DE19520305C2

DE19520305C2 - Verfahren und Meßvorrichtung zur interferometrischen Abstandsmessung

Info

Publication number: DE19520305C2
Application number: DE1995120305
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Sowa
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-06-02
Filing date: 1995-06-02
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2015-06-03
Also published as: DE19520305A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur interferometrischen Abstandsmessung.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Meßvorrichtung zur interferometrischen Abstandsmessung zwischen einem Meßobjekt und der Meßvorrichtung.

Zur Abstandsmessung sind eine Reihe von optischen Meßverfahren und entspre chende Vorrichtungen bekannt geworden. Insbesondere sind hier zu nennen das Autofokusverfahren, das Triangulationsverfahren, das Reflexkopplerverfahren und das Laufzeitverfahren.

Diese Verfahren stellen jedoch spezifische Anforderungen an die Oberflächeneigen schaften des Meßobjektes. So ist es beispielsweise bei Vorrichtungen, die das Trian gulationsprinzip nutzen, nicht ausgeschlossen, daß z. B. die Mikrostruktur einer durch spanende Bearbeitung hergestellten Meßobjektoberfläche dazu führt, daß das Meßlicht in Teilbereichen des meist sehr kleinen Beleuchtungsfleckes neben die Be trachtungsapertur gestreut bzw. reflektiert wird. Die auszuwertende Intensitätsvertei lung wird dadurch stark indifferent und führt bei der nachfolgenden rechentechni schen Auswertung zu Meßfehlern, die im ungünstigen Falle ein Vielfaches der allein durch Oberflächenrauheit hervorgerufenen Abstandsdifferenz betragen kann.

Andererseits ist es auch allgemein bekannt, Abstände bzw. Längen interferometrisch zu messen.

So ist beispielsweise ein Laserinterferometer zur Längenmessung mit einem Halblei terlaser bekannt (DE 37 06 347 C2). Das Licht des Halbleiterlasers speist hierbei über einen Strahlteiler einerseits ein Meßinterferometer mit zwei Reflektoren, von denen einer mit dem zu erfassenden beweglichen Objekt verbunden ist, und andererseits ein zur Regelung der Laserlichtwellenlänge dienendes, dem Meßinterferometer räumlich benachbartes Referenzinterferometer mit einer fixierten Reflektoranordnung. Während das Referenzlichtstrahlbündel einen an einen die Frequenz des Halbleiterlasers nach regelnden Regelkreis angeschlossenen Referenzsignaldetektor beaufschlagt, speist das die Information bezüglich der zu erfassenden Länge enthaltende Interferenzlicht strahlbündel des Meßinterferometers einen Interferenzsignaldetektor, der mit einer Auswertevorrichtung zur Bestimmung von Abstandsänderungen verbunden ist.

Es ist auch ein Laserinterferometer zur Bestimmung einer Abstandsänderung oder des Profils vornehmlich einer nichtspiegelnden Oberfläche bekannt, bei dem als Raumfilter wirkende monomode Lichtwellenleiter verwendet sind (US 5,349,440).

Ein Raumfilter kommt auch bei einem bekannten, mit Hilfe eines Fabry Perot Etalons stabilisierten Zweiwellenlängen-Laserdiodeninterferometer zum Einsatz (US 5,127,731).

Bei beiden vorgenannten Interferometern wird der Referenzstrahl phasenmoduliert, indem im Referenzstrahlengang ein mittels Aktuators bewegbarer Spiegel angeordnet ist.

Es ist ferner ein Interferometer zur Weg-Längenmessung bekannt, das eine Lichtquelle, einen festen und einen beweglichen Spiegel sowie einen Lichtdetektor umfaßt, wobei einer der Spiegelkörper lichtdurchlässig ist und senkrecht zur Lichteinfallsrichtung ein Stufenprofil aufweist (DE 39 28 001 A1). Der so modifizierte Spiegel bezweckt hierbei, daß das Ausgangssignal des Interferometers einen richtungsabhängigen Signalverlauf aufweist, der mit elektronischen Mitteln auswertbar ist und somit eine Längenänderung nicht nur hinsichtlich ihres Betrages, sondern auch hinsichtlich ihres Vorzeichens detektierbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsmessung anzugeben, das bzw. die zur Abstandsmessung von Objekten mit stark unterschiedlichen Reflexionsverhalten ihrer Oberflächen gleichermaßen geeignet ist und das bzw. die sich durch einen vergleichsweise geringen Aufwand auszeichnet. Das heißt, mit dem Verfahren und der Vorrichtung soll eine Abstandsmessung möglichst geringer Meßunsicherheit sowohl bei Meßobjekten mit spiegelnder Oberfläche als auch bei Meßobjekten mit diffus streuender Oberfläche möglich sein. Das An wendungsgebiet soll sich z. B. auf Meßobjekte aus Glas, Kunststoff, Keramik oder Metall erstrecken, wobei insbesondere an die Meßwertaufnahme an Objekten mit spanend bearbeiteter Metalloberfläche gedacht ist. Darüber hinaus soll die Meßvor richtung in ihren Abmessungen möglichst klein und kompakt ausgebildet sein.

Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, wie es in Anspruch 1 definiert ist.

Die Aufgabe wird darüber hinaus erfindungsgemäß mit einer Meßvorrichtung gelöst, wie sie im Anspruch 3 und im Anspruch 4 definiert ist.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehö rigen Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung zur interferometrischen Mes sung des Abstandes der Vorrichtung von einem Meßobjekt,

Fig. 2a eine Einzelheit der Meßvorrichtung gemäß Fig. 1 in einer ersten Ausbildungsform,

Fig. 2b die Einzelheit in einer zweiten möglichen Ausbildungsform und

Fig. 3 beispielhaft ein zu detektierendes Interferenzstreifenmuster.

Zur in Fig. 1 abgebildeten Meßvorrichtung gehören eine Lichtquelle 1, eine Kolli matoroptik 2, ein Achromat 3, ein Pin-hole 4, zwei weitere Achromaten 5 und 6, eine erste aus zwei Strahlteilerplatten 7 und 8 bestehende Interferometeranordnung I_I, eine zweite aus einer Strahlteilerplatte 10 und einem teilverspiegelten, stufenförmig ausgebildeten Glaskörper 11 bestehende Interferometeranordnung I_II, zwei Spiegel 12 und 13 sowie ein Detektor 14. 9 bezeichnet ein Meßobjekt, zum Beispiel die Oberfläche eines spanend bearbeiteten Werkstückes, dessen Abstand von der Meß vorrichtung ermittelt werden soll.

Als Lichtquelle 1 dient eine kurzkohärente Lichtquelle, beispielsweise eine Halogen lampe. Das von der Lichtquelle 1 abgestrahlte Licht passiert zunächst die Kollimator optik 2 und trifft entsprechend kollimiert auf den im 45°-Winkel zur optischen Achse angeordneten Spiegel 13 und wird von diesem Spiegel 13 zum gleichfalls im 45°- Winkel plazierten Spiegel 12 reflektiert, der den Lichtstrahl achsparallelversetzt zum Achromaten 3 weiterführt. Der Achromat 3 bildet die Lichtquelle 1 auf das Pin-hole 4 ab, mit dessen Hilfe eine räumliche Phasenfilterung der beleuchtenden Licht-Wellen züge erreicht wird. Der Durchmesser des Pin-holes 4 richtet sich nach der Wellen länge des verwendeten Lichtes und wird dementsprechend angepaßt. Das Pin-hole 4 kann dabei als Punktlichtquelle betrachtet werden, von dem näherungsweise kugel förmige Wellenfronten ausgehen. Die kugelförmigen Wellenfronten werden mit dem Achromaten 5 zu ebenen Wellenfronten geformt. Der dem Achromaten 5 in Lichtaus breitungsrichtung nachgeordnete Achromat 6 fokussiert schließlich den Lichtstrahl auf die Oberfläche des Meßobjektes 9. Auf dem Wege zur Oberfläche des Meßobjek tes 9 passiert der Lichtstrahl dabei zunächst die Strahlteilerplatte 7, bevor dieser dann an der zur Strahlteilerplatte 7 beabstandet angeordneten Strahlteilerplatte 8 in einen Meßlichtstrahl und einen Referenzlichtstrahl aufgeteilt wird. Während der Meß lichtstrahl auch die Strahlteilerplatte 8 passiert, wird der Referenzlichtstrahl an dieser Strahlteilerplatte 8 und rücklaufend auch an der Strahlteilerplatte 7 sowie erneut an der Strahlteilerplatte 8 reflektiert. Die Strahlteilerplatten 7 und 8 sind so zwischen Achromat 6 und dessen Fokuspunkt angeordnet, daß der rücklaufende, die Strahltei lerplatte 7 passierende Referenzstrahl bis dahin die gleiche optische Weglänge zu rückgelegt hat wie der Meßlichtstrahl, der die Strahlteilerplatten 7 und 8 passiert und an der rauhen Oberfläche des Meßobjektes 9 gestreut wird. Befindet sich das Meßob jekt 9 jedoch nicht im Fokuspunkt, so ergibt sich eine optische Wegdifferenz zwi schen Meß- und Referenzstrahlengang, die größer als die Kohärenzlänge des Meßlich tes ist, so daß es zu keiner Interferenzerscheinung der beiden Lichtbündel kommen kann. Sowohl der Referenz- als auch der Meßlichtstrahl passieren anschließend wei terhin in rücklaufender Richtung die Achromaten 6 und 5. Mit dem Pin-hole 4 werden nun die aufgrund der unebenen Oberflächenstruktur des Meßobjektes 9 deformierten Wellenfronten des Meßlichtes einer erneuten räumlichen Phasenfilterung unterzogen, um nach dem Passieren des Achromats 3 im zweiten Interferometer I_II schließlich zur Interferenz gebracht zu werden. Aufgrund der unterschiedlichen Glasstärken des stufenförmig ausgebildeten, teilverspiegelten und beabstandet zur Strahlteilerplatte 10 plazierten Glaskörpers 11 liegen unterschiedliche, jedoch definiert einstellbare Wegdifferenzen zwischen dem Weg, den das die Strahlteilerplatte 10 und den Glas körper 11 passierende Meßlicht zurücklegt und dem Weg, den das zunächst an den verschiedenen Stufen des Glaskörpers 11 und dann an der Strahlteilerplatte 10 re flektierte Referenzlicht folgt, vor. In Abhängigkeit der Entfernung des Meßobjektes 9 von der Meßvorrichtung kommt es somit an unterschiedlichen Orten in der Ebene senkrecht zur optischen Achse zu Interferenzerscheinungen, die mit dem Detektor 14, zum Beispiel einer CCD-Kamera oder einem Photodiodenarray, detektiert werden können. Die örtliche Lage des auftretenden Interferenzmusters korreliert dabei direkt mit dem Abstand der zu messenden Oberfläche des Meßobjektes 9, so daß mit Hilfe einer der Messung vorausgegangenen entsprechenden Kalibrierung unmittelbar auf das Abstandsmaß geschlossen werden kann.

Selbstverständlich ist es denkbar und liegt im Rahmen der Erfindung, die Interferome ter I_I und I_II durch andere Interferometertypen zu ersetzen, so z. B. durch Michelson- Interferometer. Entsprechend wäre dann der Glaskörper 11 als Stufenspiegel auszulegen.

Anstelle der Achromaten 3 und 5 können auch andere optische Elemente zum Einsatz kommen.

Es ist auch möglich, das Pin-hole 4 durch einen monomoden Lichtwellenleiter zu er setzen, der dessen Funktion übernimmt.

Die Lichteinkopplung kann, wie in Fig. 1 dargestellt, über die Spiegel 13 und 12 vorgenommen werden, ebenso aber auch durch Lichtwellenleiter zwischen den Achromaten 5 und 6 erfolgen.

Anstelle eines in einer Richtung gestuft ausgebildeten Glaskörpers 11 bzw. Stufen spiegels (Fig. 2a) kann ein in zwei zueinander senkrechten Richtungen gestuft aus gebildeter Glaskörper 11′ bzw. Spiegel dienen (Fig. 2b). Hierdurch wird eine Ver größerung des Meßbereichs erreicht.

Die zu wählende Stufenhöhe des Glaskörpers 11 ist abhängig von der Größe und der Auflösung des CCD-Arrays, ferner von der Länge der Ausdehnung des Interferenz musters, das wiederum von der Kohärenzlänge des verwendeten Meßlichtes abhängig ist. Als typische Treppenhöhe kann ein Maß von 5 bis 50 µm angegeben werden.

Für die in Fig. 2b dargestellte Version des Glaskörpers 11′ sind jedoch geringere Stufenhöhe anzustreben. Die Stufenhöhen können hierbei auch kleiner als 1 µm sein.

In Fig. 3 ist beispielhaft ein zu detektierendes Interferenzstreifenmuster dargestellt, dessen Maximum der Einhüllenden mit dem Abstandsmaß korreliert.

Die Meßvorrichtung ist zur Abstandsmessung von Objekten mit Oberflächen stark unterschiedlichen Reflexionsverhaltens geeignet. Sowohl spiegelnde als auch diffus reflektierende Oberflächen sind meßbar. Damit kann die Meßwertaufnahme z. B. an Glas, Kunststoff, Keramik u. a. erfolgen. Im besonderen sind hierbei jedoch spanend bearbeitete Metalloberflächen zu nennen.

Durch Scannen können auch mehrdimensionale Meßwertaufnahmen durchgeführt werden.

Claims

1. Verfahren zur interferometrischen Abstandsmessung, bei dem

- inkohärentes oder kurzkohärentes Licht einer Lichtquelle kollimiert und mittels eines ersten optischen Elementes auf eine als räumliches Phasenfilter wirkende Lochblende abgebildet wird,
- die kugelförmigen Wellenfronten des durch die Lochblende hindurchtretenden Lichtbündels mit Hilfe eines zweiten optischen Elementes in ebene Wellenfronten überführt werden und sodann das Lichtbündel mittels eines als Achromat ausgebildeten dritten optischen Elementes in Richtung eines Meßobjektes fokussiert wird,
- das Lichtbündel auf seinem Weg vom dritten optischen Element zum Meßobjekt mit Hilfe einer ersten Interferometeranordnung in ein Meß- und ein Referenzlichtbündel aufgespalten wird,
- das an der Oberfläche des Meßobjektes in sich reflektierte Meßlichtbündel mit dem im Referenzlichtstrahlengang geführten Referenzlichtbündel wieder überlagert wird, wobei die optische Weglänge des Referenzlichtstrahlenganges so gewählt wird, daß diese gleich der optischen Weglänge des Meßlichtstrahlenganges für ein mit seiner Oberfläche im Fokuspunkt plaziertes Meßobjekt ist, bei dem sodann
- das am Meßobjekt reflektierte Meßlichtbündel und das Referenzlichtbündel in rücklaufender Richtung das dritte und zweite optische Element sowie die Lochblende und dann das erste optische Element passieren und anschließend
- das rücklaufende Meßlichtbündel sowie das Referenzlichtbündel einer zweiten Interferometeranordnung zugeführt werden, in der nach erneuter Strahlteilung für den Referenzlichtstrahlengang mit Hilfe eines zumindest teilverspiegelten und stufenförmig ausgebildeten Bauelementes für Referenzlichtstrahlen entsprechend ihrem Abstand von der optischen Achse verschieden lange optische Weg strecken realisiert sind und in der nach Durchlaufen des Referenz lichtstrahlenganges das so modifizierte Referenzlichtbündel wieder mit dem Meßlichtbündel überlagert wird, und bei dem schließlich
- das Überlagerungsbild beobachtet und mit Hilfe einer der Messung vorausgegangenen Kalibrierung aus der örtlichen Lage der in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse auftretenden Interferenz erscheinung der Abstand des Meßobjektes ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Überlagerungsbild mit einer CCD-Kamera oder einem Photodiodenarray detektiert wird.

3. Meßvorrichtung zur interferometrischen Abstandsmessung zwischen einem Meßobjekt und der Meßvorrichtung mit

- einer Lichtquelle (1) zur Erzeugung eines inkohärenten oder kurzkohärenten Lichtstrahles und einer in Lichtausbreitungsrichtung nachgeordneten Kollimatoroptik (2),
- einem ersten Achromaten (3), der das kollimierte Licht der Lichtquelle (1) auf eine als räumliches Phasenfilter wirkende Lochblende (4) abbildet,
- einem der Lochblende (4) nachgeordneten zweiten Achromaten (5), der die von der Lochblende (4) ausgehenden kugelförmigen Wellenfronten des Lichtes in ebene Wellenfronten überführt,
- einem dem zweiten Achromaten (5) nachgeordneten dritten Achromaten (6), der das Lichtbündel in Richtung Meßobjekt (9) fokussiert,
- einer zwischen drittem Achromaten (6) und Meßobjekt (9) plazierten ersten Interferometeranordnung (I_I) mit einem das Lichtbündel in ein Meß- und in ein Referenzlichtbündel aufspaltenden Strahlteiler (8) und mit einer optischen Weglänge des Referenzlichtstrahlengangs, die gleich der optischen Weglänge des Meßlichtstrahlenganges für den Fall ist, daß das Meßobjekt im Fokuspunkt des dritten Achromaten (6) plaziert ist,
- einer zweiten Interferometeranordnung (I_II),
- - der das am Meßobjekt (9) in sich reflektierte Meßlichtbündel und das mittels erster Interferometeranordnung (I_I) überlagerte Refe renzlichtbündel nach Passieren des dritten und zweiten Achromaten (6 bzw. 5), der Lochblende (4) sowie des ersten Achromaten (3) in rücklaufender Richtung zugeführt ist und
- - die aus einem Strahlteiler (10) sowie einem teilverspiegelten und in einer zur optischen Achse senkrechten Richtung gestuft ausgebildeten Glaskörper besteht, der im Referenzlichtstrahlengang für Referenzlichtstrahlen entsprechend ihrem Abstand von der optischen Achse verschieden lange optische Wegstrecken realisiert, und
- - in der das so modifizierte Referenzlichtbündel wieder mit dem Meßlichtbündel zur Überlagerung gebracht ist, sowie mit
- einem Photodiodenarray oder einer CCD-Kamera, mit dem bzw. mit der das Überlagerungsbild detektierbar ist.

4. Meßvorrichtung zur interferometrischen Abstandsmessung zwischen einem Meßobjekt und der Meßvorrichtung mit

- einer Lichtquelle (1) zur Erzeugung eines inkohärenten oder kurzkohärenten Lichtstrahles und einer in Lichtausbreitungsrichtung nchgeordneten Kollimatoroptik (2),
- einem Lichtwellenleiter, dem das kollimierte Licht der Lichtquelle (1) zugeführt und mit dem das Licht in den Strahlengang zwischen einem zweiten und dritten Achromaten (5 bzw. 6) eingekoppelt ist, wobei der dritte Achromat (5) das Lichtbündel in Richtung Meßobjekt (9) fokussiert,
- einer zwischen drittem Achromaten (6) und Meßobjekt (9) plazierten ersten Interferometeranordnung (I_I) mit einem das Lichtbündel in ein Meß- und in ein Referenzlichtbündel aufspaltenden Strahlteiler (8) und mit einer optischen Weglänge des Referenzlichtstrahlengangs, die gleich der optischen Weglänge des Meßlichtstrahlenganges für den Fall ist, daß das Meßobjekt im Fokuspunkt des dritten Achromaten (6) plaziert ist,
- einer zweiten Interferometeranordnung (I_II),
- - der das am Meßobjekt (9) in sich reflektierte Meßlichtbündel und das mittels erster Interferometeranordnung (I_I) überlagerte Refe renzlichtbündel nach Passieren des dritten und zweiten Achromaten (6 bzw. 5), einer als räumliches Phasenfilter wirkenden Lochblende (4) sowie eines die von der Lochblende (4) ausgehenden kugelförmigen Wellenfronten in ebene Wellenfronten überführenden ersten Achromaten (3) in rücklaufender Richtung zugeführt ist und
- - die aus einem Strahlteiler (10) sowie einem teilverspiegelten und in einer zur optischen Achse senkrechten Richtung gestuft ausgebildeten Glaskörper besteht, der im Referenzlichtstrahlengang für Referenzlichtstrahlen entsprechend ihrem Abstand von der optischen Achse veschieden lange optische Wegstrecken realisiert, und
- - in der das so modifizierte Referenzlichtbündel wieder mit dem Meßlichtbündel zur Überlagerung gebracht ist, sowie mit
- einem Photodiodenarray oder einer CCD-Kamera, mit dem bzw. mit der das Überlagerungsbild detektierbar ist.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende (4) durch einen monomoden Lichtwellenleiter gebildet ist.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper ein in zwei zueinander senkrechten Richtungen gestuft ausgebildeter Glaskörper (11′) ist.

7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Interferometeranordnung (I_I) als Michelson-Interferometer ausgebildet ist.

8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Interferometeranordnung (I_II) ein Michelson-Interferometer ist.