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Die Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung mit einem konfokal-chromatischen, optischen Sensor, wobei die Messvorrichtung speziell zum optischen Messen von Zahnrad-Bauteilen ausgelegt ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In vielen technischen Bereichen ist das exakte Vermessen eines Bauteils oder einer Bauteiloberfläche von großer Bedeutung. Es gibt z.B. verschiedene Messvorrichtungen zum berührenden und zum berührungslosen Erfassen der Beschaffenheit und des Profils von Oberflächen. Im vorliegenden Dokument geht es primär um das exakte Vermessen von Zahnradbauteilen und/oder um das exakte Vermessen der Oberflächen, z.B. der Zahnflanken, von Zahnradbauteilen. Diese Messaufgaben werden hier unter dem Begriff Verzahnungsmessung zusammengefasst.
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Heute kommen für die Verzahnungsmessung mechanisch abtastende Messverfahren zum Einsatz, um z.B. einzelne Zahnradbauteile aus einer Serienproduktion exemplarisch zu prüfen, um dann bei Abweichungen korrigierend in den laufenden Produktionsprozess eingreifen zu können.
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Das optische Messen kann für manche Verzahnungsmessung eine Alternative zu dem mechanisch abtastenden Messen darstellen. Ideal wäre hier der Einsatz sogenannter optisch messender Sensoren. Es hat sich jedoch gezeigt, dass sich die optisch messenden Sensoren aus verschiedenen Gründen nur bedingt für die Anforderungen an die Verzahnungsmessung eignen. Die besonderen Anforderungen oder Kriterien, die bei einer Verzahnungsmessung gelten, sind:
- • ungünstige Antastwinkel,
- • glatte Oberflächen z.B. der Zahnflanken,
- • Abschattung durch benachbarte Zähne,
- • hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit (im Bereich von 0,1 - 0,5 Mikrometern),
- • Verschmutzungsprobleme (z.B. durch Öl),
- • Zerstörungsgefahr des Sensors bei einer Kollision mit einem Zahn des zu messenden Bauteils, und
- • störende Brechungs- oder Reflektionseffekte z.B. durch Mehrfachreflexionen in engen Zahnlücken.
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Die bekannten optisch arbeitenden, interferometrischen Sensoren sind sehr genau und haben eine hohe Auflösung. Bei diesem Sensortyp muss der Abstand zur Oberfläche allerdings klein sein und der Akzeptanzwinkel ist sehr gering. Das bedeutet, dass man, um diese Sensoren einsetzen zu können, beim Messen von Zahnflanken mit dem Sensorende in die Zahnlücke eintauchen muss. Für eine schnelle Messung ist es aber vorteilhaft, wenn sich der Sensor außerhalb der Zahnlücke befindet. Ausserdem sind solche interferometrischen Sensoren sehr teuer.
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Sensoren, die nach dem Prinzip eines Laser-Triangulationssensors arbeiten, zeichnen sich durch eine hohe Messfrequenz und einen großen Akzeptanzwinkel aus. Diese Sensoren können unterschiedliche Messbereiche, Arbeitsabstände und Auflösungen abdecken. Eine Sensoranordnung außerhalb der Zahnlücke, die für schnelle Messungen benötigt wird, ist somit möglich. Leider sind jedoch die Laser-Triangulationssensoren für Verzahnungsmessungen nur dann ausreichend genau, wenn der Messbereich klein (2-5mm) und der Messabstand gering ist (10-50mm).
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Es gibt auch konfokal-chromatische, optische Sensoren. Ein konfokal-chromatischer, optischer Sensor hat eine hohe Auflösung, benötigt aber eine große numerische Apertur, wenn man die oben genannten Bedingungen erfüllen möchte.
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Ein solcher konfokal-chromatischer Sensor 20, wie beispielhaft in 1 gezeigt, umfasst typischerweise eine breitbandige Lichtquelle LD und optische Elemente (z.B. eine Linsengruppe 24 und eine oder mehrere optische Multimode-Fasern), um das Licht LS von der Lichtquelle LD zu einer Objektebene OE und von dort zurück zu einer Auswertevorrichtung 26 (z.B. ein Spektrometer) zu leiten. Ein Strahlteiler 23, welcher z.B. in einem freistrahl-optischen Bereich des Sensors 20 angeordnet ist, wie in 1 gezeigt, sorgt dafür das, dass Licht LS in Richtung der Auswerteeinheit 26 geführt wird. Die Auswerteeinheit 26 kann z.B. anhand der Intensität der einzelnen (unterschiedlich farbigen) Wellenlängenanteile eine Aussage über den aktuellen Abstand des Sensors 20 zu der zu messenden Objektebene OE machen.
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Anstelle einer freistrahl-optischen Konstellation, kann der Sensor 20 auch eine oder mehrere optische Multimode-Fasern umfassen, um das Licht LS gezielt führen zu können. Eine optische Faser wird als Multimode-Faser bezeichnet, falls sich mehrere Moden in dieser Faser ausbreiten können.
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In einem solchen konfokal-chromatischen Sensor 20, der eine oder mehrere Multimode-Fasern umfasst, entsteht durch ein räumliches Aufspalten des breitbandigen Lichts in einzelne (unterschiedlich farbige) Wellenlängenanteile ein breiter Lichtkegel in lateraler Richtung, d.h. quer zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls LS. Um spektral möglichst breitbandig zu sein und um viel Licht LS von der Lichtquelle LD in eine Multimode-Faser einzukoppeln zu können, wird eine Multimode-Faser mit relativ großem Kern-Durchmesser gewählt (typischerweise 50 - 60 µm).
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Es muß hier beim Auslegen des konfokal-chromatischen Sensors 20 ein Kompromiss gesucht werden. Ein Aspekt ist hierbei der Kern-Durchmesser der Multimode-Faser. Je größer der Kern-Durchmesser ist, desto einfacher kann das Licht in die Multimode-Faser eingekoppelt werden und desto spektral breitbandiger kann die Multimode-Faser ausgelegt werden. Gleichzeitig ist jedoch keine Punktlichtquelle mehr zu erreichen, die für eine geringe laterale Spotgröße und für eine einfache und scharfe spektrale Separation der Wellenlängenanteile nötig wäre.
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Die Faser wird als Multimode-Faser ausgelegt, um einerseits die spektrale Bandbreite der Lichtquelle LD vollständig aufzunehmen und um andererseits gleichzeitig eine hohe Einkoppelintensität der Lichtquelle LD in die Faser zu erreichen. Der Kern-Durchmesser der Multimode-Faser spielt hier eine wichtige Rolle. Wie bereits erwähnte, gilt die folgende Aussage. Um so größer der Faserdurchmesser ist, um so einfacher kann das Licht in die Faser eingekoppelt werden und desto spektral breitbandiger kann die Faser ausgelegt werden. Gleichzeitig ist jedoch zum optischen Abtasten kleiner Strukturen an der Objektebene OE (z.B. an einer Zahnflanke eines Zahnrad-Bauteils) das Erzeugen eines möglichst kleinen Lichtpunktes LP erwünscht. D.h. man möchte möglichst den Charakter einer Punktlichtquelle nachbilden. Der Einsatz einer Multimode-Faser wirkt jedoch dem Erzeugen eines möglichst kleinen Lichtpunktes LP und der erwünschten scharfen spektralen Separation entgegen, da sich in Multimode-Fasern verschiedene Dispersionseffekte überlagern.
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Will man mit einem solchen konfokal-chromatischen, optischen Sensor 20 Abschattungen des Lichtkegels LK an benachbarten Zähnen eines Zahnrad-Bauteils 11 vermeiden, entstehen bei der Verzahnungsmessung ungünstige steile Antastwinkel. Bei einem steilen Antastwinkel empfängt der Sensor 20 jedoch kein brauchbares reflektiertes Lichtsignal.
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Es sind nicht-lineare photonische Kristallfasern bekannt, die zum Beispiel in optischen Laservorrichtungen zum Einsatz kommen. Die Kristallfaser wird in einer solchen Laservorrichtung mit hochenergetischen und sehr kurzen Lichtpulsen des Lasers gespeist und es überlagern sich im Inneren der Kristallfaser mehrere nichtlineare optische Effekte. Aus der Kombination eines gepulsten Lasers mit einer nicht-linearen photonischen Kristallfaser ergibt sich eine Superkontinuumlichtquelle mit besonders vorteilhaften Eigenschaften. Die spektrale Leistungsdichte einer solchen Superkontinuumlichtquelle ist signifikant höher als die Leistungsdichte anderer Weißlichtquellen.
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Es besteht der Bedarf schnelle und genaue Verzahnungsmessungen, z.B. im Rahmen der Serienproduktion von Zahnrad-Bauteilen, vornehmen zu können, um z.B. jedes einzelne Zahnrad-Bauteil während oder unmittelbar nach der Produktion prüfen zu können.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung bereit zu stellen, die es ermöglicht schnelle und präzise Messungen an Zahnrad-Bauteilen vorzunehmen.
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Insbesondere Messaufgaben, die eine lange Messzeit haben und sehr häufig an Verzahnungen durchgeführt werden, sollen durch die Vorrichtung der Erfindung schneller durchgeführt werden können.
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Eine solche Messaufgabe ist z.B. die Teilungsmessung, bei der der Abstand von Zahnflanke zu Zahnflanke bestimmt wird, während sich das Zahnradbauteil an dem optischen Sensor vorbeidreht.
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Die Aufgabe wird durch eine optische Messvorrichtung, insbesondere eine optisch Koordinaten-Messvorrichtung, gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Eine erfindungsgemäße optische Messvorrichtung umfasst einen konfokal-chromatischen optischen Sensor, der so angeordnet ist, dass er in der Lage ist einen Lichtstrahl entlang einer optischen Achse in Richtung einer Objektebene eines Zahnrad-Bauteils auszusenden, wobei der Sensor umfasst:
- - eine Breitspektrum-Lichtquelle, die ein breitbandiges Lichtspektrum als Lichtstrahl aussendet,
- - eine Auswertevorrichtung, und
- - einen Strahlteiler.
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Dieser Sensor zeichnet sich dadurch aus, dass er zusätzlich mindestens eine nicht-lineare photonische Kristallfaser umfasst, die dazu dient den Lichtstrahl in Richtung der Objektebene zu führen und einen Lichtanteil, der an der Objektebene reflektiert wird, in Richtung der Auswertevorrichtung zu führen.
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Bei mindestens einem Teil der Ausführungsformen handelt es sich bei der optischen Messvorrichtung um eine Koordinaten-Messvorrichtung, die mindestens eine NC-gesteuerte Achse umfasst. Vorzugsweise umfasst die Koordinaten-Messvorrichtung mehrere NC-gesteuerte Achsen, um relative Zustellbewegungen ausführen zu können. Bei allen Ausführungsformen können diese relative Zustellbewegungen Bewegungen sein, die erforderlich sind, um z.B.
- - ein Zahnrad-Bauteil durch ein Drehantreiben einer Zahnradaufnahme um eine als Rotationsachse dienende gesteuerte Achse in eine geeignete Ausgangswinkelposition zu drehen,
- - den relativen Abstand zwischen dem Zahnrad-Bauteil, respektive der Objektebene des Zahnrad-Bauteils und dem optischen Sensor einzustellen (z.B. durch eine Linearbewegung einer Achse),
- - das Zahnrad-Bauteil relativ zu dem optischen Sensor in eine geeignete Höhenposition zu bringen (z.B. durch eine Linearbewegung einer Achse),
- - das Zahnrad-Bauteil relativ zu dem optischen Sensor in eine geeignete Horizontalposition zu bringen (z.B. durch eine Linearbewegung einer Achse).
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Es können bei allen Ausführungsformen auch zwei oder mehr als zwei der beispielhaft genannten Bewegungen ausgeführt werden.
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Der Nennabstand (auch Meßabstand genannt) des optischen Sensors zur Objektebene kann mindestens bei einem Teil der Ausführungsformen beispielsweise im Bereich von 5 bis 50 mm liegen, wobei hier der Nennabstand als Arbeitsabstand zwischen dem letzten Sensorelement (in Messrichtung betrachtet) und der Objektebene definiert ist. Bei einem Teil der Ausführungsformen kann der Nennabstand (auch Meßabstand genannt) auch im Bereich von 1 bis 5 mm liegen. Mit einem solch geringen Nennabstand können z.B. Kleinstverzahnungen gemessen werden.
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Der Messbereich des optischen Sensors kann für das Messen normaler Verzahnungen mindestens bei einem Teil der Ausführungsformen beispielsweise im Bereich von 2 bis 10 mm liegen. Der Messbereich des optischen Sensors kann für das Messen von Kleinstverzahnungen mindestens bei einem Teil der Ausführungsformen beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm liegen.
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Die Koordinaten-Messvorrichtung der Erfindung ermöglicht eine hochgenaue Positionierung mindestens der Drehachse, wobei diese oder mehrere der Achsen der Koordinaten-Messvorrichtung NC-gesteuert sind.
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Aus einem Mess-Signal des optischen Sensors kann optional bei allen Ausführungsformen der aktuelle Abstand zwischen dem optischen Sensor und der Objektebene und/oder die aktuelle Winkelposition der Objektebene quantitativ ermittelt werden.
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Aus einem Mess-Signal des optischen Sensors kann optional bei allen Ausführungsformen der aktuelle Abstand zwischen dem Mess-Sensor und der Objektebene und/oder die aktuelle Winkelposition der Objektebene qualitativ ermittelt werden.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen der Erfindung, deren Messverfahren möglichst nur eine geringe Anzahl an relativen Zustell- und/oder Messbewegungen gepaart mit einer oder mehreren Vollumdrehungen des Zahnrad-Bauteils umfasst. Solche Ausführungsformen nutzen die hohe Geschwindigkeit und genaue Auflösung des optischen Sensors.
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Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen der Erfindung, deren Messverfahren darauf beruht, dass das Zahnrad-Bauteil drehangetrieben wird, während der optische Sensor permanent oder zeitweise (z.B. getaktet) Messungen vornimmt.
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Bisher hat eine taktile Teilungsmessung an einem Zahnrad-Bauteil pro Zahnflanke mehrere Sekunden gedauert, woraus sich für das gesamte Zahnrad-Bauteil eine Messzeit von mehreren Minuten ergeben kann. Mit einer Koordinaten-Messvorrichtung der Erfindung, die mit einem optischen Sensor und einem Regelsystem in Form von Hardware und/oder Software ausgestattet ist, kann z.B. die Teilungsmessung an allen Zahnflanken desselben Zahnrad-Bauteils deutlich schneller erfolgen.
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Die Erfindung lässt sich im Zusammenhang mit 1D-, 2D- und 3D-Oberflächen-Messungen an Zahnrädern verwenden.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften optischen Messanordnung mit konfokal-chromatischem Sensor gemäß dem Stand der Technik;
- 2A zeigt eine schematische Darstellung, die zum Erläutern des Grundprinzips der Erfindung dient, wobei lediglich ein einzelner Zahn eines Zahnrad-Bauteils und der Strahlengang eines konfokal-chromatischen optischen Systems einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt sind;
- 2B zeigt eine schematische Grafik, um die Funktion der optischen Messanordnung einer Vorrichtung der Erfindung erläutern zu können;
- 3 zeigt eine stark schematisierte Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei zwei Zähne eines Zahnrad-Bauteils und der Strahlengang und Aufbau einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dargestellt sind;
- 4 zeigt einen stark schematisierten Querschnitt durch eine beispielhafte photonische Kristallfaser, die bei allen Ausführungsformen der Erfindung zum Einsatz kommen kann.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung werden Begriffe verwendet, die auch in einschlägigen Publikationen und Patenten Verwendung finden. Es sei jedoch angemerkt, dass die Verwendung dieser Begriffe lediglich dem besseren Verständnis dienen soll. Der erfinderische Gedanke und der Schutzumfang der Schutzansprüche soll durch die spezifische Wahl der Begriffe nicht in der Auslegung eingeschränkt werden. Die Erfindung lässt sich ohne weiteres auf andere Begriffssysteme und/oder Fachgebiete übertragen. In anderen Fachgebieten sind die Begriffe sinngemäß anzuwenden.
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Das Grundprinzips der Erfindung wird im Folgenden anhand der stark schematisierten Darstellung der 2A beschrieben. In 2A ist lediglich ein einzelner Zahn 1.1 eines Zahnrad-Bauteils 11 gezeigt. Außerdem ist in 2A der Strahlengang einer Meßvorrichtung 10 mit einem konfokal-chromatischen optischen Sensor 20 schematisch dargestellt.
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In 2A ist zu erkennen, dass der Sensor 20 eine Lichtquelle LD, einen Detektor 26 als Auswertevorrichtung und eine nicht-lineare photonische Kristallfaser 25 umfasst. Der Sensor 20 ist so ausgelegt, dass er in der Lage ist einen Lichtstrahl LS entlang einer optischen Achse OA in Richtung einer Objektebene OE des Zahnrad-Bauteils 11 auszusenden. Das Licht des Lichtstrahls LS wird von der Lichtquelle LD erzeugt und durch die Kristallfaser 25 und durch eine Optikanordnung 24 hindurch in Richtung der Objektebene OE ausgesendet, um auf der Objektebene OE einen lateral eng fokussierten Lichtpunkt LP zu erzeugen. Die Optikanordnung 24 wird hier auch als Objektiv bezeichnet, das bei allen Ausführungsformen in einen Sensorkopf SK integriert sein kann.
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Entweder kommt eine Weisslichtquelle LD zum Einsatz, die sämtliche Spektralanteile von weißem Licht erzeugt, oder es kommt eine Lichtquelle LD zum Einsatz, die Licht mit mehreren Wellenlängenanteilen als Lichtstrahl LS erzeugt. Eine Lichtquelle LD, die Licht LS mit mehreren Wellenlängenanteilen erzeugt, und auch eine Weisslichtquelle LD, die weisses Licht LS erzeugt, werden hier zusammenfassend als Breitspektrum-Lichtquelle LD bezeichnet.
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Aufgrund der Tatsache, dass der Lichtstrahl LS mehrere unterschiedliche Wellenlängenanteile (Farblichtanteile) umfasst und aufgrund der Tatsache, dass das Objektiv 24 so ausgelegt ist, dass die unterschiedlichen Wellenlängenanteile jeweils eine andere Fokuslänge haben, kann der aktuelle Meßabstand MA zwischen dem Objektiv 24 und der Objektebene OE ermittelt/gemessen werden, wie im Folgenden erläutert wird.
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In 2A ist beispielhaft dargestellt, dass die Wellenlänge λr des roten Lichtanteils eine andere Fokuslänge hat als die Wellenlängen λg des gelben Lichtanteils, λgr des grünen Lichtanteils und λb des blauen Lichtanteils. Im gezeigten Beispiel liegt die Objektebene OE exakt im Fokus des roten Lichtanteils. Es wird daher hauptsächlich der rote Lichtanteil zurück reflektiert und durch das Objektiv 24 und die Kristallfaser 25 zu dem Detektor 26 geleitet. Der Detektor 26 empfängt und detektiert in diesem Beispiel primär den roten Wellenlängenanteil.
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In 2B ist für dieses Beispiel die Lichtintensität I über die Wellenlänge anhand einer schematischen Grafik aufgetragen. Die Intensität I hat bei der roten Wellenlänge λr ein Maximum, wohingegen die anderen Wellenlängenanteile λg, λgr und λb am Detektor 26 kaum eine messbare Intensität I haben.
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Da die Fokuslänge der Optikanordnung 24 bekannt ist, kann aus der Lage des Intensitätsmaximums und der Fokuslänge der aktuelle relative Meßabstand MA zur Objektebene OE berechnet werden.
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Generell kann gesagt werden, dass das Objektiv 24 so ausgelegt ist, dass die unterschiedlichen Spektralanteile des Lichtstrahls LS in unterschiedlichen Entfernungen vom Objektiv 24 fokussiert werden. Außerdem sollte das Objektiv 24 so ausgelegt sein, dass es keine laterale Aufweitung des Lichtstrahls LS erzeugt.
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Bei allen Ausführungsformen umfasst der optische Sensor 20 mindestens eine nicht-lineare photonische Kristallfaser 25, die dazu dient den Lichtstrahl LS in Richtung der Objektebene OE zu führen und einen Lichtanteil, der an der Objektebene OE reflektiert wird, in Richtung des Detektors 26 (Auswertevorrichtung 26) zurück zu führen. Im beschriebenen Beispiel wird der roten Wellenlängenanteil λr reflektiert und zurück geführt. Sowohl die Schärfe des spektralen Peaks auf der Objektebene OE, als auch die laterale Abmessung des Messflecks ist von der Größe des Faserkerns der Kristallfaser 25 abhängig.
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Als nicht-lineare photonische Kristallfaser 25 wird bei allen Ausführungsformen ein nicht-linear wirkender Lichtwellenleiter bezeichnet, der eine geordnete innere Struktur aufweist. Diese innere Struktur kann beispielweise mehrere parallele Luftkapillaren oder Fasersegmente umfassen. Eine nicht-lineare photonische Kristallfaser 25 ist so aufgebaut, dass sich ein nicht-linearer optischer Effekt oder mehrere nicht-lineare optische Effekte überlagern. In einer nicht-linearen photonischen Kristallfaser 25 ergeben sich andere Dispersionseffekte als in einer Multimode-Faser, wie sie gemäß Stand der Technik in konfokal-chromatischen optischen Sensoren verwendet wird.
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Bei allen Ausführungsformen können z.B. nicht-lineare photonische Kristallfasern 25 eingesetzt werden, die aus undotiertem, hoch-reinem Silica-Glas gefertigt sind.
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Der Einsatz einer photonischen Kristallfaser 25 ermöglicht den Einsatz einer spektral breitbandigen Lichtquelle LD, so daß sich bei jeder Wellenlänge trotzdem nur eine einzelne Mode innerhalb der Kristallfaser 25 ausbreiten kann. Die resultierende Lichtquelle, die sich aus der Lichtquelle LD, der Kristallfaser 25 und dem Objektiv 24 ergibt, ist dadurch näher an der idealen Punktlichtquellen und folglich sind die laterale und spektrale Halbwertsbreite kleiner und damit schärfer. D.h., durch den Einsatz einer photonischen Kristallfaser 25 kann die laterale Ausbreitung des Lichtstrahls LS deutlich reduziert werden. Mit anderen Worten ausgedrückt, ermöglicht die photonische Kristallfaser 25 eine bessere (schärfere) Fokussierung der Wellenlängenanteil der Breitspektrum-Lichtquelle LD.
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Es ist ein weiterer Vorteil des Einsatzes von photonischen Kristallfaser 25 in einem optischen Sensor 20, dass diese Fasern 25 einen deutlich geringeren Durchmesser aufweisen als die bisher verwendeten Multimode-Fasern. Multimode-Fasern, die bisher zum Einsatz kommen, haben typischerweise einen Kerndurchmesser von ca. 50 µm. Es kommen teilweise aber auch Multimode-Fasern mit einem Kerndurchmesser von 25 µm oder 62,5 µm zum Einsatz. Photonischen Kristallfaser 25 die hier zum Einsatz kommen, haben typischerweise einen Kerndurchmesser 25 µm und kleiner. Entscheidend ist hier jedoch das die lateralen Abmessungen einer photonischen Kristallfaser 25 im Gegensatz zu einer Multimode-Faser keinen direkten Einfluss auf an die Anzahl der lateral ausbreitungsfähigen Moden hat. D.h. unabhängig von dem Kerndurchmesser der photonischen Kristallfaser 25 bleibt die Faser für den spezifizierten Wellenlängenbereich „single-modig“.
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Damit ist es möglich kleinere Sensoren 20 zu bauen, die näher an der Objektebene OE angeordnet werden können und/oder die weiter in eine Zahnlücke eintauchen können, falls dies erwünscht ist.
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Es ist ein weiterer Vorteil des Einsatzes von photonischen Kristallfasern 25, dass diese im betroffenen Wellenlängenfenster deutlich robuster in Bezug auf ein Verbiegen der Faser 25 sind, als konventionelle Multimode-Fasern.
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Gemäß Erfindung sind die optischen Sensoren 20 mit photonischer Kristallfaser 25 so aufgebaut, dass sie während eines Messvorgangs kontinuierlich mit dem Licht der Lichtquelle LD gespeist werden. D.h. es erfolgt hier kein gepulstes, hochenergetisches Speisen der Kristallfaser 25. Die Lichtquelle LD bildet daher zusammen mit der photonischen Kristallfaser 25 keine Superkontinuum lichtquelle.
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Als Lichtquelle LD kann bei allen Ausführungsformen eine Weißlicht-LED, eine Xenon-Lampe oder ein Weißlicht-Laser eingesetzt werden.
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Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist in 3 gezeigt. Die optische Messvorrichtung 10 der 3 umfasst eine Breitspektrum-Lichtquelle LD (z.B. eine Weißlicht-LED), die über eine Multimode-Faser 27.1 das Licht LS der Lichtquelle LD durch einen Strahlteiler 23, eine photonische Kristallfaser 25 und ein Objektiv 24 hindurch in Richtung der Objektebene OE leitet. Der reflektierte Wellenlängenanteil (z.B. der rote Wellenlängenanteil, um beim Beispiel der 2B zu bleiben) wird an der Objektebene OE reflektiert und durch das Objektiv 24 hindurch in die photonische Kristallfaser 25 eingekoppelt. Die photonische Kristallfaser 25 führt das Licht zum Strahlteiler 23. Dort wird Licht in die Multimode-Faser 27.2 eingekoppelt und zum Detektor 26 geleitet. In dem Detektor 26 wird der rote Wellenlängenanteil detektiert, um beim Beispiel der 2B zu bleiben.
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In 3 sind die Multimode-Fasern 27.1, 27.2 mit einem deutlich größeren Durchmesser gezeigt als die photonische Kristallfaser 25, um anzudeuten, dass die photonische Kristallfaser 25 aufgrund des relativ geringen Durchmessers und der Biegeeigenschaften vorzugsweise im Bereich des Sensorkopfes SK zum Einsatz kommt.
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Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung (nicht in den Figuren gezeigt) kann z.B. einen Aufbau analog zu 2A aufweisen, wobei diese Ausführungsform einen freistrahloptischen Bereich 22 gemäß 1 aufweist. Bei einer solchen Ausführungsform mit freistrahloptischen Bereich 22 kann die photonische Kristallfaser 25 im Bereich zwischen der Lichtquelle LD und dem Strahlteiler 23 und/oder im Bereich zwischen dem Strahlteiler 23 und der Objektebene OE angeordnet sein.
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4 zeigt einen stark schematisierten Querschnitt durch eine beispielhafte photonische Kristallfaser 25, die bei allen Ausführungsformen der Erfindung zum Einsatz kommen kann. Die Kristallfaser 25 kann z.B. hergestellt werden, in dem Silica-Kapillaren periodisch in einer hexagonal dichten Packung angeordnet werden. Diese Kristallfaser 25 hat einen soliden Kern 28 eines Kernmaterials, das im Wesentlichen transparent ist. Die Kristallfaser 25 umfasst weiterhin einen „cladding-Bereich“ 29, der den Kern 28 umgibt. Der Kern 28 ist von periodisch angeordneten Kapillaren 30 umgeben. Im Schnitt der 4 zeigen sich diese Kapillaren 30 als Löcher, die in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind. Die Kapillaren 30 bzw. Löcher haben einen Brechungsindex, der kleiner ist als der Brechungsindex des Materials des cladding-Bereichs 29.
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Bei allen Ausführungsformen kann ein Strahlteiler 23 zum Einsatz kommen, der dazu ausgelegt ist einen Lichtstrahl in zwei Strahlen aufzuteilen, wobei einer der beiden Strahlen möglichst eine hohe Lichtintensität haben sollte. Dieser Strahl, der eine hohe Lichtintensität hat, wird in Richtung des Detektors 26 geleitet. Außerdem sollte der Strahlteiler 23 möglichst breitbandig ausgelegt sein.
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Bei allen Ausführungsformen kann ein Strahlteiler 23 zum Einsatz kommen, der zur nicht-selektiven Intensitätsaufteilung eines Lichtstrahls dient, wobei eine Intensitätsaufteilung mit einem Teilungsverhältnis erfolgt, das größer ist als 50:50. Vorzugsweise kommt bei allen Ausführungsformen ein Strahlteiler 23 zum Einsatz, dessen Teilungsverhältnis größer ist als 80:20.
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Bei allen Ausführungsformen kann als Strahlteiler 23 eine der folgenden Komponenten/Elemente zum Einsatz kommen (die folgende Liste ist nur als Beispiel zu verstehen und ist nicht abschliessend formuliert):
- - Strahlteilerplatte (z.B. ein halbdurchlässiger Spiegel),
- - Strahlteilerwürfel (z.B. aus zwei zusammengefügten Prismen),
- - Prismenstrahlteiler,
- - Polka-Dot-Strahlteiler,
- - Pellicle-Strahlteiler,
- - Reflexionsstrahlteiler,
- - Gitter-Strahlteiler,
- - Fiber-optischer Strahlteiler,
- - Wellenleiter-Strahlteiler.
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Vorzugsweise kommt bei allen Ausführungsformen ein Detektor oder eine Auswertevorrichtung 26 zum Einsatz, die als Spektrometer ausgelegt ist, oder die nach dem Prinzip der Spektrometrie arbeitet.
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Bezugszeichenliste
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- 1.1
- Zahn
- 10
- Meßgerät / (Koordinaten-) Meßvorrichtung
- 11
- Zahnrad-Bauteil
- 20
- Optischer Sensor /Mess-Sensor
- 22
- Freistrahloptischer Bereich
- 24
- Linsengruppe /Abbildungsoptik / Optikanordnung / Objektiv
- 23
- Strahlteiler, Beam-Splitter(-Cube)
- 25
- nicht-lineare photonische Kristallfaser
- 26
- Detektor /Auswertevorrichtung / Spektrometer
- 27.1, 27.2
- Multimode-Faser
- 28
- Kern
- 29
- cladding-Bereich
- 30
- Kapillare
- I
- Lichtintensität
- LD
- Laserdiode /Leuchtdiode / Breitspektrum-Lichtquelle
- LK
- Lichtkegel
- LP
- Lichtpunkt
- LS
- Lichtstrahl, Licht
- λr, λg, λgr, λb
- Wellenlängen
- MA
- Meßabstand
- OA
- optische Achse
- OE
- Objektebene
-
SK
- Sensorkopf
