DE10354730B4 - Optical sensor head and its use - Google Patents
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Abstract
Optischer
Sensorkopf zur Erfassung von Abständen innerhalb von Löchern, aufgebracht
auf eine Lichtleitfaser (10), über
die Licht in den Sensorkopf ein- und ausgekoppelt wird, umfassend
– eine Faserverlängerung
(11), die an ihrem der Lichtleitfaser (10) zugewandten Ende optisch
an diese ankoppelt und an ihrem anderen Ende einen Umlenkspiegel
(12) zum Ein- und Auskoppeln des Lichtes durch ein diffraktives
optisches Element (20) aufweist, und
– eine Verbindungsstruktur
(15), die einen Teil der Lichtleitfaser (10) sowie die hieran gekoppelte
Faserverlänge
rung (11) in einen Faserkanal (16) aufnimmt und die einen transparenten
Bereich zur Ein- und Auskopplung des über den Umlenkspiegel (12)
und das diffraktive optische Element (20) geführten Lichtes umfasst.Optical sensor head for detecting distances within holes, applied to an optical fiber (10) via which light is coupled into and out of the sensor head
- A fiber extension (11) which at its the optical fiber (10) facing end optically coupled thereto and at its other end a deflection mirror (12) for coupling and decoupling of the light by a diffractive optical element (20), and
- A connection structure (15) which receives a portion of the optical fiber (10) and the coupled thereto Faserverlänge tion (11) in a fiber channel (16) and a transparent region for coupling and decoupling of the deflection mirror (12) and the diffractive optical element (20) guided light comprises.
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensorkopf, der auf eine Lichtleitfaser, über die Licht in den Sensorkopf ein- und auskoppelt wird, aufgebracht ist, 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, is applied, 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. Optischer Sensorkopf und seine Verwendung. 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. Optical sensor head and its use.
Aus der JP 2-95201 A ist ein optischer Sensorkopf bekannt, der auf eine Lichtleitfaser aufgebracht ist, über die Licht in den Sensor ein- und ausgekoppelt wird. Dieser Sensorkopf dient auch zur Erfassung von Abständen innerhalb von Löchern, die einen Durchmesser von weniger als 1 Millimeter aufweisen können.Out JP 2-95201 A, an optical sensor head is known, which is based on a Optical fiber is applied, over the light is coupled into and out of the sensor. This sensor head also serves to detect distances within holes that have a Diameter may have less than 1 millimeter.
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 un- terhalb 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 design with discrete lenses arranged on a micro-optical bench become impossible to realize in practice.
Ausgehend davon ist es die Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten optischen Sensorkopf, der insbesondere zur Vermessung von Löchern mit Durchmessern unterhalb von 1 Millimeter geeignet ist, und eine Verwendung dieses Sensorkopfes anzugeben.outgoing It is the object of the invention, an improved optical Sensor head, in particular for measuring holes with diameters below 1 millimeter, and a use of this Specify sensor head.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Patentanspruch 9 betrifft die 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 9 relates the 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 mechanischen Trägen 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 mechanical inertia All required in the sensor head optical Use components. With the small dimensions to be measured it is advantageous to use the imaging optical elements as microstructures for Example using LIGA to manufacture, aufzustecken on the fiber end face and to fix on 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 required because the Fa The front side of the face is only imaged as a bright spot with a small diameter on the inner wall of the hole to be measured, 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 a deflection mirror by twice the said angle, that is, by approximately 90 ° in the direction of the side wall of the hole to be measured.
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 Umlenkspiegels 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 deflecting mirror 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.
- - 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 exits laterally from the fiber extension has 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 zeigen
- a) die Lichtleitfaser
- b) die Faserverlängerung mit Umlenkspiegel
- c) die Verbindungsstruktur mit Faserkanal innen
- d) ein Beispiel eines diffraktiven bzw. refraktiven optischen Elements und
- 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
Gemäß
Die
Faserverlängerung
Die
Faserverlängerung
Die
Oberfläche
des Umlenkspiegels
Die
Verbindungsstruktur
Weiterhin
besitzt die Verbindungsstruktur
Claims (9)
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2003
- 2003-11-22 DE DE2003154730 patent/DE10354730B4/en not_active Expired - Fee Related
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JP 02095201 A mit Abstract * |
JP 2-95201 A mit Abstract |
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