WO2009040162A1 - Sonde und vorrichtung zum optischen prüfen von messobjekten - Google Patents

Sonde und vorrichtung zum optischen prüfen von messobjekten Download PDF

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lens
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David Rychtarik
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01B9/0205—Interferometers characterised by particular mechanical design details of probe head

Definitions

  • the invention relates to an optical probe for the optical testing of test objects according to the preamble of claim 1 and to an apparatus for the interferometric measurement of test objects with the probe.
  • the probe 1 has an input 10 for introducing an input beam into the probe 1, a collimating lens 3 for transferring the diverging input beam into a parallel beam, a focusing lens 8 for focusing the input beam to a measuring beam and an output 20 for illuminating the components to be tested.
  • the input beam is introduced into the probe 1 through an optical fiber 11.
  • a prism 2 is additionally arranged for beam deflection.
  • the prism 2 is firmly connected to the focusing lens 8.
  • the focused measuring beam is deflected laterally by the prism 2 and thus emerges from the probe 1.
  • the collimating lens 3 is arranged immovably in the probe 1
  • the focusing lens 8 is rotatable about a rotation axis 5. Since the prism 2 is fixedly connected to the focusing lens 8, it rotates together with the focusing lens 8. By the rotation of the focusing lens 8 and the prism 2 about the rotation axis 5 results for the measuring beam reflected at the prism 2, a corresponding rotational movement.
  • the focus 6 of the measurement beam thereby moves on a focus circle path 7, which is sketched in FIG. 1 in plan view.
  • the diameter of the focus circle path 7 always remains constant.
  • Such a probe 1 is suitable, for example, for optical measurements of bores having a diameter of the same size as that of the focus circle track 7.
  • the inner walls of the holes can be quickly and easily optically scanned.
  • a rotating optical probe is also described in DE 100 57 540 A1. It is also proposed, with the probe presented there, for example, the
  • the hitherto known optical probes 1 with a focusing lens 8 therefore have the disadvantage that in the case of components to be measured with different dimensions in the situations described above, replacement of the probe 1 or at least the optics in the probe 1 is necessary.
  • optical probe according to the invention or the device according to the invention with the probe has the advantage that a very flexible use of the probe is made possible.
  • the distance of the focus from the output of the probe can be variably adjusted.
  • FIG. 1 shows an example of a known probe from the prior art
  • Figure 2 shows an embodiment of a probe according to the invention
  • FIGS. 3a to 3c show a probe according to the invention in respectively different states.
  • Fig. 1 is an example of a known from the prior art optical
  • Probe 1 shown.
  • the probe 1 has an input 10 for introducing an input beam into the probe 1, a focusing lens 8 with an optical axis 9 for focusing the Input beam to a measuring beam 13 and an output 20 for illuminating the test objects to be tested.
  • the focusing lens 8 is arranged displaceable along the optical axis 9. The possible displacement of the focusing lens 8 along the optical axis 9 has been represented in FIG. 2 by the double arrow 12.
  • the focusing lens 8 is advantageously formed by a so-called GRIN lens 8, which is a short form of graduated index lens, graded index lens or gradient index lens GRIN lens continuous and stepless in the
  • Material of the lens can be dispensed with, for example, a curved surface shape as in the case of conventional lenses.
  • the input beam is introduced into the probe 1 through an optical fiber 11. Furthermore, a beam deflecting unit 2 for deflecting the measuring beam 13 is provided.
  • the focused measuring beam 13 is thus deflected to the side and can illuminate surfaces which are parallel to the optical axis 9, perpendicular.
  • Such optical probes 1 are also called probe arms in certain applications because they optically scan measured objects area by area.
  • the beam deflection unit 2 is formed here in FIG. 2 by a prism, but can also be formed by a mirror as required. In both cases, the probe 1 may be e.g. be arranged within a bore of a component to be measured in order to optically scan the inner wall of the bore.
  • a unit 4 rotating about an axis of rotation 5 can be provided between the focusing lens 8 and the deflection unit 2.
  • the rotating unit 4 can be rotated about the rotation axis 5 independently of the rigid probe 1.
  • the rotating unit 4 is a placeholder or another Lens, in particular a collimating lens, within the probe 1.
  • the rotating unit 4 and the beam deflecting unit 2 are firmly connected.
  • FIGS. 3a to 3c show the previously described inventive probe 1 in different states.
  • Fig. 3a shows the probe 1 in an initial state as shown in Fig. 2.
  • the focusing lens 8 and the rotating unit 4 are arranged at a middle distance 15a to each other. This results in a focus circle path 7, which is a medium sized
  • the focusing lens 8 is moved in the direction of the output 20 of the probe 1.
  • the simple arrow 12a indicates this direction. Since the rotating unit 4 is not moved with respect to its position within probe 1, this results in a shorter distance 15b between the focusing lens 8 and the rotating unit 4. At the same time, the distance between the focusing lens 8 and the output 20 of the lens 1 has been shortened. so that the focus 6 of the measuring beam 13 has moved further away from the axis of rotation 5. With the increase of the distance of the focus 6 from the rotation axis 5 increases accordingly
  • Fig. 3c shows the state when the slidable focusing lens 8 is moved in the opposite direction, that is farther away from the exit 20 of the probe 1 is moved.
  • the corresponding direction of the displacement is demonstrated by the simple arrow 12b.
  • the focus 6 of the measuring beam 13 thereby moves in the direction of the axis of rotation 5, and accordingly the diameter of the focus circle path 7 decreases.
  • Focus 6 and the rotation axis 5 free to adjust, in which one shifts the focusing lens 8 in the desired direction accordingly.
  • Beam deflection unit 2 is not provided. In such cases, the focus 6 of the measuring beam 13 shifts along the optical axis 9.
  • the measurement beam 13 reflected on the surface of the measurement object is picked up again by the probe 1.
  • the reflected measuring beam 13 now passes through the previous beam path in the opposite direction, i. it is again introduced into the probe 1 at the exit 20 of the probe 1 and leaves the probe 1 at the input 10.
  • the terms "input” and “output” do not refer to the measuring beam 13 reflected by the test object, as is familiar to a person skilled in the art.
  • the measuring beam fed out again from the probe 1 is then fed to a detection unit to which an evaluation unit is connected.
  • an analysis of the illuminated with the probe 1 measurement objects is possible.
  • the interferometer is connected to the probe 1 by means of the already mentioned optical fiber 11.
  • the interferometer can comprise an evaluation unit in addition to a detection unit.
  • an optical probe 1 has been described in which a flexible change of the focal distance from the output 20 of the probe 1 is made possible.
  • a focusing lens 8 which is displaceable along the optical axis 9 is arranged in the probe 1.
  • a device has been proposed which is a per se known interferometer and described
  • Probe 1 comprises. Overall, this achieves a very versatile optical probe 1 which can be used with different measuring objects.

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Abstract

Es wird eine optische Sonde (1) zum optischen Prüfen von Messobjekten vorgeschlagen, wobei diese umfasst: einen Eingang (10) zur Einführung eines Eingangsstrahls in die Sonde (1), eine Fokussierlinse (8) mit einer optischen Achse (9) zur Fokussierung des Eingangsstrahls zu einem Messstrahl und einen Ausgang (20) zur Beleuchtung der zu prüfenden Messobjekten, wobei die Fokussierlinse (8) entlang der optischen Achse (9) verschiebbar angeordnet ist. Weiter wird eine Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Messobjekten beschrieben, wobei in der Vorrichtung ein Interferometer mit der optischen Sonde (1) verbunden ist.

Description

ROBERT BOSCH GMBH, 70442 Stuttgart
Sonde und Vorrichtung zum optischen Prüfen von Messobjekten
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine optische Sonde zum optischen Prüfen von Messobjekten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Messobjekten mit der Sonde.
Es ist z.B. in der industriellen Fertigung von Bauteilen bekannt, die Bauteile während oder nach ihrem Herstellungsprozess optisch zu überprüfen. Dabei wird mit einer optischen Sonde die Oberflächen der Bauteile beleuchtet und ein verwertbares Bild von der Oberfläche gewonnen. Ein Beispiel solch einer optischen Sonde ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Die Sonde 1 weist einen Eingang 10 zur Einführung eines Eingangsstrahls in die Sonde 1, eine Kollimationslinse 3 zur Überführung des divergierenden Eingangsstrahls in einen Parallelstrahl, eine Fokussierlinse 8 zur Fokussierung des Eingangsstrahls zu einem Messstrahl und einen Ausgang 20 zur Beleuchtung der zu prüfenden Bauteilen auf. Der Eingangsstrahl wird durch eine Lichtleitfaser 11 in die Sonde 1 eingeführt.
Am Ausgang 20 der Sonde 1 ist zusätzlich ein Prisma 2 zur Strahlablenkung angeordnet. Das Prisma 2 ist dabei fest mit der Fokussierlinse 8 verbunden. Der fokussierte Messstrahl wird durch das Prisma 2 seitlich abgelenkt und tritt so aus der Sonde 1 aus. Während die Kollimationslinse 3 unbeweglich in der Sonde 1 angeordnet ist, ist die Fokussierlinse 8 um eine Drehachse 5 rotierbar. Da das Prisma 2 fest mit der Fokussierlinse 8 verbunden ist, rotiert es zusammen mit der Fokussierlinse 8. Durch die Rotation der Fokussierlinse 8 und des Prismas 2 um die Drehachse 5 resultiert für den am Prisma 2 reflektierenden Messstrahl auch eine entsprechende Drehbewegung. Der Fokus 6 des Messstrahls bewegt sich dabei auf einer Fokuskreisbahn 7, die in Fig. 1 in Draufsicht skizziert ist.
Der Durchmesser der Fokuskreisbahn 7 bleibt immer konstant. Solch eine Sonde 1 ist zum Beispiel geeignet für optische Messungen von Bohrungen, die einen gleich großen Durchmesser wie den der Fokuskreisbahn 7 aufweisen. So können die Innenwände der Bohrungen schnell und einfach optisch abgetastet werden.
Eine rotierende optische Sonde wird auch in DE 100 57 540 Al beschrieben. Es wird ebenfalls vorgeschlagen, mit der dort vorgestellten Sonde beispielsweise die
Wand einer Bohrung abzutasten und so die Formabweichung des Innenzylinders zu vermessen.
Sollen jedoch mehrere Bauteile mit unterschiedlichen Bohrungsdurchmessern vermessen werden, ist ein Prüfen aller Bauteile mit einer einzigen Sonde 1 nicht möglich, da die Fokuskreisbahn 7 der Sonde 1 nicht flexibel eingestellt werden kann. Ähnliche Problematik ist auch bei Bauteilen ohne Bohrung gegeben, wenn die Sonde 1 und das Bauteil zueinander z.B. aus prozesstechnischen Gründen nicht bewegt werden dürfen, aber die zu vermessende Außenfläche des Bauteils Stufen aufweist und so eine ständige Anpassung des Fokusabstandes vom
Ausgang 20 der Sonde 1 erforderlich ist.
Die bisher bekannten optischen Sonden 1 mit einer Fokussierlinse 8 haben daher den Nachteil, dass bei zu vermessenden Bauteilen mit unterschiedlichen Abmessungen in oben beschriebenen Situationen ein Austauschen der Sonde 1 oder zumindest der Optik in der Sonde 1 notwendig ist.
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße optische Sonde bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung mit der Sonde hat den Vorteil, dass ein sehr flexibler Einsatz der Sonde ermöglicht wird. Vorteilhaft kann der Abstand des Fokus vom Ausgang der Sonde variabel eingestellt werden.
Folglich entfällt die Notwendigkeit, die Sonde oder die Optik der Sonde auszutauschen bei verändertem Abstand der zu vermessenden Prüffläche gegenüber der Sonde bzw. dem Ausgang der Sonde.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Beispiel einer bekannten Sonde aus dem Stand der Technik,
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sonde, und
Figuren 3a bis 3c eine erfindungsgemäße Sonde in jeweils unterschiedlichen Zuständen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Fig. 1 ist ein Beispiel einer aus dem Stand der Technik bekannten optischen
Sonde 1 dargestellt. Der Aufbau der bekannten Sonde 1 wurde bereits eingangs erläutert. Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sonde zeigt Fig. 2. Wie aus dem Stand der Technik bereits bekannt und oben beschrieben, weist die Sonde 1 einen Eingang 10 zur Einführung eines Eingangsstrahls in die Sonde 1, eine Fokussierlinse 8 mit einer optischen Achse 9 zur Fokussierung des Eingangsstrahls zu einem Messstrahl 13 und einen Ausgang 20 zur Beleuchtung der zu prüfenden Messobjekten auf. Erfindungsgemäß ist nun zusätzlich vorgesehen, dass die Fokussierlinse 8 entlang der optischen Achse 9 verschiebbar angeordnet ist. Die mögliche Verschiebung der Fokussierlinse 8 entlang der optischen Achse 9 ist in Fig. 2 durch den Doppelpfeil 12 dargestellt worden.
Die Fokussierlinse 8 ist vorteilhaft durch eine sogenannte GRIN-Linse 8 ausgebildet, die eine Kurzform von „Graduate Index-Linse", „Graded Index- Linse" oder „Gradient Index-Linse" ist. Im Gegensatz zu konventionellen Linsen verändert sich die Brechungsindex einer GRIN-Linse stetig und stufenlos im
Material der Linse. Vorteilhaft kann daher beispielsweise auf eine gekrümmte Oberflächenform wie im Falle von konventionellen Linsen verzichtet werden.
In diesem Beispiel wird übrigens der Eingangsstrahl durch eine Lichtleitfaser 11 in die Sonde 1 eingeführt. Weiter ist eine Strahlablenkeinheit 2 zur Ablenkung des Messstrahls 13 vorgesehen. Der fokussierte Messstrahl 13 wird so zur Seite abgelenkt und kann Flächen, die parallel zur optischen Achse 9 verlaufen, senkrecht beleuchten. Solche optische Sonden 1 werden bei bestimmten Anwendungen auch Tastarme genannt, da sie Messobjekte flächenweise optisch abtasten. Die Strahlablenkeinheit 2 ist hier in Fig. 2 durch ein Prisma ausgebildet, kann aber je nach Bedarf auch durch einen Spiegel ausgebildet werden. In beiden Fällen kann die Sonde 1 z.B. innerhalb einer Bohrung eines zu vermessenden Bauteils angeordnet werden, um die Innenwand der Bohrung optisch abzutasten.
Zwischen der Fokussierlinse 8 und der Ablenkeinheit 2 kann eine um eine Drehachse 5 rotierende Einheit 4 vorgesehen werden. Die rotierende Einheit 4 läßt sich um die Drehache 5 unabhängig von der starren Sonde 1 rotieren. Typischerweise ist die rotierende Einheit 4 ein Platzhalter oder eine weitere Linse, insbesondere eine Kollimationslinse, innerhalb der Sonde 1. Die rotierende Einheit 4 und die Strahlablenkeinheit 2 sind fest miteinander verbunden. Durch das gemeinsame Rotieren der rotierenden Einheit 4 und der Strahlablenkeinheit 2 während der Messung beschreibt der fokussierte Messstrahl 13 - wie aus dem Stand der Technik bekannt - eine Fokuskreisbahn 7, die in Fig. 1 in Draufsicht skizziert ist. Die Messung wird dann optimal durchgeführt, wenn der Durchmesser 14 der Fokuskreisbahn 7 genauso groß wie der Durchmesser der Bohrung ist.
Schließlich wird noch vorgeschlagen, eine aus Übersichtlichkeitsgründen nicht in
Figuren dargestellte Linearverstelleinheit zur Verschiebung der Fokussierlinse 8 vorzusehen. Durch eine solche Linearverstelleinheit wird eine exakte, kontrollierbare und zuverlässige Verschiebung der Fokussierlinse 8 gewährleistet.
Die Figuren 3a bis 3c zeigen die bisher beschriebene, erfinderische Sonde 1 in unterschiedlichen Zuständen. Zunächst zeigt die Fig. 3a die Sonde 1 in einem Ausgangszustand wie in Fig. 2 dargestellt. Die Fokussierlinse 8 und die rotierende Einheit 4 sind mit einem mittleren Abstand 15a zueinander angeordnet. Daraus resultiert eine Fokuskreisbahn 7, die einen mittelgroßen
Durchmesser aufweist.
Nun wird die Fokussierlinse 8 in Richtung zum Ausgang 20 der Sonde 1 verschoben. Der einfache Pfeil 12a zeigt diese Richtung an. Da die rotierende Einheit 4 bezüglich ihrer Ortsposition innerhalb Sonde 1 nicht bewegt wird, ergibt sich daraus ein kürzerer Abstand 15b zwischen der Fokussierlinse 8 und der rotierenden Einheit 4. Gleichzeitig ist der Abstand zwischen der Fokussierlinse 8 und dem Ausgang 20 der Linse 1 verkürzt worden, so dass der Fokus 6 des Messstrahls 13 von der Drehachse 5 sich weiter entfernt hat. Mit der Zunahme des Abstands des Fokus 6 von der Drehachse 5 nimmt entsprechend der
Durchmesser der Fokuskreisbahn 7 zu.
Umgekehrt zeigt die Fig. 3c den Zustand, wenn die verschiebbare Fokussierlinse 8 in die entgegengesetzte Richtung bewegt wird, also weiter weg vom Ausgang 20 der Sonde 1 verschoben wird. Die entsprechende Richtung der Verschiebung wird durch den einfachen Pfeil 12b demonstriert. Nun erkennt man einen größeren Abstand 15c zwischen der verschobenen Fokussierlinse 8 und der um die Drehachse 5 rotierbaren, aber entlang der optischen Achse 9 starren Einheit 4. Gleichzeitig vergrößert sich auch der Abstand zwischen der Fokussierlinse 8 und dem Ausgang 20 der Sonde 1. Der Fokus 6 des Messtrahls 13 bewegt sich dadurch in Richtung zur Drehachse 5, und entsprechend nimmt der Durchmesser der Fokuskreisbahn 7 ab.
Mit der beschriebenen Sonde 1 ist es also möglich, den Abstand zwischen dem
Fokus 6 und der Drehachse 5 frei einzustellen, in dem man die Fokussierlinse 8 entsprechend in die gewünschte Richtung verschiebt.
Die flexible Verschiebung des Fokus 6 des Messstrahls 13 gegenüber dem Ausgang 20 der Sonde 1 ist natürlich auch möglich, wenn eine rotierende
Strahlablenkeinheit 2 nicht vorgesehen ist. In solchen Fällen verschiebt sich der Fokus 6 des Messstrahls 13 entlang der optischen Achse 9.
Übrigens wird der an der Oberfläche des Messobjektes reflektierte Messstrahl 13 wieder durch die Sonde 1 aufgenommen. Typischerweise durchläuft der reflektierte Messstrahl 13 nun den bisherigen Strahlengang in umgekehrter Richtung, d.h. er wird am Ausgang 20 der Sonde 1 wieder in die Sonde 1 eingeführt und verlässt die Sonde 1 am Eingang 10. Die Begriffe „Eingang" und „Ausgang" beziehen sich, wie für einen Fachmann geläufig, nicht auf den vom Messobjekt reflektierten Messstrahl 13. Der wieder aus der Sonde 1 herausgeführte Messstrahl wird sodann einer Detektionseinheit zugeführt, an der eine Auswerteeinheit angeschlossen ist. So wird eine Analyse der mit der Sonde 1 beleuchteten Messobjekte ermöglicht.
Alle bisher beschriebenen Ausführungsformen der Sonde 1 sind übrigens geeignet, mit einem an sich bekannten Interferometer verbunden zu werden. Zusammen bilden sie dann eine Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Messobjekten. Idealerweise ist das Interferometer mit der Sonde 1 mittels der bereits genannten Lichtleitfaser 11 verbunden. Der Aufbau eines typischen Interferometers wird nicht weiter erläutert, da dieser bereits z.B. in eingangs zitierten Schrift DE 100 57 540 Al ausführlich beschrieben wurde. Es sei nur betont, dass das Interferometer neben einer Detektionseinheit auch eine Auswerteeinheit umfassen kann.
Zusammenfassend wird festgestellt, dass eine optische Sonde 1 beschrieben wurde, bei der eine flexible Änderung des Fokusabstands vom Ausgang 20 der Sonde 1 möglicht ist. Hierzu ist in der Sonde 1 eine entlang der optischen Achse 9 verschiebbare Fokussierlinse 8 angeordnet. Weiter wurde eine Vorrichtung vorgeschlagen, die ein an sich bekanntes Interferometer und die beschriebene
Sonde 1 umfasst. Insgesamt wird hierdurch eine bei unterschiedlichen Messobjekten sehr vielfältig einsetzbare optische Sonde 1 erzielt.

Claims

Ansprüche
1. Optische Sonde (1) zum optischen Prüfen von Messobjekten, umfassend einen Eingang (10) zur Einführung eines Eingangsstrahls in die Sonde (1), eine Fokussierlinse (8) mit einer optischen Achse (9) zur Fokussierung des Eingangsstrahls zu einem Messstrahl und einen Ausgang (20) zur Beleuchtung der zu prüfenden Messobjekten, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierlinse (8) entlang der optischen Achse (9) verschiebbar angeordnet ist.
2. Sonde (1) nach Anspruch 1, dad urch gekennzeichnet, dass die Fokussierlinse (8) durch eine GRIN-Linse ausgebildet ist.
3. Sonde (1) nach Anspruch 1 oder 2, dad urch gekennzeichnet, dass eine Strahlablenkeinheit (2) zur Ablenkung des Messstrahls vorgesehen ist.
4. Sonde (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlablenkeinheit (2) ein Spiegel oder ein Prisma ist.
5. Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dad urch gekennzeichnet, dass eine um eine Drehachse (5) rotierende Einheit (4) vorgesehen ist.
6. Sonde (1) nach Anspruch 5, dad urch gekennzeichnet, dass die rotierende Einheit (4) ein Platzhalter oder eine weitere Linse ist.
7. Sonde (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Einheit (4) und die Strahlablenkeinheit (2) fest miteinander verbunden sind.
8. Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Linearverstelleinheit zur Verschiebung der Fokussierlinse (8) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Messobjekten, wobei ein
Interferometer verbunden ist mit einer Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer mit der Sonde (1) mittels einer Lichtleitfaser (11) verbunden ist.
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