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Die
Erfindung betrifft eine optische Meßeinrichtung sowie ein optisches
Meßverfahren.
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Stand der
Technik
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Eine
quantitative und/oder qualitative Bestimmung der Beschaffenheit
einer Oberflächengeometrie
eines Gegenstands, insbesondere eines Werkstücks, kann durch Durchführung optischer Meßverfahren
mittels optischer Meßeinrichtungen
erfolgen. Dabei wird beispielsweise ein optisches Ausgangssignal
auf einen Oberflächenbereich
des Gegenstands gerichtet. Dieses optische Ausgangssignal wird von
dem Oberflächenbereich
als Meßsignal reflektiert.
Durch geeignete Auswertung dieser Signale kann eine Aussage über die
Geometrie des Oberflächenbereichs
getroffen werden.
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Besteht
beispielsweise Interesse, den Grad einer Glattheit bzw. einer Rauhigkeit
des Oberflächenbereichs
zu bestimmen, bietet sich die Benutzung eines Interferometers an.
Bekanntermaßen sind
mittels Interferometer auch geringe räumliche Abstände meßbar.
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Für Aufgaben
einer robusten Durchmesser- und Formbestimmung im industriellen
Umfeld sind unter den optischen Systemen bzw. Meßeinrichtungen diejenigen besonders
leistungsfähig,
die auf eine flexible Trennung, vorzugsweise durch eine optische Faser,
zwischen einer Lichtquelle mit Empfangssystem und einer Meßsonde beruhen.
Hierbei werden Meßgrößen durch
die Länge
der flexiblen Trennung bzw. Verbindung nicht beeinflußt. Dies
betrifft beispielsweise interferometrische Punktsensoren, die das „common
path"-Prinzip verwenden.
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Die
Druckschrift
DE 198
08 273 A1 beschreibt diesbezüglich eine interferometrische
Meßeinrichtung
zum Erfassen der Form rauher Oberflächen. Dabei ist eine räumlich kohärente Strahlerzeugungseinheit
vorgesehen, die eine zeitlich kurzkohärente und breitbandige Strahlung
abgibt. Hierbei erfolgt eine Trennung in einen Abschnitt mit den
Komponenten eines Modulationsinterferometers und den Komponenten
einer Meßsonde,
wobei die Meßsonde über eine
Lichtleitfaseranordnung mit dem Modulationsinterferometer gekoppelt
und somit von dem Modulationsinterferometer entfernt verwendbar
ist.
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Ziel
der Erfindung ist es, optische Messungen mittels eines verbesserten
optischen Systems dahingehend zu verbessern, daß genauere Aussagen über die
Beschaffenheit der gemessenen Materie unter erschwerten äußeren Bedingungen
getroffen werden können.
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Dieses
Ziel wird mit einer optischen Meßeinrichtung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 sowie einem optischen Meßverfahren mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 10 erreicht.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße optische
Meßeinrichtung
umfaßt
mindestens eine optische Ausgabeeinheit zur Ausgabe mindestens eines
optischen Ausgangssignals und mindestens eine optische Empfangseinheit
zum Empfang eines optischen Meßsignals,
die zu einer Zuordnung des mindestens einen optischen Meßsignals
zu mindestens einem der optischen Ausgangssignale mittels eines
optischen Multiplexers ausgebildet ist.
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Vorzugsweise
ist die erfindungsgemäße optische
Meßeinrichtung
zur Aufteilung eines optischen Eingangssignals auf eine Anzahl optischer
Ausgangssignale und zur Zuteilung mindestens eines der optischen
Ausgangssignale auf mindestens einen Kanal mittels des optischen
Multiplexers ausgebildet. Zum Empfang des mindestens einen optischen
Meßsignal
weist die Empfangseinheit mindestens einen Detektor auf. Dabei wird
das mindestens eine optische Ausgangssignal durch Materie modifiziert,
was insbesondere durch Reflexion an einem Oberflächenbereich eines Gegenstandes
geschehen kann, und wird dabei in mindestens ein optisches Meßsignal
umgewandelt.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die optische
Meßeinrichtung
zur Ansteuerung mindestens eines der Kanäle und somit zur Kombination
von optischen Ausgangssignalen ausgebildet ist. Hierbei ist vorteilhafterweise die
Verwendung eines optischen Systems bzw. einer optischen Meßeinrichtung
vorgesehen, die mehrere Kanäle,
insbesondere Meßkanäle, gleichzeitig
(parallel) oder in einer spezifischen zeitlichen Reihenfolge (seriell)
mittels des optischen Multiplexers ansteuert.
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Mittels
der erfindungsgemäßen optischen Meßeinrichtung
ergibt sich vorteilhafterweise die Möglichkeit, mehrere Kanäle in beliebiger
Weise zu kombinieren und unabhängig
voneinander mit derselben Empfangseinheit zu betreiben.
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Die
optische Meßeinrichtung
kann z. B. als „common
path"-Interferometer ausgebildet
sein. Da diese mittels des parallel und/oder seriell arbeitenden optischen
Multiplexer realisierbar ist, ist die Aufteilung des optischen Eingangssignals
als mindestens ein optisches Ausgangssignal auf mindestens einen Kanal
in einfacher Weise durchführbar.
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Es
ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß jedem Kanal eine Meßsonde zugeordnet
ist. Dabei können
mehrere Meßsonden
in einem Gehäuse
als eine optische Ausgabeeinheit angeordnet sein, wobei deren Ausgestaltung
an die konkrete Meßaufgabe
anpaßbar
ist. Somit kann durch geeignete räumliche Anordnung von Meßsonden
unter Berücksichtigung
einer geeigneten bzw. korrespondierenden räumlichen Anordnung der Detektoren
der Empfangseinheit der optischen Meßeinrichtung ein räumliches
Sehen ermöglicht
werden. Durch gezielte Zuordnung bzw. Zuschaltung empfangener optischer Meßsignale
zu ausgegebenen optischen Ausgangssignalen durch den optischen Multiplexer
kann eine optische Untersuchung eines Oberflächenbereichs aus unterschiedlichen
geeigneten Perspektiven erfolgen.
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Mit
der Erfindung ist beispielsweise eine schnelle, präzise und
dabei robuste Bestimmung von Durchmesser und/oder Form in einer
Führungsbohrung
entlang einer Bohrungsachse innerhalb eines Werkstücks möglich. Für den Anwendungsfall
der Durchmesserbestimmung entlang der Führungsbohrung kann die Ausgabeeinheit
mit drei sternförmig angeordneten
Meßsonden
verwendet werden. Dadurch lassen sich Durchmesser und Abweichung
der Position der Ausgabeeinheit von einer idealen Bohrungsachse
gleichzeitig bestimmen, wodurch Robustheit gegenüber mechanischen Einflüssen erreicht
wird. Durch veränderte
geometrische Anordnung der Meßsonden
sind weitere Anwendungen möglich.
Mit mehreren in einer Reihe angeordneten Meßsonden erhält man einen Linien-Sensor,
der für die
Vermessung von Funktionsflächen
entlang von Dichtkanten besonders gut geeignet ist. Werden beispielsweise
mehrere Meßsonden
in einer Ausgabeeinheit so angeordnet, so daß gleichzeitig Vorder- und
Rückseite
eines flachen Bauteils abgedeckt werden, lassen sich besonders gut
dessen Dicke bzw. Parallelität
bestimmen.
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Weitere
Ausgestaltungen und damit verbundene Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert.
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1 zeigt eine schematische
Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen
Meßeinrichtung.
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2 bis 4 zeigen jeweils eine schematische Darstellung
bevorzugter Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Sonde.
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5 bis 6 zeigen je schematische Darstellungen
bevorzugter Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Sonde.
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7 zeigt eine schematische
Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer kombiniert parallel
und seriell arbeitenden erfindungsgemäßen optischen Meßeinrichtung.
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Die
in 1 gezeigte optische
Meßeinrichtung 1 weist
einen parallel oder seriell arbeitenden optischen Multiplexer 31 auf,
von dem aus in diesem Ausführungsbeispiel
drei Kanäle 5 zu
Interferometer aufweisenden Meßsonden 11 einer
optischen Ausgabeeinheit 4 führen. Dem optischen Multiplexer
ist eine Empfangseinheit 71 mit in diesem Fall drei Detektoren 9 zugeordnet.
Das Gesamtsystem kann auch als 2-Wellenlängen-Interferometer ausgelegt sein.
In diesem Fall sind zwei Detektoren pro Meßkanal erforderlich. Ein Modulationsinterferometer 60 teilt
ein von einer Lichtquelle 61 erzeugtes optisches Eingangssignal,
beaufschlagt durch die optischen Einrichtungen 63, 65, 69,
in zwei Teilsignale X1, X2 auf. Bedingt durch eine Verzögerungseinrichtung 67 innerhalb
des Strahlenganges des zweites Teilsignal X2 weist dieses relativ
zu dem ersten Teilsignal X1 eine optische Weglängenverschiebung auf. Vor dem Multiplexer 31 werden
die beiden Teilsignale X1 und X2 zu einem Eingangssignal vereint.
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Die
Aufgabe des optischen Multiplexers 31, besteht einerseits
darin, die Wellenfronten des optischen Eingangssignals hinter dem
Modulationsinterferometer 60 in Form von Ausgangssignalen
in geeigneter Weise auf die in diesem Beispiel drei Kanäle 5 zu
verteilen. Andererseits ordnet der optische Multiplexer 31 mindestens
eines von einer Oberfläche
eines Objekts reflektierten und von mindestens einem Detektor 9 empfangenen
Meßsignal
in geeigneter Weise mindestens einem Ausgangsignal zu.
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Die
in der 2 gezeigte bevorzugte
Ausführungsform
eines optischen Multiplexers 32 ist aus hintereinander
geschachtelten Faserkopplern 17 ausgebildet. Mittels dieser
Anordnung ist die Wellenfront eines optischen Eingangssignals 13 auf
beispielsweise vier optische Ausgangssignale 15 aufteilbar.
Dabei liefert eine Anzahl von n Teilerstufen 2n Kanäle 5.
Außerdem
enthält
jeder Kanal 5 einen weiteren Faserkoppler 17 zur
Auskopplung und Abbildung rückreflektierter
optischer Meßsignale
bzw. Wellenfronten auf die insbesondere als Fotodetektoren ausgebildeten
Detektoren 9 einer Empfangseinheit. Bei dieser Ausführungsform
ist eine komplette faseroptische Ausbildung der Kanäle 5 von
Vorteil.
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Bei
der in 3 dargestellten
bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen optischen
Multiplexers 33 kommt zur Bereitstellung einer spektralen
Zerlegung eines über
eine Eingangsfaser 19 bereitgestellten optischen Eingangssignals 13 ein als
Gitter 21 ausgebildetes diffraktives Element zum Einsatz. Über eine
Linse 26 gebündelte
verschiedene Beugungsordnungen des Gitters 21 werden nach Teilung
durch einen Strahlteiler 23 für eine Einkopplung in mehrere
Ausgangsfasern 20, die wiederum Kanälen zugeordnet sind, verwendet.
Dabei befinden sich die Ausgänge 20 der
Ausgangsfasern, aus denen die Kanäle ausgebildet sind, in der
Fokalebene der Linse 26. Rücklaufende Wellenfronten werden über den
Strahlenteiler 23 umgelenkt und über eine zweite Linse 24 auf
die einzelnen Detektoren 9 abgebildet.
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In
dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel
der Erfindung weist ein optischer Multiplexer 34 refraktive
Elemente, zum Beispiel Mikrolinsen- oder Miniaturlinsen-Arrays 24,
auf. Dabei wird die Wellenfront bzw. das Eingangssignal über das
Mikrolinsenarray 27 in die Ausgangsfasern 20 eingekoppelt. Die
rücklaufenden
Wellen werden über
einen Strahlteiler 23 umgelenkt und mit dem gleichen Prinzip
in ein Array von Ausgangsfasern 31 fokussiert. Die Wellen 29 werden
auf die insbesondere als Fotodetektoren ausgebildeten Detektoren 9 abgebildet.
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5 zeigt eine mögliche bevorzugte
Ausgestaltung einer optischen Ausgabeeinheit 40. Diese weist,
in einer mechanischen Hülle 50 angeordnet, drei
Meßsonden 47, 48, 49 mit
jeweils zugeordneten Meßausgängen 57, 58, 59 auf.
Diese optische Ausgabeeinheit 40 ist für die Aufgabe einer Durchmesserbestimmung
in einer Führungsbohrung
an einer zu messenden Bohrungsklasse angepaßt, so daß die optische Ausgabeeinheit 40 in
Bohrungen mit einem Durchmesser zwischen einem Minimal- und einem Maximaldurchmesser
eingeführt
werden kann.
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Eine
Passung kann beispielsweise über
ein federndes Element erfolgen, so daß ein geringes Spiel bei leichtgängiger Reibung,
wenn die optische Ausgabeeinheit 40 in die Führungsbohrung
eingeführt
wird, gewährleistet
ist. Dabei sind der Minimal- und der Maximaldurchmesser an den durch
das Interferometerprinzip vorgegebenen Meßbereich angepaßt. Die
Sonde 40 aus 5 enthält drei
optische Kanäle,
deren Anzahl bedingt durch unterschiedliche Aufgaben variieren kann.
Die Meßausgänge 57, 58, 59 dieser
Kanäle
sind senkrecht zur Achse der Ausgabeeinheit 40, sternförmig nach
außen
zeigend angeordnet. Dadurch können
aus Abstandswerten sowohl Durchmesser als auch die Abweichung der
Position der Meßsonden 47, 48, 49 von
einer idealen Bohrungsachse gleichzeitig bestimmt werden. Dabei sind
in einer bevorzugten Variante die optischen Kanäle als Interferometer mit Verzögerungsstrecken ausgebildet,
die an die Verzögerungstrecke
eines in 1 beschriebenen
Modulationsinterferometers angepaßt sind.
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6 zeigt im Längsschnitt
ein Fasertasterende 41, wie es bei einer möglichen
Realisierung einer Meßsonde
zur Anwendung kommen kann. Dabei weist das Fasertasterende 41 eine
Klebestelle 43 für einen
Referenzreflex auf. Das Ende des Fasertesterendes 41 weist
eine polierte Schräge 45 zur
Bereitstellung einer 90°-Umlenkung
auf. In einer anderen Ausgestaltung können die anderen Kanäle mit Linsen
versehen werden, wodurch eine verbesserte Abbildung erreichbar ist.
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7 zeigt eine Abwandlung
einer optischen Meßeinrichtung 2 mit
einer weiteren Ausführungsform
eines kombiniert parallel und seriell arbeitenden optischen Multiplexers 36 und
einer optischen Ausgabeeinheit 44 mit zwei Meßsonden 102, 103 und
einer Referenzsonde 101 in schematischer Darstellung. Eine
Trennung einzelner Kanäle 5 erfolgt hierbei
aufgrund der endlichen Kohärenzlänge des Lichts.
Dabei wird jeder Kanal 5 über eine andere Verzögerung in
einem Modulationsinterferometer 60 angesprochen.
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Eine
Empfangseinheit 77 wird mit nur zwei Detektoren 9 ausgelegt,
wobei ein Spektralfilter in einem als Referenzkanal ausgebildeten
Kanal 5, der eine als Referenzsonde 101 ausgebildeten
Meßsonde
zugeordnet ist, schmaler ausgelegt ist, so daß für die Kanäle 5 eine Kohärenzlänge lc und für
den Referenzkanal 5 eine Kohärenzlänge lc' > lc vorliegt.
Die Referenzsonde 101 bleibt in ihrer Ausgestaltung unverändert. Ein
Eingangskanal wird über
Faserkoppler 17 auf ein Anzahl von n als Meßkanäle ausgebildeten Kanälen 5,
die den Meßsonden 102, 103 zugeordnet sind,
aufgeteilt. Der Wegunterschied des Interferometers 102, 103 eines
jeden Meßkanals 5 unterscheidet
sich um mindestens lc gegenüber dem
aller anderen Meßkanäle 5.
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Beim
Meßvorgang
muß jeder
Meßkanal 5 seriell
durch Einstellen der zugeordneten Verzögerung im Modulationsinterferometer
ausgewählt
werden. Um zusätzliche
Interferenzen zwischen unterschiedlichen Meßkanälen 5 zu unterdrücken, müssen sich
die Faserlängen
der einzelnen Kanäle 5 hinter
dem letzten Koppler 17 um mindestens lc zuzüglich der
größten unter
allen Meßkanälen 5 verwendeten
Verzögerungsstrecke
unterscheiden.
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Aufgrund
der Tatsache, daß im
Referenzkanal 101 eine größere Kohärenzlänge lc gewählt wird, liefert
der Referenzkanal 101 für
alle Einstellungen der Verzögerung
im Modulationsinterferometer 60 ein auswertbares Signal.
Damit kann der exakte Wert der eingestellten Verzögerung gleichzeitig
mitgemessen und störende
durch eine unpräzise
Einstellung bedingte Einflüsse
vermieden werden. Der Vorteil dieser weiteren Möglichkeit der Realisierung
einer interferometrischen, optischen Meßeinrichtung mit mehreren Kanälen 5 besteht
darin, daß der
optische Multiplexer nicht parallel, sondern seriell ausgelegt ist.
Aufgrund dieser vorteilhaften zeitlich geregelten Möglichkeit
der Zuordnung bzw. Steuerung der Signale kann ein ansonsten aufwendiger
optischer Multiplexer strukturell einfach ausgebildet sein.
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Analog
zu einem parallelen Multi-Kanal-System zur Bereitstellung von optischen
Ausgangssignalen und zur Zuordnung optischer Meßsignale, wie anhand der beigefügten Zeichnungen
beschrieben, kann auch der serielle optische Multiplexer mit einem frequenzmodulierenden
Verfahren kombiniert werden.
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Neben
der Anwendung der erfindungsgemäßen optischen
Meßeinrichtung
für ein
Weißlicht-Heterodyn-Interferometer-Verfahren, daß zu diesem Zweck
häufig
genutzt wird, sind alternativ weitere interferometrische Verfahren
in Kombination mit einem parallelen Mehrkanalaufbau möglich, wie
bspw. allgemeine Weißlicht-interferometrische
Verfahren, die durch eine Weißlichtquelle
mit kurzer Kohärenzlänge gekennzeichnet
sind und durch die optische Verzögerung 67 (vgl. 1 und 6) im Modulationsinterferometer 60 durchgestimmt
werden. Der Abstand wird dann aus der Position des Korrelogramms
ermittelt. Es ist auch die Anwendung interferometrische Verfahren,
die auf einer Frequenzmodulation der verwendeten Strahlung beruhen,
denkbar. Hierbei wird entweder die Wellenlänge der Strahlungsquelle durchgestimmt
(besonders vorteilhaft bei großer
Anzahl an Meßkanälen) oder
ein schmalbandiger Spektograph wird in Kombination mit einer Weißlichtquelle verwendet.
Der Abstand zwischen optischen Signalen bzw. derer Wellenfronten
wird aus dem Spektrum im k-Raum (Vektorraum) ermittelt.