DE102006048316A1

DE102006048316A1 - Optische Fasersonde und Verfahren zur Herstellung einer optischen Fasersonde

Info

Publication number: DE102006048316A1
Application number: DE102006048316A
Authority: DE
Inventors: Pawel Drabarek; David Rychtarik
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2006-10-12
Publication date: 2008-04-17
Also published as: US20080144040A1; US8077323B2; JP5006751B2; JP2008096443A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Fasersonde für eine interferometrische Messeinrichtung mit einer mechanischen Aufnahme, in der eine optische Faser geführt ist, mit einem Faserendstück, das über die mechanische Aufnahme herausragt und das optische Komponenten zur Führung eines Messstrahls auf ein Messobjekt enthält, und mit einer in der Faser angeordneten Reflexionszone zur Teilreflexion eines in der Faser geführten Lichtstrahls. Dabei ist die Reflexionszone in dem Faserendstück angeordnet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen optischen Fasersonde. Dabei wird die Faser an einer vorgegebenen Stelle getrennt, es wird zumindest auf einer der Trennstellen eine teilreflektierende Beschichtung aufgebracht und es werden die beiden Faserteile anschließend wieder miteinander verbunden. Die optischen Fasersonden können so mit einem langen Faserendstück gefertigt werden, welches es ermöglicht, tiefe Hohlräume mit einem geringen Durchmesser interferometrisch zu vermessen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine optische Fasersonde für eine interferometrische Messeinrichtung mit einer mechanischen Aufnahme, in der eine optische Faser geführt ist, mit einem Faserendstück, das über die mechanische Aufnahme herausragt und das optische Komponenten zur Führung eines Messstrahls auf ein Messobjekt enthält und mit einer in der Faser angeordneten Reflexionszone zur Teilreflexion eines in der Faser geführten Lichtstrahls.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen optischen Fasersonde.
Eine interferometrische Messeinrichtung, bei der eine solche Fasersonde eingesetzt ist, ist in der Schrift DE 102 44 553 dargestellt. Die Schrift offenbart eine interferometrische Messvorrichtung zum Erfassen der Form, der Rauheit oder des Abstandes der Oberfläche eines Messobjektes mit einem Modulationsinterferometer, dem von einer Strahlungsquelle kurzkohärente Strahlung zugeführt wird und das einen ersten Strahlteiler zum Aufteilen der zugeführten Strahlung in einen über einen ersten Arm geführten ersten Teilstrahl und einen über einen zweiten Arm geführten zweiten Teilstrahl aufweist, von denen der eine gegenüber dem anderen mittels einer Modulationseinrichtung in seiner Licht-Phase oder Lichtfrequenz verschoben wird und eine Verzögerungsstrecke durchläuft, und die anschließend an einem weiteren Strahlteiler des Modulationsinterferometers vereinigt werden, mit einer von dem Modulationsinterferometer räumlich getrennten und mit dieser über eine Lichtleitfaseranordnung gekoppelten oder koppelbaren Messsonde, in der die vereinigten Teilstrahlen in einen durch eine Sonden-Lichtleitfasereinheit mit einer schrägen objektseitigen Austrittsfläche zu der Oberfläche geführten Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt und in der der and der Oberfläche reflektierte Messstrahl (r₁(t)) und der an einer Referenzebene reflektierte Referenzstrahl (r₂(t)) überlagert werden, und mit einer Empfängervorrichtung und einer Auswerteeinheit zum Umwandeln der ihr zugeleiteten Strahlung in elektrische Signale und zum Auswerten der Signale auf der Grundlage einer Phasendifferenz. Dabei beträgt der Neigungswinkel (y) der Austrittsfläche gegenüber der Normalen der optischen Sondenachse mindestens 46°.
Entsprechend den in der Schrift gezeigten 5 und 6 ragt eine objektseitige Sonden-Lichtleitfasereinheit mit der schrägen Austrittsfläche über eine röhrchenförmige Aufnahme hinaus, so dass die überstehende Sonden-Lichtleitfasereinheit, also das Faserendstück, für interferometrische Messaufgaben beispielsweise in enge Hohlräume eingeführt werden kann.
Die Tiefe des zu untersuchenden Hohlraumes ist dabei durch die Länge des Faserendstücks beschränkt. Bei heute eingesetzten Sonden-Lichteleitfasereinheiten beträgt die Länge des Faserendstücks bei einem typischen Durchmesser der Faser von 20 μm ca. 2 mm.
Wie in den 3 bis 6 der oben genannten Schrift gezeigt, ist in der Faser ein teildurchlässiger Bereich, eine so genannte Referenzschicht, eingefügt, der den einfallenden Lichtstrahl in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl aufteilt, wobei der Referenzstrahl zurück in die Faser reflektiert wird. Eine solche Referenzschicht wird heute so hergestellt, dass die Faser in zwei Teile geteilt und jedes Teilstück in eine so genannte Ferule eingeklebt wird. Eine Ferule wird mit der eingeklebten Faser stirnseitig mit einer teilreflektierenden Beschichtung versehen, anschließend werden die beiden Ferulen mit Hilfe einer Führungshülse so verbunden, dass der nicht reflektierte Anteil des einfallenden Lichtes in den zweiten Teil der Faser übertreten kann. Die beiden Ferulen bilden zusammen mit der Führungshülse eine mechanische Aufnahme für die Faser. Dabei liegt die Referenzschicht innerhalb der mechanischen Aufnahme.
Der maximale Abstand zwischen der Referenzschicht und dem Fokus des Messstrahls ist durch den in dem vorgeschalteten Interferometer eingeschriebenen Gangunterschied vorgegeben. Für typische Interferometeranordnungen beträgt dieser maximale Abstand ca. 25 mm. Die Länge des Faserendstücks, welches für Messzwecke in eine Bohrung eingeführt werden kann, ist auf diesen Wert begrenzt, abzüglich der Strecke zwischen der Referenzschicht und dem Ende der mechanischen Aufnahme. Eine Verlängerung des Faserendstücks ist nur nach einer entsprechenden Modifikation des vorgeschalteten Interferometers möglich, was jedoch mit einem sehr hohen technischen und finanziellen Aufwand verbunden ist.
Tiefere Bohrungen können nur untersucht werden, wenn diese so einen großen Durchmesser haben, dass auch die mechanische Aufnahme mit eingeführt werden kann oder dass alternative Systeme, beispielsweise bestehend aus einem Röhrchen mit eingebauten optischen Komponenten, eingesetzt werden können, wobei letztgenannte Systeme ebenfalls einen Durchmesser größer als 1,3 mm aufweisen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine optische Fasersonde bereit zu stellen, welche bei hoher Messgenauigkeit die interferometrische Untersuchung von Hohlräumen mit geringem Durchmesser und großer Tiefe ermöglicht. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen optischen Fasersonde bereitzustellen.
Vorteile der Erfindung
Die die optische Fasersonde betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Reflexionszone in dem Faserendstück angeordnet ist. Die Reflexionszone, an der der einfallende Lichtstrahl in einen Referenzstrahl und einen Messstrahl aufgeteilt wird, kann somit in unmittelbarer Näher der Faserspitze und somit des Fokuspunktes des Messstrahls angeordnet werden. Der Abstand zwischen dem Fokuspunkt und der Reflexionszone kann so gewählt werden, dass er an das vorgeschaltete Interferometer angepasst ist. Da sich die Reflexionszone jetzt in dem Faserendstück befindet, kann dieses, abhängig von der mechanischen Belastbarkeit der Faser, beliebig lang ausgeführt werden, ohne dass eine Modifikation des vorgeschalteten Interferometers notwendig ist. Es können somit im Vergleich mit heute bekannten Fasersonden deutlich tiefere Hohlräume mit geringen Durchmessern, in die nur das Faserendstück, nicht jedoch die mechanische Aufnahme der Faser eingeführt werden kann, interferometrisch untersucht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Reflexionszone als Reflexionsbeschichtung zwischen zwei verbundenen Faserstücken gebildet ist. Solche teiltransparenten Reflexionsbeschichtungen können kostengünstig hergestellt werden.
Ist die Verbindung der Faserstücke dadurch realisiert, dass die Faserstücke miteinander verklebt oder verschmolzen sind, so erhält man ein Faserendstück, welches annähernd die gleiche mechanische Stabilität aufweist wie eine durchgängiges Faserendstück. Die Faserstücke sind sicher gegeneinander fixiert, so dass der Lichtstrahl mit geringst möglichen Verlusten von dem einen in das andere Faserstück übertreten kann.
Ist hingegen die Reflexionszone als Bragg-Gitter ausgeführt, muss die Faser zum Einbringen einer Reflexionszone im Bereich des Faserendstücks nicht getrennt werden und behält ihre ursprüngliche mechanische Stabilität. Das Bragg-Gitter kann von außen in die Faser eingeprägt werden.
Eine Teilreflexion des einfallenden Lichtstrahls in dem Faserendstück lässt sich auch dadurch erreichen, dass die Reflexionszone als Brechungsindexänderung ausgeführt ist. Dabei ist der Anteil der reflektierten Strahlung bezogen auf die einfallende Strahlung von der Änderung des Brechungsindex abhängig. Eine Änderung des Brechungsindex kann beispielsweise durch gezielt eingebrachte Defekte in dem Faserkern, beispielsweise in Form einer Luftblase, erreicht werden.
Dadurch, dass der Abstand zwischen der Reflexionszone und einem Fokus des Messstrahls an einen in einem der optischen Fasersonde vorgeschalteten Interferometer eingeschriebenen Gangunterschied zwischen zwei Teilstrahlen angepasst ist, kann die optische Fasersonde an existierende Interferometer angepasst werden. Eine aufwändige und kostenintensive Modifikation des Interferometers muss nicht vorgenommen werden.
Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Faser an einer vorgegebenen Stelle getrennt wird, dass zumindest auf einer der Trennstellen eine teilreflektierende Beschichtung aufgebracht wird und dass die beiden Faserteile anschließend wieder miteinander verbunden werden. Das Verfahren ermöglicht es, eine Reflexionszone kostengünstig in das Faserendstück einzubringen, ohne die Stabilität der Faser merklich zu verschlechtern. Der Abstand der Reflexionszone zu der Faserspitze kann entsprechend den Anforderungen des vorgeschalteten Interferometers frei gewählt werden. Die Faserteilstücke können bei dem Verbinden exakt aufeinander ausgerichtet werden, so dass ein Lichtübergang mit möglichst geringen Verlusten realisiert werden kann.
Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung eine optische Fasersonde nach dem Stand der Technik,
2 in schematischer Darstellung eine optische Fasersonde mit einer in dem Faserendstück angeordneten Reflexionszone,
3 in schematischer Darstellung eine Teilabschnitt des Faserendstücks mit der Reflexionszone.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt in schematischer Darstellung eine optische Fasersonde 1, wie sie heute beispielsweise zur interferometrischen Vermessung von Einspritzdüsen von Brennkraftmaschinen eingesetzt wird. Eine optische Faser 20 ist in einer axial angeordneten Ausnehmung 11 einer mechanischen Aufnahme 10 geführt. Die mechanische Aufnahme 10 ist dabei aus einer ersten und einer zweiten so genannten Ferule 12, 13 gebildet. Die Ferulen 12, 13 sind von einer Führungshülse 14 umfasst, welche die beiden Ferulen 12, 13 gegeneinander ausrichtet und zusammen hält. An einem aus der mechanischen Aufnahme 10 überstehenden Teilstück der optischen Faser 20, dem Faserendstück 22, sind an dessen Faserspitze 23 eine nicht dargestellte Linse und ein nicht dargestellter Spiegel angeordnet. Die optische Faser 20 ist mit einer faseroptischen Lichtzuführung 21 verbunden. In der Grenzfläche zwischen den beiden Ferulen 12, 13 ist eine Reflexionszone 30 angeordnet. Die Reflexionszone 30 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als teilreflektierende Beschichtung ausgeführt, welche auf die Stirnfläche der zweiten Ferule 13 und der darin geführten optischen Faser 20 aufgebracht ist.
Die optische Fasersonde 1 ist über die Lichtzuführung 21 mit einem nicht dargestellten Interferometer verbunden. Ein Lichtstrahl wird von dem Interferometer über die Lichtzuführung 21 der optischen Faser 20 zugeführt. An der Reflexionszone 30 wird der zugeführte Lichtstrahl in einen transmittierten Messstrahl und einen reflektierten Referenzstrahl aufgeteilt wird. Der transmittierte Messstrahl wird dem Faserendstück 22 und der Faserspitze 23 zugeführt und über die optischen Komponenten Linse und Spiegel auf das Messobjekt gelenkt und fokussiert. Der von dem Messobjekt reflektierte Strahl wird wieder in die Faserspitze 23 eingekoppelt und über die optische Faser 20 und die Lichtzuführung 21 zurück an das Interferometer geleitet.
Das Faserendstück 22 kann zur Durchführung von interferometrischen Messungen beispielsweise in feinen Bohrungen, wie sie bei Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen vorgesehen sind, verwendet werden. Dazu wird das Faserendstück 22 in die Bohrung eingeführt. Der Durchmesser solcher Bohrungen an Einspritzdüsen beträgt ca. 150 μm, während das Faserendstück 22 einen Durchmesser von typisch ca. 20 μm aufweist.
Der Abstand zwischen der Reflexionszone 30 und der Faserspitze 23 beziehungsweise dem Fokus des Messstrahls ist durch das vorgeschaltete Interferometer festgelegt. Er beträgt bei heute eingesetzten Interferometern typischerweise 25 mm. Bei einer Länge für die zweite Ferule 13 von ca. 10 mm ergibt sich eine Begrenzung der Länge des Faserendstücks 22 auf ca. 15 mm. Kleine Bohrungen mit einem Durchmesser kleiner als der der zweiten Ferule 13 können somit nur bis zu einer maximalen Tiefe von 15 mm vermessen werden. Ein längeres Faserendstück 22 lässt sich nur durch eine aufwändige Modifikation des vorgeschalteten Interferometers einsetzen.
2 zeigt in schematischer Darstellung eine optische Fasersonde 1 mit einer in dem Faserendstück 22 angeordneten Reflexionszone 30 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die optische Faser 20 ist wieder in einer Ausnehmung 11 einer mechanischen Aufnahme 10 gehalten und über eine Lichtzuführung 21 mit einem nicht dargestellten, vorgeschalteten Interferometer verbunden. In dem Faserendstück 22, welches die über die mechanische Aufnahme 10 hinausreichende Verlängerung der optischen Faser 20 darstellt, sind eine Reflexionszone 30 sowie an der Faserspitze 23 die nicht dargestellten optischen Komponenten Spiegel und Linse integriert.
Die Reflexionszone 30 ist in der dargestellten Ausführungsvariante durch eine teilreflektierende Beschichtung realisiert. Um diese herzustellen, wird die Faser 20 im Bereich des Faserendstücks 22 an der gewünschten Stelle getrennt, die Beschichtung wird aufgebracht und die beiden Faserteilstücke werden wieder verbunden. Die Verbindung ist dabei durch eine transparente Verklebung realisiert, kann aber auch durch Verschmelzen der beiden Faserteilstücke erreicht werden.
Eine weiter Möglichkeit, eine Reflexionszone einzubringen, besteht in einem von außen auf das Faserendstück aufgeprägtem Bragg-Gitter. Der Vorteil eines Bragg-Gitters liegt darin, dass die Faser nicht getrennt werden muss.
Prinzipiell führt jeder Defekt in dem Faserkern zu einer Reflexion. So können gezielt an der gewünschten Stelle der Faser Defekte eingebracht werden, die weder die Form noch die Stabilität der Faser beeinflussen. Ein Defekt kann zum Beispiel eine Brechungsindexänderung oder eine Luftblase in dem Faserkern sein.
Mit den beschriebenen Reflexionszonen kann ein Referenzstrahl erzeugt werden, ohne dass dazu in dem Bereich der Reflexionszone der Durchmesser oder die Geometrie der optischen Fasersonde 1 geändert werden muss. Es können unabhängig vom vorgeschalteten Interferometer sehr lange Tastarme realisiert werden, welche die Inspektion von tiefen Bohrungen mit geringem Durchmesser ermöglichen.
Die mechanische Aufnahme 10 ist lediglich aus einer ersten Ferule 12 oder aus einem standardisierten Haltestift realisiert.
3 zeigt in schematischer Darstellung einen Teilabschnitt des Faserendstücks 22 mit der integrierten Reflexionszone 30.
Das Faserendstück 22 ist aus einem das Licht leitenden Faserkern 24 und einem den Faserkern 24 umschließenden Fasermantel 25 gebildet. An einer Verbindungsstelle ist eine Reflexionszone 30 als teilreflektierende Beschichtung ausgeführt. Die beiden Faserteile sind dabei mit Klebstoff 31 verbunden. Ein eintreffender Lichtstahl 40 wird an der Reflexionszone 30 in einen reflektierten Lichtstrahl 41, den Referenzstrahl, und einen transmittierten Lichtstrahl 42, den Messstrahl, aufgeteilt.
Der Faserkern hat bei den eingesetzten Monomode-Fasern einen Durchmesser von lediglich ca. 9 μm. Die teilreflektierende Beschichtung ist daher über die gesamte Querschnittsfläche der Faser aufgebracht.

Claims

Optische Fasersonde für eine interferometrische Messeinrichtung mit einer mechanischen Aufnahme, in der eine optische Faser geführt ist, mit einem Faserendstück, das über die mechanische Aufnahme herausragt und das optische Komponenten zur Führung eines Messstrahls auf ein Messobjekt enthält und mit einer in der Faser angeordneten Reflexionszone zur Teilreflexion eines in der Faser geführten Lichtstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionszone in dem Faserendstück angeordnet ist.
Optische Fasersonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Reflexionszone als Reflexionsbeschichtung zwischen zwei verbundenen Faserstücken gebildet ist.
Optische Fasersonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstücke miteinander verklebt oder verschmolzen sind.
Optische Fasersonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionszone als Bragg-Gitter ausgeführt ist.
Optische Fasersonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionszone als Brechungsindexänderung ausgeführt ist.
Optische Fasersonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Reflexionszone und einem Fokus des Messstrahls an einen in einem der optischen Fasersonde vorgeschalteten Interferometer eingeschriebenen Gangunterschied zwischen zwei Teilstrahlen angepasst ist.
Verfahren zur Herstellung einer optischen Fasersonde für eine interferometrische Messeinrichtung mit einer mechanischen Aufnahme, in der eine optische Faser geführt ist, mit einem Faserendstück, das über die mechanische Aufnahme herausragt und das optische Komponenten zur Führung eines Messstrahls auf ein Messobjekt enthält und mit einer in der Faser angeordneten Reflexionszone zur Teilreflexion eines in der Faser geführten Lichtstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser an einer vorgegebenen Stelle getrennt wird, dass zumindest auf einer der Trennstellen eine teilreflektierende Beschichtung aufgebracht wird und dass die beiden Faserteile anschließend wieder miteinander verbunden werden.