WO2004046642A2 - Vorrichtung und verfahren zur messung von oberflächen an zylinderinnenwänden mit konfokalen mikroskopen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur messung von oberflächen an zylinderinnenwänden mit konfokalen mikroskopen Download PDF

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Definitions

  • Fig. 1 Sketch of principle for the confocal microscope with deflecting optics for the observation of inner cylinder surfaces
  • Fig. 2 Sketch of the holder and adjustment device for installing the confocal microscope in cylinders
  • the invention presented here has the fundamental advantage that one can carry out non-destructive and comparatively quickly three-dimensional images of inner cylinder surfaces with diffraction-limited lateral resolution.
  • the tube of the confocal microscope can be sunk almost the entire length into the cylinder with a minimum diameter of 79 mm.
  • confocal surface images can be recorded non-destructively in cylinders up to the maximum immersion depth of currently 100 mm.
  • a special guide prevents damage to the tube and enables vertical and horizontal adjustment of the observation area. Almost the entire inner surface of the cylinder can be measured by rotating the cylinder.
  • the embedded microscope is computer controlled and can generate video images as well as confocal images.
  • an evaluation unit which can also be provided with a remote control, topographic parameters are generated from the raw data generated.
  • the development presented here is a special tube that replaces the microscope tube originally used, and a holding mechanism that attaches the confocal microscope to the cylinder and also serves as an adjustment unit.
  • the structure of the main body remains largely untouched.
  • the invention solves the task set with the features of claim 1.
  • the horizontally lying lens (1) is screwed into a horizontally lying positioning element (3), here a piezo positioning element.
  • the beam is deflected by a prism (2) with a mirrored hypotenuse. In order to save installation space, the reflection angle deviates from the vertical by 6 degrees.
  • the tube (8) is fastened to the microscope body (9) near the Nipkow disk (4) lying in the intermediate image.
  • the microscope body essentially consists of a motor-driven rotating Nipkow disc (4), a beam splitter (5) and a light source (6) and a CCD camera (7).
  • Fig. 2 shows a schematic diagram of the holder and adjustment device for installing the confocal microscope in cylinders.
  • a clamping plate (11) is clamped in the cylinder (10) in the area of the upper 4 mm. This consists of two parts that can be spread apart for clamping. Both parts have two protruding nipples on the bottom so that they can reach into the cylinder.
  • a displaceable adjustment plate (12) is attached to it, with which one can focus.
  • the tube (8) is inserted and guided in two opposing slide guides (13) and can be locked by means of a clamping device when the correct immersion depth is reached.
  • a horizontally positioned piezo adjuster (3) is attached to the tube and holds a lens (1).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren in der rechnergesteuerten konfokalen Mikroskopie zur Erzeugung dreidimensionaler Oberflächenbilder von Zylinderinnenflächen in Motorblöcken durch Verwenden eines konfokalen Mikroskops mit einem Mikroskopkörper, einem daran befestigten Tubos mit einem Objektiv, dem eine Umlenkoptik (2) mit horizontal liegendem Translator (3) vorgeschaltet ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Oberflächen an Zylinderinnenwänden mit konfokalen Mikroskopen
Das hier beschriebene Verfahren dient zur zerstörungsfreien 3D-Inspektion von Innenwänden, speziell Zylinderinnenflächen, mit rechnergesteuerten konfokalen Mikroskopen. Besonders in der Automobilindustrie ergibt sich für dieses Verfahren ein großer Markt, da besonders die Zylinderinnenflächen sich für die Motorentechnik als kritische Elemente erweisen.
Bisher sind Lösungen für taktile Verfahren und abbildende Mikroskope bekannt. Die taktilen Verfahren haben den Nachteil, dass sie die Oberfläche scannen und dadurch relativ langsam arbeiten. Abbildende Mikroskope haben bisher den Nachteil, dass sie keine dreidimensionalen Daten erzeugen können. Hier wird ein Verfahren zur dreidimensionalen Messung an Zylinderinnenwänden mit rechnergesteuerten konfokalen Mikroskopen beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1: Prinzipskizze zum konfokalen Mikroskop mit Umlenkoptik zur Beobachtung von Zylinderinnenflächen
Fig. 2: Prinzipskizze der Halterung und Justiereinrichtung zum Einbau des konfokalen Mikroskops in Zylinder
Die hier vorgestellte Erfindung hat den grundlegenden Vorteil, dass man zerstörungsfrei und vergleichsweise schnell dreidimensionale Abbildungen von Zylinderinnenflächen mit beu- gungsbegrenzter lateraler Auflösung durchführen kann. Der Tubus des konfokalen Mikroskops kann in nahezu voller Länge in den Zylinder mit einem minimalen Durchmesser von 79 mm versenkt werden. Mithilfe dieser Erfindung kann man in Zylindern bis zur maximalen Eintauchtiefe von zur Zeit 100 mm konfokale Oberflächenbilder zerstörungsfrei aufnehmen.
Eine spezielle Führung verhindert Beschädigungen am Tubus und ermöglicht die vertikale und horizontale Justage des Beobachtungsbereichs. Durch eine Rotationsbewegung im Zylinder kann nahezu die gesamte Zylinderinnenfläche vermessen werden. Das eingelassene Mikroskop ist computergesteuert und kann sowohl Videobilder als auch Konfokalbilder erzeugen. Mit einer Auswerteeinheit, die auch mit einer Remote-Steuerung versehen sein kann, werden aus den erzeugten Rohdaten topographische Parameter erzeugt.
Die hier vorgestellte Entwicklung ist ein Spezialtubus, der den ursprünglich verwendeten Mikroskoptubus ersetzt, und ein Haltemechanismus, der das konfokale Mikroskop auf dem Zylinder befestigt und auch als Justiereinheit dient. Der Aufbau des Grundkörpers bleibt weitgehend unangetastet.
Die Erfindung löst die ihr gestellte Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 2 und 10 gelöst.
Fig. 1 zeigt den Strahlengang eines konfokalen Mikroskops mit Umlenkoptik zur Beobachtung von Zylinderinnenflächen. Das horizontal liegende Objektiv (1) ist in ein horizontal liegendes Positionierelement (3), hier ein Piezostellelement, eingeschraubt. Durch ein Prisma (2) mit verspiegelter Hypotenuse wird der Strahl umgelenkt. Um Bauraum zu sparen, weicht der Reflexionswinkel um 6 Grad von der Senkrechten ab. Der Tubus (8) wird nahe der im Zwischenbild liegenden Nipkowscheibe (4) an den Mikroskopkörper (9) befestigt. Der Mikroskopkörper besteht im wesentlichen aus einer motorgetriebenen rotierenden Nipkowscheibe (4), einem Strahlteiler (5) sowie einer Lichtquelle (6) und einer CCD-Kamera (7).
Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze der Halterung und Justiereinrichtung zum Einbau des konfokalen Mikroskops in Zylinder. In den Zylinder (10) wird im Bereich der oberen 4 mm eine Klemmplatte (11) eingeklemmt. Diese besteht aus zwei Teilen, die man zum Klemmen auseinander spreizen kann. Beide Teile haben jeweils an der Unterseite zwei hervorstehende Nippel, um in den Zylinder hineingreifen zu können. Darauf ist eine verschiebbare Justierplatte (12) befestigt, womit man fokussieren kann. In zwei gegenüberliegende Gleitführungen (13) wird der Tubus (8) eingesetzt und geführt und kann bei Erreichen der richtigen Eintauchtiefe mittels einer Klemmvorrichtung arretiert werden. An den Tubus ist ein horizontal liegender Piezoversteller (3) befestigt, der ein Objektiv (1) hält.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren in der rechnergesteuerten konfokalen Mikroskopie zur Erzeugung dreidimensionaler Oberflächenbilder von Zylinderinnenflächen in Motorblöcken durch Verwenden eines konfokalen Mikroskops mit einem Mikroskopkörper, einem daran befestigten Tubos mit einem Objektiv, dem eine Umlenkoptik (2) mit horizontal liegendem Translator (3) .vorgeschaltet ist.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer vor dem Objektiv (1) befindlichen Umlenkoptik (2).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkoptik (2) aus einem Reflexionsprisma besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkoptik (2) aus einem Oberflächenspiegel besteht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkoptik (2) den Strahl um weniger als 90 Grad umlenkt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1) ein Standardobjektiv mit einer Abgleichlänge von 45 mm ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1) eine kürzere Abgleichlänge als 45 mm besitzt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1) mittels eines Piezostellelements (3) verfahrbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1) mittels eines Schrittmotors verfahrbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9 mit einer Einrichtung zur Befestigung und Justage des rechnergesteuerten konfokalen Mikroskops zum Einfahren in Zylinder in Motorblöcken zum Messen der Zylinderinnenflächen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungseinrichtung eine klemmende oder geschraubte Verbindung zum Zylinder besitzt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskop durch eine Linearführung (13) in den Zylinder einfahrbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskop hinsichtlich der Eintauchtiefe durch die Linearführung (13) justierbar und fixierbar ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung- oder die Justiereinrichtung eine Rotation um die Zylinderachse ermöglicht.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung eine Justierung des Abstandes zwischen Objektiv und Zylinderinnenfläche, also ein Fokussieren, ermöglicht.
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