätssicherung, Prozessoptimierung und Prozessregelung werden in Produktionsprozessen Prüfungen von geometrischen Parametern durchgeführt. In Abhängigkeit vom Prüfobjekt und Einsatzfelds des Produkts, liegt der Fokus des Prüfprozessen auf entweder bestimmten Merkmalen oder auf einer vollständigen Erfassung. Bei Objekten, die aus allen Raumrichtungen, also um 360° Blickwinkel geprüft werden müssen, gibt es verschiedene mögliche Lösungswege die Messung durchzuführen. Eine bekannte Methode basiert auf dem Einsatz einer Kinematik. Entweder wird der Sensor oder das Prüfobjekt bewegt, um so über einen scannenden Prozess eine vollständige Messung zu erreichen. Eine weitere Prüfmethode basiert auf einer Durchleuchtung des Prüfobjekts wie zum Beispiel mittels Röntgenstrahlung.
Insbesondere bei Extrusionsprozessen kommen unterschiedliche Prüfverfahren zum Einsatz, die während der Produktion kontinuierlich und inline messen. Über diese lückenlose Prüfung kann eine Prozessregelung ermöglicht werden. Aber auch im Bereich der Kabelproduktion und anderen Endlosprozessen kommen inline-Prüfverfahren zum Einsatz.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Messkopf zur Vermessung von Objekten mittels eines interferometrischen Messverfahrens zur Verfügung zu stellen. Die Erfindung wird durch die unabhängigen Ansprüche definiert. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß eines ersten Aspektes der Erfindung wird ein Messkopf zur Vermessung eines Objektes mittels eines interferometrischen Messverfahrens zur Verfügung gestellt. Die Messvorrichtung weist optische Elemente auf. Die optischen Elemente sind so angeordnet, dass ein zusammenhängendes Segment des Objektes mit mindestens drei unabhängigen Messstrahlen mit jeweils gleicher optischer Weglänge optisch vermessen werden kann, wobei die gleiche optische Weglänge ab einem Referenzpunkt gegeben ist, ab dem die mindestens drei unabhängigen Messstrahlen zeitlich oder örtlich trennbar sind. Der Messkopf ermöglicht die Prüfung von Objekten oder Profilen und Querschnitten von Objekten bis zu 360°, also aus allen Richtungen. Das Objekt muss so gestaltet sein, dass der Messkopf um das Objekt reichen kann. Ein Beispiel für ein zu vermessen das Objekt wäre ein extrudierter Schlauch. Denkbar sind aber auch Objekte mit einer kurzen lateralen Ausdehnung. Das Objekt fährt durch einen durch die mindestens drei unabhängigen Messstrahlen gebildeten „Lichtfächer“. Der Lichtfächer muss dabei nicht auf eine Ebene beschränkt sein. Durch die Anordnung der mindestens drei unabhängigen Messstrahlen wird es ermöglicht, dass der Messkopf unbewegt zur Umgebung ist und dennoch eine 360° Vermessung, also die Vermessung eines zusammenhängenden Segments des Objektes ermöglicht wird. Zur Vermessung des Objektes ist es ausreichend, dass sich das Objekt entlang einer im Wesentlichen linearen Achse bewegt. Eine Rotation des Objekts ist nicht erforderlich. Aufwändige mechanische Antriebsmittel zum Scannen des zusammenhängenden Segmentes des Objektes z.B. um eine Rotationsachse sind somit nicht erforderlich. Die einheitliche optische Weglänge ist dabei bis zu dem definierten Referenzpunkt herzustellen. Der Referenzpunkt kann zum Beispiel ein optisches Element umfassen, mittels dem die unabhängigen Messstrahlen räumlich oder zeitlich zusammengeführt werden. Ein solches optisches Element könnte zum Beispiel eine dynamische Umlenkvorrichtung wie z.B. ein oszillierender oder rotierender Spiegel sein (Scanspiegel). Der Referenzpunkt wäre z.B. im Falle des Scanspiegels der bzw. nahe des Pivot-Punkt des Scanspiegels. Kleinere Abweichungen der optischen Weglängen können toleriert werden, wenn diese innerhalb des Messbereichs liegen. Durch eine Kalibrierroutine können diese Abweichungen ausgeglichen werden. Unter Verwendung einer abbildenden Optik ist dabei die einheitliche oder gleiche optische Weglänge bzw. Referenzlänge durch den Fokus der abbildenden Optik im Wesentlichen vorgeben. Der optische Weg muss entsprechend im Bereich des Fokus der abbildenden Optik sein. Des Weiteren können Abweichungen durch eine passende relative Positionierung und damit Verschiebbarkeit der optischen Elemente (z.B. Spiegel, Linsen oder abbildende Spiegel) erreicht werden. Das zusammenhängende Segment muss nicht in einem einzelnen Messschritt mittels des Messkopfs vermessen werden können. Das zusammenhängende Segment kann mittels des Messkopfes auch in aufeinanderfolgenden Schritten vermessen werden.
Der Messkopf ist so angeordnet, dass es bei der Verwendung in einem interferometrischen Messverfahren nicht erforderlich ist, den optischen Pfad der verschiedenen Messstrahlen außerhalb des Messkopfes zu verlängern, um das zusammenhängende Segment des Objektes ohne Verzerrung rekonstruieren zu können. Das interferometrischen Messverfahren ist vorzugsweise der optischen Kohärenztomographie zuzuordnen. Die optische Kohärenztomographie ist ein Messverfahren, bei dem Licht geringer Kohärenzlänge zur Entfernungsmessung in streuenden Materialien eingesetzt wird. Die optische Kohärenztomographie ist in der Lage mehrere Millimeter in das zu untersuchende Objekt einzudringen und eine hohe axiale Auflösung im Bereich von Bruchteilen eines Mikrometers zu ermöglichen. Des Weiteren ermöglicht dieses Verfahren eine hohe Messgeschwindigkeit, so dass Echtzeitprüfungen von Objekten in Produktionsprozessen, insbesondere Endlosproduktionsprozesse wie zum Beispiel Extrusionsverfahren, ermöglicht werden.
Die optischen Elemente sind vorzugsweise so angeordnet, dass das Objekt über eine äußere Oberfläche des Objektes vermessen werden kann. Die optischen Elemente sind in diesem Fall außerhalb des Objektes so angeordnet, dass ein zusammenhängendes Segment der äußeren Oberfläche des Objektes vermessen werden kann. In Abhängigkeit von der Struktur des Objektes, wie zum Beispiel im Fall von Schläuchen oder Hohlprofilen ist es durch die Eindringtiefe der Messstrahlen auch möglich, die komplette innere Struktur des Objektes zu erfassen.
Die optischen Elemente umfassen vorzugsweise optische Umlenkvorrichtungen. Die optischen Umlenkvorrichtungen sind hinter dem Referenzpunkt während der Vermessung relativ zueinander statisch angeordnet, um das zusammenhängende Segment des Objektes optisch zu vermessen. Die optischen Umlenkvorrichtungen können Spiegel, abbildende Spiegel Prismen oder sonstige optische Vorrichtung umfassen, die zum Beispiel mittels Reflexion oder totaler interner Reflexion die Messstrahlen auf Teilsektoren des Objektes zu lenken, um das zusammenhängende Segment des Objektes zu vermessen. Die Teilsektoren können dabei überlappend angeordnet sein oder direkt aneinander Grenzen. Die Teilsektoren können alle die gleiche Größe aufweisen oder unterschiedliche Größen aufweisen. Die Distanzen zwischen den Umlenkvorrichtungen und die Winkelbeziehungen der Umlenkvorrichtungen sind dabei derart angepasst, dass alle drei, vier, fünf oder mehr Messstrahlen die gleiche optische Weglänge aufweisen. Die relative Anordnung der Umlenkvorrichtungen kann dabei optional vor der Vermessung angepasst werden, um die einheitliche optische Weglänge zwischen Referenzpunkt und dem jeweiligen zu vermessenden Teil des Objektes herzustellen. Die relative Verschiebbarkeit der Umlenkvorrichtungen ermöglicht zudem die Vermessung von komplexen Oberflächen (z.B. keine Rotationssymmetrie), da die Weglänge mittels Verschiebung der Umlenkvorrichtungen individuell auf den Fokus des jeweiligen Messstrahls angepasst werden kann. Die Messstrahlen können dabei durch eine Abbildungsoptik oder alternativ mittels abbildender Umlenkvorrichtungen (z.B. abbildende Spiegel) auf das Objekt fokussiert werden.
Der Messkopf umfasst vorzugsweise eine Strahlverzögerungseinrichtung. Die Strahlverzögerungseinrichtung ist eingerichtet die optische Weglänge mindestens eines Messstrahls zu verlängern, sodass die drei unabhängigen Messstrahlen die gleiche optische Weglänge aufweisen. Die Strahlverzögerungseinrichtung kann zum Beispiel eine Kombination von Spiegeln oder anderen Umlenkvorrichtungen umfassen, um die optische Weglänge zumindest eines Messstrahls zu verlängern. Die Strahlverzögerungseinrichtung kann dabei derart angeordnet sein, dass 2, 3, 4 oder mehr Messstrahlen in einer Messebene auf das Objekt treffen. Alternativ kann die Strahlverzögerungseinrichtung auch so eingerichtet sein, dass es mehrere zum Beispiel parallele Messebenen gibt, die zueinander versetzt angeordnet sind. Die optischen Umlenkvorrichtungen und/oder die Strahlverzögerungseinrichtung sind dabei vorzugsweise so angeordnet sind, dass die mindestens drei unabhängigen Messstrahlen in einer gemeinsamen Messebene angeordnet sind. Dies könnte die Auswertung der Messdaten erleichtern. Die Strahlverzögerungseinrichtung könnte eine größere Flexibilität bei der Einstellung der einheitlichen optischen Weglänge zum Objekt ermöglichen.
Die optischen Elemente sind vorzugsweise so angeordnet, dass das zusammenhängende Segment des Objekts mit vier unabhängigen Messstrahlen vermessen werden kann. Die Strahlverzögerungseinrichtung und mindestens zwei Umlenkvorrichtungen sind dabei derart eingerichtet, dass die optische Weglänge zweier Messstrahlen so verlängert wird, dass die vier unabhängigen Messstrahlen in der Messebene angeordnet sind. Die vier unabhängigen Messstrahlen sind in diesem Fall so angeordnet, dass das zusammenhängende Segment des Objektes in im wesentlichen einer Ebene von allen Seiten mittels der Messstrahlen untersucht werden kann. Das zusammenhängende Segment kann zum Beispiel im Falle eines rotationssymmetrischen Objektes ein Zylinder- oder Ringsegment sein. Das zusammenhängende Segment kann aber bei zum Beispiel Dichtungsprofilen eine kompliziertere Querschnittsstruktur aufweisen.
Ein erstes optisches Element ist vorzugsweise so angeordnet, einen ersten Messstrahl auf einen ersten Teilsektor des zusammenhängenden Segments zu lenken. Ein zweites optisches Element ist vorzugsweise so angeordnet, einen zweiten Messstrahl auf einen zweiten Teilsektor des zusammenhängenden Segments zu lenken. Das zweite optische Element ist spiegelsymmetrisch zum ersten optischen Element bezüglich einer ersten Ebene angeordnet. Die erste Ebene ist orthogonal zu einer durch den ersten und zweiten Messstrahl definierten ersten Messebene. Die Strahlverzögerungseinrichtung ist vorzugsweise so angeordnet, mindestens einen dritten Messstrahl auf einen dritten Teilsektor des zusammenhängenden Segments zu lenken. Der mindestens dritte Messstrahl ist in einer zweiten Messebene parallel zur ersten Messebene angeordnet. Der erste, zweite und dritte Teilsektor grenzen dabei so aneinander an oder überlappen sich teilweise, dass das zusammenhängende Segment des Objekts mittels eines Durchfahrens des Objektes durch die Messebenen vermessen werden kann. Es ist zu beachten, dass ein Messprozess auch darauf basieren kann, dass aus den einzelnen Sektoren nur Einzelmessungen herausgenommen werden. Also man kann auf die 360° z.B. 3, 4, 8, 16, 32 usw. Messpunkte ansetzen.
Der Messkopf umfasst vorzugsweise eine Abbildungsoptik wie zum Beispiel eine telezentrische Optik, eine Zylinderoptik oder dynamische / adaptive Optiken. Die Abbildungsoptik ist eingerichtet, die mindestens drei unabhängigen Messstrahlen auf das Objekt zu fokussieren. Eine Abbildungsoptik ermöglicht es, auf abbildende Eigenschaften der Umlenkvorrichtungen zumindest teilweise zu verzichten. Die Messstrahlen gehen dabei vom Referenzpunkt aus und werden durch die Abbildungsoptik mittels der anderen optischen Elemente bzw. Umlenkvorrichtungen auf den jeweiligen Teil des zu vermessenden Objekts fokussiert.
Gemäß eines zweiten Aspektes der vorliegenden Erfindung wird eine Messvorrichtung zur Verfügung gestellt, die einen der zuvor geschilderten Messköpfe umfasst. Die Messvorrichtung umfasst darüber hinaus mindestens eine Beleuchtungsquelle zur Emission von Messlicht. Die Messvorrichtung umfasst zudem mindestens ein Interferometer zur Vermessung des Objektes mittels des Messlichts. Die Messvorrichtung umfasst zudem eine Auswerteeinheit zur Auswertung mittels des mindestens einen Interferometers aufgenommener Messdaten. Die Messvorrichtung umfasst schließlich eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist eingerichtet, die Beleuchtungsquelle zu steuern, so das Messlicht zu einem definierten Zeitpunkt imitiert wird. Die Messvorrichtung kann ein, zwei, drei oder mehr Beleuchtungsquellen aufweisen. Die Beleuchtungsquelle kann zum Beispiel eine Superlumineszenzdiode sein. Eine Superlumineszenzdiode entspricht vom Aufbau her einer Laserdiode ohne optischen Resonator und weist die geringe Kohärenz von Leuchtdioden bei gleichzeitig hoher Helligkeit auf. Weitere alternative Beleuchtungsquellen können Laser mit durchstimmbarer Wellenlänge, Halogenlampen oder LEDs sein. Bei der Verwendung eines durchstimmbaren Lasers kann dieser mit einem Detektor wie z.B. einer Photodiode synchronisiert sein, um das Spektrum aufzunehmen. Einer Beleuchtungsquelle kann ein, zwei, drei oder mehr Interferometer zugeordnet sein. Die Messvorrichtung kann zum Beispiel drei Beleuchtungsquellen in Kombination mit drei Interferometern aufweisen. Alternativ kann der Strahl einer Beleuchtungsquelle zum Beispiel mit entsprechendem Strahlteiler auf mehrere Interferometer gelenkt werden. Die Auswertung der Messergebnisse erfolgt in Abhängigkeit von der Steuerung der Beleuchtungsquellen durch die Steuereinheit und die Geschwindigkeit mit der sich das Objekt durch die eine oder mehrere Messebenen bewegt. Die Beleuchtungsquelle kann zum Beispiel kontinuierlich oder im Pulsbetrieb betrieben werden. Des Weiteren ist es möglich das Licht mit einem Polarisationsstrahlteiler auf die beiden Polarisationsrichtungen aufzuteilen und auf zwei verschiedene Spektrometer/Kameras zu leiten (PS-OCT, polarisationssensitive OCT). Das Interferometer kann z.B. im Falle der optischen Kohärenztomographie nicht direkt als detektierende Einheit fungieren. Vielmehr wird das mittels des Interferometers interferierte Signal z.B. durch ein Spektrometer detektiert. Optional kann es vorgesehen sein, dass der Messkopf und das Interferometer verfahren werden können, um eine Verschiebung der Länge und somit eine Verschiebung der Fokusebene, bzw. abbildenden Ebene zu erreichen.
Die Messvorrichtung weist vorzugsweise eine dynamische optische Umlenkvorrichtung auf. Die Steuereinheit ist in diesem Fall eingerichtet, die dynamische optische Umlenkvorrichtung so zu steuern, dass die dynamische optische Umlenkvorrichtung das Messlicht auf die statischen optischen Umlenkvorrichtung sequenziell ablenkt, so dass die mindestens drei unabhängigen Messstrahlen erzeugt werden.
Eine dynamische optische Umlenkvorrichtung wie zum Beispiel ein drehbarer oder oszillierender Spiegel oder Mikrospiegel ermöglicht es auf einfache Weise sequenziell mindestens drei unabhängige Messstrahlen zu realisieren. Des Weiteren kann ein einziges Interferometer in Kombination mit der dynamischen optischen Umlenkvorrichtungen dazu verwendet werden, um mehrere Teilsegmente oder Teilsektoren eines zusammenhängenden Segments des Objektes sequenziell zu vermessen. Die dynamische optische Umlenkvorrichtung kann alternativ auch Teil des Messkopfes sein. In diesem Fall ist vorzugsweise eine Schnittstelle vorhanden, um die dynamische optische Umlenkvorrichtung mit der Steuereinheit zu koppeln. Die Auswertung mittels der Auswerteeinheit erfolgt in diesem Fall unter Berücksichtigung der von der Steuereinheit gelieferten Steuersignale für die dynamische optische Umlenkvorrichtung. Die einheitliche oder gleiche optische Weglänge kann zum Beispiel die optischen Pfade zwischen der dynamischen optischen Umlenkvorrichtung und der Oberfläche des Objektes umfassen.
Die Messvorrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, an einen Extruder gekoppelt zu werden, wobei der Extruder eingerichtet ist ein linear ausgedehntes Objekt zu produzieren. Insbesondere bei Prozessen, in denen kontinuierlich ein zusammenhängendes Produkt produziert wird, ist es aufwendig eine unterbrechungsfreie Überwachung der Produktqualität zu gewährleisten. Die Messvorrichtung ermöglicht es, dass eine zusammenhängende Oberfläche des zu überwachenden Produktes mit den unabhängigen Messstrahlen beleuchtet wird. Eine scannende Bewegung des Messkopfes um die Produktionsachse des Extruders ist nicht erforderlich. Die Messvorrichtung ist somit sehr robust.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Vermessung eines Objektes mittels eines interferometrischen Messverfahrens zur Verfügung zu stellen. Das Verfahren umfasst die Schritte:

– Emittieren von Messlicht;
– Erzeugen von mindestens drei Messstrahlen mit jeweils gleicher oder einheitlicher optischer Weglänge mittels des emittierten Messlichts, wobei die einheitliche oder gleiche optische Weglänge ab einem Referenzpunkt gegeben is, ab dem die mindestens drei unabhängigen Messstrahlen zeitlich oder örtlich trennbar sind;
– Beleuchten mindestens eines zusammenhängenden Segmentes des Objektes mittels der mindestens drei Messstrahlen;
– Detektieren von Messdaten mittels mindestens eines Interferometers basierend auf vom Objekt reflektierten Licht der mindestens drei Messstrahlen;
– Rekonstruktion einer inneren Struktur des zusammenhängenden Segments des Objektes mittels der Messdaten.

Kurze Beschreibung der Abbildungen
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer schematischen Darstellung eines ersten Messkopfes mit Abbildungsoptik
2 zeigt eine schematische Darstellung des ersten Messkopfes entlang eines senkrechten Querschnittes zur Produktionsachse des Objektes
3 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Messvorrichtung
4 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Messkopfes entlang eines senkrechten Querschnittes zur Produktionsachse des Objektes
5 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Messkopfes entlang eines senkrechten Querschnittes zur Produktionsachse des Objektes
6 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Messkopfes entlang eines senkrechten Querschnittes zur Produktionsachse des Objektes
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines fünften Messkopfes entlang eines senkrechten Querschnittes zur Produktionsachse des Objektes
8 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Auswerteverfahrens
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer schematischen Darstellung eines ersten Messkopfes mit Abbildungsoptik 10. Drei Messstrahlen 21, 22, 23 werden mittels der Abbildungsoptik 10 (telezentrische Optik, Zylinderoptik etc.) auf eine sich bewegende Oberfläche eines Objekts 30 projiziert. Das Objekt 30 ist in diesem Fall ein dickwandiger Schlauch, der mittels eines Extrusionssverfahrens hergestellt wird. 7. Ein erstes optisches Element 12a ist ein Spiegel, der so angeordnet ist, dass ein erster Messstrahl 21 auf einen ersten Teil der Oberfläche des Schlauchs gelenkt wird. Ein zweites optisches Element 12b ist ein zweiter Spiegel, der so angeordnet ist, dass ein zweiter Messstrahl 22 auf einen zweiten Teil der Oberfläche des Schlauchs gelenkt wird. Der zweite Spiegel ist Spiegel symmetrisch zum ersten Spiegel bezüglich einer ersten Ebene angeordnet. Diese erste Ebene ist orthogonal zu einer durch den ersten und zweiten Messstrahlen 21, 22 definierten ersten Messebene. Diese erste Ebene beinhaltet die Rotationsachse des Schlauchs. Der Messkopf weist eine Stahlverzögerungseinrichtung 16 auf, die die optische Weglänge eines dritten Messstrahls 23 so verlängert, dass die optischen Weglängen der drei Messstrahlen 21, 22, 23 zur Vermessung des Schlauchs mittels eines interferometrischen Verfahrens im wesentlichen gleich sind. In der Darstellung der 1 sind die optischen Weglängen der Messstrahlen ab einem Referenzpunkt gleich. Der Referenzpunkt ist zum Beispiel durch die Abbildungsoptik 10 oder durch eine dynamische optische Umlenkvorrichtung 100 (drehbarer Spiegel) gegeben, die z.B. in 3 gezeigt ist. Die zu Strahlverzögerungseinrichtung 16 umfasst dabei in der gezeigten Ausführungsform einen fünften Spiegel 16a und einen sechsten Spiegel 16b, die so angeordnet sind, dass der dritte Messstrahl 23 auf einen dritten Teil der Oberfläche des Schlauchs gelenkt wird. Der dritte Messstrahl 23 ist dabei in einer zweiten Messebene parallel zur ersten Messebene angeordnet. Alle Messstrahlen 21, 22, 23 beleuchten ein Drittel der Oberfläche des Objektes 30, so dass ein zusammenhängendes Ringsegment vermessen werden kann.
2 zeigt eine schematische Darstellung des ersten Messkopfes entlang eines senkrechten Querschnittes zur Produktionsachse des Objektes. In dieser Ansicht sind der fünfte Spiegel 16a und der sechste Spiegel 16b nicht voneinander zu unterscheiden, sodass nur die Strahlverzögerungseinrichtung 16 gekennzeichnet ist. Die Strahlverzögerungseinrichtung 16 könnte in diesem Fall auch ein Prisma aufweisen, dass die optische Weglänge mittels totaler interner Reflexion verlängert.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Messvorrichtung. Die Messvorrichtung umfasst einen Messkopf, wie er zum Beispiel im Zusammenhang mit 1 und 2 beschrieben wird. Die Messvorrichtung umfasst eine dynamische optische Umkehrvorrichtung 100 mit einem drehbaren Spiegel 110. Die Messvorrichtung umfasst des Weiteren eine Beleuchtungsquelle 120, die zusammen mit dem drehbaren Spiegel 110 (Galvanometerantrieb oder kontinuierlich drehend / Polygonspiegel etc.) von einer Steuereinheit 150 so gesteuert wird, dass ein gepulster oder kontinuierlicher Messstrahl emittiert und mittels des drehbaren Spiegels 110 so abgelenkt wird, dass die drei unabhängigen Messstrahlen 21, 22, 23 erzeugt werden. Die Messvorrichtung umfasst zudem einen Interferometer 130 und eine Auswerteeinheit 140. Das Interferometer weist einen Strahlteiler 132 auf, der das von der Beleuchtungsquelle 120 emittierte Licht in einen mittels des drehbaren Spiegel 110 umzulenkenden Messstrahl und einen Referenzstrahl aufteilt, wobei der Referenzstrahl mittels eines Interferometerspiegels 134 reflektiert wird. Das mittels eines nicht gezeigten optischen Detektors aufgenommen Interferometersignal wird an die Auswerteeinheit 140 weitergeleitet und mittels der von der Steuereinheit 150 zur Verfügung gestellten Steuersignale ausgewertet, um das zusammenhängende Segment des Objektes 30 zu analysieren und graphisch darzustellen. Die Oberfläche des Objektes 30 kann somit kontinuierlich untersucht werden. Das Interferometer 130 hat die Funktion, dass das Licht im Referenzstrahl reflektiert wird. Die Verwendung des Begriffs Interferometers umfasst z.B. das Time Domain Verfahren, das Fourier-Domain Verfahren, Swept-Source/Spectral Domain Verfahren, PS-OC sowie alle im Messverfahren und der Messvorrichtung gemäß des Fachwissens des Fachmanns sinnvoll verwendbaren Interferometertypen (Michelson-Interferometer usw.).
4 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Messkopfes entlang einer Produktionsachse des Objektes 30. Der grundsätzliche Aufbau ist sehr ähnlich zum ersten Messkopf. Der wesentliche Unterschied besteht darin dass nun vier Messstrahlen 21, 22, 23, 24 verwendet werden um das zusammenhängende Segment des Objektes 30 zu vermessen. Eine Strahlverzögerungseinrichtung 16 ist dazu eingerichtet einen dritten Messstrahl 23 und einen vierten Messstrahl auf einen dritten Spiegel 13a bzw. einen vierten Spiegel 13b zu lenken, sodass der dritte Messstrahl 23 und der vierten Messstrahl 24 das Objekt 30 wieder in einer zweiten Messebene beleuchten. Der zweite Messkopf kann wiederum in einer Messvorrichtung eingebaut werden wie in 3 gezeigt. Der erste Spiegel 12a ist spiegelsymmetrisch zum zweiten Spiegel 12b bezüglich einer ersten Ebene angeordnet. Die erste Ebene ist orthogonal zu einer durch den ersten und zweiten Messstrahl 21, 22 definierten ersten Messebene und beinhaltet eine Längsachse des Objektes 30. Der dritte Spiegel 13a und der vierte Spiegel 13b sind ebenfalls spiegelsymmetrisch zu dieser ersten Ebene angeordnet. Die Messstrahlen sind im wesentlich kreuzförmig auf eine Längsachse des Objektes ausgerichtet, wenn man die Ebene der Figur betrachtet.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Messkopfes entlang eines senkrechten Querschnittes zur Produktionsachse des Objektes 30. In dieser Ausführungsform sind ein erster Spiegel 12a, ein zweiter Spiegel 12b, ein dritter Spiegel 13a und ein vierter Spiegel 13b so angeordnet, dass vier Messstrahlen 21, 22, 23, 24 ohne zusätzliche Stahlverzögerungseinrichtung 16 in einer einzigen Messebene die Oberfläche des Objektes 30 beleuchten können, um das Objekt 30 interferometrisch zu vermessen. Die Positionen und die Winkel der Spiegel 12a, 12b, 13a, 13b sind dabei so gewählt, dass alle Messstrahlen 21, 22, 23, 24 die gleiche optische Weglänge vorzugsweise zu einem Referenzpunkt aufweisen. Der erste Spiegel 12a ist spiegelsymmetrisch zum zweiten Spiegel 12b bezüglich einer ersten Ebene angeordnet. Die erste Ebene ist orthogonal zu einer durch die vier Messstrahlen 21, 22, 23, 24 definierten Messebene und beinhaltet eine Längsachse des Objektes 30. Der dritte Spiegel 13a und der vierte Spiegel 13b sind ebenfalls spiegelsymmetrisch zu dieser ersten Ebene angeordnet. Die Messstrahlen 21, 22, 23, 24 sind in der Messebene kreuzförmig z.B. orthogonal zueinander angeordnet.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Messkopfes entlang eines senkrechten Querschnittes zur Produktionsachse des Objektes 30. Der vierte Messkopf ist dazu eingerichtet wie auch der dritte Messkopf vier Messstrahlen 21, 22, 23, 24 im Wesentlichen in einer Meßebene auf eine Oberfläche des Objektes 30 zu projizieren. Anders als beim dritten Messkopf wird hierzu wieder eine Strahlverzögerungseinrichtung 16 verwendet die einen dritten Messstrahl 23 und einen vierten Messstrahl 24 verzögert, um die gleiche optische Weglänge der vier Messstrahlen herzustellen. Die Strahlverzögerungseinrichtung 16 besteht dabei aus zwei Prismen mit dreieckigem Querschnitt, die mit einer Seite so aneinander gefügt sind, dass der dritte Messstrahl 23 auf den dritten Spiegel 13a gelenkt wird, und der vierte Messstrahl 24 in die entgegengesetzte Richtung auf den vierten Spiegel 13b gelenkt wird. Der erste Spiegel 12a ist spiegelsymmetrisch zum zweiten Spiegel 12b bezüglich einer ersten Ebene angeordnet. Die erste Ebene ist orthogonal zu einer durch die vier Messstrahlen 21, 22, 23, 24 definierten Messebene und beinhaltet eine Längsachse des Objektes 30. Der dritte Spiegel 13a und der vierte Spiegel 13b sind ebenfalls spiegelsymmetrisch zu dieser ersten Ebene angeordnet. Die Messstrahlen 21, 22, 23, 24 sind in der Messebene kreuzförmig angeordnet.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines fünften Messkopfes entlang eines senkrechten Querschnittes zur Produktionsachse des Objektes 30. Die grundsätzliche Anordnung entspricht derjenigen die im Zusammenhang mit 5 diskutiert wurde. Der Unterschied ist, dass die vier Messstrahlen nur eine Hälfte des Objektes 30 beleuchten. Im Falle eines zylinderförmigen Objektes 30 wird somit die obere Hälfte des Umfangs beleuchtet. Die Positionen und die Winkel der vier Spiegel 12a, 12b, 13a, 13b sind entsprechend angepasst, dass gleich große Winkelsegmente der Oberfläche beleuchtet werden. Ein vollständiger Messkopf umfasst eine zweite Anordnung von Spiegeln wie in 7 gezeigt. Die Spiegel und auch eine zweite Zylinderoptik sind spiegelsymmetrisch unterhalb des Objektes 30 angeordnet ist. Die Spiegelfläche umfasst die Achse des Objekts 30, so dass die gespiegelte Anordnung die untere Hälfte des Objektes 30 vollständig erfassen kann.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Auswerteverfahrens, dass die Auswertung mittels der Auswerteeinheit 140 der in 3 gezeigten Messvorrichtung beschreibt. Über die Steuerung der Beleuchtungsquelle 120 und der dynamischen optischen Umlenkvorrichtungen 100 wird die Oberfläche des Objektes 30 gescannt. Die Daten werden in Schritt 210 erfasst. Dabei wird in Schritt 220 erfasst welches Teilsegment oder Teilsektor der Oberfläche des Objektes 30 mit den jeweiligen Messstrahl 21, 22, 23 erfasst wurde. Die entsprechenden Daten werden in den einzelnen Messstrahlen 21, 22, 23 zugeordneten Pufferspeichern 231, 232, 233 abgespeichert, um den Effekt der ortsversetzten Messung in zwei verschiedenen Messebenen zu kompensieren. In Schritt 240 erfolgt die Datenfusion und die ausgewerteten Ergebnisse der drei Teilsegmente 241, 242, 243 werden zusammengefügt und schließlich in Schritt 250 in Polarkoordinaten dargestellt. Die Datenfusion vereinfacht sich, wenn alle Messstrahlen in einer einzelnen Messebene angeordnet sind, wie dies zum Beispiel in den Ausführungsformeln in den 5, 6 und 7 gezeigt ist.
Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, es zu ermöglichen mittels mindestens drei unabhängige Messstrahlen, eine zusammenhängende Oberfläche eines Objektes 30 mittels interferometrischer Messmethoden zu vermessen.
Weitere Varianten der Erfindung und ihre Ausführung ergeben sich für den Fachmann aus der vorangegangenen Offenbarung, den Figuren und den Patentansprüchen.
In den Patentansprüchen verwendete Begriffe wie "umfassen", "aufweisen", "beinhalten", "enthalten" und dergleichen schließen weitere Elemente oder Schritte nicht aus. Die Verwendung des unbestimmten Artikels schließt eine Mehrzahl nicht aus. Eine einzelne Einrichtung kann die Funktionen mehrerer in den Patentansprüchen genannten Einheiten bzw. Einrichtungen ausführen. In den Patentansprüchen angegebene Bezugszeichen sind nicht als Beschränkungen der eingesetzten Mittel und Schritte anzusehen.
Bezugszeichenliste

10: Abbildungsoptik
12a: erster Spiegel
12b: zweiter Spiegel
13a: dritter Spiegel
13b: vierter Spiegel
16: Strahlverzögerungseinrichtung
16a: fünfter Spiegel
16b: sechster Spiegel
21: erster Messstrahl
22: zweiter Messstrahl
23: dritter Messstrahl
24: vierter Messstrahl
100: dynamische optische Umlenkvorrichtung
110: drehbarer Spiegel
120: Beleuchtungsquelle
130: Interferometer
132: Strahlteiler
134: Interferometerspiegel
140: Auswerteeinheit
150: Steuereinheit
210: Datenerfassung
220: Registrierung der Segmente
231: Pufferspeicher 1
232: Pufferspeicher 2
233: Pufferspeicher 3
240: Datenfusion
241: Teilsegment 1
242: Teilsegment 2
243: Teilsegment 3
250: Darstellung in Polarkoordinaten

Claims

Ein Messkopf zur Vermessung eines Objektes (30) mittels eines interferometrischen Messverfahrens, wobei die Messvorrichtung optische Elemente (10, 12a, 12b, 13a, 13b, 16, 16a, 16b) aufweist, und die optischen Elemente (10, 12a, 12b, 13a, 13b, 16, 16a, 16b) so angeordnet sind, dass ein zusammenhängendes Segment des Objektes (30) mit mindestens drei unabhängigen Messstrahlen (21, 22, 23) mit jeweils gleicher optischen Weglänge optisch vermessen werden kann, wobei die gleiche optische Weglänge ab einem Referenzpunkt gegeben ist, ab dem die mindestens drei unabhängigen Messstrahlen (21, 22, 23) zeitlich oder örtlich trennbar sind.
Der Messkopf gemäß Anspruch 1, wobei die optischen Elemente (10, 12a, 12b, 13a, 13b, 16, 16a, 16b) so angeordnet sind, dass das Objekt (30) über eine äußere Oberfläche des Objektes (30) vermessen werden kann.
Der Messkopf gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die optischen Elemente (10, 12a, 12b, 13a, 13b, 16, 16a, 16b) optische Umlenkvorrichtungen (12a, 12b, 13a, 13b, 16, 16a, 16b) aufweist, wobei die optischen Umlenkvorrichtungen hinter dem Referenzpunkt während der Vermessung relativ zueinander statisch angeordnet sind, um das zusammenhängende Segment des Objektes (30) optisch zu vermessen.
Der Messkopf gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung eine Strahlverzögerungseinrichtung (16) umfasst, wobei die Strahlverzögerungseinrichtung (16) eingerichtet ist, die optische Weglänge mindestens eines Messstrahls (23, 24) zu verlängern.
Der Messkopf gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die optischen Umlenkvorrichtungen so angeordnet sind, dass die mindestens drei unabhängigen Messstrahlen (21, 22, 23) in einer gemeinsamen Messebene angeordnet sind.
Der Messkopf gemäß Anspruch 5, wobei die optischen Elemente (10, 12a, 12b, 13a, 13b, 16) so angeordnet sind, dass das zusammenhängende Segment des Objekts (30) mit vier unabhängigen Messstrahlen (21, 22, 23, 24) vermessen werden kann, wobei die Strahlverzögerungseinrichtung (16) und mindestens zwei Umlenkvorrichtungen (13a, 13b) derart eingerichtet sind, dass die optische Weglänge zweier Messstrahlen (23, 24) so verlängert wird, dass die vier unabhängigen Messstrahlen (21, 22, 23, 24) in der Messebene angeordnet sind.
Der Messkopf gemäß Anspruch 4, wobei ein erstes optisches Element (12a) so angeordnet ist, einen ersten Messstrahl (21) auf einen ersten Teilsektor des Segments zu lenken, und ein zweites optisches Element (12b) so angeordnet ist, einen zweiten Messstrahl (22) auf einen zweiten Teilsektor des Segments zu lenken, wobei das zweite optische Element (12b) spiegelsymmetrisch zum ersten optischen Element (12a) bezüglich einer ersten Ebene angeordnet ist, wobei die erste Ebene orthogonal zu einer durch den ersten und zweiten Messstrahlen definierten ersten Messebene ist, wobei die Strahlverzögerungseinrichtung (16) so angeordnet ist, mindestens einen dritten Messstrahl (23) auf einen dritten Teilsektor des Segments zu lenken, und der mindestens dritte Messstrahl (23) in einer zweiten Messebene parallel zur ersten Messebene angeordnet ist.
Der Messkopf gemäß einem der Ansprüche 3–7, wobei die Messvorrichtung eine Abbildungsoptik (10) umfasst, wobei die Abbildungsoptik (10) eingerichtet ist, die mindestens drei unabhängigen Messstrahlen (21, 22, 23) auf das Objekt (30) zu fokussieren.
Eine Messvorrichtung umfassend einen Messkopf gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung mindestens eine Beleuchtungsquelle (120) zur Emission von Messlicht umfasst, wobei die Messvorrichtung mindestens ein Interferometer (130) zur Vermessung des Objektes (30) mittels des Messlichts umfasst, wobei die Messvorrichtung eine Auswerteeinheit (140) zur Auswertung mittels des mindestens einen Interferometers (130) aufgenommener Messdaten umfasst, und wobei die Messvorrichtung eine Steuereinheit (150) aufweist, und die Steuereinheit (150) eingerichtet ist die Beleuchtungsquelle (120) zu steuern.
Die Messvorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Messvorrichtung eine dynamische optische Umlenkvorrichtung (100) aufweist, und die Steuereinheit (150) eingerichtet ist, die dynamische optische Umlenkvorrichtung (100) so zu steuern, dass die dynamische optische Umlenkvorrichtung (100) das Messlicht auf die statischen optischen Umlenkvorrichtungen (12a, 12b, 13a, 13b, 16) sequenziell ablenkt, so dass die mindestens drei unabhängigen Messstrahlen (21, 22, 23) erzeugt werden.
Die Messvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9–10, wobei die Messvorrichtung eingerichtet ist, an einen Extruder gekoppelt zu werden, wobei der Extruder eingerichtet ist das Objekt (30) zu produzieren, wobei das Objekt (30) linear ausgedehnt ist.
Ein Verfahren zur Vermessung eines Objektes (30) mittels eines interferometrischen Messverfahrens, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Emittieren von Messlicht; – Erzeugen mindestens dreier Messstrahlen (21, 22, 23) mit jeweils einheitlicher optischer Weglänge mittels des Messlichts, wobei die gleiche optische Weglänge ab einem Referenzpunkt gegeben ist, ab dem die mindestens drei unabhängigen Messstrahlen (21, 22, 23) zeitlich oder örtlich trennbar sind; – Beleuchten mindestens eines zusammenhängenden Segmentes des Objektes (30) mittels der mindestens drei Messstrahlen (21, 22, 23); – Detektieren von Messdaten mittels mindestens eines Interferometers (130) basierend auf vom Objekt (30) reflektierten Licht der mindestens drei Messstrahlen (21, 22, 23); – Rekonstruktion einer inneren Struktur des zusammenhängenden Segments des Objektes (30) mittels der Messdaten.