DE10057539A1 - Interferometrische Messvorrichtung - Google Patents
Interferometrische MessvorrichtungInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Messvorrichtung zum Messen von Oberflächenkenngrößen, Formen, Abständen und Abstandsänderungen, z. B. Schwingungen, insbesondere in engen Hohlräumen, von Messobjekten (5) mit einem Sondenteil (2) und mit einer optischen Faser. Eine Oberflächenvermessung auch in sehr feinen Bohrungen wird dadurch ermöglicht, dass die optische Faser in einem Messkopf (2.3) an dem das Messobjekt (5) anfahrenden freien Ende des Sondenteils (2) vorsteht und selbst als Messfaser (2.4) zum Beleuchten einer Messstelle und Aufnehmen von von dieser kommendem Messlicht (4) ausgebildet ist (Fig.).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Interferometrische Messvorrichtung zum
Messen von Oberflächenkenngrößen, Formen, Abständen und Abstandsänderun
gen, z. B. Schwingungen, insbesondere in engen Hohlräumen, von Messobjekten
mit einem Sondenteil und mit einer optischen Faser.
Eine derartige interferometrische Messvorrichtung ist in der DE 198 08 273 A1
als bekannt ausgewiesen. Bei dieser bekannten Messvorrichtung wird in dem
interferometrischen Messsystem mittels Kohärenz-Multiplex das optische System
der Messvorrichtung auf zwei Subsysteme aufgeteilt, nämlich ein so bezeich
netes Modulations-Interferometer und einen Sondenteil. Der Sondenteil ist auf
diese Weise gut handhabbar und weist einen Messkopf auf, mit dem auch Mes
sungen in relativ langen, engen Bohrungen möglich sind. Die Messvorrichtung ist
für eine Mehrwellenlängeninterferometrie ausgelegt, so dass eine Messbereicherweiterung
erzielt wird. Es gibt allerdings so eng dimensionierte Bohrungen, dass
auch ein derartiger Messkopf nicht mehr eingesetzt werden kann.
Bei einer in der DE 198 19 762 A1 gezeigten weiteren interferometrischen
Messvorrichtung dieser Art sind verschiedene raumsparende Messsonden für
das Messsystem vorgeschlagen.
Die EP 0 126 475 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungs
freien Messen der Ist-Positionen und/oder des Profils rauher Oberflächen, das
auf dem Konzept eines Mehrwellenlängen-Heterodyn-Interferometers basiert und
als Lichtquelle ein oder mehrere Laser beinhaltet. Die Heterodyntechnik ermög
licht es, auf der Grundlage der Phasenauswertung Messfehler weitgehend zu un
terdrücken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine interferometrische Messvor
richtung der eingangs angegebenen Art bereit zu stellen, mit der Messungen
auch in noch engeren Hohlräumen, z. B. unterhalb von einem Millimeter, wie sie
bei Einspritzdüsen vorkommen, möglichst genau durchführen zu können.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach ist
vorgesehen, dass die optische Faser in einem Messkopf an dem das Messobjekt
anfahrenden freien Ende des Sondenteils vorsteht und selbst als Messfaser zum
Beleuchten einer Messstelle und Aufnehmen von von dieser kommendem Mess
licht ausgebildet ist. Die Messfaser, deren Durchmesser z. B. im Bereich von
kleiner 100 µm liegt, kann mit ihrem freien Ende in sehr dünne Bohrungen
eingefahren werden und den zu messenden Oberflächenbereich beleuchten und
von dort Licht empfangen, um es zu einer an sich bekannten, insbesondere nach
dem Prinzip der Phasenauswertung, arbeitenden Auswerteeinrichtung weiter zu
leiten.
Für eine genaue Beleuchtung und Erfassung des Messlichts sind dabei die
Maßnahmen vorteilhaft, dass der freie Endbereich der Messfaser zum Beleuchten
einer Messstelle und Aufnehmen des Messlichts entsprechend der Messaufgabe
ausgebildet ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen zum Erzielen eines genauen Messergeb
nisses bestehen darin, dass der freie Endbereich poliert, mit einer Blende
versehen, als Linse oder Prisma ausgebildet, gegen störendes Reflexlicht be
handelt, abgeschrägt, verspiegelt, entspiegelt oder mit einer Kombination dieser
Maßnahmen versehen ist.
Eine feine Bearbeitung des Endbereichs der Messfaser ergibt sich dadurch, dass
der freie Endbereich zur Strahlformung oder Strahllenkung mit einem Klebetrop
fen versehen und/oder aufgerauht ist.
Eine weitere vorteilhafte Maßnahme für die Lichtleitung und Auswertung besteht
darin, dass die Messfaser eine monomode Faser ist.
Verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich dadurch, dass der Auf
bau des Interferometers einem klassischen Interferometer, einem Weißlichtinter
ferometer oder einem Heterodyninterferometer entspricht. Bei der Weißlichtin
terferometrie wird eine kurzkohärente, breitbandige Lichtquelle, z. B. eine
Superlumineszenzdiode oder ähnliche Lichtquelle verwendet und das Maximum
des Interferenzkontrasts ausgewertet, wie an sich bekannt.
Interferometer der genannten Art sind im übrigen in den eingangs genannten
Druckschriften näher beschrieben. Klassische Interferometer sind an sich
ebenfalls weit verbreitet.
Eine Messbereicherweiterung, d. h. eine Vergrößerung des Eindeutigkeitsbereichs
wird vorteilhaft z. B. dadurch erzielt, dass das Interferometer zur Erweiterung des
Messbereichs als Mehrwellenlängeninterferometer ausgebildet ist. Zur Vorge
hensweise im Einzelnen sei ebenfalls auf den eingangs erwähnten Stand der
Technik verwiesen.
Ist vorgesehen, dass der Messfaser in dem Sondenteil ein Faserstück vorge
schaltet ist und dass die Trennfläche zwischen dem Faserstück und der Mess
faser als Strahlteiler-Fläche zum Bilden einer reflektierten Referenzwelle und
einer durchgelassenen Messwelle ausgenutzt ist, so sind die Messfasern leicht
auswechselbar und der Messkopf für unterschiedliche Messaufgaben ausrüstbar.
Gleichzeitig wird die Trennfläche günstig ausgenutzt für den interferometrischen
Aufbau, so daß z. B. keine zusätzliche reflektierende Fläche für den Referenz
strahl erforderlich ist. Für einen einfachen Aufbau ist dabei die Massnahme
vorteilhaft, dass die Verbindung zwischen der Messfaser und dem Faserstück
als Faserstecker ausgebildet ist.
Für eine einfache Handhabung der Messvorrichtung ist des Weiteren eine Ausge
staltung vorteilhaft, bei der vorgesehen ist, dass zum Beleuchten eine kurzkohärente
Lichtquelle in einem von dem Sondenteil entfernten und mit diesem über
eine Lichtleitfaser verbundenen Modulationsinterferometer oder in dem Sonden
teil angeordnet ist, das dann über eine Lichtleitfaser mit einem entfernten
Demodulationsinterferometer verbunden ist, und dass die Kohärenzlänge der
Lichtquelle kürzer ist als eine halbe Differenz eines Lichtweges einer Refe
renzwelle und eines Lichtwegs einer Messwelle.
Bei Aufteilung in Sondenteil und Demodulationsinterferometer ist dabei ein
Aufbau in der Weise günstig, dass das Licht der Lichtquelle über eine weitere
Lichtleitfaser und über einen Faser-Strahlteiler in das Faserstück geführt und aus
diesem nach Beleuchten der Messstelle in die Lichtleitfaser geführt wird.
Ist des Weiteren vorgesehen, dass der Sondenteil einen feststehenden Sonden
teil und einen in diesem drehbar gelagerten rotierbaren Sondenteil mit dem
Messkopf aufweist, so kann auf einfache Weise eine Rundummessung durchge
führt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug
nahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt eine interferometrische Messvorrichtung 1 mit einem Sondenteil
2 und einem davon entfernten, über eine Lichtleitfaser 2.7" angeschlossenen
Demodulationsinterferometer. Der Sondenteil weist einen feststehenden Sonden
teil 2.1 und einen daran drehbar gelagerten rotierbaren Sondenteil 2.2 auf, der
an seinem vorderen, einem Messobjekt 5 zugekehrten Bereich als Messkopf 2.3
ausgebildet ist.
Der Messkopf 2.3 ist an seinem in eine enge Bohrung des Messobjekts 5 ein
führbaren Endbereich mit einer dünnen, als Messfaser 2.4 ausgebildeten Licht
leitfaser versehen, die z. B. einen Durchmesser von 125 µm aufweist und mittels
einer Faserkupplung 2.32 mit einem Faserstück 2.7' des Sondenteils 2 gekop
pelt ist. Wie in der Detaildarstellung Z genauer ersichtlich, ergibt sich an der
Koppelstelle zwischen der Messfaser 2.4 und dem Faserstück 2.7' eine Trenn
fläche, die als Strahlteiler-Fläche 2.31 ausgebildet ist, und zum Erzeugen einer
daran reflektierten Referenzwelle und einer durchgehenden Messwelle genutzt
wird.
Der freie Endbereich der Messfaser 2.4 ist, wie aus der Detaildarstellung Z1
ersichtlich, als Endstück 2.5 zum Beleuchten einer Messstelle des Messobjektes
5 und Aufnehmen von reflektiertem Messlicht 4 ausgebildet, und zwar vorlie
gend abgeschrägt und verspiegelt. Wie einleitend erwähnt, kommen jedoch auch
andere Maßnahmen zur Gestaltung des Endstücks 2.5 und Anpassung an unter
schiedliche Messaufgaben in Frage.
In dem Sondenteil 2 ist des Weiteren eine kurzkohärente Lichtquelle 2.6 ange
ordnet, mit der ein Kohärenz-Multiplex erzielt wird, um eine störungsfreie
Übertragung der Messwelle und der Referenzwelle zwischen dem Sondenteil 2
und dem Demodulations-Interferometer 3 zu erzielen. Das Licht der kurzkohären
ten Lichtquelle 2.6, wie z. B. einer Superlumineszenzdiode, wird über eine
weitere Lichtleitfaser 2.7 geführt und mittels eines Faser-Strahlteilers 2.8 in das
Faserstück 2.7' und von dort in die Messfaser 2.4 geleitet. Das von der Mess
stelle zurück kommende Licht durchläuft wiederum den Faser-Strahlteiler 2.8
und wird von dort in die weitere Lichtleitfaser 2.7" über einen optischen Koppler
2.9 im Bereich der Drehlagerung und weiteren optischen Elementen in Form von
GRIN (Graduate-Index)-Linsen 2.91 geführt.
Das Demodulations-Interferometer umfaßt, ähnlich wie die Modulationsinterfero
meter in den eingangs genannten Druckschriften, ein Verzögerungselement 3.1,
Modulatoren 3.1, 3.2', z. B. akustooptische Modulatoren, ein Spektralelement
3.3, eine Photodetektoranordnung 3.4 und Lichtlenkelemente 3.5, 3.5'.
Das Licht der kurzkohärenten Lichtquelle 2.6 wird in die vorzugsweise mono
mode Lichtleitfaser 2.7 eingekoppelt und gelangt über den Faser-Strahlteiler 2.8
zu der Strahlteiler-Fläche 2.31, in der es in die Messwelle und die Referenzwelle
aufgeteilt wird. Die Referenzwelle wird zurück in das Faserstück 2.7' einge
koppelt und über den optischen Koppler 2.9 in das Demodulations-Interferometer
3 geführt. Die Messwelle wird auf der Messfaser 2.4, deren Ende unter einem
Winkel von z. B. 45° Grad geschliffen und verspiegelt ist, ausgekoppelt und
beleuchtet die zu vermessende Innenwand einer kleinen Bohrung mit einem
Durchmesser von z. B. 200 µm, wobei die Messfaser 2.4 einen Durchmesser von
z. B. 125 µm hat. Das von der Wand reflektierte Messlicht 4 wird über die
Messfaser 2.4, den Faser-Strahlteiler 2.8 und dem optischen Koppler 2.9 in das
Demodulations-Interferometer 3 eingekoppelt und mit der Referenzwelle über
lagert. Die beiden Wellen können dabei nicht interferieren, da die Kohärenzlänge
der Lichtquelle 2.6 kürzer als die Hälfte des optischen Weges in der Messfaser
ist.
Das Demodulations-Interferometer 3 ist z. B. nach dem Prinzip eines Mach-
Zehnder-Interferometers aufgebaut. In dem Demodulations-Interferometer wird
das Licht auf zwei Strahlen aufgeteilt. In einem Arm des Demodulations-
Interferometers wird das Verzögerungselement 1, z. B. eine planparallele Glas
platte, eingesetzt, das die Differenz der optischen Wege beider Teilstrahlen, die
im Messkopf 2.3 erzwungen wurde, zurücksetzt. Die beiden Lichtstrahlen wer
den mit Hilfe der Modulatoren 2 gegenseitig in der Frequenz verschoben. Die
Frequenzdifferenz beträgt z. B. einige kHz. Die beiden interferenzfähigen Teil
strahlen werden in dem Strahlteiler 3.5 überlagert, ausgekoppelt, mit Hilfe des
Spektralelements 3.3, z. B. einem Gitter oder Prisma oder Filter, in mehrere Far
ben (Wellenlängen: λ1, λ2, . . . . λn) zerlegt und auf die Photodetektoranordnung
4 fokusiert. Jeder Photodetektor liefert ein elektrisches Signal mit der durch die
Modulatoren 2 erzeugten Differenzfrequenz und einer Phase Δϕ, die mit der
Messgröße ΔL (Abstand zum Messobjekt 5) und der zugehörigen Wellenlänge λv
zusammenhängt: Δϕ = (2.π/λn).ΔL.
Durch die Vermessung der Phasendifferenzen der Signale mehrerer Detektoren
(Mehrwellenlängen-Hetrodyn-Interferometrie) läßt sich der Abstand ΔL zur In
nenwand der Bohrung, der größer als einzelne Lichtwellen sein darf, eindeutig
bestimmen.
Die Informationsübertragung vom rotierenden Sondenteils 2.2 zum feststehen
den Sondenteil 2.1 wird über den optischen Koppler 2.9 durchgeführt. Der op
tische Koppler 2.9 kann in Form der zwei gezeigten, an die Faserenden angekop
pelten GRIN-Linsen 2.91 ausgeführt werden. Da der optische Koppler 2.9 sich
im Lichtweg nach dem Faser-Strahlteiler 2.8 befindet, stören eventuelle kleine
Verkippungen oder Verschiebungen beider Sondenteile 2.1, 2.2 während der
Drehung nicht.
Die eigentliche Messsonde der Messfaser 2.4 ist ein sehr empfindlicher Teil
(dünne Faser) und wird auch deswegen als leicht auswechselbares Element in
Form eines Steckers (Faserkupplung 2.32) an den rotierbaren Sondenteil 2.2
montiert.
Claims (12)
1. Interferometrische Messvorrichtung zum Messen von Oberflächenkenn
größen, Formen, Abständen, Abstandsänderungen, und Schwingungen,
insbesondere in engen Hohlräumen, von Messobjekten (5) mit einem
Sondenteil (2) und mit einer optischen Faser,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optische Faser in einem Messkopf (2.3) an dem das Messobjekt
(5) anfahrenden freien Ende des Sondenteils (2) vorsteht und selbst als
Messfaser (2.4) zum Beleuchten einer Messstelle und Aufnehmen von von
dieser kommendem Messlicht (4) ausgebildet ist.
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der freie Endbereich der Messfaser (2.4) zum Beleuchten einer Mess
stelle und Aufnehmen des Messlichts (4) entsprechend der Messaufgabe
ausgebildet ist.
3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der freie Endbereich poliert, mit einer Blende versehen, als Linse
oder Prisma ausgebildet, gegen störendes Reflexlicht behandelt, abge
schrägt, verspiegelt, entspiegelt oder mit einer Kombination dieser
Maßnahmen versehen ist.
4. Messvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der freie Endbereich zur Strahlformung oder Strahllenkung mit einem
Klebetropfen versehen und/oder aufgerauht ist.
5. Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messfaser (2.4) eine monomode Faser ist.
6. Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Aufbau des Interferometers einem klassischen Interferometer,
einem Weißlichtinterferometer oder einem Heterodyninterferometer ent
spricht.
7. Messvorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Interferometer zur Erweiterung des Messbereichs als Mehrwel
lenlängeninterferometer ausgebildet ist.
8. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Messfaser (2.4) in dem Sondenteil (2) ein Faserstück (2.7) vorgeschaltet ist und
dass die Trennfläche zwischen dem Faserstück (2.7) und der Messfaser (2.4) als Strahlteiler-Fläche zum Bilden einer reflektierten Referenzwelle und einer durchgelassenen Messwelle ausgenutzt ist.
dass der Messfaser (2.4) in dem Sondenteil (2) ein Faserstück (2.7) vorgeschaltet ist und
dass die Trennfläche zwischen dem Faserstück (2.7) und der Messfaser (2.4) als Strahlteiler-Fläche zum Bilden einer reflektierten Referenzwelle und einer durchgelassenen Messwelle ausgenutzt ist.
9. Messvorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verbindung zwischen der Messfaser (2.4) und dem Faserstück
(2.7) als Faserstecker (2.32) ausgebildet ist.
10. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet
dass zum Beleuchten eine kurzkohärente Lichtquelle (2.6) in einem von dem Sondenteil (2) entfernten und über eine Lichtleitfaser (2.7) ver bundenen Modulationsinterferometer oder in dem Sondenteil (2) angeord net ist, das dann über eine Lichtleitfaser (2.7) mit einem entfernten Demodulationsinterferometer (3) verbunden ist, und
dass die Kohärenzlänge der Lichtquelle (2.6) kürzer ist als eine halbe Differenz eines Lichtweges einer Referenzwelle und eines Lichtwegs einer Messwelle.
dass zum Beleuchten eine kurzkohärente Lichtquelle (2.6) in einem von dem Sondenteil (2) entfernten und über eine Lichtleitfaser (2.7) ver bundenen Modulationsinterferometer oder in dem Sondenteil (2) angeord net ist, das dann über eine Lichtleitfaser (2.7) mit einem entfernten Demodulationsinterferometer (3) verbunden ist, und
dass die Kohärenzlänge der Lichtquelle (2.6) kürzer ist als eine halbe Differenz eines Lichtweges einer Referenzwelle und eines Lichtwegs einer Messwelle.
11. Messvorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Licht der Lichtquelle (2.6) über eine weitere Lichtleitfaser (2.7)
und über einen Faser-Strahlteiler (2.8) in das Faserstück (2.7') geführt
und aus diesem nach Beleuchten der Messstelle in die Lichtleitfaser (2.7")
geführt wird.
12. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sondenteil (2) einen feststehenden Sondenteil (2.1) und einen in
diesem drehbar gelagerten rotierbaren Sondenteil (2.2) mit dem Messkopf
(2.3) aufweist.
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