DE10204136A1

DE10204136A1 - Interferometrische Messvorrichtung

Info

Publication number: DE10204136A1
Application number: DE10204136A
Authority: DE
Inventors: Gunther Bohn; Martin Berger; Jochen Straehle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2022-02-02
Also published as: US6967723B2; US20030231314A1; DE10204136B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Messvorrichtung mit einem eine Referenzfläche (6.1) aufweisenden Referenzarm (6) und einem eine Beleuchtungsoptik zum Lenken von Messlicht (3.1) auf eine Messfläche (1.1) eines Messobjektes (1) aufweisenden Messarm (3) und mit einem mit einer Auswerteeinrichtung (8) verbundenen Bildaufnehmer (7). Eine schnelle, einfache Messung bei robustem Aufbau der Messvorrichtung wird dadurch erhalten, dass die Beleuchtungsoptik als in einen Hohlraum des Messobjektes (1) einführbarer Lichtleitkörper (2,2') mit radial oder schräg nach außen gerichteter umlaufender, radialsymmetrischer Lichtaustrittsfläche (2.1) und mindestens einer das Messlicht (3.1) auf dieselbe lenkenden Ablenkfläche (2.2) ausgebildet ist (Fig. 1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Messvorrichtung mit einem eine Referenzfläche aufweisenden Referenzarm und einem eine Beleuchtungsoptik zum Lenken von Messlicht auf eine Messfläche eines Messobjektes aufweisenden Messarm und mit einem mit einer Auswerteeinrichtung verbundenen Bildaufnehmer.

Stand der Technik

Derartige interferometrische Messvorrichtungen sind auch beispielsweise zur Messung in engen Hohlräumen bekannt. Hierbei wird mittels einer entsprechenden Beleuchtungsoptik ein Messlichtbündel auf einen Bereich einer inneren Oberfläche gerichtet, wobei diese z. B. durch Bewegen eines Referenzspiegels in Richtung des Referenzarmes abgetastet wird. Der dabei erfasste Bereich der inneren Oberfläche ist allerdings relativ klein. Auch ist es bei einer derartigen Messung nicht einfach, die Messstelle relativ zu dem Objekt genau zu bestimmen. Soll eine derartige Messvorrichtung bei der Fertigung eingesetzt werden, so können sich durch den Messaufwand Nachteile ergeben.

Zur Vermessung von Sitzflächen in Ventilsitzkörpern werden bisher mechanische Abtastvorrichtungen verwendet, die über die Sitzfläche bzw. den Dichtbereich derselben z. B. durch Drehen des Ventilsitzkörpers abgetastet werden. Aus den Abtastergebnissen wird die Rundheit der Sitzfläche bestimmt und eine Gut- /Schlecht-Bewertung vorgenommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Messvorrichtung bereitzustellen, mit der eine Vermessung von Oberflächen in engen Hohlräumen mit möglichst geringem Aufwand ermöglicht wird, wobei eine hohe Messgenauigkeit erreicht wird.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass die Beleuchtungsoptik als in einen Hohlraum des Messobjektes einführbarer Lichtleitkörper mit radial oder schräg nach außen gerichteter umlaufender, radialsymmetrischer Lichtaustrittsfläche und mindestens einer das Messlicht auf dieselbe lenkenden Ablenkfläche ausgebildet ist.

Mit dieser Ausbildung der Beleuchtungsoptik kann mit einfachen Maßnahmen die Messfläche schnell und einfach ohne Relativbewegung der Beleuchtungsoptik zu dem Messobjekt durchgeführt werden. Es genügt eine einmalige Positionierung der Beleuchtungsoptik an dem Messobjekt.

Eine genaue Messung wird dadurch erreicht, dass die Lichtaustrittsfläche an den Querschnittsverlauf der Messfläche unter Einhaltung eines gleichmäßigen Abstandes von dieser und Erzielen eines senkrechten Einfalls des Messlichts auf diese angepasst ist und dass die mindestens eine Ablenkfläche in der Weise auf die Lichtaustrittsfläche abgestimmt ist, dass das Messlicht senkrecht auf diese gelenkt wird.

Ein günstiger Aufbau des Lichtleitkörpers besteht darin, dass die Ablenkfläche als entgegen der Einfallsrichtung des Messlichts gerichtete Kegelfläche und die Lichtaustrittsfläche als in Einfallsrichtung des Messlichtes gerichtete Kegelfläche ausgebildet sind.

Um z. B. bei einer Fertigung in gleicher Weise Messungen einfach und schnell durchführen zu können, ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Lichtleitkörper einen senkrecht zum Messarm gerichteten überstehenden Rand aufweist, der von der Lichtaustrittsfläche soweit beabstandet ist, dass die Lichtaustrittsfläche von der Messfläche beabstandet ist, wenn er im eingeführten Zustand an einem zugekehrten Öffnungsrand des Messobjektes anliegt, oder dass der Lichtleitkörper eine senkrecht zum Messarm gerichtete Basisfläche aufweist, die von der Lichtaustrittsfläche soweit beabstandet ist, dass die Lichtaustrittsfläche von der Messfläche beabstandet ist, wenn die Basisfläche im eingeführten Zustand an einer Grundfläche des Messobjektes anliegt. Mit diesen Maßnahmen ergibt sich eine eindeutige Positionierung der Beleuchtungsoptik während der Messung.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung für eine schnelle, genaue Messung besteht darin, dass die Auswerteeinrichtung eine Auswerteeinheit aufweist, mit der aus durch Tiefenabtastung der Messfläche erhaltenen Interferenzdaten die Einhaltung einer Rundheit der Messfläche bestimmt wird.

Eine vorteilhafte Verwendung, die insbesondere auch für Prüfzwecke während eines Fertigungsablaufes günstig ist, besteht in der Ausmessung einer Sitzfläche als Messfläche in einem Ventilsitzkörper.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer interferometrischen Messvorrichtung mit einer speziellen Beleuchtungsoptik,
Fig. 2 ein mit einem Hohlraum versehenes Messobjekt,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für eine Beleuchtungsoptik und
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Beleuchtungsoptik.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt eine interferometrische Messvorrichtung mit einer Lichtquelle 4, deren ausgesandtes Licht mittels eines Strahlteilers 5 in einen Referenzarm 6 mit einem Referenzspiegel 6.1 und einen Messarm 3 mit einer darin befindlichen Beleuchtungsoptik in Form eines Lichtleitkörpers 2 aufgeteilt wird. Bei sich entsprechenden optischen Weglängen des Referenzarmes 6 und des Messarmes 3 interferieren die von dem Referenzspiegel 6.1 und einem Messobjekt zurückkommenden Lichtstrahlen und gefangen auf den Bildaufnehmer einer Kamera 7, die an eine Auswerteeinrichtung 8 angeschlossen ist, um aus den Interferenzdaten die Oberflächenstruktur einer Messfläche 1.1 des Messobjektes zu ermitteln. Um die Messfläche 1.1 in Tiefenrichtung abzutasten, wird die optische Weglänge des Referenzarmes 6 relativ zu der optischen Weglänge des Messarmes 3 z. B. durch Bewegen des Referenzspiegels 6.1 in Richtung des Referenzarmes bewegt (Tiefenabtastung, Tiefenscan).
Vorliegend ist eine schräg zu der Lichteinfallsrichtung des Messarmes 3 gerichtete, umlaufende Messfläche in Form einer Sitzfläche 1.1 eines Ventilsitzkörpers (Ventilsitzes) 1 abzutasten, wie aus Fig. 2 ersichtlich. Hierzu wird das Messlicht 3.1 des Messarms 3 mittels einer speziellen Beleuchtungsoptik in Form eines einstückigen Lichtleitkörpers 2, 2' gemäß Fig. 3 und 4 senkrecht auf die Sitzfläche 1.1 gelenkt, die in der Regel wiederum nur einen schmalen umlaufenden Streifen der in Fig. 2 gezeigten Schrägfläche bildet. Auf diese Weise wird die gesamte rundum verlaufende, radialsymmetrische Sitzfläche 1.1 gleichzeitig beleuchtet und abgetastet bzw. vermessen. Insbesondere lässt sich auf diese Weise die geforderte Rundheit der Sitzfläche 1.1 einfach und schnell bestimmen, indem die erhaltenen Interferenzdaten beim Tiefenabtasten ermittelt werden, um Höhenabweichungen über den gemessenen ringförmigen Streifen in Umfangsrichtung gegenüber einem idealen Kreisring festzustellen und anhand der sich ergebenden Abweichungen eine Gut-/Schlecht-Beurteilung der Sitzfläche 1.1 zu erhalten.
Um die Beleuchtung der Sitzfläche 1.1 und ihre Abtastung durchzuführen, wird das Messlicht 3.1 über den Lichtleitkörper 2, 2' gegenüber der Achse des Messarmes 3 schräg nach außen derart abgelenkt, dass es senkrecht durch eine Lichtaustrittsfläche 2.1 geführt wird und senkrecht auf die Sitzfläche 1.1 fällt, die entsprechend der Lichtaustrittsfläche 2.1 geneigt ist oder auch konkav oder konvex entsprechend der Sitzfläche 1.1 gekrümmt sein kann. Der Lichtleitkörper 2, 2' besitzt zum Ablenken des Messlichtes 3.1 eine der Einfallsrichtung des Messlichtes 3.1 entgegengerichtete Kegelfläche als Ablenkfläche 2.2. Die Kegelfläche kann mittels einer entsprechenden Kegelbohrung von der dem Messlicht 3.1 abgekehrten Unterseite des Lichtleitkörpers 2, 2' eingebracht sein. Gemäß Fig. 4 ist zur Unterseite, d. h. zur Öffnungsseite hin ein zylinderförmiger Abschnitt eingebracht, an den sich die Kegelfläche anschließt. Zur Lichtlenkung bzw. Beeinflussung können die Lichtaustrittsfläche 2.1 und die Ablenkfläche 2.2 auch geeignet beschichtet sein. Im eingesetzten Zustand des Lichtleitkörpers 2, 2' in den Ventilsitzkörper 1 weist die Lichtaustrittsfläche 2.1 gegenüber der Sitzfläche 1.1 einen gleichbleibenden, ringsum verlaufenden Abstand auf. Dieser wird dadurch eindeutig eingehalten, dass der Lichtleitkörper 2 nach Fig. 3 mit einem oberen überstehenden bundartigen Rand 2.3 auf einem in Lichteinfallsrichtung zeigenden Öffnungsrand 1.3 des Ventilsitzkörpers 1 in Anlage kommt. Alternativ kann gemäß Fig. 4 eine Basisfläche 2.4' in einem solchen Abstand von der Sitzfläche 1.1 beabstandet sein, dass der gewünschte Abstand der Lichtaustrittsfläche 2.1 erhalten wird, wenn die Basisfläche 2.4' auf einer Grundfläche 1.2 im Hohlraum des Ventilsitzkörpers 1 anliegt.
Zur Abtastung der Sitzfläche 1.1 braucht demnach der Lichtleitkörper 2, 2' lediglich in den Ventilsitzkörper 1 eingesetzt zu werden, während die Messung ohne Lageveränderung des Lichtleitkörpers 2, 2' relativ zu dem Ventilsitzkörper 1 über dessen gesamte Ringfläche durchgeführt wird. Über den Bildaufnehmer bzw. die Kamera 7 und die darin angeschlossene Auswerteeinrichtung 8 können somit Tiefenabweichungen senkrecht zur Sitzfläche 1.1 durch Auswerten der Interferenzdaten beim Abtasten relativ zu in Umfangsrichtung benachbarten Bereichen der Sitzfläche 1.1 festgestellt werden. Daraus lässt sich die Rundheit der Sitzfläche 1.1 ermitteln und eine Gut-/Schlecht-Beurteilung vornehmen.
Durch die im Wesentlichen senkrechte Lenkung des Lichts auf die Sitzfläche 1.1 wird der interessierende Bereich im Wesentlichen eben abgebildet, so dass eine exakte Vermessung durchführbar ist. Der einstückige Lichtleitkörper 2, 2' aus optisch transparentem Material und seine einfache Einsetzbarkeit ergeben eine robuste Messanordnung, die insbesondere auch in der Fertigung eingesetzt werden kann. Der Lichtleitkörper 2, 2' ist vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet, die senkrecht durch die Lichtaustrittsfläche 2.1 auf die Messfläche 1.1 geleiteten Lichtstrahlen werden entsprechend senkrecht zurückgeworfen und treten auch wieder senkrecht in die Lichtaustrittsfläche 2.1 ein, wonach sie entgegen der Einfallsrichtung von der Ablenkfläche 2.2 zurückgeführt werden, so dass sich auch eine ausreichende Intensität für die Analyse bei der Auswertung und Ermittelung eines Datensatzes für die dreidimensionale Messung erzeugen lässt. Die Oberflächen bzw. Grenzflächen des Lichtleitkörpers 2, 2' können mit einer geeigneten dünnen Schicht vergütet sein. Der Lichtleitkörper 2, 2' kann an verschiedene zu messende innere Oberflächen 1.1 von Messobjekten 1 angepasst werden, indem z. B. die Lichtaustrittsfläche 2.1 und die mindestens eine Ablenkfläche 2.2 entsprechend angeordnet werden, um eine senkrechte Beleuchtung der Messfläche 1.1 und Erzeugen eines ebenen Bildes zu erzielen.

Claims

1. Interferometrische Messvorrichtung mit einem eine Referenzfläche (6.1) aufweisenden Referenzarm (6) und einem eine Beleuchtungsoptik zum Lenken von Messlicht (3.1) auf eine Messfläche (1.1) eines Messobjektes (1) aufweisenden Messarm (3) und mit einem mit einer Auswerteeinrichtung (8) verbundenen Bildaufnehmer (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsoptik als in einen Hohlraum des Messobjektes (1) einführbarer Lichtleitkörper (2, 2') mit radial oder schräg nach außen gerichteter umlaufender, radialsymmetrischer Lichtaustrittsfläche (2.1) und mindestens einer das Messlicht (3.1) auf dieselbe lenkenden Ablenkfläche (2.2) ausgebildet ist.

2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (2.1) an den Querschnittsverlauf der Messfläche (1.1) unter Einhaltung eines gleichmäßigen Abstandes von dieser und Erzielen eines senkrechten Einfalls des Messlichts (3.1) auf diese angepasst ist und dass die mindestens eine Ablenkfläche (2, 2) in der Weise auf die Lichtaustrittsfläche (2.1) abgestimmt ist, dass das Messlicht (3.1) senkrecht auf diese gelenkt wird.

3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkfläche (2.2) als entgegen der Einfallsrichtung des Messlichts (3.1) gerichtete Kegelfläche und die Lichtaustrittsfläche (2.1) als in Einfallsrichtung des Messlichtes (3.1) gerichtete Kegelfläche ausgebildet sind.

4. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitkörper (2) einen senkrecht zum Messarm (3) gerichteten überstehenden Rand (2.3) aufweist, der von der Lichtaustrittsfläche (2.1) soweit beabstandet ist, dass die Lichtaustrittsfläche (2.1) von der Messfläche (1.1) beabstandet ist, wenn er im eingeführten Zustand an einem zugekehrten Öffnungsrand (1.3) des Messobjektes (1) anliegt.

5. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitkörper (2) eine senkrecht zum Messarm (3) gerichtete Basisfläche (2.4') aufweist, die von der Lichtaustrittsfläche (2.1) soweit beabstandet ist, dass die Lichtaustrittsfläche (2.1) von der Messfläche (1.1) beabstandet ist, wenn sie im eingeführten Zustand an einer Grundfläche (1.2) des Messobjektes (1) anliegt.

6. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (8) eine Auswerteeinheit aufweist, mit der aus durch Tiefenabtastung der Messfläche (1.1) erhaltenen Interferenzdaten die Einhaltung einer Rundheit der Messfläche (1.1) bestimmt wird.

7. Verwendung einer Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Ausmessung einer Sitzfläche als Messfläche (1.1) in einem Ventilsitzkörper.