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    • 专利摘要:
    Einerfindungsgemäßer Messkopf (4)weist die Kombination einer Zonenlinse (26), die vorzugsweise alsdiffraktive Linse ausgebildet ist, mit einer Halbkugellinse (23)oder einer GRIN-Linse auf. Dies ist ein miniaturisierungsfähiges Konzept,das zu sehr schlanken Messköpfen(4) mit hoher numerischer Apertur und infolgedessen bestem Auflösungsvermögen führt. Derartige Messköpfe sindunempfindlich gegen Winkelfehler hinsichtlich der Ausrichtung desMesskopfs gegen die zu messende Fläche oder Schrägstellungder Flächegegen die optische Achse des Messkopfs.
    公开号:DE102004011189A1
    申请号:DE200410011189
    申请日:2004-03-04
    公开日:2005-09-29
    发明作者:Peter Dr. Lehmann；Peter Lücke；Jürgen Dr. Mohr；Carlos Javier Moran-Iglesias；Wolfgang Prof. Dr. Osten；Aiko Ruprecht；Sven Schönfelder
    申请人:Forschungszentrum Karlsruhe GmbH；Carl Mahr Holding GmbH；
    IPC主号:G01B11-02
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft einen optischen Messkopf, der insbesondere zurOberflächenmessungan schwer zugänglichenStellen eingerichtet ist.
    [0002] Inder Oberflächenmesstechnikspielen taktile Sensoren nach wie vor eine große Rolle. Jedoch ist die Messgeschwindigkeitbegrenzt. Außerdem mussauf das Messobjekt eine Messkraft ausgeübt werden, was bei empfindlichenOberflächen,dünnen Folienund dergleichen, zu Schwierigkeiten füh ren kann. Bei beengten Verhältnissenkann die auszuübendeMesskraft außerdemdas Tastelement verformen, wodurch bei ungünstigen Tastergeometrien, z.B.bei der Messung in sehr tiefen Bohrungen, Messunsicherheiten entstehen.
    [0003] OptischeSensoren weisen diese Nachteile nicht auf. Ihre Messgeschwindigkeitist aber letztlich durch die Anzahl der zur Verfügung stehenden Photonen bestimmt.Mit ihnen ist eine kräftefreieAbtastung von Messobjekten möglich.Es ist damit prinzipiell auch die schnelle Erfassung von 3D-Geometrien möglich. Jedochberuhen optische Sensoren auf dem vom Messobjekt reflektierten Licht,wodurch zahlreiche Störeffekteauftreten können.Beispielsweise entstehen an Kanten Beugungseffekte. Die Oberflächenrauheitkann eine störendeSpeckle-Bildung hervorrufen. Auch können Neigungswinkel zwischender Oberflächennormalenim Antastpunkt des Messobjekts und der optischen Achse des Sensorsnur begrenzt toleriert werden.
    [0004] Beispielsweiseist zur Vermessung von Bohrungen von Werkstücken aus der DE 102 56 273 A1 ein optischerLiniensensor bekannt, mit dem die Wandung von Bohrungen auf einerganzen Linie optisch erfasst werden kann. Dazu weist der Liniensensorein Interferometer auf, an das eine optische Platte angeschlossenist. Diese wirkt als Doppelprisma. Das an einer Kante eingestrahlteLicht tritt an einer um 90° versetztenKante aus und wird somit im Wesentlichen senkrecht zur Wandungsoberfläche geleitet.
    [0005] DieserSensor stellt einen Spezialsensor dar, der insbesondere zur Abtastungvon in einer Richtung geraden Flächen,wie beispielsweise Zylinderwandungen, geeignet ist.
    [0006] DesWeiteren ist aus der DE 10161 486 ein konfokaler Liniensensor bekannt, der ein Objektivmit mehreren, dem Werkstückzugewandten Lichtaustrittsfenstern in Form von Fresnellinsen aufweist.Diese Linsen sind an Umlenkprismen ausgebildet, an die eingangsseitigLichtleitfasern angeschlossen sind. Zwischen der jeweiligen Lichtleitfaserund dem Prismeneingang ist ein fokussierendes, optisches Elementangeordnet. Das Prisma bewirkt eine 90°-Lichtumlenkung. Innerhalb desPrismas wird ein paralleler Strahlengang vorausgesetzt. Dieser Sensorerfordert, dass die zu vermessende Werkstückoberfläche rechtwinklig zu den optischenAchsen der ausgangsseitigen Fresnellinsen ausgerichtet ist. Dieserschwert das Vermessen unbekannter Oberflächengeometrien.
    [0007] Davonausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Messkopf zu schaffen,der sowohl zur Vermessung von zylindrischen Bohrungen als auch zurVermessung von schwach kegeligen Bohrungen oder sonstigen schwerzugänglichenStellen von Werkstückeneinsetzbar ist.
    [0008] Dererfindungsgemäße Messkopfzeichnet sich durch ein Objektiv mit großer numerischer Apertur aus.Außerdementhältes einen Spiegel, der das Licht seitlich zu der Längsachseeiner Licht zu- und abführendenLichtleitfaser ein- undaustreten lässt. Zudem Objektiv gehörenzwei fokussierende optische Elemente, die insgesamt eine numerische Apertur > 0,1 aufweisen. Diesegroßenumerische Apertur gestattet nicht nur die Erzielung einer großen optischenAuflösungbei der Vermessung der Werkstückoberfläche. Siemacht die Messung darüberhinaus unempfindlich gegenüberFehlausrichtungen der Werkstückoberfläche in Bezugauf die optische Achse des Objektivs. Kleinere Winkelfehler können toleriert werden,so dass der Messkopf auch die Vermessung von Kegelflächen odersonstigen Oberflächenkonturengestattet.
    [0009] Eshaben sich zwei Bauformen des erfindungsgemäßen Messkopfs als besondersvorteilhaft herausgestellt. Eine erste Familie von Ausführungsbeispielenberuht auf einer halbkugelförmigenoder kugelabschnittsförmigenLinse, die eine verspiegelte Flächeaufweist oder an einer verspiegelten Fläche anliegt und somit sowohldie Lichtumlenkung als auch eine Vorfokussierung des Lichts ermöglicht.Zusätzlichist in dem Lichtweg ein weiteres fokussierendes Element angeordnet.Dieses ist beispielsweise durch ein diffraktives Element in Formeiner Zonenplatte, Zonenlinse, diffraktive Linse oder beugungsoptischeLinse gebildet. Es wird eine diffraktive, d.h. beugungsoptischeLinse, bevorzugt. Diese weist eine hohe chromatische Aberrationauf, die hier gewünschtist.
    [0010] Einezweite Familie von Ausführungsformen beruhtauf der Vorfokussierung des aus einer Lichtleitfaser kommenden Lichtsmittels einer GRIN-Linse (Gradienten-Index-Linse), an die sich einUmlenkspiegel und ein zweites fokussierendes, optisches Element,beispielsweise ein diffraktives Element, anschließt, z.B.eine Zonenplatte, Zonenlinse, diffraktive Linse oder beugungsoptischeLinse. Dieses Element kann auch in den Spiegel integriert sein,so dass dieser dann einen beugungsoptischen, fokussierenden Spiegelbildet. Die Verwendung einer GRIN-Linse ist im Hinblick auf einemikrooptische Realisierung des Objektivs besonders vorteilhaft.Die GRIN-Linse ist durch einen durchsichtigen Zylinder gebildet,dessen Planflächendie Lichtein- und -austrittsflächenbilden. Das Linsenmaterial weist einen sich in Abhängigkeitvom Radius änderndenBrechungsindex auf, wodurch die gewünschten fokussierenden Eigenschaftenerzielt werden. Die Herstellung von GRIN-Linsen ist auch in sehrkleinen Dimensionen mit Linsendurchmessern kleiner als 1 mm mit hoherPräzisionmöglich.
    [0011] Beidengenannten Familien ist gemeinsam, dass das erste fokussierende Elementeine Vorfokussierung des Lichts zu einem konvergenten Lichtbündel vornimmt.Das zweite fokussierende Element fokussiert das Lichtbündel weiter.Es wird dadurch eine hohe numerische Apertur erreicht.
    [0012] DerMesskopf arbeitet vorzugsweise mit nicht monochromatischem Licht,beispielsweise farbigem oder weißem Licht, mit einem wenigstens über einengewissen Frequenzbereich kontinuierlichem Spektrum. Solches Lichtkann beispielsweise von einer Glühlampe,einer Hochdruckentladungslampe oder auch von anderen Lichtquellenstammen. Durch die hohe chromatische Aberration wenigstens einer derbeiden fokussierenden Elemente wird trotz der hohen numerischenApertur eine hohe effektive Tiefenschärfe des Objektivs erreicht.Entlang der optischen Achse sind die Fokuspunkte der unterschiedlichen,im Licht enthaltenen Wellenlängenangeordnet. Der Sensor erfasst durch das Objektiv deshalb Lichtnur der Wellenlänge,in dessen Brennpunkt sich die Objektoberfläche befindet. Die durch dieFaserkern-Stirnflächegebildete Blende blendet die übrigen Wellenlängen aus.Der Messkopf ist vorzugsweise als konfokales Mikroskop ausgebildet.Das aufgenommene Licht wird einer spektralen Analyse unterworfen.Die erfasste Lichtfarbe ist ein Maß für den Abstand des erfasstenOberflächenpunktsvon dem Objektiv.
    [0013] Objektivedes so beschriebenen Aufbaus lassen sich wegen ihrer geringen Abmessungen ohneWeiteres zu einem Li niensensor zusammensetzen. Damit können linienhafteAbschnitte einer Werkstückoberfläche in einemeinfachen kurzen Messvorgang vermessen werden. Der sich ergebendeMesskopf ist schlank, so dass auch schwer zugängliche Werkstückabschnitteleicht vermessen werden können.
    [0014] WeitereEinzelheiten vorteilhafter Ausführungsbeispieleder Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Figurenbeschreibungoder von Ansprüchen.
    [0015] Inder Zeichnung sind Ausführungsbeispiele derErfindung veranschaulicht. Es zeigen:
    [0016] 1 eineMesseinrichtung mit einem erfindungsgemäßen Messkopf bei der Vermessungeines Werkstücksin schematisierter Darstellung,
    [0017] 2 bis 4 Messköpfe mitHalbkugellinse in schematisierter Prinzipdarstellung,
    [0018] 5 bis 7 Messköpfe mitGRIN-Linse in schematisierter Darstellung,
    [0019] 8 einenoptischen Liniensensor bestehend aus mehreren Punktsensoren gemäß einerder 2 bis 4,
    [0020] 9 und 10 weitereAusführungsformender optischen Punktsensoren in schematisierter Darstellung,
    [0021] 11 denPunktsensor nach 9 in perspektivischer Darstellung,
    [0022] 12 denPunktsensor nach 9 und 11 inSeitenansicht und
    [0023] 13 denPunktsensor nach 10 in perspektivischer Ansicht.
    [0024] In 1 isteine Messeinrichtung 1 veranschaulicht, mit der die Oberfläche einesWerkstücks 2,insbesondere auch an sehr schwer zugänglichen Stellen, wie beispielsweiseinnerhalb einer Bohrung 3 zu vermessen ist. Dazu dientein schlanker Messkopf 4, der in die Bohrung 3 eingeführt werdenkann. Der Messkopf 4 beruht auf einem optischen Messprinzip undtastet die Oberflächeder Bohrung 3 optisch an einer punktförmigen Stelle 5 an.Der Messkopf 4 wird übereine nicht weiter veranschaulichte Positioniereinrichtung bewegt.Dazu ist er beispielsweise Teil einer Koordinatenmessmaschine.
    [0025] DerMesskopf 4 ist überein Lichtleitkabel, das wenigstens eine Lichtleitfaser 6 enthält, an eine Messeinheit 7 angeschlossen,zu der eine Lichtquelle 8 und ein Lichtempfänger 9 gehören.
    [0026] DieLichtquelle 8 enthältein breitbandiges, nahezu punktförmigesLeuchtmittel 11, z.B. eine geeignete Glühlampe, sowie einen Reflektor 12,der das Licht auf eine Sammellinse 13 wirft. Es wird somit einim Wesentlichen paralleles Lichtbündel 14 erzeugt, dasletztendlich zur Beleuchtung der Stelle 5 dient. Dazu passiertdas Lichtbündel 14 zunächst einenhalbdurchlässigenSpiegel 15 und wird dann mittels einer weiteren Sammellinse 16 indie Lichtleitfaser 6 des Lichtleitkabels eingekoppelt.Es lässtsich als Lichtquelle auch eine auf einem Halbleiter basierende Lichtquelle,z.B. eine Superluminiszenzdiode verwenden, bei der eine Lichtleitfaserdirekt an die Licht emittierende Fläche des Halbleitermaterialsgekoppelt ist. Der halbdurchlässigeSpiegel 15 kann durch einen Y-Koppler ersetzt werden.
    [0027] Vondem Messkopf 4 aufgenommenes Licht wird über dieLichtleitfaser 6 und die Sammellinse 16 zurück auf denhalbdurchlässigenSpiegel 15 geleitet. Dieser koppelt das Licht als Lichtbündel 17 aus undleitet es zu dem Lichtempfänger 9.
    [0028] DerLichtempfänger 9 enthält eineLinsenanordnung 18, die den Durchmesser des Lichtbündels 17 wesentlichvermindert, so dass ein im Grunde linienhafter Lichtstrahl 19 verbleibt.Dieser wird durch ein Prisma 21 entsprechend seiner Lichtfarbe(Wellenlänge)abgelenkt und fälltauf einen vielzelligen Photodetektor 22 oder einen sonstigenortsempfindlichen Sensor. Die Stelle, an der der abgelenkte Lichtstrahl 19' auftrifft,kennzeichnet die Wellenlängedes Lichts. Die Empfangsfaser kann auch direkt an ein geeignetesSpektrometer gekoppelt werden, bei dem die spektrale Aufspaltungz.B. mittels eines optischen Gitters erfolgt.
    [0029] 2 veranschaulichteine erste Ausführungsformdes Messkopfs 4 in schematischer Darstellung. Der Messkopf 4 enthält einehalbkugelförmigeLinse 23, die von dem divergent aus der Lichtleitfaser 6 austretendenLicht getroffen wird. Die halbkugelförmige Linse 23 weisteine verspiegelte, vorzugsweise plan ausgebildete Fläche 24 auf(oder liegt an einem Spiegel an), die vorzugsweise unter einem Winkelvon 45° zuder Längsrichtungder Lichtleitfaser 6 angeordnet ist. Dies gilt zumindestfür Messköpfe 4 mitrechtwinklig seitlich austretendem Licht. Sind andere Austrittsrichtungengewünscht,kann die Fläche 24 derLinse 23 in einem entsprechend anderen Winkel angeordnetsein.
    [0030] DieLinse 23 ist durch nicht weiter veranschaulichte Befestigungsmittelan einem Träger 25 befestigtund gehal ten. Der Träger 25 kannbeispielsweise aus einem durchsichtigen Kunststoffmaterial ausgebildetsein. Die Stelle, an der das von der Linse 23 reflektierteund vorfokussierte Licht den Träger 25 durchstrahlt,kann in diesen eine Zonenlinse 26 eingearbeitet sein. Dieseist vorzugsweise als beugungsoptisches (diffraktives) Element ausgebildet. Derverwendete Kunststoff weist vorzugsweise eine hohe Brechzahl auf.Die Linse 23 mit ihrer verspiegelten Fläche 24 bildet zusammenmit der Zonenlinse 26 ein Objektiv, das quer zu dem Träger 25 sowiezu der Lichtleitfaser 6 nur eine äußerst geringe Abmessung aufweist.Darüberhinaus weist es insgesamt eine sehr hohe numerische Apertur von >0,1, vorzugsweise >0,3 auf. Es können Wertevon 0,5 und mehr erreicht werden. Die numerische Apertur A berechnet sichzu: A = n·sin σ, wobei σ der halbe Öffnungswinkeldes aus der Linse 23 nebst Fläche 24 und Zonenlinse 26 gebildetenObjektivs 27 und n die Brechzahl des Mediums zwischen demObjektiv und seinem Brennpunkt 28 ist.
    [0031] Diehohe numerische Apertur gestattet die Vermessung von Werkstückoberflächen auchdann, wenn diese nicht unbedingt rechtwinklig zu der optischen Achse 29 desObjektivs 27 ausgerichtet sind.
    [0032] DerMesskopf 4 weist eine hohe chromatische Aberration auf.Diese wird im Wesentlichen durch die Zonenlinse 26 verursacht,die bewusst zur Erzielung einer hohen chromatischen Aberration gestaltetist. Die Brennweite nimmt mit zunehmender Lichtwellenlänge ab (negativelongitudinale chromatische Aberration). Es können jedoch auch brechungsoptischeElemen te (refraktive Linsen) verwendet werden, die eine positivelongitudinale chromatische Aberration aufweisen (die Brennweite nimmtmit der Lichtwellenlängezu).
    [0033] Dieinsoweit beschriebene Messeinrichtung 1 arbeitet wie folgt: DerMesskopf 4 wird zunächstso vor der Werkstückoberfläche positioniert,dass wenigstens einer seiner verschieden farbigen, entlang der Achse 29 angeordnetenBrennpunkte an der Stelle 5 der Werkstückoberfläche liegt. Genau genommen,liegen unendlich viele Brennpunkte entlang eines Abschnitts deroptischen Achse 29 verteilt, wobei sich benachbarte Brennpunktefarblich nur infinitesimal unterscheiden. Die Lichtquelle 8 koppeltnun überdie Lichtleitfaser 6 Licht in den Messkopf 4 ein,um die Stelle 5 zu beleuchten. Dabei liegt die Werkstückoberfläche an einerStelle der optischen Achse 29, die dem Brennpunkt einerbestimmten Lichtwellenlängeentspricht. Das reflektierte Licht wird von dem Objektiv 27 wiederaufgenommen. Durch die nahezu punktförmige Stirnfläche derLichtleitfaser wird aus dem reflektierten, aufgenommenen Licht nurdas Licht des Brennpunkts aufgenommen und zu dem Lichtempfänger 9 geleitet.Der Lichtempfänger 9 nimmteine spektrale Analyse vor. Der Photodetektor 22 erzeugtan einer Ausgangsleitung 31 ein Ausgangssignal, das die empfangeneLichtwellenlängekennzeichnet. Aus dieser kann auf den Abstand zwischen dem Objektiv 27 bzw.zwischen den Messkopf 4 und der Werkstückoberfläche geschlossen werden.
    [0034] DieMöglichkeitder Erzielung einer hohen numerischen Apertur ergibt sich bei demObjektiv 27 nach 2 durch dieVerwendung der halbkugelförmigenLinse 23 in Verbindung mit der Zonenlinse 26.
    [0035] Eineabgewandelte Ausführungsformdes erfindungsgemäßen Objektivs 27 istin 3 veranschaulicht. Wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielist der Lichtweg gestrichelt eingetragen. Jedoch ist die Zonenlinse 26 vorder Linse 23, d.h. zwischen der Linse 23 und demLichtaus- und -eintritt der Lichtleitfaser 6 angeordnet.Es ergibt sich wiederum ein Objektiv 27 mit großer numerischerApertur, d.h. großem Öffnungswinkel2σ des Objektivs 27.Die Zonenlinse 26 kann wiederum an einem Kunststoffträger ausgebildetsein, der mit einem Fortsatz 32 in den Lichtweg ragt.
    [0036] Wie 4 veranschaulicht,ist es auch möglich,die Linse 23 und die Zonenlinse 26 miteinander zuvereinigen. Die halbkugelförmigeoder auch kugelabschnittsförmigeLinse 23 ist dazu an ihrer spiegelnden Fläche 24,die vorzugsweise als Planflächeausgebildet ist, mit einer Zonenstruktur 26a versehen, dieeine hohe chromatische Aberration verursacht. Die Linse 23 liefertein Objektiv mit kurzer Brennweite und hoher numerischer Apertur.
    [0037] Allenvorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielenist gemeinsam, dass sie als wesentliches Element die kugelabschnittsförmige oderhalbkugelförmigeLinse 23 nutzen. Solche Linsen lassen sich mit rationellenFertigungsverfahren mit äußerst kleinenAbmessungen in hoher Präzisionfertigen, was eine Miniaturisierung des beschriebenen Messkopfs 4 ermöglicht.
    [0038] Die 5 bis 7 veranschaulichenandere, ebenfalls miniaturisierungsfreundlich gestaltete Ausführungsformendes Messkopfs 4. Es wird zunächst auf 5 verwiesen.Bei dieser ist auf dem Träger 25 eineGRIN-Linse 33 angeordnet. Die GRIN-Linse ist eine Linsezylindrischer Grundform, bei der sich der Brechungsindex ausgehendvon der zentralen optischen Achse radial nach außen hin verändert, so dass ein Fokussierungseffekterreicht wird. Die Lichtleitfaser 6 wirft das Licht aufeine plane Stirnflächeder GRIN-Linse 33. Dieser folgend ist an der gegenüber liegendenSeite ein Spiegel 34 angeordnet, der das vorgebündelte Lichtseitlich durch den Träger 25 nachaußenwirft. An dem Träger 25 istdie diffraktive Struktur in Form der Zonenlinse 26 ausgebildet,wodurch in unmittelbarer Näheder Werkstückoberfläche eingroßer Öffnungswinkel2σ erzieltwird. Dieser ist vorzugsweise größer als35°, d.h.NA > 0,3.
    [0039] Wie 6 veranschaulicht,kann an Stelle des Spiegels 34 auch ein Prisma 35 vorgesehenwerden, das eine verspiegelte Basisfläche 36 aufweist. Dierechtwinklig zueinander stehenden Seiten bilden den Lichtein- und-auslass. Es ist wiederum am Lichtauslass eine Zonenlinse 26 vorgesehen,um den großen Öffnungswinkel2σ zu erzielen.
    [0040] 7 veranschaulichteine weitere Ausführungsformder Erfindung, bei der die GRIN-Linse 33 mit einem diffraktivemReflektor 36 kombiniert ist. Im Lichtweg ist im Anschlussan die Lichtleitfaser 6 die GRIN-Linse 33 angeordnet.Der nachfolgend angeordnete diffraktive Reflektor 36 erzeugteinerseits die gewünschtehohe chromatische Aberration und andererseits zugleich die seitlicheAblenkung des Lichts und die kurze Brennweite des Objektivs 27,die sich in dem großen Öffnungswinkel2σ dokumentiert.Sowohl die GRIN-Linse 33 als auch der diffraktive Reflektor 36 sind miniaturisierungsfreundlicheBauelemente, so dass das Objektiv 27 äußerst klein aufgebaut werdenkann.
    [0041] 8 veranschaulichtein Beispiel füreinen Liniensensor 37, der durch eine Folge von Punktsensorengebildet ist. Die Punktsensoren können nach einem der vorstehendbeschriebenen Ausführungsbeispieleausgebildet sein. In dem in 8 veranschaulichtenBeispiel dient der Sensor gemäß 2 alsGrundlage. Das Lichtleitkabel enthält hier mehrere Lichtleitfasernund zwar eine fürjeden Messpunkt. Entsprechend ist auch jede Faser an einen eigenen, nichtweiter veranschaulichten Lichtempfänger entsprechend dem Lichtempfänger 9 nach 1 angeschlossen.Jeder Lichtleitfaser ist jeweils eine Halbkugellinse 23 (23a bis 23j)zugeordnet, wobei die geometrischen Verhältnisse entsprechend 2 eingerichtetsind. Unterhalb der schrägangeordneten Linsen 23a bis 23j sind in dem Träger 25 dieZonenlinsen 26 angeordnet, die in 8 durchdie Linsen 23a bis 23j verdeckt sind. Die Linsen 23a bis 23j leitensomit das Licht senkrecht zur Zeichenebene nach unten, so dass dieoptischen Achsen der so gebildeten Einzelobjektive parallel undim Abstand zueinander senkrecht in die Zeichenebene hineingehen.
    [0042] Einsolcher Liniensensor 37 kann in dem Messkopf 4 gemäß 1 angeordnetwerden, um dann einen größeren linienhaftenAbschnitt der Wandung der Bohrung 3 zu erfassen. Aufgrundder geringen Abmessungen der Einzelsensoren bzw. Einzelobjektivekönnendiese sehr dicht aneinander heranrücken und es kann ein Messkopf 4 geschaffenwerden, der einen Durchmesser von beispielsweise kaum mehr als 2mm aufweist. Es ist somit die Untersuchung von Werkstücken unddie Ver messung derselben auch unter sehr beengten Bedingungen möglich.
    [0043] DieErfindung wendet bei einem Abstandssensor das konfokal-chromatischeMessprinzip so an, dass bei minimalem Messkopfdurchmesser eine Winkelumlenkungdes zur Messung verwendeten Lichts mit einer großen numerischen Apertur kombiniertund eine Longitudinalauflösungim Submikrometerbereich erreicht wird. Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Lösung liegtdarin, dass das aus einer axial angeordneten Faser divergent austretendeLicht in mindestens zwei aufeinander folgenden Schritten kollimiertund fokussiert wird, wobei nach der Teilkollimation, nach der vollständigen Kollimationoder nach der vollständigenKollimation einschließlicheiner Vorfokussierung eine Winkelumlenkung in die gewünschte Messrichtungerfolgt, wobei die endgültigeFokussierung entweder der Winkelumlenkung nachgeordnet ist oderzusammen mit der Winkelumlenkung bezogen wird. Die Abstandsmessungberuht auf der Wellenlängenaufspaltungdes Fokuspunkts entlang der optischen Achse und der spektralen Analysedes in die Faser zurückgekoppelten Lichts. Die gewünschtespektrale Aufspaltung kann durch eine Kombination von achromatischen Elementenoder Elementen mit positiver longitudinaler chromatischen Aberrationsowie Elementen mit negativer longitudinaler chromatischer Aberrationerreicht werden. Solche Elemente sind beispielsweise refraktiveLinsen und diffraktive Linsen. Die erforderlichen optischen Elementekönnenganz oder teilweise mikrooptisch ausgeführt werden. Die letzte Fokussierungerfolgt vorzugsweise mittels eines in einem Trägersubstrat eingeschriebenendiffraktiven Elements. Dieses Element kann aus einem Polymer ausgebildetsein und Haltestrukturen fürdie Lichtleitfaser und/oder die optischen Elemente (Linsen und Spiegel)aufweisen. Es können auchmehrere punktförmigmessende Sensoren zu einem linienförmig messenden Sensor kombiniertwerden.
    [0044] Vorzugsweiseerfolgt die Kollimation, die Vorfokussierung und die Winkelumlenkungdurch eine schräggestellte Halbkugellinse 23 mit verspiegelter Planfläche 24,die vor einem fokussierenden diffraktivem Element 26 angeordnetist. Alternativ und ebenfalls miniaturisierungsfähig kann eine GRIN-Linse odereine andere refraktive Linse zur Kollimation und Vorfokussierungvor einem Planspiegel angewendet werden. Der Planspiegel dient der Winkelumlenkung.Ihm ist ein fokussierendes diffraktives Element nachgeordnet. Alternativkann das diffraktive Element in den Spiegel integriert sein.
    [0045] Eskann auch vorgesehen werden, zuerst eine Vorkollimation durch eindiffraktives Element 26 vorzunehmen, das vor einer schräg gestelltenHalbkugellinse mit verspiegelter Planfläche angeordnet ist, die zurKollimation, Vorfokussierung, Winkelumlenkung und Fokussierung dient.Weiter ist es möglich,zuerst eine Kollimation und ggf. Vorfokussierung durch eine GRIN-Linseoder eine andere refraktive Linse vorzunehmen, wobei die nachfolgendeWinkelumlenkung mittels eines Prismas realisiert wird, bei dem zurFokussierung die dem Objekt zugewandte Fläche oder die spiegelnde Planfläche miteiner diffraktiven Struktur versehen wird.
    [0046] Die 9 und 10 zeigenderzeit bevorzugte Ausführungsformeneiner Realisierung des erfindungsgemäßen Sensors. Bei der Ausführungsformgemäß 9 istdie Linse 23 an ihrer Fläche 24 verspiegelt.Sie ist knapp oberhalb des Trägers 25 gehaltenoder mit diesem verbunden. An dem Träger 25 ist eine Zonenlinse 26,beispielsweise in Form eines diffraktiven Elements, ausgebildet.Die Linse 23 wirkt als re fraktives Element. Die praktischeAusführungsformdieses Punktsensors ist in den 11 und 12 veranschaulicht.Der Träger 25 istbeispielsweise aus Quarzglas ausgebildet. Die Linse 23 ist zwischenzwei Halteelementen 38, 39 lagerichtig gehalten.Das Halteelement 38 ist etwa Y-förmig ausgebildet und mit demTräger 25 verbunden.Beispielsweise ist es mit diesem verklebt. Das Halteelement 39 weisteine an der Fläche 24 anliegendePlanfläche aufund bestimmt somit die Ausrichtung der Linse 23. Dieseschwebt überdem Träger 25 oderberührtdiesen in einem Punkt. Das Halteelement 39 sitzt auf einemHaltestück 41,das beispielsweise mit dem Träger 25 verklebtoder sonstwie verbunden ist.
    [0047] Ineinigem Abstand zu der Linse 23 ist die Lichtleitfaser 6 gehalten.Dazu dient ein Halteblock 42, der auf den Träger 25 aufgesetztist. Beispielsweise ist er durch Haltestrukturen 43, 44 formschlüssig gehalten,die an oder auf dem Träger 25 ausgebildetsind.
    [0048] Beider Ausführungsformnach 10 ist anstelle der Linse 23 die Kombinationeiner GRIN-Linse 33 mit einem nachgeordneten Spiegel 34 vorgesehen.Die GRIN-Linse 33 kann direkt an dem Träger 25 befestigt sein.Der Träger 25 kannaußerdemeine Haltestruktur aufweisen, die den Spiegel 34 trägt. Vorzugsweiseist der Träger 25 auseinem Kunststoff oder Quarzglas oder einem ähnlichen Material ausgebildet.Bevorzugt wird ein 0,3 mm dickes Quarzglassubstrat, an dem die nötigen diffraktivenStrukturen zur Ausbildung der Zonenlinse 26 und Haltestrukturenausgebildet werden können.Die praktische Ausführungdes Punktsensors nach 10 ist in 13 perspektivischveranschaulicht. Die GRIN-Linse 33 ist zwischen beidseitsihrer Mantelflächeangeordneten Haltestrukturen 45 gelagert, die an den Träger 25 angeformt oderan diesem befestigt sind. Zwischen den Haltestrukturen 45,die die GRIN-Linse 33 halten, und einer Haltestruktur 46,die an den Träger 25 angeformt,aus diesem ausgearbeitet oder sonstwie mit diesem verbunden ist,ist ein Spiegelelement 47 gehalten, das der GRIN-Linse 33 eineSchrägfläche zuwendet.Es kann von der GRIN-Linse 33 beabstandet sein oder dieseetwas übergreifenund somit am Ort fixieren. Die der GRIN-Linse zugewandte Planfläche istverspiegelt und bildet somit den Spiegel 34, wie er aus 10 ersichtlichist.
    [0049] DieLichtleitfaser 6 ist in dem Halteblock 42 wiebei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gehalten.Insoweit wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
    [0050] Beiden Ausführungsbeispielengemäß 11 bis 13 handeltes sich um prozesssicher und technologisch sehr einfach herzustellende Punktsensoren,die eine hohe Erfassungsgenauigkeit ermöglichen.
    [0051] Eskann auch zuerst eine Kollimation und ggf. eine Vorfokussierungdurch eine GRIN-Linse oder eine andere diffraktive Linse vorgenommenwerden, wobei die nachfolgende Winkelumlenkung mittels eines schräg gestelltenSpiegels realisiert wird, bei dem zur Fokussierung die spiegelndePlanfläche miteiner diffraktiven Struktur versehen ist. Die Kollimation kann auchdurch eine erste Grenzflächeeiner schräggestellten Halbkugellinse erfolgen, wobei die Winkelumlenkung durchdie spiegelnde Planflächein die eine diffraktive Struktur eingeschrieben ist und die endgültige Fokussierungdurch die zweite Grenzflächeder schräggestellten Halbkugellinse erreicht wird.
    [0052] Einerfindungsgemäßer Messkopf 4 weistdie Kombination einer Zonenlinse 26, die vorzugsweise alsdiffraktive Linse ausgebildet ist, mit einer Halbkugellinse 23 odereiner GRIN-Linse 33 auf. Dies ist ein miniaturisierungsfähiges Konzept,das zu sehr schlanken Messköpfen 4 mithoher numerischer Apertur und in Folge dessen bestem Auflösungsvermögen führt. DerartigeMessköpfesind unempfindlich gegen Winkelfehler hinsichtlich der Ausrichtung desMesskopfs gegen die zu messende Fläche oder Schrägstellungder Flächegegen die optische Achse des Messkopfs.
    权利要求:
    Claims (17)
    [1] Messkopf (4) zur optischen Vermessungvon Gegenständen(2), mit einer Lichtquelle (8), die Lichtmit unterschiedlichen spektralen Anteilen aufweist, mit einemLichtempfänger(9), der von dem Gegenstand (2) reflektiertesLicht aufnimmt und hinsichtlich seiner spektralen Zusammensetzunganalysiert, mit wenigstens einem Lichtleiter (6),der die Lichtquelle (8) mit wenigstens einem Objektiv (4)verbindet, dessen Durchmesser geringer als 5 mm ist, wobeizu dem Objektiv: a. ein Spiegel (24), der das vondem Lichtleiter (6) gelieferte Licht in eine Richtung querzu dem Lichtleiter (6) ablenkt, b. wenigstens einerstes fokussierendes Element (23, 33), das vonder Lichtquelle (8) aus gesehen vor dem Spiegel (24)angeordnet ist, c. ein zweites Element (26, 36)mit chromatischer Aberration gehören,das in dem Lichtweg des Objektives mit dem ersten Element hintereinanderund hinter dem Spiegel (24) angeordnet oder in diesen integriertist, wobei das Objektiv (4) insgesamt eine numerische Apertur(NA) größer gleich0,1 aufweist.
    [2] Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass wenigstens zwei der drei Elemente (24, 23, 26, 36)des Objektivs gemäß der Punktea, b, c des Anspruchs 1 zu einer Funktionseinheit kombiniert sind.
    [3] Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Messkopf ein mikrooptischer Messkopf in Hybridausführung ist,bei dem wenigstens ein optisches Element (24, 23, 26, 36)in einem Träger(25) ausgebildet ist, an dem Haltestrukturen zur Befestigungwenigstens eines der übrigenoptischen Elemente ausgebildet sind.
    [4] Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das zweite Element (26, 36) ein fokussierendesdiffraktives Element ist.
    [5] Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das zweite Element (26, 36) eine fokussierendeZonenlinse ist.
    [6] Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das erste fokussierende Element (23, 33)ein refraktives Element ist.
    [7] Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das erste fokussierende Element (23, 33)eine Sammellinse ist.
    [8] Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das erste fokussierende Element (23, 33)eine GRIN-Linse ist.
    [9] Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das erste fokussierende Element (23, 33)eine Halbkugellinse ist.
    [10] Messkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,dass der Spiegel (24) durch eine an der Halbkugellinseausgebildete Fläche(24) gebildet ist.
    [11] Messkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,dass die Fläche(24) eine Planfläche ist.
    [12] Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Objektiv (4) eine numerische Apertur von größer als0,3 aufweist.
    [13] Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Objektiv (4) eine numerische Apertur von 0,5 odergrößer aufweist.
    [14] Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Messkopf (4) auf einem Träger (25) aufgebautist, der den Lichtleiter (6) und die optischen Elemente(23, 33, 26, 26) relativ zueinander starrhält.
    [15] Messkopf nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,dass der Träger(25) aus einem durchsichtigen Material ausgebildet ist,an dem das zweite optische Element (26, 36) ausgebildetist.
    [16] Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Messkopf (4) als Teil eines konfokalen Mikroskopsausgebildet ist.
    [17] Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass mehrere Lichtleiter (6) und mehrere angeschlosseneObjektive (4) vorgesehen sind.
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    JP2007526468A|2007-09-13|
    WO2005085750A1|2005-09-15|
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    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
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