DE19537586C2

DE19537586C2 - Messgerät zur Bestimmung von Oberflächen, Oberflächenprofilen und Volumina

Info

Publication number: DE19537586C2
Application number: DE19537586A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jochen Foth
Original assignee: Schleifmittelwerk P Lapport &
Current assignee: Schleifmittelwerk P Lapport &
Priority date: 1995-10-09
Filing date: 1995-10-09
Publication date: 2002-03-28
Anticipated expiration: 2015-10-10
Also published as: DE19537586A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Messgerät zur Bestimmung von Oberflächen, Oberflächenprofilen und Volumina gemäß den im Ober begriff des Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Aus der US 5 450 203 ist ein derartiges Messgerät mit einem Licht leitfaserbündel bekannt, wobei jeder Faser ein Detektor zugeordnet ist. Die Detektoren müssen gegebenenfalls nicht in physikalisch separierten Gehäusen untergebracht sein, wobei mehrere Fasern gegebenenfalls auch auf einen Detektor geführt werden können. In den Faserbündeln können die Fasern nicht ohne weiteres in einer geometrisch exakten Anordnung konfiguriert werden. Eine Lochmaske ist nicht vorhanden, so dass infolge von Streulicht eine scharfe Abbildung nicht ohne weiteres erreichbar ist.

Ferner ist aus der deutschen Zeitschrift: "Spektrum der Wissenschaft", Oktober 1994, Seiten 78 bis 87, eine Anordnung mit einer ein einziges Loch aufweisenden Lochblende bekannt, wobei der gesamte von einer Objektfläche reflektierte Lichtstrahl durch diese Lochblende geschickt und somit fokussiert wird. Gemäß einer weiteren Anordnung ist eine drehbare Nipkowscheibe vorgesehen, welche zur Ablenkung des Licht strahls zwecks Abtastung des Objekts vorgesehen ist. Die Kombination mit einem Lichtleitfaserbündel ist nicht ohne weiteres möglich, zumal die Nipkowscheibe nicht als Lochmaske vor einem Detektor ausgebildet ist, sondern doppelwirkend sich sowohl im Sendestrahlengang als auch im Empfangsstrahlengang befindet.

Ferner ist aus der WO 91/15 792 ein konfokales Mikroskop bekannt, welches Lichtleitfasern enthält und mittels Spiegelsystemen die Abta stung eines Objekts ermöglicht. Zum Fokussieren des gesamten Licht strahls ist eine einzige Lochblende vorgesehen, doch ergeben sich keine Hinweise für eine Lochmaske und deren Zuordnung zu den Faseren den eines Faserbündels bzw. zu einem Detektor.

Aus der Zeitschrift "Optics Letters", April 15, 1993/Volume 18, No. 8, Seiten 565 bis 567 der Optical Society of America ist ein konfokales Mikroskop bekannt, welches zwischen 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 Auswertung. Der Aufwand für die Ablenkung ist nicht unerheblich, und die Auswertung der Vielzahl von Signalen erfordert einen erheblichen zeitlichen Aufwand. Im Strahlen gang ist vor dem Detektor ein optisches System und eine Blende zwecks konfokaler Abbildung des abgetasteten Objekts auf dem Detektor vor gesehen, wobei die reflektierten Strahlen immer durch die gleiche Blen denöffnung nacheinander 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, welche 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 welchen 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 Abbildungsoptik 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 Reflektion 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.

Bezugszeichen

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

Schleifscheibe

52

Meßtisch

54

Pfeil

56

Verstelleinheit

58

Auswerteeinheit

Claims

1. Messgerät zur Bestimmung von Oberflächen, Oberflächenprofilen und Volumina mittels konfokaler Abbildung, mit einer Lichtquelle (2) zur Beleuchtung des Messobjekts (20), mit einer objektseitigen fokussierenden Optik (14) und mit einem Lichtleitfaser bündel (8), durch das vom Messobjekt (20) über die Optik (14) zurückgeworfene Strahlen gleichzeitig zu einem Detektor (28) geleitet werden, der über unterschiedliche Fasern des Faserbündels (8) geleitetes Licht gleichzeitig erfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Detektor (28) eine Lochmaske (30) angeordnet ist, bei der die einzelnen Löcher (32)
jeweils den Enden der einzelnen Fasern des Faserbündels (8) zugeordnet sind und
sich dem Faserbündel (8) mit hoher Präzision angepasst genau an den Orten befinden und die Form aufweisen, die der Strahlenverlauf bei Ausleuchten des Faserbündels (8) von der Objektseite her definiert.

2. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (28) als eine CCD-Kamera ausgebildet ist.

3. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Detektors (28) dem Objekt entsprechende Bilder in schneller zeitlicher Folge mit einer Frequenz von wenigstens 20 Hz, vorzugsweise wenigstens 30 Hz und grösser, herstell bar sind.

4. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwi schen der Lichtquelle (2) und dem Faserbündel (8) eine Optik (6) zur Aufweitung des ausgesandten Strahlenbündels (4) entsprechend dem Durchmesser des Faserbündels (8) vorgesehen ist und dass ein Strahlteiler (26) im Bereich der Optik (6) angeordnet ist, mittels welchem die reflektierten Strahlen auf den Detektor (28) ablenkbar sind.

5. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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) leitbar ist.

6. Messgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden (34) der Fasern im Bereich einer ersten Stirnfläche (10) des Faserbündels (8) unmittelbar vor der Lochmaske (30) angeordnet sind.

7. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät vorzugsweise orthogonal zur Oberfläche (40) des Objekts (20) verstellbar und/oder bewegbar angeordnet ist.

8. Messgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es mittels einer Verstell einheit (56), insbesondere in Richtung auf die Oberfläche (40) des Objekts (20), beweg bar ist und dass mittels einer Auswerteeinheit (58) ein Signal zum Beenden der Ver stellung erzeugt wird, sobald die Oberfläche (40) erfasst ist.

9. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Mittel, um bei kontrollierter Bewegung eine vorgebbare Anzahl von Schnittbildern zur dreidimensiona len Erfassung des Objekts (20) aufzunehmen und aus den derart erhaltenen dreidimen sionalen Informationen, insbesondere mittels eines Rechners, eine Volumenbestimmung durchzuführen.

10. Verfahren zur Herstellung einer Lochmaske für ein Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (32) der Lochmaske (30) durch Ausleuchten des Faserbündels (8) von der Objektseite her, Belichtung einer photosensitiven Schicht der Lochmaske (30) und ein photochemisches Verfahren hergestellt sind.

11. Verwendung eines Messgeräts nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Bestimmung der Dicke eines Objekts, insbesondere einer Schleifscheibe.