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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Topografie einer Seitenfläche einer Vertiefung. Bei der Vertiefung kann es sich beispielsweise um eine Sackloch- oder Durchgangsbohrung, eine Nut oder um einen schmalen Spalt zwischen zwei aneinander angrenzenden Bauteilen handeln. Unter der Topografie einer Fläche wird in der Messtechnik deren geometrische Gestalt und häufig auch der Oberflächeneigenschaften wir Rauheit verstanden.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Die Messung der Topografie von Seitenflächen einer Bohrung oder einer anderen Vertiefung stellt eine besondere Herausforderung dar, da die Seitenflächen - jedenfalls bei kleinen Vertiefungen - nur schwer zugänglich sind. Als Seitenfläche einer Vertiefung wird vorliegend eine Fläche verstanden, die im Wesentlichen parallel zu der Richtung verläuft, entlang der die Tiefe der Vertiefung gemessen wird. Bei Bohrungen etwa handelt es sich bei der Seitenfläche um die zylindrische Innenwand der Bohrung, bei einer Nut oder bei einem Spalt um die seitlichen planen oder gekrümmten Flächen, welche die Nut- bzw. die Spaltbreite festlegen.
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So kann sich beispielsweise die Aufgabe stellen, die Topografie einer Bohrung zu messen, deren Durchmesser lediglich 2 mm beträgt. Hierzu muss eine winzige Messsonde in die Bohrung eingeführt werden und dann eine Topografiemessung durchführen, bei der die Messrichtung senkrecht zur Längsachse der Bohrung verläuft.
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Aus der
DE 10 2005 023 353 A1 (entspricht
US 2007/0086000 A1 ) ist eine Vorrichtung zum Prüfen von Innenflächen von Bohrungen und anderen Vertiefungen bekannt, die auf dem Messprinzip der chromatisch-konfokalen Messung beruht. Bei diesem Messprinzip wird die Tatsache ausgenutzt, dass bei chromatisch unkorrigierten Optiken die Brennweite von der Wellenlänge abhängt. Wird z.B. das Austrittsende einer optischen Faser von einer solchen Optik auf die zu vermessende Oberfläche abgebildet und der Rückreflex spektral ausgewertet, so entsteht bei derjenigen Wellenlänge ein Intensitätsmaximum, bei welcher der Brennpunkt exakt auf der Höhe der Oberfläche liegt. Bei der bekannten Vorrichtung wird der Messlichtstrahl mit Hilfe eines Faltungsspiegels um 90° bezüglich der Längsachse der Bohrung umgelenkt und auf die Innenwand der Bohrung gerichtet. In der Regel wird die Messsonde bei der Messung um ihre Längsachse gedreht, die mit der Längsachse der Bohrung zusammenfällt, und auch in der Höhe verstellt. Auf diese Weise lässt sich die gesamte Innenwand der Bohrung optisch vermessen.
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Die Brennweite der Optik und die Lage des Faltungsspiegels sind so aufeinander abgestimmt, dass für mindestens eine Wellenlänge der Brennpunkt auf der Innenwand liegt. Um diese Forderung zu erfüllen, kann eine nicht näher beschriebene Anpassvorrichtung vorgesehen sein. Eine Anpassung ist erforderlich, weil man wegen der Drehung der Messsonde und aus Gründen der Messgenauigkeit vermeiden möchte, die Messsonde in radialer Richtung der Innenwand zustellen zu müssen, wenn Bohrungen mit unterschiedlichen Durchmessern vermessen werden sollen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Topografie einer Vertiefung anzugeben, deren Seitenflächen unterschiedliche Abmessungen haben können. Die Anpassung an unterschiedliche Abmessungen der Vertiefung soll dabei keine Auswirkungen auf die Messgenauigkeit haben.
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Eine die Aufgabe lösende Vorrichtung zum Messen der Topografie einer Seitenfläche einer Vertiefung hat eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, polychromatisches Licht zu erzeugen. Ein Strahlteiler ist dazu eingerichtet, das von der Lichtquelle erzeugte Licht so aufzuteilen, dass ein erster Anteil des Lichts als Referenzlicht in einen endseitig von einem Reflektor begrenzten Referenzarm und ein zweiter Anteil des Lichts als Messlicht in einen Messarm gerichtet wird. Ein Spektrometer ist dazu eingerichtet, eine Überlagerung des Referenzlichts nach Reflexion von dem Reflektor mit dem Messlicht nach Reflexion an der Seitenfläche spektral zu analysieren. Eine Auswerteeinrichtung ist dazu eingerichtet, aus einem von dem Spektrometer gemessenen Spektrum Abstandswerte zu der Seitenfläche zu berechnen. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Messsonde, die eine Längsachse hat und dazu eingerichtet ist, in die Vertiefung eingeführt zu werden und das Messlicht zur Seitenfläche zu leiten. In der Messsonde ist ein Faltungsspiegel angeordnet und dazu eingerichtet, das Messlichts um einen Winkel zwischen 60° und 120°, vorzugsweise um 90°, umzulenken und auf die Seitenfläche zu richten. Eine Sammellinse oder ein anderes optisches Element mit Sammelwirkung (z.B. ein konkaver Spiegel) ist im Lichtweg zwischen der Lichtquelle und dem Faltungsspiegel angeordnet und fokussiert das Messlicht auf die Seitenfläche. Erfindungsgemäß ist die geometrische Weglänge zwischen dem optischen Element und dem Faltungsspiegel veränderbar.
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Die Erfindung beruht auf der Überlegung, für die Messung nicht das chromatisch-konfokale Messprinzip zu nutzen, sondern einen optischen Kohärenztomografen einzusetzen. Um eine hohe axiale Auflösung zu ermöglichen, muss die chromatisch unkorrigierte Optik bei Verwendung des chromatisch konfokalen Messprinzips nämlich eine große numerische Apertur (NA) haben. Eine große numerische Apertur lässt sich jedoch nur erzeugen, wenn die Optik (oder zumindest eine ihrer Linsen) sich sehr nahe der zu vermessenden Oberfläche befindet. Dadurch ist der maximale radiale Abstand, den die zu vermessende Seitenfläche von der Messsonde haben darf, von vornherein auf einen relativ kleinen Wert begrenzte. Der Einsatz einer Zoom-Optik kommt nicht in Betracht, da sich damit die erforderlichen Messgenauigkeiten nicht erzielen lassen.
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Die Erfindung schlägt deswegen einen anderen Weg ein und nutzt für die Topografiemessung nicht das chromatisch-konfokale Messprinzip, sondern das Prinzip der Kohärenztomografie (OCT, Optical Coherence Tomography). Dieses bekannte und inzwischen auch im technischen Bereich gelegentlich eingesetzte Messprinzip beruht auf der Interferenz von Messlicht, das von der zu vermessenden Oberfläche in einem Messarm reflektiert wurde, mit kohärentem Referenzlicht, das in einem Referenzarm reflektiert wurde. Bei dem für die Erfindung genutzten Typ von Kohärenztomografen sind die Abstandswerte im Spektrum des reflektierten Messlichts kodiert, wie dies für Spectral Domain OCT kennzeichnend ist. Die Lichtquelle derartiger Kohärenztomografen erzeugt deswegen polychromatisches Licht.
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Wenn sich die geometrische Weglänge im Messarm ändert, ist bei optischen Kohärenztomografen stets sicherzustellen, dass die Differenz der optischen Weglängen im Messarm und im Referenzarm zumindest annähernd konstant bleibt. Ansonsten kann das Messlicht aufgrund der vergleichsweise kurzen Kohärenzlänge des polychromatischen Lichts nicht mit dem Referenzlicht interferieren.
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Eine auf dem Prinzip der Kohärenztomografie beruhende Messung erfordert keine große numerische Apertur und erlaubt deswegen sehr kleine Strahldurchmesser. Dabei ist es vorteilhaft, die Optik so auszulegen, dass das Messlicht möglichst gut auf die zu vermessenden Oberfläche fokussiert wird. Eine Fokussierung des Messlichts auf die zu vermessende Oberfläche führt zu einer hohen Intensität des reflektierten Messlichts und zu einem hohen Kontrast des Interferenzsignals, was wiederrum höhere Messraten ermöglicht.
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Der Verzicht auf eine große numerische Apertur ist deswegen bedeutsam, weil sich dann keine Linse in der Nähe der zu vermessenden Oberfläche befinden muss. Dadurch erhält man einen Spielraum, die geometrische Weglänge zwischen dem sammelnden optischen Element, welches das Messlicht auf die Oberfläche fokussiert, und dem Faltungsspiegel über einen großen Bereich hinweg zu verändern. Wird diese geometrische Weglänge beispielsweise verlängert, verkürzt sich die geometrische Weglänge zwischen dem Faltungsspiegel und der Oberfläche entsprechend, wodurch beispielsweise Bohrungen mit besonders kleinen Durchmessern vermessen werden können. Wird die geometrische Weglänge zwischen dem sammelnden optischen Element und dem Faltungsspiegel hingegen verringert, vergrößert sich entsprechend die geometrische Weglänge zwischen dem Faltungsspiegel und der zu vermessenden Oberfläche, wie dies für die Vermessung von Bohrungen mit großem Durchmesser erforderlich ist.
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Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten, die optische Weglänge L zwischen dem optischen Element mit Sammelwirkung und dem Faltungsspiegel zu verändern. Da für die optische Weglänge L=s·n gilt, wobei s die geometrische Weglänge und n die Brechzahl des Mediums ist, das vom Licht entlang des geometrischen Weges durchtreten wird, kann die optische Weglänge durch Verändern der Brechzahl n beeinflusst werden. Wird ein Luftraum gegebener geometrischer Länge beispielsweise durch einen gleich langen Glaszylinder ersetzt, verlängert sich die optische Weglänge, da Glas eine höhere Brechzahl als Luft hat.
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Um die geometrische Weglänge zwischen dem Faltungsspiegel und dem optischen Element mit Sammelwirkung zu modifizieren, ist es am einfachsten, wenn das optische Element mit Sammelwirkung ortsfest bleibt und die axiale Lage des Faltungsspiegels modifiziert wird.
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Eine Möglichkeit hierzu besteht darin, den Faltungsspiegel entlang der Längsachse der Messsonde verschiebbar ausbilden. Für die Verschiebung des Faltungsspiegels allerdings ist eine zusätzliche Verschiebemechanik erforderlich, deren Integration in die klein bauende Messsonde mechanisch anspruchsvoll sein kann.
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Deswegen kann es günstiger sein, eine Veränderung der geometrischen Weglänge zu bewirken, indem die Messsonde gegen eine andere Messsonde ausgetauscht wird, bei der sich der Faltungsspiegel an einem anderen Ort auf der Längsachse der Messsonde befindet. Dies stellt eine besonders einfache und zuverlässige Möglichkeit dar, die geometrische Weglänge zwischen dem optischen Element mit Sammelwirkung und dem Faltungsspiegel zu verändern. Ein mechanisch komplizierter Verstellmechanismus ist bei dieser Ausgestaltung der Erfindung nicht erforderlich.
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Eine weitere Möglichkeit, eine Veränderung der geometrischen Weglänge zwischen dem optischen Element mit Sammelwirkung und dem Faltungsspiegel zu bewirken, besteht darin, die gesamte Messsonde mit dem darin angeordneten Faltungsspiegel entlang der Längsachse zu verschieben. Da sich der für die Verschiebung erforderliche Verstelllmechanismus außerhalb der Vertiefung befinden kann, ist dieser Ansatz in vielen Fällen einfacher, als bei feststehender Messsonde nur den darin enthaltenen Faltungsspiegel zu verschieben.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Strahlteiler als Strahlteilerwürfel ausgebildet, wobei der Faltungsspiegel Teil des Strahlteilerwürfels ist, so dass sich der Strahlteilerwürfel in der Messsonde befindet. Der Reflektor des Kohärenztomografen ist ebenfalls in der Messsonde angeordnet. Bei diesem besonders einfach aufgebauten Ausführungsbeispiel besteht der Messarm aus dem vergleichsweise kurzen Abschnitt zwischen dem Strahlteilerwürfel und dem Fokuspunkt, dessen geometrische Länge veränderbar sein soll. Daher muss bei diesem Ausführungsbeispiel die optische Weglänge im Referenzarm an die jeweils eingestellte geometrisch Weglänge zwischen dem als Faltungsspiegel wirkenden Strahlteilerwürfel und der zu vermessenden Oberfläche angepasst sein, damit die Differenz der optischen Weglängen im Messarm und im Referenzarm konstant bleibt. Der auch als Faltungsspiegel wirkende Strahlteilerwürfel kann entweder innerhalb der Messsonde oder gemeinsam mit dieser axial verschoben werden, oder er befindet sich bei unterschiedlichen Messsonden an unterschiedlichen axialen Positionen. Wenn der Reflektor ortsfest bleibt, ergibt sich die notwendige Anpassung der Referenzarmlänge bei der Verlagerung des Strahlteilerwürfels beim gleichen umgebenden Medium (im Allgemeinen Luft) von allein.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Strahlteiler in der Messsonde angeordnet und als Block aus einem für das Licht transparenten Material ausgebildet. Der Block hat zwei parallele und senkrecht zur Längsachse ausgerichtete teilreflektierende Oberflächen, von denen die zum Faltungsspiegel weisende Oberfläche die Strahlteilerfläche bildet, die einen Teil des Lichts als Referenzlicht reflektiert, und die von dem Faltungsspiegel wegweisende Oberfläche den Reflektor des Referenzarms bildet. Durch die Mehrfachreflexion in dem Block ähnlich wie bei einem Mirau-Interferometer wird der Referenzarm in die Messsonde verlagert, wobei infolge der mehrfachen Strahlfaltung eine besonders kurze Baulänge der Messsonde erzielbar ist.
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Unabhängig von der Art, wie die Veränderung der geometrischen Weglänge zwischen dem optischen Element mit Sammelwirkung und dem Faltungsspiegel bewirkt wird, kann in der Messsonde eine Linse mit positiver Brechkraft angeordnet sein, bei der es sich auch um eine GRIN-Lise handeln kann. Auf diese Weise wird der Abbildungsmaßstab verkleinert, was zu einem kleineren Durchmesser des Messlichtspots auf der zu vermessenden Oberfläche und damit zu einer besseren lateralen Auflösung führt. Gleichzeitig wird die numerische Apertur erhöht, was für bestimmte Anwendungsfälle vorteilhaft ist und die Nachteile, die mit der geringeren Tiefenschärfe einhergehen, überwiegt.
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Vorzugsweise ist die Messsonde um die Längsachse drehbar gelagert, um die gesamte Innenfläche einer umgebenden Bohrung vermessen zu können. Im Prinzip kommt aber auch in Betracht, die Messsonde stationär zu lassen und lediglich den Faltungsspiegel zu drehen. Ferner ist es möglich, nicht den Messstrahl in der Bohrung des Werkstücks, sondern umgekehrt das Werkstück um den feststehenden Messstrahl zu drehen.
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Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Messsystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und mit mehreren Messsonden, die sich durch den Ort des Faltungsspiegels auf der Längsachse der Messsonde voneinander unterscheiden.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Messen der Topografie einer Seitenfläche einer Vertiefung, das die folgenden Schritte umfasst:
- a) Erzeugen von polychromatischen Licht mit einer Lichtquelle;
- b) Aufteilen des Lichts, so dass ein erster Anteil des Lichts als Referenzlicht in einen endseitig von einem Reflektor begrenzten Referenzarm und ein zweiter Anteil des Lichts als Messlicht in einen Messarm gerichtet wird;
- c) Einführen einer Messsonde in die Vertiefung und Fokussieren des Messlichts mit einem optischen Element mit Sammelwirkung, das im Lichtweg zwischen der Lichtquelle und einem in der Messsonde angeordneten Faltungsspiegel angeordnet ist, auf die Seitenfläche, wobei das Messlichts um einen Winkel zwischen 60° und 120°, vorzugsweise um 90°, mit dem Faltungsspiegel umgelenkt wird;
- d) Messen eines Spektrums einer Überlagerung des Referenzlichts nach Reflexion von dem Reflektor mit dem Messlicht nach Reflexion an der Seitenfläche;
- e) Berechnen von Abstandswerten zu der Seitenfläche aus dem von dem Spektrometer gemessenen Spektrum;
- f) Bereitstellen einer anderen Vertiefung, die einen anderen Durchmesser hat;
- g) Verändern der geometrische Weglänge zwischen dem optischen Element mit Sammelwirkung und dem Faltungsspiegel;
- h) Wiederholen der Schritte a) bis e) zur Messung der Topografie einer Seitenfläche der anderen Vertiefung.
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Die oben für die Vorrichtung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen gelten für das Verfahren entsprechend.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
- 1a und 1b einen schematischen meridionalen Schnitt durch eine Messvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, bei in der Messsonde nur ein Faltungsspiegel angeordnet ist, vor bzw. nach einem Austausch der Messsonde gegen eine andere Messsonde;
- 2a und 2b einen schematischen meridionalen Schnitt durch eine Messvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem in der Messsonde ein Strahlteilerwürfel und ein Reflektor für das Referenzlicht angeordnet sind, vor bzw. nach einem Austausch der Messsonde gegen eine andere Messsonde;
- 3a und 3b einen schematischen meridionalen Schnitt durch eine Messvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, bei dem in der Messsonde zusätzlich eine Sammellinse angeordnet ist, vor bzw. nach einem Austausch der Messsonde gegen eine andere Messsonde;
- 4a und 4b einen schematischen meridionalen Schnitt durch eine Messvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, bei dem in der Messsonde ein als Strahlteiler wirkender Glasblock angeordnet ist, vor bzw. nach einem Austausch der Messsonde gegen eine andere Messsonde;
- 5a und 5b einen schematischen meridionalen Schnitt durch eine Messvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, bei dem in der Messsonde nur ein Faltungsspiegel angeordnet ist, vor bzw. nach dem Verschieben des Faltungsspiegels in der Messsonde;
- 6a und 6b einen schematischen meridionalen Schnitt durch eine Messvorrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel, bei dem in der Messsonde ein Strahlteilerwürfel und ein Reflektor für das Referenzlicht angeordnet ist, vor bzw. nach dem Verschieben des Strahlteilerwürfels.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Die 1a zeigt in einem schematischen meridionalen Schnitt eine insgesamt mit 10 bezeichnete Messvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Messvorrichtung 10 umfasst eine Ansteuer- und Auswerteinheit 12, die über eine optische Faser 14 mit einem Messkopf 16 verbunden ist. An diesem ist eine Messsonde 18 lösbar befestigt, die im dargestellten Ausführungsbeispiel in eine Bohrung 20 eines Werkstücks 22 eingeführt ist. Die Messsonde 18 dient dazu, die Topografie der zylindrischen Innenwand 24 der Bohrung 20 optisch und dadurch berührungslos zu messen.
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Die Messvorrichtung 10 nutzt das Prinzip der optischen Kohärenztomografie und umfasst zu diesem Zweck eine polychromatische Lichtquelle 26, die in der Ansteuer- und Auswerteeinheit 12 angeordnet ist. Das von der Lichtquelle 26 erzeugte Licht wird in nicht näher dargestellter Weise in die optische Faser 14 eingekoppelt, tritt an einem gegenüberliegenden Faserende 28 aus und breitet sich als divergenter Freistrahl im Messkopf 16 aus. Eine dort angeordnete Sammellinse 30 fokussiert das Licht und richtet es auf einen Strahlteilerwürfel 32, der eine Strahlteilerfläche 33 hat. Der Strahlteilerwürfel 32 teilt das Licht in einen ersten und in einen zweiten Anteil auf. Der erste Anteil, der im Folgenden als Referenzlicht RL bezeichnet wird, wird über einen Spiegel 34 auf einen Reflektor 36 gerichtet. Der Reflektor 36 ist dabei so von der Sammellinse 30 beabstandet, dass das Referenzlicht auf dem Reflektor 36 fokussiert wird. Der optische Weg zwischen dem Strahlteilerwürfel 32 und dem Reflektor wird häufig als Referenzarm bezeichnet und ist mit der Bezugsziffer RA gekennzeichnet.
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Der zweite, im Folgenden als Messlicht ML bezeichnete Anteil des von der Lichtquelle 26 erzeugten Lichts durchtritt den Strahlteilerwürfel 32 ohne Reflexion an dessen diagonaler Grenzfläche und tritt in die Messsonde 18 ein, die an einer Halterung 38 lösbar befestigt ist. Am unteren, d.h. der Halterung 38 entgegengesetzten Ende der Messsonde 18 ist ein Faltungsspiegel 40 angeordnet, dessen Spiegelfläche um 45° geneigt zu einer Längsachse 42 der Messsonde 18 angeordnet ist, die mit der optischen Achse der Sammellinse 30 zusammenfällt. Das konvergierende Messlicht ML wird durch Reflexion am Faltungsspiegel 40 um 90° umgelenkt, durchtritt ein Austrittsfenster 43 in der Messsonde 18 und trifft zumindest annähernd senkrecht auf die Innenwand 24 der Bohrung 20. Der optische Weg zwischen dem Strahlteilerwürfel 32 bis zur Oberfläche des Messobjekts wird als Messarm bezeichnet und ist mit der Bezugsziffer MA gekennzeichnet.
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Die Halterung 38 für die Messsonde 18 ist um die Längsachse 42 in nicht näher dargestellter Weise drehbar gelagert. Um die Halterung 38 gemeinsam mit der Messsonde 18 in Drehung zu versetzen, ist ein Antrieb 44 vorgesehen, der von der Ansteuer- und Auswerteeinheit 12 angesteuert wird. Wird die Halterung 38 mit der Messsonde 18 mithilfe des Antriebs 44 um die Längsachse 42 gedreht, läuft der Fokus 46 des Messlichts ML auf einer radialen Bahn um und überstreicht dabei die Innenwand 24. Durch Verstellen des (in der 1a vertikalen) Abstandes zwischen dem Messkopf 16 und dem Werkstück 22 mit Hilfe einer nicht gezeigten Verstelleinrichtung kann die Innenwand 24 der Bohrung 20 in unterschiedlichen Tiefen vermessen werden. Wird der Abstand zwischen dem Messkopf 16 und dem Werkstück 22 während der Drehung der Messsonde 18 um die Längsachse 42 verstellt, erhält man eine helixförmige Messkurve.
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Der radiale Abstand eines Punktes auf der Innenwand 24, der sich im Fokus 46 des Messlichts ML befindet, von der Messsonde 18 wird nach dem Prinzip der optischen Kohärenztomografie gemessen. Ein Teil des Messlichts ML wird dabei im Fokus 46 von der Innenwand 24 reflektiert und gelangt über den Strahlteilerwürfel 32 und die Sammellinse 30 zurück in die optische Faser 14. Über einen Faserkoppler 48 in der Ansteuer- und Auswerteeinheit 12 wird das reflektierte Messlicht ML einem Spektrometer 50 zugeführt. Dort überlagert sich das reflektierte Messlicht mit dem Referenzlicht RL, das am Reflektor 36 reflektiert wurde und über den Strahlteilerwürfel 32, die Sammellinse 30 und den Faserkoppler 48 ebenfalls auf das Spektrometer 50 fällt. Das Spektrometer 50 analysiert spektral die Überlagerung des Messlichts ML mit dem Referenzlicht RL, indem es die Intensität des Lichts in Abhängigkeit von der Wellenlänge misst. Aus dem von dem Spektrometer 50 gemessenen Spektrum berechnet eine Recheneinheit 52 der Ansteuer- und Auswerteeinheit 12 die zu messenden Abstandswerte zur Innenwand 24 der Bohrung 20 in an sich bekannter Weise.
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Bei dem hier verwendeten Kohärenztomografen sind die Abstandswerte in der Frequenz des reflektierten Messlichts
ML kodiert. Die Abstandswerte ergeben sich dann aus der inversen Fourier-Transformierten des Interferenzspektrums, das vom Spektrometer
50 erfasst wird. Nähere Einzelheiten zur Auswertung der Spektren und zur Berechnung von Abstandswerten sind der
DE 10 2016 005 021 A1 (entspricht
US 2019/0091798 A1 ) entnehmbar.
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Bei der optischen Kohärenztomografie kommt es entscheidend darauf an, dass das Messlicht ML und das Referenzlicht RL auf ihren Wegen im Messarm MA bzw. im Referenzarm RL zurück zum Spektrometer 50 annähernd die gleiche optische Weglänge zurückgelegt haben. Wird beispielsweise das Messobjekt aus dem Messbereich des Kohärenztomografen, der in der Regel nur einige wenige Millimeter beträgt, herausgefahren, muss deswegen die optische Weglänge im Referenzarm RA entsprechend nachgeführt werden.
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Soll mit der Messvorrichtung 10 z.B. eine Bohrung 20 vermessen werden, die einen deutlich größeren Durchmesser hat, wie dies die 1b illustriert, so hätte dies zur Folge, dass sich die optische Weglänge zwischen dem Faltungsspiegel 40 und dem Fokus 46 auf der Innenwand 24 ebenfalls deutlich vergrößert. Eine solche Vergrößerung lässt sich erreichen, wenn anstelle der Sammellinse 30 eine Zoom-Optik verwendet, mit der sich die Brennweite verändern lässt. Eine Veränderung der Brennweite geht aber mit einer Veränderung des Durchmessers des Fokus 46 und damit der lateralen Auflösung der Messvorrichtung 10 einher. Außerdem müsste aus den vorstehend erläuterten Gründen auch die optische Weglänge im Messarm MA entsprechend nachgeführt werden. Dies könnte beispielsweise durch Verschieben des Reflektors 36 um eine entsprechende Wegstrecke entlang der optischen Achse erreicht werden.
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Die Verwendung einer Zoom-Objektiv Weg würde aber wegen der sich verändernden lateralen Auflösung zu schlecht vergleichbaren Messergebnissen führen und außerdem einen nicht unbeträchlichen apparativen Aufwand für eine qualitativ hochwertige Zoom-Optik und die synchrone Verfahrbarkeit des Reflektors 36 erfordern.
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Die Erfindung geht deswegen einen anderen Weg, bei dem die optischen Weglängen im Messarm MA und im Referenzarm RA unverändert bleiben. Verändert wird nur die geometrische Weglänge zwischen der Sammellinse 30 und dem Faltungsspiegel 40, während die optische Weglänge im Referenzarm RA konstant bleibt. Wird die geometrische Weglänge zwischen der Sammellinse 30 und dem Faltungsspiegel 40 beispielsweise verkürzt, verlängert sich entsprechend die geometrische Weglänge zwischen dem Faltungsspiegel 40 und dem Fokus 46 auf der Innenwand 24 der Bohrung 20, wie dies aus dem Vergleich der 1a und 1b deutlich wird.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Verkürzung der geometrischen Weglänge zwischen der Sammellinse 30 und dem Faltungsspiegel 40 durch Austausch der Messsonde 18 gegen eine kürzere Messsonde 18' bewirkt, die - ebenso wie die ursprüngliche Messsonde 18 - aus Gründen der besseren Erkennbarkeit in den Figuren grau hinterlegt ist. Infolge der kürzeren Messsonde 18' wird der Abstand zwischen der Sammellinse 30 und dem Faltungsspiegel 40 verringert, wodurch der Fokus 46 des Messlichts ML in radialer Richtung nach außen wandert und somit die weiter von der Messsonde 18' entfernt liegende Innenwand 24' der größeren Bohrung 18' erreichen kann. Durch eine Austausch unterschiedlich langer Messsonden 18 lässt sich auf diese Weise die Messvorrichtung 10 an unterschiedlich große Durchmesser von Bohrungen 20, 20' anpassen. Da die Messsonden 18, 18' vergleichsweise einfach aufgebaut sind und lediglich den Faltungsspiegel 40 als optisches Element enthalten, lässt sich auf diese Weise ein einfaches und preisgünstiges System aus einer Messvorrichtung mit mehreren unterschiedlichen langen Messsonden 18, 18' bereitstellen.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Die 2a und 2b zeigen an die 1a und 1 b angelehnten Darstellungen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Aus Gründen der Einfachheit sind die Ansteuer- und Auswerteeinheit 12 sowie der Antrieb 44 zum Drehen der Halterung 38 um die Längsachse 42 nicht dargestellt. Dies gilt auch für die übrigen Figuren, auf die weiter unten Bezug genommen wird. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in den vorausgehenden Figuren und einander entsprechende Teile mit um 200 erhöhten Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Der Messkopf 16 weist bei diesem Ausführungsbeispiel einen vereinfachten Aufbau auf, da der Strahlteiler 232 vom Messkopf 16 in die Messsonde 218 verlegt ist. Der Faltungsspiegel zum Umlenken des Messlichts ML in radiale Richtung wird nun durch die diagonal angeordnete Strahlteilerfläche 233 des Strahlteilerwürfels 232 gebildet. Das den Strahlteilerwürfel 232 durchtretende Referenzlicht RL wird von dem Reflektor 236 reflektiert, der sich nun am unteren Ende der Messsonde 218 befindet. Die optische Weglänge zwischen der Strahlteilerfläche 233 und dem Fokus 46 ist bei diesem Ausführungsbeispiel zumindest annähernd gleich der optischen Weglänge zwischen der Strahlteilerfläche 233 und dem Reflektor 236.
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Wird die Messsonde 218 gegen eine andere Messsonde 218' ausgetauscht, bei welcher sich der Strahlteilerwürfel näher an der Sammellinse 30 befindet (vgl. 2b), so verlagert sich auch die Lage des Fokus 46 radial nach außen. Ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel können auf diese Weise Bohrungen 20' mit unterschiedlichen Durchmessern durch Austausch der Messsonde 218 gegen eine kürzere oder längere Messsonde vermessen werden.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in den vorausgehenden Figuren und einander entsprechende Teile mit um 300 erhöhten Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Das in den 3a und 3b gezeigte dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in den 2a und 2b gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass im Strahlengang zwischen der Sammellinse 30 und dem Strahlteilerwürfel 232 eine weitere Sammellinse 331 innerhalb der Messsonde 318 angeordnet ist. Die weitere Sammellinse 331 bündelt das von der Sammellinse 30 kommende Licht zusätzlich. Vor allem bei besonders schmalen Messsonden 318 kann es günstig sein, die weitere Sammellinse 331 als GRIN-Linse auszubilden.
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Durch die weitere Sammellinse 331 wird der Abbildungsmaßstab verkleinert, was zu einem kleineren Durchmesser des Fokus 46 und damit zu einer besseren lateralen Auflösung der Messvorrichtung 10 führt. Gleichzeitig wird die nummerische Apertur NA erhöht. Für bestimmte Anwendungsfälle ist dies vorteilhaft und überwiegt den Nachteil der geringeren Tiefenschärfe, die Folge der größeren numerischen Apertur NA ist.
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Viertes Ausführungsbeispiel
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Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern wie in den vorausgehenden Figuren und einander entsprechende Teile mit um 400 erhöhten Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Das in den 4a und 4b gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispiel. Der Strahlteilerwürfel 32 und der Referenzarm RA im Freistrahlausbreitung sind hier jedoch ersetzt durch einen zylindrischen Glasblock 432, dessen plane und senkrecht zur optischen Achse ausgerichteten Grenzflächen teilverspiegelt sind. Wie in dem vergrößerten Ausschnitt A erkennbar ist, wird ein Teil des einfallenden Lichts an der unteren Grenzfläche 433 teilweise reflektiert, durchläuft den Glasblock 432 (vgl. gepunktete Linien), wird an der oberen Grenzfläche 436 erneut teilweise reflektiert und gelangt nach nochmaliger Reflexion an der unteren Grenzfläche 433 wieder in den Strahlengang des Messlichts ML zurück. Dieser mehrfach im Glasblock 432 reflektierte Anteil des Lichts stellt das Referenzlicht RL dar, das sich wie bei den anderen Ausführungsbeispielen auf dem Spektrometer 50 mit dem Messlicht ML überlagert, das von der Innenwand 24 der Bohrung 20 reflektiert wurde. Die untere Grenzfläche 433 entspricht dabei der Strahlteilerfläche 33, 233 und die obere Grenzfläche 436 dem Reflektor 36 der anderen Ausführungsbeispiele.
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Soll mit der Messvorrichtung eine Bohrung mit einem kleineren Durchmesser vermessen werde, wie dies die 4b illustriert, so wird die Messsonde 418 gegen eine andere Messsonde 418' ausgetauscht, bei der sich der Faltungsspiegel 40 weiter weg von der Sammellinse 30 befindet. Die axiale Dicke des Glasblocks
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In alternativen Ausführungsbeispielen können auch beliebige Grenzflächen optischer Elemente, insbesondere auch separater optischer Elemente, als Strahlteilerfläche bzw. als Reflektor dienen.
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Fünftes Ausführungsbeispiel
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Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern und einander entsprechende Teile mit um 500 erhöhten Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Das in den 5a und 5b gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispiel. Die Messsonde 518 ist dort jedoch nicht lösbar, sondern in axialer Richtung verschieblich in der Halterung 538 des Messkopfes 16 aufgenommen, wie dies durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Durch axiales Verschieben der Messsonde 518 verändert sich die geometrische Weglänge zwischen der Sammellinse 30 und dem Faltungsspiegel 40, wodurch sich der radiale Abstand des Fokus 40 von der Längsachse 42 verändern lässt, wie dies die 5a und 5b illustrieren.
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Mit einer solchen axialverschieblich angeordneten Messsonde 518 entfällt der Aufwand für die Bereitstellung unterschiedlicher Messsonden 18, 18', wie dies beim ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Außerdem lässt sich der ungefähre radiale Abstand des Fokus 40 von der Messsonde 518 stufenlos verstellen, sofern eine geeignete Verschiebemechanik für die Messsonde 518 vorgesehen ist.
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Anstelle des in den Messkopf 16 angeordneten Referenzarms RA kann auch ein in die Messsonde integrierter Glasblock wie bei dem in den 4a und 4b gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen sein.
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Sechstes Ausführungsbeispiel
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Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern und einander entsprechende Teile mit um 600 erhöhten Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Ein Verschiebbarkeit ist auch bei dem in den 6a und 6b gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen. Dort ist allerdings nicht die gesamte Messsonde 618, sondern lediglich der darin angeordnete Strahlteilerwürfel 632 mit der als Faltungsspiegel wirkenden Strahlteilerfläche 633 entlang der Längsachse 42 verschiebbar, wodurch im Wesentlichen die gleiche Wirkung wie bei dem in den 2a und 2b gezeigten Ausführungsbeispiel erreicht wird. Der Strahlteilerwürfel 632 ist hierbei an einer Linearführung 660 geführt. Da die Unterbringung eines Antriebs für die axiale Verschiebung des Strahlteilerwürfels 632 aufgrund der beengten Raumverhältnisse schwierig ist, erfolgt die Verstellung des Strahlteilerwürfels 632 vorzugsweise manuell, z.B. mit Hilfe eines aus dem Gehäuse der Messsonde 618 hinausragenden Führungsstiftes 662, der in der gewünschten Höhe in nicht näher dargestellter Weise arretierbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005023353 A1 [0004]
- US 2007/0086000 A1 [0004]
- DE 102016005021 A1 [0031]
- US 2019/0091798 A1 [0031]
