DE102010022421A1

DE102010022421A1 - Measuring device and measuring method for absolute distance measurement

Info

Publication number: DE102010022421A1
Application number: DE102010022421A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Current assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2030-06-02
Also published as: WO2011151255A1; DE102010022421B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung und ein Messverfahren zur Bestimmung eines absoluten Abstandswerts zwischen einer Sonde (12) und einer Objektoberfläche (13). Der Abstandswert (d) wird dabei punktförmig im Bereich der optischen Achse (14) der Sonde (12) bestimmt. Die Messeinrichtung weist eine Lichtquelle (15) auf, die kurzkohärentes Licht aussendet. In einem Messlichtweg (M) wird das Licht durch die Sonde (12) auf die Objektoberfläche (13) gerichtet und das dort reflektierte Licht wieder empfangen. Ein anderer Teil des Lichts der Lichtquelle (15) durchläuft einen Referenzlichtweg bis zu einer Referenzfläche (27) und von dort wieder zurück. Das an der Referenzfläche (27) sowie der Objektoberfläche (13) reflektierte Licht wird einem Interferometer (30) zugeführt und dort in einen ersten Lichtweg (L1) sowie einen zweiten Lichtweg (L2) aufgeteilt. Die beiden Lichtwege (L1), (L2) sind unterschiedlich lang und kompensieren die Differenz zwischen Referenzlichtweg (R) und Messlichtweg (M). Der im ersten Lichtweg (L1) vorhandene erste Interferometerspiegel (33) oszilliert in Richtung der optischen Achse (40) des ersten Lichtwegs (L1). Das Licht aus den beiden Lichtwegen (L1), (L2) wird überlagert und wegen der Oszillation des ersten Interferometerspiegels (33) bilden sich Interferenzmuster im überlagerten Licht, die von einem Fotosensor (35) detektiert werden. Der Abstandswert (d) wird in einer an den Fotosensor (35) angeschlossenen Auswerteeinrichtung (37) ermittelt.The present invention relates to a measuring device and a measuring method for determining an absolute distance value between a probe (12) and an object surface (13). The distance value (d) is determined point-like in the area of the optical axis (14) of the probe (12). The measuring device has a light source (15) which emits short-coherent light. In a measuring light path (M), the light is directed through the probe (12) onto the object surface (13) and the light reflected there is received again. Another part of the light from the light source (15) runs through a reference light path to a reference surface (27) and from there back again. The light reflected on the reference surface (27) and the object surface (13) is fed to an interferometer (30) and divided there into a first light path (L1) and a second light path (L2). The two light paths (L1), (L2) are of different lengths and compensate for the difference between the reference light path (R) and the measuring light path (M). The first interferometer mirror (33) present in the first light path (L1) oscillates in the direction of the optical axis (40) of the first light path (L1). The light from the two light paths (L1), (L2) is superimposed and, due to the oscillation of the first interferometer mirror (33), interference patterns are formed in the superimposed light, which are detected by a photosensor (35). The distance value (d) is determined in an evaluation device (37) connected to the photosensor (35).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektrische Messeinrichtung bzw. ein optoelektrisches Messverfahren zur absoluten Abstandsmessung zwischen einer Sonde und einer Objektoberfläche. Die Messeinrichtung verfügt über ein Interferometer und einen Fotosensor. Der Fotosensor misst die Intensität des vom Interferometer abgestrahlten Lichts. Durch Auswertung des Intensitätssignals kann der Abstand ermittelt werden.The present invention relates to an optoelectronic measuring device or an optoelectric measuring method for absolute distance measurement between a probe and an object surface. The measuring device has an interferometer and a photosensor. The photo sensor measures the intensity of the light emitted by the interferometer. By evaluating the intensity signal, the distance can be determined.

Im Stand der Technik sind hierzu verschiedene Verfahren bekannt. Beispielsweise wird beim Verfahren bzw. der Vorrichtung nach DE 198 08 273 A1 ein Heterodyninterferometer eingesetzt, das akustooptische Modulatoren aufweist. Durch diese Modulatoren werden zwei verschiedene sinusförmige Zeitsignale erzeugt. Zur Abstandsmessung wird die Differenzfrequenz dieser Zeitsignale ausgewertet. Eine solche Einrichtung ist sehr aufwendig und teuer.In the prior art, various methods are known for this purpose. For example, in the method or the device according to DE 198 08 273 A1 a heterodyne interferometer is used which has acousto-optic modulators. These modulators generate two different sinusoidal time signals. For distance measurement, the difference frequency of these time signals is evaluated. Such a device is very complicated and expensive.

Aus DE 10 2005 061 464 ist eine demgegenüber deutlich einfachere Messeinrichtung bekannt. Das dort vorgesehene Interferometer weist einen Strahlteiler auf, der das von der Objektoberfläche und von einer Referenzfläche in einem Referenzlichtweg reflektierte Licht in einen ersten und einen zweiten Lichtweg aufteilt. Zur Interferenzbildung wird das Licht im ersten und im zweiten Lichtweg anschließend wieder überlagert und einer Zeilenkamera zugeführt. Zumindest einer der Interferometerspiegel in einem Lichtweg ist dabei schräg gestellt, um das gewünschte Interferenzmuster zu erreichen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Anordnung, Montage und Justage des Interferometers bedingt durch die Schrägstellung eines Interferometerspiegels sehr aufwendig ist. Wegen der Spiegelschrägstellung und der dadurch schräg zur optischen Achse gerichteten Lichtstrahlen treten auch Dispersionseffekte auf. Bei dieser Anordnung ist eine gewisse Strahlaufweitung erforderlich, wodurch allerdings die Lichtausbeute sinkt. Die Zeilenkamera erfasst eine Messstelle auf der Objektoberfläche zu einem Zeitpunkt schränkt jedoch die Miniaturisierbarkeit der Messeinrichtung ein. Auch kann die Signalintensität über den Messbereich schwanken.Out DE 10 2005 061 464 In contrast, a much simpler measuring device is known. The interferometer provided there has a beam splitter which splits the light reflected from the object surface and from a reference surface in a reference light path into a first and a second light path. For interference formation, the light in the first and in the second light path is subsequently superimposed again and fed to a line scan camera. At least one of the interferometer mirrors in a light path is inclined to achieve the desired interference pattern. However, it has been found that the arrangement, assembly and adjustment of the interferometer is very complicated due to the inclination of an interferometer mirror. Because of the mirror skew and the thereby directed obliquely to the optical axis of light rays also occur dispersion effects. In this arrangement, a certain beam expansion is required, whereby, however, the luminous efficacy decreases. However, the line scan camera detects a measuring point on the object surface at one time, but limits the miniaturization of the measuring device. The signal intensity can also fluctuate over the measuring range.

Es kann daher als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, die bekannten interferometrischen Verfahren und Einrichtung zur Abstandsmessung zu verbessern.It can therefore be regarded as an object of the present invention to improve the known interferometric methods and device for distance measurement.

Diese Aufgabe wird durch eine Messeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Messverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 erreicht. Es wird kurzkohärentes Licht von einer Lichtquelle verwendet, die vorzugsweise mehrere Leuchtmittel aufweist, wie zum Beispiel mehrere Superlumineszenzdioden (SLDs). Das ausgesendete Licht wird in einer Sonde in einen Messlichtweg und einen Referenzlichtweg aufgeteilt. Die Sonde empfängt das im Messlichtweg von der Objektoberfläche reflektierte Licht sowie das im Referenzlichtweg von einer Referenzfläche reflektierte Licht. Dabei ist der Abstand zwischen der Referenzfläche und der Objektoberfläche insbesondere größer als die Kohärenzlänge des verwendeten Lichts der Lichtquelle, so dass das an der Objektoberfläche einerseits und an der Referenzfläche andererseits reflektierte Licht nicht interferiert.This object is achieved by a measuring device with the features of claim 1 and a measuring method with the features of claim 13. Short-coherent light from a light source is preferably used, which preferably has a plurality of illuminants, such as a plurality of super-light-emitting diodes (SLDs). The emitted light is split in a probe into a measuring light path and a reference light path. The probe receives the light reflected in the measuring light path from the object surface as well as the light reflected in the reference light path from a reference surface. In this case, the distance between the reference surface and the object surface is in particular greater than the coherence length of the light used by the light source, so that the light reflected at the object surface on the one hand and on the reference surface on the other hand does not interfere.

Das an der Referenzfläche und an der Objektoberfläche reflektierte Licht wird von einem Interferometer aufgenommen. Dieses teilt das reflektierte Licht in einen ersten Lichtweg und einen zweiten Lichtweg auf, wobei die Länge der beiden Lichtwege vorzugsweise unterschiedlich voneinander ist. Insbesondere ist die Differenz zwischen den beiden Lichtwegen so gewählt, dass der Abstand zwischen der Referenzfläche und der Objektoberfläche kompensiert wird. Die Länge der Lichtwege wird durch jeweils einen Interferometerspiegel vorgegeben. Der im zweiten Lichtweg vorgesehene zweite Interferometerspiegel ist insbesondere justierbar, um die Differenz in den beiden Lichtwegen einzustellen. Die Justage kann manuell oder automatisiert an den Abstand zwischen Referenzfläche und Objektoberfläche angepasst erfolgen.The light reflected at the reference surface and at the object surface is picked up by an interferometer. This divides the reflected light into a first light path and a second light path, wherein the length of the two light paths is preferably different from each other. In particular, the difference between the two light paths is chosen so that the distance between the reference surface and the object surface is compensated. The length of the light paths is given by an interferometer mirror. The second interferometer mirror provided in the second light path is in particular adjustable in order to adjust the difference in the two light paths. The adjustment can be made manually or automatically adapted to the distance between the reference surface and the object surface.

Der im ersten Lichtweg vorhandene erste Interferometerspiegel ist über eine Oszillationseinrichtung oszillierend bewegbar. Vorzugsweise wird der Interferometerspiegel oszillierend in Richtung der optischen Achse des ersten Lichtweges bewegt. Aufgrund dieser oszillierenden Bewegung erhöht bzw. verringert sich die Differenz zwischen den beiden Lichtwegen um die Amplitude der Oszillationsbewegung. Das an den Interferometerspiegeln reflektierte Licht wird anschließend durch ein Überlagerungsmittel überlagert, wodurch Interferenzeffekte auftreten. Die Intensität des überlagerten Lichts ändert sich abhängig von der Oszillationsbewegung des ersten Interferometerspiegels und wird von einem Fotosensor erfasst. Der Fotosensor ist vorzugsweise von einer Fotodiode, einem Fotowiderstand oder einem Fototransistor gebildet. Er ist als Punktsensor ausgeführt, sozusagen annähernd nulldimesional. Während einer halben Periodendauer der Oszillationsbewegung wird daher lediglich der Abstand an einer einzigen punktförmigen Stelle der Objektoberfläche zu einem Zeitpunkt erfasst. Die Intensität wird durch den Fotosensor an dieser einen Messstelle abhängig von der Zeit erfasst. Eine Strahlaufweitung ist daher nicht notwendig und es können sehr klein bauende Anordnungen realisiert werden.The first interferometer mirror present in the first light path can be moved in an oscillating manner by means of an oscillation device. Preferably, the interferometer mirror is oscillated in the direction of the optical axis of the first optical path. Due to this oscillating movement, the difference between the two light paths increases or decreases by the amplitude of the oscillation movement. The reflected light at the interferometer mirrors is then superimposed by a superposition means, whereby interference effects occur. The intensity of the superimposed light changes depending on the oscillation movement of the first interferometer mirror and is detected by a photosensor. The photosensor is preferably formed by a photodiode, a photoresistor or a phototransistor. It is designed as a point sensor, so to speak, almost zero-dimensional. During half a period of the oscillation movement, therefore, only the distance at a single punctual point of the object surface is detected at one time. The intensity is determined by the photo sensor at this one measuring point depending on the Time recorded. A beam expansion is therefore not necessary and it can be realized very small-sized arrangements.

Bei dieser Anordnung kann der gewünschte Messbereich durch die Amplitude der Oszillationsbewegung des ersten Interferometerspiegels vorgegeben und beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Oszillationsamplitude zwischen einigen Mikrometern und einigen hundert Mikrometern liegen. Über die Oszillationsfrequenz wird die Messfrequenz der Messeinrichtung bzw. des Messverfahrens bestimmt. Bevorzugte Oszillationsfrequenzen liegen im Bereich von einigen 100 Hertz bis etwa 100 Kilohertz.With this arrangement, the desired measurement range can be predetermined and influenced by the amplitude of the oscillation movement of the first interferometer mirror. For example, the oscillation amplitude may be between a few micrometers and a few hundred micrometers. About the oscillation frequency, the measuring frequency of the measuring device or the measuring method is determined. Preferred oscillation frequencies are in the range of a few hundred hertz to about 100 kilohertz.

Im Interferometer sind bei dieser Bauart keine Spiegelschrägstellung und keine Strahlaufweitung erforderlich. Dadurch steigt die Lichtausbeute am Fotosensor. Die Signalintensität ist über den gesamten Messbereich gleich. Da die Lichtstrahlen in Richtung der optischen Achse der Lichtwege verlaufen, sind Dispersionseffekte vermieden. Die Interferometerspiegel können rechtwinklig zu der optischen Achse des jeweiligen Lichtwegs ausgerichtet werden, was den Aufbau und die Montage deutlich vereinfacht und die Kostender Messeinrichtung senkt.In the interferometer no mirror skew and no beam expansion are required in this design. This increases the light output at the photo sensor. The signal intensity is the same over the entire measuring range. Since the light rays run in the direction of the optical axis of the light paths, dispersion effects are avoided. The interferometer mirrors can be aligned at right angles to the optical axis of the respective light path, which considerably simplifies assembly and assembly and reduces the cost of the measuring device.

Es ist vorteilhaft, wenn die Interferometerspiegel als Planspiegel ausgeführt sind, die sich rechtwinklig zur optischen Achse des jeweiligen Lichtwegs erstrecken. Planspiegel sind kostengünstig herzustellen.It is advantageous if the interferometer mirrors are designed as plane mirrors which extend at right angles to the optical axis of the respective light path. Flat mirrors are inexpensive to produce.

Vorzugsweise werden als Lichtquelle zwei Superlumineszenzdioden verwendet, wobei die Schwerpunktwellenlängen des von den beiden Superlumineszenzdioden abgestrahlten Lichts unterschiedlich sind. Auf diese Weise kann das gewünschte kurzkohärente Licht erzeugt werden. Beispielsweise kann die Differenz zwischen den Schwerpunktwellenlängen 50 bis 100 Nanometer betragen. Bei einer bevorzugten Ausführung beträgt die Schwerpunktwellenlänge der einen Diode 750 Nanometer und die der anderen Diode 830 Nanometer. Die spektrale Breite des von einer Superlumineszenzdiode abgestrahlten Lichts beträgt etwa 20 bis 30 Nanometer. Alternativ zu dieser bevorzugten Ausführungsform kann anstelle von zwei Superlumineszenzdioden auch lediglich eine Superlumineszenzdiode mit entsprechend breiter Spektralcharakteristik verwendet werden, um ausreichend kurzkohärentes Licht zu erzeugen. Auch andere Kombinationen von Leuchtmitteln sind möglich, beispielsweise einer Superlumineszenzdiode mit einer Laserdiode oder dergleichen.Preferably, two superluminescent diodes are used as the light source, the centroid wavelengths of the light emitted by the two superluminescent diodes being different. In this way, the desired short-coherent light can be generated. For example, the difference between the centroid wavelengths may be 50 to 100 nanometers. In a preferred embodiment, the centroid wavelength of one diode is 750 nanometers and that of the other diode is 830 nanometers. The spectral width of the light emitted by a super-luminescent diode is about 20 to 30 nanometers. As an alternative to this preferred embodiment, instead of two superluminescent diodes, only one superluminescent diode with a correspondingly broad spectral characteristic can be used to generate sufficiently short-coherent light. Other combinations of bulbs are possible, for example, a superluminescent diode with a laser diode or the like.

An der Sonde ist vorzugsweise ein Kollimatorelement vorhanden, das zur Abstrahlung des Lichts in den Messlichtweg dient. Über das Kollimatorelement kann eine Fokussierung des Messlichtstrahls auf die Objektoberfläche erreicht werden. Gleichzeitig ist es auch möglich, die Referenzfläche am Kollimatorelement vorzusehen und insbesondere an der Austrittsfläche des Messlichtstrahls am Kollimatorelement. Auf die Weise wird in der Sonde eine so genannte Commonpath-Anordnung erreicht. Die Sonde weist bei dieser Ausgestaltung einen sehr kompakten Aufbau auf und benötigt wenig Bauraum.A collimator element is preferably present on the probe, which serves to radiate the light into the measuring light path. By means of the collimator element, focusing of the measuring light beam on the object surface can be achieved. At the same time it is also possible to provide the reference surface on the collimator element and in particular on the exit surface of the measuring light beam on the collimator element. In this way, a so-called common path arrangement is achieved in the probe. The probe has a very compact construction in this embodiment and requires little space.

Um die Ausleuchtung des Fotosensors und die Lichtausbeute zu verbessern, kann zwischen dem Interferometer und dem Fotosensor ein optisches Element vorgesehen sein. Dieses optische Element kann auch die Ausbreitungsrichtung des Lichts zwischen Interferometer und Fotosensor ändern.In order to improve the illumination of the photosensor and the luminous efficacy, an optical element may be provided between the interferometer and the photosensor. This optical element can also change the propagation direction of the light between the interferometer and the photosensor.

Das vom Fotosensor erzeugte elektrische Sensorsignal wird vorzugsweise an eine Auswerteeinrichtung übermittelt, die den Abstandswert bestimmt. Vor der Berechnung des Abstandswertes wird das analoge Sensorsignal in ein digitales Signal gewandelt. Zur Verbesserung der Signalqualität wird insbesondere vor der Analog-Digital-Wandlung eine analoge Filterung des Sensorsignals durchgeführt. Beispielsweise kann ein analoges Filter in Form eines Bandpasses in der Auswerteeinrichtung vor dem Analog-Digital-Wandler angeordnet sein. Der Analog-Digital-Wandler der Auswerteeinrichtung ist bevorzugt als 2-Kanal-Analog-Digital-Wandler ausgeführt, der das Sensorsignal, sowie ein die Oszillation des ersten Interferometerspiegels beschreibendes Schwingungssignal synchron abtastet. Das digitalisierte Schwingungssignal dient als Referenzsignal zur Bestimmung der Nulllage des digitalisierten Sensorsignals für die weitere Abstandswertbestimmung.The electrical sensor signal generated by the photosensor is preferably transmitted to an evaluation device which determines the distance value. Before calculating the distance value, the analog sensor signal is converted into a digital signal. To improve the signal quality, an analog filtering of the sensor signal is carried out in particular before the analog-to-digital conversion. For example, an analog filter in the form of a bandpass filter may be arranged in the evaluation device before the analog-to-digital converter. The analog-to-digital converter of the evaluation device is preferably designed as a 2-channel analog-digital converter which synchronously samples the sensor signal, as well as a vibration signal describing the oscillation of the first interferometer mirror. The digitized oscillation signal serves as a reference signal for determining the zero position of the digitized sensor signal for the further distance value determination.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann in der Auswerteeinrichtung ein Messverfahren mit einen oder mehreren von drei Schritten ausgeführt werden. In jedem Schritt kann dabei ein Abstandswert ermittelt werden, wobei die Eindeutigkeit und die Messgenauigkeit der einzelnen Abstandswerte verschieden ist. Vorzugsweise werden zumindest zwei dieser Schritte während des Messvorgangs in der Auswerteeinrichtung durchgeführt. Im ersten Schritt wird der erste Abstandswert anhand des Interferenzmaximums bestimmt. Im zweiten Schritt wird eine Phasendifferenz zwischen von der Objektoberfläche reflektierten unterschiedlichen Lichtfarben bestimmt. In einem dritten Schritt wird die Phase zumindest einer Lichtfarbe des von der Objektoberfläche reflektierten Lichts ermittelt und mit einem vorgegebenen Phasenwert verglichen. Anhand des Vergleichsergebnisses wird der dritte Abstandswert ermittelt. Die Genauigkeit steigt vom ersten zum dritten Abstandswert, während die Eindeutigkeit abnimmt. Daher ist es besonders bevorzugt, die drei Schritte in der genannten Reihenfolge durchzuführen, um sowohl eine große Eindeutigkeit, als auch eine große Messgenauigkeit zu erhalten.In a preferred embodiment, a measuring method with one or more of three steps can be carried out in the evaluation device. In each step, a distance value can be determined, the uniqueness and the measurement accuracy of the individual distance values being different. Preferably, at least two of these steps are performed during the measuring process in the evaluation device. In the first step, the first distance value is determined on the basis of the interference maximum. In the second step, a phase difference between different light colors reflected by the object surface is determined. In a third step, the phase of at least one light color of the light reflected from the object surface is determined and compared with a predetermined phase value. Based on the comparison result, the third distance value is determined. The accuracy increases from the first to the third Distance value while the uniqueness decreases. Therefore, it is particularly preferable to perform the three steps in the order mentioned to obtain both a high uniqueness and a high measurement accuracy.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie der Beschreibung. Die Beschreibung beschränkt sich dabei auf wesentliche Merkmale der Erfindung. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. Es zeigen:Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and the description. The description is limited to essential features of the invention. The drawing is to be used as a supplement. Show it:

1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Messeinrichtung, 1 a block diagram of a first embodiment of a measuring device,

2 und 3 jeweils den Verlauf einer Oszillationsbewegung des ersten Interferometerspiegels der Messeinrichtung, 2 and 3 in each case the course of an oscillatory movement of the first interferometer mirror of the measuring device,

4 ein Diagramm, das schematisch die Schritte eines Messverfahrens zur Bestimmung von Abstandswerten veranschaulicht, 4 a diagram which schematically illustrates the steps of a measuring method for determining distance values,

5 ein Blockschaltbild eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der in 1 dargestellten Messeinrichtung und 5 a block diagram of a modified embodiment of the in 1 shown measuring device and

6 eine abgewandelte Ausgestaltung einer Sonde für eine Messeinrichtung gemäß der 1 oder 5. 6 a modified embodiment of a probe for a measuring device according to the 1 or 5 ,

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Messeinrichtung 10, die zur Bestimmung eines Abstandswerts d zwischen einer Lichtaustrittsfläche 11, einer Sonde 12 und einer Objektoberfläche 13 dient. Der Abstand d wird punktförmig entlang der optischen Achse 14 der Sonde 12 bestimmt. Zu der Messeinrichtung 10 gehört eine Lichtquelle 15, die beim Ausführungsbeispiel mehrere und insbesondere zwei Leuchtmittel aufweist. Als Leuchtmittel werden vorzugsweise zwei Superlumineszenzdioden 16 (SLDs) verwendet. Die Superlumineszenzdioden 16 strahlen jeweils Licht mit einer spektralen Breite von etwa 20 bis 40 nm ab. Ihre Schwerpunktwellenlängen sind verschieden, wobei die eine Superlumineszenzdiode 16 eine Schwerpunktwellenlänge von etwa 750 nm aufweist und die andere Superlumineszenzdiode eine Schwerpunktwellenlänge von etwa 830 nm aufweist. Auf diese Weise wird eine Lichtquelle 15 gebildet, die kurzkohärentes Licht aussendet. 1 shows an embodiment of a measuring device 10 for determining a distance value d between a light exit surface 11 , a probe 12 and an object surface 13 serves. The distance d becomes point-like along the optical axis 14 the probe 12 certainly. To the measuring device 10 heard a light source 15 , which has several and in particular two light sources in the embodiment. As light sources are preferably two superluminescent diodes 16 (SLDs) used. The superluminescent diodes 16 each emit light with a spectral width of about 20 to 40 nm. Their centroid wavelengths are different, with the one superluminescent diode 16 has a centroid wavelength of about 750 nm and the other superluminescent diode has a centroid wavelength of about 830 nm. In this way, a light source 15 formed, which emits short coherent light.

Die beiden Superlumineszenzdioden 16 sind jeweils mit einer Monomodenfaser versehen, wodurch ein so genanntes Faserpigtail 17 gebildet ist. Über das jeweilige Faserpigtail 17 sind die Superlumineszenzdioden 16 mit einem ersten Faserkoppler 18 verbunden.The two superluminescent diodes 16 are each provided with a monomode fiber, creating a so-called pigtail 17 is formed. About the respective fiber pigtail 17 are the superluminescent diodes 16 with a first fiber coupler 18 connected.

Der erste Faserkoppler 18 ist über eine erste Monomodenfaser 22 mit einem zweiten Faserkoppler 23 verbunden. Eine zweite Monomodenfaser 24 verbindet den zweiten Faserkoppler 23 mit der Sonde 12. Die Sonde 12 ist vorzugsweise als optische Mikrosonde ausgestaltet. Die Lichtaustrittsfläche 11 kann hierbei parallel zu der durch sie hindurch laufenden optischen Kugelwelle gekrümmt ausgestaltet sein, wie dies in 1 gestrichelt durch die Lichtaustrittsfläche 11' veranschaulicht ist. Die mit durchgezogener Linie gezeigte plane Lichtaustrittsfläche 11 kann vorgesehen werden, wenn der Abstand d klein genug ist, so dass nur vernachlässigbare Störungen bei der Messung auftreten. Diese Bedingung ist dann erfüllt, wenn der Lichtweg innerhalb eines optischen Elements 25, vorzugsweise einer Kollimatorlinse, das die Lichtaustrittsfläche 11 aufweist, im Bereich von mindestens 80 bis 90 Prozent oder mehr des Abstands zwischen der Lichtaustrittsfläche 11 und dem von der Sonde 12 erzeugten Brennpunkt ausmacht. Bei einer solchen Ausgestaltung ist der Lichtkegel bereits ausreichend fokussiert, wenn er durch die Lichtaustrittsfläche 11 hindurchtritt, so dass auf eine konkave Krümmung der Lichtaustrittsfläche 11 verzichtet werden kann.The first fiber coupler 18 is about a first single mode fiber 22 with a second fiber coupler 23 connected. A second single mode fiber 24 connects the second fiber coupler 23 with the probe 12 , The probe 12 is preferably designed as an optical microprobe. The light exit surface 11 may be configured curved parallel to the optical spherical wave passing therethrough, as shown in FIG 1 dashed through the light exit surface 11 ' is illustrated. The plane light exit surface shown by a solid line 11 can be provided if the distance d is small enough so that only negligible disturbances in the measurement occur. This condition is fulfilled when the light path within an optical element 25 , preferably a collimator lens, the light exit surface 11 in the range of at least 80 to 90 percent or more of the distance between the light exit surface 11 and that of the probe 12 made focal point. In such an embodiment, the light cone is already sufficiently focused when passing through the light exit surface 11 passes, so that a concave curvature of the light exit surface 11 can be waived.

Die numerische Apertur des optischen Elements 25 der Sonde 12 ist groß und vorzugsweise größer als 0,1. Dadurch lassen sich hohe Auflösungen erreichen und die Messung ist unempfindlich gegenüber lokalen Neigungen der Objektoberfläche 13. Als optisches Element 25 können auch so genannte GRIN-Linsen (Gradienten-Index-Linsen) eingesetzt werden. Es ist ferner möglich, innerhalb der Sonde 12 zwischen der zweiten Monomodenfaser 24 und dem optischen Element 25 einen geneigten Spiegel 26 anzuordnen. Die Lichteintrittsrichtung am Ende der Monomodenfaser 24 in die Sonde 12 wird dadurch gegenüber der Lichtaustrittsrichtung und der optischen Achse 14 verändert. Dadurch können sozusagen zur Seite messende Sonden 12 aufgebaut werden, wie dies beispielhaft schematisch in 6 gezeigt ist.The numerical aperture of the optical element 25 the probe 12 is large and preferably greater than 0.1. As a result, high resolutions can be achieved and the measurement is insensitive to local inclinations of the object surface 13 , As an optical element 25 It is also possible to use so-called GRIN lenses (gradient index lenses). It is also possible inside the probe 12 between the second single-mode fiber 24 and the optical element 25 a tilted mirror 26 to arrange. The light entry direction at the end of the monomode fiber 24 into the probe 12 is characterized by the light exit direction and the optical axis 14 changed. As a result, so-called to the side measuring probes 12 be constructed as exemplified schematically in 6 is shown.

Das optische Element 25 der Sonde 12 ist als Kollimatorelement ausgeführt und dient ferner der Fokussierung des an der Lichtaustrittsfläche 11 austretenden Lichts. Das von der Lichtquelle 15 über die Monomodenfasern 22, 24 in die Sonde 12 eingekoppelte Licht durchläuft zum Teil einen Referenzlichtweg R und zum Teil einen Messlichtweg M. Der Referenzlichtweg endet an einer Referenzfläche 27 in der Sonde 12, die beispielsgemäß am optischen Element 25 und vorzugsweise an der Lichtaustrittsfläche 11 vorgesehen ist. Dort wird ein Teil des auftreffenden Lichts an der Referenzfläche 27 reflektiert und wieder in die zweite Monomodenfaser 24 eingespeist. Ein anderer Teil des Lichts tritt aus der Lichtaustrittsfläche 11 aus, wird anschließend an der Objektoberfläche 13 reflektiert und von der Sonde 12 wieder aufgenommen. Dieser Teil des Lichts durchläuft den Messlichtweg M. Die zurückgelegten Strecken des Lichts im Referenzlichtweg R und im Messlichtweg M sind daher verschieden und unterscheiden sich um den Abstand d zwischen der Lichtaustrittsfläche 11 und der Objektoberfläche 13.The optical element 25 the probe 12 is designed as a collimator element and also serves to focus on the light exit surface 11 leaking light. That from the light source 15 about the Single-mode fibers 22 . 24 into the probe 12 Coupled light passes through in part a reference light path R and partly a measuring light path M. The reference light path ends at a reference surface 27 in the probe 12 , the example according to the optical element 25 and preferably at the light exit surface 11 is provided. There is a part of the incident light on the reference surface 27 reflected and back into the second single mode fiber 24 fed. Another part of the light emerges from the light exit surface 11 out, then at the object surface 13 reflected and from the probe 12 resumed. This part of the light passes through the measurement light path M. The distances traveled by the light in the reference light path R and in the measurement light path M are therefore different and differ by the distance d between the light exit surface 11 and the object surface 13 ,

Sowohl das im Referenzlichtweg R reflektierte Licht, als auch das im Messlichtweg M reflektierte Licht werden wieder in die zweite Monomodenfaser 24 eingespeist und über eine dritte Monomodenfaser 29, die an den zweiten Faserkoppler 23 angeschlossen ist, zu einem Interferometer 30 weitergeleitet. Bei dieser Übertragung kommt es zu keiner Interferenz, da die Differenz zwischen den beiden Lichtwegen M, R größer ist als die Kohärenzlänge des Lichts.Both the light reflected in the reference light path R and the light reflected in the measurement light path M become the second single-mode fiber again 24 fed and a third single mode fiber 29 connected to the second fiber coupler 23 connected to an interferometer 30 forwarded. In this transmission, there is no interference, since the difference between the two light paths M, R is greater than the coherence length of the light.

Das Interferometer 30 ist vorzugsweise als Michelson-Interferometer ausgeführt. Am Faserende der dritten Monomodenfaser 29 ist ein Kollimator 31 vorgesehen, der ein im Wesentlichen paralleles Lichtstrahlenbündel erzeugt, das am Kollimator 31 austritt und auf einen Strahlteiler 32 des Interferometers 30 gerichtet wird. Im Interferometer 30 teilt der Strahlteiler 32 das vom Kollimator 31 abgestrahlte Licht in einen ersten Lichtweg L1 und einen zweiten Lichtweg L2 auf. Die beiden Lichtwege L1, L2 sind unterschiedlich lang. Der erste Lichtweg L1 wird vom Strahlteiler 32 und einem ersten Interferometerspiegel 33 und der zweite Lichtweg L2 vom Strahlteiler 32 und einem zweiten Interferometerspiegel 34 begrenzt. Das an den Interferometerspiegeln 33, 34 reflektierte Licht wird am Strahlteiler 32 wieder überlagert und interferiert. Die Interferenz wird von einem Fotosensor 35 detektiert. Zwischen dem Strahlteiler 32 und dem Fotosensor 35 kann ein weiteres optisches Element 36 vorgesehen sein, um die fotosensitive Fläche des Fotosensors 35 optimal auszuleuchten. Der Fotosensor 35 ist vorzugsweise von einer Fotodiode gebildet. Der Fotosensor 35 überträgt ein Sensorsignal S an eine Auswerteeinrichtung 37 der Messeinrichtung 10.The interferometer 30 is preferably designed as a Michelson interferometer. At the fiber end of the third single-mode fiber 29 is a collimator 31 provided, which generates a substantially parallel beam of light, the collimator 31 exit and onto a beam splitter 32 of the interferometer 30 is directed. In the interferometer 30 splits the beam splitter 32 that from the collimator 31 radiated light in a first light path L1 and a second light path L2. The two light paths L1, L2 are of different lengths. The first light path L1 is from the beam splitter 32 and a first interferometer mirror 33 and the second light path L2 from the beam splitter 32 and a second interferometer mirror 34 limited. That at the interferometer mirrors 33 . 34 reflected light is at the beam splitter 32 again superimposed and interfered. The interference is from a photosensor 35 detected. Between the beam splitter 32 and the photosensor 35 can be another optical element 36 be provided to the photosensitive surface of the photo sensor 35 optimally illuminate. The photosensor 35 is preferably formed by a photodiode. The photosensor 35 transmits a sensor signal S to an evaluation device 37 the measuring device 10 ,

Das aus dem ersten Lichtweg L1 sowie aus dem zweiten Lichtweg L2 reflektierte und überlagerte Licht weist nur für die Anteile stabile Interferenzen auf, bei denen die Längendifferenz des Referenzlichtwegs R und des Messlichtwegs M kompensiert durch die unterschiedlich langen Lichtwege L1, L2 wurde. Die Interferenzen in diesen Anteilen des vom Fotosensor 35 empfangenden Lichts dienen zur weiteren Auswertung.The light reflected and superimposed from the first light path L1 and from the second light path L2 has stable interferences only for the parts in which the difference in length of the reference light path R and of the measurement light path M has been compensated by the different lengths of light paths L1, L2. The interferences in these proportions of the photosensor 35 receiving light serve for further evaluation.

Die beiden Interferometerspiegel 33, 34 sind als Planspiegel ausgeführt. Der erste Interferometerspiegel 33 ist rechtwinklig zur optischen Achse 40 des ersten Lichtwegs L1 und der zweite Interferometerspiegel 34 rechtwinklig zur optischen Achse 41 des zweiten Lichtwegs L2 ausgerichtet. Die Längendifferenz der beiden Lichtwege L1, L2 entspricht der Differenz in der Länge zwischen dem Messlichtweg M und dem Referenzlichtweg R. Um die Differenz zwischen dem Messlichtweg M und dem Referenzlichtweg R bei sich änderndem Abstand d anpassen zu können, ist der zweite Interferometerspiegel 34 in Richtung der optischen Achse 41 des zweiten Lichtwegs L2 verschiebbar. Die Einstellung bzw. Positionierung des zweiten Interferometerspiegels 34 kann entweder manuell oder auch durch einen Verstellantrieb 42 erfolgen, der durch die Auswerteeinrichtung 37 angesteuert wird. Auf diese Weise kann eine Nachführung des zweiten Interferometerspiegels 34 abhängig vom ermittelten Abstandswert d automatisch erfolgen. Die Längendifferenz in den Lichtwegen L1, L2 kompensiert dann automatisch die Längendifferenz zwischen Referenzlichtweg R und Messlichtweg M.The two interferometer mirrors 33 . 34 are designed as a plane mirror. The first interferometer mirror 33 is perpendicular to the optical axis 40 of the first light path L1 and the second interferometer mirror 34 perpendicular to the optical axis 41 aligned with the second light path L2. The difference in length between the two light paths L1, L2 corresponds to the difference in the length between the measurement light path M and the reference light path R. In order to be able to adjust the difference between the measurement light path M and the reference light path R with changing distance d, the second interferometer mirror is 34 in the direction of the optical axis 41 the second light path L2 slidable. The adjustment or positioning of the second interferometer mirror 34 can either manually or by an adjustment 42 done by the evaluation 37 is controlled. In this way, a tracking of the second interferometer mirror 34 be done automatically depending on the determined distance value d. The difference in length in the light paths L1, L2 then automatically compensates for the difference in length between the reference light path R and the measuring light path M.

Die Messeinrichtung 10 verfügt ferner über eine Oszillationseinrichtung 45. Die Oszillationseinrichtung 45 enthält einen Oszillationsantrieb 46, der mit dem ersten Interferometerspiegel 33 verbunden ist. Der Oszillationsantrieb 46 kann dem ersten Interferometerspiegel 33 eine Schwingungsbewegung in Richtung der optischen Achse 40 des ersten Lichtwegs L1 aufprägen. Dabei vergrößert und verringert der erste Interferometerspiegel 33 den ersten Lichtweg L1 ausgehend von seiner Nulllage periodisch. Als Oszillationsantrieb 45 kann beispielsweise ein Piezoaktor oder ein mikromechanischer Translationsaktor dienen.The measuring device 10 also has an oscillation device 45 , The oscillation device 45 contains an oscillation drive 46 that with the first interferometer mirror 33 connected is. The oscillation drive 46 can be the first interferometer mirror 33 a vibrational movement in the direction of the optical axis 40 of the first light path L1 imprint. The first interferometer level increases and decreases 33 the first light path L1 periodically from its zero position. As oscillation drive 45 For example, a piezoelectric actuator or a micromechanical translation actuator can serve.

Zu diesem Zweck wird der Oszillationsantrieb 46 von einem Signalgenerator 47 angesteuert. Der Signalgenerator 47 erzeugt ein Schwingungssignal P mit einer Amplitude A und einer Frequenz f. Sowohl die Amplitude A als auch die Frequenz f können variiert werden und vom Bediener der Messeinrichtung 10 eingestellt werden. Beispielhafte Schwingungssignalverläufe P sind in den 2 und 3 dargestellt. Eine Schwingungssignalhalbwelle ist vorzugsweise symmetrisch zu einer Geraden durch das Maximum bzw. Minimum. Es können dreieckförmige oder sinusförmige Schwingungssignalverläufe hervorgerufen werden. Durch die Erhöhung der Schwingungsfrequenz f lässt sich die Messgeschwindigkeit der Messeinrichtung 10 steigern oder umgekehrt. Die Amplitude A definiert den Messbereich der Messeinrichtung 10. Über das Schwingungssignal P lässt sich der von Messeinrichtung 10 durchzuführende Messvorgang an die jeweilige Messaufgabe anpassen.For this purpose, the oscillation drive 46 from a signal generator 47 driven. The signal generator 47 generates a vibration signal P having an amplitude A and a frequency f. Both the amplitude A and the frequency f can be varied and by the operator of the measuring device 10 be set. Exemplary vibration waveforms P are in the 2 and 3 shown. A vibration signal half-wave is preferably symmetrical to a straight line through the maximum or minimum. It can be caused triangular or sinusoidal waveforms. By increasing the oscillation frequency f, the measuring speed of the measuring device can be adjusted 10 increase or the other way around. The amplitude A defines the measuring range of the measuring device 10 , About the vibration signal P can be of the measuring device 10 Adjust the measuring process to be performed to the respective measuring task.

Die Auswerteeinrichtung 37 weist ein analoges Filter 50 zur Filterung des Sensorsignals S auf. Das analoge Filter 50 entfernt hochfrequente Störanteile sowie Gleichanteile aus dem Sensorsignal S. Das analoge Filter 50 kann beispielsweise als Bandpass oder als Kombination aus Tief- und Hochpass ausgeführt sein. Das gefilterte Signal G wird anschließend einem Analog-Digital-Wandler 51 übermittelt. Die Analog-Digital-Wandlung erfolgt synchron zum Schwingungssignal P des Signalgenerators 47. Der Analog-Digital-Wandler 51 ist als ein 2-Kanal-Wandler ausgeführt. Es tastet das Schwingungssignal P und das gefilterte Signal G synchron ab und erzeugt aus dem analogen gefilterten Signal G ein erstes digitales Signal D1 und aus dem Schwingungssignal P ein zweites digitales Signal D2. Das zweite digitales Signal D2 dient als Referenzsignal zur Bestimmung der Nulllage des ersten digitalen Signals D1. Diese synchrone Abtastung stellt eine genaue Bestimmung der Nulllage sicher und erhöht die Genauigkeit bei der Bestimmung des Abstandswertes d.The evaluation device 37 has an analog filter 50 for filtering the sensor signal S on. The analog filter 50 removes high-frequency interference components as well as DC components from the sensor signal S. The analogue filter 50 can for example be designed as a bandpass or as a combination of low and high pass. The filtered signal G is then an analog-to-digital converter 51 transmitted. The analog-to-digital conversion takes place synchronously with the oscillation signal P of the signal generator 47 , The analog-to-digital converter 51 is designed as a 2-channel converter. It samples the oscillation signal P and the filtered signal G synchronously and generates from the analog filtered signal G a first digital signal D1 and from the oscillation signal P a second digital signal D2. The second digital signal D2 serves as a reference signal for determining the zero position of the first digital signal D1. This synchronous sampling ensures an accurate determination of the zero position and increases the accuracy in the determination of the distance value d.

Die Abtastfrequenz wird dabei unter Berücksichtung der Oszillationsfrequenz f und/oder der Bandbreite des analogen Bandpasses 50 bestimmt. Ausgehend von der Überlegung, dass sich der Abstand d gegenüber der Oszillationsfrequenz f nur sehr langsam ändert, kann auch eine Unterabtastung zur Digitalisierung des gefilterten Sensorsignals G ohne Informationsverlust ausreichen.The sampling frequency is taking into account the oscillation frequency f and / or the bandwidth of the analog bandpass 50 certainly. Based on the consideration that the distance d changes only very slowly with respect to the oscillation frequency f, sub-sampling for digitizing the filtered sensor signal G without loss of information can be sufficient.

Das erste Digitalsignal D1 wird anschließend in einem Auswerteblock 52 der Auswerteeinrichtung 37 ausgewertet. Dabei wird zumindest ein Wert für den Abstand d ermittelt.The first digital signal D1 is then in an evaluation block 52 the evaluation device 37 evaluated. At least one value for the distance d is determined.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Ermittlung des Abstandswerts d in drei Schritten:
Das von der Lichtquelle 15 abgestrahlte Licht der beiden Superlumineszenzdioden 16 wird in den Referenzlichtweg R und in den Messlichtweg M der Sonde 12 eingespeist. Sowohl das vom Referenzlichtweg R, als auch das vom MessLichtweg M reflektierte Licht wird im Interferometer 30 in den ersten und den zweiten Lichtweg L1, L2 aufgeteilt und anschließend wieder überlagert, um eine Interferenz zu erzeugen. Die Interferenz wird vom Fotosensor 35 erfasst und als Sensorsignal S an die Auswerteeinheit 37 übermittelt. Aufgrund der Oszillation des ersten Interferometerspiegels 33 entsteht ein moduliertes Sensorsignal S, dessen Hüllkurve 55 in 4 gezeigt ist. Es wird die Stelle mit der maximalen Modulationstiefe des ersten Digitalsignals D1 gesucht, was dem Maximum der Hüllkurve 55 entspricht. Anhand einer vorgegebenen Kalibriertabelle in der Auswerteeinrichtung 37 wird die an der Stelle der maximalen Modulationstiefe – also des Maximums der Hüllkurve 55 – bestimmte Spiegelauslenkung des ersten Interferometerspiegels 33 einem ersten Abstandswert d₁ zugeordnet, wie dies schematisch in 4 dargestellt ist.In the preferred embodiment, the determination of the distance value d takes place in three steps:
That from the light source 15 radiated light of the two superluminescent diodes 16 is in the reference light path R and in the measuring light path M of the probe 12 fed. Both the light reflected from the reference light path R and from the measuring light path M is detected in the interferometer 30 divided into the first and the second light path L1, L2 and then superimposed again to produce an interference. The interference is from the photosensor 35 detected and as a sensor signal S to the evaluation 37 transmitted. Due to the oscillation of the first interferometer mirror 33 creates a modulated sensor signal S whose envelope 55 in 4 is shown. The location with the maximum modulation depth of the first digital signal D1 is sought, which is the maximum of the envelope 55 equivalent. Based on a given calibration table in the evaluation device 37 becomes at the place of the maximum modulation depth - thus the maximum of the envelope 55 Certain mirror excursion of the first interferometer mirror 33 associated with a first distance value d ₁ , as shown schematically in FIG 4 is shown.

In einem zweiten Schritt erfolgt jeweils eine Phasenauswertung für die beiden Schwerpunktwellenlängen der beiden Superluminiszenzdioden 16. Dabei wird ein zweiter Abstandswert d₂ auf Basis der Phasendifferenz Δφ innerhalb eines Eindeutigkeitsbereichs von Λ/2 anhand folgender Gleichung ermittelt:

mit

Δφ = φ₁ – φ₂,

φ₁:: Phase des Lichts der Schwepunktwellenlänge λ₁,
φ₂:: Phase des Lichts der Schwepunktwellenlänge λ₂,
m₂:: ganzzahliger Faktor

wobei Λ eine synthetische Wellenlänge ist, die sich abhängig von den beiden Schwerpunktwellenlängen λ₁, λ₂ des Lichts der beiden Superlumineszenzdioden 16 ergibt zu

In a second step, a phase evaluation is carried out for each of the two centroid wavelengths of the two superluminescent diodes 16 , In this case, a second distance value d _{2 is determined} on the basis of the phase difference Δφ within a uniqueness range of Λ / 2 using the following equation:

With

Δφ = φ ₁ - φ ₂ ,

φ ₁ :: Phase of the light of the spot wavelength λ ₁ ,
φ ₂ :: Phase of the light of the spot wavelength λ ₂ ,
m ₂ :: integer factor

where Λ is a synthetic wavelength, which depends on the two centroid wavelengths λ ₁ , λ _{2 of} the light of the two superluminescent diodes 16 results in

Der zweite Abstandswert d₂ ist deutlich genauer als der erste Abstandswert d₁. Der Faktor m₂ ist in Gleichung (1) derjenige ganzzahlige Wert, der den Betrag der Differenz zwischen dem ersten Abstandswert d₁ und dem zweiten Abstandswert d₂ minimiert. Dadurch wird sichergestellt, dass der genauere zweite Abstandswert d₂ innerhalb des Eindeutigkeitsbereichs liegt. Zur Ermittlung der Phasendifferenz Δφ kann beispielsweise eine Fourietransformation durchgeführt werden, um die Phasenwerte φ₁, φ₂ zu erhalten.The second distance value d ₂ is significantly more accurate than the first distance value d ₁ . The factor m ₂ in equation (1) is that integer value which is the magnitude of the difference between the first distance value d ₁ and the second distance value d ₂ minimized. This ensures that the more accurate second distance value d _{2 is} within the uniqueness range. To determine the phase difference Δφ, for example, a Fourier transformation can be carried out in order to obtain the phase values φ ₁ , φ ₂ .

In einem dritten Schritt wird ein dritter Abstandwert d₃ bestimmt, dessen Genauigkeit weiter erhöht ist. Die Berechnung erfolgt anhand folgender Gleichung:

mit

φ₀:: Konstante,
m₃:: ganzzahliger Faktor

In a third step, a third distance value d _{3 is} determined whose accuracy is further increased. The calculation is based on the following equation:

With

φ ₀ :: Constant,
m ₃ :: integer factor

Der Faktor m₃ ist derjenige ganzzahlige Wert, bei dem die Differenz zwischen dem dritten Abstandswert d₃ und dem zweiten Abstandswert d₂ minimal ist. Der Wert φ₀ wird durch Kalibrierung ermittelt und stellt eine Konstante dar.The factor m ₃ is the integer value at which the difference between the third distance value d ₃ and the second distance value d _{2 is} minimal. The value φ ₀ is determined by calibration and represents a constant.

Im Auswerteblock 52 kann zur Bestimmung des Abstandswerts d auch lediglich einer oder zwei der genannten Schritte durchgeführt werden. Wegen der Eindeutigkeit der Abstandswerte ist dabei die Reihenfolge der genannten Schritte einzuhalten.In the evaluation block 52 For determining the distance value d, it is also possible to carry out only one or two of said steps. Because of the uniqueness of the distance values, the sequence of the mentioned steps must be observed.

In 5 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Messeinrichtung 10 dargestellt. Der Unterschied gegenüber der Ausführung nach 1 besteht darin, dass die Referenzfläche 27 nicht am optischen Element 25 der Sonde 12, sondern an einem separaten Spiegel 57 im Referenzlichtweg R vorgesehen ist. Der Referenzlichtweg R ist bei dieser Ausgestaltung vom Messlichtweg M getrennt ausgeführt. Wie in 5 dargestellt, ist hierfür eine weitere, vierte Monomodenfaser 58 über einen dritten Faserkoppler 59 mit der zweiten Monomodenfaser 24 verbunden. Der dritten Faserkoppler 59 ist in die zweite Monomodenfaser 24 eingesetzt, die den zweiten Faserkoppler 23 mit der Sonde 12 verbindet. Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel nach 5 dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1, so dass auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.In 5 is a modified embodiment of the measuring device 10 shown. The difference from the execution after 1 is that the reference surface 27 not on the optical element 25 the probe 12 but at a separate mirror 57 is provided in the reference light path R. The reference light path R is executed separately from the measuring light path M in this embodiment. As in 5 is shown, this is another, fourth single-mode fiber 58 via a third fiber coupler 59 with the second single mode fiber 24 connected. The third fiber coupler 59 is in the second single-mode fiber 24 used the second fiber coupler 23 with the probe 12 combines. Incidentally, the embodiment corresponds to 5 according to the first embodiment 1 so that reference is made to the above description.

Um Störungen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, weil am ersten Interferometerspiegel 33 sowie am zweiten Interferometerspiegel 34 reflektiertes Licht über den Kollimator 31 wieder zurück in den Messlichtweg M und den Referenzlichtweg R eingespeist wird, können zusätzlich Maßnahmen vorgesehen werden. Beispielsweise ist es möglich, das Licht in den beiden Lichtwegen L1, L2 zu polarisieren und durch ein Polarisationsfilter am Kollimator 31 die Aufnahme des an den Interferometerspiegeln 33, 34 reflektierten Lichts zu verhindern. Auch durch eine Fokussierung des Lichts auf die beiden Interferometerspiegel 33, 34 kann eine unerwünschte Einkopplung von Licht aus den Lichtwegen L1, L2 zumindest reduzieren.To avoid interference or at least reduce it, because at the first interferometer level 33 as well as at the second interferometer mirror 34 reflected light through the collimator 31 back into the measuring light path M and the reference light path R is fed, additional measures can be provided. For example, it is possible to polarize the light in the two light paths L1, L2 and through a polarizing filter on the collimator 31 the recording of the at the interferometer mirrors 33 . 34 to prevent reflected light. Also by focusing the light on the two interferometer mirrors 33 . 34 can at least reduce unwanted coupling of light from the light paths L1, L2.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung und ein Messverfahren zur Bestimmung eines absoluten Abstandswerts zwischen einer Sonde 12 und einer Objektoberfläche 13. Der Abstandswert d wird dabei punktförmig im Bereich der optischen Achse 14 der Sonde 12 bestimmt. Die Messeinrichtung weist eine Lichtquelle 15 auf, die kurzkohärentes Licht aussendet. In einem Messlichtweg M wird das Licht durch die Sonde 12 auf die Objektoberfläche 13 gerichtet und das dort reflektierte Licht wieder empfangen. Ein anderer Teil des Lichts der Lichtquelle 15 durchläuft einen Referenzlichtweg R bis zu einer Referenzfläche 27 und von dort wieder zurück. Das an der Referenzfläche 27 sowie der Objektoberfläche 13 reflektierte Licht wird einem Interferometer 30 zugeführt und dort in einen ersten Lichtweg L1 sowie einen zweiten Lichtweg L2 aufgeteilt. Die beiden Lichtwege L1, L2 sind unterschiedlich lang und kompensieren die Differenz zwischen Referenzlichtweg R und Messlichtweg M. Der im ersten Lichtweg L1 vorhandene erste Interferometerspiegel 33 oszilliert in Richtung der optischen Achse 40 des ersten Lichtwegs L1. Das Licht aus den beiden Lichtwegen L1, L2 wird überlagert und wegen der Oszillation des ersten Interferometerspiegels 33 bildet sich ein Interferenzmuster im überlagerten Licht, das von einem Fotosensor 35 detektiert werden. Der Abstandswert d wird in einer an den Fotosensor 35 angeschlossenen Auswerteeinrichtung 37 ermittelt.The present invention relates to a measuring device and a measuring method for determining an absolute distance value between a probe 12 and an object surface 13 , The distance value d becomes point-like in the region of the optical axis 14 the probe 12 certainly. The measuring device has a light source 15 on, which emits short coherent light. In a measurement light path M, the light passes through the probe 12 on the object surface 13 directed and receive the light reflected there again. Another part of the light of the light source 15 goes through a reference light path R up to a reference surface 27 and back from there. That at the reference surface 27 as well as the object surface 13 reflected light becomes an interferometer 30 fed and divided there into a first light path L1 and a second light path L2. The two light paths L1, L2 are of different lengths and compensate for the difference between the reference light path R and the measuring light path M. The first interferometer level present in the first light path L1 33 oscillates in the direction of the optical axis 40 of the first light path L1. The light from the two light paths L1, L2 is superimposed and because of the oscillation of the first interferometer mirror 33 an interference pattern forms in the superimposed light, that of a photo sensor 35 be detected. The distance value d is in a to the photosensor 35 connected evaluation device 37 determined.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Messeinrichtungmeasuring device
11, 11'11, 11 ': LichtaustrittsflächeLight-emitting surface
1212: Sondeprobe
1313: Objektoberflächeobject surface
1414: optische Achse v. 12 optical axis v. 12
1515: Lichtquellelight source
1616: LeuchtmittelLamp
1717: FaserpigtailPigtail
1818: erster Faserkopplerfirst fiber coupler
2222: erste Monomodenfaserfirst single-mode fiber
2323: zweiter Faserkopplersecond fiber coupler
2424: zweite Monomodenfasersecond single mode fiber
2525: optisches Element v. 12 optical element v. 12
2626: geneigter Spiegelinclined mirror
2727: Referenzflächereference surface
2929: dritte Monomodenfaserthird single mode fiber
3030: Interferometerinterferometer
3131: Kollimatorcollimator
3232: Strahlteilerbeamsplitter
3333: erster Interferometerspiegelfirst interferometer level
3434: zweiter Interferometerspiegelsecond interferometer mirror
3535: Fotosensorphotosensor
3636: optisches Elementoptical element
3737: Auswerteeinrichtungevaluation
4040: optische Achse v. L1optical axis v. L1
4141: optische Achse v. L2optical axis v. L2
4242: Verstellantriebadjustment
4545: Oszillationseinrichtungoscillation
4646: Oszillationsantrieboscillatory
4747: Signalgeneratorsignal generator
5050: Filterfilter
5151: Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
5252: Auswerteblockevaluation block
5555: Hüllkurveenvelope
5757: Spiegelmirror
5858: vierte Monomodenfaserfourth single-mode fiber
5959: dritter Faserkopplerthird fiber coupler
AA: Amplitudeamplitude
dd: Abstanddistance
D1D1: erstes Digitalsignalfirst digital signal
D2D2: zweites Digitalsignalsecond digital signal
ff: Frequenzfrequency
GG: gefiltertes Signalfiltered signal
L1L1: erster Lichtwegfirst light path
L2L2: zweiter Lichtwegsecond light path
MM: Messlichtwegmeasuring light path
RR: Referenzlichtwegreference light
SS: Sensorsignalsensor signal
PP: Schwingungssignalvibration signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19808273 A1 [0002]
DE 102005061464 [0003]

Claims

Measuring device for absolute distance measurement, with a short-coherent light emitting light source ( 15 ), with a probe ( 12 ), a part of the light in a measuring light path (M) to an object surface ( 13 ) and directs another part of the light into a reference light path (R) to a reference surface ( 27 ) and both at the object surface ( 13 ) as well as the reference surface ( 27 ) receives reflected light, with an interferometer ( 30 ), which is used to record the reflected light to the probe ( 12 ) and the one arranged in a first light path (L1), via an oscillation device ( 45 ) oscillating movable first interferometer mirror ( 33 ), a second interferometer mirror arranged in a second light path (L2) ( 34 ), and a means ( 32 ) for superposition of the at the two interferometer mirrors ( 33 . 34 ) reflected light and with a photo sensor designed as a dot sensor ( 35 ), which measures the intensity of the superimposed light.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the interferometer mirrors ( 33 . 34 ) as a plane mirror and perpendicular to the optical axis ( 40 . 41 ) of the respective light path (L1, L2) are aligned.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the basic position of one of the two interferometer mirrors ( 34 ) along the optical axis ( 41 ) of the relevant light path (L2) can be positioned.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the oscillation device ( 45 ) the first interferometer mirror ( 33 ) with a predeterminable amplitude (A) and / or a predefinable oscillation frequency (f) in the direction of the optical axis ( 40 ) of the first light path (L1).

Measuring device according to claim 1, characterized in that the distance between the reference surface ( 27 ) and object surface ( 13 ) is greater than the coherence length of the light of the light source ( 15 ).

Measuring device according to claim 1, characterized in that as light source ( 15 ) at least one and in particular two superluminescent diodes ( 16 ) be used.

Measuring device according to claim 6, characterized in that that of the at least one superluminescent diode ( 16 ) radiated light has a spectral width of 20 to 30 nm.

Measuring device according to claim 6, characterized in that the centroid wavelengths of the two superluminescent diodes ( 16 ) of emitted light are different.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the probe ( 12 ) for emitting the light into the measuring light path (M) a collimator element ( 25 ) having.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the reflection surface ( 27 ) on the collimator element ( 25 ) is available.

Measuring device according to claim 1, characterized in that between the interferometer ( 30 ) and the photosensor ( 35 ) an optical element ( 36 ) is arranged.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the from the photosensor ( 35 ) detected sensor signal (S) and the oscillation of the first interferometer mirror ( 33 ) descriptive vibration signal (P) to an evaluation device ( 37 ) is transmitted, which synchronously samples both signals and from the sensor signal (S) generates a first digital signal (D1) and from the oscillation signal (P) a second digital signal (D2), wherein the second digital signal (D2) for determining the zero position of the first Digital signal (D1) is used.

Measuring device according to claim 12, characterized in that the sensor signal (S) before the analog-to-digital conversion by an analog filter ( 50 ) is filtered.

Measuring device according to claim 1, with an evaluation device ( 37 ), which is designed such that it carries out the measuring process in one or more of the following steps: in a first step, an interference maximum and on the basis of which a first distance value (d ₁ ) is determined, in a second step, a phase difference (Δφ) between the surface of the object ( 13 ) reflected different light colors and from the phase difference (Δφ) determines a second distance value (d ₂ ), in a third step the phase (φ ₁ ) of the surface of the object ( 13 ) reflected light and from the difference of this phase (φ ₁ ) with a predetermined phase value (φ ₀ ) determines a third distance value (d ₃ ).

Measuring device according to claim 14, characterized in that the three steps have different uniqueness ranges and different measuring accuracies and during the measuring process in the evaluation device ( 37 ) at least two of these steps are performed.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the oscillation device ( 45 ) has a micromechanical translation actuator.

Measuring method for absolute distance measurement, in which for the measurement of short-coherent light from a light source ( 15 ) is radiated by a probe ( 12 ) a part of the light in a measuring light path (M) to an object surface ( 13 ), another part of the light into a reference light path (R) to a reference surface ( 27 ) and both at the object surface ( 13 ) as well as the reference surface ( 27 ) reflected light, the reflected light in an interferometer ( 30 ) in a first light path (L1) and a second light path (L2) is split, the light in the first Lichtwegang (L1) fed to an oscillating first interferometer mirror ( 33 ) and the light fed into the second light path (L2) at a second interferometer mirror ( 34 ) reflected at the interferometer mirrors ( 33 . 34 superimposed light is reflected, the intensity of the superimposed light by means of a photo sensor ( 35 ), and a sensor signal (S) characterizing the intensity is generated, and the distance value (d) is determined on the basis of the sensor signal (S).