DE102005061464B4

DE102005061464B4 - Verfahren und Vorrichtungen zur optischen Abstandsmessung

Info

Publication number: DE102005061464B4
Application number: DE200510061464
Authority: DE
Inventors: Peter Lehmann; Frank Depiereux
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Carl Mahr Holding GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Carl Mahr Holding GmbH
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2025-12-23
Also published as: DE102005061464C5; WO2007079811A1; DE102005061464A1

Abstract

Optoelektronisches Messverfahren zur absoluten Abstandsmessung, mit zumindest zwei Schritten, die unterschiedliche große Eindeutigkeitsbereiche und unterschiedliche Messgenauigkeiten aufweisen, wobei zur Messung Licht aus zwei Lichtquellen (6, 7) mit unterschiedlichen mittleren Wellenlängen verwendet wird, wobei ein Teil des Lichts mit einer Sonde (2), in der ein anderer Teil des Lichtes an einer Referenzfläche reflektiert wird, zu einer Messobjektoberfläche (3) geleitet und reflektiertes Licht wieder aufgenommen und einem Interferometer (15) zugeführt wird, dessen unterschiedliche Spiegelabstände die optische Weglängendifferenz zwischen der Referenzfläche der Sonde (2) und der Messobjektfläche (3) kompensieren und das einen schräg angeordneten Planspiegel (20) aufweist, um Interferenzstreifen zu erzeugen, und wobei die Interferenzstreifen mit einer Kamera (26) erfasst werden, die im Wesentlichen senkrecht zu den Interferenzstreifen ausgerichtet ist, wobei die mit der Messeinrichtung gewonnen Daten einer Datenverarbeitung unterworfen werden, die in einem einzigen Scan der Kamera gewonnen worden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Messverfahren zur Abstandsmessung sowie entsprechende Vorrichtungen.
In der Technik stellt sich häufig die Aufgabe der optoelektronischen Abstandsmessung, wobei meist interferenzoptische Verfahren eingesetzt werden. Beispielsweise ist aus der DE 198 08 273 A1 eine interferometrische Messeinrichtung zum Erfassen der Form oder des Abstands der Messeinrichtung zu einer Objektoberfläche bekannt. Die Messeinrichtung soll sich insbesondere für raue Oberflächen eignen. Als Lichtquelle dienen Superlumineszenzdioden, d. h. kurzkohärente breitbandige Lichtquellen. Das von dem Objekt zurück gegebene Licht wird in einem Modulationsinterferometer analysiert, das akustooptische Modulatoren enthält. Durch die akustooptischen Modulatoren werde sinusförmige Zeitsignale erzeugt. Die Abstandsmessung erfolgt dann durch Auswertung der durch die Modulatoren erzeugten Differenzfrequenzen.
Die angewendete Heterodyntechnik ist aufwändig.
Aus der DE 103 17 826 A1 ist ein faseroptischer Sensor bekannt, der an ein Interferometer angeschlossen ist und mit kurzkohärentem Licht arbeitet. Das Interferometer enthält einen schräg gestellten Stufenspiegel, um die sich einstellende Interferenzerscheinung über einen längeren Z-Verstellweg des Sensors verfolgen zu können und somit einen großen Messweg zu erreichen.
Die Messgenauigkeit ist beschränkt. Außerdem stellt die Bereitstellung eines entsprechend genauen Stufenspiegels ein technisches Problem und zumindest einen Kostenfaktor dar. Die flächenhafte optische Abbildung des Stufenspiegels auf die flächig ausgedehnte Kameramatrix reduziert zudem die Datenrate des Interferometers auf die Bildrate der Kamera.
Aus der WO 02/082008 A1 ist ein Messverfahren zur absoluten Abstandsmessung bekannt. Das dort beschriebene optische Verfahren nutzt ein Michelson-Interferometer, ein Mirau-Interferometer oder ein Linnik-Interferometer. Das dort beschriebene Verfahren nutzt zur Messung Licht aus zwei Lichtquellen mit unterschiedlichen mittleren Wellenlängen. Das Licht wird zu der Messobjektfläche geleitet und reflektiertes Licht wird wieder aufgenommen und einem Interferometer zugeführt. Eine Kamera dient dazu, Interferenzstreifen zu erfassen und diese auszuwerten. Die Auswertung dient vorzugsweise der Erfassung von stufenförmigen Werkstückstrukturen. Dazu wird ein zumindest zweischrittiges Messverfahren angewandt, bei dem das Licht in einem ersten Schritt durch ein monochromes Lichtfilter geleitet wird, wobei in einem zweiten Schritt ohne Lichtfilter gearbeitet wird.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein optoelektronisches Messverfahren zu schaffen, das einen großen Messbereich aufweist, dabei eine hohe Messauflösung und Messgenauigkeit ermöglicht und mechanisch robust ist. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Messeinrichtung zu schaffen.
Das erfindungsgemäße Messverfahren führt die Abstandsmessung in zumindest zwei Schritten durch. In einem ersten Schritt wird mit einem Messverfahren gearbeitet, das einen größten Eindeutigkeitsbereich aufweist. Der Eindeutigkeitsbereich erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten Messbereich von beispielsweise mehreren Zehn bis mehreren Hundert Mikrometern. Der Messbereich ist vorzugsweise um ein Zehntausendfaches oder einen noch größeren Faktor größer als die schlussendlich gewünschte Auflösung. In dem ersten Schritt wird mit einem Messverfahren gemessen, das eine relativ geringe Messgenauigkeit erbringt. Der erhaltene Messwert wird als Abstandsnäherungswert h₁ erfasst. In dem nachfolgenden zweiten Schritt wird mit einem modifizierten Messverfahren gearbeitet, das nur in einem Teilbereich des gesamten Messbereichs des ersten Schritts eindeutig ist. Es erbringt jedoch eine höhere Auflösung als in dem ersten Schritt. Die Auswahl des Eindeutigkeitsbereichs für die Messung des zweiten Schritts wird anhand des im ersten Schritt bestimmten Abstandsnäherungswerts h₁ getroffen. In dem zweiten Schritt wird dann ein korrigierter oder genauerer Abstandsnäherungswert h₂ bestimmt. Dieser bildet wiederum die Grundlage für die Auswahl des passenden Eindeutigkeitsbereichs oder -abschnitts für die Messung in dem dritten Schritt. Diese wird mit einem Messverfahren durchgeführt, bei dem der Eindeutigkeitsbereich sehr klein ist, wobei jedoch mit höchster Messauflösung gearbeitet werden kann.
Auf diese Weise kombiniert das erfindungsgemäße Messverfahren einerseits den großen Messbereich des im ersten Schritt angewendeten relativ groben Messverfahrens und andererseits die in hohe Messauflösung des Messverfahrens in dem dritten Schritt. Das Messverfahren kann mit einer Messeinrichtung ohne bewegte Teile im Interferometer auskommen. Es ist einfach, robust und, falls gewünscht, extrem genau. Es können mit Licht der Wellenlänge von mehreren Hundert Nanometern (z. B. 800 oder 900 Nanometer Schwerpunktwellenlänge λ₁, λ₂) Messgenauigkeiten im Bereich von einem oder wenigen Nanometern erzielt werden.
Vorzugsweise wird für den ersten Schritt ein Verfahren der Weißlichtinterferometrie eingesetzt. Dazu wird die Objektoberfläche in dem ersten Schritt des optoelektronischen Messverfahrens mit kurzkohärentem Licht beleuchtet. Die Beleuchtung des Objekts erfolgt z. B. über eine geeignete faseroptische Sonde, um beispielsweise auch in engen Bohrungen Messungen durchführen zu können. Das von der Oberfläche reflektierte Licht wird von der Sonde wieder aufgenommen und einem Interferometer zugeleitet. In der Sonde wird das ihr zugeleitete Licht in einen Messstrahl und einen Interferenzstrahl aufgeteilt. Der Referenzstrahl wird an einer Referenzfläche reflektiert. Der Referenzlichtweg und der Messlichtweg können unterschiedlich lang sein. Der entstehende Laufzeitunterschied zwischen Messstrahl und Interferenzstrahl kann durch eine Weglängendifferenz in dem angeschlossenen Michelson-Interferometer ausgeglichen werden.
Bei einem dreischrittigen Messverfahren werden die nachfolgend beschriebenen drei Schritte in Form einer Datenverarbeitung an Daten durchgeführt, die mit der Messeinrichtung in einem einzigen Zeilenscan der vorzugsweise verwendete Zeilenkamera gewonnen worden sind. Die Schritte können allerdings auch an nacheinander aufgenommenen Zellenscans seriell ausgeführt werden.
Im ersten Schritt des Messverfahrens wird in dem Kamerabild das Interferenzmaximum gesucht. (Das aufgenommene Kamerabild kann auch rein linienhaft sein). Das Interferenzbild ist ein Interferenzmuster in demjenigen Bereich des optischen Detektors, z. B. einer Kamera, für den der Messlichtweg und der Referenzlichtweg im Wesentlichen gleich lang sind, d. h. sich um weniger als die Kohärenzlänge unterscheiden, wie es aus der Weißlichtinterferometrie bekannt ist. Das entstehende Interferenzmuster hat sein Intensitätsmaximum M an der Stelle, an der die Messlichtweglänge mit der Interferenzlichtweglänge übereinstimmt. Zur Bestimmung des Abstandsnäherungswerts h₁ kann beispielsweise die Hüllkurve H der Intensität des Interferenzmusters bestimmt werden. Die Position des Maximums M der Hüllkurve auf der optischen Sensoreinrichtung entspricht dann dem ersten Abstandsnäherungswert h₁. Die Bestimmung desselben kann z. B. über eine Tabelle erfolgen, in der einzelnen Pixeln des optischen Sensors verschiedene Abstandsnäherungswerte h₁ zugeordnet sind. Die Bestimmung kann auch mit einer entsprechenden Recheneinheit erfolgen, wobei zwischen der Nummer des jeweiligen Pixels in einer Pixelzeile und dem zugeordneten Abstandsnäherungswert eine lineare Beziehung besteht.
Mit dem dem ersten Schritt zugeordneten Messverfahren der Maximumsuche auf der Hüllkurve H des Interferenzmusters bei Interferometrie mit kurzkohärentem Licht lässt sich eine Messgenauigkeit unter einem Mikrometer erzielen.
In dem zweiten Schritt wird aus der Phasendifferenz der beiden Interferenzmuster für die unterschiedlichen Lichtwellenlängen ein genauerer Abstandsnäherungswert h₂ ermittelt Dies kann anhand der im ersten Schritt aufgenommenen Scans erfolgen. (Alternativ wird die Objektoberfläche nochmals, vorzugsweise gleichzeitig, gegebenenfalls aber auch nacheinander mit zwei verschiedenen Lichtfarben beleuchtet. Dies kann erforderlich sein, wenn im ersten Schritt nur mit einer einzigen Lichtfarbe gearbeitet worden ist.) Liegen die beiden Schwerpunktwellenlängen λ₁ und λ₂ beispielsweise bei jeweils einigen hundert Nanometern und beträgt die Wellenlängendifferenz der beiden Lichtquellen zwischen 50 Nanometer und 200 Nanometer, wird eine synthetische Wellenlänge Λ im Bereich von etwa 1 bis 10 Mikrometern erreicht. In diesem Bereich ist eine Abstandsmessung auf Basis der Auswertung der Phasendifferenz der beiden Lichtwellen eindeutig. Es wird in dem zweiten Schritt deshalb derjenige Eindeutigkeitsbereich der Phasenmessung ausgewählt, der dem Abstandsnäherungswert des ersten Schritts am nächsten kommt und danach der Abstandsnäherungswert präzisiert. Es wird der Abstandsnäherungswert h₂ erhalten.
Ist eine höhere Genauigkeit nicht erforderlich, kann die Messung nunmehr beendet werden. Wird jedoch eine höhere Genauigkeit gewünscht, wird ein dritter Schritt vorgeführt, in dem die Phasenlage des Interferenzsignals einer der beiden Wellenlängen des von der Objektoberfläche reflektierten Lichts ausgewertet wird. Dies kann wiederum anhand des im ersten Schritt aufgenommenen Scans oder mit einem gesondert aufgenommenen Scan geschehen. Wird beispielsweise mit Licht von einer (Schwerpunkt-)Wellenlänge von 720 Nanometern gearbeitet und die Phase des Lichts mit einer Genauigkeit von 1° bestimmt, lässt sich eine Auflösung von einem Nanometer erreichen. Allerdings ist eine eindeutige Messung nur in einem Bereich von 360 Nanometern möglich. Deshalb ist die Messgenauigkeit des zweiten Schritts größer als 360 Nanometer zu wählen.
Das mehrstufige Messverfahren arbeitet mit mehreren Schritten, wobei nichteindeutige Messverfahren verwendet werden können. Der Eindeutigkeitsbereich eines Messverfahrens ist dabei jeweils zumindest etwas größer als die Messgenauigkeit des jeweils voraus gegangenen gröberen Messverfahrens. Die Schritte des Messverfahrens können an einem einzigen Scan oder alternativ an nacheinander aufgenommenen Scans aufgenommen werden. Als Scan wird dabei der Von einer Kamera, vorzugsweise Zeilenkamera, gelieferte Pixeldatensatz bezeichnet, in dem jedem Pixel der Kamera ein Helligkeitswert zugeordnet ist.
Durch die Erfindung wird ein robustes Messverfahren mit großem Messbereich und hoher Genauigkeit geschaffen.
Prinzipiell ist es möglich, zur Durchführung der drei aufeinander folgenden Schritte (1. Weißlichtinterferometrie, 2. Phasendifferenzmessung, 3. Phasenmessung) unterschiedliche Lichtquellen zu verwenden. Beispielsweise kann für den ersten Schritt eine Weißlichtquelle verwendet werden, die kurzkohärentes weißes Licht abgibt während für die nachfolgenden Verahrensschritte vorzugsweise farbige Lichtquellen verwendet werden. In der bevorzugten Ausführungsform wird auch für den ersten Schritt des Messverfahrens eine kurzkohärente farbige Lichtquelle mit einem nicht zu schmalbandigen Spektrum verwendet. Beispielsweise werden als Lichtquellen Superlumineszenzdioden eingesetzt, die typischerweise eine spektrale Breite von ungefähr 20 bis 40 Nanometer aufweisen. Es genügt, wenn eine einzige aktiv ist. Werden zwei oder mehrere mit unterschiedlichen Schwerpunktwellenlängen verwedet, ist das Maximum bei der Hüllkurvenbestimmung ausgeprägter und der zweite Schritt kann entfallen.
Alternativ kann auch die Kombination einer Superlumineszenzdiode mit einer Laserdiode verwendet werden. Die Wellenlängendifferenz der beiden Lichtquellen liegt vorzugsweise zwischen 20 und 200 Nanometer. Die Schwerpunktwellenlängen λ₁ und λ₂ des Superlumineszenzdioden liegen beispielsweise bei 830 Nanometern und 940 Nanometern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Messeinrichtung ist als Interferometer ein Michelson-Interferometer eingesetzt, das sowohl den Messlichtstrahl als auch den Referenzlichtstrahl erhält. Des Michelson-Interferometer weist einen Strahlteiler auf, des das ankommende Licht auf einen ersten und einen zweiten Strahlengang aufteilt, wieder zusammen und dann einem optischen Detektor zuführt. Der erste und des zweite Strahlengang sind jeweils mit einem Spiegel abgeschlossen, wobei einer der beiden Spiegel vorzugsweise schräg gestellt ist, um an dem optischen Sensor ein Interferenzstreifenmuster zu erzeugen. Als optischer Sensor wird vorzugsweise eine Zeilenkamera verwendet. Das aus dem Interferometer kommende Licht kann durch eine Zylinderlinse auf die Zeilenkamera gebündelt werden. Dies ermöglicht die Erzeugung lichtstarker Bilder auf der Zeilenkamera auch mit niedriger Lichtquellenleistung. Außerdem ermöglicht die Verwendung einer Zeilenkamera eine äußerst schnelle „Bild”-Verarbeitung und Messwertbestimmung im Kilohertzbereich. Damit wird auch das linienhafte Abtasten von Oberflächen mit Nanometerauflösung und optischen Wellenlängen in der Größenordnung von 1 Mikrometer möglich.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder von Ansprüchen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Messeinrichtung in schematischer Übersichtsdarstellung,
2 Diagramme zur Veranschaulichung des erfindungsgemäen Messverfahrens und
3 eine alternative erfindungsgemäße Messeinrichtung in schematicher Übersichtsdarstellung.
Die in 1 veranschaulichte Messeinrichtung 1 dient zur präzisen Bestimmung des Abstands einer Messsonde 2 von der Oberfläche 3 eines Messobjekts 4. Zu der Messeinrichtung 1 gehört eine Lichtquelle 5, die beispielsweise durch zwei Superlumineszenzdioden 6, 7 (SLDs) gebildet wird. Die Superlumineszenzdiode 6 emittiert farbiges Licht z. B. mit der Schwerpunktwellenlänge 830 Nanometer und einer spektralen Breite (Bandbreite von etwa 20 Nanometer bis 40 Nanometer. Alternativ kann auch eine Laserdiode mit entsprechender Wellenlänge verwendet werden.
Die Superlumineszenzdiode 7 emittiert beispielsweise Licht mit der Schwerpunktwellenlänge von 940 Nanometer und einer spektralen Breite von 20 bis 40 Nanometer. Wieder kann alternativ eine Laserdiode mit entsprechender Wellenlänge verwendet werden, wobei dann aber die andere Lichtquelle kurzkohärentes Licht liefern muss. Zumindest das Licht einer der beiden Lichtquellen ist kurzkohärent.
Als Lichtquelle 5 können auch anderweitige Lichtquellen mit abweichenden Wellenlängen und Wellenlängendifferenzen vorgesehen werden. Die Superlumineszenzdioden 6, 7 sind jeweils mit einer Monomodenfaser 8, 9 versehen, d. h. sie verfügen über einen Ausgang in Form einer Faser – ein so genanntes Faserpigtail. Die beiden Monomodenfasern 8, 9 sind über einen Faserkoppler 10 zusammengeführt und koppeln somit ihr Licht in eine weiterführende Faser 11 ein. Diese führt zu einem weiteren Faserkoppler 12, der über eine Faser 13 an die Messsonde 2 angeschlossen ist und dieser das über die Faser 11 erhaltene Licht zuleitet. Die Messsonde 2 teilt das Licht und leitet einen Anteil als Strahl 28 zu der Oberfläche 3. Einen anderen Teil leitet sie zu einem in der Sonde angeordneten Referenzspiegel. Die Messsonde nimmt dann einen Teil des von der Oberfläche 3 reflektierten Lichts wieder auf und gibt dieses zusammen mit dem von dem Referenzspiegel reflektierten Licht über die Faser 13 zurück. Der Faserkoppler 12 liefert dieses Licht über eine abgehende Faser 14 zu einem Interferometer 15, d. h. zu einem (optionalen) Eingangsobjektiv 16 desselben. Das Eingangsobjektiv 16 nimmt das von dem freien Ende der Faser 14 austretende Licht auf und erzeugt ein im Wesentlichen paralleles Strahlenbündel.
Das Interferometer 15 ist z. B. als Michelson-Interferometer aufgebaut. In dem sich an das Eingangsobjektiv 16 anschließenden Strahlengang 17 ist ein Strahlteiler 18 angeordnet, der das über den Strahlengang 17 hereinkommende Licht auf zwei Strahlengänge 18, 19 aufteilt, die jeweils durch Spiegel 20, 21 abgeschlossen sind. Während der Spiegel 21 vorzugsweise möglichst rechtwinklig zu der optischen Achse des Strahlengangs 19 ausgerichtet ist, ist der Spiegel 20 vorzugsweise geringfügig schräg angeordnet. Die beiden Spiegel des Michelson-Interferometers 15 sind so beabstandet, dass die durch die Abstandsdifferenz hervorgerufene optische Weglängendifferenz zwischen der Referenzfläche und der Mitte des Messbereichs des Sensors kompensiert wird.
Der Strahlteiler 18 führt das von den Spiegeln 20, 21 reflektierte Licht wieder zusammen und leitet es in einem Strahlengang 22 über ein Objektiv 23 zu einem Lichtempfänger 25. Das Objektiv 23 wird vorzugsweise durch eine Zylinderlinse 24 gebildet, die auf dem Lichtempfänger 25 eine linienhafte Abbildung des empfangenen Lichts erzeugt. Der Lichtempfänger 25 ist vorzugsweise als Zeilenkamera 26 ausgebildet, deren Pixelzeile parallel zu der Längsachse der Zylinderlinse 24 ausgerichtet ist. Die Längsachse der Zylinderlinse 24 ist wiederum quer, d. h. rechtwinklig zu der optischen Achse des Strahlengangs 22 ausgerichtet. Die linienhafte Abbildung der Zylinderlinse 24 trifft somit genau die Pixelzeile der Zeilenkamera 26.
Die Zeilenkamera 26 ist mit einer Auswerteeinrichtung 27 verbunden, die beispielsweise durch einen Mikrorechner oder eine sonstige Bildauswerteschaltung gebildet ist. Die Auswerteeinrichtung 27 kann außerdem dazu verwendet werden, die beiden Superlumineszenzdioden 6, 7 zu steuern, d. h. mindestens ein- und auszuschalten.
Die Auswerteeinrichtung 27 ist darauf eingerichtet, nacheinander zumindest zwei, vorzugsweise drei unterschiedliche Messverfahren auszuführen, wobei jeweils die Messeinrichtung 1 in mechanisch unveränderter Form genutzt wird. Die Durchführung der Messung ist dabei wie folgt:
In Betrieb wird das von der Lichtquelle 5 herkommende Licht über den Faserkoppler 12 zu der Messsonde 2 geführt. Diese sendet einen Teil als Lichtstrahl 28 zu der Oberfläche 3 und empfängt das von der Oberfläche 3 reflektierte Licht, um es als Messlichtstrahl über den Faserkoppler 12 und die Faser 14 zu dem Interferometer 15 zu leiten. Dieses empfängt somit den Messlichtstrahl und den ebenfalls von der Sonde 2 gelieferten Referenzlichtstrahl, verzweigt beide auf die Strahlengänge 18, 19 und führt sie interferierend zusammen, um, das entstehende Interferenzmuster auf der Zeilenkamera 25 abzubilden. Das entstehende Interferenzmuster wird von der Auswerteeinrichtung 27 zur Bestimmung des Abstands zwischen der Messsonde 2 und der Oberfläche 3 ausgewertet. Diese Auswertung erfolgt in drei Schritten folgendermaßen:
In einem ersten Schritt des Messverfahrens wird von der Lichtquelle 5 zumindest eine der Superlumineszenzdioden 6, 7 aktiviert. Vorzugsweise werden beide aktiviert, um die Kohärenzlänge des entstehenden Lichtgemischs zu verkürzen. Auf der Zeilenkamera 26 entsteht nun ein Interferenzmuster, dessen Hüllkurve H in 2 oben dargestellt ist. Hat die Zeilenkamera beispielsweise eine Länge von 10.000 Pixeln kann de Messeinrichtung 1 so beschaffen sein, dass das Interferenzmuster insgesamt lediglich einige Hundert Pixel einnimmt. Die Intensität des Interferenzmusters ist im Bereich des Maximums der Hüllkurve H am größten während die von der Zeilenkamera 26 wahrgenommenen Interferenzstreifen zu beiden Seiten des Maximums schnell abnehmen. Während des ersten Schritts der Messung stellt die Auswerteeinrichtung 27 nun fest, auf welchen Pixeln oder Pixelgruppe die Hüllkurve des Interferenzmusters ihr Maximum hat. Den einzelnen (z. B. 1024 oder 2048) Pixeln der Zeilenkamera sind nun jeweils individuelle Abstandsnäherungswerte h₁ zugeordnet. Die Auswerteeinrichtung 27 nimmt nun denjenigen Abstandsnäherungswert h₁ als zunächst gültigen Abstandswert an, der dem Pixel entspricht, bei dem das Maximum der Hüllkurve H zu finden ist.
Dieser Schritt kann, wie erwähnt, sowohl mit dem Licht lediglich einer der Superlumineszenzdioden 6, 7 oder auch mit dem Licht beider durchgeführt werden. Letzteres wird wegen des resultierenden Schwebungssignals und der damit einhergehendun geringeren Breite im Bereich des Maximums der Hüllkurve bevorzugt. Auch ist an der Objektoberfläche 3 eine höhere Beleuchtungshelligkeit erzielbar.
Ist der erste Schritt durchgeführt, geht die Auswerteeinrichtung 27 zu dem zweiten Schritt über. Dazu wird auf die von der Zeilenkamera 26 im ersten Schritt bereits gelieferten Daten zurückgegriffen. Die Daten werden der diskreten Fouriertransformation unterzogen, um für die relevanten Signalfrequenzen die Phasenwerte φ₁, φ₂ zu bestimmen. Die Differenz der beiden Phasen φ₁, φ₂ ergibt die Phasendifferenz Δφ. Aus dieser lässt sich innerhalb des Eindeutigkeitsbereichs der synthetischen Wellenlänge Λ mit der nachfolgenden Beziehung: h₂ = (Δφ + 2πm₂)(Λ/2)/(2π) ein verbesserter Abstandsnäherungswert h₂ ermitteln. Dabei wird für den Faktor m₂ derjenige ganzzahlige Wert gewählt, der den Betrag der Differenz zwischen h₁ und h₂ minimiert. Mit dieser Maßnahme wird sichergestellt, dass zur Bestimmung von h₂ diejenige Schwingung von Λ ausgewählt wird, die dem Maximum M der Hüllkurve H am nächsten kommt (siehe 2 mittlere Grafik).
Es liegt nun mit dem Abstandsnäherungswert h₂ ein präzisierter Wert für den gesuchten Abstand h vor.
Alternativ können zur Durchführung des zweiten Schritts die Superlumineszenzdioden 6, 7 nacheinander, zunächst die Superlumineszenzdiode 6 und dann die Superlumineszenzdiode 7, aktiviert und daraus die Phase φ₁ der ersten Lichtwellenlänge λ₁ und die Phase φ₂ der zweiten Lichtwellenlänge λ₂ bestimmt werden. Mit den Phasen φ₁, φ₂ wird dann wie oben beschrieben verfahren.
In einem nun durchzuführenden dritten Schritt wird ein bezüglich der Genauigkeit weiter verbesserter Abstandsnäherungswert h₃ ermittelt. Dies erfolgt vorzugsweise anhand der Auswertung der schon im ersten Schritt aufgenommenen Daten (anhand des im ersten Schritt durchpeführten Scans) und oder bereits berechneter Daten. Die Ermittlung des präzisen Abstandswerts h₃ erfolgt mit der Beziehung h₃ = (φ₁ – φ₀ + 2πm₃)(Λ/2)/(2π).
Dabei wird auf die im zweiten Schritt berechnete Phase φ₁ zurückgegriffen. Als Faktor m₃ wird derjenige ganzzahlige Wert gewählt, bei dem die Differenz zwischen h₃ und h₂ minimal ist. Auf diese Weise wird aus dem in 2 unten dargestellten Phasenverlauf diejenige Periode ausgewählt, in die auch h₂ fällt. Als Konstante φ₀ wird ein durch Kalibrierung gewonnener Wert genommen. Bei einer Phasenauflösung von 1° für φ₁ kann eine Messgenauigkeit im Bereich von einem bis wenigen Nanometern erreicht werden.
Der beschriebene Messvorgang kann entsprechend der Abtastrate der Zeilenkamera 25 durchgeführt werden. Diese kann im Kilohertzbereich liegen, so dass die Messwerte von der Auswerteeinrichtung 27 im Millisekundentakt oder schneller abgegeben werden. Auf diese Weise kann mit der Messeinrichtung 1 eine punkt- oder auch linienhafte Abtastung der Objektoberfläche 3 erfolgen.
Es ist darüber hinaus möglich, nicht nur freie Objektoberflächen 3 sondern auch relativ enge Bohrungen, Bohrungsböden, Bohrungswandungen und dergleichen zu vermessen. Dazu wird das aus der Faser austretende Licht kollimiert bzw. auf das Messobjekt fokussiert. Dabei kann gegebenenfalls eine Winkelumlenkung vorgenommen werden, um beispielsweise eine Zylinder- oder Kegelfläche senkrecht zu beleuchten.
3 veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung 1. Die vorstehende Beschreibung gilt unter Zugrundelegung der vorhandenen Bezugszeichen entsprechend. Jedoch ist der Referenzstrahl anders als vorstehend beschrieben nicht in der Sonde 2 sondern in einem gesonderten Zweig untergebracht, der z. B. über einen Faserkoppler 29 und eine Faser 30 an die Faser 13 angeschlossen ist. Die Faser 30 beleuchtet gegebenfalls über eine Linse 31 einen Referenzspiegel 32. Das Zurückgeworfene Licht wird wieder in die Faser 20 eingekoppelt und über den Faserkoppler 29 mit dem von der Sonde 2 gelieferten Licht zusammen- und dem Interferometer 15 zugeführt. Die Faserkoppler 12, 29 sind jeweils Y-Koppler. Sie könne zu einem X-Koppler zusammengefasst werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren wird der genaue Messwert mehrstufig bestimmt, wobei Verfahren der Weißlichtinterferometrie mit Phasenmessung kombiniert werden. Die Phasenmessung erfolgt vorzugsweise zweistufig, wobei zunächst mit größerem Eindeutigkeitsbereich und geringerer Messgenauigkeit auf Basis einer synthetischen Wellenlänge Λ und danach mit der wahren Lichtwellenlänge λ₁ oder λ₂ gearbeitet wird. Es ergibt sich ein robustes Messverfahren mit großem Messbereich und Auflösung im Nanometerbereich.

Claims

Optoelektronisches Messverfahren zur absoluten Abstandsmessung, mit zumindest zwei Schritten, die unterschiedliche große Eindeutigkeitsbereiche und unterschiedliche Messgenauigkeiten aufweisen, wobei zur Messung Licht aus zwei Lichtquellen (6, 7) mit unterschiedlichen mittleren Wellenlängen verwendet wird, wobei ein Teil des Lichts mit einer Sonde (2), in der ein anderer Teil des Lichtes an einer Referenzfläche reflektiert wird, zu einer Messobjektoberfläche (3) geleitet und reflektiertes Licht wieder aufgenommen und einem Interferometer (15) zugeführt wird, dessen unterschiedliche Spiegelabstände die optische Weglängendifferenz zwischen der Referenzfläche der Sonde (2) und der Messobjektfläche (3) kompensieren und das einen schräg angeordneten Planspiegel (20) aufweist, um Interferenzstreifen zu erzeugen, und wobei die Interferenzstreifen mit einer Kamera (26) erfasst werden, die im Wesentlichen senkrecht zu den Interferenzstreifen ausgerichtet ist, wobei die mit der Messeinrichtung gewonnen Daten einer Datenverarbeitung unterworfen werden, die in einem einzigen Scan der Kamera gewonnen worden sind.
Optoelektronisches Messverfahren zur Abstandsmessung, bei dem die Objektoberfläche (3) mit kurzkohärentem Licht beleuchtet und mit dem reflektierten Licht mit einem Interferometer (15) ein Interferenzmuster erzeugt und mittels einer Kamera in Pixeldaten umgesetzt wird, in einem ersten Schritt aus den Pixeldaten ein Interferenzmaximum bestimmt und anhand dessen ein erster Abstandsnäherungswert h₁ bestimmt wird, in einem zweiten Schritt aus den Pixeldaten Phasen φ₁, φ₂ und aus diesen eine Phasendifferenz Δφ zwischen den von der Objektoberfläche reflektierten unterschiedlichen Lichtfarben bestimmt und aus der Phasendifferenz Δφ ein verbesserter Abstandsnäherungswert h₂ bestimmt wird und bei dem in einem dritten Schritt aus der Differenz der Phase φ₁ mit einem vorgegebenen Phasenwert φ₀ ein im Wesentlichen präziser Abstandsnäherungswert h₃ bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kurzkohärente Licht weißes Licht ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kurzkohärente Licht farbiges Licht mit einem breitbandigen Spektrum mit einer Schwerpunktwellenlänge λ₁ ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kurzkohärente Licht farbiges Licht ist, dessen Spektrum wenigstens zwei Maxima bei Schwerpunktwellenlängen λ₁, λ₂ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsnäherungswert h₁ in dem ersten Schritt bestimmt wird, indem das von dem Interferometer erzeugte Interferenzmuster mit einer Kamera (25) aufgenommen und dessen Maximum bestimmt wird, wobei der erste Abstandsnäherungswert h₁ der Position des Maximums (M) entsprechend festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen φ₁, φ₂ in dem zweiten Schritt durch Fouriertransformation der Pixeldaten gewonnen werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektoberfläche (3) in dem zweiten Schritt nacheinander mit dem Licht der ersten Farbe mit einer Schwerpunktwellenlänge λ₁ und dem Licht der zweiten Farbe mit einer Schwerpunktwellenlänge λ₂ beleuchtet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektoberfläche (3) in dem zweiten Schritt gleichzeitig mit dem Licht der ersten Farbe mit einer Schwerpunktwellenlänge λ₁ und dem Licht der zweiten Farbe mit einer Schwerpunktwellenlänge λ₂ beleuchtet wird oder dass zur Durchführung des zweiten Schritts auf die im ersten Schritt gewonnenen Pixeldaten zurückgegriffen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsnäherungswert h₂ in dem zweiten Schritt anhand der Phasendifferenz Δφ für diejenige Periode einer sich aus den Schwerpunktwellenlängen λ₁, λ₂ ergebenden synthetischen Wellenlänge Λ errechnet wird, für die der Betrag der Differenz der Abstandsnäherungswerte h₁ und h₂ minimal ist, wobei die synthetische Wellenlänge Λ durch die Beziehung: Λ = λ₁λ₂/|λ₁ – λ₂| bestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsnäherungswert h₂ in dem zweiten Schritt anhand der Phasendifferenz Δφ nach der Beziehung: h₂ = (Δφ + 2πm₂)(Λ/2)/(2π) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass m₂ diejenige Ganze Zahl ist, für die |h₁ – h₂| minimal ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektoberfläche in dem dritten Schritt mit dem Licht der ersten Farbe mit einer Schwerpunktwellenlänge λ₁ und/oder dem Licht der zweiten Farbe mit einer Schwerpunktwellenlänge λ₂ beleuchtet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Schritt mit der im zweiten Schritt rechnerisch gewonnenen Phase φ₁ oder φ₂ durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsnäherungswert h₃ in dem dritten Schritt anhand der Phasendifferenz φ₁ – φ₀ nach der Beziehung: h₃ = (φ₁ – φ₀ + 2πm₃)(Λ/2)/(2π) oder alternativ h₃ = (φ₂ – φ₀ + 2πm₃)(Λ/2)/(2π) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass m₃ diejenige Ganze Zahl ist, für die |h₂ – h₃| minimal ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass φ₀ eine Konstante ist, die durch Kalibrierung bestimmt wird.
Optoelektronisches Messeinrichtung zur absoluten Abstandsmessung, mit zumindest zwei Schritten, die unterschiedliche große Eindeutigkeitsbereiche und unterschiedliche Messgenauigkeiten aufweisen, mit zwei Lichtquellen (6, 7), die Licht mit unterschiedlichen mittleren Wellenlängen aussenden, mit einer Sonde (2), die dazu dient, einen Teil des Lichts zu einer Messobjektoberfläche (3) zu geleiten und einen anderen Teil des Lichtes in ihr an einer Referenzfläche zu reflektieren, und von der Messobjektfläche (3) reflektiertes Licht aufzunehmen und einem Interferometer (15) zuzuführen, dessen unterschiedliche Spiegelabstände die optische Weglängendifferenz zwischen der Referenzfläche der Sonde (2) und der Messobjektfläche (3) kompensieren, wobei das Interferometer (15), das an die Sonde (2) angeschlossen ist, einen schräg angeordneten Planspiegel (20) aufweist, um Interferenzstreifen zu erzeugen, mit einer Kamera (26), die im Wesentlichen senkrecht zu den erzeugten Interferenzstreifen ausgerichtet ist, mit einer Auswerteeinrichtung (27), die die gewonnen Daten, die in einem einzigen Scan der Kamera gewonnen worden sind, einer Datenverarbeitung unterzieht, um den Messwert zu gewinnen.
Messeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 17, mit einer Beleuchtungseinrichtung (5), mit einem Interferometer (15) und mit einer Auswerteeinrichtung (27), die derart ausgebildet ist, dass sie den Messvorgang in drei Schritten ausführt und: in dem ersten Schritt ein Interferenzmaximum und anhand dessen einen ersten Abstandsnäherungswert h₁ bestimmt, in dem zweiten Schritt eine Phasendifferenz Δφ zwischen den von der Objektoberfläche (3) reflektierten unterschiedlichen Lichtfarben und aus der Phasendifferenz Δφ einen verbesserten Abstandsnäherungswert h₂ bestimmt und in dem dritten Schritt die Phase φ₁ des von der Objektoberfläche reflektierten Lichts und aus der Differenz dieser Phase φ₁ mit einem vorgegebenen Phasenwert φ₀ einen im Wesentlichen präziseren Abstandsnäherungswert h₃ bestimmt.
Messeinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (15) ein Michelson-Interferometer mit einem schräg gestellten Spiegel (20) ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (5) Superlumineszenzdioden sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (15) über eine Zylinderlinse (24) an eine Kamera (26) angeschlossen ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (26) eine Zeilenkamera ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilenkamera (26) senkrecht zu von dem Interferometer erzeugten Interferenzstreifen ausgerichtet ist.