DE102021112120A1

DE102021112120A1 - Faseroptische Punktsonde und Distanzmesssystem mit einer faseroptischen Punktsonde

Info

Publication number: DE102021112120A1
Application number: DE102021112120.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Merschdorf
Original assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Current assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Priority date: 2021-05-10
Filing date: 2021-05-10
Publication date: 2022-11-10
Also published as: US20220357430A1; CN115327556A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine faseroptische Punktsonde (11) für ein Distanzmesssystem (10). Die faseroptische Punktsonde 11 hat eine Lichtleitfaser 12, an die wenigstens eine Lichtquelle 14, 15 sowie eine Auswerteeinrichtung 28 angeschlossen werden kann. Beleuchtungslicht B der Lichtquellen 14, 15 wird über die Lichtleitfaser 12 zu einem Strahlformelement 18 übermittelt und dort in vorzugsweise kollimiertes oder fokussiertes strahlgeformtes Beleuchtungslicht K umgewandelt. Das strahlgeformte Beleuchtungslicht K wird entlang einer ersten optischen Achse O1 zu einer Planfläche 21 eines Umlenkelements 20 geleitet und dort durch Reflexion umgelenkt. Das an der Planfläche 21 reflektierte strahlgeformte Beleuchtungslicht K breitet sich entlang einer zweiten optischen Achse O2 aus, tritt an einer sphärischen Endfläche 22 des Umlenkelements 20 aus und bildet einen fokussierten Beleuchtungsstrahl S mit einem Fokusbereich 23 außerhalb des Umlenkelements 20. Eine im Fokusbereich 23 angeordnete Objektoberfläche 26 kann derart angetastet werden, dass berührungslos ein Distanzmesswert mit Bezug auf eine sondeninterne Referenzfläche, die zur teilweisen Rückreflexion des Beleuchtungslichts B oder des strahlgeformten Beleuchtungslichts K eingerichtet ist, ermittelt werden kann, der eine Distanz d zwischen der sphärischen Endfläche 22 des Umlenkelements 20 und der Objektoberfläche 26 beinhaltet. Die sphärische Endfläche 22 des Umlenkelements 20 hat einen Krümmungsmittelpunkt, der dem Schnittpunkt der ersten optischen Achse O1 mit der zweiten optischen Achse O2 entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine faseroptische Punktsonde, die zur Verwendung in einem Distanzmesssystem eingerichtet ist. Die Erfindung betrifft außerdem das Distanzmesssystem aufweisend die faseroptische Punktsonde. Das Distanzmesssystem ist eingerichtet zur Auswertung einer Wechselwirkung zwischen einem von der faseroptischen Punktsonde abgestrahlten Beleuchtungsstrahl und dem durch Wechselwirkung mit einer Objektoberfläche erzeugten und von der faseroptischen Punktsonde empfangenen Messlicht. Die Auswertung des Messlichts kann interferometrisch erfolgen.
Aus dem Stand der Technik sind taktile Tastsysteme mit optischer Sensorik bekannt, die zur Positionsbestimmung eines Antastelements optoelektronische Wandler aufweisen. Solche taktilen Tastsysteme sind beispielsweise in DE 198 16 270 A1 , DE 298 23 884 U1 oder DE 198 16 272 A1 beschrieben. Allerdings sind hierfür eine mechanische Auslenkung und ein berührendes Antasten einer Objektoberfläche erforderlich.
Eine berührungslos optisch messende Punktsonde ist in Dietz et al. „Eine Alternative zum Laser. Ein Weißlicht-Messverfahren dringt in den Sub-µm-Bereich ein“. Sensor Magazin 4(1997), S. 15-18, beschrieben. Bei der Punktsonde handelt es sich um eine chromatisch-konfokal arbeitende Punktsonde mit strahlformender Optik zur Distanzmessung in Richtung der optischen Achse. Eine derartige Punktsonde wird von der Firma Precitec Optronik GmbH angeboten (www.precitec-optronik.de). Allerdings sind die Abmessungen der verfügbaren Sonden relativ groß und beim Einsatz an schwer zugänglichen Stellen, wie in kleinen Bohrlöchern, nur bedingt verwendbar.
Faseroptische Punktsonden können auch GRIN-Linsen (Gradient-Index Lenses) aufweisen. Ein optischer Sensor unter Verwendung einer GRIN-Linse ist beispielsweise aus US 4,806,016 A oder DE 10 2005 023 351 A1 bekannt. Ferner beschreiben Hofstetter, D. et al. in „Monolithically integrated optical displacement sensor in GaAs/AlGaAs“. Electr. Letters 31(1995), S. 2121-2122 die Verwendung von GRIN-Linsen in einem konfokalen Messpfad eines Michelson-Interferometers zur Wegmessung.
In DE 32 32 904 A1 wird eine Sonde zum automatischen Prüfen von Oberflächen mit Laserlicht offenbart. Das von einer Objektoberfläche zurückgeworfene Licht wird separat im Hellfeld und Dunkelfeld ausgewertet.
Die aus DE 197 14 202 A1 bekannte Sonde zum optischen Prüfen von Oberflächen erzeugt Beleuchtungslicht, welches durch Strahlteilung bzw. Umlenkung an zwei unterschiedlichen Stellen auf eine zu prüfende Oberfläche gerichtet wird.
DE 20 2017 001 834 U1 betrifft einen taktilen Taster mit integrierter faseroptischer Punktsonde, wobei sequentiell oder auch simultan taktil und/oder optisch gemessen werden kann.
Rao, Y.-C. et al. „Recent progress in fibre optic low-coherence interferometry“. Meas. Sci. Technol. 7(1996), S. 981-999 beschreiben Messsysteme, bei denen kurzkohärentes Licht mit einer Kohärenzlänge kleiner ca. 100 µm verwendet wird und das Messlicht zur Distanzbestimmung interferometrisch ausgewertet werden kann.
Ein optoelektronisches Messverfahren zur absoluten Distanzmessung ist aus DE 103 17 826 A1 bekannt. Messlicht, das von einer Messstelle einer Objektoberfläche reflektiert und/oder gestreut wird, wird einer interferometrisch nach Michelson arbeitenden Auswerteeinrichtung übermittelt. DE 10 2005 061 464 A1 offenbart eine Weiterentwicklung durch Verwendung von Licht aus mehreren Lichtquellen mit unterschiedlichen mittleren Wellenlängen. Dadurch kann die Auswertegenauigkeit für eine Distanzmessung verbessert werden. Ein derartiges Verfahren und eine dazu geeignete Vorrichtung sind auch in Depiereux, F. et al. „Fiber-optical sensor with miniaturized probe head and nanometer accuracy based on spatially modulated low-coherence interferogram analysis“. Appl. Opt. 46(2007), S. 3425-3431 beschrieben.
DE 10 2018 217 285 A1 offenbart ein Tastsystem zur optischen und taktilen Vermessung mindestens eines Messobjekts. Eine Sonde weist an ihrem äußeren Ende einen sphärischen lichtdurchlässigen Körper auf, der zum taktilen Antasten einer Objektoberfläche verwendet wird. Außerdem kann Licht von Innen auf die Grenzfläche des sphärischen Körpers fokussiert werden, so dass ein taktil angetasteter Punkt auf der Objektoberfläche durch eine Mikroskopkamera erfasst und das zweidimensionale Bild in einer Bildauswertung analysiert werden kann. Eine optische Distanzmessung ist nicht möglich.
DE 100 57 539 A1 offenbart eine interferometrische Messvorrichtung zur Messung von Abständen und Abstandsänderungen und daraus abgeleiteten Oberflächenkenngrößen und -formen. Eine Sonde weist hierzu eine Lichtleitfaser auf, an deren freiem Ende Licht abgestrahlt und reflektiertes und/oder gestreutes Licht aufgenommen wird. Hierzu kann das freie Ende der Lichtleitfaser beispielsweise als Linse oder Prisma ausgebildet sein.
Eine weitere optische Messsonde ist aus DE 10 2004 011 189 A1 bekannt. Die Sonde hat eine Lichtleitfaser, die Licht abstrahlt, das mittels eines Umlenkelements umgelenkt wird. Im Lichtweg zwischen der Lichtleitfaser und dem Umlenkelement oder im Lichtweg zwischen dem Umlenkelement und einer zu messenden Objektoberfläche ist eine Zonenlinse aufweisend eine starke chromatische Aberration angeordnet. Die geometrische Anordnung der Elemente ist derart, dass ein großer Öffnungswinkel des abgestrahlten Lichts in Richtung auf die Messoberfläche erreicht wird, um eine numerische Apertur größer 0,3 zu erzielen.
Die Punktsonde gemäß DE 10 2008 050 258 A1 weist einen Sondenkörper auf, in den Beleuchtungslicht als Strahlenbündel eingekoppelt wird, das am freien Ende des Sondenkörpers mittels eines Umlenkelements umgelenkt und durch ein Austrittsfenster im Sondenkörper auf eine Objektoberfläche gerichtet wird. Die umlenkende Fläche des Umlenkelements ist gekrümmt und damit strahlformend ausgebildet. Derartige Sonden werden von der Firma fionec GmbH angeboten (www.fionec.de).
Faseroptische Sonden zur Distanzmessung müssen für jeden Anwendungsfall anhand einer Vielzahl von anwendungsabhängigen Parametern aufgebaut werden. Parameter, die für die konstruktiven Eigenschaften einer Sonde von Bedeutung sind, umfassen beispielsweise die Länge eines Fokusbereiches, den minimalen und/oder maximalen Durchmesser des Fokusbereiches (Messfleckgröße auf der Objektoberfläche), eine gewünschte oder erforderliche numerische Apertur des auf die Objektoberfläche abgestrahlten Beleuchtungsstrahls, einen Abbildungsmaßstab bzw. eine Vergrößerung im Lichtweg des Beleuchtungslichts, den gewünschten Abstrahlwinkel des Beleuchtungsstrahls gegenüber einer Längsachse eines Sondenkörpers, eine gewünschte Messdistanz zwischen der Austrittsfläche des Beleuchtungsstrahls und der zu messenden Objektoberfläche, die Zugänglichkeit der Messstelle an der Objektoberfläche, etc. Aufgrund der Vielzahl der zu berücksichtigenden Parameter ist die für einen Anwendungsfall angepasste Entwicklung und Konstruktion einer faseroptischen Punktsonde sehr aufwendig. Die Kosten für das Entwickeln und Konstruieren solcher faseroptischer Punktsonden sind daher hoch.
Es kann daher als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine faseroptische Punktsonde zu schaffen, die zur Distanzmessung eingerichtet ist und die einen konstruktiven Aufbau aufweist, der die Anpassung an unterschiedliche Anwendungen vereinfacht.
Diese Aufgabe wird durch eine faseroptische Punktsonde mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Distanzmesssystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 24 gelöst.
Die erfindungsgemäße faseroptische Punktsonde ist zur optischen Distanzmessung eingerichtet und kann in einem optisch und insbesondere interferometrisch arbeitenden Distanzmesssystem verwendet werden. Sie weist eine Lichtleitfaser mit einem vorzugsweise mittig angeordneten Faserkern auf, die dazu eingerichtet ist, an einer Einkopplungsstelle mit wenigstens einer und vorzugsweise mehreren monochromatischen oder schmalbandigen Lichtquellen verbunden zu werden. Die Lichtleitfaser der Punktsonde ist zum Anschluss an das weitere Distanzmesssystem, wie z.B. an eine oder mehrere Lichtquellen und an eine Auswerteeinrichtung vorzugsweise mit einem Steckverbinder ausgestattet. Die Einkopplungsstelle ist eingangsseitig mit wenigstens einer monochromatischen oder schmalbandigen Lichtquelle gekoppelt, beispielsweise über mindestens eine weitere Lichtleitfaser. Die Verbindung zur wenigstens einen Lichtquelle kann jeweils vorzugsweise als Pigtail ausgebildet sein. Die wenigstens eine Lichtquelle bzw. die vorzugsweise beiden Lichtquellen weisen bei einer bevorzugten Ausführungsform ein schmalbandiges Spektrum mit einer spektralen Halbwertsbreite von maximal 100 nm oder maximal 80 nm oder maximal 50 nm auf. Die spektrale Halbwertsbreite kann mindestens 4 nm oder mindestens 15 nm betragen. In einer Ausführungsform mit mehreren, vorzugsweise zwei Lichtquellen, weisen die Lichtquellen unterschiedliche mittlere Wellenlängen bzw. Schwerpunktwellenlängen mit einer Differenz auf, die vorzugsweise nicht größer ist als 200 nm und beispielsweise in einem Bereich von 15 nm bis 100 nm liegen kann. Vorzugsweise ist jede vorhandene Lichtquelle von genau einer Superlumineszenzdiode (SLD) gebildet.
Das von der wenigstens einen schmalbandigen Lichtquelle an der Einkopplungsstelle eingekoppelte Beleuchtungslicht wird mittels der Lichtleitfaser von der Einkopplungsstelle zu einem Faserende geleitet, an der das Beleuchtungslicht zumindest teilweise austritt. Das am Faserende aus dem Faserkern austretende Beleuchtungslicht ist divergent. Die Lichtleitfaser ist vorzugsweise eine Monomodefaser.
Zur interferometrischen Auswertung bzw. Distanzmessung wird das Beleuchtungslicht in der faseroptischen Punktsonde sowohl an einer einzigen Referenzfläche teilweise als Referenzlicht rückreflektiert als auch zu einem Beleuchtungsstrahl geformt, der auf die Objektoberfläche fokussiert wird, von dort als Messlicht zurückgeworfen und von der faseroptischen Punktsonde zumindest teilweise empfangen wird. Der Anteil des Beleuchtungslichts, der zum Beleuchtungsstrahl geformt wird, kann größer sein als der Anteil des als Referenzlicht zurück reflektierten Beleuchtungslichts. Das Messlicht und das Referenzlicht können zur Interferenz gebracht und daraus kann dann mittels bekannter Verfahren ein Distanzmesswert zwischen der faseroptischen Punktsonde und der Objektoberfläche ermittelt werden.
Die faseroptische Punktsonde weist außerdem ein optisches Strahlformelement auf, das das divergente Beleuchtungslicht in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichts nach dem Faserende der Lichtleitfaser an einer ersten Fläche empfängt und strahlformt, so dass in der Divergenz vermindertes oder nicht divergentes, strahlgeformtes Beleuchtungslicht erzeugt wird, das entlang einer ersten optischen Achse abgegeben wird. Das strahlgeformte Beleuchtungslicht ist vorzugsweise kollimiert oder fokussiert.
Der Mittelpunkt des Faserendes der Lichleitfaser, insbesondere der Mittelpunkt des Faserkerns, kann auf der ersten optischen Achse angeordnet sein. Die erste optische Achse kann gleichzeitig die optische Achse des aus dem Faserkern am Faserende der Lichtleitfaser austretenden divergenten Beleuchtungslichts sein.
Die Punktsonde weist ein Umlenkelement auf, das zum Empfang des strahlgeformten Lichts eingerichtet ist und das eine schräg zur ersten optischen Achse ausgerichtete Planfläche aufweist. Die Planfläche ist dazu eingerichtet, das empfangene strahlgeformte Licht in eine Richtung zu reflektieren derart, dass eine zweite optische Achse gebildet ist, die mit der ersten optischen Achse einen Umlenkwinkel ungleich 180° einschließt. Die beiden optischen Achsen schneiden sich und bilden einen Schnittpunkt. Das Umlenkelement hat außerdem eine sphärische Endfläche. Der Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Endfläche liegt auf dem Schnittpunkt der ersten optischen Achse mit der zweiten optischen Achse. Durch diese Anordnung entsteht ein Beleuchtungsstrahl, der von der faseroptischen Punktsonde durch die sphärische Endfläche fokussiert nach außen abgegeben wird und auf die Objektoberfläche gerichtet ist. Ein Fokusbereich des fokussierten Beleuchtungsstrahls ist in Richtung der zweiten optischen Achse mit Abstand zur sphärischen Endfläche angeordnet.
Der fokussierte Beleuchtungsstrahl wird während der Messung an einer Messstelle an der Objektoberfläche gestreut und/oder reflektiert. Durch die Wechselwirkung mit der Objektoberfläche wird Messlicht gebildet, das zumindest teilweise durch die sphärische Endfläche hindurch in die faseroptische Punktsonde gelangt und an eine Auswerteeinrichtung weitergeleitet wird. Der Lichtweg des Messlichts ist dabei zumindest bis zum Faserende der Lichtleitfaser im Wesentlichen entgegengesetzt zum Lichtweg des Beleuchtungslichts. Das Messlicht wird durch die sphärische Endfläche empfangen und kollimiert, an der Planfläche des Umlenkelements reflektiert, durchläuft das Strahlformelement, wird dabei fokussiert und zumindest teilweise von der Lichtleitfaser am Faserende empfangen. Das Messlicht wird dann gemeinsam mit dem Referenzlicht mittels der Lichtleitfaser zu einer Auskopplungsstelle geleitet, wobei die sowohl das Referenzlicht als auch das Messlicht leitende Lichtleitfaser im Anschluss an die Auskopplungsstelle dazu eingerichtet ist, mit einer Auswerteeinrichtung verbunden zu werden.
Die Auswerteeinrichtung kann das an der Auskopplungsstelle empfangene Referenz- und Messlicht verwenden, um daraus eine Distanz zur Messstelle auf der Objektoberfläche zu bestimmen. Als Bezugspunkt zur quantitativen Bestimmung des Distanzmesswertes dient die genau eine Referenzfläche, an der das Beleuchtungslicht teilweise in sich rückreflektiert wird. Diese genau eine Referenzfläche befindet sich im Lichtweg des Beleuchtungslichts der faseroptische Punktsonde und weist vorzugsweise eine Form auf, die im Wesentlichen kongruent der Wellenfront des einfallenden, optional strahlgeformten, Beleuchtungslichts ist. Die Referenzfläche ist insbesondere dazu eingerichtet, eine Teilreflexion zuzulassen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Referenzfläche die Lichtaustrittsfläche am Faserende der Lichtleitfaser.
Der Distanzmesswert beschreibt eine Distanz zwischen der sphärischen Endfläche der faseroptischen Punktsonde und der Messstelle auf der Objektoberfläche.
Die Auswerteeinrichtung arbeitet insbesondere interferometrisch basierend auf einem Verfahren, wie es in DE 10 2005 061 464 A1 beschrieben ist. Auch andere Verfahren und insbesondere interferometrische Verfahren können zur Bestimmung der Distanz eingesetzt werden.
Das Umlenkelement kann beispielsweise durch eine Halbkugel gebildet werden. Die sphärische Endfläche bildet dann einen Oberflächenabschnitt der Halbkugel.
Die Anordnung des Umlenkelements derart, dass der Mittelpunkt der Krümmung der sphärischen Endfläche durch den Schnittpunkt der beiden optischen Achsen gebildet ist, gestattet das einfache Variieren des Umlenkwinkels, unter dem sich die beiden optischen Achsen schneiden. Der Beleuchtungsstrahl kann daher durch eine einfache Änderung der Orientierung der Planfläche in unterschiedliche Richtungen von der faseroptischen Sonde abgestrahlt werden. Abgesehen vom Umlenkwinkel bleiben dabei alle anderen optischen Eigenschaften vorzugsweise unverändert. Darüber hinaus kann abhängig wenigstens einem anwendungsabhängigen Parameter derselbe konstruktive Aufbau ohne wesentliche Änderungen verwendet werden. Beispielsweise kann der wenigstens eine anwendungsabhängige Parameter die Länge eines Fokusbereiches, der minimale und/oder maximale Durchmesser des Fokusbereiches (Messfleckgröße auf der Objektoberfläche), eine gewünschte oder erforderliche numerische Apertur des auf die Objektoberfläche abgestrahlten Beleuchtungsstrahls, ein Abbildungsmaßstab bzw. eine Vergrößerung im Lichtweg des Beleuchtungslichts, der gewünschte Abstrahlwinkel des Beleuchtungsstrahls gegenüber einer Längsachse eines Sondenkörpers, eine gewünschte Messdistanz zwischen der Austrittsfläche des Beleuchtungsstrahls und der zu messenden Objektoberfläche, die Zugänglichkeit der Messstelle an der Objektoberfläche oder eine beliebige Kombination davon sein. Die faseroptische Punktsonde lässt sich in ihrer Charakteristik sehr einfach beeinflussen, beispielsweise durch Variieren der Krümmung der sphärischen Endfläche und/oder des Abstands der Planfläche des Umlenkelements von der ersten Fläche des Strahlformelements in Richtung der ersten optischen Achse. Daher ist eine Anpassung an unterschiedliche Anwendungsfälle ohne aufwendige Neuentwicklung möglich. Es wird sozusagen ein Baukastensystem geschaffen, bei dem unterschiedliche faseroptische Punktsonden durch Dimensionierung und/oder Auswahl von Standardelementen des Baukastensystems zur Anpassung an den Anwendungsfall aufgebaut werden können.
Es ist vorteilhaft, wenn die faseroptische Punktsonde einen Sondenkörper aufweist. An oder in dem Sondenkörper ist ein Endabschnitt der Lichtleitfaser, der das Faserende aufweist, und optional das Strahlformelement angeordnet. Der Sondenkörper kann den Endabschnitt der Lichtleitfaser, der das Faserende aufweist, mit dem Strahlformelement mechanisch und/oder optisch verbinden. Der Sondenkörper kann einteilig oder mehrteilig sein und beispielsweise zumindest abschnittsweise hohlzylindrische Form oder Hülsenform aufweisen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sondenkörper von einer oder mehreren Sondenhülsen umgeben. Eine einzige Sondenhülse ist ausreichend. Das Umlenkelement kann in dem oder an dem Sondenkörper und/oder an der Sondenhülse angeordnet und mit dem Sondenkörper und/oder der Sondenhülse mechanisch verbunden sein, vorzugsweise außerhalb des Lichtwegs des Beleuchtungslichts. Die mechanische Verbindung kann beispielsweise eine stoffschlüssige Verbindung sein und/oder durch eine Haftvermittlungsschicht hergestellt sein. Dabei kann die sphärische Endfläche des Umlenkelements vollständig außerhalb oder zumindest teilweise innerhalb der Sondenhülse angeordnet sein. Ist die sphärische Endfläche zumindest teilweise innerhalb der Sondenhülse angeordnet, kann die Sondenhülse benachbart zu der sphärischen Endfläche ein Fenster aufweisen, so dass die Lichtabstrahlung aus der sphärischen Endfläche vollständig und der Lichteinfall in die sphärische Endfläche zumindest größtenteils möglich ist. Das Fenster kann eine Durchbrechung sein oder durch eine für die verwendeten Lichtwellenlängen transparente Abdeckung gebildet sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Strahlformelement vollständig im Sondenkörper oder in einer der Sondenhülsen aufgenommen.
Das Strahlformelement und das Umlenkelement können separate optische Elemente sein oder einen gemeinsamen monolithischen Körper bilden. Im letzten Fall sind das Strahlformelement und das Umlenkelement integral ohne innere strahlformende Grenz- und/oder Fügefläche ausgebildet. Bei einer monolithischen bzw. integralen Ausführungsform kann das Strahlformelement beispielsweise durch eine sphärische Oberfläche oder einen sphärischen Oberflächenabschnitt des Umlenkelements gebildet sein. Bei dieser Ausführung wird eine sehr kompakte Bauweise der faseroptischen Punktsonde erreicht.
Sind das Strahlformelement und das Umlenkelement separate Körper und somit auch separate optische Elemente, lassen sich die jeweiligen optischen Eigenschaften unabhängig voneinander sehr einfach erreichen. Das Strahlformelement kann beispielsweise ein sphärisches Element (z.B. eine Kugel), eine Linse und insbesondere eine GRIN-Linse (Gradienten-Index-Linse) sein. Es ist auch möglich, mehrere Strahlformelemente im Lichtweg des Beleuchtungslichts anzuordnen, die unterschiedliche geometrische Formen und/oder unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen.
Das Umlenkelement kann bei einer Ausführung separat vom Strahlformelement eine dem Strahlformelement zugewandte zweite Fläche aufweisen, die zum Empfang des strahlgeformten Lichts eingerichtet ist. Die zweite Fläche kann eine Planfläche oder eine sphärische Fläche sein. Die zweite Fläche kann denselben Krümmungsradius aufweisen, wie die sphärische Endfläche des Umlenkelements. Die zweite Fläche und die sphärische Endfläche können jeweils durch einen Oberflächenabschnitt einer gemeinsamen sphärischen Oberfläche des Umlenkelements gebildet sein, beispielsweise wenn das Umlenkelement durch eine Halbkugel gebildet ist. Der zweiten Fläche des Umlenkelements ist eine dritte Fläche eines unmittelbar benachbarten optischen Elements zugewandt, die beispielsweise am Strahlformelement gebildet sein kann. Die dritte Fläche kann vollflächig an der zweiten Fläche anliegen oder mit Abstand zur zweiten Fläche angeordnet sein. Bevorzugt ist die Krümmung der dritten Fläche genauso groß wie die Krümmung der zweiten Fläche des Umlenkelements, wobei die Krümmung auch gleich Null sein kann. Insbesondere ist die zweite Fläche eine Planfläche oder konvex gekrümmt und die dritte Fläche kann eine Planfläche oder konkav gekrümmt sein. Der Mittelpunkt aller Flächenkrümmungen im Lichtweg des Beleuchtungslichts bis zur Planfläche des Umlenkelements befindet sich auf der ersten optischen Achse.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die numerische Apertur des Beleuchtungsstrahls nach der Fokussierung durch die sphärische Endfläche des Umlenkelements kleiner ist als 0,3. Die numerische Apertur des Beleuchtungsstrahls kann in einem Bereich von 0,05 bis 0,12 liegen und bei einem Ausführungsbeispiel etwa 0,1 betragen.
Die Dimension des mittels Auswerteeinrichtung auswertbaren Fokusbereichs des Beleuchtungsstrahls entlang der zweiten optischen Achse hat eine Länge von maximal 200 µm oder maximal 150 µm. Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt die Länge etwa 80 µm.
Es ist vorteilhaft, wenn an jeder Grenzfläche zweier optischer Materialien im Lichtweg des Beleuchtungslichts zwischen dem Faserende der Lichtleitfaser und der Planfläche des Umlenkelements, die nicht als Referenzfläche verwendet werden, der Brechungsindexunterschied der Materialien maximal 0,3 beträgt. An jeder dieser Grenzflächen ist der Materialübergang daher so gewählt, dass sich die Brechungsindizes der Materialien - einschließlich eventuell vorhandener Kittschichten - um maximal 0,3 unterscheiden. Dies gilt insbesondere für einen luftspaltfreien, vorzugsweise eine Kittschicht aufweisenden Übergang zwischen dem Faserende der Lichtleitfaser und dem Strahlformelement und/oder zwischen dem Strahlformelement und dem Umlenkelement oder nicht strahlformenden Abstandselementen, die im Lichtweg des Beleuchtungslichts zwischen der Lichtaustrittsfläche des Faserkerns und dem Umlenkelement optional angeordnet sein können. Durch diese Maßnahme können Reflexionen des Beleuchtungslichts vor dem Austritt aus der sphärischen Endfläche reduziert werden. Derartige Reflexionen sind unerwünscht, weil sie die Auswertung des Messsignals stören und die Messgenauigkeit beeinträchtigen.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann im Lichtweg des Beleuchtungslichts zwischen dem Faserende der Lichtleitfaser und dem Umlenkelement wenigstens ein Luftspalt vorhanden sein. Optische Flächen, die an den Luftspalt angrenzen und nicht als Referenzfläche ausgebildet sind, sondern zum Emittieren oder Empfangen von Beleuchtungslicht dienen, sind vorzugsweise mit einer Antireflexionsbeschichtung (AR-Beschichtung) versehen. Durch diese Antireflexionsbeschichtung können ebenfalls Reflexionen im Lichtweg des Beleuchtungslichts reduziert oder verhindert werden, die die Auswertung des Messsignals stören und die Messgenauigkeit beeinträchtigen.
Mit Ausnahme der als Referenzfläche genutzten Grenzfläche und verkitteten Grenzflächen von Elementen mit identischen Brechungsindizes können alle anderen optischen Grenzflächen in dem Lichtweg des Beleuchtungslichts, insbesondere vom Faserende der Lichtleitfaser bis zur Endfläche des Umlenkelements, an denen der Brechungsindexunterschied größer als 0,1 ist, eine Form aufweisen, die nicht kongruent der Wellenfront des an der Grenzfläche einfallenden oder emittierten Beleuchtungslichts ist. Durch diese Maßnahme wird vermieden, dass Beleuchtungslicht zurückreflektiert wird. Auch dadurch können Reflexionen im Lichtweg des Beleuchtungslichts gemindert oder vermieden werden, die die Auswertung des Messsignals stören und die Messgenauigkeit beeinträchtigen.
Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann wenigstens ein nicht zur Strahlformung eingerichtetes Abstandselement im Lichtweg des Beleuchtungslichts zwischen dem Faserende der Lichtleitfaser und dem Umlenkelement angeordnet sein, also beispielsweise zwischen dem Faserende der Lichtleitfaser und dem Strahlformelement und/oder zwischen dem Strahlformelement und dem Umlenkelement. Das wenigstens eine Abstandselement ist transparent für das Beleuchtungslicht und kann beispielsweise aus demselben Material bestehen wie das Strahlformelement und/oder das Umlenkelement. Ein solches Abstandselement kann anstelle eines Luftspalts im Lichtweg des Beleuchtungslichts angeordnet sein, beispielsweise um den Unterschied der Brechungsindizes an optischen Grenzflächen einzustellen und insbesondere möglichst klein zu halten und/oder um über den Lichtweg des Beleuchtungslichts innerhalb des Abstandselements die Dispersion, insbesondere die Gruppengeschwindigkeitsdispersion, in der faseroptischen Punktsonde gezielt zu beeinflussen.
Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem ein Abstandselement zwischen dem Strahlformelement und dem Umlenkelement angeordnet ist, kann das Abstandselement an seiner dem Umlenkelement zugewandten Seite die dritte Fläche aufweisen, wie es vorstehend bereits erläutert wurde. In diesem Fall kann die Bearbeitung der dritten Fläche vorteilhaft unabhängig von vorhergehenden Strahlformelementen erfolgen, insbesondere bei der Verwendung von GRIN-Linsen als Bestandteil des Strahlformelements.
Besonders vorteilhaft ist die Anordnung des Abstandselements zwischen dem Strahlformelement und dem Umlenkelement zur Fixierung des Umlenkelements derart, dass das Umlenkelement mittels einer sich im Lichtweg des Beleuchtungslichts befindenden Haftvermittlungsschicht stoffschlüssig mit dem Abstandselement verbunden ist. Dadurch kann die Befestigung des Umlenkelements an den Sondenkörper und/oder die Sondenhülse entfallen.
Die Reflexion an der Planfläche des Umlenkelements kann durch Totalreflexion (Total Internal Reflection bzw. TIR) erreicht werden, indem ein ausreichend großer Betrag der Differenz zwischen dem einem ersten Brechungsindex n1 des Umlenkelements und dem einem zweiten Brechungsindex n2 des an der Planfläche des Umlenkelements angrenzenden optisch dünneren Mediums oder optisch dünneren Materials (n2<n1) realisiert wird, insbesondere durch ein optional vorhandenes Zusatzelement. Für das unter einem Einfallswinkel α im optisch dichteren Material des Umlenkelements auf dessen Planfläche auftreffende Beleuchtungslicht tritt Totalreflexion auf, wenn der Einfallswinkel α größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion θ: $α>θ$
$θ= arcsin (n 2 / n 1)$
Alternativ zur Totalreflexion kann die Planfläche auch mit einer reflektierenden Schicht versehen sein. Die reflektierende Schicht kann eine Spiegelung des Beleuchtungslichts hervorrufen (vollreflektierende Schicht). Die reflektierende Schicht kann alternativ teilreflektierend sein, so dass das Beleuchtungslicht in zwei Teile aufgespalten wird. Insbesondere bei der Strahlaufspaltung kann das optional vorhandene Zusatzelement für die Lichtwellenlängen des Beleuchtungslichts transparent sein.
Insbesondere bei halbkugelförmigen Umlenkelementen und großem Einfallswinkel α kann das Zusatzelement die Befestigung des Umlenkelements vereinfachen und die Stabilität der Befestigung verbessern. Außerdem kann das Zusatzelement die Planfläche des Umlenkelements vor einer mechanischen Beschädigung schützen.
Das Zusatzelement ist bei einer bevorzugten Ausführungsform durch eine Halbkugel gebildet, so dass es möglich ist, aus dem Umlenkelement und dem Zusatzelement eine Kugel zu bilden. Optional kann das Zusatzelement dazu eingerichtet sein, als taktiles Antastelement verwendet zu werden. Das Zusatzelement hat an seiner dem Umlenkelement abgewandte Seite keine optische Funktionsfläche und kann daher zum taktilen Antasten verwendet werden, ohne optische Funktionsflächen der faseroptischen Punktsonde der Gefahr von Beschädigungen (z.B. Kratzern) und/oder Verformungen durch Abnutzung auszusetzen. Bei dieser Option ist die Planfläche des Umlenkelementes vorzugsweise verspiegelt.
Das Material des Umlenkelements kann beispielsweise einen ersten Brechungsindex n1 von größer als 1,6 aufweisen. Bei einem Ausführungsbeispiel bestehen das Umlenkelement und/oder das strahlformende Element aus hochbrechendem Glas oder Saphir. Es kann aber auch Quarzglas (Fused Silica) mit einem ersten Brechungsindex n1 von ca. 1,46 zum Einsatz kommen.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn auf der sphärischen Endfläche des Umlenkelements eine Beschichtung vorhanden ist. Die Beschichtung kann eine höhere Härte aufweisen als die Härte des Materials des Umlenkelements. Sie kann sozusagen als Schutzschicht dienen, um die sphärische Endfläche des Umlenkelements vor Beschädigungen zu schützen. Zusätzlich oder alternativ kann die Beschichtung auch eine Antireflexionsbeschichtung sein, um die Reflektivität zu mindern.
Ein Distanzmesssystem kann ein oder mehrere Ausführungsbeispiele einer faseroptischen Punktsonde aufweisen, wie sie vorstehend beschrieben wurde. Zu dem Distanzmesssystem gehört außerdem die wenigstens eine monochromatische oder schmalbandige Lichtquelle sowie die Auswerteeinrichtung, die mit der Lichtleitfaser der faseroptischen Punktsonde gekoppelt sind. Die Auswerteeinrichtung des Distanzmesssystems ist dazu eingerichtet, basierend auf dem empfangenen Referenzlicht und dem empfangenen Messlicht, einen Distanzmesswert zu ermitteln, der die Distanz zwischen der sphärischen Endfläche des Umlenkelements und der Messstelle auf der Objektoberfläche beinhaltet bzw. beschreibt. Die Auswertung des Messlichts erfolgt vorzugsweise interferometrisch.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Prinzipdarstellung eines Distanzmesssystems aufweisend eine faseroptische Punktsonde,
2-8 jeweils eine schematische Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer faseroptischen Punktsonde aufweisend ein Strahlformelement und ein Umlenkelement, die in und/oder an einem Sondenkörper angeordnet sind,
9-20 jeweils eine schematische Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels des Strahlformelements und/oder des Umlenkelements für eine faseroptische Punktsonde,
21-24 jeweils weitere Ausführungsbeispiele für ein Strahlformelement und/oder Umlenkelement mit Strahlteilung für eine faseroptische Punktsonde in jeweils schematischer Prinzipdarstellung und
25 und 26 jeweils eine schematische Prinzipdarstellung eines Endabschnitts einer Lichtleitfaser für eine faseroptische Punktsonde.

In 1 ist schematisch ein Distanzmesssystem 10 veranschaulicht, das eine faseroptische Punktsonde 11 aufweist. Die faseroptische Punktsonde 11 hat eine Lichtleitfaser 12. An diese Lichtleitfaser 12 ist an einer Einkopplungsstelle 13 eine Beleuchtungs- und Auswerteeinrichtung 5 angeschlossen aufweisend wenigstens eine monochromatische oder schmalbandige Lichtquelle 14, 15, beispielsgemäß eine erste Lichtquelle 14 und eine zweite Lichtquelle 15. Die Lichtquellen 14, 15 sind vorzugsweise mit je einem Pigtail (Anschlusslichtwellenleiter) versehen, welche das Beleuchtungslicht B für die eine oder mehrere hintereinander angeordneten Lichtleitfasern 12 faseroptisch zur Verfügung stellen. Bei dem hier veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die erste Lichtquelle 14 und die zweite Lichtquelle 15 - vorzugsweise mittels des jeweiligen Pigtails - mit den faseroptischen Eingängen eines ersten Y-Faserkopplers 6 verbunden, dessen faseroptischer Ausgang mittelbar oder unmittelbar mit der Einkopplungsstelle 13 der Lichtleitfaser 12 verbunden ist. Statt des ersten Y-Faserkopplers 6 kann beispielsweise auch ein X-Faserkoppler verwendet werden, wobei dessen zweiter faseroptischer Ausgang frei bleiben oder vorteilhaft zur Überwachung der Lichtquellen 14, 15 genutzt werden kann.
Die beiden Lichtquellen 14, 15 emittieren jeweils monochromatisches oder schmalbandiges Licht, das beim Ausführungsbeispiel eine spektrale Halbwertsbreite von jeweils kleiner als 100 nm hat. Die mittlere Lichtwellenlänge bzw. Schwerpunktwellenlänge des Lichts der ersten Lichtquelle 14 und des Lichts der zweiten Lichtquelle 15 sind voneinander verschieden, beispielsweise um mindestens 15 nm oder mindestens 40 nm. Die Lichtquellen 14, 15 können beispielsweise jeweils von einer Superlumineszenzdiode (SLD) gebildet sein. Die erste Lichtquelle 14 kann eine Schwerpunktwellenlänge von etwa 770 nm und die zweite Lichtquelle 15 kann eine Schwerpunktwellenlänge von etwa 820 nm aufweisen. Die spektrale Halbwertsbreite des Lichts jeder schmalbandigen Lichtquelle 14, 15 kann vorzugsweise 4 nm bis 80 nm betragen.
Sowohl das Licht der ersten Lichtquelle 14 als auch das Licht der zweiten Lichtquelle 15 werden als Beleuchtungslicht B in die erste Lichtleitfaser 12 eingekoppelt und insbesondere in einem vorzugsweise mittig in der Lichtleitfaser 12 angeordneten Faserkern 12a bis zu einem Faserende 16 der Lichtleitfaser 12 geleitet. Wie es insbesondere in den 25 und 26 beispielhaft dargestellt ist, tritt am Faserende 16 zumindest ein Teil des Beleuchtungslichts B entlang einer ersten optischen Achse O1 aus dem Faserkern 12a aus und divergiert im Anschluss an das Faserende 16. Ein - zumeist geringerer - Teil des Beleuchtungslichts B kann am Faserende 16 zur interferometrischen Auswertung als Referenzlicht R rückreflektiert werden. Die Stirnfläche der Lichtleitfaser 12 bildet beim Ausführungsbeispiel eine Referenzfläche 12b, an der das Referenzlicht R gebildet wird, beispielsweise durch Teilreflexion ( 25, 26). Die Referenzfläche 12b könnte auch an einer anderen Stelle im Lichtweg des Beleuchtungslichts B angeordnet sein.
Das divergente Beleuchtungslicht B wird an einer ersten Fläche 17 eines optischen Strahlformelements 18 empfangen. Die erste Fläche 17 ist beispielsgemäß senkrecht zur ersten optischen Achse O1 ausgerichtet. Die erste Fläche 17 ist dem Faserende 16 der Lichtleitfaser 12 zugewandt, wobei zwischen dem Faserende 16 und der ersten Fläche 17 ein Abstand vorhanden ist. Dieser Abstand kann durch einen Luftspalt und/oder ein Abstandselement 19 realisiert werden. Das Abstandselement 19 ist transparent für die Lichtwellenlängen des Beleuchtungslichts B. Das Abstandselement 19 ist nicht strahlformend. Ein optional vorhandenes Abstandselement 19 ist beispielsweise in den 2 und 3 veranschaulicht. Das Abstandselement 19 kann an der ersten Fläche 17 und/oder am Faserende 16 der Lichtleitfaser 12 flächig anliegen.
Wie es beispielsweise anhand der 2 bis 6 veranschaulicht ist, ist das Strahlformelement 18 dazu eingerichtet, das divergente Beleuchtungslicht B derart strahlzuformen, so dass ein strahlgeformtes Beleuchtungslicht K eine verminderte Divergenz aufweist oder kollimiert oder fokussiert ist. Vorzugsweise ist das strahlgeformte Beleuchtungslicht K kollimiert oder fokussiert. Es wird in ein Umlenkelement 20 eingekoppelt. Das Umlenkelement 20 hat eine Planfläche 21. Das strahlgeformte Beleuchtungslicht K wird entlang einer ersten optischen Achse O1 vom Strahlformelement 18 auf die Planfläche 21 des Umlenkelements 20 gerichtet und dort reflektiert. Die Planfläche 21 ist schräg unter einem Winkel von weniger als 90° geneigt zur ersten optischen Achse O1 ausgerichtet, so dass das an der Planfläche 21 entlang der ersten optischen Achse O1 mit dem Einfallswinkel α einfallende strahlgeformte Beleuchtungslicht K in einem Ausfallswinkel β entlang einer zweiten optischen Achse O2 reflektiert wird (hier: α=β), und aus dem Umlenkelement 20 durch eine sphärische Endfläche 22 austritt. Dadurch ergibt sich ein Umlenkwinkel δ zwischen der ersten optischen Achse O1 und der zweiten optischen Achse O2 (2). Durch die sphärische Endfläche 22 wird das strahlgeformte Beleuchtungslichtlicht K fokussiert und bildet einen fokussierten Beleuchtungsstrahl S.
Ein Fokusbereich 23 des fokussierten Beleuchtungsstrahls S, der lediglich schematisch als Punkt veranschaulicht ist, ist mit Abstand zur sphärischen Endfläche 22 angeordnet. In Richtung der zweiten optischen Achse O2 hat der Fokusbereich 23 eine Länge, die maximal 200 µm beträgt und beim Ausführungsbeispiel etwa 80 µm betragen kann.
Die Krümmung der sphärischen Endfläche 22 hat einen Krümmungsmittelpunkt, der mit dem Schnittpunkt zwischen der ersten optischen Achse O1 und der zweiten optischen Achse O2 übereinstimmt.
Die faseroptische Punktsonde 11 wird so ausgerichtet, dass eine Objektoberfläche 26 (1 und 2) eines Objekts an der Messstelle, an der eine Distanz d bestimmt werden soll, innerhalb des Fokusbereichs 23 des Beleuchtungsstrahls S angeordnet ist. An der Objektoberfläche 26 wird der Beleuchtungsstrahl S reflektiert und/oder gestreut. Das reflektierte und/oder gestreute Licht wird zumindest teilweise wieder durch die sphärische Endfläche 22 des Umlenkelements 20 empfangen und bildet Messlicht M, das dann gegenläufig zum Beleuchtungslicht B in der faseroptischen Punktsonde 11 weitergeleitet wird. Das Messlicht M wird nach dem Eintritt in die sphärische Endfläche 22 an der Planfläche 21 reflektiert, durchläuft das Strahlformelement 18 und wird von der ersten Fläche 17 zumindest teilweise in den Faserkern 12a der Lichtleitfaser 12 an deren Faserende 16 eingekoppelt.
Das Messlicht M und das Referenzlicht R werden durch die Lichtleitfaser 12 bis zu einer Auskopplungsstelle 27 geleitet, die eine Auswerteeinrichtung 28 mit der Lichtleitfaser 12 faseroptisch verbindet, so dass das Messlicht M und das Referenzlicht R in der Auswerteeinrichtung 28 empfangen wird. Die Auskopplungsstelle 27 kann an einem zweiten Y-Faserkoppler 7 zwischen der Einkopplungsstelle 13 und dem ersten Y-Faserkoppler 6 angeordnet sein. 1 stellt eine bevorzugte Ausgestaltungsmöglichkeit dar, bei der die Auskopplungsstelle 27 entfernt von der Einkopplungsstelle 13 an der Lichtleitfaser 12 angeordnet ist. Beispielsweise kann ein dem Faserende 16 entgegengesetztes Ende der Lichtleitfaser 12 die Einkopplungsstelle 13 bilden.
In der Auswerteeinrichtung 28 wird anhand des empfangenen Messlichts M in Bezug auf das ebenfalls empfangene Referenzlicht R ein Distanzmesswert ermittelt, der die Distanz d (1 und 2) zwischen der sphärischen Endfläche 22 der faseroptischen Punktsonde 11 und der Messstelle auf der Objektoberfläche 26 auf der zweiten optischen Achse O2 beinhaltet bzw. beschreibt. Geometrischer Bezugspunkt des Distanzmesswertes in der faseroptischen Punktsonde 11 ist die das Referenzlicht R generierende Referenzfläche 12b, vorzugsweise die Stirnfläche am Faserende 16 der Lichtleitfaser 12, und insbesondere die plane Stirnfläche des Faserkerns 12a (26).
Das Umlenkelement 20 und das Strahlformelement 18 können als separate Körper bzw. separate optische Elemente ausgebildet sein, wie es beispielsweise in den 2-5 veranschaulicht ist. Das Strahlformelement 18 kann eine GRIN-Linse sein (2 und 3) oder durch ein anderes kollimierendes und/oder fokussierendes optisches Element gebildet sein, beispielsweise eine oder mehrere Linsen und/oder ein oder mehrere sphärische Elemente, wie es beispielhaft in den 4 und 5 gezeigt ist. Hier ist das Strahlformelement 18 als Kugellinse ausgestaltet.
Das Strahlformelement 18 kann mit Abstand zu einer zweiten Fläche 31 des Umlenkelements 20 angeordnet sein. Die zweite Fläche 31 ist dem Strahlformelement 18 zugewandt und dazu eingerichtet, das strahlgeformte, vorzugsweise kollimierte oder fokussierte Beleuchtungslicht K zu empfangen. Bei dem in 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Distanz zwischen dem Strahlformelement 18 und der zweiten Fläche 31 durch ein nicht strahlformendes Abstandselement 19 überbrückt.
Das optische Element 18, 19, das unmittelbar benachbart zu der zweiten Fläche 31 angeordnet ist, hat eine der zweiten Fläche 31 zugewandte dritte Fläche 30, die bei den dargestellten Ausführungsbeispielen am Abstandselement 19 (z.B. 2) oder das Strahlformelement 18 (z.B. 4) vorhanden ist. Die dritte Fläche 30 kann eine Krümmung aufweisen, die der Krümmung der zweiten Fläche 31 entspricht, einschließlich einer Krümmung gleich null. Bei allen Ausführungsbeispielen ist die zweite Fläche 31 plan oder konvex gekrümmt. Die dritte Fläche 30 kann plan oder konkav gekrümmt oder konvex gekrümmt sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist eine flächige Anlage zwischen der zweiten Fläche 31 und der dritten Fläche 30 realisiert, die zumindest im Lichtweg des strahlgeformten Beleuchtungslichts K angeordnet ist.
Bei den in den 2-8 veranschaulichten Ausführungsbeispielen sind die sphärischen Endfläche 22 und die zweite Fläche 31 durch Oberflächenabschnitte eines halbkugelförmigen Umlenkelements 20 gebildet. Die der zweiten Fläche 31 zugewandte dritte Fläche 30 kann daher konkav gekrümmt sein mit einem Radius, der dem Radius des halbkugelförmigen Umlenkelements 20 entspricht. Wie es ebenfalls in 2, 4, 5, 7 und 8 gezeigt ist, können die Krümmungen der aneinander zugewandten Flächen 30, 31 auch voneinander abweichen und die dritte Fläche 30 kann beispielsweise eine plane Fläche oder eine konvex gekrümmte Fläche sein, während die zweite Fläche 30 konvex gekrümmt ist. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die zweite Fläche 31 und die dritte Fläche 31 plane Flächen sind, die sich parallel zueinander erstrecken.
Ein Abstandselement 19, das zwischen dem Strahlformelement 18 und dem Umlenkelement 20 angeordnet ist, ist beispielsweise in den 2 und 4 veranschaulicht. In Abwandlung dazu kann die Lücke zwischen dem Strahlformelement 18 und der zweiten Fläche 31 des Umlenkelements 20 auch durch ein nicht glasartiges Medium, beispielsweise eine transparente Haftvermittlungsschicht oder Luft, gefüllt sein.
Die faseroptische Sonde 11 weist zur Lagerung eines Endbereiches der Lichtleitfaser 12 und der optischen Komponenten einen Sondenkörper 32 auf, der beim Ausführungsbeispiel hülsenförmig sein kann. Der Sondenkörper 32 kann optional durch eine Sondenhülse 33 umgeben sein. Der Sondenkörper 32 und die Sondenhülse 33 erstrecken sich koaxial zur ersten optischen Achse O1. Das Faserende 16 ist in dem Sondenkörper 32 angeordnet, vorzugsweise derart, dass eine Mittelachse des mittig in der Lichtleitfaser 12 angeordneten Faserkerns 12a der ersten optischen Achse O1 entspricht.
Das Strahlformelement 18 ist bei dem hier veranschaulichten Ausführungsbeispielen in dem Sondenkörper 32 angeordnet und wird vorzugsweise vollständig in dem vom Sondenkörper 32 umschlossenen Raum aufgenommen. An einem freien Ende des Sondenkörpers 32 ist das Umlenkelement 20 angeordnet und kann beispielsweise durch eine Haftverbindung mit dem Sondenkörper 32 und/oder der Sondenhülse 33 verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Umlenkelement 20 mit einem benachbarten optischen Element vorzugsweise durch eine Haftvermittlung verbunden sein, beispielsweise mit dem Strahlformelement 18 oder einem Abstandselement 19. In 7 ist beispielhaft eine Haftverbindung mittels einer Haftvermittlungsschicht 34 zwischen dem Umlenkelement und einem dazu benachbart angeordneten optischen Element 18 oder 19 sowie dem Sondenkörper 32 und/oder der Sondenhülse 33 veranschaulicht.
Um eine Reflexion an der Planfläche 21 zu erzeugen, kann diese optional mit einer teilweise reflektierenden oder vollreflektierenden Schicht 35 beschichtet sein (9). Eine solche reflektierende Schicht 35 ist vorteilhaft, wenn der Einfallswinkel α des strahlgeformten Beleuchtungslichts kleiner ist als der Grenzwinkel θ der Totalreflektion: $α<θ$
Der Grenzwinkel θ der Totalreflektion ergibt sich gemäß Gleichung (2) aus einem ersten Brechungsindex n1 des Umlenkelements 20 und einem zweiten Brechungsindex n2 des rückseitig an die Planfläche 21 angrenzenden Materials oder Mediums. Abhängig vom gewünschten oder erforderlichen Umlenkwinkel δ des strahlgeformten Beleuchtungslichts K und des dafür erforderlichen Neigungswinkels der Planfläche 21 gegenüber der ersten optischen Achse O1 muss der Differenzbetrag der Brechungsindizes n1, n2 an der Planfläche 21 ausreichend groß sein, um auf die reflektierende Schicht 35 verzichten zu können. An die Planfläche 21 kann die umgebende Atmosphäre, insbesondere Luft angrenzen, wie es bei Ausführungsformen des Umlenkelements 20 gemäß 2-6 (ohne Zusatzelement 36) und 9-13 beispielhaft veranschaulicht ist.
Alternativ zur Atmosphäre bzw. Luft kann an der Planfläche 21 auch ein mit dem Umlenkelement 20 verbundenes Zusatzelement 36 angeordnet sein. Bei den in den 2 bis 7 veranschaulichten Ausführungsbeispielen hat das Material des Zusatzelements 36, falls optional vorhanden, vorzugsweise einen kleineren Brechungsindex als das Umlenkelement 20. Insbesondere bei großem Einfallswinkel α kann das Zusatzelement 36 zusammen mit der Haftvermittlungsschicht 34 (7 und 8) als verbundene, gemeinsame Baueinheit ausgebildet sein. Das Zusatzelement 36 kann die Befestigung des Umlenkelements 20 insbesondere am Strahlformelement 18 oder am Abstandselement 19 stabilisieren und gleichzeitig einen mechanischen Schutz der Planfläche 21 des Umlenkelements 20 bewirken.
Wenn das Umlenkelement 20 als Halbkugel ausgeführt ist, kann das Zusatzelement 36 vorzugsweise ebenfalls als Halbkugel mit demselben Radius ausgebildet sein, so dass das Umlenkelement 20 gemeinsam mit dem Zusatzelement 36 eine Kugel bildet (vergleiche z.B. 1-7, 14, 15, 18-20 oder 22). Zur Erfüllung der Bedingung aus den Gleichungen (1) bis (3) ist dann in der Regel die Planfläche 21 mit einer reflektierenden Schicht 35 versehen.
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Zusatzelement 36 auch eine beliebige andere, von der Halbkugel abweichende geometrische Form aufweisen (vgl. insbesondere in 8 und 17).
Das Umlenkelement 20 und das Zusatzelement 36 sind an der Planfläche 21 vorzugsweise durch eine Haftverbindung flächig miteinander verbunden.
An dem Zusatzelement 36 ist bei einigen Ausführungsbeispielen keine optische Funktionsfläche vorhanden. Das Zusatzelement 36 wird nicht vom strahlgeformten Beleuchtungslicht K oder dem Messlicht M durchsetzt, so dass seine dem Umlenkelement 20 abgewandte Außenfläche für das taktile Antasten verwendet werden kann. Das Zusatzelement 36 kann somit ein taktiles Antastelement bilden. Die faseroptische Punktsonde 11 kann dann zusätzlich dazu eingerichtet sein, eine Objektoberfläche 26 berührend anzutasten, wobei vorzugsweise das Zusatzelement 36 als Antastelement verwendet wird, um Beschädigungen an lichtabstrahlenden oder lichtempfangenden Oberflächen zu vermeiden, insbesondere an der sphärischen Endfläche 22 des Umlenkelements 20.
Alternativ dazu kann das Zusatzelement 36 bei anderen Ausführungsbeispielen eine optische Funktionsfläche aufweisen, insbesondere, wenn eine Teilung des (strahlgeformten) Beleuchtungslichts verursacht wird, beispielsweise um mehr als einen Beleuchtungsstrahl S zu erhalten ( 20-24) .
Um die faseroptische Punktsonde 11 auch zur taktilen Antastung verwenden zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Durchmesser der Kugel aus Umlenkelement 20 und Zusatzelement 36 größer ist als der Außendurchmesser der Sondenhülse 33 (z.B. 2 und 4-6). Bei anderen Ausführungsbeispielen ist der Durchmesser der Kugel aus Umlenkelement 20 und Zusatzelement 36 kleiner als der Außendurchmesser der Sondenhülse 33, wie es beispielhaft in 3 veranschaulicht ist. Bei dieser Ausführungsform kann das Umlenkelement 20 teilweise, mindestens bis zum Schnittpunkt der optischen Achsen O1, O2 oder vollständig im Innenbereich der Sondenhülse 33 aufgenommen werden. Dadurch werden die Außenflächen des Umlenkelements 20 vor Beschädigungen bei mechanischem Kontakt mit einem Objekt geschützt. Es ist dann vorteilhaft oder notwendig, die Sondenhülse 33 mit einem für das verwendete Licht transparenten Bereich oder vorzugsweise mit einem Fenster 37 auszustatten, wie es lediglich stark schematisiert in 3 gezeigt ist. Das Fenster 37 ist derart angeordnet, dass der Beleuchtungsstrahl S ungehindert durch die sphärische Endfläche 22 abgestrahlt und auf die Objektoberfläche 26 gelangt und von dort reflektiertes oder gestreutes Messlicht M zumindest teilweise ungehindert durch die sphärische Endfläche 22 empfangen werden kann.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Lichtweg in Abstrahlrichtung und der Lichtweg des empfangenen Messlichts M nicht vollständig identisch sein müssen. Dies ist in der Regel nur dann der Fall, wenn die zweite optische Achse O2 orthogonal auf die Objektoberfläche 26 auftrifft. Trifft hingegen die zweite optische Achse O2 schräg auf die Objektoberfläche 26, wird das an der sphärischen Endfläche 22 empfangene Messlicht nicht an derselben Stelle empfangen, an der der Beleuchtungsstrahl S austritt. Die sphärische Endfläche 22 ist daher vorzugsweise nicht auf eine Fläche beschränkt, die zum Abstrahlen des Beleuchtungsstrahls S benötigt wird, sondern ist vorzugsweise radial zur zweiten optischen Achse O2 in alle Richtungen größer als der für das Abstrahlen des Beleuchtungsstrahls S benötigte Bereich. Wenn die Sondenhülse 33 das Umlenkelement 20 zumindest teilweise aufnimmt, kann es vorteilhaft sein, im Bereich der Sondenhülse 33 angrenzend an die sphärische Endfläche 22 ein großzügig dimensioniertes Fenster 37 vorzusehen, wie es vorstehend erläutert und in 3 schematisch gezeigt ist. Letztendlich begrenzend für das in die Auswerteeinrichtung 28 durch die Lichtleitfaser 12 geleitete Messlicht M ist die numerische Apertur der Lichtleitfaser 12, insbesondere deren Faserkern 12a, am Faserende 16, die für das austretende Beleuchtungslicht B und das in die Lichtleitfaser 12 einzukoppelnde Messlicht M identisch ist. Licht von der Objektoberfläche 26, was außerhalb des durch die numerische Apertur der Lichtleitfaser 12 gegebenen Akzeptanzwinkel auf das Faserende 16 fällt, geht verloren, das auswertbare Messlicht M wird abgeschwächt.
In der in 6 veranschaulichten Ausführungsform bilden das Strahlformelement 18 und das Umlenkelement 20 einen monolithischen Körper, beispielsweise eine Halbkugel. Die erste Fläche 17 ist durch einen Oberflächenabschnitt dieser Halbkugel gebildet, während ein anderer Oberflächenabschnitt die sphärische Endfläche 22 bildet. Das Strahlformen des divergenten Beleuchtungslichts B erfolgt dabei durch den die erste Fläche 17 bildenden Oberflächenabschnitt der Halbkugel. Bei dieser Ausführungsform kann ein sehr einfacher Aufbau und eine kompakte Anordnung erreicht werden. Die zweite Fläche 31 und die dritte Fläche 30 entfallen bei der integralen Ausgestaltung des Strahlformelements 18 und des Umlenkelements 20.
Das Umlenkelement 20 kann integral als nicht halbkugelförmiger monolithischer Körper ausgebildet sein. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele sind beispielhaft in den 10 und 11 veranschaulicht.
10 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Umlenkelements 20 in einer stabähnlichen länglichen Ausführung entlang der ersten optischen Achse O1. Verglichen mit einer Halbkugel ist die sphärische Endfläche 22 kleiner ausgeführt und entspricht in etwa der Fläche einer Achtelkugel. Sie grenzt einerseits an die Planfläche 21 und andererseits an eine Außenfläche 38 des Umlenkelements 20 an, die beispielsweise koaxial um die erste optische Achse O1 verlaufen kann. Die zweite Fläche 31 zum Empfang des strahlgeformten Lichts K ist bei diesem Ausführungsbeispiel orthogonal zur ersten optischen Achse O1 ausgerichtet. Alternativ dazu kann die zweite Fläche 31 auch als sphärische Fläche mit Krümmungsmittelpunkt auf der ersten optischen Achse O1 ausgebildet sein, wie es in 11 veranschaulicht ist. Der Krümmungsmittelpunkt der zweiten Fläche 31 liegt vorzugsweise auf der Planfläche 21. Im Unterschied zu 10 ist die Außenfläche 38 koaxial zu einer Zylinderachse ausgerichtet, die in etwa parallel zur Planfläche 21 verläuft oder unter einem anderen Winkel gegenüber der ersten optischen Achse O1 geneigt sein kann. Während die Größe der sphärischen Endfläche 22 in 10 in etwa der einer Achtelkugel entspricht, weist das Umlenkelement 20 aus 11 eine sphärische Endfläche 22 auf, die in etwa der Größe einer Viertelkugel entspricht. Merkmale dieser beiden Ausführungsbeispiele können auch miteinander kombiniert werden.
Bei dem in den 12 bis 15 veranschaulichten Ausführungsbeispielen ist das Umlenkelement 20 durch eine vollständige oder abgeschnittene Halbkugel gebildet und weist die sphärische Endfläche 22 sowie die Planfläche 21 auf. Die Anordnung aus benachbarten optischen Elementen einschließlich des Strahlformelements 18 und/oder eines optionalen Abstandselements 19 weist bei diesen Ausführungsbeispielen wenigstens eine Reflexionsfläche 44 auf, an der das Beleuchtungslicht B oder das strahlgeformte Beleuchtungslicht K aus einer Richtung entlang einer dritten optischen Achse O3 in eine Richtung entlang der ersten optischen Achse O1 umgelenkt wird. Somit kann die Abstrahlrichtung des Beleuchtungslichts B aus dem Faserende 16 verschieden sein von der ersten optischen Achse O1 und sich beispielsweise entlang der dritten optischen Achse O3 erstrecken. Die dritte optische Achse O3 kann zum Beispiel mit der Mittellängsachse des Sondenkörpers 32 und/oder der Sondenhülse 33 übereinstimmen und/oder sich durch den Mittelpunkt des Faserkerns 12a am Faserende 16 der Lichtleitfaser 12 erstrecken. Zusätzlich zu der Reflexion an der Planfläche 21 kann daher eine weitere Umlenkung im Lichtweg vorhanden sein.
In Abwandlung zu diesen Ausführungsbeispielen gemäß 12-15 kann das Strahlformelement 18 mehrere schräg zueinander angeordnete Reflexionsflächen 44 aufweisen, um das Licht mehrfach umzulenken. Lediglich beispielhaft ist in 16 ein Ausführungsbeispiel mit drei Reflexionsflächen 44 und mehreren dritten optischen Achsen O3 veranschaulicht.
Die Reflexion an den Reflexionsflächen 44 kann entsprechend der Reflexion an der Planfläche 21 durch Totalreflexion (TIR) oder durch eine reflektierende Schicht 35, vorzugsweise als Spiegelschicht ausgebildet, erreicht werden. Eine oder mehrere der vorhandenen Reflexionsflächen 44 können beispielsweise an einem prismatischen Teil 45 angeordnet sein, wobei jedes prismatische Teil 45 ein separater Körper sein kann oder integraler Bestandteil eines anderen optischen Elements, insbesondere des Strahlformelements 18 oder eines optional vorhandenen Abstandselements 19.
In 17 ist ein Ausführungsbeispiel des Umlenkelements 20 veranschaulicht, das beispielhaft das Umlenkelement 20 nach 2 auf die optisch und/oder haftvermittlungstechnisch genutzten Abschnitte reduziert. Es ist ähnlich ausgeführt wie das Umlenkelement 20 aus 10. Im Unterschied zu 10 ist die zweite Fläche 31, die zum Empfang des strahlgeformten Lichts K eingerichtet ist, sphärisch ausgebildet. An der Planfläche 21 ist ein Zusatzelement 36 angeordnet. Diese Ausführung ist insbesondere zur Messung in sehr engen Aussparungen oder Bohrungen eingerichtet, die die Objektoberfläche 26 bilden.
Zur Anpassung der faseroptischen Punktsonde 11 an unterschiedliche Anwendungen kann die Schrägstellung der Planfläche 21 und damit der Umlenkwinkel δ je nach Bedarf gewählt werden, wobei die vorangegangenen Ausführungen zur Totalreflexion und einer optionalen reflektierenden Schicht 35 an der Rückseite der Planfläche 21 zu beachten sind. Um die Herstellung bzw. die Montage der faseroptischen Punktsonde 11 zu vereinfachen, kann an dem mit dem Umlenkelement 20 verbundenen Zusatzelement 36 eine detektierbare Markierung 46 vorhanden sein, die das korrekte Ausrichten der Planfläche 21 vereinfacht. Die Markierung 46 kann beispielsweise durch eine Fase, Vertiefung, Kerbe, Nut oder dergleichen im Zusatzelement 36 ausgebildet sein ( 18 und 19) .
Zusätzlich oder alternativ zu der Markierung 46 kann, wie in 18 dargestellt, in dem Zusatzelement 36 auch eine Aufnahme 47 vorhanden sein zur Aufnahme einer Ausrichthilfe, beispielsweise eines Stiftes, oder zur Aufnahme eines taktilen Tastkörpers mit einer für den Anwendungsfall geeigneten Geometrie. Die faseroptische Punktsonde 11 kann bei dieser Ausführungsform zusätzlich zur optischen Distanzmessung auch zum taktilen Antasten verwendet werden.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Umlenkelement 20 derart ausgebildet, dass das Licht zwischen der zweiten Fläche 31 und der sphärischen Endfläche 22 innerhalb des Umlenkelements 20 geleitet wird und insbesondere nur durch einmalige Reflexion an der Planfläche 21 umgelenkt wird. In Abwandlung dazu kann auch eine mehrfache Reflexion im Umlenkelement 20 erfolgen und/oder das Zusatzelement 36 kann als lichtleitendes Element im Lichtweg angeordnet sein.
20 zeigt eine Ausführungsform bei der das Umlenkelement 20 durch eine erste Halbkugel 20a und eine zweite Halbkugel 20b gebildet ist, die an der Planfläche 21 verbunden sind. Vorzugsweise ist an der Planfläche 21 eine reflektierende Schicht 35 vorhanden, die hier teilreflektierend ist. Die Planfläche 21 des Umlenkelements 20 reflektiert das strahlgeformte Beleuchtungslicht K - anders als bei den bisherigen Ausführungsbeispielen - nicht direkt zur sphärischen Endfläche 22, sondern teilreflektiert vorzugsweise 50% zunächst von der Planfläche 21 auf eine verspiegelte Fläche 48 an der zweiten Halbkugel 20b. Die verspiegelte Fläche 48 kann durch eine Beschichtung des Flächenabschnitts der Außenfläche, insbesondere der sphärischen Außenfläche der zweiten Halbkugel 20b gebildet sein. Das strahlgeformte Beleuchtungslicht K wird somit von der Planfläche 21 auf die verspiegelte Fläche 48 und von dort entlang der zweiten optischen Achse O2 vorzugsweise zu 50% durch die Planfläche 21 hindurch in die jeweils andere, erste Halbkugel 20a reflektiert, wo es an der sphärischen Endfläche 22 austritt, die durch einen Oberflächenabschnitt der ersten Halbkugel 20a gebildet ist.
Weitere Abwandlungen des Umlenkelements mit Hilfe einer Strahlteilung sind in den 21-24 schematisch veranschaulicht. Das Umlenkelement 20 ist hier insgesamt kugelförmig (22-24) oder weist mehrere sphärische Endflächen 22 auf, beispielsweise an separaten Kugelkalotten (21). Das Umlenkelement 20 kann eine oder mehrere Planflächen 21 aufweisen, die jeweils mit der reflektierenden Schicht 35, hier teilreflektierend ausgebildet, eingerichtet sind. Dadurch ist es möglich, mehrere Beleuchtungsstrahlen S in unterschiedliche Richtungen entlang einer oder mehrerer zweiter optischer Achsen O2 zu emittieren. Bei diesen Ausführungsformen kann das Umlenkelement 20 aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden. Beispielsweise können bei allen Ausführungsbeispielen die unterschiedlichen Ausgestaltungen des Strahlformelements 18 als integrale GRIN-Linse, als integrale Kugel oder als mehrteiliges Element mit zusätzlichen Reflexionsflächen 44 vorgesehen sein. Das Umlenkelement kann ebenfalls einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein und weist vorzugsweise wenigstens ein halbkugelförmiges Teil auf oder besteht aus einem einzigen halbkugelförmigen Teil.
Auch die Ausgestaltung der ersten Fläche 17 und/oder der zweiten Fläche 31 kann bei allen Ausführungsformen variiert werden und insbesondere entweder durch eine Planfläche oder eine sphärisch gekrümmte Fläche ausgestaltet sein.
Bei allen Ausführungsbeispielen ist die numerische Apertur des Beleuchtungsstrahls S vorzugsweise kleiner als 0,3 und beträgt beispielsweise etwa 0,1.
Um unerwünschte, d.h. zusätzlich zum Referenzlicht R in die Lichtleitfaser rückkoppelnde Reflexionen bei der Leitung des Beleuchtungslichts zwischen der Lichtleitfaser 12 und der Planfläche 21 des Umlenkelements 20 zu vermeiden oder zumindest deren Intensität gegenüber der Intensität des Mess- und Referenzlichts gering zu halten, können eine oder mehrere der nachfolgend geschilderten Maßnahmen bei allen Ausführungsbeispielen realisiert werden:

1. An Stellen, an denen zwei Materialien eine gemeinsame optische Grenzfläche aufweisen, wird der Unterschied der Brechungsindizes der Materialien auf max. 0,3 begrenzt. Eine solche optische Grenzfläche kann beispielsweise am Faserende 16 der Lichtleitfaser 12 und/oder an der zweiten Fläche 31 des Umlenkelements 20 und/oder an den im Lichtweg des Beleuchtungslichts B oder des strahlgeformten Beleuchtungslichts K angeordneten Flächen des Strahlformelements oder von optional vorhandenen Abstandselementen gebildet sein.
2. Im Lichtweg des Beleuchtungslicht B oder des strahlgeformten Beleuchtungslichts K angeordnete Flächen optischer Elemente, die an Luft bzw. an einen Luftspalt angrenzen, sind mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen.
3. Die Anordnung und Geometrie der lichtleitenden Elemente im Lichtweg des Beleuchtungslichts B oder des strahlgeformten Beleuchtungslichts K sind derart eingerichtet, dass die Wellenfronten des Beleuchtungslichts B oder des strahlgeformten Beleuchtungslichts K nicht kongruent auf die optischen Grenzflächen auftreffen.

Bei allen Ausführungsbeispielen kann das Umlenkelement 20 aus einem Material bestehen, das einen Brechungsindex von mindestens oder größer als 1,6 aufweist. Als Material für das Umlenkelement kann beispielsweise hochbrechendes Glas oder Saphir verwendet werden. Es kann jedoch beispielsweise auch Quarzglas mit einem Brechungsindex von ca. 1,46 eingesetzt werden.
Es ist außerdem möglich, die sphärische Endfläche 22 bei allen Ausführungsbeispielen mit einer Beschichtung zu versehen, die beispielsweise als Schutzschicht mit gegenüber dem Material des Umlenkelements 20 größere Härte ausgebildet sein kann. Die Beschichtung kann zusätzlich oder alternativ eine Antireflexionsbeschichtung bilden.
Das in 1 veranschaulichte Distanzmesssystem 10 verwendet das an der Objektoberfläche 26 zurückgeworfene, an der sphärischen Endfläche 22 in die faseroptische Punktsonde 11 eintretende und in die Lichtleitfaser einkoppelnde Messlicht M zur Bestimmung eines Distanzmesswertes mit Bezug auf die eine, in der faseroptischen Punktsonde 11 angeordnete, das Referenzlicht R generierende Referenzfläche 12b. Der Lichtweg zwischen der Referenzfläche 12b und der sphärischen Endfläche 22 ist bekannt, so dass die Distanz d aus dem Distanzmesswert ermittelt werden kann. Die Auswerteeinrichtung 28 kann dabei interferometrisch arbeiten.
Die faseroptische Punktsonde 11 lässt sich nach Art eines Baukastensystems sehr einfach an unterschiedliche Anwendungsfälle und Gegebenheiten anpassen ohne für jeden Anwendungsfall ein aufwendiges neues Optikdesign verbunden mit einer Neukonstruktion und einer eventuell neu zu entwickelnden Fertigungstechnologie, insbesondere Montagetechnologie, ausführen zu müssen. Es kann wie folgt vorgegangen werden:

1. Es werden mehrere oder alle der nachfolgenden Parameter vorgegeben:
- - Länge eines Fokusbereiches 23,
- - minimaler und/oder maximaler Durchmesser des Fokusbereiches (Messfleckgröße),
- - numerische Apertur des auf die Objektoberfläche 26 eingestrahlten Beleuchtungsstrahls S,
- - Abbildungsmaßstab bzw. Vergrößerung im gesamten Lichtweg des Beleuchtungslichts B, K, S vom Faserende 16 bis zum Mittelpunkt des Fokusbereichs 23 außerhalb der sphärischen Endfläche 22,
- - Abstrahlwinkel (Divergenz) des Beleuchtungslichts B gegenüber einer Längsachse eines Sondenkörpers und/oder der ersten optischen Achse,
- - Messdistanzbereich zwischen der Austrittsfläche des Beleuchtungsstrahls S und der anzutastenden Objektoberfläche 26,
- - Versatz und/oder Anzahl der erforderlichen Umlenkstellen (Reflexionsflächen 44), um die Antaststelle an der Objektoberfläche 26 zu erreichen.
2. Der Radius der sphärischen Endfläche 22 wird bestimmt.
3. Die Lage der Planfläche 21 gegenüber der ersten optischen Achse O1 und damit auch der Einfallswinkel α wird festgelegt, so dass sich die Lage der zweiten optischen Achse O2 und der Umlenkwinkel δ ergibt.
4. Optional wird wenigstens ein prismatisches Teil 45 zur Erzielung wenigstens einer zusätzlichen Umlenkstelle im Lichtweg des Beleuchtungslichts B, und des strahlgeformten Beleuchtungslichts K eingesetzt.
5. Die Strahlformeigenschaft des Strahlformelements 18 wird ermittelt und ein geeignetes Strahlformelement ausgewählt, beispielsweise abhängig vom Radius der sphärischen Endfläche 22.
6. Der an sich bekannte Durchmesser des Faserkerns 12a der Lichtleitfaser 12 und/oder die Divergenz des am Faserende 16 der Lichtleitfaser 12 austretenden Beleuchtungslichts B wird berücksichtigt.
7. Die Länge des Lichtwegs des Beleuchtungslichts B zwischen dem Faserende 16 und dem Strahlformelement 18 und im Lichtweg angeordnete optische Elemente der Sonde werden abhängig von einer vorgegebenen oder gewünschten Dispersion gewählt.
8. Basierend darauf kann die faseroptische Punktsonde 11 aus vorgefertigten Elementen erstellt und aufgebaut werden.

Die Erfindung betrifft eine faseroptische Punktsonde 11 für ein Distanzmesssystem 10. Die faseroptische Punktsonde 11 hat eine Lichtleitfaser 12, an die wenigstens eine Lichtquelle 14, 15 sowie eine Auswerteeinrichtung 28 angeschlossen werden kann. Beleuchtungslicht B der Lichtquellen 14, 15 wird über die Lichtleitfaser 12 zu einem Strahlformelement 18 übermittelt und dort in vorzugsweise kollimiertes oder fokussiertes strahlgeformtes Beleuchtungslicht K umgewandelt. Das strahlgeformte Beleuchtungslicht K wird entlang einer ersten optischen Achse O1 zu einer Planfläche 21 eines Umlenkelements 20 geleitet und dort durch Reflexion umgelenkt. Das an der Planfläche 21 reflektierte strahlgeformte Beleuchtungslicht K breitet sich entlang einer zweiten optischen Achse O2 aus, tritt an einer sphärischen Endfläche 22 des Umlenkelements 20 aus und bildet einen fokussierten Beleuchtungsstrahl S mit einem Fokusbereich 23 außerhalb des Umlenkelements 20. Eine im Fokusbereich 23 angeordnete Objektoberfläche 26 kann derart angetastet werden, dass berührungslos ein Distanzmesswert mit Bezug auf eine sondeninterne Referenzfläche 12b, die zur teilweisen Rückreflexion des Beleuchtungslichts B oder des strahlgeformten Beleuchtungslichts K in Form von Referenzlicht R eingerichtet ist, ermittelt werden kann, der charakteristisch ist für eine Distanz d zwischen der sphärischen Endfläche 22 des Umlenkelements 20 und der Objektoberfläche 26 . Die sphärische Endfläche 22 des Umlenkelements 20 hat einen Krümmungsmittelpunkt, der dem Schnittpunkt der ersten optischen Achse O1 mit der zweiten optischen Achse O2 entspricht.
Bezugszeichenliste

5: Beleuchtungs- und Auswerteeinrichtung
6: erster Y-Faserkoppler
7: zweiter Y-Faserkoppler
10: Distanzmesssystem
11: faseroptische Punktsonde
12: Lichtleitfaser
12a: Faserkern
12b: Referenzfläche
13: Einkopplungsstelle
14: erste Lichtquelle
15: zweite Lichtquelle
16: Faserende
17: erste Fläche
18: Strahlformelement
19: Abstandselement
20: Umlenkelement
20a: erste Halbkugel des Umlenkelements
20b: zweite Halbkugel des Umlenkelements
21: Planfläche
22: sphärische Endfläche
23: Fokusbereich
26: Objektoberfläche
27: Auskopplungsstelle
28: Auswerteeinrichtung
30: dritte Fläche
31: zweite Fläche
32: Sondenkörper
33: Sondenhülse
34: Haftvermittlungsschicht
35: reflektierende Schicht
36: Zusatzelement
37: Fenster
38: Außenfläche des Umlenkelements
44: Reflexionsfläche
45: prismatischer Teil
46: Markierung
47: Aufnahme
48: verspiegelte Fläche
α: Einfallswinkel
β: Ausfallswinkel
δ: Umlenkwinkel
B: Beleuchtungslicht
d: Distanz
K: strahlgeformtes Beleuchtungslicht
M: Messlicht
n1: erster Brechungsindex (des Umlenkelements)
n2: zweiter Brechungsindex (des an das Umlenkelement angrenzenden Materials oder Mediums)
O1: erste optische Achse
O2: zweite optische Achse
O3: dritte optische Achse
R: Referenzlicht
S: Beleuchtungsstrahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19816270 A1 [0002]
DE 29823884 U1 [0002]
DE 19816272 A1 [0002]
US 4806016 A [0004]
DE 102005023351 A1 [0004]
DE 3232904 A1 [0005]
DE 19714202 A1 [0006]
DE 202017001834 U1 [0007]
DE 10317826 A1 [0009]
DE 102005061464 A1 [0009, 0026]
DE 102018217285 A1 [0010]
DE 10057539 A1 [0011]
DE 102004011189 A1 [0012]
DE 102008050258 A1 [0013]

Claims

Faseroptische Punktsonde (11), die zur Verwendung in einem Distanzmesssystem (10) eingerichtet ist, wobei die faseroptische Punktsonde (11) aufweist: - eine Lichtleitfaser (12), die an einer Einkopplungsstelle (13) zur Kopplung mit wenigstens einer monochromatischen oder schmalbandigen Lichtquelle (14, 15) derart eingerichtet ist, dass die Lichtleitfaser (12) Beleuchtungslicht (B) der wenigstens einen Lichtquelle (14, 15) durch einen vorzugsweise mittigen Faserkern (12a) der Lichtleitfaser (12) leitet und welches aus dem Faserkern (12a) an einem Faserende (16) der Lichtleitfaser (12) zumindest teilweise austritt, - ein Strahlformelement (18), das eine erste Fläche (17) aufweist und das dazu eingerichtet ist, das an der ersten Fläche (17) einfallende Beleuchtungslicht (B) strahlzuformen und strahlgeformtes Beleuchtungslicht (K) entlang einer ersten optischen Achse (O1) abzugeben, das gegenüber dem einfallenden Beleuchtungslicht (B) in der Divergenz vermindert und/oder kollimiert und/oder fokussiert ist, - genau eine Referenzfläche (12b), die dazu eingerichtet ist, das Beleuchtungslicht (B) oder das strahlgeformte Beleuchtungslicht (K) teilweise als Referenzlicht (R) zurück zu reflektieren, - ein Umlenkelement (20), das zum Empfang des strahlgeformten Beleuchtungslichts (K) eingerichtet ist, und das eine schräg zur ersten optischen Achse (O1) ausgerichtete Planfläche (21) aufweist, die dazu eingerichtet ist, das empfangene strahlgeformte Beleuchtungslicht (K) in eine Richtung entlang einer zweiten optischen Achse (O2) zu reflektieren, die mit der ersten optischen Achse (O1) einem Umlenkwinkel (5) einschließt, wobei das Umlenkelement (20) eine sphärische Endfläche (22) aufweist, deren Krümmungsmittelpunkt dem Schnittpunkt der ersten optischen Achse (O1) und der zweiten optischen Achse (O2) entspricht, so dass ein fokussierter Beleuchtungsstrahl (S) aus der sphärischen Endfläche (22) austritt, dessen Fokusbereich (23) mit Abstand zur sphärische Endfläche (22) angeordnet ist, - wobei die Lichtleitfaser (12) an einer Auskopplungsstelle (27) zur Kopplung mit einer Auswerteeinrichtung (28) derart eingerichtet ist, dass das Referenzlicht (R) und Messlicht (M), welches durch Reflexion und/oder Streuung im Fokusbereich (23) des Beleuchtungsstrahls (S) an einer Messstelle auf einer Objektoberfläche (26) gebildet wird, empfangen und zur Distanzmessung an die Auswerteeinrichtung (28) weitergeleitet werden.
Faseroptische Punktsonde nach Anspruch 1, wobei die faseroptische Punktsonde (11) dazu eingerichtet ist, die Planfläche (21) in einer von mehreren möglichen Ausrichtungen schräg zur ersten optischen Achse (O1) anzuordnen, und wobei die Ausrichtung der Planfläche (21) andere optische Eigenschaften der faseroptischen Punktsonde (11) unverändert lässt.
Faseroptische Punktsonde nach Anspruch 1 oder 2, wobei die genau eine das Referenzlicht (R) generierende Referenzfläche (12b) eine Form aufweist, die kongruent zu einer Wellenfront des an der Referenzfläche (12b) einfallenden Beleuchtungslichts (B) oder strahlgeformten Beleuchtungslichts (K) ist.
Faseroptische Punktsonde nach Anspruch 3, wobei abgesehen von der genau einen Referenzfläche (12b) alle anderen Flächen im Lichtweg des an der Referenzfläche (12b) einfallenden Beleuchtungslichts (B) oder strahlgeformten Beleuchtungslichts (K) wenigstens eine der nachfolgenden Bedingungen erfüllen: - sie haben eine Form, die nicht kongruent zu einer Wellenfront des an der Referenzfläche (12b) einfallenden Beleuchtungslichts (B) oder strahlgeformten Beleuchtungslichts (K) ist; - sie bestehen aus einem Material mit einem Brechungsindex, dessen Differenz zu einem Brechungsindex eines unmittelbar angrenzenden Materials oder Mediums maximal 0,1 beträgt.
Faseroptische Punktsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die genau eine das Referenzlicht (R) generierende Referenzfläche (12b) von einer optischen Grenzfläche gebildet ist, an der ein Brechungsindexunterschied der aneinander angrenzenden Materialien vorliegt und die frei ist von einer Antireflexionsbeschichtung.
Faseroptische Punktsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die genau eine das Referenzlicht (R) generierende Referenzfläche (12b) die Stirnfläche der Lichtleitfaser (12) am Faserende (16) ist, die orthogonal zur optischen Achse (O1, O3) des Beleuchtungslichts (B) angeordnet ist.
Faseroptische Punktsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die außerdem einen Sondenkörper (32) aufweist, in oder an dem ein Endbereich der Lichtleitfaser (12) einschließlich dem Faserende (16), das Strahlformelement (18) und das Umlenkelement (20) in einer vorgegebenen Relativlage zueinander angeordnet sind.
Faseroptische Punktsonde nach Anspruch 7, wobei der Sondenkörper (32) eine Sondenhülse (33) aufweisen kann, wobei das Umlenkelement (20) ganz oder teilweise innerhalb und/oder außerhalb der Sondenhülse (33) angeordnet ist.
Faseroptische Punktsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlformelement (18) integraler Bestandteil des Umlenkelements (20) ist.
Faseroptische Punktsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Strahlformelement (18) und das Umlenkelement (20) separate optische Elemente sind.
Faseroptische Punktsonde nach Anspruch 10, wobei das Umlenkelement (20) eine dem Strahlformelement (18) zugewandte zweite Fläche (31) aufweist, die zum Empfang des strahlgeformten Beleuchtungslichts (K) eingerichtet ist.
Faseroptische Punktsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die numerische Apertur des Beleuchtungsstrahls (S) kleiner ist als 0,3.
Faseroptische Punktsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fokusbereich (23) in Richtung der zweiten optischen Achse (O2) eine Länge von maximal 200 µm aufweist.
Faseroptische Punktsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Faserende (16) der Lichtleitfaser (12) und dem Strahlformelement (18) und/oder zwischen dem Strahlformelement (18) und dem Umlenkelement (20) wenigstens ein Abstandselement (19) angeordnet ist.
Faseroptische Punktsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Lichtweg zwischen dem Faserende (16) der Lichtleitfaser (12) und dem Strahlformelement (18) und/oder zwischen dem Strahlformelement (18) und dem Umlenkelement (20) wenigstens ein Luftspalt vorhanden ist.
Faseroptische Punktsonde nach Anspruch 15, wobei alle an den wenigstens einen Luftspalt angrenzenden optischen Grenzflächen eine Antireflexionsbeschichtung aufweisen.
Faseroptische Punktsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, wobei der Lichtweg zwischen dem Faserende (16) der Lichtleitfaser (12) und dem Strahlformelement (18) und/oder zwischen dem Strahlformelement (18) und dem Umlenkelement (20) luftspaltfrei ist und abgesehen von der Stelle, an der sich die Referenzfläche (12b) befindet, ein Brechungsindexunterschied von unmittelbar aneinander anschließenden Materialien und/oder Medien maximal 0,3 beträgt.
Faseroptische Punktsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein unmittelbar benachbart zu dem Umlenkelement (20) angeordnetes optisches Element (18, 19) eine der zweiten Fläche (31) des Umlenkelements (20) zugewandte dritte Fläche (30) aufweist, die konkav geformt ist.
Faseroptische Punktsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Planfläche (21) des Umlenkelements (20) mit einer reflektierenden Schicht (35) versehen ist, die teilreflektierend oder vollreflektierend ist.
Faseroptische Punktsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Umlenkelement (20) eine Halbkugel ist.
Faseroptische Punktsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Planfläche (21) des Umlenkelements (20) ein Zusatzelement (36) angeordnet ist.
Faseroptische Punktsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Umlenkelement (20) aus einem Material besteht, das einen Brechungsindex größer als 1,6 aufweist, oder aus Quarzglas besteht.
Faseroptische Punktsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zusatzelement (36) dazu eingerichtet ist, als taktiles Antastelement verwendet zu werden.
Distanzmesssystem (10) aufweisend eine faseroptische Punktsonde (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wenigstens eine monochromatische oder schmalbandige Lichtquelle (14, 15), die mit einer Lichtleitfaser (12) an einer Einkopplungsstelle (13) verbunden ist, und eine Auswerteeinrichtung (28), die mit der Lichtleitfaser (12) an einer Auskopplungsstelle (27) verbunden ist und die dazu eingerichtet ist, an der genau einen Referenzfläche (12b) der faseroptischen Punktsonde (11) rückreflektiertes Referenzlicht (R) und empfangenes, in die Lichtleitfaser (12) einkoppelndes Messlicht (M) zur Ermittlung eines Distanzmesswertes zwischen der Referenzfläche (12b) der faseroptischen Punktsonde (11) und einer Messstelle auf einer Objektoberfläche (26) zu verwenden, wobei der Distanzmesswert eine Distanz (d) zwischen einer sphärischen Endfläche (22) der faseroptischen Punktsonde (11) und der Messstelle auf der Objektoberfläche (26) beschreibt.