DE4320845C1 - Arrangement for measuring scattered light in bores in work-pieces or in tubes - Google Patents
Arrangement for measuring scattered light in bores in work-pieces or in tubesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Streulicht in Bohrungen von Werkstücken oder in Rohren, die vorzugsweise kreiszylindrisch sind, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an arrangement for measuring stray light in bores of Workpieces or in tubes, which are preferably circular cylindrical, according to the Preamble of claim 1.
Streulicht von Oberflächen trägt Informationen über die geometrische und optische Beschaffenheit von Oberflächen. Streulichtmeßverfahren an ebenen oder schwach gekrümmten größeren Oberflächen sind allgemein in der Praxis verbreitet. Die Messung von Streulicht in Bohrungen von Werkstücken oder in Rohren mit relativ kleinen Durchmessern (einige mm bis cm) und zum Teil großen Längen bereitet Schwierigkeiten. Bekannte Lösungen benutzen zur Anregung des Streulichtes einen Laserstrahl, der kollimiert und in den meisten Fällen axial mittels einer optischen Anordnung in die zu untersuchende Bohrung über den optisch freien Raum (Luft) geführt wird. In Höhe des zu untersuchenden Flächenausschnitts wird der Laserstrahl über einen Spiegel, Prismen oder ähnliche reflektierende Anordnungen auf die Wandung der Bohrung gelenkt. Das von der Wandung gestreute Licht wird entweder über den Beleuchtungsspiegel direkt oder über Lichtleitfaserbündel nach außen geführt und mit Photodiodenmatrizen oder Bildverarbeitungssystemen detektiert.Scattered light from surfaces carries information about the geometric and optical Texture of surfaces. Scattered light measurement method on flat or weak curved larger surfaces are common in practice. The measurement of stray light in holes in workpieces or in pipes with relatively small Diameters (a few mm to cm) and sometimes long lengths are difficult. Known solutions use a laser beam to excite the scattered light collimated and in most cases axially by means of an optical arrangement investigating hole is guided over the optically free space (air). In the amount of examining surface section, the laser beam is reflected by a mirror, prisms or similar reflective arrangements directed to the wall of the bore. The Light scattered from the wall is either directly via the lighting mirror or led to the outside via optical fiber bundles and with photodiode matrices or Image processing systems detected.
In DE-PS 34 22 772.5 ist eine "Vorrichtung zur berührungslosen Innengewindemessung" beschrieben. Ein zylindrischer Kunststoffkörper enthält koaxiale Lichtleitkabel. Die koaxialen Lichtleitkabel enden in der Zylinderwandung des Kunststoffkörpers. Eine laserlichtgespeiste Monomode-Lichtleitfaser bildet die Seele des Lichtleitfaserbündels. DE-PS 34 22 772.5 is a "device for non-contact internal thread measurement" described. A cylindrical plastic body contains coaxial fiber optic cables. The coaxial fiber optic cables end in the cylinder wall of the plastic body. A Laser-fed single-mode optical fiber forms the soul of the optical fiber bundle.
Die Seele ist von einem lichtrückleitenden Lichtleitfaserbündel umgeben, welches Meßlicht zu Detektoren leitet. Zwei derartige Lichtleitfaserbündel sind um 180 Grad versetzt in einer zur Gewindeachse senkrechten Ebene im Kunststoffkörper angeordnet. Diese faseroptische Anordnung gewinnt Meßsignale von der Kontur des Innengewindes. Aus dem Verlauf der Strahlungsstärke des von der Oberfläche reflektierten Lichtes wird mit Hilfe eines Rechners die Kontur des Innengewindes ermittelt. Diese Anordnung ist speziell dafür ausgelegt, Innengewinde zu messen. Die rechnergestützte Auswertung liefert ein Gut-Schlecht-Ergebnis. Der Öffnungswinkel des lichtrückleitenden Lichtleitfaserbündels muß beispielsweise für die Messung metrischer ISO-Gewinde etwa 25 Grad betragen. (Öffnungswinkel β des lichtrückleitenden Lichtleitfaserbündels ist abhängig von dem Flankenwinkel des jeweiligen Innengewindes.) Somit ist für jede Gewindeart und für verschiedene Durchmesser ein spezieller Kunststoffkörper notwendig, der mit einem entsprechenden Lichtleitfaserbündel bestückt ist. Mit Hilfe einer Drehung des Kunststoffkörpers oder des Bohrloches können die Vollständigkeit und die Steigung des Gewindes überprüft werden. Mittels Eintauchen des Kunststoffkörpers in die Gewindebohrung kann die Gewindetiefe ermittelt werden.The soul is surrounded by a light-returning optical fiber bundle, which Measuring light leads to detectors. Two such optical fiber bundles are 180 degrees offset in a plane perpendicular to the thread axis in the plastic body. This fiber-optic arrangement obtains measurement signals from the contour of the internal thread. The course of the radiation intensity of the light reflected from the surface becomes the contour of the internal thread is determined using a computer. This arrangement is specially designed to measure internal threads. The computer-aided evaluation provides a good-bad result. The opening angle of the light-returning For example, optical fiber bundles have to be used for measuring metric ISO threads 25 degrees. (Opening angle β of the light-returning optical fiber bundle is depends on the flank angle of the respective internal thread.) So for each Thread type and a special plastic body required for different diameters, which is equipped with a corresponding optical fiber bundle. With the help of a rotation the completeness and the slope of the plastic body or the borehole of the thread are checked. By immersing the plastic body in the Tapping, the thread depth can be determined.
Diese Anordnung ist nicht für alle Meßaufgaben geeignet, die zur Beurteilung der Qualität von Innengewinden und Bohrungen notwendig sind. Es können nur relativ große Fehler erkannt werden. Die Anordnung ist zur Messung glatter (z. B. gehonter) Flächen mit kleinen Fehlern (Kratzer, matte Flächenteile) nicht geeignet.This arrangement is not suitable for all measuring tasks that are used to assess the quality of internal threads and bores are necessary. There can only be relatively large errors be recognized. The arrangement is for measuring smooth (e.g. honed) surfaces with small defects (scratches, matt surface parts) are not suitable.
Bei einem größeren Durchmesser der Bohrung und bei einer nur geringen Tiefe werden die Detektoren ohne die Zwischenschaltung von Lichtleitfasern zur Messung benutzt. Mit solchen Anordnungen wird die gekrümmte Oberfläche punktweise durch Drehen von Werkstück oder Umlenkspiegel in radialer Richtung und durch Verschieben des Umlenkspiegels in axialer Richtung abgetastet. Diese Anordnungen haben verschiedene Nachteile. With a larger diameter of the bore and with a shallow depth used the detectors for measurement without the interposition of optical fibers. With In such arrangements, the curved surface is made point by point by rotating Workpiece or deflecting mirror in the radial direction and by moving the Deflecting mirror scanned in the axial direction. These arrangements have several Disadvantage.
Insbesondere wird bei der Rückführung des Streulichtes über den Beleuchtungsspie gel nur ein kleiner Winkelbereich um den direkten Reflex erfaßt. Bei dieser Anordnung ist nur ein senkrechter Einfall auf die streuende Fläche möglich.In particular, when the scattered light is returned via the illumination mirror gel only covers a small angular range around the direct reflex. With this arrangement only a vertical incidence on the scattering surface is possible.
Beim Einsatz von Lichtleitfaserbündeln zur Streulichtdetektion und Bestrahlung über die Spiegelanordnung geht Streulichtintensität durch schrägen Einfall auf die Fläche des Faserbündels und durch die unvollständige Flächenausnutzung des unteren Faser bündelendes verloren. Die punktweise Abtastung der gesamten Oberfläche der Wan dung ist außerdem sehr zeitaufwendig. Weiterhin wird Licht im Mantel der Lichtleitfa ser geführt, das einer Quelle nicht mehr eindeutig zugeordnet werden kann.When using optical fiber bundles for scattered light detection and irradiation the mirror arrangement goes scattered light intensity by oblique incidence on the surface of the fiber bundle and due to the incomplete use of the area of the lower fiber bundled lost. The point-by-point scanning of the entire surface of the pan manure is also very time consuming. Furthermore, light in the jacket of the Lichtleitfa This leads to a source that can no longer be clearly assigned.
Es ist auch eine Oberflächenprüfvorrichtung mit einem Prüfkopf bekannt, der optische Elemente, z. B. einen Spiegel, enthält, mit deren Hilfe ein kontinuierlich von einem La ser erzeugter Lichtstrahl in einem schrägen Winkel auf die zu untersuchende Ober fläche gerichtet wird (DE 28 20 910 A1). Der Prüfkopf enthält ferner eine Vielzahl von fotoleitenden Elementen, die in der Ebene des auf die Oberfläche einfallenden und spiegelnd von ihr reflektierten Lichtstrahles liegen, von denen jedes Licht em pfängt, das von dem Teil der Oberfläche in einem unterschiedlichen Winkel eines Be reichs von Winkeln reflektiert worden ist, die sich zentrisch um den Spiegelwinkel gruppieren.A surface test device with a test head, the optical one, is also known Elements, e.g. B. contains a mirror, with the help of a continuously from a La This generated light beam at an oblique angle to the surface to be examined area is directed (DE 28 20 910 A1). The test head also contains a variety of photoconductive elements in the plane of the incident on the surface and reflecting from it reflected light beam, each of which em captures that from the part of the surface at a different angle of a loading has been reflected from angles that are centered around the mirror angle group.
Der auswertbare Streulichtwinkelbereich ist bei dieser Vorrichtung jedoch sehr be grenzt. Zudem gehen Abstandsänderungen des Prüfkopfes von der zu untersuchen den Oberfläche sehr stark in das Meßergebnis ein.The evaluable scattered light angle range is very be in this device borders. In addition, changes in the distance between the test head and the test the surface very strongly in the measurement result.
Es ist ferner eine Sonde zum Prüfen von Oberflächen in Bohrungen bekannt, bei der auf die zu prüfende Oberfläche eine linien- oder flächenförmig geführte Laserstrahlung gerichtet ist und bei der die reflektierte Strahlung erfassende Anordnung aus einem zentralen Lichtleiter, einer diesen konzentrisch umgebenden optischen Totzone sowie einer Mehrzahl von konzentrisch in einem Ring um die Totzone herum angeordneten Lichtleitern besteht, wobei an den Enden der Lichtleiter Detektorelemente angeordnet sind, so daß gleichzeitig eine Messung im Hell- sowie im Dunkelfeld der zurückgewor fenen Strahlung erfolgen kann (DE 32 32 904 C2). Auch bei dieser Prüfsonde ist der auswertbare Streulichtwinkelbereich sehr begrenzt. A probe for testing surfaces in bores is also known in which laser or linear laser radiation on the surface to be tested is directed and in which the reflected radiation arrangement from a central light guide, an optical dead zone surrounding this concentrically and a plurality of concentrically arranged in a ring around the dead zone There are light guides, detector elements being arranged at the ends of the light guides are, so that at the same time a measurement in the bright as well as in the dark field radiation can take place (DE 32 32 904 C2). This is also the case with this test probe evaluable scattered light angle range very limited.
Es ist ferner ein Spezial-Endoskop zur optischen Rißprüfung bekannt (EP 0 157 009 A2). Bei diesem sehr flach ausgebildeten und zur Untersuchung der Oberfläche in en gen Spalten dienenden Endoskop wird die zuvor mit einem fluoreszierende Eigen schaften aufweisenden Penetriermittel benetzte Oberfläche mit Hilfe von UV-Licht über fächerförmig um eine Lichtempfangsoptik angeordnete Lichtleiterstränge be leuchtet und das vom Meßort als sichtbares Licht reflektierte Licht über die Lichtem pfangsoptik sowie ein Linsen- oder Lichtleitersystem einen Beobachtungs- oder Regi striergerät zugeleitet, wo ein reelles Bild entsteht. Mit einem solchen Gerät sind je doch nur vergleichsweise grobe Oberflächenunebenheiten erkennbar.A special endoscope for optical crack testing is also known (EP 0 157 009 A2). In this very flat trained and for examining the surface in en Endoscope serving columns is previously with a fluorescent Eigen penetrating surface with UV light be arranged in a fan shape around a light receiving optics shines and the light reflected from the measuring location as visible light over the lights optics as well as a lens or light guide system an observation or regi strier device, where a real picture is created. With such a device are ever but only comparatively rough surface irregularities can be seen.
Mit den vorerwähnten Nachteilen ist auch eine andere bekannte Vorrichtung (AT-E 29176 B) behaf tet, die wiederum zur Beobachtung des Innern von Leitungen vergleichsweise großen Durchmessers, wie Wasserleitungen, Gasleitungen oder auch Bohrlöchern, eingesetzt wird und die eine Beleuchtungsübertragungsfaser zum Einbringen von Beleuchtungs licht in die Leitung und eine Bildübertragungsfaser umfaßt, wobei die Bildübertra gungsfaser das Bild der Innenwand der Leitung auf eine Fernsehkamera überträgt.Another known device (AT-E 29176 B) also suffers from the aforementioned disadvantages tet, which in turn is relatively large for observing the inside of lines Diameter, such as water pipes, gas pipes or boreholes and which is a lighting transmission fiber for introducing lighting includes light in the line and an image transmission fiber, the image transmission fiber transmits the image of the inner wall of the line to a television camera.
Die Erfindung soll Streulichtanteile, die verschiedene Winkel haben, so transferieren, daß diese in einer Ebene meßbar sind und Informationssignale über die Beschaffenheit der Wandung der Bohrung liefern. Es soll ein Maximum an Streulichtintensität auswertbar sein. Die Erfindung soll die Meßgeschwindigkeit erhöhen.The invention is intended to transfer stray light components which have different angles, that these are measurable in one level and information signals about the nature the wall of the bore. It should have a maximum of scattered light intensity be evaluable. The invention is intended to increase the measuring speed.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des An spruchs 1 gelöst.The object is achieved by the characterizing features of the spell 1 solved.
Die Anordnung zur Messung von Streulicht in Bohrungen besteht aus einer Beleuch tungseinrichtung, die Licht eines Lasers auf die Wandung der Bohrung als Punkt oder als schmalen Ring projiziert. Die Beleuchtungseinrichtung ist entlang der Achse der Bohrung verstellbar, womit die gesamte Wandung der Bohrung in axialer Richtung beleuchtbar ist.The arrangement for measuring stray light in bores consists of an illumination tion device, the light of a laser on the wall of the hole as a point or projected as a narrow ring. The lighting device is along the axis of the Bore adjustable, which means the entire wall of the bore in the axial direction can be illuminated.
Das Beleuchtungslicht wird an der Wandung der Bohrung reflektiert und gestreut. Das Streulicht hat eine charakteristische räumliche Verteilung, deren Messung und Aus wertung Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des beleuchteten Oberflächenteils zuläßt. Wird die gesamte Wandung der Bohrung mit dem Beleuchtungslicht abgetastet und dabei die Streulichtverteilung gemessen, registriert und ausgewertet, wird eine Aussage über den Zustand der Bohrung erhalten. Diese Informationen ermöglichen eine qualitative Beurteilung, beispielsweise eine "Gut-" oder "Schlecht-" Entscheidung. Zur Aufnahme der Streulichverteilung im Raum ist erfindungsgemäß eine Streulichterfassungseinheit vorgesehen. Diese besteht im wesentlichen aus einer Optik, die eine Kombination eines planaren Mikrolinsenarrays mit einer Kollimationsoptik ist. Die Kollimationsoptik ist vorzugsweise eine Asphäre oder eine angepaßten Gradientenoptik. Das Mikrolinsenarray und die Kollimationsoptik bilden eine Konzentrationsoptik, die zylindrisch oder sektorförmig um die in der Bohrungsmitte angeordnete Beleuchtungseinrichtung so positioniert ist, daß reflektiertes Beleuchtungslicht unter einem Winkel kleiner 90 Grad auf eine gekrümmte Lichteintrittsfläche fällt. Die Kollimationsoptik ist so ausgebildet, daß ein paralleles Strahlenbündel entsteht. Die Kollimationsoptik ist als Asphäre oder Gradientenoptik oder diffraktive Optik ausgebildet. Lichtteile des parallelen Strahlenbündels werden durch die integrierten Mikrolinsen, die nach der Lichtaustrittsfläche der Kollimationsoptik angeordnet sind, auf die Lichtaustrittsfläche der Konzentrationsoptik fokussiert und dort weiterverarbeitet. Die Mikrolinsen sind als Asphären oder Gradientenindexlinsen oder diffraktive Linsen ausgebildet.The illuminating light is reflected and scattered on the wall of the hole. The Scattered light has a characteristic spatial distribution, its measurement and off evaluation Conclusions on the nature of the illuminated surface part allows. The entire wall of the bore is scanned with the illuminating light and the scattered light distribution measured, registered and evaluated, is a Obtain information about the condition of the hole. This information enables one qualitative assessment, for example a "good" or "bad" decision. According to the invention, one is used to record the scatter distribution in the room Scattered light detection unit provided. This essentially consists of an optic, which is a combination of a planar microlens array with collimation optics. The Collimation optics are preferably an asphere or an adapted gradient optics. The microlens array and the collimation optics form a concentration optic that cylindrical or sector-shaped around the one in the center of the hole Lighting device is positioned so that reflected illumination light below falls at an angle of less than 90 degrees on a curved light entry surface. The Collimation optics are designed so that a parallel beam is created. The collimation optics are as asphere or gradient optics or diffractive optics educated. Light parts of the parallel beam are integrated Microlenses, which are arranged after the light exit surface of the collimation optics focuses the light exit surface of the concentration optics and processes it there. The microlenses are as aspheres or gradient index lenses or diffractive lenses educated.
Die Weiterverarbeitung der Streulichtanteile kann durch Weiterleitung in Lichtleitfasern, in integriert-optischen Bauelementen oder in optoelektronischen Bauelementen erfolgen.Further processing of the stray light components can be carried out by Forwarding in optical fibers, in integrated optical components or in optoelectronic components.
Jede Mikrolinse korrespondiert mit je einem Detektorelement einer Detektormatrix, so daß jeweils integriertes Streulicht über einen definierten Winkelbereich eines durch die Beleuchtung definierten Ortes in der Wandung der Bohrung jeweils einem Detektorelement zuleitbar ist. Each microlens corresponds to one detector element of a detector matrix, so that each integrated scattered light over a defined angular range through the Illumination defined location in the wall of the hole one each Detector element can be fed.
Die Konzentrationsoptik ist zur Abtastung der gesamten Bohrung mit der Beleuchtungseinrichtung in axialer Richtung definiert verstellbar.The concentration optics are for scanning the entire bore with the Lighting device adjustable in the axial direction.
Auch der Abstand der Beleuchtungsoptik zur Lichteintrittsfläche der Kollimationsoptik ist in axialer Richtung einstellbar.The distance between the illumination optics and the light entry surface of the collimation optics is also in adjustable axial direction.
In einem ersten Fall erzeugt die Beleuchtungseinrichtung einen Lichtpunkt, der auf die Wandung der Bohrung projiziert wird. Der Lichtpunkt umläuft durch eine Dreh-Steuerung der Beleuchtungsoptik den Umfang der Wandung. Die Streulichterfassungseinheit ist entweder ringförmig ausgebildet oder bei einer sektorförmigen Ausbildung selbst synchron zum Lichtpunkt drehbar.In a first case, the lighting device generates a light spot that points to the Wall of the hole is projected. The light spot rotates through a rotary control the scope of the wall. The stray light detection unit is either ring-shaped or in a sector-shaped training itself rotatable in sync with the light point.
In einem zweiten Fall erzeugt die Beleuchtungseinrichtung eine ringförmige Lichtverteilung, wobei die Ringebene vorzugsweise senkrecht zur Achse der Bohrung ist. Die Streulichterfassungseinheit ist dann vorzugsweise ringförmig ausgebildet und liefert eine integrale Messung bezüglich der beleuchteten Ebene.In a second case, the lighting device produces an annular one Light distribution, the ring plane is preferably perpendicular to the axis of the bore. The scattered light detection unit is then preferably ring-shaped and delivers an integral measurement with respect to the illuminated plane.
Der Winkel zwischen dem Lichtbündel des Beleuchtungslichtes und der Achse der Bohrung ist mit Hilfe der Beleuchtungsoptik einstellbar. Durch die freie Wahl des Winkels des Beleuchtungslichtes kann der für die Informationsgewinnung günstigste Streuwinkelbereich gewählt oder eine vorteilhafte Winkelauflösung erreicht werden.The angle between the light beam of the illuminating light and the axis of the The bore can be adjusted using the lighting optics. By freely choosing the angle of the illuminating light can be the cheapest for information acquisition Scattering angle range selected or an advantageous angular resolution can be achieved.
Da die direkte Verbindung der Detektoren mit dem Mikrolinsenarray aus technologischen Gründen und wegen der Begrenztheit des in der Bohrung zur Verfügung stehenden Raumes nicht in jedem Fall realisierbar ist, korrespondiert vorzugsweise jede Mikrolinse in der Konzentrationsoptik mit einer Lichtleitfaser eines Lichtleitfaserbündels so, daß jeweils integriertes Streulicht über einen definierten Winkelbereich eines definierten Ortes in der Wandung der Bohrung über die Lichtleitfaser jeweils einem Detektorelement der außerhalb der Bohrung befindlichen Detektormatrix zuleitbar ist. Bei einer ringförmigen Konzentrationsoptik ist das Lichtleitfaserbündel entsprechend ringförmig gestaltet. Die Detektormatrix ist flächenhaft ausgebildet und besitzt eine Vielzahl von Detektorelementen, die elektrisch mit einer Registrier- und Auswerteeinheit verbunden sind. Die Registrier- und Auswerteeinheit liefert Aussagen zur Oberflächenbeschaffenheit, Formabweichung und Art und Lage von Fehlern (z. B. Kratzer, Löcher).Because the direct connection of the detectors with the microlens array from technological Reasons and because of the limitation of what is available in the bore Space is not feasible in every case, preferably corresponds to each microlens in the concentration optics with an optical fiber of an optical fiber bundle so that each Integrated scattered light over a defined angular range of a defined location in the Wall of the hole on the optical fiber each have a detector element detector matrix located outside the bore can be fed. With an annular Concentration optics, the optical fiber bundle is designed accordingly ring-shaped. The detector matrix is flat and has a large number of Detector elements that are electrically connected to a registration and evaluation unit are. The registration and evaluation unit provides information on the surface quality, Shape deviation and type and location of defects (e.g. scratches, holes).
Die Erfindung ermöglicht, daß ein Maximum an Streulicht mit Hilfe der Konzentrationsoptik so transferiert wird, daß Streulichtanteile aus einem Oberflächenteil der Wandung, die verschiedene Winkel haben, parallelisiert werden (Erzeugung eines parallelen Strahlenganges). Mit Hilfe der Mikrolinsen erfolgt eine Integration über Teilflächen des Querschnittes des parallelen Strahlenganges. Diese integrierten optischen Signale jeder Teilfläche, die der Streulichtverteilung an genau einem Oberflächenpunkt der Wandung der Bohrung zuordenbar sind, werden von jeweils einem Detektorelement einer Detektormatrix registriert. Durch das Mikrolinsenarray werden Lichtverluste und Fehlinterpretationen vermieden, die bei Faserbündeln durch Lichtanteile in den Fasermänteln bewirkt werden.The invention enables a maximum of stray light with the help of Concentration optics is transferred so that stray light from a surface part the wall, which have different angles, are parallelized (generation of a parallel beam path). With the help of the microlenses an integration takes place over Partial areas of the cross section of the parallel beam path. This integrated optical Signals from each sub-area that reflect the scattered light distribution at exactly one surface point the wall of the borehole can be assigned by one detector element each a detector matrix registered. Through the microlens array, light losses and Avoid misinterpretations caused by light components in the fiber bundles Fiber coats can be effected.
Gleiche Messungen sind an der Bohrung durchführbar, wenn das Werkstück um die Achse der auszumessenden Bohrung drehbar und/oder in axialer Richtung verschiebbar ist, wobei die Beleuchtungsoptik und die Konzentrationsoptik entsprechend feststehend sind.The same measurements can be carried out on the hole when the workpiece is around the Axis of the bore to be measured is rotatable and / or displaceable in the axial direction is, the lighting optics and the concentration optics are fixed accordingly are.
Die Erfindung soll anhand von Figuren erläutert werden.The invention will be explained with reference to figures.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 Anordnung zur Messung von Streulicht in Bohrungen von Werkstücken. Fig. 1 arrangement for measuring stray light in bores of workpieces.
Fig. 2 Schnitt von Fig. 1. Fig. 2 section of FIG. 1,.
Von einem Laser 1 wird Licht erzeugt und in eine Lichtleitfaser 2 eingekoppelt. Die Lichtleitfaser 2 leitet das Licht in das Innere einer zu untersuchenden Bohrung in einem Werkstück 6. Am bohrungsseitigen Ende der Lichtleitfaser 2 ist vorzugsweise eine Beleuchtungsoptik 3 angekoppelt, die das Beleuchtungslicht 4 auf einen Teil der Oberfläche der Wandung 5 fokussiert oder kolliminiert. Dabei ist die Lichtleitfaser 2 mit der Beleuchtungsoptik 3 in der Mitte der Bohrung angeordnet und so gelagert, daß eine Verstellung in der Längsrichtung der Achse erfolgt und die gesamte Wandung 5 der Bohrung in ihrer Tiefe nacheinander beleuchtbar ist.Light is generated by a laser 1 and coupled into an optical fiber 2 . The optical fiber 2 guides the light into the interior of a hole to be examined in a workpiece 6 . At the bore-side end of the optical fiber 2, an illumination optical system 3 is coupled preferably which focuses the illumination light 4 to a part of the surface of the wall 5 or collimated. The optical fiber 2 with the illumination optics 3 is arranged in the center of the bore and is mounted such that an adjustment takes place in the longitudinal direction of the axis and the entire wall 5 of the bore can be illuminated successively in depth.
Ein Teil des von der Oberfläche der Wandung 5 ausgehenden Lichtes trifft als Streulicht 7 auf eine Lichteintrittsfläche 9 einer Kollimationsoptik 18, die zwischen der Wandung 5 der Bohrung und der den axialen Raum ausfüllenden Beleuchtungseinrichtung (Lichtleitfaser 2, Beleuchtungsoptik 3) angeordnet ist.A portion of light emanating from the surface of the wall 5 light is incident as stray light 7 to a light entrance surface 9 of a collimation lens 18, between the wall 5 of the bore and the axial space filling illumination device (the optical fiber 2, illumination optical system 3) is arranged.
Die Kollimationsoptik 18 hat an ihrer Lichtaustrittsfläche 10 integrierte Mikrolinsen 15, die gleichmäßig in der Lichtaustrittsfläche 10 verteilt sind. Jede Mikrolinse 15 ist mit einer Lichtleitfaser 12 eines Lichtleitfaserbündels 11 verbunden, welche das Streulicht auf außerhalb der Bohrung befindliche Detektorelemente 14 einer Detektormatrix 13 leiten. Diese Streulichterfassungseinheit 16 gewährleistet, daß jedem Detektorelement 14 ein Streulichtwinkelbereich zu einem definierten Ort auf der Oberfläche der Wandung 5 der Bohrung zuordenbar ist.The collimation lens 18 has on its light exit surface 10 integrated microlenses 15 which are uniformly distributed in the light exit surface 10th Each microlens 15 is connected to an optical fiber 12 of an optical fiber bundle 11 , which conduct the scattered light onto detector elements 14 of a detector matrix 13 located outside the bore. This scattered light detection unit 16 ensures that each detector element 14 can be assigned a scattered light angle range to a defined location on the surface of the wall 5 of the bore.
Die Detektormatrix 13 kann bei einem genügend großen Bohrungsdurchmesser unmittelbar in der Lichtaustrittsfläche 20 der Konzentrationsoptik 8 angeordnet sein (ohne Zwischenschaltung eines Lichtleitfaserbündels 11).With a sufficiently large bore diameter, the detector matrix 13 can be arranged directly in the light exit surface 20 of the concentration optics 8 (without the interposition of an optical fiber bundle 11 ).
Die Konzentrationsoptik 8 ist mit der Lichteintrittsfläche 9 der Kollimationsoptik 18 in der Bohrung in einem Abstand in Achsrichtung zum beleuchteten Oberflächenausschnitt der Wandung 5 so angeordnet, daß eine Verschiebung in Achsrichtung zusammen mit der Beleuchtungsoptik 3 erfolgt. Zusammen mit der die Oberfläche der Wandung 5 abtastenden Beleuchtung wird die Konzentrationsoptik 8 bewegt und so die Streulichtverteilung an jedem Punkt der Oberfläche der Wandung 5 meßtechnisch erfaßt. Die Kollimationsoptik 18 hat an der Lichteintrittsfläche 9 die Form einer Hyperbel.The concentration optics 8 are arranged with the light entry surface 9 of the collimation optics 18 in the bore at a distance in the axial direction from the illuminated surface section of the wall 5 such that a displacement in the axial direction takes place together with the lighting optics 3 . Together with the illumination scanning the surface of the wall 5 , the concentration optics 8 are moved and the scattered light distribution at each point on the surface of the wall 5 is measured. The collimation optics 18 has the shape of a hyperbola on the light entry surface 9 .
Die divergenten Strahlen des Streulichtes 7 werden durch die Kollimationsoptik 18 in einen parallelen Strahlengang transformiert.The divergent rays of the scattered light 7 are transformed by the collimation optics 18 into a parallel beam path.
In Lichtrichtung gesehen ist nach der Lichtaustrittsfläche 10 der Kollimationsoptik 18 ein Mikrolinsenarray 19 angeordnet.When viewed in the direction of light, a microlens array 19 is arranged after the light exit surface 10 of the collimation optics 18 .
An die Lichtaustrittsfläche 20 der Konzentrationsoptik 8 ist ein Lichtleitfaserbündel 11 angekoppelt. Über die im Raster integrierten Mikrolinsen 15 wird das Streulicht 7 eines Winkelbereiches in jeweils eine Lichtleitfaser 12 eingekoppelt. Das am Lichtaustrittsende der Lichtleitfaser 12 angeordnete Detektorelement 14 empfängt nur Streulicht 7 eines bestimmten Raumwinkelbereiches. Dadurch ist eine eindeutige Zuordnung der Meßwerte eines Detektorelements 14 zu einem Raumwinkelbereich möglich.An optical fiber bundle 11 is coupled to the light exit surface 20 of the concentration optics 8 . The scattered light 7 of an angular region is coupled into one optical fiber 12 each via the microlenses 15 integrated in the grid. The detector element 14 arranged at the light exit end of the optical fiber 12 receives only scattered light 7 of a certain solid angle range. This enables a clear assignment of the measured values of a detector element 14 to a solid angle range.
Die Auswertung erfolgt in der Registrier- und Auswerteeinheit 21 nach einem dem Meßproblem angepaßten Algorithmus.The evaluation takes place in the registration and evaluation unit 21 according to an algorithm adapted to the measurement problem.
Claims (14)
- - eine axial verstellbare Streulichterfassungseinheit (16), bestehend aus in Lichtrichtung
angeordneten Bauteilen:
- - Konzentrationsoptik (8), bestehend aus einer Kollimationsoptik (18) und Mikrolinsen (15), die auf einer Lichtaustrittsfläche (10) der Kollimationsoptik (18) angeordnet sind, und
- - Detektorelementen (14), die jeder Mikrolinse (15) zugeordnet sind, wobei die Konzentrationsoptik (8) zumindest in einem Sektor um die axial gelagerte Beleuchtungseinrichtung so angeordnet ist, daß Streulicht (7) auf die Lichteintrittsfläche (9) der Kollimationsoptik (18) fällt und die Kollimationsoptik (18) so ausgebildet ist, daß aus dem Streulicht (7) ein paralleles Strahlenbündel entsteht, Lichtteile des parallelen Strahlenbündels nach der Lichtaustrittsfläche (10) der Kollimationsoptik (18) durch die Mikrolinsen (15) bündelbar sind und jede Mikrolinse (15) mit je einem Detektorelement (14) einer Detektormatrix (13) korrespondiert, so daß jeweils integrierte Streulichtanteile über einen definierten Winkelbereich eines definierten Ortes in der Wandung (5) der Bohrung jeweils einem Detektorelement (14) zuleitbar sind.
- - An axially adjustable scattered light detection unit ( 16 ), consisting of components arranged in the direction of light:
- - Concentration optics ( 8 ), consisting of a collimation optics ( 18 ) and microlenses ( 15 ), which are arranged on a light exit surface ( 10 ) of the collimation optics ( 18 ), and
- - Detector elements ( 14 ) which are assigned to each microlens ( 15 ), the concentration optics ( 8 ) being arranged at least in one sector around the axially mounted illumination device in such a way that scattered light ( 7 ) onto the light entry surface ( 9 ) of the collimation optics ( 18 ) falls and the collimation optics ( 18 ) are designed such that a parallel beam of rays is created from the scattered light ( 7 ), light parts of the parallel beam of rays after the light exit surface ( 10 ) of the collimation optics ( 18 ) can be bundled by the microlenses ( 15 ) and each microlens ( 15 ) corresponds to one detector element ( 14 ) each of a detector matrix ( 13 ), so that in each case integrated scattered light components can be fed to a detector element ( 14 ) over a defined angular range of a defined location in the wall ( 5 ) of the bore.
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