Interferometrische Punktsensoren

Abstandssensoren nach dem Interferometerprinzip messen den Laufzeitunterschied zweier Lichtstrahlen (Messstrahl und Referenzstrahl), der sich aus dem Längenunterschied zwischen einer Referenzstrecke (Abstand zur Referenzfläche) und der Messstrecke (Abstand zur Messobjektoberfläche) ergibt (Abb. 8). Die Auswertung erfolgt durch Bestimmung der Phasenverschiebung bei der Überlagerung beider Strahlen. Durch gleichzeitigen Einsatz mehrerer leicht verschiedener Frequenzen (Farben) kann aus der hierdurch entstehenden Schwebung der Absolutwert des Abstands zur Objektoberfläche gemessen werden (Heterodynverfahren).

Abbildung 22 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Werth Interferometer Probe (WIP). Das Licht der Superlumineszenzdiode wird über einen faseroptischen Koppler in eine Lichtleitfaser eingekoppelt und zur eigentlichen Messsonde übertragen. Die Reflexion an der Austrittsfläche der Sonde führt zu einem Referenzstrahl. Der Messstrahl entsteht durch Reflexion an der Werkstückoberfläche. Bei technisch sinnvollen Arbeitsabständen ist die Weglängendifferenz beider Signale zu groß für Interferenz (kurze Kohärenzlänge). Über den Faserkoppler und eine weitere Lichtleitfaser werden beide Signale zum Auswerteinterferometer übertragen. Hier wird die Weglängendifferenz durch Teilung des Strahlengangs und entsprechend unterschiedliche Weglängen in den Teilstrahlengängen (Einstellung der Spiegelabstände) ompensiert. Referenzstrahl und Messstrahl werden überlagert und somit zur Interferenz gebracht. Durch Kippen eines der beiden Spiegel wird die axiale Lageinformation der Strahlen (abhängig von der Lage der Werkstückoberfläche) in eine lateral auswertbare Information umgewandelt. Die unterschiedlichen optischen Weglängen werden gleichzeitig kompensiert und es ergeben sich somit für alle Abstände innerhalb des Messbereichs Interferenzen. Abhängig davon, an welcher Position des Spiegels der Strahl reflektiert wird, entstehen lateral unterschiedliche Intensitäten und somit Interferenzmuster. Mit einer Kamera werden diese erfasst und anschließend der Abstand zwischen Referenzfläche und Werkstückoberfläche ermittelt.

Die Auswerteeinheit enthält sowohl die Lichtquelle als auch das Auswerteinterferometer. Die eigentliche faseroptische Messsonde wird am Koordinatenmessgerät über eine Magnetschnittstelle befestigt. Die Sonden können für verschiedene Austrittswinkel ausgelegt werden. Durch einen automatischen Sondenwechsel und die drehbare Anordnung der Sonden (Abb. 23) kann in praktisch beliebiger Richtung gemessen bzw. gescannt werden. Wegen der sehr geringen Messunsicherheit (≤ 1 µm) und der Sondengeometrie kann der Sensor z. B. für Geometrie-, Form- und Rauheitsmessungen in kleinen und tiefen Bohrungen und Schlitzen eingesetzt werden.