DE102005052743A1

DE102005052743A1 - Measuring system for the measurement of boundary surfaces or surfaces of workpieces

Info

Publication number: DE102005052743A1
Application number: DE102005052743A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr.-Ing. Schönleber
Original assignee: Precitec Optronik GmbH
Current assignee: Precitec Optronik GmbH
Priority date: 2005-11-04
Filing date: 2005-11-04
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2025-11-05
Also published as: DE102005052743B4; WO2007051567A1

Abstract

Ein Messsystem (1) zur Vermessung von Grenz- oder Oberflächen (9) von Werkstücken umfasst mindestens eine Lichtquelle (2a, 2b), die ein nicht-monochromatisches Licht aussendet. Dieses Licht wird von einer Lichtleitereinrichtung (7), die eine Mehrzahl von Lichtleitfasern (7a, 7b) enthält, einem Messkopf (8) zugeführt, in dem sich ein chromatisch nicht korrigiertes Objektiv (10) befindet. Dieses bildet die benachbarten Stirnflächen der beiden Lichtleitfasern (7a, 7b) in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtes in unterschiedlichen Ebenen ab. Das an der vermessenen Grenz- oder Oberfläche (9) des Werkstückes reflektierte Licht wird mittels einer Auskoppeleinrichtung (5) aus dem Strahlengang des einfallenden Lichtes ausgekoppelt und einem Spektographen (12) zugeleitet. Dieser Spektograph (12) ist ebenso wie eine ihm nachgeschaltete Auswerteeinheit (13) so ausgebildet, dass sie mehrkanalig und gleichzeitig das ihnen zugeführte, an der Grenzfläche (9) des Werkstückes reflektierte Licht der verschiedenen Lichtleitfasern (7a, 7b) verarbeiten können, derart, dass auf schnelle Weise die Topographie der Grenz- bzw. Oberfläche (9) des Werkstückes ermittelt wird.A measuring system (1) for measuring boundary or surfaces (9) of workpieces comprises at least one light source (2a, 2b) which emits a non-monochromatic light. This light is fed from a light guide device (7), which contains a plurality of optical fibers (7a, 7b), to a measuring head (8) in which a chromatically uncorrected lens (10) is located. This forms the adjacent end faces of the two optical fibers (7a, 7b) in different planes depending on the wavelength of the light. The light reflected at the measured boundary or surface (9) of the workpiece is decoupled from the beam path of the incident light by means of a decoupling device (5) and fed to a spectograph (12). This spectograph (12), like an evaluation unit (13) connected downstream of it, is designed in such a way that it can process the light from the various optical fibers (7a, 7b) which is fed to them and is reflected at the interface (9) of the workpiece, in a multi-channel manner, that the topography of the boundary or surface (9) of the workpiece is determined quickly.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Vermessung von Grenz- oder Oberflächen von Werkstücken mit

a) mindestens einer Lichtquelle, die ein nicht-monochromatisches Licht aussendet;
b) einem Messkopf, der ein chromatisch nicht korrigiertes Objektiv aufweist;
c) einer Lichtleitereinrichtung, in deren eine Stirnfläche das Licht der mindestens einen Lichtquelle einkoppelbar und deren andere Stirnfläche von dem Objektiv in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtes in unterschiedlichen Ebenen abbildbar ist;
d) einer Auskoppeleinrichtung, mit welcher an einer Grenz- oder Oberfläche des Werkstückes reflektiertes Licht aus dem Strahlengang des einfallenden Lichtes auskoppelbar ist;
e) einem Spektrographen, dem das durch die Auskoppeleinrichtung ausgekoppelte Licht zuführbar und der in der Lage ist, elektrische Ausgangssignale zu erzeugen, die für die Intensität des Lichtes als Funktion der Wellenlänge repräsentativ sind;
f) einer Auswerteeinheit, der die elektrischen Signale des Spektrographen zuführbar sind und die in der Lage ist, hieraus und aus abgespeicherten Daten die Topographie der Grenzfläche zu ermitteln.

The invention relates to a measuring system for measuring boundary surfaces or surfaces of workpieces

a) at least one light source emitting a non-monochromatic light;
b) a measuring head having a chromatically uncorrected objective;
c) an optical waveguide device, in whose one end face the light of the at least one light source can be coupled in and whose other end face can be imaged by the objective as a function of the wavelength of the light in different planes;
d) a decoupling device, with which at a boundary or surface of the workpiece reflected light from the beam path of the incident light can be decoupled;
e) a spectrograph, to which the light coupled out by the decoupling means can be supplied and which is capable of generating electrical output signals representative of the intensity of the light as a function of the wavelength;
f) an evaluation unit to which the electrical signals of the spectrograph can be supplied and which is capable of ascertaining therefrom and from stored data the topography of the interface.

In vielen Bereichen der Technik, etwa der Qualitätssicherung und Verschleißprüfung in der Luft- und Raumfahrt oder der Kraftwerkstechnik, stellt sich die Aufgabe, mit Hilfe eines Messgeräts berührungslos Oberflächen unterschiedlicher Art zu vermessen. Ziel derartiger Messungen ist dabei im Allgemeinen, für eine Vielzahl von Messpunkten, die entlang einer Linie oder auch über eine Fläche verteilt angeordnet sein können, den Abstand zu einer durch die Lage des Messgeräts vorgegebenen Referenzebene zu ermitteln. Auf diese Weise erhält man ein zweidimensionales Profil bzw. eine dreidimensionale To pographie der Oberfläche. Werden die gewonnenen Daten auf einem Datensichtgerät dargestellt, so lassen sich z. B. Fertigungs- und Materialfehler genau erkennen.In many areas of engineering, such as quality assurance and wear testing in aerospace or power plant technology the task of using a measuring device non-contact surfaces of different Way of measuring. The aim of such measurements is generally for one Variety of measurement points along a line or over a area distributed, the distance to a predetermined by the position of the measuring device reference plane to investigate. In this way you get a two-dimensional Profile or a three-dimensional To pography of the surface. Become the data obtained on a visual display device, so can be z. B. accurately recognize manufacturing and material defects.

Mit optischen Messgeräten dieser Art können inzwischen Messgenauigkeiten in Richtung senkrecht zur Oberfläche von deutlich weniger als einem Mikrometer erzielt werden. Besonders verbreitet sind hierbei triangulatorische Messverfahren, interferometrische Messverfahren sowie auf dem Autofokus-Prinzip beruhende Messverfahren, wie sie in ähnlicher Weise von CD-Spielern her bekannt sind.With optical measuring devices of this kind can meanwhile measuring accuracies in the direction perpendicular to the surface of be achieved significantly less than a micrometer. Especially Here, triangulation measuring methods, interferometric are widespread Measuring methods and measuring methods based on the autofocus principle, as in similar Wise way of CD players are known.

Ein Messsystem der eingangs genannten Art ist aus einem Aufsatz von C. Dietz und M. Jurca mit dem Titel "Eine Alternative zum Laser", Sensormagazin Nr. 4, 3. November 1997, Seiten 15 bis 18 bekannt. Dieses Messsystem ermöglicht eine besonders genaue Oberflächenvermessung bei gleichzeitig sehr kompakter Bauweise. Bei dem bekannten Messsystem wird von einer Halogen- oder Xenonlampe erzeugtes weißes Licht über eine (einzige) Glasfaser zu einem Messkopf geführt. Der Messkopf enthält ein Objektiv mit starker chromatischer Aberration, welches die objektivseitige Stirnfläche der Glasfaser in kurzer Entfernung verkleinert abbildet. Infolge der chromatischen Aberration ergibt sich eine wellenlängenabhängige Brennweite für diese Abbildung.One Measuring system of the type mentioned is from an article of C. Dietz and M. Jurca entitled "An Alternative to the Laser", Sensor Magazine No. 4, 3 November 1997, pages 15 to 18 known. This measuring system allows a very precise surface measurement at the same time very compact design. In the known measuring system is generated by a halogen or xenon lamp white light generated via a (only) glass fiber led to a measuring head. The measuring head contains a lens with strong chromatic aberration, which the lens side face the glass fiber at a short distance is reduced in size. As a result the chromatic aberration results in a wavelength-dependent focal length for this Illustration.

Befindet sich eine optische Grenz- oder Oberfläche in dem Brennweitenbereich des Objektivs, so erzeugt aufgrund der wellenlängenabhängigen Brennweite des Objektivs nur Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge einen scharfen Bildpunkt auf dieser Grenz- oder Oberfläche. Umgekehrt wird nur der Reflex des Lichtes dieser Wellenlänge wieder scharf auf das Faserende abgebildet und in die Faser eingekoppelt. Am gegenüberliegenden Ende der Faser wird das zurücklaufende Licht ausgekoppelt und in einem Spektrographen analysiert. Jedes lokale Maximum der spektralen Intensitätsverteilung entspricht einer reflektierenden optischen Grenz- oder Oberfläche.is an optical boundary or surface in the focal length range of the lens, so generated due to the wavelength-dependent focal length of the lens only light of a specific wavelength a sharp pixel on this boundary or surface. Conversely, only the reflection of the light of this wavelength becomes sharp again imaged on the fiber end and coupled into the fiber. At the opposite End of the fiber becomes the returning one Light decoupled and analyzed in a spectrograph. each local maximum of the spectral intensity distribution corresponds to one reflective optical interface or surface.

Wird nur der Reflex an der dem Messkopf nächsten Grenz- oder Oberfläche ausgewertet, so lässt sich daraus der Abstand zwischen dem Messkopf und der Grenz- oder Oberfläche ableiten. Wird zusätzlich auch die darauf folgende Grenz- oder Oberfläche in die Auswertung mit einbezogen, so lässt sich die Dicke einer transparenten Schicht oder eines transparenten Körpers bestimmen. Die Dicke der Schicht oder des Körpers ergibt sich dabei als Differenz der gemessenen Abstände für die obere und die untere Grenz- oder Oberfläche. Bei den zu vermessenden Körpern kann es sich z. B. um Glasscheiben oder dünnwandige Glasrohre handeln, die mit gleichmäßiger Scheibendicke bzw. Wandstärke hergestellt werden sollen. Ein weiteres Anwendungsgebiet für die Dickenmessung transparenter Körper ist die Überprüfung der Flächen treue von Linsen. Der Begriff der Oberflächenvermessung soll deswegen in diesem Zusammenhang auch die Schichtdickenmessung umfassen.Becomes only the reflex at the next border or surface of the measuring head is evaluated, so lets this results in the distance between the measuring head and the limit or surface derived. Will be additional including the following limit or surface in the evaluation, so lets the thickness of a transparent layer or a transparent one body determine. The thickness of the layer or the body is calculated as the difference the measured distances for the upper and lower limit or surface. At the to be measured bodies can it be z. B. glass or thin-walled glass tubes, the with even slice thickness or wall thickness produced should be. Another field of application for thickness measurement more transparent Body is the review of surfaces faithfulness of lenses. The concept of surface measurement should therefore in this context also include the layer thickness measurement.

Bei dem eingangs genannten bekannten Messsystem benötigt die punktweise Vermessung der Grenz- oder Oberfläche selbstverständlich eine gewisse Zeit. Grundsätzlich ist es, insbesondere in der Massenfertigung, immer erwünscht, diese Zeit so kurz wie möglich zu halten. Da in der Regel mehr als ein Messpunkt zu bearbeiten ist, ist eine mechanische Bewegung des Messkopfes gegenüber dem Werkstück meist unerlässlich. Diese muss mit hoher Genauigkeit geführt werden und ist verhältnismäßig träge.Of course, in the case of the known measuring system mentioned at the outset, the pointwise measurement of the boundary or surface requires a certain amount of time. In principle, it is always desirable, especially in mass production, to keep this time as short as possible. Since usually more than one measuring point is to be processed, a mechanical movement of the measuring head relative to the workpiece is usually essential. This must be high Accuracy and is relatively sluggish.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Messsystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, das insgesamt schneller arbeitet.task The present invention is therefore a measuring system of the above to provide said type, which works faster overall.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass

g) die Lichtleitereinrichtung ein Lichtleiter-Faserbündel ist, in dem eine Mehrzahl von Lichtleiterfasern im wesentlichen parallel verläuft;
h) der Spektrograph und die Auswerteeinheit so ausgebildet sind, dass sie mehrkanalig und zeitgleich das an der Grenz- oder Oberfläche des Werkstücks reflektierte Licht der verschiedenen Lichtleiterfasern verarbeitet.

This object is achieved in that

g) the optical fiber means is an optical fiber bundle in which a plurality of optical fiber fibers are substantially parallel;
h) the spectrograph and the evaluation unit are designed so that they multi-channel and simultaneously processed at the boundary or surface of the workpiece reflected light of the different optical fibers.

Erfindungsgemäß wird also im Prinzip der einkanalige Aufbau des bekannten Messsystems zu einer mehrkanaligen Bauweise vervielfacht, wobei allerdings nur ein Messkopf, ein Spektrograph und eine Auswerteeinheit, ggf. modifiziert, Verwendung finden. Unter einer "parallelen" Anordnung der mehreren Lichtleiterfasern innerhalb eines Lichtleiter-Bündels ist dabei keine strenge geometrische Parallelität zu verstehen. "Parallel" im Sinne der vorliegenden Erfindung verlaufen die Lichtleiterfasern auch dann noch, wenn die Anord nungen ihrer Stirnflächen an den beiden gegenüberliegenden Enden des Lichtleiter-Bündels sich unterscheiden, die einzelnen Lichtleiterfasern also gegeneinander verdreht sind.Thus, according to the invention in principle, the single-channel structure of the known measuring system to a multichannel construction multiplied, although only one measuring head, a spectrograph and an evaluation unit, if necessary modified, use Find. Under a "parallel" arrangement of the several Optical fibers within a fiber optic bundle is not stringent geometric parallelism too understand. "Parallel" in the sense of the present invention the optical fibers continue to run even when the Anord calculations their faces at the two opposite Ends of the fiber optic bundle differ, the individual optical fibers so against each other are twisted.

Durch den mehrkanaligen Aufbau kann eine bestimmte Grenz- oder Oberfläche in einem Bruchteil der Zeit, je nach der Anzahl der verwendeten Lichtleiterfasern ausgemessen werden. Unter günstigen Umständen ist es nicht mehr erforderlich, den Messkopf überhaupt gegenüber dem Werkstück zu verfahren, was sehr zur Beschleunigung des Messverfahrens beiträgt.By The multi-channel structure can be a specific boundary or surface in one Fraction of the time, depending on the number of optical fibers used be measured. Under favorable circumstances is It no longer required the measuring head at all workpiece to proceed, which greatly contributes to the acceleration of the measurement process.

Im einfachsten Falle ist für alle Lichtleiterfasern eine gemeinsame Lichtquelle vorgesehen. Dies bedeutet, dass der durch die Bandbreite des verwendeten Lichts und die Dispersion des Objektivs vorgegebene "Tiefenbereich", der auf der Grenz- oder Oberfläche des Werkstückes vermessen werden kann, für alle Lichtleiterfasern derselbe ist.in the the simplest case is for all optical fibers provided a common light source. This means, that due to the bandwidth of the light used and the dispersion of the objective "depth range", which is at the limit or surface of the workpiece can be measured, for all optical fiber is the same.

In diesem Falle kann die Einkopplung des Lichtes von der Lichtquelle auf die einzelnen Lichtleiterfasern beispielsweise so geschehen, dass die der Lichtquelle benachbarten Stirnflachen der Lichtleiterfasern auf einem die Lichtquelle umgebenden Kreis oder auf einer die Lichtquelle umgebenden Kugelfläche angeordnet sind. Bei einer gleichmäßig in die verschiedenen Raumwinkel strahlenden Lichtquelle bedeutet dies, dass die in jede Lichtleiterfaser eingekoppelte Lichtintensität in etwa dieselbe ist.In In this case, the coupling of the light from the light source for example, so happened to the individual optical fibers that the light source adjacent end faces of the optical fibers on a circle surrounding the light source or on a light source surrounding spherical surface are arranged. At a uniform in the different solid angles radiating light source, this means that in each fiber optic fiber coupled light intensity is about the same.

Alternativ kann eine Anordnung verwendet werden, die etwas aufwendiger ist und bei welcher das Licht der einen Lichtquelle zunächst in eine Lichtleiterfaser eingekoppelt wird und aus dieser über mindestens ein Koppelstück auf mehrere Lichtleiterfasern verteilt wird.alternative can be used an arrangement that is a little more expensive and wherein the light of the one light source is initially in an optical fiber is coupled and from this over at least a coupling piece is distributed to several optical fibers.

Es ist auch möglich, dass unterschiedliche Lichtquellen für unterschiedliche Lichtleiterfasern vorgesehen sind. Dabei wiederum gibt es zwei Möglichkeiten:
Entweder strahlt zumindest ein Teil der Lichtquellen im selben Wellenlängenbereich. Dann unterscheidet sich funktional das Messsystem insoweit nicht nennenswert von einem solchen, bei dem für alle Lichtleiterfasern dieselbe Lichtquelle verwendet wird. Die Beschleunigung des Messverfahrens beruht in diesem Falle im wesentlichen schlicht darauf, dass dieselbe Art von Messung im selben "Tiefenbereich" der Grenz- oder Oberfläche gleichzeitig an mehreren Punkten stattfindet.It is also possible that different light sources are provided for different optical fibers. Again, there are two possibilities:
Either at least some of the light sources emit in the same wavelength range. Then functionally the measuring system does not differ appreciably from one in which the same light source is used for all optical fibers. The acceleration of the measuring method in this case is essentially simply based on the fact that the same type of measurement takes place simultaneously in several points in the same "depth range" of the boundary or surface.

Die zweite Möglichkeit bei Verwendung unterschiedlicher Lichtquellen ist die, dass mindestens ein Teil der Lichtquellen in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen strahlen. In diesem Falle können gleichzeitig Messungen in unterschiedlichen Tiefenbereichen vorgenommen werden, die bei einer gegebenen Breitbandigkeit der einzelnen Lichtquelle sonst nicht vorgenommen werden könnten.The second option when using different light sources is that at least one Part of the light sources in different wavelength ranges radiate. In this case you can simultaneously Measurements are taken in different depth ranges, otherwise for a given broadband of the single light source could not be made.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die dem Messkopf zugewandten Stirnflächen der Lichtleiterfasern in einem linearen Array angeordnet. Dieses eignet sich insbesondere dort, wo Messpunkte auf einer Grenz- oder Oberfläche ausgemessen werden sollen, die auf einer Geraden liegen. Alternativ lässt sich mit diesem linearen Array in einer Scanbewegung des Messkopfes ein verhältnismäßig breiter "Streifen" der Grenz- oder Oberfläche abtasten.at a further preferred embodiment the invention, the measuring head facing end surfaces of Optical fiber arranged in a linear array. This is suitable especially where measuring points on a boundary or surface are measured to be on a straight line. Alternatively, you can with this linear array in a scanning movement of the measuring head relatively wide "strip" of border or surface scan.

Die dem Messkopf zugewandten Enden der Lichtleiterfasern können auch ein zweidimensionales matrixartiges Array bilden. Mit diesem Array ist bei stehendem Messkopf die Messung eines ganzen Bereiches einer Grenz- oder Oberfläche möglich. Bei bewegtem Messkopf kann in einem verhältnismäßig breiten "Streifen" die Grenz- oder Oberfläche abgetastet werden, indem in Bewegungsrichtung des Messkopfes in Schritten vorgegangen wird, welche der Breite des Arrays in dieser Richtung entsprechen. Werden die Stirnseiten der Lichtleiterfasern in benachbarten Zeilen der zweidimensionalen Matrix etwas gegeneinander versetzt, sodass die Spalten der Matrix nicht mehr senkrecht sondern schräg zu den Zeilen verlaufen, so können in einer kontinuierlichen Scanbewegung sehr dicht beieinander liegende Punkte auf der Grenzflache des Werkstücks vermessen werden.The ends of the optical fiber fibers facing the measuring head can also form a two-dimensional matrix-like array. With this array it is possible to measure an entire area of a boundary or surface while the measuring head is stationary. With the measuring head moved, the boundary or surface can be scanned in a relatively wide "strip" by proceeding in the direction of movement of the measuring head in steps corresponding to the width of the array in this direction. If the end faces of the optical fibers in adjacent rows of the two-dimensional matrix offset slightly from each other so that the columns of the matrix are no longer perpendicular but oblique to the rows, so can in a continuous Scanning motion are measured very close together points on the interface of the workpiece.

Allgemein gilt, dass die dem Messkopf zugewandten Enden der Lichtleiterfasern in einem Werkstück-angepassten Array, insbesondere in Kreis- oder Kreuzform, angeordnet sein können. Für viele Anwendungszwecke müssen Messpunkte vermessen werden, die sich in einer bestimmten geometrischen Anordnung auf dem Werkstück befinden. Wird das Array der dem Messkopf zugewandten Enden der Lichtleiterfasern der Anordnung der Messpunkte an gepasst, so ist eine Bewegung des Messkopfes während der Messung nicht erforderlich.Generally is true that the measuring head facing the ends of the optical fibers in a workpiece-adapted Array, in particular in a circular or cross shape, can be arranged. For many purposes have to Measuring points are measured, which are in a certain geometric Arrangement on the workpiece are located. Will the array of the measuring head facing ends of Fibers of the array of measurement points fitted on, so is a movement of the measuring head during the measurement is not required.

Besonders für solche Anwendungsfälle, bei denen die Dicke einer transparenten Schicht vermessen werden soll, aber generell auch dort, wo verhältnismäßig große "Tiefen" der Grenz- oder Oberfläche erfasst werden sollen, eignet sich diejenige Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die dem Messkopf zugewandten Enden der Lichtleiterfasern zumindest teilweise in axialer Richtung gegeneinander versetzt sind.Especially for such Use cases, in which the thickness of a transparent layer are measured should, but generally also where relatively large "depths" of the border or surface detected are to be, that embodiment of the invention, in which the the measuring head facing ends of the optical fibers at least partially offset in the axial direction against each other.

Die Auskoppeleinrichtung kann einen Strahlteiler umfassen; in diesem Falle erfolgt also die Auskopplung außerhalb der Lichtleiterfasern.The Decoupling device may comprise a beam splitter; in this Trap so the decoupling takes place outside of the optical fibers.

Alternativ ist es möglich, dass die Auskoppeleinrichtung mindestens ein Lichtleiter-Koppelstück umfasst. Derartige Koppelstücke, im Allgemeinen T-Koppelstücke, sind im Handel erhältlich.alternative Is it possible, in that the decoupling device comprises at least one optical fiber coupling piece. Such coupling pieces, generally T-couplings, are commercially available.

Die Auskoppeleinrichtung kann sich auch im Messkopf befinden. Dann führt ein erstes Lichtleiter-Faserbündel von der Lichtquelle oder den Lichtquellen zum Messkopf und ein zweites Lichtleiter-Faserbündel vom Messkopf zum Spektrographen.The Coupling device can also be located in the measuring head. Then introduce first fiber optic fiber bundle from the light source or the light sources to the measuring head and a second one Light guide fiber bundle from the measuring head to the spectrograph.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigenembodiments The invention will be explained in more detail with reference to the drawing; it demonstrate

1 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Messsystems; 1 schematically the structure of a measuring system according to the invention;

1a bis 2c mehrere Möglichkeiten, eine Mehrzahl von Lichtleiterfasern einer oder mehreren Lichtquellen zuzuordnen; 1a to 2c several ways to assign a plurality of optical fibers to one or more light sources;

3a bis 3d mehrere Möglichkeiten der Anordnung der Lichtleiterfasern an deren werkstücknahem Ende; 3a to 3d several possibilities of arranging the optical fiber fibers at the workpiece-near end;

4 schematisch einen Messkopf, der alternativ bei dem Messsystem der 1 eingesetzt werden kann; 4 schematically a measuring head, the alternative in the measuring system of 1 can be used;

5 eine zu 1 alternative Art der Auskopplung des am vermessenen Werkstück reflektierten Lichtes; 5 one too 1 alternative method of decoupling the light reflected at the measured workpiece;

6 in schematischer Explosionsansicht die wichtigsten Komponenten des bei dem Messsystem der 1 eingesetzten Spektrographen. 6 in a schematic exploded view the main components of the measuring system of the 1 used spectrograph.

Zunächst wird auf die 1 Bezug genommen. Das hier dargestellte und insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Messsystem umfasst zwei Leuchtdioden 2a, 2b, die als Lichtquellen dienen. Die beiden Leuchtdioden 2a, 2b senden in einem bestimmten Wellenbereich Licht aus, emittieren also kein monochromatisches Licht. Der Wellenlängenbereich der beiden Leuchtdioden 2a, 2b kann identisch aber auch unterschiedlich sein. Das von den Leuchtdioden 2a, 2b ausgesandte Licht wird von einer ersten Linse 4 zumindest annähernd parallelisiert, durchsetzt dann einen Strahlteilerwürfel 5 und eine zweite Linse 6, welche die beiden Leuchtdioden 2a, 2b auf die der Linse 6 zugewandten Stirnflachen von zwei parallel zueinander angeordneten Lichtleiterfasern 7a, 7b fokussiert. Die beiden Lichtleiterfasern 7a, 7b bilden in der Terminologie der anliegenden Patentansprüche ein Lichtleiter-Faserbündel 7.First, on the 1 Referenced. The illustrated here and in total by the reference numeral 1 characterized measuring system comprises two light-emitting diodes 2a . 2 B that serve as light sources. The two LEDs 2a . 2 B Send light in a certain wavelength range, so emit no monochromatic light. The wavelength range of the two LEDs 2a . 2 B can be identical but also different. That of the light-emitting diodes 2a . 2 B emitted light is emitted from a first lens 4 at least approximately parallelized, then passes through a beam splitter cube 5 and a second lens 6 , which the two light-emitting diodes 2a . 2 B on the lens 6 facing end faces of two parallel optical fibers 7a . 7b focused. The two optical fibers 7a . 7b form in the terminology of the appended claims an optical fiber bundle 7 ,

Die von der Linse 6 abgewandten Enden der beiden Lichtleiterfasern 7a, 7b liegen innerhalb eines Messkopfes 8, der in der Nähe einer zu vermessenden Grenzfläche 9 eines Werkstückes angeordnet ist. Der Messkopf 8 enthält als wichtigste Komponente ein nur schematisch angedeutetes Objektiv 10, das in bekannter Weise eine hohe Dispersion aufweist, also chromatisch bewusst nicht korrigiert ist. Das Objektiv 10 bildet die verschiedenen, im Licht der Leuchtdioden 2a, 2b enthaltenen Wellenlängen in unterschiedlichen Brennebenen ab, wobei eine scharfe Abbildung in der Grenzfläche 9 des Werkstückes nur für eine bestimmte Wellenlänge erreicht ist. Das entsprechende Licht ist in 1 mit durchgezogenen Linien dargestellt, während das Licht einer anderen Wellenlänge, welches in geringerer Entfernung von dem Objektiv 10 fokussiert wird, gestrichelt dargestellt ist.The one from the lens 6 opposite ends of the two optical fibers 7a . 7b lie within a measuring head 8th which is near an interface to be measured 9 a workpiece is arranged. The measuring head 8th contains as the most important component an only schematically indicated objective 10 , which has a high dispersion in a known manner, so it is not corrected chromatically aware. The objective 10 forms the various, in the light of the LEDs 2a . 2 B contained wavelengths in different focal planes, with a sharp image in the interface 9 of the workpiece is reached only for a certain wavelength. The corresponding light is in 1 shown with solid lines, while the light of a different wavelength, which is closer to the lens 10 is focused, shown in dashed lines.

Das an der Grenzfläche 9 des Werkstückes reflektierte Licht durchläuft das Objektiv 10 in entgegengesetzter Richtung und wird von diesem auf die dem Objektiv 10 benachbarten Stirnflachen der beiden Lichtleiterfasern 7a, 7b fokussiert. Das aus den gegenüberliegenden Stirnflächen der Lichtleiterfasern 7a, 7b austretende Licht wird von der Linse 6 annähernd parallelisiert und teilweise – an der Spiegelfläche des Strahlteilerwürfels 5 so reflektiert, dass es in seitlicher Richtung auf eine weitere Linse 11 fällt, welche die beiden Strahlenbündel auf den Eingangsspalt eines Spektrographen 12 wirft.That at the interface 9 The light reflected by the workpiece passes through the lens 10 in the opposite direction and is from this to the lens 10 adjacent end surfaces of the two optical fibers 7a . 7b focused. That from the opposite end faces of the optical fibers 7a . 7b escaping light is from the lens 6 approximately parallelized and partially - at the mirror surface of the beam splitter cube 5 so reflected that it is sideways on another lens 11 falls, which the two beams on the entrance slit of a spectrograph 12 throws.

Der innere Aufbau des Spektrographen 12 wird weiter unten anhand der 6 erläutert; für den Augenblick genügt es zu wissen, dass der Spektrograph 12 elektrische Signale erzeugt, welche repräsentativ für die Intensität des empfangenen Lichtes als Funktion der Wellenlänge sind und die einer Auswerteeinheit 13 zugeleitet werden. Die Auswerteeinheit 13 errechnet aus den ihr zugeführten elektrischen Signalen und aus in ihr abgespeicherten Größen die Topographie der Grenzfläche 9 des Werkstückes.The internal structure of the spectrograph 12 will be explained below on the basis of 6 explains; for the moment it is enough to know that the spectrograph 12 generates electrical signals which are representative of the intensity of the received light as a function of the wavelength and that of an evaluation unit 13 be forwarded. The evaluation unit 13 From the electrical signals supplied to it and from quantities stored in it, the topography of the interface is calculated 9 of the workpiece.

Das in 1 dargestellte Messsystem ist in vielerlei Hinsicht als Duplikation bekannter Messsysteme zu verstehen, wobei die Duplizierung die Zahl der Lichtquellen und die Zahl der Lichtleiterfasern betrifft; die optischen Elemente 4, 5, 6, 10, 11, der Spektrograph 12 und die Auswerteeinheit 13 sind jedoch nur einmal vorgesehen. Grundsätzlich kann die Auswertung der vom Spektrographen 12 gewonnenen Informationen in der Auswerteeinheit 13 nach denselben Grundsätzen erfolgen, wie dies auch bei dem eingangs genannten Stand der Technik geschieht. Hierauf darf verwiesen werden.This in 1 The measuring system shown is in many ways to be understood as a duplication of known measuring systems, the duplication relating to the number of light sources and the number of optical fibers; the optical elements 4 . 5 . 6 . 10 . 11 , the spectrograph 12 and the evaluation unit 13 However, they are only provided once. Basically, the evaluation of the spectrograph 12 information obtained in the evaluation unit 13 According to the same principles, as is done with the above-mentioned prior art. This may be referred to.

Durch das in 1 dargestellte Messsystem 1 ist es möglich, in sehr viel schnellerer Weise als beim Stande der Technik eine bestimmte Grenzfläche 9 topographisch zu vermessen. Dabei ist zwischen denjenigen Fällen zu unterscheiden, in denen die beiden Leuchtdioden 2a, 2b Licht desselben Wellenlängenbereichs ausstrahlen, und denjenigen, bei denen sich die ausgesandten Wellenlängenbereiche der beiden Leuchtdioden 2a, 2b unterscheiden.Through the in 1 illustrated measuring system 1 It is possible, in a much faster way than in the prior art, a certain interface 9 topographically to measure. It is to distinguish between those cases in which the two light-emitting diodes 2a . 2 B Emit light of the same wavelength range, and those in which the emitted wavelength ranges of the two light-emitting diodes 2a . 2 B differ.

Soweit die beiden Leuchtdioden 2a, 2b dasselbe Licht ausstrahlen, ergibt sich die Beschleunigung des Auswertvorganges einfach dadurch, dass zu jedem Zeitpunkt der Vermessung zwei dicht beieinander liegende Stellen der Grenzfläche 9 vermessen werden können, so dass bei einer Scanbewegung des Messkopfes 8, die zur Vermessung der gesamten Grenzfläche 9 erforderlich ist, in breiteren Streifen gearbeitet werden kann. Der Abstand zwischen den beiden Bildern der Leuchtdioden 2a, 2b auf der Grenzfläche 9 des zu ver messenden Werkstückes wird dabei entsprechend den Genauigkeitsanforderungen gewählt.As far as the two LEDs 2a . 2 B emit the same light, results in the acceleration of the evaluation process simply by the fact that at each time of the survey two closely spaced points of the interface 9 can be measured, so that during a scanning movement of the measuring head 8th used to measure the entire interface 9 is required, can be worked in wider strips. The distance between the two images of the LEDs 2a . 2 B on the interface 9 the workpiece to be measured is chosen according to the accuracy requirements.

In denjenigen Fällen, in denen sich die Wellenlängenbereiche unterscheiden, welche die beiden Leuchtdioden 2a, 2b aussenden, dient die Anordnung der 1 beispielsweise dazu, gleichzeitig Topographie-Messungen in unterschiedlichen Abständen von dem Messkopf 8 durchzuführen, beispielsweise an einer oberen und unteren Grenzfläche einer transparenten Schicht. In diesem Falle ist das Messergebnis um so genauer, um so näher die beiden Bilder der Leuchtdioden 2a, 2b seitlich nebeneinander liegen. Die beschriebene Anordnung ermöglicht dabei die Vermessung von Grenzflächen, die so weit voneinander beabstandet sind, dass sie mit dem Wellenlängenbereich, der von einer einzigen Lichtquelle ausgesandt wird, nicht mehr vermessen werden könnten.In those cases in which the wavelength ranges differ, which the two light-emitting diodes 2a . 2 B send out, the arrangement serves the 1 For example, at the same time topography measurements at different distances from the measuring head 8th to perform, for example, at an upper and lower boundary of a transparent layer. In this case, the measurement result is the more accurate, the closer the two images of the light-emitting diodes 2a . 2 B lie side by side. The arrangement described allows the measurement of interfaces that are so far apart that they could not be measured with the wavelength range emitted by a single light source.

Unterschiedliche Wellenlängenbereiche sind generell überall dort von Vorteil, wo die Messungen sich über eine "Tiefe" des Werkstücks erstrecken sollen, die von dem Wellenlängenbereich einer einzelnen Lichtquelle nicht mehr abgedeckt werden kann.different Wavelength ranges are generally everywhere There advantageous where the measurements are to extend over a "depth" of the workpiece, the from the wavelength range a single light source can not be covered.

Das in 1 dargestellte Messsystem 1 kann als zweikanaliges Messsystem verstanden werden. Selbstverständlich ist es möglich, statt zweier Kanäle auch eine größere Zahl von Kanälen einzusetzen.This in 1 illustrated measuring system 1 can be understood as a two-channel measuring system. Of course, it is possible to use a larger number of channels instead of two channels.

Ein erstes Beispiel für eine vierkanalige Ausgestaltung des Messsystems 1 ist in 2a dargestellt. In dieser sind vier Lichtquellen 102a, 102b, 102c, 102d dargestellt, denen jeweils eine Lichtleiterfaser 107a, 107b, 107c, 107d zugeordnet ist. Das Lichtleiter-Faserbündel 107 umfasst somit ebenso viele Lichtleiterfasern 107a bis 107d, wie es Lichtquellen 102a bis 102d gibt. Als Lichtquellen kommen wiederum Leuchtdioden, insbesondere auch Superlumineszenzdioden, in Betracht, die ein genügend breitbandiges Licht aussenden. Wiederum kann der Wellenlängenbereich, der von den verschiedenen Lichtquellen 102a bis 102d ausgesandt wird, derselbe oder auch – je nach Anwendungszweck – unterschiedlich sein.A first example of a four-channel design of the measuring system 1 is in 2a shown. In this are four light sources 102 . 102b . 102c . 102d represented, each having an optical fiber 107a . 107b . 107c . 107d assigned. The fiber optic fiber bundle 107 thus includes as many optical fibers 107a to 107d as it is light sources 102 to 102d gives. In turn, light sources, in particular superluminescent diodes, which emit a sufficiently broadband light come into consideration as light sources. Again, the wavelength range of the different light sources 102 to 102d is sent out, the same or - depending on the purpose - be different.

In 2a sind keine Abbildungselemente dargestellt, welche das von den Lichtquellen 102a bis 102d ausgesandte Licht in die benachbarten Stirnflä chen der Lichtleiterfasern 107a bis 107d einkoppeln. Selbstverständlich können aber bei Bedarf derartige Abbildungselemente vorgesehen werden. Dies gilt in gleicher Weise für die nachfolgend beschriebenen 2b und 2c.In 2a No imaging elements are shown, which from the light sources 102 to 102d emitted light in the adjacent Stirnflä surfaces of the optical fibers 107a to 107d inject. Of course, if required, such imaging elements can be provided. This applies in the same way to those described below 2 B and 2c ,

2b zeigt eine andere Art, wie in vier Lichtleiterfasern 207a, 207b, 207c, 207d Licht einer einzigen Lichtquelle 202 eingekoppelt wird. Hierzu sind die Enden der vier Lichtleiterfasern 207a, 207b, 207c, 207d so abgebogen, dass die entsprechenden Stirnflächen etwa auf einem die Lichtquelle 202 umgebenden Kreis liegen. Bei dieser Anordnung werden selbstverständlich alle Lichtleiterfasern 207a bis 207d von Licht desselben Wellenlängenbereiches passiert. Als breitbandige Lichtquelle dient vorzugsweise eine Xenon- oder Halogenlampe. Statt der dargestellten zweidimensionalen Anordnung der Stirnflächen der Lichtleiterfasern 207a, 207d kommt auch eine solche in Betracht, bei der die einzelnen Stirnflächen auf einer die Lichtquelle 202 umgebenden Kugelfläche liegen. 2 B shows another way, as in four optical fibers 207a . 207b . 207c . 207d Light of a single light source 202 is coupled. These are the ends of the four optical fibers 207a . 207b . 207c . 207d bent so that the corresponding end faces approximately on a the light source 202 surrounding circle. In this arrangement, of course, all optical fibers 207a to 207d of light of the same wavelength range happens. The broadband light source is preferably a xenon or halogen lamp. Instead of the illustrated two-dimensional arrangement of the end faces of the optical fibers 207a . 207d also comes into consideration, in which the individual faces on one the light source 202 surrounding spherical surface lie.

Auch bei der in 2c dargestellten Anordnung wird nur eine einzige Lichtquelle 302 eingesetzt, bei der es sich wiederum vorzugsweise um eine Xenon- oder Halogenlampe handelt. Zusätzlich kommt bei der Anordnung der 2c als Lichtquelle besonders eine Superkontinuums-Strahlungsquelle in Betracht. Das von der Lichtquelle 302 ausgestrahlte Licht wird zunächst in eine Lichtleiterfaser 307a eingekoppelt, die sich über ein erstes T-Kopplungsstück 307a in die beiden Lichtleiterfasern 307b, 307c verzweigt. Jede Lichtleiterfaser 307b, 307c spaltet sich erneut über jeweils ein T-Kopplungsstück 307i bzw. 307k erneut in zwei Lichtleiterfasern 307d, 307e bzw. 307f, 307g auf. Auf diese Weise besteht auch das Lichtleiter-Faserbündel 307 der 2c aus insgesamt vier Lichtleiterfasern 307d bis 307g.Also at the in 2c The arrangement shown is only a single light source 302 used, which in turn is preferably a xenon or halogen lamp. In addition, comes in the arrangement of 2c as a light source especially a supercontinuum radiation source into consideration. That from the light source 302 emitted light is first in an optical fiber 307a coupled, which is about a first T-coupling piece 307a in the two optical fibers 307b . 307c branched. Each fiber optic fiber 307b . 307c splits again over each one T-coupling piece 307i respectively. 307k again in two optical fibers 307d . 307e respectively. 307f . 307g on. In this way, there is also the optical fiber bundle 307 of the 2c from a total of four optical fibers 307d to 307g ,

Die Anordnung der Stirnflächen der Lichtleiterfasern braucht an beiden Enden nicht übereinzustimmen; vielmehr ist es möglich, die Lichtleiterfasern innerhalb des Lichtleiter-Faserbündels zwischen ihrem Ende nahe der oder den Lichtquellen und ihrem Ende nahe dem Messkopf so zu "verdrehen", dass sich praktisch beliebige Anordnungen oder "Arrays" von strahlenden Stirnflächen in der Nähe des Messkopfes ergeben.The Arrangement of the end faces the optical fibers need not match at both ends; rather it is possible the optical fibers within the optical fiber bundle between their end near the light source (s) and its end near the Measuring head so to "twist" that practically any arrangements or "arrays" of radiant faces near of the measuring head.

In 3a sind die Austritts-Stirnflächen von vier Lichtleiterfasern 107a bis 107d dargestellt, die beispielsweise der Anordnung der 2a aber auch den Anordnungen der 2b und 2c zugeordnet werden können. Ersichtlich sind hier diese Stirnflächen in einem linearen Array angeordnet, so dass also die einzelnen Lichtleiterfasern 107a bis 107d im geometrischen Sinne "parallel" durch das Lichtleiter-Faserbündel 107 hindurchgeführt sind. Diese Anordnung kann beispielsweise dazu verwendet werden, bei einer Scanbewegung des Messkopfes senkrecht zu Erstreckungsrichtung des linearen Arrays, den die Stirnflächen der Lichtleiterfasern 107a bis 107b bilden, die zu vermessende Grenzfläche des Werkstückes in einem relativ breiten Streifen abzutasten. Wenn die zu vermessenden Grenzflächenpunkte des Werkstückes auf einer Geraden und dicht genug beieinander liegen, kann auf eine Bewegung des Messkopfes 8 überhaupt verzichtet werden.In 3a are the exit faces of four optical fibers 107a to 107d represented, for example, the arrangement of 2a but also the arrangements of 2 B and 2c can be assigned. Obviously, these end faces are arranged in a linear array, so that therefore the individual optical fibers 107a to 107d in the geometrical sense "parallel" through the fiber optic bundle 107 passed through. This arrangement can be used, for example, in a scanning movement of the measuring head perpendicular to the extension direction of the linear array, the end faces of the optical fibers 107a to 107b form to scan the interface of the workpiece to be measured in a relatively wide strip. If the interface points to be measured of the workpiece lie on a straight line and close enough to each other, can be due to movement of the measuring head 8th to be omitted altogether.

3b zeigt eine zweidimensionale Matrix aus insgesamt zwölf Lichtleiterfasern 407a bis 407l (aus Übersichtlichkeitsgründen sind in den 3b bis 3d nicht alle Lichtleiterfasern mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehen). Auch diese Anordnung kann zum "streifenweisen" Abtasten der zu vermessenden Grenzfläche 9 eingesetzt werden, wobei die Scanbewegung "sprung- oder schrittweise" erfolgen kann, indem nach jedem Messvorgang ein Sprung oder Schritt der Scanbewegung durchgeführt wird, welcher der Breite der Matrix in dieser Richtung entspricht. Liegen alle Messpunkte innerhalb des von der Matrix erfassten Bereiches, ist eine Bewegung des Messkopfes 8 nicht erforderlich. 3b shows a two-dimensional matrix of a total of twelve optical fibers 407a to 407l (for clarity, are in the 3b to 3d not all optical fiber provided with the corresponding reference numeral). This arrangement can also be used for "stripwise" scanning of the interface to be measured 9 can be used, wherein the scanning movement "stepwise or stepwise" can take place by a jump or step of the scan movement is performed after each measurement, which corresponds to the width of the matrix in this direction. If all measuring points lie within the area covered by the matrix, there is a movement of the measuring head 8th not mandatory.

3c zeigt ein "objektangepasstes" Array von acht Lichtleiterfasern 507a bis 507h, deren dem Messkopf zugewandte Stirnflächen auf einem Kreis liegen. Diese Anordnung ist für solche Anwendungsfälle gedacht, bei denen die zu vermessenden Punkte der Grenzfläche des Werkstückes zumindest annähernd auf einem Kreis liegen. 3c shows an "object-fitted" array of eight fiber optic fibers 507a to 507h , whose end faces facing the measuring head lie on a circle. This arrangement is intended for such applications in which the points to be measured of the interface of the workpiece are at least approximately on a circle.

Eine weitere objektangepasste Anordnung von neun Lichtleiterfasern 607a bis 607i ist in 3b dargestellt. Hier bilden die dem Messkopf 8 zugewandten Stirnflächen der Lichtleiterfasern 607a, 607i ein Kreuz, was ebenfalls in vielen Anwendungsfällen eine Scanbewegung des Messkopfes 8 erübrigt oder zumindest minimiert.Another object-adapted arrangement of nine optical fibers 607a to 607i is in 3b shown. Here they form the measuring head 8th facing end faces of the optical fibers 607a . 607i a cross, which is also a scanning movement of the measuring head in many applications 8th unnecessary or at least minimized.

Die dem Messkopf benachbarten Stirnflächen der Lichtleiterfasern müssen nicht unbedingt alle in derselben Ebene liegen, wie dies beim Ausführungs beispiel der 1 der Fall ist. Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Messkopfes 708, bei dem die Stirnflächen der in ihn eingeführten Lichtleiterfasern 707a und 707b in unterschiedlichen Abständen von dem Objektiv 710 enden. Dies hat zur Folge, dass die Stirnfläche der Lichtleiterfaser 707a, die näher am Objektiv 710 liegt, in einer größeren Entfernung von dem Objektiv 710 in einer Ebene A abgebildet wird, während die Stirnfläche der Lichtleiterfaser 707b, die in größerem Abstand von dem Objektiv 710 ist, in einer Ebene B abgebildet wird, die näher an dem Objektiv 710 liegt.The adjacent measuring head end surfaces of the optical fibers do not necessarily have to be all in the same plane, as in the execution of the example 1 the case is. The 4 shows an embodiment of a measuring head 708 in which the end faces of the optical fiber fibers introduced into it 707a and 707b at different distances from the lens 710 end up. This has the consequence that the end face of the optical fiber 707a closer to the lens 710 is located at a greater distance from the lens 710 is imaged in a plane A, while the end face of the optical fiber 707b at a greater distance from the lens 710 is imaged in a plane B that is closer to the lens 710 lies.

Diese Anordnung lässt sich insbesondere dort einsetzen, wo große "Tiefenunterschiede" in dem Werkstück zu vermessen sind, beispielsweise dort, wo eine verhältnismäßig große Dicke einer transparenten Schicht auf einem Werkstück zu bestimmen ist. Auf diese Weise lassen sich schmalbandigere Lichtquellen einsetzen als sie erforderlich wären, wenn die Bilder der Stirnflächen beider Lichtleiterfasern 707a und 707b bei derselben Wellenlänge in derselben Ebene liegen würden.This arrangement can be used in particular where large "depth differences" are to be measured in the workpiece, for example, where a relatively large thickness of a transparent layer is to be determined on a workpiece. In this way narrower light sources can be used than would be required if the images of the end faces of both fibers 707a and 707b would be in the same plane at the same wavelength.

Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das an der zu vermessenden Grenzfläche 9 reflektierte Licht mittels des Strahlteilerwürfels 5 ausgekoppelt und dem Spektrographen 12 zugeleitet. Statt eines Strahlteilerwürfels 5 lässt sich jedoch auch eine Lichtleiter-Kopplungseinrichtung verwenden, wie sie in 5 dargestellt und dort insgesamt mit dem Bezugszeichen 805 versehen ist. Hier ist ein Lichtleiter-Faserbündel 807 mit drei Lichtleiterfasern 807a, 807b, 807c dargestellt, das sich von einem Halter 814 in der Nähe der Lichtquelle(n) zu einem Halter 815 innerhalb des Messkopfes in der Nähe des Objektivs erstreckt. In die Lichtleiterfasern 807a, 807b, 807c münden jeweils über ein T-Kopplungsstück 807d, 807e, 807f drei weitere Lichtleiterfasern 807g, 807h, 807i. Deren Enden sind in einem Halter 816 befestigt, der in der Nähe des Eintrittsspaltes des Spektrographen 12 angeordnet ist. Die Funktion der Kopplungseinrichtung 805 ist selbsterklärend.At the in 1 illustrated embodiment, the at the interface to be measured 9 reflected light by means of the beam splitter cube 5 decoupled and the spectrograph 12 fed. Instead of a beam splitter cube 5 However, it is also possible to use an optical fiber coupling device as described in US Pat 5 represented and there with the reference numeral 805 is provided. Here is a fiber optic bundle 807 with three optical fibers 807a . 807b . 807c shown, extending from a holder 814 near the light source (s) to a holder 815 extends within the probe near the lens. In the optical fibers 807a . 807b . 807c each lead via a T-coupling piece 807d . 807e . 807f three more fiber optic fibers 807g . 807h . 807i , Their ends are in a holder 816 attached, which is near the entrance slit of the spectrograph 12 is arranged. The function of the coupling device 805 is self-explanatory.

In 6 schließlich ist schematisch der Aufbau des Spektrographen 12 dargestellt, der in allen oben geschilderten Fällen grundsätzlich zum Einsatz kommen kann. Er enthält eine erste Linse 20, welche das in diesem Falle von einem in seinem Eingangspalt 19 angeordneten Lichtleiter-Faserbündel 7 mit fünf Lichtleiterfasern 7a bis 7d ausgestrahlte Licht im Wesentlichen parallelisiert. Dieses parallelisierte Licht durchquert ein Beugungsgitter 21 und wird dabei nach den einzelnen, in ihm enthaltenen Wellenlängen zerlegt und in 6 in unterschiedlichem Ausmaße in horizontaler Richtung ablenkt. Eine zweite Linse 22 bildet die Stirnflächen des Lichtleiter-Faserbündels 7 auf einer entsprechenden Anzahl, im vorliegenden Falle fünf, horizontalen streifenförmigen Detektorarrays 23a, 23b, 23c, 23d und 23e einer Detektoreinrichtung 23 ab.In 6 Finally, schematic is the structure of the spectrograph 12 which can basically be used in all the cases described above. It contains a first lens 20 which in this case of one in its entrance slit 19 arranged fiber optic fiber bundles 7 with five optical fibers 7a to 7d radiated light is substantially parallelized. This parallelized light traverses a diffraction grating 21 and is thereby broken down into the individual wavelengths contained in it and into 6 deflected to varying degrees in a horizontal direction. A second lens 22 forms the end faces of the optical fiber bundle 7 on a corresponding number, in this case five, horizontal strip-shaped detector arrays 23a . 23b . 23c . 23d and 23e a detector device 23 from.

Die Auswerteeinheit 13, die diesem Spektrographen 12 zugeordnet ist, kann für jedes "Pixel" der Detektorarrays 23a bis 23e die dort gemessene Lichtintensität ermitteln und der entsprechenden Wellenlänge zuordnen. Aus dem so gewonnenen Ergebnis lässt sich aus in der Auswerteeinheit 13 gespeicherten Daten, die beispielsweise in einem zuvor durchgeführten Kalibriervorgang gewonnen wurden, die Topographie der vermessenen Grenzfläche(n) ermitteln und beispielsweise in einer Anzeige ausgeben.The evaluation unit 13 that this spectrograph 12 can be assigned to each "pixel" of the detector arrays 23a to 23e determine the light intensity measured there and assign it to the appropriate wavelength. From the result obtained in this way can be in the evaluation 13 stored data obtained, for example, in a previously performed calibration, determine the topography of the measured interface (s) and output, for example, in a display.

Selbstverständlich ist es auch möglich, als dispersives Element im Spektrographen statt des in 6 dargestellten transmissiven Beugungsgitters ein reflektives Beugungsgitter oder ein Glasprisma zu verwenden.Of course, it is also possible as a dispersive element in the spectrograph instead of in 6 to use a transmissive diffraction grating or a glass prism shown.

Bei einem in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die Auskoppeleinrichtung im Messkopf.at an embodiment, not shown in the drawing is located the decoupling device in the measuring head.

In diesem Falle führt ein erstes Lichtleiter-Faserbündel von der Lichtquelle oder den Lichtquellen zum Messkopf und ein zweites Lichtleiter-Faserbündel von dem Messkopf zum Spektrographen.In leads this case a first optical fiber bundle from the light source or the light sources to the measuring head and a second one Light guide fiber bundle from the measuring head to the spectrograph.

Der Einsatz von Lichtleiterfasern 7, gegebenenfalls in Kombination mit einer Auskoppeleinrichtung, wie z. B. in 5 gezeigt ist, ermöglicht jede beliebige, objektangepasste Arrayanordnung ihrer Stirnflächen im Bereich des Messkopfes 8 (Beispiele sind in den 3a–3d gezeigt), während gleichzeitig die Eingangsspalt 19 angeordneten oder auf diesen abzubildenden Stirnflächen der Lichtleiterfasern ein lineares Array bilden, dass sich quer zur Dispersionsrichtung des Spektrographen erstreckt.The use of optical fibers 7 , optionally in combination with a decoupling device, such. In 5 is shown, allows any, object-adapted array of their faces in the region of the measuring head 8th (Examples are in the 3a - 3d shown), while at the same time the entrance slit 19 arranged or to be imaged on these faces of the optical fibers form a linear array that extends transversely to the direction of dispersion of the spectrograph.

Claims

Measuring system for measuring boundary surfaces or surfaces of workpieces with a) at least one light source emitting a non-monochromatic light; b) a measuring head having a chromatically uncorrected objective; c) an optical waveguide device, in whose one end face the light of the at least one light source can be coupled in and whose other end face can be imaged by the objective as a function of the wavelength of the light in different planes; d) a decoupling device, with which at a boundary surface of the workpiece reflected light from the beam path of the incident light can be decoupled; e) a spectrograph, to which the light coupled out by the decoupling means can be supplied and which is capable of generating electrical output signals representative of the intensity of the light as a function of the wavelength; f) an evaluation unit, to which the electrical signals of the spectrograph can be supplied and which is able to determine therefrom and from stored data the topography of the boundary or surface; characterized in that g) the optical fiber device comprises an optical fiber bundle ( 7 ; 107 ; 207 ; 307 ; 407 ; 507 ; 607 ; 707 ; 807 ) in which a plurality of optical fibers ( 7a . 7b ; 107a . 107b . 107c . 107d ; 207a . 207b . 207c . 207d ; 307a . 307b . 307c . 307d . 307f ; 407a . 407b . 407c . 407d . 407e . 407f . 407g . 407h . 407i . 407j . 407k . 407l ; 507a . 507b . 507c . 507d . 507e . 507f . 507g . 507h ; 607a . 607b . 607c . 607d . 607E . 607F . 607g . 607h . 607i ; 707a . 707b ; 807a . 807b . 807c is substantially parallel; h) the spectrograph ( 2 ) and the evaluation unit ( 13 ) are designed so that they are multi-channel and at the same time at the border or surface ( 9 ) of the workpiece reflected light of various optical fibers ( 7a . 7b ; 107a . 107b . 107c . 107d ; 207a . 207b . 207c . 207d ; 307a . 307b . 307c . 307d . 307f ; 407a . 407b . 407c . 407d . 407e . 407f . 407g . 407h . 407i . 407j . 407k . 407l ; 507a . 507b . 507c . 507d . 507e . 507f . 507g . 507h ; 607a . 607b . 607c . 607d . 607E . 607F . 607g . 607h . 607i ; 707a . 707b ; 807a . 807b . 807c ) to process.

Measuring system according to claim 1, characterized in that for all optical fibers ( 207a . 207b . 207c . 207d ; 307a . 307b . 307c . 307d . 307e . 307f . 307g ) a common light source ( 202 ; 302 ) is provided.

Measuring system according to claim 2, characterized in that the light source ( 202 ) adjacent end faces of the optical fibers ( 207a . 207b . 207c . 207d ) on one the light source ( 202 ) vice versa circle or on a light source ( 202 ) are arranged surrounding spherical surface.

Measuring system according to claim 2, characterized in that the light of the one light source ( 302 ) first into an optical fiber ( 307a ) and then from this via at least one coupling piece ( 307H . 307i . 307k ) on several optical fibers ( 307b . 307c . 307d . 307e . 307f . 307g ) is distributed.

Measuring system according to claim 1, characterized in that different light sources ( 2a . 2 B ; 102 . 102b . 102c . 102d ) for different optical fibers ( 7a . 7b ; 107a . 107b . 107c . 107d ) are provided.

Measuring system according to claim 5, characterized in that at least a part of the light sources ( 2a . 2 B ; 102 . 102b . 102c . 102d ) in the same wavelength range.

Measuring system according to claim 5 or 6, characterized in that at least a part of the light sources ( 2a . 2 B ; 102 . 102b . 102c . 102d ) radiates in different wavelength ranges.

Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring head ( 8th ) facing end faces of the optical fibers ( 107a . 107b . 107c . 107d ) are arranged in a linear array.

Measuring system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the measuring head ( 8th ) facing end faces of the optical fibers ( 407a . 407b . 407c . 407d . 407e . 407f . 407g . 407h . 407i . 407j . 407k . 407l ) form a two-dimensional matrix-like array.

Measuring system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the measuring head ( 8th ) facing end faces of the optical fibers ( 507a . 507b . 507c . 507d . 507e . 507f . 507g . 507h ; 607a . 607b . 607c . 607d . 607E . 607F . 607g . 607h . 607i ) are arranged in a workpiece-adapted array, in particular in a circular or cross shape.

Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring head ( 708 ) facing end faces of the optical fibers ( 707a . 707b ) are at least partially offset in the axial direction against each other.

Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the decoupling device ( 5 ) a beam splitter ( 5 ).

Measuring system according to one of claims 1 to 11, characterized in that the decoupling device at least one optical fiber coupling piece ( 807d . 807e . 807f ).

Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the decoupling device is arranged in the measuring head is, wherein a first optical fiber bundle of the light source or the light sources to the measuring head and a second optical fiber bundle of leads the measuring head to the spectrograph.