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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 Topographie 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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FR 27 07 018 A1 offenbart ein Messsystem zur Vermessung von Grenz- oder Oberflächen von Werkstücken mit einer Lichtquelle, die ein nicht-monochromatisches Licht aussendet, einem Messkopf, der ein chromatisch nicht korrigiertes Objektiv aufweist, einer Auskoppeleinrichtung, mit der an einer Grenzfläche des Werkstücks reflektiertes Licht aus dem Strahlengang des einfallenden Lichts auskoppelbar ist, einer Vorrichtung, der das durch die Auskoppeleinrichtung ausgekoppelte Licht zuführbar ist und die in der Lage ist, elektrische Ausgangssignale zu erzeugen, die für die Intensität des Lichts als Funktion der Wellenlänge repräsentativ sind, und eine Auswerteinheit, der die elektrischen Signale der Vorrichtung zuführbar sind und die in der Lage ist, hieraus und aus abgespeicherten Daten die Topographie der Grenz- oder Oberfläche zu ermitteln.
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DE 10 2004 011 189 A1 beschreibt ein Messsystem zur Vermessung von Grenz- oder Oberflächen von Werkstücken mit einer Lichtquelle, einem Messkopf, einer Lichtleitereinrichtung, einer Auskoppeleinrichtung und einem Spektrographen.
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DE 101 61 486 A1 betrifft einen konfokalen Liniensensor und beschreibt ein Messsystem zur Vermessung von Grenz- oder Oberflächen von Werkstücken mit einer Lichtquelle, einem Messkopf und einer Lichtleitereinrichtung.
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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 Anordnungen 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 angepasst, 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
- 1 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Messsystems;
- 1a bis 2c mehrere Möglichkeiten, eine Mehrzahl von Lichtleiterfasern einer oder mehreren Lichtquellen zuzuordnen;
- 3a bis 3d mehrere Möglichkeiten der Anordnung der Lichtleiterfasern an deren werkstücknahem Ende;
- 4 schematisch einen Messkopf, der alternativ bei dem Messsystem der 1 eingesetzt werden kann;
- 5 eine zu 1 alternative Art der Auskopplung des am vermessenen Werkstück reflektierten Lichtes;
- 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 vermessenden 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 Stirnflächen 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 307h 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 4071 (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 Ausführungsbeispiel 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 Eingangsspalt 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.
