CN1656353A - 干涉测量式测量装置 - Google Patents

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CN1656353A CN03811950.1A CN03811950A CN1656353A CN 1656353 A CN1656353 A CN 1656353A CN 03811950 A CN03811950 A CN 03811950A CN 1656353 A CN1656353 A CN 1656353A
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M·－H·迪瓦辛
D·布雷德
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Abstract

用于利用一个调制干涉仪(2)获得一个测量物体(8)表面的形状、粗糙度或距离的干涉测量式测量装置，由一个辐射源(1)将短相干的射线输送到所述调制干涉仪，并且该干涉仪具有一个用于将输送的射线分配成一个通过一个第一臂导引的第一分射线(2.1)和一个通过一个第二臂导引的第二分射线(2.1’)的第一射线分配器(2.3)，其中所述一个分射线相对于另一分射线通过一个调制机构(2.2，2.2’)在其光相位或光频率上偏移，并移动一个延迟距离(2.9’)，并且紧接着将所述分射线在调制干涉仪(2)的另一射线分配器(2.10)上与一个同调制干涉仪(2)在空间上分开的且与该干涉仪通过一个光导纤维系统(6)已耦联或可耦联的测量探头(3)联合，在该探头中所述联合的分射线在一个公共臂中在一个部分透射的部位(3.3)中分成一个测量射线和一个基准射线，并在其中使在表面上反射的测量射线(r1 (t))和在一个基准面上反射的基准射线(r2 (t))重叠，并且通过一个接收机构(4)和一个分析单元(5)将传导到它们的射线变换成电信号，并以一个相位差为基础分析所述信号。一种用于即使在狭窄的空心空间中也能够可靠测量的有利结构的特征在于，所述部分透射的部位(3.3)通过一个探头纤维(3.1)的一个相对于光学探头轴线(3.5)以一个出射角(α)倾斜的出射面(3.31)和一个衔接在物体端的纤维段(3.2)的一个同样相对于光学探头轴线(3.5)以一个入射角(β)倾斜的入射面(3.32)而构成，其中在出射面(3.31)与入射面(3.32)之间构成一个楔形缝隙。

Description

干涉测量式测量装置
本发明涉及一种用于利用一个调制干涉仪获得一个测量物体表面的形状、粗糙度或距离的干涉测量式测量装置，由一个辐射源将短相干的射线输送到所述调制干涉仪，并且该干涉仪具有一个用于将输送的射线分配成一个通过一个第一臂导引的第一分射线和一个通过一个第二臂导引的第二分射线的第一射线分配器，其中所述一个分射线相对于另一分射线通过一个调制机构在其光相位或光频率上偏移，并移动一个延迟距离，并且紧接着将所述分射线在调制干涉仪的另一射线分配器上与一个同调制干涉仪在空间上分开的且与该干涉仪通过一个光导纤维系统已耦联或可耦联的测量探头联合，在该探头中所述联合的分射线在一个公共臂中在一个部分透射的部位中分成一个测量射线和一个基准射线，并在其中使在表面上反射的测量射线和在一个基准面上反射的基准射线重叠，并且通过一个接收机构和一个分析单元将传导到它们的射线变换成电信号，并以一个相位差为基础分析所述信号。
背景技术
在DE 198 19 762 A1中给出这样一种干涉测量式测量装置。对于已知的测量装置一个所谓的调制干涉仪在空间上与本身的探头分开并与这个探头通过一个光导纤维系统进行光学连接，因此该探头可以构成为简单构造的、易于操作的单元。将一种宽带短相干射线输送到调制干涉仪，该射线在调制干涉仪的输入端上通过一个射线分配器分成两个分射线，其中一个分射线相对于另一个分射线通过一个调制机构、例如一个声光调制器在其光相位或光频率上偏移。两个分射线中的一个分射线在调制干涉仪中穿过一个延迟元件，该延迟元件产生一个所述两个分射线的光程差，它大于短相干射线的相干长度。在测量探头中在一个相对于基准分支的测量分支中以这种方式产生另一光程差，使该光程差补偿由于延迟元件产生的光程差，并因此产生一个来自基准分支的基准面的基准射线与从物体表面返回到测量分支的射线的干涉，接着对该干涉进行分析，以便通过相位分析获得所期望的表面特性(形状、粗糙度、距离)。在测量探头中所述测量分支和基准分支对于一个实施例设置在一个公共的光程(commom path)中，其中为了形成测量分支和基准分支设有一个部分透射的光学元件。
在DE 198 08 273 A1中给出一个类似的干涉测量式测量装置，它具有这样一种调制干涉仪和一个通过一个光导纤维系统连接在其上的测量探头，其中通过一个接收机构在一个射线分光和射线接收单元中将进入干涉的射线分光成不同波长的射线分量，以便由此形成一个合成的波长并放大测量部位(单值部位)。
对于上述的以外差干涉原理为基础的、但是利用一个宽带短相干射线特性的干涉测量式测量装置，设计为Mach-Zehnder-干涉仪的调制干涉仪具有一个传统的光学构件的结构，如一个位于输入端射线分配器前面的准直光学机构、输入端和输出端的射线分配器和偏转镜。在所述分射线耦入到光学光导纤维系统之前，该分射线在射线分配器表面和在反射镜上获得多次反射。这些光学构件必需以较高的精度定位，因为每个角度误差在反射时双倍地起作用。在此难以可靠地进行持续的调制。与嵌入一个用于补偿光学不对称的玻璃板有关，在调整时可能产生附加的困难。这些困难与一个费事的结构相关，其中还要求精确地适配于测量探头的特性。
本发明的目的是，提供一种上述形式的干涉测量式测量装置，它能够以简单的结构达到一个尽可能高的测量精度。
本发明的优点
这个目的通过权利要求1的特征得以实现。据此规定，所述部分透射的部位通过一个探头纤维的一个相对于光学探头轴线以一个出射角倾斜的出射面和一个衔接在物体端的纤维段的一个同样相对于光学探头轴线以一个入射角倾斜的入射面而构成，其中在出射面与入射面之间构成一个楔形缝隙。
通过这种措施在所述部分透射部位里得到一个与使用一个部分透射或部分反射的覆层一样的效应。通过倾斜面与数值孔径结合以适当的用于实现可最佳分析的干涉图形的方式可以影响透射到测量物体表面的或来自这个表面的以及在部分透射部位里反射的射线分量的特性。
在这里对于一个尽可能良好的功能有所贡献的措施是：所述出射面和入射面以相对于探头轴线相同的方向倾斜；以及另外的措施：所述出射角和入射角如此选择，使得起到菲涅耳-反射的作用。
一个对于功能有利的方案是，所述出射角α在5°至8°之间，而入射角在α与0°之间。
所述探头纤维和纤维段轴向对准地容纳在一个小管形的空腔中，该空腔被测量探头的一个外镜筒包围，由此有利地实现结构和调整。
在空腔的离开测量物体的端面上设有一个包围探头纤维的、同样与镜筒同心容纳的定位体，并且将所述纤维段固定在空腔的物体端的前端部分中，而将探头纤维固定在空腔的离开物体的后端部分和/或镜筒中，这些措施有利于结构和精确调整，另外的措施也是如此：使空腔的前端部分与空腔的后端部分通过直径上对置的缝隙分开，其中所述一个缝隙在背面限定在探头纤维的倾斜的出射面的延长段中，而另一缝隙在正面限定在倾斜的入射面的延长段中，并且所述空腔的前端部分和后端部分被一个公共的套形固定环包围，该固定环在其外侧被镜筒包围。
此外这些措施对于结构和工作原理是有利的：使纤维段的前端段与其后端段相比具有一个更小的直径。由此支持一个精确的测量：所述纤维段的一个物体端的出射面以一个至少为46°的出射角相对于轴法线倾斜。通过选择物体端出射面的斜度可以对测量结果同样施加有利的影响。
此外有利于一种优选的结构的措施是：所述调制干涉仪至少部分地具有一个以光纤维导体或一个集成的光学机构的形式获得偏振的光导结构，其中至少一个臂的光导结构是分开的。
附图说明
下面借助于实施例参照附图详细描述本发明。附图示出：
图1一个干涉测量式测量装置的整体结构示意图，该测量装置具有调制干涉仪和测量探头，
图2在图1中所示的调制干涉仪的详细结构，
图3射线偏差的侧视图中的测量探头和测量物体，
图4侧视图中的测量探头的一个纤维段的示意图，
图5示意侧视图中的测量探头的前端段，
图6示意侧视图中的测量探头的前端段的另一个实施例。
具体实施方式
如图1所示，以外差干涉原理为基础的干涉测量式测量装置具有一个宽带的短相干的光源1，其射线被输送到一个所谓的调制干涉仪2。在在图2中详细示出的调制干涉仪2中，射线s(t)在一个第一射线分配器2.3上被分成一个通过一个第一臂导引的具有一个分射线s1(t)的第一分射线2.1和一个通过一个第二臂导引的具有一个分射线s2(t)的第二分射线2.1’，并在输出端又一起导引到另一射线分配器2.10上，并从那里通过一个光导纤维系统6传导到一个远离的探头3中。接着射线从例如构成为Fizeau-干涉仪或Mirau-干涉仪的、如在上述文献详中细所述的测量探头3通过另一个光导纤维系统7到达到一个具有一个射线分解单元4.1和接着的光电接收器4.2的接收机构4中，在其中转换成电信号。然后在一个接着的具有相位检测器5.1和计算单元5.2的分析单元5中获得通过测量探头3接收的测量表面的特性(如粗糙度、形状、距离)。
所述调制干涉仪2构成为Mach-Zehnder-干涉仪，其中所述两个臂在第一射线分配器2.3的接头上具有第一或第二输入端的光导纤维2.11，2.11’以及第一或第二输出端的光导纤维2.12，2.12’，它们导引到另一射线分配器2.10。在此第一射线分配器2.3在一个纤维光导体中构成，通过它导引来自光源1的射线。在如此构成的耦合器输出端上所述分射线通过透镜形式的耦合元件2.4，2.4’进行准直，所述两个准直的分射线穿过例如以一个声光调制器、一个光学纤维的压电调制器或一个热学相位调制器的形式构成的一个第一或第二调制单元2.2，2.2’，其中调制单元2.2，2.2’也可以有利地设计为集成的光学构件。为了修正彩色的散射，至少一个分射线2.1，2.1’穿过一个玻璃板2.7’，该玻璃板设置在一个第一或第二光程2.5，2.5’中。通过计算确定玻璃板2.7’的结构和/或其厚度。在另一过程中第一分射线2.1和第二分射线2.1’传导到一个第一或第二透镜式光导元件2.6，2.6’，并且耦入到第一或第二输出端光导纤维2.12，2.12’中。第一或第二输出端的光导纤维2.12，2.12’具有比另一光导纤维在规模上更大的光程长度，使得所述两个臂之间的光程差ΔL＝L2-L1大于短相干射线s(t)穿过滤镜4.3和4.3’之后的相干长度。所述透镜式耦合元件2.4，2.4’或光导元件2.6，2.6’中的一个、例如光导元件2.6’可以固定在一个调整机构上，通过该调整机构可以手动地或通过一个电机例如利用一个微米台以这种方式调整光程差ΔL：该光程差ΔL在两个臂之间与那个测量探头3相协调，以便通过测量探头3影响一个干涉。所使用的光导相位2.11，2.11’，2.12，2.12’是单相的(monomod)。此外它们是以有利的方式获得偏振的，尤其是当光源1是偏振的时候，和/或当调制单元2.2，2.2’由双折射晶体构成的时候，和/或当装配在耦合位置处在所述两个干涉臂中相对于偏振方向没有令人满意的稳定性的时候。为了实现光程差例如在第二输出端的光导纤维2.12’中设置一个光学的弯路2.9’。
用于接收物体表面的例如构成为Fizeau-干涉仪或Mirau-干涉仪的探头3具有一个带有一个基准面的基准分支和一个通向物体表面的测量分支，这样选择其光程差，使得在调制干涉仪2中产生的光程差被补偿，因此来自物体表面的测量射线和来自基准面的基准射线在其叠加时干涉。为了以不同的波长分量进行光谱分布，干涉的射线输送到射线分解单元4.1和紧接着的配属的光电接收器4.2。由干涉的射线和由此获得的电信号通过分析相位差借助于相位检测器5.1和紧接着的计算单元5.2获得所期望的表面特性。在此所分析的相位差通过由第一和/或第二调制单元2.2，2.2’产生的频率差而形成，该频率差对应于外差方法相对于基准频率相对较小。计算通过关系式实现：
Δφ＝2π·(2e/Λ)+φ0
其中：φ0为一个常数
Λ＝λ1·λ2/(λ2-λ1)为测量装置的合成波长，
λ1为第一光电接收器上的波长
λ2为第二光电接收器上的波长
e为测量距离。
由此通过计算单元5在一个测量位置上的表面所获得的距离由关系式确定：
e＝Δφ/(2π)·(Λ/2).
也就是所述距离尺寸e由对于两个电信号之间的相位的测量来确定，由此使测量与由光电二极管接收的光强度无关。
图3示出一个构成为Mirau-干涉仪、具有单一的光导体纤维的测量探头的纤维部分、和来自s2(t)和s1(t)的行程位移以及由测量物体8表面和一个在一个探头纤维3.1的一个物体端出射面3.31与一个纤维段3.2的离开物体的入射面3.32之间部分透射的部位3.3反回的射线分量r1’(t)，r1(t)，r2(t)和r2’(t)的行程位移。反回的射线分量r1’(t)和r1(t)在此由那些射线s1(t)给出，它们没有弯路地通过调制干涉仪2的分支，其中射线分量r1’(t)被部分透射的部位3.3反射，而射线分量r1(t)被测量物体8的表面反射。与此相反，反回的射线分量r2(t)和r2’(t)由调制干涉仪2的那个射线s2(t)给出，该射线通过光学弯路，其中反回的射线分量r2(t)在部分透射的部位3.3上反射，而反回的射线分量r2’(t)在测量物体8的表面上反射。已经证实，在调制干涉仪2中形成的行程差ΔL的相应补偿通过测量探头3仅仅使反回的射线分量r1(t)和r2(t)位于相干长度内部并且相互干涉。
所述纤维段3.2的物体端出射面3.4对于按照图3的实施例最好以一个相对于光学探头轴线3.5为45°的角度倾斜。在出射面3.4上涂覆反射的金属或介电覆层。射线以这种方式基本上直角地偏转，并偏转到物体的包围表面上，而由表面反射的射线通过出射面3.4又进入光导纤维中。
如图4至6所示，在探头纤维3.1的出射面3.31与纤维段3.2的入射面3.32之间的部分透射部位3.3通过出射面3.31以一个相对于探头轴线3.5法线的角度α的斜度、并通过纤维段3.2的入射面3.32以一个相对于探头轴线3.5的法线的角度β的斜度构成，其中角度α大于角度β，并且在出射面3.31与入射面3.32之间给出一个楔形缝隙。所述斜度相对于法线的取向对于出射面3.31和入射面3.32在纵截面上以相同的方式对准物体。出射面3.31的角度α这样选择，使菲涅耳-反射的射线流在出射面3.31上不通过探头纤维3.1导引。对于具有一个数字孔径为0.12的单一光导纤维角度α最好约为6°。这样选择角度β，使菲涅耳-反射的射线流通过探头纤维3.1导引到纤维段3.2的入射面3.32上，其中考虑要耦入到探头纤维3.1中的射线流的范围。当角度β等于0时，耦合率约为3.6％。当角度β与角度α相反时，耦合率接近0。当角度β接近角度α时，对于所述过渡和反回的射线的透射接近86％。而当角度β等于0时，透射约为60％。例如对于波长为1.550nm和直径为10.4μm时数字孔径为0.12。角度α要选得不小于5°。
当出射角γ为了达到全反射而在出射面7上增大时，可以减小或避免纤维段3.2的出射面3.4的反射处理.这例如对于一个数字孔径为0.12的单一光导纤维在出射角γ在48°以上时是这种情况。
在纤维段3.2的物体端端部部位上以外部处理(包层)进行反反射处理3.22，以减小相对于菲涅耳-反射的敏感性，或者可以这样多地加大出射角γ，使这个反射的射线流不再耦入到纤维段3.2中。
如图5所示，所述探头纤维3.1和纤维段3.2容纳在同一小管形空腔3.6中并处于接触。该空腔3.6是相同的，如同用于单一光导纤维的连接一样。该空腔3.6装进测量探头3的一个包围该空腔的镜筒3.9中。此外一个用于探头纤维3.1导引和预调整的定位体3.7在空腔3.6的离开物体的端面上位于镜筒3.9内部。所述纤维段3.2通过粘接剂3.8’固定在空腔内部中，而探头纤维3.1固定在空腔3.6中和/或通过粘接剂3.8固定在定位体3.7上。
在图6中示出用于使探头纤维3.1和纤维段3.2在探头3中取向和固定的另一实现方式。所述探头纤维3.1插入到小管形空腔3.6的后端段3.6’中而空腔段3.6’和探头纤维3.1的出射面3.31的前端端面以所期望的角度抛光，其中前端端面在探头纤维3.1的最前端棱边处正交于探头纤维3.1的光轴线3.5地取向。相应地，空腔3.6的前端段3.6”的后端端面对应于所期望的纤维段3.2的入射面3.32进行抛光，其中空腔3.6前端段3.6”的后端端面的靠近纤维段3.2最后端边缘的部位正交于探头纤维3.1的光轴线3.5地取向。在空腔3.6的后端段3.6’与前端段3.6”之间在纵截面中给出在图6中所示的结构。所述空腔3.6的两个端段3.6’和3.6”相互间通过一个安置的、例如开缝的固定环3.10轴向对准，并装进镜筒3.9中。此外在镜筒3.9中还在靠近空腔3.6的后端端面上使用一个同心的定位体3.7用于调整和预固定探头纤维3.1，如同按照图5的实施例所示的那样。探头纤维3.1和纤维段3.2通过粘接剂3.8，3.8’的固定也相应地按照图5的实施例实现，其中纤维段3.2固定在空腔3.6的前端段3.6”中.
也可以使空腔3.6的段3.6’和3.6”这样取向，使它们安置在一个V形轮廓中。通过使空腔3.6的两个段3.6’和3.6”分开地安置，可以使测量探头3的最外端不可活动地且对应于测量物体的特性地进行变化，其中保留同一探头纤维3.1。
此外如图4至6所示，所述纤维段3.2的外部段在其直径上减小，使得该段也可以插入一个测量物体8的狭窄小孔中，该小孔的直径小于130μm。通常具有外部处理(包层)的单一光导纤维的直径为125μm。该直径可以借助于化学处理利用一种相应的酸或热处理来减小，以获得所期望的收缩部位3.21。反反射的处理3.22在更小直径的段处进行。这个措施也有助于即使在一个测量物体8的一个窄小的凹穴中也可以进行可靠的测量。

Claims (10)

1.用于利用一个调制干涉仪(2)获得一个测量物体(8)表面的形状、粗糙度或距离的干涉测量式测量装置，由一个辐射源(1)将短相干的射线输送到所述调制干涉仪，并且该干涉仪具有一个用于将输送的射线分配成一个通过一个第一臂导引的第一分射线(2.1)和一个通过一个第二臂导引的第二分射线(2.1’)的第一射线分配器(2.3)，其中所述一个分射线相对于另一分射线通过一个调制机构(2.2，2.2’)在其光相位或光频率上偏移，并移动一个延迟距离(2.9’)，并且紧接着将所述分射线在调制干涉仪(2)的另一射线分配器(2.10)上与一个同调制干涉仪(2)在空间上分开的且与该干涉仪通过一个光导纤维系统(6)已耦联或可耦联的测量探头(3)联合，在该探头中所述联合的分射线在一个公共臂中在一个部分透射的部位(3.3)中分成一个测量射线和一个基准射线，并在其中使在表面上反射的测量射线(r1(t))和在一个基准面上反射的基准射线(r2(t))重叠，并且通过一个接收机构(4)和一个分析单元(5)将传导到它们的射线变换成电信号，并以一个相位差为基础分析所述信号，其特征在于，所述部分透射的部位(3.3)通过一个探头纤维(3.1)的一个相对于光学探头轴线(3.5)以一个出射角(α)倾斜的出射面(3.31)和一个衔接在物体端的纤维段(3.2)的一个同样相对于光学探头轴线(3.5)以一个入射角(β)倾斜的入射面(3.32)而构成，其中在出射面(3.31)与入射面(3.32)之间构成一个楔形缝隙。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述出射面(3.31)和入射面(3.32)以相对于探头轴线(3.5)相同的方向倾斜。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述出射角(α)和入射角(β)这样选择，使得起到一个菲涅耳-反射的作用。
4.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述出射角(α)在5°至8°之间，而入射角(β)在α与0°之间。
5.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述探头纤维(3.1)和纤维段(3.2)轴向对准地容纳在一个小管形空腔(3.6，3.6’，3.6”)中，该空腔被测量探头(3)的一个外镜筒(3.9)包围。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，在空腔(3.6，3.6’)的离开测量物体(8)的端面上设有一个包围探头纤维(3.1)的、同样与镜筒(3.9)同心容纳的定位体(3.7)，并且将所述纤维段(3.2)固定在空腔的物体端的前端部分(3.6，3.6’)中，而将探头纤维(3.1)固定在空腔的离开物体的后端部分(3.6，3.6’)中和/或镜筒(3.9)中。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述空腔的前端部分(3.6”)与空腔的后端部分(3.6’)通过直径上上对置的缝隙(3.61，3.62)分开，其中所述一个缝隙(3.61)在背面限定在探头纤维(3.1)的倾斜的出射面(3.31)的延长段中，而另一缝隙(3.62)在正面限定在倾斜的入射面的(3.32)的延长段中，并且所述空腔的前端部分(3.6”)和后端部分(3.6’)被一个公共的套形固定环(3.10)包围，该固定环在其外侧被镜筒(3.9)包围。
8.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述纤维段(3.2)的前端段与其后端段相比具有一个更小的直径。
9.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述纤维段(3.2)的一个物体端的出射面(3.4)以一个至少为46°的出射角(γ)相对于轴法线倾斜。
10.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述调制干涉仪(2)至少部分地具有一个以光学的纤维导体的或一个集成的光学机构的形式的获得偏振的光导结构(2.11，2.11’，2.12，2.12’)，其中至少一个臂的光导结构(2.11，2.11’，2.12，2.12’)是分开的。
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