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Vorrichtung zur Abbildung der Werkstückoberfläche bei der An-
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wendung eines optischen interferometrischen Verfahrens zur Messung
der Oberflächenauslenkuneines Prüfstückes unter Ultraschalleinfluß.
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Die Erfindung betrifft eine Optikvorrichtung zur Abbildung der beleuchteten
Fläche eines Werkstückes bei der Durchführung eines optischen interferometrischen
Verfahrens zur Messung der Oberflächenauslenkung eines Prüfstückes, wobei die Auslenkbewegung
der Oberfläche durch Einschallen einer Ultraschallwelle in das Prüfstück verursacht
wird, insbesondere zum berühungslosen Ultraschallempfang von hocherhitztem und/oder
schnell durchlaufendem Gut mit einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisenden
optischen Bauteilen im Referenz- und Meßarm, nach Patentanmeldung P 24 57 253.0.
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Gemäß der älteren Anmeldung P 24 57 253.0 wird die Prüfstückoberfläche
mit einem monochromatischen kohärenten Laserlichtstrahl bestrahlt und das reflektierte
Licht an einem Strahlteiler aufgespalten, der eine Strahlanteil als Meßstrahl im
Lichtempfänger
abgebildet und der andere Strahlteil als Referenzstrahl über eine Verzögerungsstrecke
geleitet und erst danach im Lichtempfänger deckungsgleich zum llauptstrahl abgebildet.
Bei diesem Verfahren kann allerdings nur der parallele Anteil des von der beleuchteten
Werkstückoberfläche gestreuten Laserlichtes zur Abbildung verwendet werden. Das
hat den llachteil, daß zur Abbildung nur ein geringer Anteil des zur Verfügung stehenden
Lichts-tromes ausgenutzt wird, d.h. der erfaßte O Grad Üffnungswinkel des Lichtstromes
beträgt nahezund der burchmesser des Lichtstromes ist gleich dem beleuchteten und
erfaßten Anteil der Werkstückoberfläche. Will man am Ort des Fotodetektors eine
höhere Lichtintensität haben, ist das nur möglich, wenn am Ort des Fotodetektors
der beleuchtete und erfaßte Anteil der Werkstückoberfläche unter Ausnutzung eines
größeren Offnungswinkels für den erfaßten Lichtstrom abgebildet wird. Dies bedeutet,
daß man im Interferometer auch Lichtstrahlen, die einen Winkel größer als O Grad
zur/optischen Achse bilden, zur Abbild-ang zuläßt.
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Es ist Auf gabe der Erfindung, eine Vorrichtung fiir das in-terferometrische
Verfahren anzugeben, durch die de Fotodetektor wesentlich stärkerer Lichtstrom zugeführt
und somit die Empfindlichkeit des Verfahrens vergrößert werden kann, Das wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß im Referenzarm les Laufzeitinterferometers ein optischer Stoff
mit einer Lichtausbreitungsgeschwindigkeit, die kleiner ist als diejenige
des
optischen Stoffes in Meßarm, im Strahlengang vorhanden, die Differenz der optischen
Weglängen zwischen Meß- und Referenzarm gleich d (1 - 1/n) und die Verzögerungszeit
gleich der Bedingung # t = d/C0 (n - 1/n) gemacht ist, und daß ein oder mehrere
optische Abbildungssysteme vorhanden und der Laser zur Beleuchtung eines Teils der
Werkstückoberfläche angeordnet und/oder ausgebildet ist bzw. sind, derart, daß der
vom Laser beleuchtete Bereich des Werkstückes an einer bestimmten Stelle im Interferometer
abgebildet und das Licht von dort, vorzugsweise über mindestens eine Zwischenoptik,
aul den Fotodetektor geführt ist.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher erläutert. Es seigen: Fig. 1 eine dicke, planparallele
Schicht im Querschnitt mit Darstellung eines Brechungsverlaufes Fig. 2 ein modifiziertes
Laufzeit-Interferoneter, schematisch Fig. 3 eine optische Anordnung mit Teleobjektiv
zwecks Abbildung Fig. 4 Laufzeit-Interferometer mit Zwischenabbildungen als schematische
Optikanordnung
Es wird ausgegangen von Bereichen mit unterschiedlichen
Brechungsindizes in beiden Interferometerarmen, d.h. im Referenz-und meßarm, so
daß diese geometrisch-optisch gleichwertig erscheinen, wodurch die Wellenfronten
von Meß- und Referenzstrahl zusammenfallen, während die Laufzeiten des Lichtes in
beiden Armen unterschiedlich sind. Ein Lichtstrahl 20 in Fig. 1, der im Stoff oder
Medium 1 mit dem Brechungsindex n1 vom Punkt P ausgeht, wird an der Grenzfläche
zum Stoff 2 mit dem Brechungsindex n2, der größer ist als n1, zum Lot der Fläche
hin gebrochen, Strahl 21, der beim Austritt aus dem Stoff 2 wieder in Stoff 1 eintritt,
derart vom Lot weggebrochen, daß dieser Strahl 22 dem Strahl 20 parallel ist, sofern
die Begrenzungsflächen des Stoffes 2 parallel sind. Berücksichtigt man die Dicke
d des Stoffes 2, damen scheint der Lichtstrahl 22 vom Punkte P' herzurühren. Für
einen Punkt Q auf diesem Lichtstrahl 22, der innerhalb einer Empfängerfläche eines
Fotodetektors 8 (Fig. 2) liegen kann, sind die Wellenfronten deckungsgleich mit
den Wellenfronten eines Lichtstrahles, der nur durch den Stoff 1 mit dem Brechungsindex
n1 vom Punkte P' ausgegangen ist.
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Wegen des höheren Brechungsindexes n2 und der größeren Entfernung
zwischen P und Q ist der Strahl, gebildet aus der Summe der Teilstrahlen 20, 21,22
aus P kommend gegenüber dem Strahl, gebildet aus der Summe der Teilstrahlen 22,
23 von P' ausgehend, zeitverzögert. Nimmt man in einem praxisnahen Beispiel an,
der Stoff 1 sei Luft mit dem Brechungsindex n1 = 1, dann folgt aus einer elementaren
Rechnung für die Verzögerungs-1 zeit # dt näherungsweise für kleine Winkelx die
Formel
# t = @/C0 (n - 1/n) (1) Auf eine Herleitung dieser Nä@@rungsformel
soll hier versichtet werden. Für die Strecke P P' gilt P P' = d (1 - 1/n) (2) n
Im Rahmen der benutzten Näherung ist die Verzögerungszeit # t unabhängig vom Winkel
α , unter dem die. Strahlen gegen die optische Achse verlaufen. Paralleles
Licht ist nicht mehr erforderlich für das Zusammenfallen der Wellenfronten.
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Fig. 2 zeigt den Einbau der Vorrichtung, bestehend aus zwei Sammellinsen
3,4 und dem Bauteil 2 mit oder aus einem Verzögerungsstoff mit dem Brechungsindex
n in dem Laufzeitinterferometer nach Hauptanmeldung P 24 57 253.0. Mit dem Licht
aus dem Laser 9 wird die in allgemeinen rauhe Oberfläche des Prüfstückes 11 in dem
Bereich (Gegenstand der Abbildung) 5 beleuchtet.
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Das von einem Punkt des Gegenstandes 5 in den Öffnungswinkel 12 gestreute
Licht wird von dem optischen System 3 (im einfachsten Fall eine Sammellinse) aufgenommen.
Dieses Licht wird am Strahlenteiler 6 in zwei Strahlanteile aufgespalten. Das in
den Meßarm 14 gespiegelte Licht bildet am Reflektor 7 ein Bild 5a des Gegenstandes
5 ab. Dieses Bild wird von dem Linsensystem 4 (im einfachsten Fall eine Sammellinse)
auf dem Fotodetektor 10 als Bild 5c abgebildet. Der durch den Strahlenteiler 6 in
den Referenzarm 13 eingetretene Lichtstrahl durchläuft ein Bauteil 2 mit oder aus
einem Verzögerungsstoff und bildet auf dem Reflektor 8 das Zwischenbild 5b des Gegenstandes
5 ab. Dieses
Bild 5b wird zwangsläufig von der Linse 4 deckungsgleich
mit dem Bild 5c auf dem Fotodetektor 10 abgebildet. Die Wellenfronten der Bilder
5a und 5b werden deckungsgleich als gemeinsames Bild 5c auf dorn Fotodetektor 10
überlagert.
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Die deckungsgleiche @berlagerung ist aber mir möglich, wenn die Differenz
zwischen den Längen 14a des Meßarmes und 13a des Referenzarmos die Bedingung nach
Gleichung (2) erfüllt. Um das zu erreichen muß die Dicke des Stoffes im Bauteil
2 entsprechend der Gleichung (1) gewählt werden, wobei # t die aus den Ultraschallgegebenheiten
erforderliche Verzögerungszeit ist. Die erforderliche Länge des Meßarmes 14a ergibt
sich dann aus der Gleichung (2).
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Als Medium im Bauteil 2 kann jeder hinreichend transparente Stoff
(gasförmig, flüssig oder fest) verwendet werden, sofern er einen von 1 nennenswert
unterschiedlichen Brechungsindex aufweist. Ein optisches Bauteil mit einem solchen
Medium ist also zusätzlich zur Linsenoptil. vorhanden.
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Die helligkeit der Abbildung hängt von dem nutzbaren Öffnungswinkel
12 und damit auch vom Verhältnis des Durchmessers der Linse 3 zu ihrer Brennweite
ab. Der Öffnungswinkel 12 kann noch weiter vergrößert werden, wenn die Zwischenbilder
5a und 5b näher an die Linse 3 herangerückt werden, was mehrere Zwischenabbildungen
notwendig macht. Hierbei ist zu beachten, daß in 5c in jedem Falle deckungsgleiche
Bilder entstehen müssen. Die
zugehörigen Abstände der Zwischenbilder
sind dementsprechend zu wählen.
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Da die Durchmesser der Bauteile 6,7 und 8 wegen der erforderlichen
Präzision gewissen Begrenzungen unterliegen, lassen sich die Eigenschaften eines
Teleobjektivsystems in vorteilhafter Weise dazu verwenden, ein Lichtbündel größeren
Querschnittes auf den Durchmesser des Strahlteilers 6 herabzutransformieren, indem
anstelle des optischen Systems 3 ein Teleobjektivsystem mit Zerstrenungslinse 19
eingesetzt wird, wie in Fig. 3 dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, daß durch den
schlankeren Strahlengang 12a die Bauteile bzw. Spiegel 6, 7 und 8 kleiner gehalten
werden können.
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Beispiel Nach dem Hauptpatent P 24 57 253.0 wird angenommen, daß für
die Ultraschallwelle eine Verzögerungszeit von 26 ns geeignet ist. Wählt man als
Verzögerungsmedium im einfachen Falle Wasser mit dem Brechungsindex 1,3, so ergibt
sich aus der Gleichung (1) mit der gewählten Verzögerungszeit von 26 ns die dicke
des Verzögerungsmediums von 14,7 m, d.h. der Referenzarm 13 muß, da der Strahl das
Medium zweimal durchdringt, eine Referenzarmlänge 13a von 14,7 m/2 haben, also 7,35
m lang sein. Aus Gleichung (2) ergibt sich die Strecke P P' = 3,5 m
Da
P P' die Differenzstrocke zwischen Referenz- und Meßarm ist, @uf die optische Weglänge
14a des Meßarmes 14 gleich 14,7 m minus 3,5 m gleich 11,2 m sein, d.h. die geometrische
Länge des @eßarmes wird 5,6 m lang. Hat das Interferometer bzw. das optische System
3 von dem Werkstück eine Entfernung von ca.
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1() 11, dann ergibt sich als Brennweite für das optische System 3
ein Wert von ,G7 n. Bei einem Abstand Linse 4 zum Fotodetektor 5c von etwas mehr
als 20 cm ergibt sich fir die Linse 4 eine Brennweite von 20 cm. Bei diesen Daten
haben, wenn man z.B.
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1 cm Durchmesser der Werkstückoberfläche abbildet, die Zwischenbilder
5a und 5b einen Durchmesser von jeweils 5,8 mm. Auf dem Fotodetektor entsteht demzufolge
ein Bild 5c in der Größenordnung von 0,2 mm. Diese Bildgröße liegt im Bereich der
lichtempfindlichen Flächen handelsüblicher Fotodioden.
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Eine Abwandlung der Erfindung sieht vor, statt der Linsensysteme in
der Fig. 3, die Abbildungen durch Spiegelsysteme zu bewirken. Dies ändert an der
prinzipiellen Wirkungsweise der Vorrichtung nichts.
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Will man den Üffnungswinkel des von der Prüfstückoberfläche erfaßten
Lichtes noch weiter vergrößern, kann man statt der Abbildung der Werkstückoberfläche
auf den Fotodetektor Zwischen abbildungen, insbesondere auf der halben Länge des
Meß- und Referenzarmes, wie schon anhand Fig. 2 dargestellt, auf den Spiegeln 7
und 8 erzeugen. Es sind zur weiteren Vergrößerung des Öffnungswinkels zusätzliche
Zwischenabbildungen, vgl. Fig.
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vorgesehen. Mit der Linse 3 wird ein jeweils erstes Zwischenbild 5a'
und 5b' und mit den Linsen 3a und 3b jeweils ein zweites Zwischenbild 5a und 5b
auf den Spiegeln 7 und 8 erzeugt.
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Nach Reflexion an den Spiegeln entstehen Zwischenbilder, die sich
mit den Zwischenbildern 5a' und 5b' decken, diese werden mit der Linse 4 auf dem
Fotodetektor abgebildet.
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Diese Vorrichtung zur Ergänzung des Laurzeitinterferometers nach Hauptanmeldung
P 24 57 253.0 ermöglicht durch die Einfügung eines optisch wirksamen Stoffes in
den Referenzarn des Laufzeitinterferometers, das vom Werkstück divergent gestreute
Licht über einen größeren Winkelbereich unter Einschluß optischer Abbildungen auszunutzen,
wodurch man wesentlich mehr Licht als nur durch ein achsenparalleles Lichtstrahlenbündel
nach der Hauptanmeldung auf den Fotodetektor bringt.
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L e e r s e i t e