DE10354730A1

DE10354730A1 - Optical sensor including an optical fiber, a fiber elongation, deflecting mirror for coupling and decoupling the light useful for detecting clearances inside cavities of diameter less than 500 micron

Info

Publication number: DE10354730A1
Application number: DE2003154730
Authority: DE
Inventors: Arndt Last
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2003-11-22
Filing date: 2003-11-22
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-11-23
Also published as: DE10354730B4

Abstract

Optical sensor head including an optical fiber (10) via which light in the sensor head is coupled or decoupled, a fiber elongation (11) coupled optically at one end to the optical fiber and at the other end to a deflecting mirror (12) for coupling and decoupling the light, a composite structure (15) for reception of part of the optical fiber (10) and fiber elongation (11) in a fiber channel (16). Optical sensor head including an optical fiber (10) via which light in the sensor head is coupled or decoupled, a fiber elongation (11) coupled optically at one end to the optical fiber and at the other end to a deflecting mirror (12) for coupling and decoupling the light, a composite structure (15) for reception of part of the optical fiber (10) and fiber elongation (11) in a fiber channel (16), and a transparent region for coupling and decoupling of the light.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensorkopf, der auf eine Lichtleitfaser, über die Licht in den Sensorkopf ein- und auskoppelt wird, aufgebracht wird, sowie dessen Verwendung zur Erfassung von Abständen innerhalb von Löchern mit einem Durchmesser von weniger als 1 Millimeter.The The invention relates to an optical sensor head which is mounted on an optical fiber over which Light is coupled into and out of the sensor head, and its use for detecting distances within holes with a diameter of less than 1 millimeter.

Die Vermessung von Löchern mit Durchmessern unterhalb von 1 Millimeter gewinnt in vielen technischen Bereichen zunehmend an Bedeutung. Beispiele hierfür sind Kraftstoffeinspritzpumpen oder Düsen.The Measurement of holes with diameters below 1 millimeter wins in many technical Areas increasingly important. Examples include fuel injection pumps or nozzles.

Nach dem Stand der Technik (siehe etwa H.-J. Jordan, M. Wegner und H. Tiziani, Highly accurate non-contact characterization of engineering surfaces using confocal microscopy, Meas. Sci. Technol., Band 9, Seite 1142–1151, 1998) werden zur Ermittlung kleiner Abstände konfokale Mikroskope eingesetzt. Hierbei wird eine weiße Punktlichtquelle durch einen Strahlteiler über ein Linsensystem auf die zu vermessende Oberfläche fokussiert. Eine Optik mit starker chromatischer Aberration sorgt dafür, dass die Brennpunkte der verschiedenen Wellenlängen verschiedene Abstände von der Optik haben. Dadurch wird als Funktion des Abstandes der zu vermessenden Oberfläche immer nur ein schmaler Wellenlängenbereich scharf auf die Messoberfläche abgebildet. Das von der Oberfläche reflektierte Licht wird von der Mikroskopoptik über den Strahlteiler auf eine Lochblende abgebildet, hinter der sich ein spektral auflösender Farbdetektor, zum Beispiel ein Spektrometer, befindet. Die Farbe, die beim betreffenden Abstand auf der zu vermessenden Oberfläche scharf abgebildet wird, wird gleichzeitig scharf auf die Lochblende abgebildet und trifft so auf den Farbdetektor. Aus der Wellenlänge der detektierten Farbe lässt sich, ohne ein Bauteil mechanisch zu bewegen, der Abstand der Messoberfläche zur Mikroskopoptik ermitteln.To the prior art (see, for example, H.J. Jordan, M. Wegner and H. Tiziani, Highly accurate non-contact characterization of engineering surfaces using confocal microscopy, Meas. Sci. Technol., Volume 9, Page 1142-1151, 1998), confocal microscopes are used to detect small distances. This is a white Point light source through a beam splitter via a lens system on the surface to be measured focused. An optic with strong chromatic aberration provides that the foci of different wavelengths different distances from have the optics. This is as a function of the distance to measuring surface always only a narrow wavelength range sharp on the measuring surface displayed. That from the surface reflected light is transmitted from the microscope optics via the beam splitter to a Aperture, behind which a spectral resolution color detector, For example, a spectrometer is located. The color at the distance in question on the surface to be measured is sharply focused, is simultaneously focused on the pinhole imaged and thus hits the color detector. From the wavelength of detected color can be, without moving a component mechanically, the distance of the measuring surface to Determine microscope optics.

Ein Sensor, der auch zur Vermessung von Abständen innerhalb von Löchern eingesetzt werden kann, muss einen Sensorkopf mit besonders geringen Außenmaßen aufweisen. Üblicherweise wird der Sensorkopf aus einzelnen Linsen sowie weiteren optischen Komponenten aufgebaut, die auf einer optischen Bank justiert werden. Zur Vermessung von Löchern mit einem Durchmesser unterhalb von 1 Millimeter ist die Bauweise mit diskreten Linsen, die auf einer mikrooptischen Bank angeordnet werden, in der Praxis nicht mehr realisierbar.One Sensor also used to measure distances within holes must have a sensor head with very small external dimensions. Usually is the sensor head of individual lenses and other optical Components set up that are adjusted on an optical bench. For measuring holes with a diameter of less than 1 millimeter is the construction with discrete lenses arranged on a micro-optical bench become impossible to realize in practice.

Ausgehend davon ist es die Aufgabe der Erfindung, einen optischen Sensorkopf anzugeben, der die vorher genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweist und insbesondere zur Vermessung von Löchern mit Durchmessern unterhalb von 1 Millimeter geeignet ist.outgoing It is the object of the invention, an optical sensor head indicate the aforementioned disadvantages and limitations does not have and in particular for the measurement of holes with Diameters below 1 millimeter is suitable.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Patentanspruch 10 beschreibt eine vorteilhafte Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensorkopfes.Is solved to achieve this object by the features of claim 1. The dependent claims advantageous embodiments of the invention. Claim 10 describes an advantageous use of a sensor head according to the invention.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, die Lichtleitfaser, die das Messlicht in das zu vermessende Loch einführt, zugleich als mechanischer Träger aller im Sensorkopf benötigten optischen Komponenten zu nutzen. Bei den geringen zu vermessenden Dimensionen ist es vorteilhaft, die abbildenden optischen Elemente als Mikrostrukturen zum Beispiel mittels LIGA zu fertigen, auf die Faserstirnseite aufzustecken und an der Faser zu fixieren.The invention is based on the optical fiber, which introduces the measuring light into the hole to be measured, at the same time as a mechanical carrier all needed in the sensor head to use optical components. At the low to be measured Dimensions, it is advantageous to the imaging optical elements as microstructures, for example by means of LIGA to manufacture on the Attach the fiber end face and fix it to the fiber.

Um eine optimale Funktion bei hoher mechanischer Stabilität zu gewährleisten, ist der erfindungsgemäße Sensorkopf zweiteilig ausgeführt: Eine transparente Faserverlängerung wird zusammen mit dem Ende der Lichtleitfaser derart in den Faserkanal einer Verbindungsstruktur eingefügt, dass das Licht, das aus der in das Loch eingebrachten Faser eingekoppelt wird, durch die Form der Faserverlängerung in Richtung der Wand des Lochs umgelenkt wird, auf die es durch die Verbindungsstruktur, die vollständig transparent sein kann oder zumindest an dieser Stelle einen transparenten Bereich aufweist, hindurch trifft. Zur Detektion der Farbe des Lichtes nimmt das Licht den umgekehrten Weg durch die Verbindungsstruktur über die Faserverlängerung zurück in die Lichtleitfaser, die es zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Detektor wie etwa ein Spektrometer leitet. Das verwendete Licht deckt einen geeigneten Bereich des elektromagnetischen Spektrums im Sichtbaren (400–800 nm), im angrenzenden Infrarot (800 nm bis zu etwa 1600 nm) oder Ultraviolett (ca. 250–400 nm) ab. Der Bereich wird so gewählt, dass sich im Detektor keine Farbüberlagerungen mehrerer Beugungsordnungen ergeben.Around to ensure optimal function with high mechanical stability is the sensor head according to the invention Two-part design: One transparent fiber extension is so in the fiber channel together with the end of the optical fiber inserted a connection structure, that the light that is coupled from the fiber introduced into the hole is, by the shape of the fiber extension in the direction of the wall is deflected by the hole on which it passes through the connecting structure, the Completely can be transparent or at least at this point a transparent Has area, passing through. For detection of the color of the light the light takes the opposite route through the connection structure over the Fiber extension back into the Optical fiber, which makes it known from the prior art Detector such as a spectrometer conducts. The light used covers a suitable range of the electromagnetic spectrum in the visible (400-800 nm), in the adjacent infrared (800 nm to about 1600 nm) or ultraviolet (about 250-400 nm). The area is chosen that in the detector no color overlays result in multiple diffraction orders.

Erfindungsgemäß wird die transparente Faserverlängerung derart vor der Lichtleitfaser positioniert, dass sich hierdurch die Lichtleitfaser verlängert. Eine solche Verlängerung ist erforderlich, da die Faserstirnseite nur dann als leuchtender Fleck mit einem kleinen Durchmesser auf die Innenwand des zu vermessenden Lochs abgebildet wird, wenn die Abbildungsoptik einen gewissen Abstand von der Faserstirnfläche hat. An dem der Faser abgewandten Ende der Faserverlängerung ist eine vorzugsweise unter einem Winkel von ca. 45° zur Faserachse stehende, annähernd zylindrische Fläche eingebracht. Diese Fläche ist verspiegelt und lenkt das aus der Faser austretende Licht als Umlenkspiegel um das doppelte des genannten Winkels, das heißt um ca. 90° in Richtung auf die zu vermessende Seitenwand des Lochs um.According to the invention, the transparent fiber extension is positioned in front of the optical fiber in such a way that the optical fiber is lengthened thereby. Such an extension is necessary because the fiber end face is imaged on the inner wall of the hole to be measured only as a luminous spot with a small diameter, if the imaging optics has a certain distance from the fiber end face. At the end of the fiber extension facing away from the fiber, an approximately cylindrical surface, which is preferably at an angle of approximately 45 ° to the fiber axis, is introduced. This surface is mirrored and deflects the light emerging from the fiber as deflection mirror by twice that angle, that is to say by approximately 90 ° in the direction of the side wall to be measured Holes around.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung fokussiert der Umlenkspiegel durch seine gekrümmte Form das Licht in einer Ebene, deren Normale in der Zylinderachse des Umlenkspiegels liegt. In einer besonderen Ausgestaltung trägt der Umlenkspiegel zusätzlich diffraktive Elemente, die zum Beispiel durch eine Strukturierung der Oberfläche des Umlenkspiegeis in diesen eingebracht werden.In In a particularly advantageous embodiment, the deflecting mirror focuses through his curved Form the light in a plane, its normal in the cylinder axis the deflecting mirror is located. In a particular embodiment, the deflection mirror additionally carries diffractive Elements, for example, by structuring the surface of the Umlenkspiegeis be introduced into this.

Die Verbindungsstruktur ist eine weitere, zumindest teilweise transparente Struktur, die über die Lichtleitfaser und über die Faserverlängerung geschoben wird. Sie besteht bevorzugt vollständig aus einem transparenten Kunststoff wie Polymethylmethacrylat (PMMA). In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind über die gesamte Länge der Verbindungsstruktur in diese eine Zylinderlinse und eine Vertiefung mit Anschlagskanten zur Aufnahme eines diffraktiven oder refraktiven optischen Elements eingebracht.The Connection structure is another, at least partially transparent Structure over the optical fiber and over the fiber extension is pushed. It preferably consists entirely of a transparent Plastic such as polymethyl methacrylate (PMMA). In a special preferred embodiment are about the entire length the connection structure in this one cylindrical lens and a recess with stop edges for receiving a diffractive or refractive introduced optical element.

Die Verbindungsstruktur zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Funktionen und Vorteile aus:

– Erstens dient sie der Ausrichtung der Faserverlängerung in Richtung auf die Lichtleitfaser.
– Zweitens ermöglicht sie die justierte Fixierung der Faserverlängerung und der Verbindungsstruktur mit der Lichtleitfaser zum Beispiel mittels Verklebung.
– Drittens hat die Verbindungsstruktur in der Richtung, in der das Licht seitlich aus der Faserverlängerung austritt, die optische Wirkung einer Zylinderlinse, die zu einer Fokussierung des Lichts in der Ebene führt, deren Normale in der Zylinderachse der Zylinderlinse liegt.
– Viertens trägt die Verbindungsstruktur in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung auf derjenigen Seite, die der zu vermessenden Oberfläche zugewandt ist, eine Vertiefung mit seitlichen Anschlagskanten, mit deren Hilfe eventuell benötigte beugende (diffraktive) oder brechende (refraktive) optische Elemente positioniert werden.
– Fünftens kann die Verbindungsstruktur auf der Oberfläche der Zylinderlinse zusätzliche diffraktive Elemente tragen, die etwa durch eine Strukturierung der Oberfläche der Zylinderlinse in diese eingebracht werden.

The connection structure is characterized in particular by the following functions and advantages:

- First, it serves to align the fiber extension towards the optical fiber.
Secondly, it allows the adjusted fixation of the fiber extension and the connection structure with the optical fiber, for example by means of gluing.
Third, the connection structure in the direction in which the light emerges laterally from the fiber extension, the optical effect of a cylindrical lens, which leads to a focusing of the light in the plane whose normal lies in the cylinder axis of the cylindrical lens.
Fourthly, in a further advantageous embodiment, the connecting structure carries, on the side facing the surface to be measured, a recess with lateral abutment edges with the aid of which any diffractive (refractive) or refractive (refractive) optical elements which may be required are positioned.
- Fifth, the connection structure on the surface of the cylindrical lens can carry additional diffractive elements, which are introduced by structuring the surface of the cylindrical lens in this.

Der erfindungsgemäße optische Sensorkopf ist damit zur Vermessung von Lochdurchmessern unterhalb von 1 Millimeter geeignet. Der Durchmesser des Sensorkopfes beträgt insgesamt das drei- bis vierfache des Außendurchmessers der verwendeten Lichtleitfaser. Mit üblichen Faseraußendurchmessern von 125 μm können damit Lochdurchmesser von 400–500 μm auf ca. 1 μm genau vermessen werden. Mit dünneren Fasern (zum Beispiel Faseraußendurchmessern von 50 μm) erlaubt der Messkopf die Vermessung von Lochdurchmessern bis zu etwa 200 μm. Der kompakte Aufbau des Sensorskopfes ermöglicht es, bei geeigneten Arbeitsabständen eine große numerische Apertur der Optik zu erzielen, die zu einer Erhöhung der Abstandsauflösung in den Submikrometerbereich führt.Of the according to the invention optical Sensor head is thus below for measuring hole diameters of 1 millimeter. The diameter of the sensor head is total three to four times the outer diameter the optical fiber used. With usual fiber outside diameters of 125 μm can use it Hole diameter from 400-500 μm to approx. 1 μm accurate be measured. With thinner ones Fibers (for example fiber outside diameters of 50 μm) The measuring head allows the measurement of hole diameters up to about 200 microns. The compact design of the sensor head makes it possible, with suitable working distances, to have a large numerical value Aperture of the optics, which leads to an increase in the distance resolution in leads the Submikrometerbereich.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigenThe Invention will be described below with reference to an embodiment with the aid of Illustrations closer explained. Show

1 eine Schrägansicht des Sensorkopfes, teilweise aufgeschnitten 1 an oblique view of the sensor head, partially cut open

2 optische Einzelkomponenten des Sensorkopfes:
a) die Lichtleitfaser
b) die Faserverlängerung mit Umlenkspiegel
c) die Verbindungsstruktur mit Faserkanal innen
d) ein Beispiel eines diffraktiven bzw. refraktiven optischen Elements und 2 individual optical components of the sensor head:
a) the optical fiber
b) the fiber extension with deflecting mirror
c) the connection structure with fiber channel inside
d) an example of a diffractive or refractive optical element and

3 einen Blick auf die Stirnseite des Sensorkopfes. 3 a look at the front of the sensor head.

Gemäß 1 führt die zylinderförmige Lichtleitfaser 10, die aus Quarz besteht und einen Außendurchmesser von 125 μm aufweist, weißes Licht in den erfindungsgemäßen optischen Sensorkopf und leitet das von der Wand des untersuchten Lochs reflektierte Licht zurück in ein als Farbdetektor eingesetztes Spektrometer. Die Lichtleitfaser 10, die in 2a schematisch dargestellt ist, dient zugleich als Träger aller im Sensorkopf eingesetzten optischen Komponenten.According to 1 leads the cylindrical optical fiber 10 , which consists of quartz and has an outer diameter of 125 microns, white light in the optical sensor head according to the invention and redirects the light reflected from the wall of the examined hole back into a light detector used as a spectrometer. The optical fiber 10 , in the 2a is shown schematically, at the same time serves as a carrier of all optical components used in the sensor head.

Die Faserverlängerung 11 wird auf die Stirnseite der Lichtleitfaser 10 aufgesteckt und, nachdem die Verbindungsstruktur 15 darüber geschoben wurde, an der Lichtleitfaser 10 fixiert.The fiber extension 11 is on the front of the optical fiber 10 plugged and, after the connection structure 15 was pushed over, on the optical fiber 10 fixed.

Die Faserverlängerung 11 ist, je nach numerischer Apertur der Faser, eine 300–600 μm lange transparente Struktur, die gemäß 2b einen rechteckigen Querschnitt aufweist, deren Längen der Seitenkanten dem Faserdurchmesser (125 μm) entsprechen, und mit dem LIGA-Verfahren hergestellt wurde. Sie wird vor der Lichtleitfaser 10 positioniert und verlängert damit die Lichtleitfaser 10. Am der Lichtleitfaser 10 abgewandten Ende der Faserverlängerung 11 ist eine unter 45° zur Faserachse stehende zylindrische Fläche angebracht, die als Umlenkspiegel 12 strukturiert ist. Diese Fläche ist verspiegelt und lenkt das aus der Faser austretende Licht um 90° in Richtung auf die zu vermessende Seitenwand um. Zugleich fokussiert der Umlenkspiegel 12 das Licht durch seine gekrümmte Form in einer Ebene, deren Normale in der Zylinderachse des Umlenkspiegels liegt.The fiber extension 11 is, depending on the numerical aperture of the fiber, a 300-600 μm long transparent structure, according to 2 B has a rectangular cross-section whose lengths of the side edges of the fiber diameter (125 microns) correspond, and was prepared by the LIGA method. It will be in front of the optical fiber 10 positions and lengthens the optical fiber 10 , At the optical fiber 10 opposite end of the fiber extension 11 is a 45 ° to the fiber axis standing cylindrical surface attached, which serves as a deflection mirror 12 is structured. This surface is mirrored and deflects the light emerging from the fiber by 90 ° in the direction of the side wall to be measured. At the same time, the deflection mirror focuses 12 the light by its curved shape in a plane whose normal lies in the cylinder axis of the deflection mirror.

Die Oberfläche des Umlenkspiegels 12 kann hierbei gemäß 2b strukturiert sein.The surface of the deflecting mirror 12 can according to 2 B be structured.

Die Verbindungsstruktur 15 ist eine ebenfalls mit dem LIGA-Verfahren hergestellte transparente Struktur, die über die Lichtleitfaser 10 und über die Faserverlängerung 11 geschoben wird. Sie ist, je nach Länge der Faserverlängerung 11, 600–1500 μm lang und weist einen in 2c dargestellten Querschnitt mit einem eingebrachten Faserkanal 16 und einem Durchmesser von 250–400 μm auf. Zur Fixierung und Justierung der Verbindungsstruktur 15 mit der Lichtleitfaser 10 und der Faserverlängerung 11 wird ein geeigneter Klebstoff mit in den Faserkanal 16 eingebracht.The connection structure 15 is a transparent structure, also made by the LIGA process, passing over the optical fiber 10 and about the fiber extension 11 is pushed. It is, depending on the length of the fiber extension 11 600-1500 μm long and has an in 2c illustrated cross-section with an introduced fiber channel 16 and a diameter of 250-400 microns. For fixing and adjusting the connection structure 15 with the optical fiber 10 and the fiber extension 11 Add a suitable adhesive to the fiber channel 16 brought in.

Weiterhin besitzt die Verbindungsstruktur 15 in derjenigen Richtung, in der das Licht seitlich aus der Faserverlängerung 11 austritt, die optische Wirkung einer Zylinderlinse 17, die zu einer Fokussierung des Lichts in der Ebene führt, deren Normale in der Zylinderachse der Zylinderlinse liegt. Die Verbindungsstruktur 15 trägt zudem auf derjenigen Seite, die der zu vermessenden Oberfläche zugewandt ist, seitliche Anschlagskanten 18, an denen gemäß 2d und 3 ein oder mehrere diffraktive bzw. refraktive optische Elemente 20 positioniert werden. Wie aus den 2c und 3 hervorgeht, weist die Verbindungsstruktur 15 vor allem aus Gründen der einfacheren Fertigung mittels LIGA über ihre gesamte Länge neben dem Faserkanal 16 eine Zylinderlinse 17 und eine Vertiefung mit seitlichen Anschlagkanten 18 zur Aufnahme des bzw. der optischen Elemente 20 auf. Zusätzlich kann die Zylinderlinse 17 eine Strukturierung, wie in 2c dargestellt, aufweisen.Furthermore, the connection structure has 15 in the direction in which the light is laterally out of the fiber extension 11 exit, the optical effect of a cylindrical lens 17 , which leads to a focusing of the light in the plane whose normal lies in the cylinder axis of the cylindrical lens. The connection structure 15 also carries on the side facing the surface to be measured, lateral stop edges 18 in accordance with 2d and 3 one or more diffractive or refractive optical elements 20 be positioned. Like from the 2c and 3 indicates the connection structure 15 especially for reasons of easier production using LIGA over its entire length next to the fiber channel 16 a cylindrical lens 17 and a recess with lateral stop edges 18 for receiving the optical element (s) 20 on. In addition, the cylinder lens 17 a structuring, as in 2c shown, have.

Claims

Optical sensor head mounted on an optical fiber ( 10 ), via which light is coupled into and out of the sensor head, comprising - a fiber extension ( 11 ) attached to the optical fiber ( 10 ) optically coupled to this end and at its other end a deflection mirror ( 12 ) for coupling and decoupling the light, and - a connection structure ( 15 ), which is a part of the optical fiber ( 10 ) and the fiber extension coupled thereto ( 11 ) in a fiber channel ( 16 ) and the one transparent area for coupling and decoupling of the above the deflection mirror ( 12 ) guided light.

Optical sensor head according to claim 1, characterized in that the deflecting mirror ( 12 ) is curved.

Optical sensor head according to claim 1 or 2, characterized in that the transparent region of the connecting structure ( 15 ) a curved cylindrical lens ( 17 ).

Optical sensor head according to one of claims 1 to 3, characterized in that via the deflection mirror ( 12 ) guided light through a diffractive or refractive optical element ( 20 ) is coupled in and out.

Optical sensor head according to one of claims 1 to 4, characterized in that the connection structure ( 15 ) within the transparent area a recess for receiving the optical element ( 20 ) having.

Optical sensor head according to one of claims 1 to 5, characterized in that the cylindrical lens ( 17 ) and the recess over the entire length of the connection structure ( 15 ) are introduced.

Optical sensor head according to one of claims 1 to 6, characterized in that the surface of the deflecting mirror ( 12 ) and / or the cylindrical lens ( 17 ) is structured.

Optical sensor head according to one of claims 1 to 7, characterized in that the connection structure ( 15 ) consists of a transparent plastic.

Optical sensor head according to claim 8, characterized in that the connection structure ( 15 ) consists of polymethylmethacrylate (PMMA).

Use of an optical sensor head after one the claims 1 to 9 for detecting distances inside holes, which has a diameter less than 1 millimeter, preferably less than 500 microns have.