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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine optische Fasersonde für eine optische Messeinrichtung
mit einer mechanischen Aufnahme, in der eine optische Faser geführt ist,
mit einem Faserendstück,
das über
die mechanische Aufnahme herausragt und das zur Führung eines
Messstrahls auf ein Messobjekt ausgebildet ist.
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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
gefürten
Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt und in der der and
der Oberfläche
reflektierte Messstrahl (r
1(t)) und der
an einer Referenzebene reflektierte Referenzstrahl (r
2(t)) überla gert 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°.
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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 optische,
insbesondere interferometrische Messaufgaben beispielsweise in enge Hohlräume eingeführt werden
kann.
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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 20µm ca. 2mm. Aufgrund der mechanischen Empfindlichkeit
des Faserendstücks
sowie dessen Schwingungsneigung mit entsprechend negativen Auswirkungen
auf die Messgenauigkeit kann das Faserendstück nicht wesentlich länger ausgeführt werden.
Dies beschränkt
den Einsatz der interferometrischen Messeinheit auf die Untersuchung
von Hohlräumen
mit relativ geringer Tiefe.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine optische Fasersonde bereit
zu stellen, welche bei möglichst
einfacher Handhabung mit hoher Messgenauigkeit die Untersuchung
von Hohlräumen
mit geringem Durchmesser und großer Tiefe ermöglicht.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die optische Faser
im Bereich des Faserendstücks
und/oder im Bereich der mechanischen Aufnahme zumindest bereichsweise
mit einer sie mechanisch stabilisierenden Beschichtung versehen ist.
Die Beschichtung wirkt dabei als ein die Faser oder das Faserendstück mechanisch
stabilisierender Mantel. Das Faserendstück ist – abhängig von dem gewählten Material
und der Dicke der Beschichtung – nicht
mehr so anfällig,
insbesondere gegenüber
Verbiegungen. Weiterhin verringert die erhöhte mechanische Stabilität die Schwingungsneigung
des Faserendstücks.
Das Faserendstück
kann daher gegenüber
bekannten Faserendstücken
deutlich länger
ausgeführt
werden, was die optische, insbesondere die interferometrische Untersuchung
von Hohlräumen mit
einer Tiefe von deutlich mehr als 2mm erlaubt, ohne dass die Messgenauigkeit
oder die mechanische Stabilität
der optischen Fasersonde reduziert ist. Die optische Fasersonde
kann so auch in Messmaschinen eingesetzt werden, die mit einem Tasterschutzkontakt
ausgeführt
sind. Der Tasterschutzkontakt bewirkt, dass die Bewegung eines Tastarms,
an dem die optische Fasersonde montiert ist, automatisch gestoppt
wird, wenn der Tastarm mit dem Faserendstück gegen das Messobjekt fährt.
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Eine
ausreichende mechanische Stabilisierung des Faserendstücks lässt sich
dadurch erreichen, dass die Beschichtung aus einem Lack, einem Kunststoff,
aus Metall und/oder aus Karbon ausgeführt ist. Dabei ermöglichte
es insbesondere eine Metallisierung des Faserendstücks, die
Schichtdicke genau auf den Vorgabewert einzustellen beziehungsweise
die Schicht durch aufeinander folgendes Aufbringen von mehreren
Schichten entsprechend der gewünschten
Dicke aufzubringen. Ist die optische Faser aus einem Faserkern und
einem Mantel aufgebaut, wobei die Lichtleitung durch Reflexion in
der Grenzschicht zwischen dem Faserkern und dem Mantel erfolgt,
so hat die Beschichtung keinen Einfluss auf die optischen Eigenschaften
der optischen Faser beziehungsweise des Faserendstücks.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen,
dass die Beschichtung zwischen 10µm und 100µm, vorzugsweise zwischen 40µm und 60µm, dick
ist. Fasersonden der beschriebenen Art werden bevorzugt zur Vermessung
von Einspritzdüsen
von Brennkraftmaschinen eingesetzt, welche typisch einen Durchmesser
von ca. 150µm
aufweisen. Die Faser selbst hat eine Dicke von ca. 20µm. Mit
einer Beschichtung in der angegebenen Dicke erhält das Faserendstück einen
Außendurchmesser,
der es erlaubt, dass das Faserendstück in die Bohrungen der Einspritzdüsen eingebracht
werden kann und gleichzeitig eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist.
Sind Hohlräume
mit größeren Durchmessern
zu vermessen, kann die Beschichtung jedoch auch dicker ausgeführt werden.
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Eine
weitere mechanische Stabilisierung der optischen Faser beziehungsweise
des Faserendstücks
lässt sich
dadurch erreichen, dass um die optische Faser zumindest bereichsweise
ein Schutzröhrchen
vorgesehen ist. Das Schutzröhrchen
kann dabei direkt die optische Faser beziehungsweise das Faserendstück umschließen oder
zusätzlich
zu der Beschichtung vorgesehen sein. Der Innendurchmesser des Schutzröhrchens
ist entsprechend an den Außendurchmesser
der optischen Faser beziehungsweise des Faserendstücks oder
der beschichten optischen Faser beziehungsweise des beschichteten
Faserendstücks
anzupassen. Mit der Anordnung können
Hohlräume,
deren Durchmesser größer sind
als der des Schutzröhrchens,
interferometrisch vermessen werden. Dabei kann der Außendurchmesser
des Schutzröhrchens
kleiner als der Durchmesser der mechanischen Aufnahme gewählt werden.
Ragt das Faserendstück
aus dem Schutzröhrchen
heraus, so bestimmt der Durchmesser des Faserendstücks den
kleinstmöglichen
messbaren Durchmesser auf einer Tiefe, der dem herausstehenden Teil
des Faserendstücks
entspricht.
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Ein
ausreichender mechanischer Schutz der optischen Faser beziehungsweise
des Faserendstücks
bei möglichst
geringem Außendurchmesser des
Schutzröhrchens
kann dadurch erreicht werden, dass das Schutzröhrchen aus Metall, Keramik und/oder
aus Karbon ausgeführt
ist.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es
zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung eine optische Fasersonde nach dem Stand
der Technik,
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2 in
schematischer Darstellung eine optische Fasersonde mit einer beschichteten
optischen Faser und einem beschichtetem Faserendstück,
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3 in
schematischer Darstellung eine Detailansicht des beschichteten Faserendstücks,
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4 in
schematischer Darstellung eine optische Fasersonde mit einer beschichteten
optischen Faser und einem beschichtetem Faserendstück und einem
Schutzröhrchen,
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5 in
schematischer Darstellung eine Detailansicht des beschichteten Faserendstücks mit
einem Schutzröhrchen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eine optische Fasersonde 1,
wie sie heute beispielsweise zur optischen, insbesondere interferometrischen
Vermessung von Einspritzdüsen
von Brennkraftmaschinen eingesetzt wird.
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Eine
optische Faser 20 ist in einer axial angeordneten Ausnehmung 11 einer
mechanischen Aufnahme 10 geführt. An einem aus der mechanischen
Aufnahme 10 überstehenden
Teilstück
der optischen Fa ser 20, dem Faserendstück 22, sind an einer
Faserspitze 23 eine nicht dargestellte Linse und ein nicht
dargestellter Spiegel angeordnet. Die optische Faser 20 ist
mit einer faseroptischen Lichtzuführung 21 verbunden.
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Die
optische Fasersonde 1 ist bei einem Ausführungsbeispiel 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. Die optische Faser 20 beinhaltet
zum Beispiel eine nicht dargestellte Reflexionsebene, an der 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 22 eingekoppelt
und über
die optische Faser 20 und die Lichtzuführung 21 zurück an das
Interferometer geleitet.
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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. 150µm, während das Faserendstück 22 einen
Durchmesser von typisch ca. 20µm
aufweist.
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Aufgrund
des geringen Durchmessers ist das Faserendstück 22 sehr fragil.
Bereits leichte Berührungen
des Faserendstücks 22 oder
ein stärkerer Luftzug
können
dazu führen,
dass das Faserendstück 22 abbricht.
Der dann notwendige Ersatz der optischen Fasersonde 1 ist
mit hohen Kosten verbunden. Das Faserendstück 22 muss daher möglichst kurz
gehalten werden.
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Neben
der mechanischen Anfälligkeit
begrenzt die Schwingungsneigung des vergleichsweise dünnen Faserendstücks 22 dessen
maximale Länge. Bei
heutigen optischen Fasersonden 1 ist die Länge des
Faserendstücks 22 durch
die auftretenden Schwingungen auf ca. 2mm begrenzt.
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2 zeigt
in schematischer Darstellung eine optische Fasersonde 1 mit
einer beschichteten optischen Faser 20 und einem beschichteten
Faserendstück 22.
Zusätzlich
zu den bereits in 1 beschriebenen Komponenten ist
eine entsprechende Beschichtung 30 dargestellt. Dabei ist
die die optischen Komponenten tragende Faserspitze 23 nicht beschichtet.
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Die
Beschichtung 30 kann aus unterschiedlichen Materialien,
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
aus Metall, ausgeführt
sein.
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Das
Faserendstück 22 weist
gegenüber
einem unbeschichteten Faserendstück 22 eine
deutlich verbesserte mechanische Stabilität auf, was zum einen die mechanische
Belastbarkeit erhöht,
zum anderen die Ausbildung von die Messgenauigkeit reduzierenden
Schwingungen reduziert. Das Faserendstück 22 kann gegenüber bekannten
Faserendstücken 22 entsprechend
länger
ausgeführt
werden, es können
somit tiefere Hohlräume
vermessen werden.
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Die
erhöhte
mechanische Stabilität
des beschichteten Faserendstücks 22 ermöglicht es
weiterhin, dass die optische Fasersonde 1 an Messmaschinen
eingesetzt werden kann, die einen Tasterschutzkontakt aufweisen.
Der Tasterschutzkontakt führt zum
automatischen Abschalten der Bewegung eines Tastarmes, wenn der
Tastarm mit dem Faserendstück 22 zum
Beispiel gegen das Messobjekt fährt.
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3 zeigt
eine Detailansicht des in 2 dargestellten Faserendstücks 22 mit
der umgebenden Beschichtung 30 in nicht maßstabsgerechter Darstellung.
Die Beschichtung 30 ist mit einer Dicke von ca. 50µm deutlich
stärker
als der Durchmesser des eigentlichen Faserendstücks 22 mit ca. 20µm. Die
resultierende Gesamtdicke von ca. 120µm ermöglicht es, Bohrungen von Einspritzdüsen mit
einem typischen Durchmesser von ca. 150µm interferometrisch zu vermessen.
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4 zeigt
in schematischer Darstellung eine optische Fasersonde 1 mit
einer beschichteten optischen Faser 20 und einem beschichteten
Faserendstück 22.
Zusätzlich
zu den bereits in den vorangegangenen Figuren eingeführten Komponenten
ist das Faserendstück 22 mit
einem Schutzröhrchen 31 versehen.
Das Schutzröhrchen 31 umfasst
dabei die Beschichtung 30 des Faserendstücks 22.
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In
der dargestellten Ausführungsvariante schließt das Schutzröhrchen 31 mit
der mechanischen Aufnahme 10 ab. Es sind jedoch auch Varianten
möglich,
bei denen das Schutzröhrchen 31 auch im
Bereich der mechanischen Aufnahme 10 über die optische Faser 20 geführt und
von der mechanischen Aufnahme 10 gehalten ist.
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Das
Schutzröhrchen 31 führt zu einer
weiteren Verbesserung der mechanischen Stabilität sowie einer Reduzierung der
Schwingungsneigung des Faserendstücks 22. Der vordere
Teil des Faserendstücks 30 kann
dabei frei bleiben, so dass der kleinste messbare Durchmesser von
dem Durchmesser des beschichteten Faserendstücks 30 bestimmt wird. Für tiefere
Bohrungen ist dann der äußere Durchmesser
des Schutzröhrchens 31 maßgebend,
der jedoch wesentlich kleiner als der Durchmesser der mechanischen
Aufnahme 10 ausgeführt
sein kann. Durch das Schutzröhrchen 31 kann
die maximale Länge
des Faserendstücks 22 noch
einmal deutlich erhöht
werden.
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5 zeigt
eine Detailansicht des in 4 dargestellten
Faserendstücks 22 mit
der umgebenden Beschichtung 30 und dem Endstück des Schutzröhrchens 31 in
nicht maßstabsgerechter
Darstellung.
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Das
Schutzröhrchen 31 kann
aus Metall, Keramik oder aus Karbon gefertigt sein. Die Verbindung zu
dem Faserendstück 22 beziehungsweise
zur Beschichtung 30 kann beispielsweise durch Kleben erfolgen.