DE19537586A1 - Oberflächen- und Volumenmeßgerät mittels konfokaler Abbildung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Oberflächen- und Volumenmeßgerät mittels konfokaler Abbildung durch ein Lichtfaserbündel gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Aus der Zeitschrift "Optical Letters, April 15, 1993/Volume 18, No. 8" der Optical Society of America ist ein konfokales Mikroskop bekannt, welches zwi­ schen einer Lichtquelle und einem Objekt ein Bündel aus Lichtleitfasern enthält. Im Strahlengang ist eine X-Y-Ablenkeinheit zur Abtastung des Objekts in einer Ebene vorgesehen. Entsprechend der Abtastfrequenz gelangen somit zeitlich nacheinander zu einem Detektor eine Anzahl von Signalen zur weiteren Auswer­ tung. Der Aufwand für die Ablenkung ist nicht unerheblich und die Auswertung der Vielzahl von Signalen erfordert einen erheblichen zeitlichen Aufwand. Im Strahlengang ist vor dem Detektor ein optisches System und eine Blende zwecks konfokaler Abbildung des abgetasteten Objekts auf dem Detektor vorgesehen, wobei die reflektierten Strahlen immer durch die gleiche Blendenöffnung nach­ einander auf den Detektor gelangen. Aus den zeitlich nacheinander erfaßten Bildpunkten wird mit elektronischen Mitteln das Bild, beispielsweise einer Ober­ fläche, zusammengesetzt. Der diesbezügliche elektronische Aufwand ist nicht unerheblich.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Gerät der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzubilden, daß eine schnelle Erfassung des Objekts erreicht wird. Das Gerät soll einen vereinfachten Aufbau aufweisen und gleichwohl eine sichere und funktionsgerechte Erfassung des Objekts mittels konfokaler Abbildung gewährleisten. Das Gerät soll insbesondere zur Vermes­ sung von Oberflächen und insbesondere der Bestimmung der Dicke von Schleif­ scheiben zum Einsatz gelangen und im technischen wie medizinischen Bereich zum Vermessen des Profils und/oder der Form von Oberflächen und Hohlräu­ men.

Das erfindungsgemäße Meßgerät zeichnet sich durch eine funktionsgerechte Kon­ struktion aus und gewährleistet die gleichzeitige Erfassung einer Vielzahl von Meßwerten in der gleichen Meßebene. Eine Scan- oder Ablenkeinheit ist nicht vorhanden und das vom zu vermessenden Objekt reflektierte Licht gelangt gleich­ zeitig durch die einzelnen Fasern des Faserbündels zu dem Detektor, welcher insbesondere als eine CCD-Kamera ausgebildet ist. Aus den erfaßten Daten wird insbesondere das Volumen von Hohlräumen oder Hohlorganen bestimmt, wobei an dieser Stelle vor allem auf die medizinische Diagnostik im HNO-Bereich und Atemtrakt ebenso wie im Magen-Darm-Bereich oder im urologischen bzw. gynä­ kologischen Bereich hingewiesen sei. Zur Streulichtunterdrückung ist vor dem Detektor im Strahlengang eine Lochmaske angeordnet, deren einzelnen Löcher den Enden der einzelnen Fasern des Lichtleitfaserbündels zugeordnet sind. Die Lochmaske wird in zweckmäßiger Weise auf photochemischem Wege hergestellt, wobei das Lichtleitfaserbündel von der Objektseite her mit einer starken Licht­ quelle ausgeleuchtet wird; hierdurch wird eine definierte Zuordnung der einzel­ nen Fasern zu den einzelnen Löchern der Lochmaske mit hoher Präzision ge­ währleistet. Zur weiteren Restlichtunterdrückung werden in zweckmäßiger Weise Interferenzfilter oder optische Bandpaßfilter eingesetzt. Das erfindungsgemäße Gerät liefert in schneller Folge sofortige Bilder oder Meßergebnisse einer Meß­ ebene, wobei Bildfolgefrequenzen in der Größenordnung von 30 Hz und größer erreicht werden.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere zur Ausmes­ sung von Oberflächen von Schleifscheiben, wird das Meßgerät zumindest teil­ weise, insbesondere die der Oberfläche zugewandte Abbildungsoptik in Richtung auf die Oberfläche bewegbar angeordnet. In besonders zweckmäßiger Weise wird das Meßgerät oder zumindest ein Teil desselben wie die Optik kontrolliert bezüg­ lich der Oberfläche des Objekts bewegt, wobei eine vorgegebene Anzahl von Daten, insbesondere entsprechend Schnittbildern, erfaßt wird. Die Annäherung oder der Vorschub in Richtung auf die Oberfläche wird gestoppt, sobald ein dem Erreichen und/dem Erfassen der Oberfläche entsprechender Meßwert vorliegt.

Für das Ausmessen von Oberflächenprofilen auch innerhalb von Hohlräumen, wird die Meßsonde langsam in einer vorgegebenen Geschwindigkeit auf die Oberfläche zubewegt. Aufgrund der konfokalen Abbildung werden nur die Stel­ len, welche in der Fokusebene liegen, hell abgebildet und es wird somit die Höhenlinie der Oberfläche des Objekts ermittelt. Durch die erfindungsgemäße Kombination eines derart kontrollierten Vorschubs einerseits und einer den Erfordernissen entsprechenden größeren Anzahl von Schnittbildern wird eine dreidimensionale Erfassung des Objekts erreicht. Aus den derart ermittelten dreidimensionalen Informationen bzw. Daten erfolgt mittels eines Rechners die Bestimmung des Volumens. Hierzu wird eine Fläche insbesondere innerhalb einer hellen Umrandung multipliziert mit der Translationsstrecke zwischen den einzel­ nen Aufnahmen und ferner wird eine Summenbildung über die jeweiligen sämt­ lichen Einzelbilder durchgeführt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Meßgerätes mit Lochmaske und einem als CCD-Kamera ausgebildeten Detektor,

Fig. 2 eine Ausführungsform mit wenigstens einer außerhalb des bildgeben­ den Faserbündels angeordneten Beleuchtungsfaser,

Fig. 3 vergrößert den Endbereich des Faserbündels mit kleiner numeri­ scher Apertur,

Fig. 4 stark vergrößert und schematisch eine Oberfläche einer Schleif­ scheibe,

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung bei Ausbildung des Geräts zur Vermessung der Oberfläche einer Schleifscheibe.

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Meßgerät enthält eine Lichtquelle 2, weiche vorzugsweise als ein Laser ausgebildet ist und welcher nachfolgend der Einfachheit halber als solcher bezeichnet wird. Die ausgesandten Strahlen 4 ge­ langen zu einer ersten Optik 6, von weichen zwei Linsen L1 und L2 schematisch angedeutet sind. Mittels der ersten Optik 6 wird das Bündel der ausgesandten Strahlen 4 derart aufgeweitet, daß ein flexibles Lichtleitfaserbündel 8 an seiner ersten Stirnfläche 10 vollständig bestrahlt wird. Die Länge des Faserbündels 8 aus lichtleitenden Fasern ist den Erfordernissen entsprechend vorgegeben. Das durch das Faserbündel geleitete Licht tritt an einer Endfläche 12 des flexiblen Faserbündels 8 heraus und gelangt von dort zu einer zweiten Optik 14, welche nachfolgend auch als Abbildungsoptik bezeichnet wird und welche schematisch durch eine Linse L3 angedeutet ist. Nur beispielshaft sind die Strahlen 16, 18 dargestellt, welche aus zwei verschiedenen Lichtleitfasern austreten und auf das zu untersuchende Objekt, insbesondere eine Oberfläche einer Schleifscheibe, eines Hohlkörpers oder dergleichen gelangen. Da die derart bestrahlten Bereiche des Objektes nicht in der Bildebene 23 der zweiten Optik 14 liegen, wird prak­ tisch kein hinreichend starker Strahl zur Abbiidungsoptik reflektiert. Hingegen wird von einem in der Bildebene 23 liegenden Oberflächenpunkt 22 ein Strahl 24 reflektiert und gelangt über die zweite Optik 14 zum Faserbündel 8 zu einem Strahlteiler 26. Dieser Strahlteiler 26 ist zweckmäßig zwischen den beiden Linsen L1, L2 der ersten Optik 6 angeordnet und lenkt die reflektierten Strahlen auf einen Detektor 28, welcher vorzugsweise als eine CCD-Kamera ausgebildet ist.

Vor dem Detektor 28 ist eine Lochmaske 30 angeordnet, deren einzelne Löcher 32 jeweils den Enden der einzelnen Lichtleitfasern des flexiblen Faserbündels 8 zugeordnet sind. Die Lochmaske 30 wird erfindungsgemäß photochemisch herge­ stellt, wobei in zweckmäßiger Weise das Lichtleitfaserbündel 8 von der Seite des Objektes 20 her mit einer starken Lichtquelle ausgeleuchtet wird. Entsprechend den beleuchteten Bereichen einer photosensitiven Schicht auf einem Maskenkör­ per werden dann in bekannter Weise, insbesondere durch Ätzen die Löcher 32 in einem photochemischen Verfahren erzeugt.

Dem Detektor 28 zugeordnet sind zur Restlichtunterdrückung Interferenzfilter oder optische Bandpaßfilter. Mittels des Detektors 28 wird somit gleichzeitig ein Bild des untersuchten Objekts 20, insbesondere dessen Oberfläche, erzeugt, und zwar nicht durch Abrastung oder Abtasten einzelner Objektpunkte nacheinander. Vielmehr erfolgt mit dem erfindungsgemäßen Gerät eine gleichzeitige Bestrah­ lung mittels des durch die Lichtleitfasern gleichzeitig gesandten Strahlen und dementsprechend eine gleichzeitige Erfassung und Auswertung mittels des Detek­ tors 28. Die dem Detektor 28 vorgeschaltete Lochmaske 30 gewährleistet die konfokale Abbildung der beleuchteten Objektpunkte entsprechend der Anzahl der Lichtleitfasern zur gleichen Zeit auf dem Detektor 28.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform ohne Strahlteiler, welche wenigstens eine Beleuchtungsfaser 36 zusätzlich zu dem Faserbündel 8 aufweist. Vorzugsweise ist eine Anzahl derartige lichtleitende Beleuchtungsfasern 36 zumindest im Bereich der Endflächen 12 außen am Faserbündel 8 angeordnet, um eine gleichmäßige Ausleuchtung des Objektes 20 zu gewährleisten. Die Beleuchtungsfasern 36 wer­ den am Eingang mittels des Lasers 12 über die erste Optik 6 beleuchtet. Die erste Stirnfläche 10 des bildgebenden Faserbündels 8 ist unmittelbar der Loch­ maske 30 und dem Detektor 28 zugeordnet.

Sofern mittels des Geräts nur die Detektion einer Oberfläche erfolgen soll, ist das Lichtleitfaserbündel 8 nicht bildgebend ausgebildet. Gelangt das Gerät für topographische Informationen über die Oberfläche und/oder zum Ausmessen von geometrischen Dimensionen in Hohlräumen oder Hohlorganen zum Einsatz, so ist das Faserbündel 8 bildgebend ausgebildet. Auf die Verwendung in der Medi­ zintechnik, Diagnostik, insbesondere Endoskopie, sei ausdrücklich hingewiesen.

Fig. 3 zeigt vergrößert den Endbereich des Faserbündels 8, welcher Fasern mit kleiner numerischer Apertur enthält. In zweckmäßiger Weise sind hierbei die einzelnen lichtleitenden Fasern im Faserbündel 8 konzentrisch auf den Linsen­ mittelpunkt 38 der zweiten Optik bzw. der Linse L3 ausgerichtet. Des weiteren sei festgehalten, daß die Faserendfläche nicht eben ausgebildet sein muß, son­ dern insbesondere zur Eleminierung von Linsenfehlern dementsprechend ge­ schliffen wird.

Bei der anhand von Fig. 1 erläuterten Ausführungsform sind die Fasern auch im Endbereich parallel zueinander ausgerichtet. Bei dieser Ausführungsform gelan­ gen Fasern mit großer numerischer Apertur zum Einsatz.

Fig. 4 zeigt schematisch und stark vergrößert die Oberfläche 40, insbesondere einer Schleifscheibe. Eine Schleifscheibe enthält bekanntlich Schleifmittel, und zwar insbesondere Korund oder Siliziumkarbid unterschiedlicher Körnung sowie Bindemittelbestandteile, wobei heute vor allem keramisch gebundene Schleif­ scheiben gebräuchlich sind. Entsprechend der Körnung der Schleifmittel besitzt die Oberfläche der Schleifscheibe Erhebungen 42 und Vertiefungen oder Hohl­ räume 44. Wird das Meßgerät und/oder dessen Bildebene 23 etwa in die ange­ deutete Relativlage zueinander gebracht, so können mittels des oben erläuterten Meßgeräts eine hinreichend große Anzahl von "hellen" Punkten, nämlich solchen Punkten mit starker Reflexion erfaßt werden und dies kann erfindungsgemäß als Maßstab für das Erreichen der Oberfläche gewertet werden.

Fig. 5 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Einsatz des Meßgerätes 46 zur Erfassung der Oberfläche 40 und letztendlich der Dicke 48 einer Schleifscheibe 50. Die Schleifscheibe 50 ist beispielsweise auf einem Tisch 52 angeordnet und das Meßgerät 46 weist hierzu eine definierte vorgebbare Position auf. Das Meß­ gerät 46 ist in Z-Richtung gemäß Pfeil 54 orthogonal zur Oberfläche 40 mittels einer Verstelleinheit 56 bewegbar angeordnet. Die mittels des Detektors des Meßgeräts 46 erfaßten Signale werden einer Auswerteeinheit 58 zugeführt. Der Vorschub beim Annähern des Meßgerät 46 wird gestoppt, sobald die Oberfläche festgestellt ist, wie es anhand von Fig. 4 erläutert wurde. Aus der geometrischem Anordnung und Relativposition des Meßgerätes 4 bezüglich der Schleifscheibe 50, insbesondere bezüglich des Meßtischs 52, kann somit die Dicke 48 der Schleifscheibe 50 bestimmt werden.

Bezugszeichenliste

2 Lichtquelle, Laser
4 ausgesandte Strahlen
6 erste Optik
8 Faserbündel
10 erste Stirnfläche von 8
12 Endfläche von 8
14 Abbildungsoptik, zweite Optik
16, 18 Strahlen
20 Objekt
22 Oberflächenpunkt
23 Bildebene
24 reflektierter Strahl
26 Strahlteiler
28 Detektor, CCD-Kamera
30 Lochmakse
32 Loch
34 Ende
36 Beleuchtungsfasern
38 Linsenmittelpunkt
40 Oberfläche
42 Erhebung
44 Hohlraum, Vertiefung
46 Meßgerät
48 Dicke von 50
50 Schleifscheibe
52 Meßtisch
54 Pfeil
56 Verstelleinheit
58 Auswerteeinheit

Claims (9)

1. Meßgerät, insbesondere zur Bestimmung von Oberflächen, Oberflächenprofi­ len und Volumina, mittels konfokaler Abbildung, enthaltend eine Lichtquelle, ein Lichtleitfaserbündel sowie einen Detektor, mittels welchem von einem Objekt re­ flektierte und durch das Lichtleitfaserbündel gesandte Strahlen erfaßbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Objekt (20) reflektierten Strahlen gleichzeitig durch die jeweiligen Fasern des Lichtleitfaserbündels (8) zum Detektor (28) geleitet werden und mit­ tels des Detektors (28) eine gleichzeitige Erfassung der reflektierten Strahlen erfolgt.

2. Meßgerät, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Detektor (28), welcher insbesondere als eine CCD-Kamera ausgebildet ist, eine Lochmaske (30) angeordnet ist, deren einzelnen Löcher (32) jeweils den Enden der jeweiligen Fasern des Faserbündels (8) zugeordnet sind.

3. Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochmaske (30) durch ein photochemisches Verfahren hergestellt ist und/oder daß zur Herstel­ lung der Löcher (32) der Lochmaske (30) das Faserbündel (8) von der Seite des Objekts her mit einer Lichtquelle ausgeleuchtet ist, welche zur erforderlichen Belichtung einer photosensitiven Schicht hinreichend stark ausgebildet ist.

4. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Detektors (28) dem Objekt entsprechende Bilder in schneller zeitli­ cher Folge mit einer Frequenz von wenigstens 20 Hz, vorzugsweise wenigstens 30 Hz und größer herstellbar sind.

5. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtquelle (2) und dem Faserbündel (8) eine erste Optik (6), ins­ besondere zur Aufweitung des ausgesandten Strahlenbündels (4) entsprechend dem Durchmesser des Faserbündels (8) vorgesehen ist und/oder daß ein Strahl­ teiler (26) im Bereich der ersten Optik (6) angeordnet ist, mittels welchem die reflektierten Strahlen auf den Detektor (28) ablenkbar sind.

6. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Außenfläche des Faserbündels (8) wenigstens eine Beleuchtungsfaser (36) vorgesehen ist, mittels welcher Licht von der Lichtquelle (2) zum Objekt (20), insbesondere durch die zweite Optik (14) leitbar ist, und/oder daß die Enden (34) der Fasern im Bereich einer ersten Stirnfläche (10) des Faserbündels (8) unmittelbar vor dem Detektor (28) bzw. der Lochmaske (30) angeordnet sind.

7. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Ver­ wendung zur Bestimmung der Dicke des Objekts (20), insbesondere einer Schleif­ scheibe (50) und/oder daß das Meßgerät im wesentlichen orthogonal zur Ober­ fläche (40) des Objekts (20) verstellbar und/oder bewegbar angeordnet ist.

8. Meßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es mittels einer Verstelleinheit (56), insbesondere in Richtung auf die Oberfläche (40) des Ob­ jekts (20), insbesondere der Schleifscheibe (50), bewegbar ist und daß mittels einer Auswerteeinheit (58) ein Signal zum Beenden der Verstellung erzeugt wird, sobald die Oberfläche (40) erfaßt ist.

9. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei kontrollierter Bewegung eine vorgebbare Anzahl von Schnittbildern erfaßt wird und/oder eine dreidimensionale Erfassung des Objekts (20) erfolgt und daß aus der derart gebildeten dreidimensionalen Information, insbesondere mittels eines Rechners, eine Volumenbestimmung durchgeführt wird.