DE102007045568A1

DE102007045568A1 - Sonde und Vorrichtung zum optischen Prüfen von Messobjekten

Info

Publication number: DE102007045568A1
Application number: DE200710045568
Authority: DE
Inventors: David Rychtarik
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-09-24
Filing date: 2007-09-24
Publication date: 2009-04-02
Also published as: WO2009040162A1

Abstract

Es wird eine optische Sonde (1) zum optischen Prüfen von Messobjekten vorgeschlagen, wobei diese umfasst: eine 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 Messobjekte, wobei die Fokussierlinse (8) entlang der optischen Achse (9) verschiebbar angerordnet 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

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 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 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 A1 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:
1 ein Beispiel einer bekannten Sonde aus dem Stand der Technik,
2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sonde, und
3a bis 3c eine erfindungsgemäße Sonde in jeweils unterschiedlichen Zuständen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 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 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 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 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 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 3a bis 3c zeigen die bisher beschriebene, erfinderische Sonde 1 in unterschiedlichen Zuständen. Zunächst zeigt die 3a die Sonde 1 in einem Ausgangszustand wie in 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 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 nur 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 A1 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10057540 A1 [0006, 0028]

Claims

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.
Sonde (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierlinse (8) durch eine GRIN-Linse ausgebildet ist.
Sonde (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlablenkeinheit (2) zur Ablenkung des Messstrahls vorgesehen ist.
Sonde (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlablenkeinheit (2) ein Spiegel oder ein Prisma ist.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine um eine Drehachse (5) rotierende Einheit (4) vorgesehen ist.
Sonde (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Einheit (4) ein Platzhalter oder eine weitere Linse ist.
Sonde (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Einheit (4) und die Strahlablenkeinheit (2) fest miteinander verbunden sind.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Linearverstelleinheit zur Verschiebung der Fokussierlinse (8) vorgesehen ist.
Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Messobjekten, wobei ein Interferometer verbunden ist mit einer Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer mit der Sonde (1) mittels einer Lichtleitfaser (11) verbunden ist.