DE29512741U1

DE29512741U1 - Measuring probe

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Publication number: DE29512741U1
Application number: DE29512741U
Authority: DE
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 1994-08-02
Filing date: 1995-06-07
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2005-06-08

Description

Friedrich-SchiNer-Universität JenaFriedrich-SchiNer-University Jena

Description

MeßsondeMeasuring probe

Die Erfindung betrifft eine Meßsonde zur ortsaufgelösten Detektion von Licht nach dem
Triangulations- und/oder Streulichtprinzip, vorzugsweise an schwer zugänglichen Stellen wie im Innern von Bohrungen, Rohren bzw. anderen Hohlräumen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a measuring probe for the spatially resolved detection of light according to the
Triangulation and/or scattered light principle, preferably in hard-to-reach places such as inside bores, pipes or other cavities according to the preamble of claim 1.

Mit Hilfe verschiedener Ausführungsformen dieser Anordnung können
Abstandsmessungen (Triangulation) durchgeführt oder mittels winkelaufgeiöster
Streulichtdetektion mikrotopografische Oberfiächenmerkmale (Rauheitsparameter,
Texturmerkmale, Defekte) ermittelt werden. Bei transparenten Materialien lassen sich
außerdem Strukturmerkmale im Volumen (Einschlüsse, Inhomogenitäten, Schwebteilchen und Trübungsgrad in Flüssigkeiten und Gasen) detektieren.Using various embodiments of this arrangement,
Distance measurements (triangulation) or using angle-resolved
Scattered light detection microtopographic surface features (roughness parameters,
texture features, defects). For transparent materials,
also detect structural features in the volume (inclusions, inhomogeneities, suspended particles and degree of turbidity in liquids and gases).

In letzter Zeit zeichnet sich bei Abstands- und Streulichtsensoren ein deutlicher Trend zur Miniaturisierung ab. Die Messung winkelaufgelöster Streulichtverteilungen in
miniaturisierter Form wird z.B. mit Hilfe gekrümmter Sensorarrays (DE 41 05 509 A1),
Arrays von Lichtleitfasern in Verbindung mit Fotodiodenarrays bzw. CCD-Bauelementen
oder Integriert Optischen Bauelementen in Verbindung mit CCD-Zeilen (DE 41 39 641 A1) realisiert. Eine elegante Realisierungsvariante stellt die letztgenannte Lösung dar, bei der die Vorzüge der Lichtwellenleitertechnik mit den Vorzügen relativ preiswerter CCD-Standardbauelemente gekoppelt werden, jedoch die für die vorliegende Anwendung
nachteiligen Eigenschaften herkömmlicher Lichtwellenleiter (flexible Struktur und somit
Veränderung der optischen Übertragungseigenschaften, schweres Handling u.s.w.) durch die Verwendung von Integriert Optischen Baugruppen umgangen werden.Recently, there has been a clear trend towards miniaturization in distance and scattered light sensors. The measurement of angle-resolved scattered light distributions in
miniaturized form is achieved, for example, with the help of curved sensor arrays (DE 41 05 509 A1),
Arrays of optical fibers in conjunction with photodiode arrays or CCD components
or integrated optical components in conjunction with CCD lines (DE 41 39 641 A1). The latter solution represents an elegant implementation variant, in which the advantages of optical fiber technology are coupled with the advantages of relatively inexpensive CCD standard components, but the
disadvantageous properties of conventional optical fibers (flexible structure and thus
Changes in optical transmission properties, difficult handling, etc.) can be avoided by using integrated optical modules.

Eine Miniaturisierung von Trianguiationssensoren zur Abstandsmessung wird durch die Verwendung von Halbleiterlasern und Halbleiterempfängern (Doppelfotodioden, Fotodiodenarrays, CCD-Zeilen) realisiert.A miniaturization of triangulation sensors for distance measurement is realized by the use of semiconductor lasers and semiconductor receivers (double photodiodes, photodiode arrays, CCD lines).

Trotz weitestgehender Miniaturisierung beanspruchen die vorgestellten Realisierungsvarianten immer noch so viel Platz, daß sie z.B. nicht zur Messung in Innenräumen von Bohrungen mit einem Durchmesser von weniger als 10 mm eingesetzt werden können. Somit gibt es keine Möglichkeit, die Vorteile der Triangulation bzw. der winkelaufgelösten Streu!ichtmessung bei solchen Anwendungsfällen zu nutzen. Lediglich für die Abstandsmessung z.B. an Bohrungswandungen stehen Rückstreusensoren mit einem Meßbereich von < 1 mm zur Verfugung.Despite the greatest possible miniaturization, the implementation variants presented still take up so much space that they cannot be used, for example, for measuring inside holes with a diameter of less than 10 mm. This means that there is no way of using the advantages of triangulation or angle-resolved scattered light measurement in such applications. Backscatter sensors with a measuring range of < 1 mm are only available for measuring distances, e.g. on hole walls.

Die Erfindung soll es ermöglichen, Triangulations- und Streulichtmessungen hoher Auflösung auch an schwer zugänglichen Stellen, wie im Innern von Bohrungen, Rohren bzw. anderen Hohlräumen, durchzuführen.The invention is intended to make it possible to carry out triangulation and scattered light measurements with high resolution even in places that are difficult to access, such as inside boreholes, pipes or other cavities.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved according to the invention by the characterizing features of claim 1.

Das schmale, stabförmige Array von Integriert Optischen Lichtwellenleitern lOL ermöglicht die Durchführung von Messungen in Bohrungen oder andere schwer zugängliche Stellen. Ein wesentliches neues Merkmal besteht darin, daß je nach Ausführungsform, neben der Messung von Oberflächenmerkmalen auch Abstandsmessungen bzw. Abstandsmessungen in Kombination mit Oberflächenmessungen durchgeführt werden können. Ein weiteres Merkmal ist, daß die Lichtwellenleiter nicht nur zur Weiterleitung der von der Prüflingsoberfläche reflektierten Strahlung verwendet werden. Vielmehr werden ein oder mehrere Welienieiter auch zum Leiten des Lichtes von ein oder mehreren Quellen auf die Prüfiingsoberfiäche verwendet. Dies bietet den Vorteil, daß immer starre geometrische Verhältnisse zwischen dem eingestrahlten Licht und den detektierenden Lichtweilenleitern bestehen. Dadurch wird ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit erreicht. Werden die zur Beleuchtung benutzten Lichtwellenleiter mit einem Array einzeln ansteuerbarer Lichtquellen (vorzugsweise Laserdiodenarray) verbunden und treten diese Lichtwellenleiter unter unterschiedlichen Winkeln gegenüber der Prüflingsoberfläche aus, so ergibt sich als weiterer Vorteil die Steuerbarkeit des Einfallswinkels der Spotbeieuchtung, was insbesondere bei Streulichtmessungen bedeutsam ist.The narrow, rod-shaped array of integrated optical fibers lOL enables measurements to be carried out in holes or other hard-to-reach places. A key new feature is that, depending on the design, in addition to measuring surface features, distance measurements or distance measurements in combination with surface measurements can also be carried out. Another feature is that the fiber optics are not only used to transmit the radiation reflected from the surface of the test object. Rather, one or more fiber optics are also used to guide the light from one or more sources to the test surface. This offers the advantage that there are always rigid geometric relationships between the incident light and the detecting fiber optics. This achieves a high degree of reproducibility. If the optical fibers used for illumination are connected to an array of individually controllable light sources (preferably a laser diode array) and these optical fibers emerge at different angles to the test object surface, an additional advantage is the controllability of the angle of incidence of the spot illumination, which is particularly important for scattered light measurements.

Ein weiteres neues Merkmal ist, daß, bei entsprechender Ausführungsform, ein oder mehrere von einer oder mehreren Quellen beleuchtete Wellenleiter bzw. ein oder mehrere Abzweigungen daraus direkt auf ein oder mehrere Detektoren geleitet werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit der Kontrolle der eingestrahlten Lichtieistung. Bei der Optisch Integrierten Lichtwellenleiterstruktur lOL handelt es sich um ein ebenes Array von Wellenleitern, welche sich in (vergrabene Struktur) oder auf (Oberflächenstruktur) einem Substrat, vorzugsweise Glas, befinden. Die Lichtwellenleiter werden durch Bahnen mit gegenüber dem Substrat erhöhter Brechzahl, bzw. über dem Bahnquerschnitt ortsabhängiger Brechzahl gebildet. Dabei verlaufen alle Lichtwellenleiter von einer Eintrittsöffnung EÖ an einer Stirnfläche des Substrates zu einem Austrittspunkt an derselben oder einer anderen Stirnfläche des Substrates. Ein Teil der Austrittsöffnungen ist mit ein bzw. mehreren lichtempfindlichen Detektoren und/oder ein bzw. mehreren Detektorarrays verbunden. Ein anderer Teil der Austrittsöffnungen ist mit einer oder mehreren Lichtquellen, vorzugsweise Laser, verbunden und erzeugt so auf der Prüflingsoberfläche einen Lichtspot. Die der Prüflingsoberfläche zugewandte Stirnfläche soll nachfolgend grundsätzlich als Eintrittsfläche EF, die den Detektoren zugewandte Seite grundsätzlich als Austrittsfläche AF bezeichnet werden. Zweckmäßigerweise werden analog dazu die auf der Eintrittsseite EF liegenden Wellenleiteröffnungen grundsätzlich als Einttrittsöffnungen EÖ, die auf der Austrittsfläche AF liegenden Öffnungen grundsätzlich als Austrittsöffnungen AÖ bezeichnet. Dies gilt unabhängig davon, ob jeweils Licht eintritt oder austritt. Die Detektoren / Detektorarrays De sind mit einer Steuer- und Auswerte-/ Anzeigeeinheit, vorzugsweise einem PC, verbunden.Another new feature is that, with the appropriate design, one or more waveguides illuminated by one or more sources or one or more branches from them are guided directly to one or more detectors. This makes it possible to control the incoming light output. The optically integrated optical waveguide structure lOL is a flat array of waveguides which are located in (buried structure) or on (surface structure) a substrate, preferably glass. The optical waveguides are formed by paths with a higher refractive index than the substrate or a refractive index that is location-dependent over the path cross-section. All optical waveguides run from an entry opening EÖ on one end face of the substrate to an exit point on the same or another end face of the substrate. Some of the exit openings are connected to one or more light-sensitive detectors and/or one or more detector arrays. Another part of the exit openings is connected to one or more light sources, preferably lasers, and thus creates a light spot on the surface of the test object. The front surface facing the surface of the test object is to be referred to as the entry surface EF, and the side facing the detectors is to be referred to as the exit surface AF. Analogously, the waveguide openings on the entry side EF are to be referred to as entry openings EÖ, and the openings on the exit surface AF are to be referred to as exit openings AÖ. This applies regardless of whether light enters or exits. The detectors / detector arrays De are connected to a control and evaluation / display unit, preferably a PC.

Die Integriert Optische Baugruppe 1OL weist ein Längen-/ Breitenverhältnis von 5:1 bis 100:1 auf und kann somit bequem in Bohrungen u. ä. eingeführt werden. Die längliche Gestalt zwingt zwar gegenüber der Lösung DE 41 39 641 A1 zu Einschränkungen bezüglich der Anzahl der verwendeten Lichtwelienleiter (diese können nicht beliebig schmal und wegen der notwendigen Einhaltung der Bedingung für die Totalreflexion auch nicht beliebig gekrümmt geführt werden), so daß im Falle der Streulichtmessung der Winkelbereich gegenüber der in DE 41 39 641 A1 vorgestellten Lösung kleiner ist; eine Vielzahl von Problemen (z.B. Defekterkennung, Rauhigkeitsmessung bis zu einer bestimmten Genauigkeit) lassen sich jedoch damit trotzdem lösen.The integrated optical assembly 1OL has a length/width ratio of 5:1 to 100:1 and can therefore be easily inserted into holes etc. The elongated shape does impose restrictions on the number of optical fibers used compared to the solution in DE 41 39 641 A1 (these cannot be arbitrarily narrow and, due to the need to comply with the condition for total reflection, cannot be curved in any way), so that in the case of scattered light measurement the angular range is smaller compared to the solution presented in DE 41 39 641 A1; however, a large number of problems (e.g. defect detection, roughness measurement up to a certain accuracy) can still be solved with it.

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Die Verwendung Integriert Optischer Lichtwellenleiter bietet Vorteile z.B. gegenüber einer Ausführung mit diskreten Lichtwellenieitern. Für die Realisierung hochauflösender Triangulations -bzw. Streulichtsysteme in extrem miniaturisierter Form mit Lichtwellenleitern ist eine saubere und exakte Verlegung einer größeren Zahl von Lichtwellenieitern auf engstem Raum erforderlich.The use of integrated optical fibers offers advantages over a design with discrete fibers, for example. To implement high-resolution triangulation or scattered light systems in an extremely miniaturized form with fiber optics, a clean and precise installation of a large number of fiber optics in a very small space is required.

Dies läßt sich wesentlich einfacher mit Integriert Optischen Lichtwelienleiterstrukturen als mit diskreten Lichtleitfasern verwirklichen, da bei der Entwicklung und Herstellung von Integrierten Lichtwelienleiterstrukturen z.B. die hochgenaue Maskenstrukturierung mittels Elektronenstrahilitografie angewendet werden kann. Arrays von diskreten Lichtleitfasern exakter geometrischer Führung können nur mittels aufwendiger mechanischer (manueller) Positionierung hergestellt werden.This can be achieved much more easily with integrated optical fiber structures than with discrete optical fibers, since the development and manufacture of integrated optical fiber structures can be carried out using, for example, highly precise mask structuring using electron beam lithography. Arrays of discrete optical fibers with precise geometric guidance can only be produced using complex mechanical (manual) positioning.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Figuren beschrieben werden. Es zeigen:The invention will be described below with reference to figures. They show:

Figur 1: Meßsonde in miniaturisierter Form für Streulichtmessungen Figur 2: Meßsonde in miniaturisierter Form für Abstandsmessungen Figur 3: Meßsonde mit zusätzlicher schneller Datenvorverarbeitung Figur 4: Meßsonde in miniaturisierter Form mit abgewinkeltem Sensorende Figur 5: miniaturisierte Meßsonde, Lichtwellenleiterstruktur zu den DetektorenFigure 1: Measuring probe in miniaturized form for scattered light measurements Figure 2: Measuring probe in miniaturized form for distance measurements Figure 3: Measuring probe with additional fast data preprocessing Figure 4: Measuring probe in miniaturized form with angled sensor end Figure 5: miniaturized measuring probe, fiber optic structure to the detectors

hin aufgefächert
Figur 6: Kombinierte Streulicht- und Abstandsmeßsonde in miniaturisierterfanned out
Figure 6: Combined scattered light and distance measuring probe in miniaturized

Form
Figur 7: Meßsonde mit mehreren räumlich angeordneten Integriert Optischenshape
Figure 7: Measuring probe with several spatially arranged integrated optical

Lichtwellenleiterstrukturen
Figur 8: Meßsonde mit mehreren räumlich angeordneten IntegriertenOptical fiber structures
Figure 8: Measuring probe with several spatially arranged integrated

Optischen Lichtwelienleiterstrukturen und abgewinkeltem Sensorende Figur 9: Meßsonde mit mehreren Lichtquellen und Beleuchtungswellenleitern Figur 10: Meßsonde mit Referenzwellenleiter Figur 11: Meßsonde mit Referenzwellenleiter und seitlich angeordnetemOptical fiber optic structures and angled sensor end Figure 9: Measuring probe with several light sources and illumination waveguides Figure 10: Measuring probe with reference waveguide Figure 11: Measuring probe with reference waveguide and laterally arranged

ReferenzdetektorReference detector

Implementation example 1

Die Erfindung soli anhand des Ausführungsbeispieles 1 (Fig. 1, 2) erläutert werden.The invention will be explained using embodiment 1 (Fig. 1, 2).

Kernstück der Anordnung ist die Integriert Optische Lichtwellenleiterstruktur lOL, bestehend aus dem Substrat Su und den Lichtwellenleitern LWL. Einer dieser Wellenleiter fungiert als Beleuchtungswellenleiter BWL. Dieser ist eingangsseitig mit einem Laser La verbunden, so daß auf die Prüfiingsoberfiäche Pr ein Lichtspot projiziert wird. Die Eintrittsöffnungen EÖ der Lichtwellenleiter befinden sich an der der Prüflingsoberfläche zugewandten Stirnfläche EF der Integriert Optischen Lichtwellenleiterstruktur lOL und dienen zur Detektion reflektierter bzw. rückgestreuter Anteile des Spots.The core of the arrangement is the integrated optical fiber optic structure lOL, consisting of the substrate Su and the optical fibers LWL. One of these waveguides functions as an illumination waveguide BWL. This is connected on the input side to a laser La, so that a light spot is projected onto the test surface Pr. The inlet openings EÖ of the optical fibers are located on the end face EF of the integrated optical fiber optic structure lOL facing the test object surface and are used to detect reflected or backscattered parts of the spot.

Durch eine Modifikation der integriert Optischen Lichtweiienleiterstruktur lOL bezüglich der Substratgeometrie und der Anordnung der Lichtwellenleiter in der Nähe der Eintrittsöffnungen EÖ der Lichtwellenleiter lassen sich Messungen nach dem Streulichtprinzip (Fig. 1) bzw. nach dem Triangulationsprinzip (Fig. 2) realisieren.By modifying the integrated optical fiber structure lOL with respect to the substrate geometry and the arrangement of the optical fibers near the entrance openings EÖ of the optical fibers, measurements can be carried out according to the scattered light principle (Fig. 1) or according to the triangulation principle (Fig. 2).

Für Streulichtmeßzwecke ist die Eintrittsfläche EF vorzugsweise gebogen ausgeführt, und die Wellenleiter verlaufen in Nähe der Eintrittsöffnungen EÖ radial zur Eintrittsfläche EFFor scattered light measurement purposes, the entrance surface EF is preferably curved, and the waveguides run radially to the entrance surface EF near the entrance openings EÖ

Für Triangulationszwecke ist die Eintrittsfläche EF am probenseitigen Ende vorzugsweise gerade ausgeführt (Fig. 2). Die Lichtwellenleiter LWL dienen zur Übertragung der orts bzw. winkelaufgelösten Lichtinformation auf die Austrittsöffnungen AÖ, an welchen sich die lichtempfindlichen Detektoren bzw. Detektorarrays De befinden. Diese wandeln die optischen Signale in elektrische Signale um. Die Detektoren oder Detektorarrays sind mit einer Einheit zur Signalvorverarbeitung SiV verbunden, welche ihrerseits mit einer Auswerteeinheit, vorzugsweise einem PC verbunden ist. Die Signale werden verarbeitet und zur Anzeige gebracht. Die Meßsonde ist zum Zwecke der Abtastung der zu vermessenden Oberfläche in x- und/oder y- und/oder z-Richtung positionierbar. Bei der Prüfung rotationssymmetrischer Teile ist vorzugsweise der Prüfling um eine Achse parallel zur z-Achse rotatorisch positionierbar. Alle Positionierungen erfolgen vorzugsweise motorisch.For triangulation purposes, the entrance surface EF at the sample end is preferably straight (Fig. 2). The optical fibers LWL are used to transmit the spatially or angularly resolved light information to the exit openings AÖ, at which the light-sensitive detectors or detector arrays De are located. These convert the optical signals into electrical signals. The detectors or detector arrays are connected to a signal preprocessing unit SiV, which in turn is connected to an evaluation unit, preferably a PC. The signals are processed and displayed. The measuring probe can be positioned in the x and/or y and/or z direction for the purpose of scanning the surface to be measured. When testing rotationally symmetrical parts, the test object can preferably be positioned in rotation about an axis parallel to the z axis. All positioning is preferably carried out by motor.

Nachfolgend werden anhand weiterer Ausführungsbeispieie Detaiiiösungen zur vorteilhaften Ausgestaltung der Lösung vorgestellt:Below, detailed solutions for the advantageous design of the solution are presented using further implementation examples:

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Example 2

Die Detektoren bzw. das Detektorarray sind zum Zwecke der Erhöhung der Meßgeschwindigkeit mit einer schnellen Einheit zur Signalvorverarbeitung SiV verbunden, welche zeitintensive Rechenoperationen (z.B. Filterungen) durchführt und somit den angeschlossenen PC entlastet (Fig. 3).In order to increase the measuring speed, the detectors or the detector array are connected to a fast signal preprocessing unit SiV, which carries out time-consuming calculation operations (e.g. filtering) and thus relieves the connected PC (Fig. 3).

Example 3

Durch eine gebogene Ausführung des Sensors bzw. Anschrägung der dem Prüfling zugewandten Sensorstimfläche (Fig. 4a, 4b) wird eine Anpassung des Sensors an bestimmte Konturmerkmale des Prüflings vorgenommen (Abtastung eines Senkkonusses entsprechend Fig. 4a, Abtastung einer Bohrungswand entsprechend Fig. 4b). Vorteilhaft wirkt sich hierbei aus, daß bei senkrechter bzw. nahezu senkrechter Anordnung der Wellenleiterenden zur Sensorstirnfläche und somit winkeigetreuer Streulichtabtastung die Krümmungsradien der Wellenleiter groß gehalten werden können (Minimierung von Lichtverlusten). Die Eintrittsfläche EF ist wiederum je nach Verwendung als Abstandssensor oder Streulichtsensor gebogen oder gerade ausgeführt.By making the sensor curved or by beveling the sensor face facing the test object (Fig. 4a, 4b), the sensor is adapted to certain contour features of the test object (scanning a countersunk cone as shown in Fig. 4a, scanning a bore wall as shown in Fig. 4b). The advantage here is that when the waveguide ends are arranged perpendicularly or almost perpendicularly to the sensor face and the scattered light is thus scanned at the correct angle, the curvature radii of the waveguides can be kept large (minimizing light losses). The entry surface EF is curved or straight depending on whether it is used as a distance sensor or scattered light sensor.

Example 4

Eine Auffächerung der Wellenleiter an der Austrittsfläche ermöglicht die Verwendung diskreter Fotodioden mit entsprechend größeren Abmessungen. Die Verwendung diskreter Fotodioden kann kostengünstiger sein als der Einsatz von Detektorarrays und ermöglicht eine weitestgehende Paralielisierung der Signaldetektion und somit eine Erhöhung der Meßgeschwindigkeit (Fig. 5).Fanning out the waveguides at the exit surface enables the use of discrete photodiodes with correspondingly larger dimensions. The use of discrete photodiodes can be more cost-effective than the use of detector arrays and enables the signal detection to be parallelized to the greatest possible extent and thus an increase in the measurement speed (Fig. 5).

Example 5

Eine Kombination aus Streulicht- und Triangulationssensor ist in Fig. &bgr; dargestelt. Dies bietet den Vorteil, daß gleichzeitig Oberflächenprüfungen und Abstandsmessungen durchgeführt werden können. Die Substratkante der Integrierten Lichtwellenleiterstruktur des als Streulichtsensor fungierenden Teiles Streu ist dabei vorzugsweise gebogen ausgeführt, während der als Triangulationssensor ausgeführte Teil Tri vorzugsweise gerade ausgeführt ist. Der Lichtspot wird dabei auf die Eintrittsöffnungen des Triangulationsteils Tri mit einer Linse, vorzugsweise einer Mikrolinse, abgebildet. Mit Hilfe der Abstandsinformation kann über die Positioniereinrichtung der Sensor gegenüber der Oberfläche nachgeführt werden, so daß immer ein konstanter Meßabstand eingehalten wird.A combination of scattered light and triangulation sensor is shown in Fig. β. This offers the advantage that surface tests and distance measurements can be carried out simultaneously. The substrate edge of the integrated optical waveguide structure of the scattered light sensor part is preferably curved, while the triangulation sensor part Tri is preferably straight. The light spot is projected onto the entrance openings of the triangulation part Tri with a lens, preferably a microlens. With the help of the distance information, the sensor can be tracked relative to the surface via the positioning device so that a constant measuring distance is always maintained.

Ausführungsbeispiel 6 Implementation example 6

Durch die rotationssymmetrische räumliche Anordnung mehrerer Integriert Optischer Lichtwellenleiterstrukturen 1OL um eine Achse (entsprechend Fig. 7) läßt sich das Streulicht auch azimutal abtasten. Die Eintrittsöffnungen EÖ der Integriert Optischen Lichtwellenleiterstruktur bilden dann den Teil einer Fläche höherer Ordnung, z.B. einer Kugelfläche. Auf diese Weise können mit Hilfe der Streulichtmessung z.B. Anisotropien und bestimmte Arten von Oberflächendefekten besser detektiert werden.The rotationally symmetrical spatial arrangement of several integrated optical fiber structures 1OL around an axis (as shown in Fig. 7) also allows the scattered light to be scanned azimuthally. The entrance openings EÖ of the integrated optical fiber structure then form part of a higher order surface, e.g. a spherical surface. In this way, anisotropies and certain types of surface defects can be better detected with the help of the scattered light measurement.

Ausführungsbeispiel 7 Implementation example 7

Es werden mehrere Integriert Optische Lichtwellenieiterstrukturen entsprechend Fig. 8 räumlich angeordnet und das Sensorende abgewinkelt. Dadurch erfolgt eine Anpassung des Sensors an die Prüflingsgestalt ähnlich dem Ausführungsbeispiel 3.Several integrated optical fiber structures are spatially arranged as shown in Fig. 8 and the sensor end is angled. This allows the sensor to be adapted to the shape of the test object in a similar way to embodiment 3.

Example 8

Es werden mehrere Wellenleiter als Beleuchtungsweiienieiter BWL genutzt (Fig. 9). Diese sind einzeln über ein Laserdiodenarray ansteuerbar, so daß je nach angesteuertem Wellenleiter der Spot in unterschiedlichen Winkeln auf die Probenoberfläche Pr trifft. Die somit realisierte Steuerbarkeit des Einfallswinkels ist z. B. bei Streulichtmessungen von Bedeutung. Außerdem kann durch die Steuerbarkeit des Einfallswinkels bei Abstandsmessungen eine Anpassung der Lichtverhältnisse an das Reflexions- und Streuverhalten der zu untersuchenden Prüflingsoberfläche vorgenommen werden.Several waveguides are used as illumination guides BWL (Fig. 9). These can be controlled individually via a laser diode array, so that depending on the controlled waveguide, the spot hits the sample surface Pr at different angles. The controllability of the angle of incidence achieved in this way is important, for example, for scattered light measurements. In addition, the controllability of the angle of incidence in distance measurements can be used to adapt the lighting conditions to the reflection and scattering behavior of the surface of the test object to be examined.

Example 9

Ein Referenzwellenleiter RWL wird mit dem zur Erzeugung des Beleuchtungsspots angeordneten Laser verbunden und direkt auf einen Strahlungsdetektor geführt (Fig. 10a, 11a) bzw. es wird ein aus dem Beleuchtungswellenleiter BWL abgezweigter Wellenieiter auf einen Strahlungsdetektor geführt (Fig. 10b, 11b). Der zur Referenzmessung verwendete Detektor befindet sich an der oberen Sensorstirnfläche (Fig. 10a, b) oder an einer seitlichen Stirnfläche (Fig. 11 a, b) der Integriert Optischen Lichtwellenleiterstruktur lOL. Mit Hilfe eines solchen Referenzwellenleiters kann die eingestrahlte Lichtleistung mit gemessen und als Regelgröße für die Laserleistung verwendet werden. Vorteile ergeben sich hierbei auch bei Streulichtmessungen, da die zu ermittelnden Kenngrößen oft auf die einfallende Strahlungsleistung normiert werden.A reference waveguide RWL is connected to the laser arranged to generate the illumination spot and is guided directly to a radiation detector (Fig. 10a, 11a) or a waveguide branched off from the illumination waveguide BWL is guided to a radiation detector (Fig. 10b, 11b). The detector used for the reference measurement is located on the upper sensor face (Fig. 10a, b) or on a side face (Fig. 11 a, b) of the integrated optical fiber structure lOL. With the help of such a reference waveguide, the incident light power can also be measured and used as a control variable for the laser power. This also has advantages for scattered light measurements, since the parameters to be determined are often standardized to the incident radiation power.

BezugszeichenReference symbols AustrittsöffnungenOutlet openings Laserdiodenarray (LED-Array)Laser diode array (LED array) AÖAÖ Computercomputer LarLar SignalvorverarbeitungSignal preprocessing PCPC LaserLaser SiVSiV Detektor / DetektorarrayDetector / detector array LaThe LichtwellenieiterFiber optic cable DeDe BeleuchtungswellenleiterLighting waveguide LWLLWL ReferenzwellenleiterReference waveguide BWLBusiness Administration KoordinatensystemCoordinate system RWLRWL Probesample x, y, &zgr;x, y, &zgr; Integriert Optische LichtwellenleiterstrukturIntegrated optical fiber structure PrPr Drehungrotation lOLlol Anzeige-/ AuswerteeinheitDisplay/evaluation unit WW Austrittsfiäche (an dem detektorseitigen Ende)Exit surface (at the detector end) AEAE Eintrittsfläche (an dem probensseitigen Ende)Entrance area (at the sample end) AFAF FotodiodenPhotodiodes EFEF TrianguiationsteilTriangulation part FoFo StreulichtteilScattered light part TriTri Linselens StreuLitter einfallender Lichtstrahlincident light beam LiLi StreulichtScattered light SeSee EintrittsöffnungEntrance opening SrSr EÖEÖ

Claims

Expectations

1. Measuring probe for measuring scattered light or distances in places that are difficult to access, consisting of one or more light sources, preferably lasers, a measuring head which is inserted into the object to be measured or tested, and at least one light-sensitive detector and/or light-sensitive detector array which is connected via a unit for signal preprocessing to an evaluation and/or control unit, preferably a PC, characterized in that

the measuring head consists of a substrate material which is provided with an integrated optical fiber structure (IOL), which is a flat array of optical fibers (LWL) of narrow, elongated shape (rod-shaped), whereby the optical fibers are guided from an exit surface (AF) on one end face of the substrate to another end face of the substrate (entrance surface EF) and at least one exit opening (AÖ) on the exit surface (AF) of an optical fiber is connected to at least one light-sensitive detector and at least one further exit opening AÖ on the exit surface (AF) of an optical fiber is connected to at least one light source (laser La).

2. Measuring probe according to claim 1, characterized in that at least one optical waveguide (LWL) is guided from an exit opening (AÖ) on the exit surface (AF) of the substrate to another exit opening (AÖ) on the same exit surface (AF) of the substrate or at least one optical waveguide (LWL) is guided from an exit opening (AÖ) on the exit surface (AF) of the substrate to an exit opening (AÖ) on another surface of the substrate and

one exit opening is connected to at least one light-sensitive detector and the other exit opening is connected to at least one light source.

3. Measuring probe according to claim 1, characterized in that the arrangement for scanning the surfaces to be measured is movable in the x and/or y direction and/or in the z direction and/or for the purpose of testing rotationally symmetrical parts, the test object can be rotated about an axis parallel to the z axis, with all positioning being carried out by motor.

4. Measuring probe according to claim 1, characterized in that the detectors or the detector array are connected to a fast unit for signal preprocessing (SiV), which in turn is connected to the computer (PC) or functions as an independent evaluation and display unit.

5. Measuring probe according to claim 1, characterized by a design of the integrated optical waveguide structure (IOL) bent in an angle range of 0° to 90° and/or a beveled design of the entry surface (EF) of the integrated optical waveguide structure on which the entry openings are located, the bend and/or the bevel being adapted to the surface contour of the sample to be measured.

6. Measuring probe according to claim 1, characterized in that the waveguides increasingly diverge or fan out in the direction of the exit surface (AF), so that the distance between the exit openings (AÖ) is significantly greater than between the entry openings (EÖ).

7. Measuring probe according to claim 1, characterized in that one part of the integrated optical fiber structure (IOL) is designed as a triangulation sensor (Tri) for distance measurement and the other part is designed as a scattered light sensor (Streu) for scattered light measurement.

8. Measuring probe according to claim 1, characterized in that one or more lenses (Li) are arranged between the surface of the sample (Pr) and the entrance surface (EF) of the integrated optical fiber structure.

9. Measuring probe according to claim 1, characterized in that a microlens array is arranged between the surface of the sample (Pr) and the entrance surface (EF).

10. Measuring probe according to claim 1, characterized in that several integrated optical fiber optic structures are spatially arranged in such a way that the entry openings of several fiber optics form a higher order surface, so that two-dimensional scattered light measurements (scattering angle and azimuth resolution) can be carried out.

11. Measuring probe according to claim 10, characterized in that several integrated optical light waveguide structures are arranged spatially, rotationally symmetrically around an axis, so that the entry openings of several light waveguides form a surface of higher order, so that two-dimensional scattered light measurements (scattering angle and azimuthally resolved) can be carried out.

12. Measuring probe according to claims 10 and 11, characterized in that several integrated optical light wave structures are arranged spatially, rotationally symmetrically around an axis so that the entry openings of several optical waveguides of the structures form a spherical surface or part of a spherical surface, so that two-dimensional scattered light measurements (scattering angle and azimuth resolution) can be carried out.

13. Measuring probe according to claim 10, characterized in that several integrated optical fiber structures are spatially arranged in such a way that the entry openings of several optical fibers form a higher order surface, so that two-dimensional scattered light measurements (scattering angle and azimuthally resolved) can be carried out, whereby the entire system of all integrated optical fiber structures (IOL) on the side facing the test object is bent in a range of 0° to 90°, so that an adaptation to the contour of the test object takes place.

14. Measuring probe according to claim 2, characterized in that at least one optical waveguide connected to the light source is guided directly to at least one detector, so that a reference beam is created for the incident light.

15. Measuring probe according to claim 2, characterized in that an optical waveguide is branched off from at least one optical waveguide connected to the light source, and the branched optical waveguide is guided directly to at least one detector, so that a reference beam is created for the incident light.