WO2005085750A1

WO2005085750A1 - Optischer messkopf

Info

Publication number: WO2005085750A1
Application number: PCT/EP2005/002245
Authority: WO
Inventors: Peter Lehmann; Peter Lücke; Jürgen Mohr; Carlos Javier Moran-Iglesias; Wolfgang Osten; Aiko Ruprecht; Sven Schönfelder
Original assignee: Carl Mahr Holding Gmbh
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2005-09-15
Also published as: DE102004011189A1; DE102004011189B4; JP2007526468A; US7486394B2; US20070046935A1

Abstract

Der erfindungsgemässe Messkopf zur Vermessung von Gegenständen ist über einen Lichtleiter mit einer Weisslichtquelle verbunden. Er besteht aus einem Objektiv mit weniger als 5 mm Durchmesser, das einen Spiegel, der das vom Lichtleiter gelieferte Licht in eine Richtung quer zum Lichtleiter ablenkt, ein erstes fokussierendes Element, vorzugsweise in Form einer Halbkugellinse oder einer GRIN Linse, und ein zweites Element mit chromatischer Aberration, das im Lichtweg hinter dem Spiegel angeordnet ist, umfasst. Ein Lichtempfänger nimmt das von dem Gegenstand reflektierte Licht auf und analysiert seine spektrale Zusammensetzung. Das Konzept erlaubt eine Miniaturisierung und sehr schlanke Messköpfe mit hoher umerischer Apertur und damit bestem Auflösungsvermögen. Derartige Messköpfe sind unempfindlich gegen Winkelfehler hinsichtlich ihrer Ausrichtung zu den zu vermessenden Flächen.

Description

Optischer Messkopf

Die Erfindung betrifft einen optischen Messkopf, der insbesondere zur Oberflachenmessung an schwer zugänglichen Stellen eingerichtet ist .

In der Oberflächenmesstechnik spielen taktile Sensoren nach wie vor eine große Rolle. Jedoch ist die Messgeschwindigkeit begrenzt. Außerdem muss auf das Messobjekt eine Messkraft ausgeübt werden, was bei empfindlichen Oberflä- chen, dünnen Folien und dergleichen, zu Schwierigkeiten füh- ren kann. Bei beengten Verhältnissen kann cΞie auszuübende Messkraft außerdem das Tastelement verformen, wodurch bei ungünstigen Tastergeometrien, z.B. bei der Messung in sehr tiefen Bohrungen, Messunsicherheiten entstehen.

Optische Sensoren weisen diese Nachte-Lle nicht auf. Ihre Messgeschwindigkeit ist aber letztlich! durch die Anzahl der zur Verfügung stehenden Photonen bestimmt . Mit ihnen ist eine kräftefreie Abtastung von Messobjekte . möglich. Es ist damit prinzipiell auch die schnelle Erfassuing von SD-Geometrien möglich. Jedoch beruhen optische Sensoren auf dem vom Messobjekt reflektierten Licht, wodurch zahlreiche Störeffekte auftreten können. Beispielsweise entstehen an Kanten Beugungseffekte. Die Oberflächenrauheit kann eine störende Speckle-Bildung hervorrufen. Auch können Neigungswinkel zwischen der Oberflächennormalen im Antastpunkt des Messobjekts und der optischen Achse des Sensors nur begrenzt toleriert werden . Beispielsweise ist zur Vermessung von Bohrungen von Werkstücken aus der DE 102 56 273 AI ein optischer Liniensensor bekannt, mit dem die Wandung von Bohirungen auf einer ganzen Linie optisch erfasst werden kann. Dazu weist der Liniensensor ein Interferometer auf, an das eine optische Platte angeschlossen ist. Diese wirkt als Doppelprisma. Das an einer Kante eingestrahlte Licht tritt an einer um 90° versetzten Kante aus und wird somit im Wesentlichen senkrecht zur Wandungsoberfläche geleitet . Dieser Sensor stellt einen Spezialsensor dar, der insbesondere zur Abtastung von in einer Richtu-ng geraden Flächen, wie beispielsweise Zylinderwandungen, geeignet ist. Des Weiteren ist aus der DE 101 61 486 ein konfokaler Liniensensor bekannt, der ein Objektiv mit mehreren, dem Werkstück zugewandten Lichtaustrittsfenstern in Form von Fresnellinsen aufweist. Diese Linsen sind an Umlenkprismen ausgebildet, an die eingangsseitig Lichtleitfasern angeschlossen sind. Zwischen der jeweiligen Lichtleitfaser und dem Prismeneingang ist ein fokussierendes, optisches Element angeordnet. Das Prisma bewirkt eine 90° -Lichtumlenkung. Innerhalb des Prismas wird ein paralleler Strahlengang vor- ausgesetzt. Dieser Sensor erfordert, dass die zu vermessende Werkstückoberfläche rechtwinklig zu den optischen Achsen der ausgangsseitigen Fresnellinsen ausgerichtet ist. Dies erschwert das Vermessen unbekannter Oberflächengeometrien. Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Messkopf zu schaffen, der sowohl zur Vermessung von zylindrischen Bohrungen als auch zur Vermessung von schwach kegeligen Bohrungen oder sonstigen schwer zugänglichen Stellen von Werkstücken einsetzbar ist.

Der erfindungsgemäße Messkopf zeichnet sich durch ein Objektiv mit großer numerischer Apertur aus. Außerdem enthält es einen Spiegel, der das Licht seitlich zu der Längsachse einer Licht zu- und abführenden Lichtleitfaser ein- und austreten lässt . Zu dem Objektiv gehören zwei fokussie- rende optische Elemente, die insgesamt eine numerische Apertur > 0,1 aufweisen. Diese große numerische Apertur gestattet nicht nur die Erzielung einer großen optischen Auflösung bei der Vermessung der Werkstückoberfläche. Sie macht die Messung darüber hinaus unempfindlich gegenüber Fehlausrichtungen der Werkstückoberfläche in Bezug auf die optische Achse des Objektivs. Kleinere Winkelfehler können toleriert werden, so dass der Messkopf auch die Vermessung von -Kegel- flächen oder sonstigen Oberflächenkonturen gestattet.

Es haben sich zwei Bauformen des erfindungsgemäßen Messkopfs als besonders vorteilhaft herausgestellt. Eine erste Familie von Ausführungsbeispielen beruht auf einer halbkugelförmigen oder kugelabschnittsförmigen Linse, die eine verspiegelte Fläche aufweist oder an einer verspdLegel- ten Fläche anliegt und somit sowohl die Lichtumlenkung als auch eine Vorfokussierung des Lichts ermöglicht. Zusätzlich ist in dem Lichtweg ein weiteres fokussierendes Element angeordnet. Dieses ist beispielsweise durch ein diffrakfcives Element in Form einer Zonenplatte, Zonenlinse, diffral-ctive Linse oder beugungsoptische Linse gebildet. Es wird eine diffraktive, d.h. beugungsoptische Linse, bevorzugt. Diese weist eine hohe chromatische Aberration auf, die hier gewünscht ist .

Eine zweite Familie von Ausführungsformen beruht auf der Vorfokussierung des aus einer Lichtleitfaser kommenden Lichts mittels einer G IN-Linse (Gradienten-Index-Linse) , an die sich ein Umlenkspiegel und ein zweites fokussiereπides, optisches Element, beispielsweise ein diffraktives Element, anschließt, z.B. eine Zonenplatte, Zonenlinse, diffrakztive Linse oder beugungsoptische Linse. Dieses Element kann, auch in den Spiegel integriert sein, so dass dieser dann ei_nen beugungsoptischen, fokussierenden Spiegel bildet. Die Verwendung einer GRIN-Linse ist im Hinblick auf eine mikr^~oopti- sche Realisierung des Objektivs besonders vorteilhaft. Die GRIN-Linse ist durch einen durchsichtigen Zylinder gebildet, dessen Planflächen die Lichtein- und -austrittstlachen-, bilden. Das Linsenmaterial weist einen sich in Abhängigk it, vom Radius ändernden Brechungsindex auf, wodurch die gewün sehten fokussierenden Eigenschaften erzielt werden. Die Herstellung von GRIN-Linsen ist auch in sehr kleinen Dimensionen mit Linsendurchmessern kleiner als 1 mm mit hoher Präzision möglich.

Beiden genannten Familien ist gemeinsam, dass das erste fokussierende Element eine Vorfokussierung des Lichts zu einem konvergenten Lichtbündel vornimmt. Das zweite fokus- sierende Element fokussiert das Lichtbündel weiter. Es wird dadurch eine hohe numerische Apertur erreicht.

Der Messkopf arbeitet vorzugsweise mit nicht monochromatischem Licht, beispielsweise farbigem oder weißem Licht, mit einem wenigstens über einen gewissen Frequenzbereich kontinuierlichem Spektrum. Solches Licht kann beispielsweise von einer Glühlampe, einer Hochdruckentladungslampe oder auch von anderen Lichtquellen stammen. Durch die hohe chromatische Aberration wenigstens einer der beiden fokussierenden Elemente wird trotz der hohen numerischen Apertur eine hohe effektive Tiefenschärfe des Objektivs erreicht. Entlang der optischen Achse sind die Fokuspunkte der unterschiedlichen, im Licht enthaltenen Wellenlängen angeordnet. Der Sensor erfasst durch das Objektiv deshalb Licht nur der Wellenlänge, in dessen Brennpunkt sich die Objektoberfläche befin- det. Die durch die Faserkern-Stirnfläche gebildete Blende blendet _. die übrigen Wellenlängen aus. Der Messkopf ist vorzugsweise als konfokales Mikroskop ausgebildet. Das aufgenommene Licht wird einer spektralen Analyse unterworfen. Die erfasste Lichtfarbe ist ein Maß für den Abstand des erfass- ten Oberflächenpunkts von dem Objektiv.

Objektive des so beschriebenen Aufbaus lassen sich wegen ihrer geringen Abmessungen ohne Weiteres zu einem Li- niensensor zusammensetzen. Damit können linienhafte Abschnitte einer Werkstückoberfläche in einem einfachen kurzen Messvorgang vermessen werden. Der sich ergebende Messkopf ist schlank, so dass auch schwer zugängliche Werkstückab- schnitte leicht vermessen werden können.

Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Figurenbeschreibung oder von Ansprüchen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:

Figur 1 eine Messeinrichtung mit einem erfindungs- gemäßen Messkopf bei der Vermessung eines Werkstücks in schematisierter Darstellung,

Figur 2 bis 4 Messköpfe mit Halbkugellinse in schematisierter Prinzipdarstellung,

Figur 5 bis 7 Messköpfe mit GRIN-Linse in schematisierter Darstellung,

Figur 8 einen optischen Liniensensor bestehend aus mehreren Punktsensoren gemäß einer der Figuren 2 bis 4,

Figur 9 und 10 weitere Ausführungsformen der optischen Punktsensoren in schematisierter Darstellung,

Figur 11 den Punktsensor nach Figur 9 in perspektivi scher Darstellung, Figur 12 den Punktsensor nach Figur 9 und 11 in Seitenansicht und

Figur 13 den Punktsensor nach Figur 10 in perspektivi- scher Ansicht.

In Figur 1 ist eine Messeinrichtung 1 veranschaulicht, mit der die Oberfläche eines Werkstücks 2, insbesondere auch an sehr schwer zugänglichen Stellen, wie beispielsweise innerhalb einer Bohrung 3 zu vermessen ist. Dazu dient ein schlanker Messkopf 4, der in die Bohrung 3 eingeführt werden kann. Der Messkopf 4 beruht auf einem optischen Messprinzip und tastet die Oberfläche der Bohrung 3 optisch an einer punktförmigen Stelle 5 an. Der Messkopf 4 wird über eine nicht weiter veranschaulichte Positioniereinrichtung bewegt . Dazu ist er beispielsweise Teil einer Koordinatenmessmaschi- ne .

Der Messkopf 4 ist über ein Lichtleitkabel, das wenigstens eine Lichtleitfaser 6 enthält, an eine Messeinheit 7 angeschlossen, zu der eine Lichtquelle 8 und ein Lichtempfänger 9 gehören.

Die Lichtquelle 8 enthält ein breitbandiges, nahezu punktfδrmiges Leuchtmittel 11, z.B. eine geeignete Glühla - pe, sowie einen Reflektor 12, der das Licht auf eine Sammellinse 13 wirft. Es wird somit ein im Wesentlichen paralleles Lichtbündel 14 erzeugt, das letztendlich zur Beleuchtung der Stelle 5 dient. Dazu passiert das Lichtbündel 14 zunächst einen halbdurchlässigen Spiegel 15 und wird dann mittels einer weiteren Sammellinse 16 in die Lichtleitfaser 6 des

Lichtleitkabels eingekoppelt. Es lässt sich als Lichtquelle auch eine auf einem Halbleiter basierende Lichtquelle, z.B. eine Superluminiszenzdiode verwenden, bei der eine Lichtleitfaser direkt an die Licht emittierende Fläche des Halb- leitermaterials gekoppelt ist. Der halbdurchlässige Spiegel 15 kann durch einen Y-Koppler ersetzt werden. Von dem Messkopf 4 aufgenommenes Licht wird über die Lichtleitfaser 6 und die Sammellinse 16 zurück auf den halbdurchlässigen Spiegel 15 geleitet. Dieser koppelt das Licht als Lichtbündel 17 aus und leitet es zu dem Lichtempfänger 9.

Der Lichtempfänger 9 enthält eine Linsenanordnung 18, die den Durchmesser des Lichtbündels 17 wesentlich vermindert, so dass ein im Grunde linienhafter Lichtstrahl 19 ver- bleibt. Dieser wird durch ein Prisma 21 entsprechend seiner Lichtfarbe (Wellenlänge) abgelenkt und fällt auf einen vielzelligen Photodetektor 22 oder einen sonstigen ortsempfindlichen Sensor. Die Stelle, an der der abgelenkte Lichtstrahl 19' auftrifft, kennzeichnet die Wellenlänge des Lichts. Die Empfangsfaser kann auch direkt an ein geeignetes Spektro- meter gekoppelt werden, bei dem die spektrale Aufspaltung z.B. mittels eines optischen Gitters erfolgt.

Figur 2 veranschaulicht eine erste Ausführungsform des Messkopfs 4 in schematischer Darstellung. Der Messkopf 4 enthält eine halbkugelförmige Linse 23, die von dem divergent aus der Lichtleitfaser 6 austretenden Licht getroffen wird. Die halbkugelförmige Linse 23 weist eine verspiegelte, vorzugsweise plan ausgebildete Fläche 24 auf (oder liegt an einem Spiegel an) , die vorzugsweise unter einem Winkel von 45° zu der Längsrichtung der Lichtleitfaser 6 angeordnet ist. Dies gilt zumindest für Messkδpfe 4 mit rechtwinklig seitlich austretendem Licht. Sind andere Austrittsrichtungen gewünscht, kann die Fläche 24 der Linse 23 in einem entspre- chend anderen Winkel angeordnet sein.

Die Linse 23 ist durch nicht weiter veranschaulichte Befestigungsmittel an einem Träger 25 befestigt und gehal- ten. Der Träger 25 kann beispielsweise aus einem durchsichtigen Kunststoffmaterial ausgebildet sein. Die Stelle, an der das von der Linse 23 reflektierte und vorfokussierte Licht den Träger 25 durchstrahlt, kann in diesen eine Zonen- linse 26 eingearbeitet sein. Diese ist vorzugsweise als beugungsoptisches (diffraktives) Element ausgebildet. Der verwendete Kunststoff weist vorzugsweise eine hohe Brechzahl auf. Die Linse 23 mit ihrer verspiegelten Fläche 24 bildet zusammen mit der Zonenlinse 26 ein Objektiv, das quer zu dem Träger 25 sowie zu der Lichtleitfaser 6 nur eine äußerst geringe Abmessung auf eist. Darüber hinaus weist es insgesamt eine sehr hohe numerische Apertur von >0,1, vorzugsweise >0,3 auf. Es können Werte von 0,5 und mehr erreicht werden. Die numerische Apertur A berechnet sich zu:

A = n sin σ, wobei σ der halbe Öffnungswinkel des aus der Linse 23 nebst Fläche 24 und Zonenlinse 26 gebildeten Objektivs 27 und n die Brechzahl des Mediums zwischen dem Objektiv und seinem

Brennpunkt 28 ist.

Die hohe numerische Apertur gestattet die Vermessung von Werkstückoberflächen auch dann, wenn diese nicht unbe- dingt rechtwinklig zu der optischen Achse 29 des Objektivs 27 ausgerichtet sind.

Der Messkopf 4 weist eine hohe chromatische Aberration auf. Diese wird im Wesentlichen durch die Zonenlinse 26 ver- ursacht, die bewusst zur Erzielung einer hohen chromatischen

Aberration gestaltet ist. Die Brennweite nimmt mit zunehmender Licht ellenlänge ab (negative longitudinale chromatische Aberration) . Es können jedoch auch brechungsoptische Elemen- te (refraktive Linsen) verwendet werden, die eine positive longitudinale chromatische Aberration aufweisen (die Brennweite nimmt mit der Lichtwellenlänge zu) . Die insoweit beschriebene Messeinrichtung 1 arbeitet wie folgt :

Der Messkopf 4 wird zunächst so vor der Werkstückoberfläche positioniert, dass wenigstens einer seiner verschie- den farbigen, entlang der Achse 29 angeordneten Brennpunkte an der Stelle 5 der Werkstückoberfläche liegt. Genau genommen, liegen unendlich viele Brennpunkte entlang eines Abschnitts der optischen Achse 29 verteilt, wobei sich benachbarte Brennpunkte farblich nur infinitesimal unterscheiden. Die Lichtquelle 8 koppelt nun über die Lichtleitfaser 6

Licht in den Messkopf 4 ein, um die Stelle 5 zu beleuchten. Dabei liegt die Werkstückoberfläche an einer Stelle der optischen Achse 29, die dem Brennpunkt einer bestimmten Lichtwellenlänge entspricht. Das reflektierte Licht wird von dem Objektiv 27 wieder aufgenommen. Durch die nahezu punktformi- ge Stirnfläche der Lichtleitfaser wird aus dem reflektierten, aufgenommenen Licht nur das Licht des Brennpunkts aufgenommen und zu dem Lichtempfänger 9 geleitet. Der Lichtempfänger 9 nimmt eine spektrale Analyse vor. Der Photode- tektor 22 erzeugt an einer Ausgangsleitung 31 ein Ausgangssignal, das die empfangene Lichtwellenlänge kennzeichnet. Aus dieser kann auf den Abstand zwischen dem Objektiv 27 bzw. zwischen den Messkopf 4 und der Werkstückoberfläche geschlossen werden.

Die Möglichkeit der Erzielung einer hohen numerischen Apertur ergibt sich bei dem Objektiv 27 nach Figur 2 durch die Verwendung der halbkugelförmigen Linse 23 in Verbindung mit der Zonenlinse 26.

Eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Objektivs 27 ist in Figur 3 veranschaulicht. Wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Licht- weg gestrichelt eingetragen. Jedoch ist die Zonenlinse 26 vor der Linse 23, d.h. zwischen der Linse 23 und dem Lichtaus- und -eintritt der Lichtleitfaser 6 angeordnet. Es er- gibt sich wiederum ein Objektiv 27 mit großer numerischer

Apertur, d.h. großem Öffnungswinkel 2σ des Objektivs 27. Die Zonenlinse 26 kann wiederum an einem Kunststoffträger ausgebildet sein, der mit einem Fortsatz 32 in den Lichtweg ragt. Wie Figur 4 veranschaulicht, ist es auch möglich, die Linse 23 und die Zonenlinse 26 miteinander zu vereinigen. Die halbkugelförmige oder auch kugelabschnittsförmige Linse 23 ist dazu an ihrer spiegelnden Fläche 24, die vorzugsweise als Planfläche ausgebildet ist, mit einer Zonenstruktur 26a versehen, die eine hohe chromatische Aberration verursacht. Die Linse 23 liefert ein Objektiv mit kurzer Brennweite und hoher numerischer Apertur.

Allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass sie als wesentliches Element die kugelabschnittsförmige oder halbkugelförmige Linse 23 nutzen. Solche Linsen lassen sich mit rationellen Fertigungsverfahren mit äußerst kleinen Abmessungen in hoher Präzision fertigen, was eine Miniaturisierung des beschriebenen Messkopfs 4 ermöglicht.

Die Figuren 5 bis 7 veranschaulichen andere, ebenfalls miniaturisierungsfreundlich gestaltete Ausführungsformen des Messkopfs 4. Es wird zunächst auf Figur 5 verwiesen. Bei dieser ist auf dem Träger 25 eine GRIN-Linse 33 angeordnet. Die GRIN-Linse ist eine Linse zylindrischer Grundform, bei der sich der BrechungsIndex ausgehend von der zentralen op- tischen Achse radial nach außen hin verändert, so dass ein Fokussierungseffekt erreicht wird. Die Lichtleitfaser 6 wirft das Licht auf eine plane Stirnfläche der GRIN-Linse 33. Dieser folgend ist an der gegenüber liegenden Seite ein Spiegel 34 angeordnet, der das vorgebündelte Licht seitlich durch den Träger 25 nach außen wirft. An dem Träger 25 ist die diffraktive Struktur in Form der Zonenlinse 26 ausgebildet, wodurch in unmittelbarer Nähe der Werkstückoberfläche ein großer Öffnungswinkel 2σ erzielt wird. Dieser ist vorzugsweise größer als 35°, d.h. NA > 0,3.

Wie Figur 6 veranschaulicht, kann an Stelle des Spiegels 34 auch ein Prisma 35 vorgesehen werden, das eine verspiegelte Basisfläche 36 aufweist. Die vorzugsweise rechtwinklig zueinander stehenden Seiten bilden den Lichtein- und -auslass. Es ist wiederum am Lichtauslass eine Zonenlinse 26 vorgesehen, um den großen Öffnungswinkel 2σ zu erzielen. Zwischen der GRIN-Linse 33 und dem Lichtaustritt der Lichtleitfaser 6 kann eine freie Luftstrecke oder alternativ ein lichtleitendes festes Element, wie z.B. ein Glaskörper, Glasstab, Kunststoffkörper, Kunststoffstab oder dergleichen vorgesehen sein. Desgleichen kann zwischen der GRIN-Linse 33 und dem Prisma 35 eine Luftspalt oder alternativ ein lichtleitendes festes Element, wie z.B. ein Glaskörper, Glasstab, Kunststoffkörper, Kunststoffstab oder dergleichen vorgesehen sein. Die GRIN-Linse 33 kann auch direkt an das Prisma 35 angesetzt oder in dieses eingearbeitet bzw. Teil desselben sein. Anstelle der GRIN-Linse 33 kann das den Lichtaustritt festlegende Ende der Lichtleitfaser 6 auch selbst als opti- sches Element z.B. als Sammellinse ausgebildet sein. Im einfachsten Falle kann dazu z.B. das Ende der Lichtleitfaser 6 kugelförmig aufgeschmolzen werden. Figur 7 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die GRIN-Linse 33 mit einem diffrak- tivem Reflektor 36 kombiniert ist. Im Lichtweg ist im An- schluss an die Lichtleitfaser 6 die GRIN-Linse 33 angeordnet. Der nachfolgend angeordnete diffraktive Reflektor 36 erzeugt einerseits die gewünschte hohe chromatische Aberration und andererseits zugleich die seitliche Ablenkung des Lichts und die kurze Brennweite des Objektivs 27, die sich in dem großen Öffnungswinkel 2σ dokumentiert. Sowohl die GRIN-Linse 33 als auch der diffraktive Reflektor 36 sind miniaturisierungsfreundliche Bauelemente, so dass das Objektiv 27 äußerst klein aufgebaut werden kann.

Figur 8 veranschaulicht ein Beispiel für einen Liniensensor 37, der durch eine Folge von Punktsensoren gebildet ist. Die Punktsensoren können nach einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgebildet sein. In dem in Figur 8 veranschaulichten Beispiel dient der Sensor gemäß Figur 2 als Grundlage. Das Lichtleitkabel enthält hier mehrere Lichtleitfasern und zwar eine für jeden Messpunkt. Ent- sprechend ist auch jede Faser an einen eigenen, nicht weiter veranschaulichten Lichtempfänger entsprechend dem Lichtempfänger 9 nach Figur 1 angeschlossen. Jeder Lichtleitfaser ist jeweils eine Halbkugellinse 23 (23a bis 23j) zugeordnet, wobei die geometrischen Verhältnisse entsprechend Figur 2 eingerichtet sind. Unterhalb der schräg angeordneten Linsen

23a bis 23j sind in dem Träger 25 die Zonenlinsen 26 angeordnet, die in Figur 8 durch die Linsen 23a bis 23j verdeckt sind. Die Linsen 23a bis 23j leiten somit das Licht senk- recht zur Zeichenebene nach unten, so dass die optischen Achsen der so gebildeten Einzelobjektive parallel und im Abstand zueinander senkrecht in die Zeichenebene hineingehen.

Ein solcher Liniensensor 37 kann in dem Messkopf 4 gemäß Figur 1 angeordnet werden, um dann einen größeren li- nienhaften Abschnitt der Wandung der Bohrung 3 zu erfassen. Aufgrund der geringen Abmessungen der Einzelsensoren bzw. Einzelobjektive können diese sehr dicht aneinander heranrücken und es kann ein Messkopf 4 geschaffen werden, der einen Durchmesser von beispielsweise kaum mehr als 2 mm aufweist. Es ist somit die Untersuchung von Werkstücken und die Vermessung derselben auch unter sehr beengten Bedingungen mög- lieh.

Die Erfindung wendet bei einem Abstandssensor das konfokal-chromatische Messprinzip so an, dass bei minimalem Messkopfdurchmesser eine Winkelumlenkung des zur Messung verwendeten Lichts mit einer großen numerischen Apertur kombiniert und eine Longitudinalauflösung im Submikrometerbe- reich erreicht wird. Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass das aus einer axial angeordneten Faser divergent austretende Licht in mindestens zwei aufein- ander folgenden Schritten kollimiert und fokussiert wird, wobei nach der Teilkollimation, nach der vollständigen Kol- limation oder nach der vollständigen Kollimation einschließlich einer Vorfokussierung eine Winkelumlenkung in die gewünschte Messrichtung erfolgt, wobei die endgültige Fokus- sierung entweder der Winkelumlenkung nachgeordnet ist oder zusammen mit der Winkelumlenkung bezogen wird. Die Abstands- messung beruht auf der Wellenlängenaufspaltung des Fokuspunkts entlang der optischen Achse und der spektralen Analy- se des in die Faser zurück gekoppelten Lichts. Die gewünschte spektrale Aufspaltung kann durch eine Kombination von achromatischen Elementen oder Elementen mit positiver longi- tudinaler chromatischen Aberration sowie Elementen mit nega- tiver longitudinaler chromatischer Aberration erreicht werden. Solche Elemente sind beispielsweise refraktive Linsen und diffraktive Linsen. Die erforderlichen optischen Elemente können ganz oder teilweise mikrooptisch ausgeführt werden. Die letzte Fokussierung erfolgt vorzugsweise mittels eines in einem Trägersubstrat eingeschriebenen diffraktiven Elements. Dieses Element kann aus einem Polymer ausgebildet sein und Haltestrukturen für die Lichtleitfaser und/oder die optischen Elemente (Linsen und Spiegel)- aufweisen. Es können auch mehrere punktförmig messende Sensoren zu einem linien- förmig messenden Sensor kombiniert werden.

Vorzugsweise erfolgt die Kollimation, die Vorfokussie- rung und die Winkelumlenkung durch eine schräg gestellte Halbkugellinse 23 mit verspiegelter Planfläche 24, die vor einem fokussierenden diffraktivem Element 26 angeordnet ist.

Alternativ und ebenfalls miniaturisierungsfähig kann eine GRIN-Linse oder eine andere refraktive Linse zur Kollimation und Vorfokussierung vor einem Planspiegel angewendet werden. Der Planspiegel dient der Winkelumlenkung. Ihm ist ein fo- kussierendes diffraktives Element nachgeordnet. Alternativ kann das diffraktive Element in den Spiegel integriert sein.

Es kann auch vorgesehen werden, zuerst eine Vorkollima- tion durch ein diffraktives Element 26 vorzunehmen, das vor einer schräg gestellten Halbkugellinse mit verspiegelter

Planfläche angeordnet ist, die zur Kollimation, Vorfokussierung, Winkelumlenkung und Fokussierung dient. Weiter ist es möglich, zuerst eine Kollimation und ggf. Vorfokussierung durch eine GRIN-Linse oder eine andere refraktive Linse vorzunehmen, wobei die nachfolgende Winkelumlenkung mittels eines Prismas realisiert wird, bei dem zur Fokussierung die dem Objekt zugewandte Fläche oder die spiegelnde Planfläche mit einer diffraktiven Struktur versehen wird.

Die Figuren 9 und 10 zeigen derzeit bevorzugte Ausführungsformen einer Realisierung des erfindungsgemäßen Sensors. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 9 ist die Linse 23 an ihrer Fläche 24 verspiegelt. Sie ist knapp oberhalb des Trägers 25 gehalten oder mit diesem verbunden. An dem Träger 25 ist eine Zonenlinse 26, beispielsweise in Form eines diffraktiven Elements, ausgebildet. Die Linse 23 wirkt als re- fraktives Element. Die praktische Ausführungsform dieses Punktsensors ist in den Figuren 11 und 12 veranschaulicht. Der Träger 25 ist beispielsweise aus Quarzglas ausgebildet. Die Linse 23 ist zwischen zwei Halteelementen 38, 39 lagerichtig gehalten. Das Halteelement 38 ist etwa Y-förmig ausgebildet und mit dem Träger 25 verbunden. Beispielsweise ist es mit diesem verklebt. Das Halteelement 39 weist eine an der Fläche 24 anliegende Planfläche . auf und bestimmt somit die Ausrichtung der Linse 23. Diese schwebt über dem Träger 25 oder berührt diesen in einem Punkt. Das Halteelement 39 sitzt auf einem Haltestück 41, das beispielsweise mit dem Träger 25 verklebt oder sonstwie verbunden ist.

In einigem Abstand zu der Linse 23 ist die Lichtleitfaser 6 gehalten. Dazu dient ein Halteblock 42, der auf den Träger 25 aufgesetzt ist. Beispielsweise ist er durch Halte- Strukturen 43, 44 formschlüssig gehalten, die an oder auf dem Träger 25 ausgebildet sind. Bei der Ausführungsform nach Figur 10 ist anstelle der Linse 23 die Kombination einer GRIN-Linse 33 mit einem nach- geordneten Spiegel 34 vorgesehen. Die GRIN-Linse 33 kann direkt an dem Träger 25 befestigt sein. Der Träger 25 kann außerdem eine Haltestruktur aufweisen, die den Spiegel 34 trägt. Vorzugsweise ist der Träger 25 aus einem Kunststoff oder Quarzglas oder einem ähnlichen Material ausgebildet. Bevorzugt wird ein 0,3 mm dickes Quarzglassubstrat, an dem die nötigen diffraktiven Strukturen zur Ausbildung der Zo- nenlinse 26 und Haltestrukturen ausgebildet werden können.

Die praktische Ausführung des Punktsensors nach Figur 10 ist in Figur 13 perspektivisch veranschaulicht. Die GRIN-Linse 33 ist zwischen beidseits ihrer Mantelfläche angeordneten Haltestrukturen 45 gelagert, die an den Träger 25 angeformt oder an diesem befestigt sind. Zwischen den Haltestrukturen

45, die die GRIN-Linse 33 halten, und einer Haltestruktur

46, die an den Träger 25 angeformt, aus diesem ausgearbeitet oder sonstwie mit diesem verbunden ist, ist ein Spiegelelement 47 gehalten, das der GRIN-Linse 33 eine Schrägfläche zuwendet. Es kann von der GRIN-Linse 33 beabstandet sein oder diese etwas übergreifen und somit am Ort fixieren. Die der GRIN-Linse zugewandte Planfläche ist verspiegelt und bildet somit den Spiegel 34, wie er aus Figur 10 ersichtlich ist .

Die Lichtleitfaser 6 ist in dem Halteblock 42 wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gehalten. Insoweit wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 11 bis 13 handelt es sich um prozesssicher und technologisch sehr einfach herzustellende PunktSensoren, die eine hohe Erfassungsgenauigkeit ermöglichen. Es kann auch zuerst eine Kollimation und ggf. eine Vor- fokussierung durch eine GRIN-Linse oder eine andere diffraktive Linse vorgenommen werden, wobei die nachfolgende Winkelumlenkung mittels eines schräg gestellten Spiegels reali- siert wird, bei dem zur Fokussierung die spiegelnde Planfläche mit einer diffraktiven Struktur versehen ist. Die Kollimation kann auch durch eine erste Grenzfläche einer schräg gestellten Halbkugellinse erfolgen, wobei die Winkelumlenkung durch die spiegelnde Planfläche in die eine diffraktive Struktur eingeschrieben ist und die endgültige Fokussierung durch die zweite Grenzfläche der schräg gestellten Halbkugellinse erreicht wird.

Ein erfindungsgemäßer Messkopf 4 weist die Kombination einer Zonenlinse 26, die vorzugsweise als diffraktive Linse ausgebildet ist, mit einer Halbkugellinse 23 oder einer GRIN-Linse 33 auf. Dies ist ein miniaturisierungsfähiges Konzept, das zu sehr schlanken Messköpfen 4 mit hoher numerischer Apertur und in Folge dessen bestem Auflösungsver- mögen führt. Derartige Messköpfe sind unempfindlich gegen Winkelfehler hinsichtlich der Ausrichtung des Messkopfs gegen die zu messende Fläche oder Schrägstellung der Fläche gegen die optische Achse des Messkopfs.

Claims

Patentansprüche :

1. Messkopf (4) zur optischen Vermessung von Gegenständen (2) , mit einer Lichtquelle (8) , die Licht mit unterschiedlichen spektralen Anteilen aufweist, mit einem Lichtempfänger (9) , der von dem Gegenstand (2) reflektiertes Licht aufnimmt und hinsichtlich seiner spektralen Zusammensetzung analysiert, mit wenigstens einem Lichtleiter (6) , der die Lichtquelle (8) mit wenigstens einem Objektiv (4) verbindet, dessen Durchmesser geringer als 5 mm ist, wobei zu dem Objektiv: a. ein Spiegel (24), der das von dem Lichtleiter (6) gelieferte Licht in eine Richtung quer zu dem Lichtleiter (6) ablenkt, b. wenigstens ein erstes fokussierendes Element (23, 33) , das von der Lichtquelle (8) aus gesehen vor dem Spiegel (24) angeordnet ist, c. ein zweites Element (26, 36) mit chromatischer Aberration gehören, das in dem Lichtweg des Objektives mit dem ersten Element hintereinander und hinter dem Spiegel (24) angeordnet oder in diesen integriert ist, wobei das Objektiv (4) insgesamt eine numerische Apertur (NA) größer gleich 0,1 aufweist.

2. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der drei Elemente (24, 23, 26, 36) des Objektivs gemäß der Punkte a, b, c des Anspruchs 1 zu einer Funktionseinheit kombiniert sind.

3. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf ein mikrooptischer Messkopf in Hybridausführung ist, bei dem wenigstens ein optisches Element (24, 23, 26, 36) in einem Träger (25) ausgebildet ist, an dem Haltestrukturen zur Befestigung wenigstens eines der übrigen optischen Elemente ausgebildet sind.

4. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element (26, 36) ein fokussierendes diffraktives Element ist.

5. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element (26, 36) eine fokussierende Zonenlinse ist.

6. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste fokussierende Element (23, 33) ein refrakti- ves Element ist.

7. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste fokussierende Element (23, 33) eine Sammel- linse ist.

8. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste fokussierende Element (23, 33) eine GRIN-Linse ist.

9. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste fokussierende Element (23, 33) eine Halbkugellinse ist .

10. Messkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (24) durch eine an der Halbkugellinse ausgebildete Fläche (24) gebildet ist.

11. Messkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (24) eine Planfläche ist.

12. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (4) eine numerische Apertur von größer als 0,3 aufweist.

13. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (4) eine numerische Apertur von 0,5 oder größer aufweist .

14. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (4) auf einem Träger (25) aufgebaut ist, der den Lichtleiter (6) und die optischen Elemente (23, 33, 26, 26) relativ zueinander starr hält.

15. Messkopf nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (25) aus einem durchsichtigen Material ausgebildet ist, an dem das zweite optische Element (26, 36) ausgebildet ist.

16. _. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (4) als Teil eines konfokalen Mikroskops ausgebildet ist.

17. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lichtleiter (6) und mehrere angeschlossene Objektive (4) vorgesehen sind.

18. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der GRIN-Linse (33) und dem Lichtaustritt der Lichtleitfaser (6) eine freie Luftstrecke oder alternativ ein lichtleitendes festes Element, wie z.B. ein Glaskörper, Glasstab, Kunststoffkδrper, Kunststoffstab oder dergleichen vorgesehen ist.

19. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der GRIN-Linse (33) und dem Prisma (35) ein Luftspalt oder alternativ ein lichtleitendes festes Element, wie z.B. ein Glaskörper, Glasstab, Kunststoff- körper, Kunststoffstab oder dergleichen vorgesehen ist.

20. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die GRIN-Linse (33) direkt an das Prisma (35) angesetzt oder in dieses eingearbeitet bzw. Teil desselben ist.

21. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den Lichtaustritt festlegende Ende der Lichtleitfaser (6) selbst als optisches Element z.B. als Sammellinse ausgebildet ist.