光纤点探针和具有光纤点探针的距离测量系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于距离测量系统的光纤点探针。光纤点探针具有可以连接到光源的光纤，以及评估设备。光源的照明光经由光纤传输到射束形成元件并转换成射束形成照明光。射束形成照明光沿第一光轴被引导至偏转元件的平坦表面并通过反射被偏转。在平坦表面上反射的射束形成照明光沿第二光轴传播，在偏转元件的球形端面上出射并形成聚焦区域在偏转元件外部的聚焦照明射束。能够探测布置在聚焦区域中的对象表面，使得以无接触方式确定相对于探针内部参考表面的距离测量值，其中参考表面被配置用于照明光或参考光形式的射束形成照明光的部分背反射。距离测量值表征球形端面和对象表面之间的距离d。球形端面的曲率中心与第一光轴和第二光轴的交点相同。光轴和第二光轴的交点相同。光轴和第二光轴的交点相同。

【技术实现步骤摘要】
光纤点探针和具有光纤点探针的距离测量系统


[0001]本专利技术涉及一种被配置供在距离测量系统中使用的光纤点探针。本专利技术还涉及包括光纤点探针的距离测量系统。该距离测量系统被配置为评估从光纤点探针发射的照明射束和由于与对象表面的相互作用而创建并由光纤点探针接收的测量光之间的相互作用。测量光的评估可以用干涉测量来实行。

技术介绍

[0002]从现有技术中已知具有光学传感器的触觉探针系统，该光学传感器包括用于探针元件位置确定的光电转换器。例如，在DE 198 16 270 A1、DE 298 23 884 U1或DE 198 16 272 A1中描述了这样的触觉探针系统。然而，需要对象表面的机械偏转和接触探测。
[0003]Dietz等人在“An alternative to the laser. A white light measurement method enters the sub
‑µ
m
‑
range”（Sensor Magazin 4（1997），15
‑
18页[原标题：“Eine Alternative zum Laser. Ein Wei
ß
licht
‑
Messverfahren dringt in den Sub
‑µ
m
‑
Bereich ein”]）中描述了非接触式光学测量点探针。点探针是一种彩色共焦操作点探针，其具有射束形成光学器件，用于在光轴方向上进行距离测量。Precitec Optronik GmbH angeboten公司（www.precitec
‑
optronik.de）提供这样的点探针。然而，可用探针的尺寸相对较大，并且仅在难以到达的位置（诸如小钻孔）以有限的方式可使用。
[0004]光纤点探针也可以包括GRIN透镜（梯度折射率透镜）。例如，从US 4 806 016 A或DE 10 2005 023 351 A1中已知一种使用GRIN透镜的光学传感器。此外，Hofstetter， D.等人在“Monolithically integrated optical displacement sensor in GaAs/AlGaAs”（Electr. Letters 31（1995），第2121
‑
2122页）中进行了描述，在用于路径测量的迈克尔逊干涉仪的共焦测量路径中使用GRIN透镜。
[0005]在DE 32 32 904 A1中公开了一种通过使用激光自动测试表面的探针。对象表面反射的光分离地在明场中和暗场中进行评估。
[0006]从DE 197 14 202 A1已知的用于表面光学测试的探针创建照明光，该照明光借助于分束或偏转被引导到待测试表面上的两个不同位置。
[0007]DE 20 2017 001 834 U1涉及一种具有集成光纤点探针的触觉探针，其中可以以触觉和/或光学方式顺序测量或也可以同时测量。
[0008]Rao，Y.
‑
C.等人的“Recent progress in fibre optic low
‑
coherence interferometry”（Meas. Sci. Technol.7（1996），第981
‑
999页）描述了测量系统，其中使用具有小于大约100的短相干长度的短相干光，并且用于距离确定的测量光可以用干涉测量来评估。
[0009]从DE 103 17 826 A1已知一种用于绝对距离测量的光电测量方法。被对象表面反射和/或散射的测量光被传输到根据迈克尔逊原理用干涉测量操作的评估设备。DE 10 2005 061 464 A1公开了一种通过使用来自具有不同介质波长的多个光源的光的改进。通过这样做，可以改进距离测量的评估准确度。适合用于此目的的这样的方法和设备也在
Depiereux， F.等人的“Fiber
‑
optical sensor with miniaturized probe head and nanometer accuracy based on spatially modulated low
‑
coherence interferogram analysis”（Appl. Opt. 46（2007），第3425
‑
3431页）中描述。
[0010]DE 10 2018 217 285 A1公开了一种用于至少一个测量对象的光学和触觉测量的探针系统。探针包括用于对象表面的触觉探测的球形透光体。此外，光可以从内部聚焦在球体的边界表面上，使得以触觉方式在对象表面上探测的点可以被显微镜相机检测到，并且二维图像可以在图像分析中被分析。光学距离测量是不可能的。
[0011]DE 100 57 539 A1公开了一种干涉测量设备，用于测量距离和距离改变以及由此导出的表面参数和形状。出于该目的，探针包括光纤，在其自由端可以发射和反射光和/或可以接收散射光。出于该目的，光纤的自由端可以例如被配置成透镜或棱镜。
[0012]从DE 10 2004 011 189 A1已知另一种光学测量探针。该探针具有发射光的光纤，该光借助于偏转元件偏转。在光纤和偏转元件之间的光路中，或者在偏转元件和要测量的对象表面之间的光路中，布置包括强色差的区域透镜。元件的几何布置使得在朝向测量表面的方向上实现发射光的大张角，以便获得大于0.3的数值孔径。
[0013]根据DE 10 2008 050 258 A1的点探针包括探针主体，照明光以射束的形式耦合到探针主体中，该射束在探针主体的自由端借助于偏转元件偏转，并通过探针主体中的出射窗引导到对象表面上。偏转元件的偏转表面是弯曲的，并且因此以射束形成的方式配置。这样的探针由fionec GmbH公司（www.fionec.de）提供。
[0014]用于距离测量的光纤探针必须基于多个应用相关参数针对每个应用进行构造。对于探针的结构特性很重要的参数包括例如聚焦区域的长度、聚焦区域的最小和/或最大直径（对象表面上的测量点大小）、发射到对象表面上的照明射束的期望或要求的数值孔径、照明光的光路中的成像比例或放大率，照明射束相对于探针主体纵轴的期望发射角、照明射束的出射表面和待测对象表面之间的期望测量距离、对象表面上测量位点的可达性等。由于要考虑的参数的多样性，因此适于一个应用的光纤点探针的开发和构造非常繁琐。因此，开发和构造这样的光纤点探针的成本很高。

技术实现思路

[0015]可以认为本专利技术的目的是提供一种光纤点探针，其被配置用于距离测量，并且包括简化对不同应用的适配的构造配置。
[0016]该目的借助于具有权利要求1特征的光纤点探针和具有权利要求24特征的距离测量系统解决。
[0017]根据本专利技术的光纤点探针被配置用于光学距离测量，并且可以用在光学操作的距离测量系统中，并且特本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种被配置用于在距离测量系统（10）中使用的光纤点探针（11），其中所述光纤点探针（11）包括：光纤（12），其被配置用于在入口耦合位点（13）处与至少一个单色或窄带光源（14，15）耦合，使得光纤（12）引导至少一个光源（14，15）的照明光（B）通过光纤（12）的优选居中的纤芯（12a），并且至少部分地在光纤（12）的光纤末端（16）处从纤芯（12a）出射，
‑
射束形成元件（18），其包括第一表面（17），并且被配置为对入射在第一表面（17）上的照明光（B）进行射束形成，并且沿着第一光轴（O1）发射射束形成的照明光（K），与入射的照明光（B）相比，所述照明光（K）的发散度减小和/或被准直和/或聚焦，
‑
确切一个参考表面（12b），其被配置为将照明光（B）或射束形成的照明光（K）部分反射回作为参考光（R），
‑
偏转元件（20），其被配置用于接收射束形成的照明光（K）并且包括相对于第一光轴（O1）倾斜定向的平坦表面（21），所述平坦表面被配置用于在沿着第二光轴（O2）的方向上反射所接收的射束形成的照明光（K），所述第二光轴（O2）与第一光轴（O1）限定了偏转角（），其中偏转元件（20）包括球形端面（22）， 所述球形端面（22）的曲率中心与第一光轴（O1）和第二光轴（O2）的交点相同，使得聚焦的照明射束（S）从球形端面（22）出射，其聚焦区域（23）与球形端面（22）相距一定距离布置，
‑
其中光纤（12）被配置用于在出射耦合位点（27）处与评估设备（28）耦合，使得在对象表面（26）上的测量位点处由照明射束（S）的聚焦区域（23）中的反射和/或散射形成的参考光（R）和测量光（M）被接收并传输到评估设备（28）用于距离测量。2.根据权利要求1所述的光纤点探针，其中，所述光纤点探针（11）被配置为将平坦表面（21）布置在倾斜于第一光轴（O1）的多个可能定向之一上，并且其中平坦表面（21）的定向使得光纤点探针（11）的其他光学特性不变。3.根据权利要求1或2所述的光纤点探针，其中，生成参考光（R）的确切一个参考表面（12b）包括与入射在参考表面（12b）上的照明光（B）或射束形成照明光（K）的波前一致的形状。4.根据权利要求3所述的光纤点探针，其中，除了确切一个参考表面（12b）之外，入射在参考表面（12b）上的照明光（B）或射束形成照明光（K）的光路中的所有其他表面满足以下条件中的至少一个：
‑
它们具有与入射在参考表面（12b）上的照明光（B）或射束形成照明光（K）的波前不一致的形状；
‑
它们由具有折射率的材料组成，与直接相邻的材料或介质的折射率之差至多为0.1。5.根据前述权利要求中任一项所述的光纤点探针，其中，生成参考光（R）的确切一个参考表面（12b）由光学边界表面形成，在所述光学边界表面处存在邻接材料的折射率差，并且没有抗反射涂层。6.根据前述权利要求中任一项所述的光纤点探针，其中，生成参考光（R）的确切一个参考表面（12b）是光纤（12）在光纤末端（16）处的面，所述面被定向为与照明光（B）的光轴（O1，O3）正交。7.根据前述权利要求中任一项所述的光纤点探针，进一步包括探针主体（32），在探针主体（32）中或探针主体（32）上，包括光纤末端（16）的光纤（12）的末端部分、射束形成元件
（18）和偏转元件（20）被布置在...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：卡尔，
类型：发明
国别省市：