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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.
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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.
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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.
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Um mit einer interferometrischen
Messvorrichtung auch an schwer zugänglichen Stellen eines Meßobjektes
eine Formvermessung auf relativ einfache Weise durchführen zu
können,
wird in der
DE 197
21 843 C1 der erste Teilstrahl in mindestens zwei weitere
Teilstrahlen aufgeteilt. Der eine weitere Teilstrahl dient als Referenz-Teilstrahl,
während
der mindestens eine andere weitere Teilstrahl als Meß-Teilstrahl auf einen
Meßpunkt
gelenkt wird. Werden nun die Interferenzmaxima des Referenz-Teilstrahls
und des mindestens einen Meß-Teilstrahls getrennt
erfaßt,
erhält
man für
den Meßpunkt
einen zusätzlichen Referenzwert.
Ein Lichtleitkörper
ist nicht entnehmbar.
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In der
DE 198 08 273 A1 wird zum
Erfassen der Form rauher Oberflächen
eine interferometrische Meßeinrichtung
vorgeschlagen, bei der als Strahlquelle eine räumlich kohärente Strahlerzeugungseinheit
vorgesehen ist, die eine zeitlich kurzkohärente und breitbandige Strahlung
abgibt. In dieser Schrift wird auf den Einsatz solcher Strahlquellen
in einer heterodyn-interferometrischen Messeinrichtung, insbesondere
in Verbindung mit einer Messung an rauhen Oberflächen, hingewiesen.
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Aus der
US 5 640 270 ist ein Interferometer bekannt,
mit dem ein vertikales Scannen von Oberflächen zur Erfassung ihrer Rauhigkeit
ermöglicht wird.
Während
der Messung werden die Objektivlinse und der Referenzspiegel gemeinsam
entlang der optischen Achse versetzt, so dass ihre relativen Positionen
zueinander unverändert
bleiben, während
der Strahlteiler und die senkrecht zur Scann-Richtung angeordnete
Oberfläche
stationär
an ihren Positionen verharren. Dadurch wird die Position der Fokusebene
des Meß-Strahls
variiert und die Messungen liefern somit unterschiedliche Interferenz-Signale
zur Auswertung.
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Eine weitere interferometrische Messvorrichtung
zur Formvermessung rauher Oberflächen,
insbesondere für
Messungen in tiefen Hohlräumen,
ist in der
DE 100
47 495 A1 beschrieben. Dabei ist in der Messvorrichtung
eine optische Sonde mit einer optischen Anordnung zum Erzeugen mindestens
einer optischen Zwischenabbildung im Objektlichtweg vorgesehen.
Durch die Zwischenabbildung wird es ermöglicht, die betrachtete Oberfläche ausser
mit hoher longitudinaler Auflösung
auch mit einer hohen lateralen Auflösung über eine Strecke abzubilden,
die groß ist
gegenüber
dem Durchmesser der abbildenden Optik. Die optische Sonde kann beispielsweise
in Bohrungen von Ventilsitzen eingeführt werden.
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Eine Vorrichtung und eine Methode
zum Untersuchen von Oberflächen
im Innern eines Gegenstandes mit nur einer Öffnung sind aus der WO 00/46571
bekannt. Es wird vorgeschlagen, einen Laserstrahl mittels eines
Strahlteilers in zwei Teilstrahlen zu zerlegen, wobei der eine Teilstrahl
mithilfe mindestens einer Glasfaser in das Innere des Gegenstandes
eingeführt
wird. Der mindestens eine an der Oberfläche im Innern des Gegenstandes
reflektierte Strahl wird wieder mithilfe mindestens einer Glasfaser
aus dem Hohlkörper
herausgeführt
und zusammen mit dem anderen Teilstrahl zur Interferenz gebracht.
Aus dem so gewonnenen Interferenzmuster lassen sich Informationen über die
untersuchte Oberfläche
ableiten.
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Schließlich wird in der
US 5 781 297 eine weitere Vorrichtung
und Methode für
Messungen mit einem Interferometer vorgestellt, bei der präzise ein Abstand
bestimmt werden kann. Im Messverfahren wird ein frequenzmodulierter
Laserstrahl mittels eines Strahlteilers in einen Referenz- und Zielstrahl aufgeteilt,
wobei die Amplitude des Referenzstrahls moduliert wird. Der Zielstrahl
wird nach der Reflektion an der Zielfläche mit dem Referenzstrahl
zur Überlagerung
gebracht, so dass eine Schwebung erzeugt wird. Die Bestimmung der
Schwebungsfrequenz erlaubt dann die genaue Berechnung des Abstandes zwischen
dem Sensor und der Zielfläche.
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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.
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Vorteile der
Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine vorteilhafte Verwendung, die
insbesondere auch für
Prüfzwecke
während
eines Fertigungsablaufes günstig
ist, besteht in der Ausmessung einer Sitzfläche als Messfläche in einem
Ventilsitzkörper.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer interferometrischen Messvorrichtung mit
einer speziellen Beleuchtungsoptik,
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2 ein
mit einem Hohlraum versehenes Messobjekt,
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3 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
Beleuchtungsoptik und
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
für eine
Beleuchtungsoptik.
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Ausführungsbeispiel
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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 gelangen 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 3z.B. durch Bewegen des Referenzspiegels 6.1 in Richtung
des Referenzarmes bewegt (Tiefenabtastung, Tiefenscan).
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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 2 ersichtlich.
Hierzu wird das Messlicht 3.1 des Messarms 3 mittels
einer speziellen Beleuchtungsoptik in Form eines einstückigen Lichtleitkörpers 2, 2' gemäß 3 und 4 senkrecht auf die Sitzfläche 1.1 gelenkt,
die in der Regel wiederum nur einen schmalen um laufenden Streifen
der in 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.
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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 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 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 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.
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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.
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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.