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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Messsystem der eingangs
genannten Art bereitzustellen, das insgesamt schneller arbeitet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Auskoppeleinrichtung kann einen Strahlteiler umfassen; in diesem
Falle erfolgt also die Auskopplung außerhalb der Lichtleiterfasern.
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Alternativ
ist es möglich,
dass die Auskoppeleinrichtung mindestens ein Lichtleiter-Koppelstück umfasst.
Derartige Koppelstücke,
im Allgemeinen T-Koppelstücke,
sind im Handel erhältlich.
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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.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es
zeigen
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1 schematisch
den Aufbau eines erfindungsgemäßen Messsystems;
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1a bis 2c mehrere
Möglichkeiten, eine
Mehrzahl von Lichtleiterfasern einer oder mehreren Lichtquellen
zuzuordnen;
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3a bis 3d mehrere
Möglichkeiten der
Anordnung der Lichtleiterfasern an deren werkstücknahem Ende;
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4 schematisch
einen Messkopf, der alternativ bei dem Messsystem der 1 eingesetzt werden
kann;
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5 eine
zu 1 alternative Art der Auskopplung des am vermessenen
Werkstück
reflektierten Lichtes;
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6 in
schematischer Explosionsansicht die wichtigsten Komponenten des
bei dem Messsystem der 1 eingesetzten Spektrographen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei
einem in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich
die Auskoppeleinrichtung im Messkopf.
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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.
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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.