DE102005043064A1

DE102005043064A1 - Verfahren zum Messen des Abstandes eines Objektes

Info

Publication number: DE102005043064A1
Application number: DE200510043064
Authority: DE
Inventors: Christian Fricke; Jens-Christian Dr. Holst; Volkmar Dr. Lüthen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-06
Filing date: 2005-09-06
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2025-09-07
Also published as: DE102005043064B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen des Abstandes (B) eines Objektes (150), bei dem ein elektromagnetischer Messstrahl (60), insbesondere ein Licht-Messstrahl, mit einer Abbildungseinrichtung (50) auf das Objekt unter Bildung eines Fokuspunktes (70) gelenkt wird und die Intensität (P) des vom Objekt reflektierten Messstrahls gemessen wird und ein den Abstand (B) angebender Abstandswert (B') unter Heranziehung der gemessenen Intensität und der Lage des Fokuspunktes gebildet wird. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Abstandsmessverfahren anzugeben, das sich besonders schnell und einfach durchführen lässt. DOLLAR A Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest zwei Messstrahlen mit fest eingestellten, jedoch unterschiedlich entfernten Fokuspunkten (220, 230, 240) gleichzeitig auf das Objekt (150) gerichtet werden und zum Bilden des Abstandswertes festgestellt wird, für welche Messstrahlen (220) das Objekt im Bereich (80) des jeweiligen Fokuspunktes (220) liegt und für welche nicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 100 34 252 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird als elektromagnetischer Messstrahl ein Lichtstrahl mit einer konfokalen Abbildungseinrichtung auf ein auszumessendes Objekt gelenkt. Anschließend wird der vom Objekt reflektierte Messstrahl gemessen, wobei während der Messung die Position des Fokuspunktes des Messstrahls mit einem in der Abbildungseinrichtung angeordneten Prisma solange variiert wird, bis der auf der Oberfläche des Objektes abgebildete Lichtpunkt des Messstrahles „fokussiert" und „ideal" abgebildet ist. Ist eine solche Fokussierung des Lichtpunktes erreicht, so entspricht der Abstand des Objektes dem Abstand des Fokuspunktes. Da der Abstand des Fokuspunktes von der jeweiligen Position des Prismas abhängt, lässt sich der Abstand des Objektes dadurch bestimmen, dass die Position des Prismas ermittelt wird.

Unter dem Begriff „Fokuspunkt" wird nachfolgend der Bildpunkt verstanden, der den von einer Sendeeinrichtung erzeugten Lichtpunkt „scharf" abbildet. Handelt es sich, wie dies bevorzugt der Fall ist, um eine punktförmige Sendeeinrichtung mit einem möglichst kleinen „Lichtpunktdurchmesser", so entsteht demgemäß auch ein punktförmiger Fokuspunkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abstandsmessverfahren anzugeben, das sich besonders schnell und einfach durchführen lässt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.

Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest zwei Messstrahlen mit fest eingestellten, jedoch unterschiedlich entfernten Fokuspunkten gleichzeitig auf das Objekt gerichtet werden und dass zum Bestimmen des Objektabstands festgestellt wird, für welche Messstrahlen das Objekt im Bereich des jeweiligen Fokuspunkts liegt und für welche nicht.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass im Unterschied zu dem eingangs beschriebenen vorbekannten Verfahren keine aktive Einstellung und Verstellung des Fokuspunktes mit einem Prisma oder dergleichen erfolgen muss. Vielmehr werden zwei oder mehr unterschiedlich entfernte Fokuspunkte gleichzeitig erzeugt und es wird lediglich geprüft, welcher der Fokuspunkte „besser" liegt bzw. auf dem Objekt „scharf" abgebildet und reflektiert wird; der Abstand des jeweils scharfen Fokuspunkts gibt dann den Abstand des Objektes an. Aufgrund des Wegfalls des Fokussierschrittes ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr viel schneller als das vorbekannte Verfahren, weil quasi sofort ein Messwert vorliegt.

Außerdem erfordert das erfindungsgemäße Verfahren keine beweglichen Teile, insbesondere keine beweglichen Spiegel, Prismen oder dergleichen, so dass sich das erfindungsgemäße Verfahren mit sehr viel einfacheren und damit kostengünstigeren Komponenten durchführen lässt als das vorbekannte Verfahren.

Vor der Durchführung der Abstandsmessung wird die Position der verschieden entfernten Fokuspunkte vorzugsweise messtechnisch ermittelt oder errechnet, so dass nach der Zuordnung, in wessen Fokusbereich das Objekt liegt, sofort auch ein entsprechender absoluter Abstandsmesswert zur Verfügung steht. Alternativ kann auch ein dimensionsloser Abstandswert erzeugt werden, der mittelbar den Abstand angibt, indem er auf den jeweiligen Referenz-Fokuspunkt verweist.

Besonders schnell und einfach lässt sich der Abstandswert in einer digital kodierten Form erzeugen, indem eine digital kodierte Zahl gebildet wird, die den jeweiligen Abstand des Objekts mittelbar angibt. Zur Bildung dieser Zahl wird demjenigen Messstrahl, in dessen Fokusbereich das Objekt liegt, ein anderer binärer Wert zugeordnet wird als den übrigen Messstrahlen, in deren Fokusbereich das Objekt nicht liegt. Eine solche digitale Zahl weist somit beispielsweise jeweils eine einzige logische „1" und ansonsten logische Nullen auf; die Stelle bzw. die Platzierung der logischen „1" innerhalb der digitalen Zahl identifiziert in diesem Falle den jeweiligen Messstrahl und damit einhergehend den jeweiligen Fokuswert und somit den gemessenen Abstandswert des Objektes.

Selbstverständlich lässt sich eine solche digitale Zahl auch umkodieren, beispielsweise in übliche binäre, hexadezimale oder dezimale Zahlen.

Alternativ kann die digitale Zahl auch jeweils eine einzige logische „0" und ansonsten logische Einsen aufweisen; die Stelle bzw. die Platzierung der logischen „0" identifiziert in diesem Falle den jeweiligen Messstrahl und damit einhergehend den jeweiligen Fokuswert sowie den resultierenden Abstandswert des Objektes.

Besonders einfach und damit vorteilhaft lässt sich der Abstand messen, indem alle vom Objekt reflektierten Messstrahlen empfangen werden und die jeweilige Empfangsleistung gemessen wird; im Rahmen der Messwertauswertung wird darauf geschlossen, dass das Objekt im Bereich des Fokuspunktes eines der Messstrahlen liegt, wenn die Empfangsleistung dieses reflektierten Messstrahls einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.

Vorzugsweise wird eine Vielzahl an Messstrahlen mit unterschiedlichen Fokuspunkten auf das Objekt gerichtet; die Fokuspunkte der Messstrahlen werden dabei aufeinander folgend so eingestellt, dass sich die durch die Fokustiefe der Messstrahlen entlang der Messstrahlrichtung bestimmten Detektionstiefen bzw. Detektionszonen (bzw. Schaltzonen) überschneiden oder aneinander angrenzen.

Das beschriebene Verfahren wird vorzugsweise zur Messung des Oberflächenprofils eines dreidimensionalen Objektes eingesetzt. Zur Messung des Höhenprofils wird das Objekt mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit an der Abstandsmesseinrichtung vorbeigeführt. Aufgrund der bereits eingangs erwähnten großen Geschwindigkeit des Verfahrens sind Objektgeschwindigkeiten von 4 m/s problemlos möglich, weil – wie erläutert – keine Fokussierung des Messstrahles erfolgen muss. Die Messgenauigkeit des Verfahrens hängt dabei von der Anzahl der verwendeten Messstrahlen ab: Je größer die Anzahl der Messstrahlen gewählt wird, umso kleiner kann die Detektions- bzw. Fokustiefe eingestellt werden und umso größer ist die Messgenauigkeit.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Anordnung zum Messen des Abstandes eines Objektes, mit einer Sendeeinrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Eingangsstrahls, insbesondere eines Licht-Messstrahls, mit einer Abbildungseinrichtung, die den Eingangsstrahl als Messstrahl auf das Objekt lenkt, einer Empfangseinrichtung, die die Empfangsleistung des vom Objekt reflektierten Strahls misst und einer Auswerteeinrichtung, die zum Bilden eines Abstandswerts des Objektes die Position des Fokuspunkts heranzieht.

Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der eingangs genannten deutschen Offenlegungsschrift 100 34 252 A1 bekannt.

Diesbezüglich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Abstandsmessung anzugeben, die Messergebnisses besonders schnell liefert.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung der beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Sendeeinrichtung zumindest zwei Eingangsstrahlen erzeugt, dass die Abbildungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie mit den Eingangsstrahlen zumindest zwei Messstrahlen mit fest eingestellten, jedoch unterschiedlich entfernten Fokuspunkten erzeugt, und dass die Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie zum Bilden des Abstandswerts feststellt, für welche Messstrahlen das Objekt im Bereich des jeweiligen Fokuspunktes liegt und für welche nicht.

Vorzugsweise bildet die Auswerteeinrichtung eine digital kodierte Zahl, die den jeweiligen Abstand des Objekts angibt, indem sie demjenigen Messstrahl, für den das Objekt im Bereich des Fokuspunktes liegt, einen anderen binären Wert zuordnet als den übrigen Messstrahlen, bei denen das Objekt außerhalb des Bereichs des Fokuspunktes liegt.

Bevorzugt umfasst die Sendeeinrichtung eine Mehrzahl an Lichtwellenleitern, die ausgangsseitig jeweils einen der Eingangsstrahlen abgeben.

Beispielsweise weisen die Lichtwellenleiter ausgangsseitig unterschiedliche Aperturen oder unterschiedliche Abstände zur Abbildungseinrichtung auf, um für unterschiedliche Fokuspunkte zu sorgen. Vorzugsweise sind die Aperturen und/oder die Abstände so gewählt, dass sich die Fokuspunkte der Messstrahlen aufeinander folgend so einstellen, dass sich die durch die Fokustiefe größenmäßig bestimmten Detektionszonen überschneiden oder zumindest annähernd aneinander grenzen.

Besonders einfach und damit vorteilhaft lässt sich eine Aperturänderung erreichen, wenn die Lichtwellenleiter an ihrem Lichtwellenleiterausgang jeweils mit einer lichtwellenleiterindividuellen Linse ausgestattet werden, wobei die Linse die Aperturänderung hervorruft. Alternativ können auch unter schiedliche Lichtwellenleitertypen mit unterschiedlichen Aperturen verwendet werden.

Um die optische Wirkung der Linsen individuell einstellen und ggf. auch einfach nachjustieren zu können, sind diese vorzugsweise beweglich. Die Lage jeder der Linsen bzw. deren Abstand wird dann beispielsweise vor dem Beginn der Durchführung der Messung festgelegt.

Alternativ oder zusätzlich kann die Abbildungseinrichtung eine gekrümmte Linse aufweisen, die abhängig von der jeweiligen Einstrahlstelle des Eingangsstrahls auf der Linse jeweils einen Ausgangsstrahl mit einem individuell entfernten Fokuspunkt erzeugt.

Zur Messung der reflektierten Messstrahlen weist die Empfangseinrichtung für jeden der Strahlen jeweils bevorzugt einen individuellen Messwellenleiter auf. Mit einem solchen individuellen Messwellenleiter kann der reflektierte Messstrahl beispielsweise zu einem jeweils zugeordneten Detektor geleitet werden.

Vorzugsweise ist vor der Empfangseinrichtung eine Blende angeordnet, deren Blendendurchmesser so gewählt ist, dass innerhalb des Fokusbereichs reflektierte Messstrahlen die Blende passieren können und außerhalb des Fokusbereichs reflektierte Messstrahlen zumindest teilweise von einem Erreichen der Empfangseinrichtung abgehalten werden. Die „Messschärfe" wird durch eine solche Blende deutlich erhöht.

Zum Erzeugen der elektromagnetischen Eingangsstrahlen weist die Sendeeinrichtung bevorzugt jeweils einen individuellen Sendewellenleiter und zum Detektieren jeweils einen individuellen Empfangswellenleiter auf.

Vorteilhaft bildet die Anordnung ein konfokales Abstandsmesssystem.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert; dabei zeigen
1 beispielhaft ein konfokales Abstandsmesssystem, anhand dessen die physikalische Funktionsweise der Abstandsmessung erläutert wird,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung zum Messen des Abstandes eines Objektes, bei der eine unterschiedliche Lage bzw. Entfernung von Fokuspunkten durch einen unterschiedlichen Abstand von Lichtwellenleitern zu einer Abbildungseinrichtung bewirkt wird,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der eine unterschiedliche Entfernung der Fokuspunkte von der Abbildungseinrichtung durch eine verzerrend abbildende Linse innerhalb der Abbildungseinrichtung hervorgerufen wird,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der die unterschiedliche Entfernung der Fokuspunkte durch lichtwellenleitereigene Linsen bewirkt wird, die unterschiedliche Abstrahlwinkel und Aperturen der Lichtwellenleiter einstellen,
5 ein viertes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der zwischen Lichtwellenleitern und einer Abbildungseinrichtung bewegliche Mikrolinsen angeordnet sind,
6 ein fünftes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der individuelle Sendewellenleiter zum Erzeugen von Eingangsstrahlen und individuelle Empfangswellenleiter für jeden der Fokuspunkte vorhanden sind, und
7 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung, bei der mehrere Sendelaser innerhalb der Sendeeinrichtung parallel geschaltet sind.
In der 1 ist eine Anordnung 10 zum Messen des Abstandes eines nicht weiter dargestellten Objektes gezeigt. Die Anordnung 10 umfasst eine Sendeeinrichtung 20 mit einer punktförmigen Lichtquelle 30, die vorzugsweise beugungsbegrenzt in einem Abstand A als Bildpunkt 35 abgebildet wird. Die punktförmige Lichtquelle 30 weist eine numerische Apertur NA auf, der ein in der 1 mit dem Bezugszeichen α visualisierter Abstrahlwinkel entspricht.
Die punktförmige Lichtquelle 30 erzeugt einen Eingangsstrahl 40, der zu einer Abbildungseinrichtung 50 gelangt. Die Abbildungseinrichtung 50 ist in der 1 durch eine Linse vereinfacht dargestellt. Die Abbildungseinrichtung 50 erzeugt mit dem Eingangsstrahl 40 ausgangsseitig einen Messstrahl 60, der in einem Fokuspunkt 70 fokussiert wird. Im Fokuspunkt 70 bildet die Abbildungseinrichtung die punktförmige Lichtquelle 30 „scharf" ab; der Fokuspunkt 70 entspricht somit dem Bildpunkt 35 der punktförmigen Lichtquelle 30.
Der Fokuspunkt 70 weist eine laterale Ausdehnung W auf, die die laterale Messgenauigkeit der Anordnung 10 beschränkt. Darüber hinaus weist der Fokuspunkt 70 eine axiale bzw. eine sich in z-Strahlrichtung gesehen längs erstreckende Fokustiefe Z auf, die die axiale Messgenauigkeit der Anordnung 10 begrenzt. Die laterale Ausdehnung W sowie die Fokustiefe Z werden durch den 1/e²-Abfall der Lichtintensität des Bild- bzw. Fokuspunktes 70 zu dessen Rändern hin bestimmt.
Befindet sich nun im Bereich des Fokuspunktes 70 bzw. innerhalb der durch den Fokuspunkt 70 definierten Detektionszone 80, deren laterale Ausdehnung der Breite W des Fokuspunktes 70 und deren axiale Ausdehnung der axialen Fokustiefe Z des Fokuspunktes 70 entspricht, ein Objekt, so wird das vom Objekt reflektierte Licht über die Abbildungseinrichtung 50 zurück zur punktförmigen Lichtquelle 30 gelangen.
Wie sich in der 1 erkennen lässt, befindet sich zwischen der punktförmigen Lichtquelle 30 und der Abbildungseinrichtung 50 ein Umlenkspiegel 90, der einen Teil, beispielsweise 50 %, des reflektierten Lichts auf einen punktförmigen Detektor 100 leitet.
Der punktförmige Detektor 100 kann beispielsweise mit einer Blende 110 (z. B. Lochblende) versehen sein, deren Blendendurchmesser so gewählt ist, dass nur solche vom Objekt reflektierten Messstrahlen die Blende 110 passieren und zum punktförmigen Detektor 100 gelangen können, die tatsächlich innerhalb der Detektionszone 80 vom Objekt reflektiert worden sind. Lichtstrahlen, die von einem außerhalb der Detektionszone 80 befindlichen Objekt reflektiert werden, werden somit – zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch erheblich – von der Blende 110 abgeblockt.
Es lässt sich in der 1 erkennen, dass die Entfernung bzw. der Abstand A zwischen der Detektionszone 80 bzw. dem Fokuspunkt 70 und der Abbildungseinrichtung 50 davon abhängig ist, welche numerische Apertur die punktförmige Lichtquelle 30 aufweist. Konkret ist der Abstand A umso größer, je größer die numerische Apertur bzw. je größer der Öffnungswinkel α des Eingangsstrahles 40 ist.
Der Zusammenhang zwischen der numerischen Apertur NA, dem Öffnungswinkel α und der Größe der Detektionszone 80 (Fokusbreite W, Fokustiefe Z) lautet näherungsweise wie folgt:
In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung zum Messen des Abstands B eines Objekts 150 dargestellt. Anhand dieses Ausführungsbeispiels wird auch das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft erläutert.
Man erkennt in der 2 ein Faserbündel mit drei Lichtwellenleitern 160, 170, 180, die eine identische numerische Apertur aufweisen und deren Stirnflächen 190, 200 und 210 jeweils einer Abbildungseinrichtung 50 zugewandt sind. Die drei Stirnflächen liegen in unterschiedlichen Abständen H1, H2 und H3 von der Abbildungseinrichtung 50 entfernt; dabei befindet sich die Stirnfläche 210 am dichtesten an der Abbildungseinrichtung 50 und die Stirnfläche 190 am weitesten davon entfernt.
Aufgrund der unterschiedlichen Abstände, die die drei Lichtwellenleiter zur Abbildungseinrichtung 50 aufweisen, ergeben sich unterschiedlich liegende Fokuspunkte 220, 230 und 240. Beispielsweise liegt der Fokuspunkt 220 des Lichtwellenleiters 180 am dichtesten an der Abbildungseinrichtung 50, da der Abstand H1 des Lichtwellenleiters 180 von der Abbildungseinrichtung 50 am kleinsten ist. Entsprechend liegt der Fokuspunkt 240 am weitesten von der Abbildungseinrichtung 50 entfernt, da der Abstand H3 zwischen der Stirnfläche 190 und der Abbildungseinrichtung 50 am größten ist.
Wird nun das Objekt 150 an der Abbildungseinrichtung 50 vorbeigeführt, so wird lediglich einer der drei Fokuspunkte unmittelbar auf bzw. in der Nähe der Oberfläche 250 des Objektes 150 liegen und auf dieser scharf abgebildet werden. In der 2 liegt beispielhaft der Fokuspunkt 220 auf der Oberfläche 250 des Objektes 150; die beiden übrigen Fokuspunkte 230 und 240 befinden sich in anderen Bildebenen und somit nicht auf der Oberfläche 250 des Objektes 150.
Dies hat zur Folge, dass die von der Oberfläche 250 des Objektes 150 reflektierten Strahlen unterschiedlich weiterbehandelt werden. Während der reflektierte Messstrahl des Lichtwellenleiters 180 derart zurückreflektiert wird, dass er mit maximaler Intensität wieder in seinen Lichtwellenleiter einkoppeln kann, tritt für die beiden übrigen Lichtwellenleiter 160 und 170 eine solche Rückkopplung des Lichts abbildungsbedingt nicht auf, denn die Fokuspunkte 230 und 240 liegen in einer falschen Ebene. Es kommt somit bei den Lichtwellenleitern 160 bzw. 170 zu keiner, zumindest zu keiner relevanten, Rückkopplung des Lichts zurück in die Lichtwellenleiter. Die Stirnflächen 190, 200 und 210 üben dabei für das Rückkoppeln des reflektierten Lichts die Funktion der in der 1 gezeigten Blende 110 aus; denn Licht außerhalb des Stirnflächenbereichs kann nicht mehr zurückkoppeln.
Misst man mit einem in der 1 nicht weiter dargestellten Detektor das in die drei Lichtwellenleiter 160, 170 und 180 reflektierte Licht, so wird lediglich im Lichtwellenleiter 180 eine Lichtintensität bzw. Empfangsleistung P festzustellen sein, die über einem vorgegebenen Schwellenwert Ps liegt. Es gilt also:
P (Empfangsleistung Lichtwellenleiter 160) < Ps
P (Empfangsleistung Lichtwellenleiter 170) < Ps
P (Empfangsleistung Lichtwellenleiter 180) > Ps
Somit kann mit dem Detektor erkannt werden, dass der Fokuspunkt 220 des Lichtwellenleiters 180 direkt oder in der Nähe der Oberfläche 250 des Objektes liegt.
Da die jeweiligen Abstände A1, A2, A3 der drei Fokuspunkte 220, 230 und 240 für jeden der drei Lichtwellenleiter vorab bekannt sind, weil sie beispielsweise vorher gemessen oder berechnet worden sind, liegt somit die Information vor, welchen Abstand B die Oberfläche 250 des Objekts 150 von der Abbildungseinrichtung 50 und damit von der Anordnung 10 aufweist. Bei dem Beispiel gemäß der 2 entspricht der Abstand B des Objektes als dem Abstand A1 des Fokuspunktes 220.
Mit einer in der 2 nicht weiter dargestellten Auswerteinrichtung kann nun ein Abstandswert B' in digitaler Form erzeugt werden. Beispielsweise kann eine digitale Zahl B' = (0,0,1) erzeugt werden, die angibt, dass das Objekt im Fokusbereich des Lichtwellenleiters 180 liegt. In entsprechender Weise könnte ein Abstandsmesswert B' = (1,0,0) gebildet werden, wenn der Fokuspunkt des Lichtwellenleiters 160 auf der Oberfläche 250 des Objektes 150 liegen würde. Eine digitale Zahl der Form B' = (0,1,0) würde demgemäß angeben, dass der Lichtwellenleiter 170 eine maximale reflektierte Leistung misst und dass das Objekt in einem Abstand B liegt, der dem Abstand A2 des Fokuspunkts 230 des Lichtwellenleiters 170 entspricht. Die „Stelle" innerhalb des digitalen Zahl B' identifiziert also den „optimalen" Fokuspunkt der Messstrahlen und damit einen Fokusabstandswert A1, A2 oder A3, der dem Abstand B des Objektes entspricht.
Wird das Objekt 150 in x-Richtung an der Abbildungseinrichtung 50 vorbeigeführt, so kann auch die Höhe bzw. das Höhenprofil H(x) des Objektes 150 gemessen werden, indem eine Differenzbildung durchgeführt wird gemäß: H(x) = Q – B(x)wobei Q den Abstand zwischen der Abbildungseinrichtung 50 und einer Bodenplatte 270, auf der sich das Objekt 150 befindet, bezeichnet. B(x) gibt den jeweils gemessenen Abstand des Objekts 150 von der Abbildungseinrichtung 50 an der jeweiligen Messstelle x an.
Ergänzend sei erwähnt, dass die Fokuspunkte 220, 230 und 240 in lateraler Richtung – hier beispielsweise in x-Richtung – vorzugsweise sehr dicht nebeneinander liegen, um eine möglichst große Ortsauflösung zu erreichen. Für kleine Lichtpunkte mit einem Durchmesser im Mikrometerbereich lassen sich Höhenprofile mit einer Ortsauflösung ebenfalls im Mikrometerbereich erzielen.
Um den gesamten Bereich zwischen der Abbildungseinrichtung 50 und der Bodenplatte 270 ausmessen zu können, werden vorzugsweise sehr viele Fokuspunkte vorgesehen. Ausreichend viele Fokuspunkte sind vorhanden, wenn sich die Detektionszonen 80, 80' und 80'' der Fokuspunkte 220, 230 und 240 in z-Richtung überschneiden oder aneinander grenzen und gemeinsam den gewünschten Messbereich – hier den Bereich Q – abdecken.
In der 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zum Messen des Abstandes B eines Objekts 150 dargestellt. Man erkennt, dass die drei Lichtwellenleiter 160, 170 und 180 jeweils denselben Abstand H zu einer durch eine gekrümmte, verzerrende Linse 300 gebildeten Abbildungseinrichtung 50 aufweisen. Da jedoch die Lichtstrahlen der drei Lichtwellenleiter an unterschiedlichen Einstrahlstellen 310, 320, 330 auf die verzerrend abbildende Linse 300 treffen, bilden sich Fokuspunkte 220, 230 und 240 aus, die unterschiedliche Abstände A1, A2, A3 von der Abbildungseinrichtung 50 aufweisen. Somit ist es auch mit der Abbildungseinrichtung 50 gemäß 3 möglich, die Oberflächenstruktur bzw. den Abstand B des Objekts 150 zu bestimmen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 weist das Objekt 150 einen Abstand B von der Abbildungseinrichtung 50 auf, der näherungsweise dem Abstand A2 des Fokuspunktes 230 von der Abbildungseinrichtung 50 entspricht. In digitaler Form würde sich somit beispielsweise ein Abstandsmesswert B' ergeben gemäß:
B' = (0,1,0).
Der Fokusbereich bzw. die Detektionszone 80' des Fokuspunktes 230 ist in der 3 ebenfalls angedeutet; man erkennt, dass der Fokuspunkt 230 nicht unmittelbar auf der Oberfläche 250 des Objektes 150 liegt, jedoch befindet sich die Oberfläche 250 noch innerhalb der Detektionszone 80', so dass der Abstandsmesswert B' = (0,1,0) erzeugt wird.
In der 4 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung dargestellt, bei der die unterschiedlichen numerischen Aperturen der drei Lichtwellenleiter 160, 170 und 180 durch lichtwellenleitereigene Mikrolinsen 400, 410 und 420 (z. B. Kugellinsen mit verschiedenen Durchmessern) hervorgerufen werden. Aufgrund der unterschiedlichen numerischen Aperturen, die in der 4 durch Abstrahlwinkel α1, α2, α3 visualisiert sind, ergeben sich Fokuspunkte 220, 230 und 240, die unterschiedliche Abstände A1, A2, A3 zu ihrer Abbildungseinrichtung 50 aufweisen.
Aufgrund der unterschiedlichen Lage der Fokuspunkte ist es in bereits erläuterter Weise möglich, den Abstand B des Objektes 150 von der Abbildungseinrichtung 50 zu messen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 würde sich beispielsweise ein digitaler Abstandswert B' = (0,0,1) bilden, der angibt, dass der Abstand B des Objekts 150 dem Abstand A1 des Fokuspunktes 220 des Lichtwellenleiters 180 entspricht.
In der 5 ist ein viertes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jedem der drei Lichtwellenleiter 160, 170 und 180 jeweils eine lichtwellenleitereigene, bewegliche Mikrolinse 500 zugeordnet, mit der sich der Abstrahlwinkel α1, α2 bzw. α3 und damit die nach außen sichtbare bzw. wirksame Apertur des Lichtwellenleiters sowie die Lage des jeweiligen Fokuspunktes 220, 230 und 240 einstellen lassen.
Zur Messung des Abstandes B eines Objektes 150 werden zunächst die drei Mikrolinsen elektrisch, thermisch, magnetisch oder sonst wie mechanisch derart justiert, dass eine vorgegebene Lage der Fokuspunkte erreicht wird. Konkret wird die Lage der Fokuspunkte so eingestellt, dass die Detektionszonen 80, 80' und 80'' der drei Fokuspunkte aneinander grenzen oder sich geringfügig überschneiden. Anschließend wird in der bereits im Zusammenhang mit den 1 bis 4 erläuterten Weise die Abstandsmessung durchgeführt.
Zum Einstellen der Fokuspunkte werden vorzugsweise schnell bewegliche Linsen eingesetzt. Solche Linsen erlauben es nämlich darüber hinaus, den am dichtesten an der Oberfläche 250 des Objektes 150 liegenden Fokuspunkt solange nachzujustieren, bis detektorseitig ein maximales Rückkoppelsignal gemessen wird. Die nachjustierte Lage des Fokuspunkts gibt dann den exakten Abstand des Objektes an. Es lässt sich durch ein Nachjustieren somit eine größere Messgenauigkeit erreichen, als wenn die Abstandsmessung mit dem Erfassen des am dichtesten liegenden Fokuspunkts beendet wird; denn die Messgenauigkeit bleibt im letztgenannten Falle in vertikaler z-Richtung auf die jeweilige Größe der Detektionszone 80 beschränkt.
Die 6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung; die Sendeeinrichtung 20 sowie die Empfangseinrichtung 100 sind hierbei näher dargestellt. Man erkennt, dass die drei Lichtwellenleiter 160, 170 und 180 jeweils mit einem individuellen Sendewellenleiter 600 verbunden sind, der außerdem mit einer individuellen Lichtquelle 610, beispielsweise einem Laser oder einer Leuchtdiode, in Verbindung steht.
Darüber hinaus steht jeder der drei Lichtwellenleiter 160, 170 und 180 jeweils mit einem individuellen Empfangswellenleiter 620 in Verbindung, der außerdem mit einem individuellen Detektor 630 verbunden ist. Die Detektoren 630 sowie die Lichtquellen 610 können beispielsweise in einer Array-Form angeordnet sein.
Die Verbindung zwischen den Lichtwellenleitern 160, 170 und 180 und den jeweils individuell zugeordneten Sende- und Empfangswellenleitern 600 und 620 kann beispielsweise jeweils mit einem 3DB-Koppler 640 erfolgen. Zur Befestigung der Wellenleiter dienen vorzugsweise Halterungen 650.
Die mit der Sendeeinrichtung 20 erzeugten Eingangsstrahlen und die Messstrahlen der Abbildungseinrichtung 50 sind in der 6 mit den Bezugszeichen 660 und 670 gekennzeichnet. Die Abbildungseinrichtung 50 umfasst zur Bildung der Messstrahlen 670 eine erste Linse 680, einen Spiegel 690 sowie eine zweite Linse 700.
In der 7 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zum Messen eines Abstandswertes dargestellt. Man erkennt, dass eine Vielzahl an Lichtquellen, hier drei Laserdioden 800, 810 und 820, vorhanden ist, deren Licht über ein erstes 3 × 1-Koppelelement 830 in einen Gemeinschaftswellenleiter 840 eingekoppelt wird. Der Gemeinschaftswellenleiter 840 ist über drei kaskadiert angeordnete 1 × 2-Teiler 850 mit insgesamt vier Lichtwellenleitern 860 verbunden, die ausgangsseitig Eingangsstrahlen 870 für die Abbildungseinrichtung 50 bilden, die wiederum ausgangsseitig Messstrahlen 880 für das Objekt 150 erzeugt.
Das reflektierte Licht gelangt über Empfangswellenleiter 890 zu Detektoren 900 einer Empfangseinrichtung 910.

10: Messanordnung
20: Sendeeinrichtung
30: punktförmige Lichtquelle
35: Bildpunkt
40: Eingangsstrahl
50: Abbildungseinrichtung
60: Messstrahl
70: Fokuspunkt
80, 80', 80'': Detektionszone
90: Umlenkspiegel
100: punktförmiger Detektor
110: Blende
150: Objekt
160, 17, 180: Lichtwellenleiter
190, 200, 210: Stirnflächen der Lichtwellenleiter
220, 230, 240: Fokuspunkte
250: Oberfläche
270: Bodenplatte
300: gekrümmte Linse
310, 320, 330: Einstrahlstellen
400, 410, 420: Mikrolinsen
500: bewegliche Mikrolinse
600: Sendewellenleiter
610: Lichtquelle
620: Empfangswellenleiter
630: Detektor
640: 3DB-Koppler
650: Halterung
660: Eingangsstrahlen
670: Messstrahlen
680: erste Linse
690: Spiegel
700: zweite Linse
800,810,820: Laserdioden
830: 3 × 1-Koppelelement
840: Gemeinschaftswellenleiter
850: 1 × 2-Teiler
860: Lichtwellenleitern
870: Eingangsstrahlen
880: Messstrahlen
890: Empfangswellenleiter
900: Detektor
910: Empfangseinrichtung

Claims

Verfahren zum Messen des Abstandes (B) eines Objektes (150), bei dem – ein elektromagnetischer Messstrahl (60), insbesondere ein Licht-Messstrahl, mit einer Abbildungseinrichtung (50) auf das Objekt unter Bildung eines Fokuspunktes (70) gelenkt wird und – die Intensität (P) des vom Objekt reflektierten Messstrahls gemessen wird und ein den Abstand (B) angebender Abstandswert (B') unter Heranziehung der gemessenen Intensität und der Lage des Fokuspunktes gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest zwei Messstrahlen mit fest eingestellten, jedoch unterschiedlich entfernten Fokuspunkten (220, 230, 240) gleichzeitig auf das Objekt (150) gerichtet werden und – zum Bilden des Abstandswertes festgestellt wird, für welche der Messstrahlen (220) das Objekt im Bereich (80) des jeweiligen Fokuspunktes (220) liegt und für welche nicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstandswert eine digital kodierte Zahl (B') gebildet wird, indem Messstrahlen (220), für welche das Objekt (150) im Bereich des Fokuspunktes liegt, ein anderer binärer Wert zugeordnet wird als Messstrahlen (230, 240), für welche das Objekt außerhalb des Bereichs des Fokuspunktes liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als binärer Wert eine logische „1" oder eine logische „0" zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – alle vom Objekt reflektierten Messstrahlen empfangen werden und die jeweilige Empfangsleistung (P) gemessen wird und – darauf geschlossen wird, dass das Objekt im Bereich des Fokuspunktes eines der Messstrahlen liegt, wenn die Empfangsleistung dieses reflektierten Messstrahls einen vorgegebenen Schwellenwert (Ps) überschreitet.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Mehrzahl an Messstrahlen mit unterschiedlichen Fokuspunkten auf das Objekt gerichtet wird, wobei die Fokuspunkte der Messstrahlen so eingestellt werden, dass sich die durch die Fokustiefe (Z) der Messstrahlen entlang der Messstrahlrichtung (z) bestimmten Detektionszonen (80, 80', 80'') überschneiden oder aneinander grenzen.
Anordnung zum Messen des Abstandes (B) eines Objektes (150), – mit einer Sendeeinrichtung (20) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Eingangsstrahls (40), insbesondere eines Licht-Messstrahls, – mit einer Abbildungseinrichtung (50), die den Eingangsstrahl als Messstrahl (60) auf das Objekt lenkt, – einer Empfangseinrichtung (100), die die Empfangsleistung (P) des vom Objekt reflektierten Strahls misst, und – einer Auswerteeinrichtung, die zum Bilden eines den Abstand des Objektes angebenden Abstandswerts die gemessene Empfangsleistung und die Lage des Fokuspunktes des Messstrahls heranzieht, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sendeeinrichtung zumindest zwei Eingangsstrahlen erzeugt, – die Abbildungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie mit den Eingangsstrahlen zumindest zwei Messstrahlen mit fest eingestellten, jedoch unterschiedlich entfernten Fokuspunkten (220, 230, 240) erzeugt, und – die Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie zum Bilden des Abstandswerts (B') feststellt, für welche Messstrahlen das Objekt (150) im Bereich des jeweiligen Fokuspunktes liegt und für welche nicht.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an Messstrahlen mit unterschiedlichen Fokuspunkten auf das Objekt gerichtet ist, wobei die Fokuspunkte der Messstrahlen aufeinander folgend so eingestellt sind, dass sich die durch die Fokustiefe der Messstrahlen entlang der Messstrahlrichtung bestimmten Detektionszonen überschneiden oder aneinander grenzen.
Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung eine Mehrzahl an Lichtwellenleitern (160, 170, 180) umfasst, die ausgangsseitig jeweils einen der Eingangsstrahlen abgeben.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter ausgangsseitig unterschiedliche Aperturen und/oder unterschiedliche Abstände (H1, H2, H3) zur Abbildungseinrichtung (50) aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter an ihrem Lichtwellenleiterausgang jeweils mit einer lichtwellenleiterindividuellen Linse (400, 410, 420, 500) ausgestattet sind, die eine Aperturänderung bewirkt.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen beweglich sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungseinrichtung eine derart gekrümmte Linse (300) aufweist, dass sie abhängig von der jeweiligen Einstrahlstelle (310, 320, 330) des Eingangsstrahls einen Messstrahl mit einem individuell entfernten Fokuspunkt erzeugt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung für jeden der reflektierten Messstrahlen jeweils einen individuellen Messwellenleiter (620) aufweist, mit dem der reflektierte Messstrahl zu einem jeweils zugeordneten Detektor (630) geleitet wird.