DE102007016774A1

DE102007016774A1 - Verfahren und Vorrichtung zur interferenziellen Abstandsmessung von Objekten

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Publication number: DE102007016774A1
Application number: DE102007016774A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr. rer. nat. Klapper; Richard Prof. Dr. habil. Kowarschik; Hans-Joachim Dr. Ing. Freitag
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2008-10-09

Abstract

Aufgabe war es, bei einer kompakten, miniaturisierten Interferenz-Messvorrichtung trotz begrenzter Kohärenzlänge der Strahlung ohne erforderliche anwendungsspeziell zu justierende Strahlführungselemente sowie unter Beibehaltung der besagten kompakten, miniaturisierten Bauweise Objekte in einem größeren Abstand messen zu können. Erfindungsgemäß wird der zumindest eine Referenzstrahl (9) in Abhängigkeit einer Abstandsposition (A) des Objekts (1) vom Substrat (4) und in Abhängigkeit von dessen Dicke (D) jeweils durch Reflexion am oder im Substrat (4) mehrfach durch dieses geführt. Die Erfindung ist z. B. zur Positions- und Abstandsbestimmung, zur Schichtdickenerfassung sowie zur Kraft- und Druckmessung bei höchster Auflösung einsetzbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hochauflösenden interferenziellen Messung des Abstandes eines Objektes zu einer Strahler-Empfänger-Einheit, deren über ein Substrat ausgesendete Strahlung wenigstens einer Wellenlänge in einen auf das Objekt gerichteten Messstrahl sowie einen im Substrat verlaufenden Referenzstrahl aufgesplittet wird. Nach Reflexion des Messstrahls durch das Objekt wird dieser mit dem Referenzstrahl vereinigt und die Überlagerung beider Strahlen von wenigstens einem Detektor als Interferenz detektiert, wobei die entstehenden Hell-Dunkel-Perioden der überlagerten Strahlung bei der Interferenzauswertung ein Maß für die Abstandsposition des Objekts sind.
Die Erfindung ist für zahlreiche Anwendungen einsetzbar, beispielsweise zur Positions- und Abstandsbestimmung, zur Schichtdickenerfassung sowie zur Kraft- und Druckmessung bei höchster Auflösung.
Es ist eine Druckmessdose ( DE 44 26 272 A1 ) zur Messung des Druckes eines Mediums bekannt, in deren Gehäuse eine Membran mit einem Spiegelelement sowie eine optoelektrische Messeinrichtung vorgesehen sind, wobei Lichtsender und/oder Lichtempfänger so justiert sind, dass die auf den Lichtempfänger auftreffende Lichtmenge eine Funktion der Auslenkung der Membran ist. Nachteilig ist dabei, dass mit dieser Vorrichtung kein hohes Auflösungsvermögen erreicht werden kann.
In DE 40 18 998 A1 ist ein faseroptischer Drucksensor beschrieben mit einer als Druckaufnehmer wirkenden sowie unter Druckbeaufschlagung eine Hubbewegung ausführenden Membran, deren Membraninnenseite mit einer hochreflektierenden Verspiegelung versehen ist. Diese hochreflektierende Verspiegelung, ein Lichtwellenleiter und dessen teilreflektierende Stirnfläche bilden einen Fabry-Perot-Resonator. Das aus dem Fabry-Perot-Resonator ausgekoppelte und in Lichtwellenleitern transmittierte Licht weist eine zeitliche Intensitätsverteilung auf, welche durch den zeitlichen Verlauf der Hubbewegung der Membran bestimmt wird.
Weiterhin sind Interferometer zur Abstands-, Entfernungs-, Druck- und Kraftmessung bekannt (beispielsweise DE 36 21 862 A1 und DE 41 29 359 C2 ), die mehrere optische Bauelemente und externe Lichtquellen enthalten. Mit diesen Anordnungen lassen sich zwar hohe Auflösungen erreichen. Die Anordnungen sind aber sehr aufwendig, störanfällig und erfordern für den bestimmungsgemäßen Einsatz entsprechende Justierungen.
In DE 199 62 078 A1 ist eine interferenzielle Abstandsmessung beschrieben, bei welcher eine oder mehrere Strahlungsquellen, diesen zugeordnete Strahlungsdetektoren sowie die optischen Elemente zur Strahlführung, Strahltrennung und Strahlüberlagerung unmittelbar an oder in einem Substrat, beispielsweise eine Glasplatte, ausgebildet und formschlüssig mit diesem verbunden sind. Dieses optische System wird mit Herstellung der Vorrichtung einmalig kalibriert und bildet dann eine anwendungsrobuste Messeinrichtung, die eine hochauflösende interferometrische Abstandsmessung bei sehr kompakter, miniaturisierter Bauweise ermöglicht, ohne dass die Vorrichtung aufwendig optisch zu justieren ist. Die Anwendung dieser Vorrichtung eignet sich zwar begrenzt für Licht mit größerer Kohärenzlänge, wie beispielsweise von Laserdioden, aber nicht bzw. sehr begrenzt für breitbandiges Licht mit sehr kurzer Kohärenzlänge, wie beispielsweise von LED's, deren Einsatz bei Anwendung der Vorrichtung unzumutbare Einschränkungen, insbesondere bei der Wahl des Objektabstands verursachen.
Hier wäre die Objektvermessung in einem größeren Abstand zum Messsystem wünschenswert.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, bei einer kompakten, miniaturisierten Interferenz-Messvorrichtung trotz Anwendung von breitbandiger Strahlung begrenzter Kohärenzlänge, ohne erforderliche anwendungsspeziell zu justierende Strahlführungselemente sowie unter Beibehaltung der besagten kompakten, miniaturisierten Bauweise Objekte in beliebigem Abstand vermessen zu können, soweit es wegen der Intensitätsminderung der Strahlung bei größeren Messabständen noch zuträglich ist.
Erfindungsgemäß wird der zumindest eine Referenzstrahl nach dessen Trennung vom zumindest einen Messstrahl in Abhängigkeit der Abstandsposition des Objekts vom Substrat und in Abhängigkeit von der Dicke des Substrats jeweils durch Reflexion am oder im Substrat mehrfach durch dieses geführt. Auf diese Weise gelingt es, dass die korrespondierenden optischen Weglängen der Mess- und Referenzstrahlen auch bei einer kompakten, miniaturisierten Messvorrichtung mit einem Substrat als Träger gleich oder zumindest annähernd gleichgroß werden und der Messabstand der Vorrichtung wählbar ist. Mit der Erfindung können somit auch Objekte vermessen werden, die einen beliebigen Messabstand haben, soweit es wegen der Abnahme der Strahlungsintensität bei größeren Messabständen durch das quadratische Abstandsgesetz möglich ist.
Zum Zweck der verlängerten optischen Weglänge des zumindest einen im Substrat geführten Referenzstrahls wird dieser durch optisch und mechanisch fest mit dem Substrat gekoppelte Mittel, insbesondere lokale Oberflächenverspiegelungen oder an bzw. im Substrat vorgesehene Spiegelelemente, mehrfach im Substrat zwischen dessen Vor- und Rückseitenbereichen reflektiert.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung enthalten.
Auch für die besagten verlängerten optischen Weglängen sind damit auf Substraten basierende kompakte, anwendungsrobuste, miniaturisierte Messvorrichtungen realisierbar, bei denen sowohl die Strahlungserzeugung, die Strahlungsteilung in Mess- und Referenzstrahlen, als auch deren Überlagerung zur gemeinsamen Registrierung und Interferenzauswertung unmittelbar am oder im Substrat mit optischer und mechanischer fester Kopplung zu demselben erfolgt.
Mit den erfindungsgemäß verlängerten optischen Weglängen der Referenzstrahlen zur Anpassung an die Messstrahlen eröffnet sich für solche kompakten, miniaturisierten interferenziellen Messvorrichtungen ein breites Anwendungsfeld. So können diese Messvorrichtungen neben der Abstands- und Schichtdickenmessung unter anderem vielfältig zur Kraft-, Druck- und Gewichtsbestimmung eingesetzt werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen:
1: schematische Schnittdarstellung durch eine beispielhafte Messvorrichtung, bestehend aus einer Strahler-Empfänger-Einheit auf einem Substrat mit lokalen Oberflächenverspiegelungen
2: Ausführungsbeispiel einer Strahler-Empfänger-Einheit in Draufsicht
In 1 ist eine interferenzielle Messvorrichtung dargestellt, mit welcher ein Abstand A eines Objekts 1 von der Messvorrichtung ermittelt werden soll. Die Abstandsbewegung des Objekts 1 ist durch einen Pfeil 2 symbolisiert.
Die Messvorrichtung besteht aus einer Strahler-Empfänger-Einheit 3 (Silizium-Chip) zum Aussenden und Empfangen von Strahlung sowie einer Glasplatte 4 als Substrat mit einer Dicke D, wobei die Strahler-Empfänger-Einheit 3 unmittelbar auf der Oberfläche der Vorderseite von Glasplatte 4 aufsitzt.
Die Strahler-Empfänger-Einheit 3 enthält in einer Grube abgesenkt eine Strahlungsquelle 5, ausgeführt beispielsweise als Lichtemitterdiode (LED) oder als Laserdiodenchip, welche eine Strahlung 6 mit einem Winkel α in die Glasplatte 4 aussendet. Diese Strahlung 6 wird an einer lokalen teildurchlässigen Verspiegelung 7 an der Rückseite der Glasplatte 4 in einen für diese Verspiegelung 7 durchlässigen und auf das zu messende Objekt 1 gerichteten Messstrahl 8 sowie in einen von der besagten teildurchlässigen Verspiegelung 7 reflektierten Referenzstrahl 9 geteilt. Dieser wird nach Durchlaufen der Glasplatte 4 an einer örtlich begrenzten Vollverspiegelung 10 der Vorderseite der Glasplatte 4 in dieselbe zurückgeworfen.
Der Messstrahl 8 wird von einem am Objekt 1 vorhandenen und starr mit diesem verbundenen Spiegel 11, welcher beispielsweise als Oberflächenverspiegelung realisiert sein kann, reflektiert.
An der teildurchlässigen Verspiegelung 7 an der Rückseite der Glasplatte 4 treffen der vom Objekt 1 reflektierte Messstrahl 8 und der von der Verspiegelung 10 an der Vorderseite der Glasplatte 4 reflektierte Referenzstrahl 9 aufeinander, gelangen unter Durchlassung des Messstrahls 8 sowie unter Reflexion des Referenzstrahls 9 dort zur Interferenz und werden als überlagerte Strahlung 12 durch die Glasplatte 4 hindurch zur Registrierung auf einen Strahlungsdetektor 13 in der Strahler-Empfänger-Einheit 3 gelenkt.
Bei vorliegendem Beispiel entspricht der Abstand A zwischen dem Objekt 1 mit dem Spiegel 11 annähernd der optischen Dicke D der Glasplatte 4. Auf diese Weise sind die optischen Weglängen des Messstrahls 8 und des Referenzstrahls 9 von deren Trennung an der teildurchlässigen Verspiegelung 7 bis zu deren Überlagerung an der teildurchlässigen Verspiegelung 12 annähernd gleich. Der Messstrahl 8 durchläuft von der Strahlerzeugung bis zur Detektion somit insgesamt zweimal die Glasplatte 4 und zweimal den Abstand A zwischen der Rückseite der Glasplatte 4 und dem Objekt 1.
Im Vergleich dazu durchläuft der Referenzstrahl 9 von der Strahlerzeugung bis zur Detektion durch jeweils vollständige Reflexion an Vorder- und Rückseite der Glasplatte 4 dieselbe viermal und wird über die gesamte optische Weglänge ausschließlich innerhalb der Glasplatte 4 geführt.
Das viermalige Durchlaufen des Referenzstrahls 9 als Teil der Strahlung 6 von der Strahlungsquelle 5 durch die Glasplatte 4 hindurch dient erfindungsgemäß einem Wegausgleich gegenüber dem nunmehr, bezogen auf den Abstand A, verlängerten Messstrahl 8. Für einen vollständigen Wegausgleich müsste die optische Dicke D der Glasplatte 4 genau der optischen Dicke des Mediums zwischen der Glasplatte 4 und dem Spiegel 11 des Objekts 1 entsprechen. Dieses Medium wird in vielen Anwendungsfällen vorzugsweise Luft, könnte aber auch ein anderes transparentes Medium, wie Gas oder Flüssigkeit, sein.
In den geometrischen Dickenverhältnissen der Glasplatte 4 und der besagten Luftschicht in 1 wurden die unterschiedlichen optischen Dichten und Brechzahlen der Medien aus Gründen der Übersichtlichkeit der Abbildung nicht berücksichtigt.
Die Erfindung ist nicht auf das in 1 dargestellte viermalige Durchlaufen des Referenzstrahls 9 durch die Glasplatte 4 hindurch beschränkt. In Abhängigkeit der Realisierung und Intensität der Strahlungsquelle 5, beispielsweise auch als Laserdiode, sind noch längere optische Weglängen des Referenzstrahls 9 durch dessen erhöhte Mehrfachreflexion an Vorder- und Rückseite der Glasplatte 4 denkbar, wodurch auch die optische Weglänge des Messstrahls 8 weiter verlängert und das Objekt 1 in noch größerem Abstand A auswertbar sind, sofern gewährleistet ist, dass am Strahlungsdetektor 13 noch auswertbare Interferenzsignale ankommen, da wegen des quadratischen Abstandsgesetzes die Strahlungsintensität mit zunehmender Entfernung abnimmt.
Ein nicht zur Interferenzauswertung genutzter Teilstrahl 14 der Strahlungsquelle 5 wird an der Rückseite der Glasplatte 4 an der teildurchlässigen Verspiegelung 7 reflektiert (dies könnte im übrigen auch – aus Übersichtsgründen nicht in der Zeichnung dargestellt – am Spiegel 11 des im Abstand A zu vermessenden Objekts 11 erfolgen) und erzeugt an einem Referenzdetektor 15 ein Signal, welches zur Eliminierung von Intensitätsschwankungen der Strahlungsquelle 5 bei der Interferenzauswertung der am Strahlungsdetektor 13 ankommenden überlagerten Strahlung 12 benutzt werden kann.
Für die elektrischen Anschlüsse der Strahlungsquelle 5 und des Strahlungsdetektors 13 der Strahler-Empfänger-Einheit 3 sind auf der Oberfläche der Glasplatte 4 schichtförmige elektrische Leiterbahnen 16 mit Lötpads 17 vorgesehen.
Es ist auch möglich, in einem Segment des Spiegels 11 eine Spiegelstufe von vorzugsweise λ/4 aufzubringen (in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellt), welche dafür sorgt, dass ein zweites Messsignal entsteht, welches zu dem ersten um vorzugsweise 1/2 Periodenlänge verschoben ist. Mit diesen beiden Messsignalen können Vor- und Rückwärtsbewegung des Objekts 1 bezüglich des Abstandes A unterschieden werden. Die beiden Messsignale wären darüber hinaus auch zur Erhöhung der Messauflösung durch Interpolation zweckmäßig, durch die eine Periodenlänge des Messsignals um einen bestimmten Faktor unterteilt werden kann.
Die Erzeugung eines zweiten gegenüber dem Messsignal phasenverschobenen Signals kann auch durch einen optischen Phasenschieber erfolgen.
Des Weiteren könnten phasenverschobene Signale auch dadurch erzeugt werden, dass Signale von zusätzlich zu Strahlungsempfängern 21 und 22 angeordneten Strahlungsempfängern (in der Zeichnung nicht dargestellt) genutzt werden.
Mit nur einer einzigen Strahlungsquelle (vgl. Strahlungsquelle 5 in 1) können lediglich relative Änderungen der Ortsposition des Objekts 1 (vgl. symbolische Darstellung durch den Pfeil 2) gemessen werden.
Eine Absolutbestimmung der Objekt- bzw. Spiegelposition wird hingegen möglich, wenn zusätzlich zum Messen des Abstands A mindestens eine weitere Lichtquelle mit einer anderen Wellenlänge benutzt wird. In 2 ist deshalb eine Strahler-Empfänger-Einheit 18 mit zwei Strahlungsquellen 19, 20 unterschiedlicher Wellenlänge in Draufsicht dargestellt. Wegen der zeichnerischen Übersicht wurde darauf verzichtet, in 1 eine weitere Strahlungsquelle und einen zweiten Strahlungsdetektor einzutragen.
Konzentrisch und teilkreisförmig ist um jede Strahlungsquelle 19, 20 jeweils ein korrespondierender Strahlungsdetektor 21, 22 in einem Radius R und mit einer Breite B angeordnet, deren Anschlusskontaktierung über Leiterbahnen 23, 24 und Lötpads 25, 26 vorgesehen ist. Die Bogenlänge der Detektoren sollte zur Erhöhung der Strahlungsempfindlichkeit so groß wie möglich gewählt werden.
Nach dem in 1 vorgestellten Strahlführungsprinzip sendet und empfängt jede dieser beiden Sender-Empfänger-Einheiten 19, 21 bzw. 20, 22 Strahlungen in unterschiedlichen Wellenlängen.
Die radiale Entfernung R der Strahlungsdetektoren 21, 22 von der zugehörigen Strahlungsquelle 19, 20 in der Ebene der Strahler-Empfänger-Einheit 18 und die Breite der teilkreisförmigen Strahlungsdetektoren 21, 22 können als Funktion der Dicke D des Substrats und der Strahlrichtung (Winkel α, vgl. 1) mit nachstehenden Beziehungen ermittelt werden:
Die radiale Entfernung R der teilkreisförmigen Strahlungsdetektoren 21, 22 von der jeweiligen Strahlungsquelle 19 bzw. 20 ergibt sich aus: R = 4D·tgα
Der Weg W der beiden Teilstrahlen (optische Weglänge von Messstrahl 8 und Referenzstrahl 9) bis zum Ort des Strahlungsdetektors 21 bzw. 22 beträgt: W = 4D/cosα
Nimmt man an, dass α um Δα größer wird, dann wird auch der Weg um den Betrag ΔW größer: ΔW = 4D(1/cos(α – Δα) – 1/cosα)
Bei einer Winkelvergrößerung um Δα ändert sich auch die Lage der Ankunftsorte der teilkreisförmigen Strahlungsdetektoren 21, 22 um den Betrag ΔR: ΔR = 4D(tg(α + Δα) – tgα)
Die Strahlung, die am Anfang und am Ende des Interwalls ΔR auf der Empfängerebene ankommt, legt somit einen unterschiedlichen Weg ΔW zurück und verschlechtert dadurch das Kohärenzverhalten der Strahlung.
Unter der Annahme, die Dicke der Glasplatte sei D = 5 mm, der Abstrahlwinkel habe die Größe α = 2° und Δα = 0,2° ergeben sich folgende Werte:
W(α) = 20,0122 mm
W(α + Δα) = 20,0148 mm
ΔW = 2,6 μm
R(α) = 0,698 mm
R(α + Δα) = 0,768 mm
ΔR = 70 μm
Wird angenommen, die Kohärenzlänge einer LED-Strahlung sei 15 μm, dann stehen durch den nicht ausgeglichenen Weg von ΔW = 2,6 μm nur noch Weglängen von 12,4 μm zur Verfügung. Diese Größe ist entscheidend für den zur Verfügung stehenden Messbereich.
Nach dem oben durchgeführten Rechenbeispiel müssten die Strahlungsdetektoren 21, 22 jeweils 0,698 mm von der zugehörigen LED als Strahlungsquelle 19 bzw. 20 entfernt sein und eine nach außen gerichtete Breite von 70 μm haben. Ein Diodenring um die LED hätte dann einen inneren Radius R von 0,698 mm und eine Breite B von 79 μm.
Sollte der Messbereich für einen bestimmten Anwendungsfall zu klein sein, kann die Vergrößerung des Messbereichs durch ein vor der LED angebrachtes (aus Übersichtsgründen nicht dargestelltes) Interferenzfilter erfolgen, um die Bandbreite des LED-Lichtes zu verkleinern, was zu einer Vergrößerung der Kohärenzlänge führt.
Zur Erhöhung der Kohärenzlänge der Strahlung können auf oder im Substrat oder auf der LED bzw. der Laserdiode ein selektives Element (z. B. ein Bragg-Gitter) angebracht werden.

1: Objekt
2: Pfeil
3, 18: Strahler-Empfänger-Einheit
4: Glasplatte
5, 19, 20: Strahlungsquelle
6: Strahlung
7: teildurchlässige Verspiegelung
8: Messstrahl
9: Referenzstrahl
10: Vollverspiegelung
11: Spiegel am Objekt 1
12: überlagerte Strahlung
13, 21, 22: Strahlungsdetektor
14: Teilstrahl
15: Referenzdetektor
16, 23, 24: elektrische Leiterbahnen
17, 25, 26: Lötpads
A: Abstand zwischen Glasplatte 4 und Objekt 1
D: Dicke der Glasplatte 4
R: Radius der Strahlungsdetektoren 21, 22
B: Breite der Strahlungsdetektoren 21, 22
α: Winkel (Strahlrichtung)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4426272 A1 [0003]
- DE 4018998 A1 [0004]
- DE 3621862 A1 [0005]
- DE 4129359 C2 [0005]
- DE 19962078 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur interferenziellen Abstandsmessung von Objekten, bei dem eine oder mehrere Strahlungsquellen jeweils eine Strahlung aussenden, welche über ein transparentes Substrat geleitet und an einer Teilverspiegelung auf dessen Rückseite in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl geteilt wird, wobei der Messstrahl am zu messenden Objekt und der Referenzstrahl an der Teilverspiegelung reflektiert werden sowie eine Überlagerung beider Strahlen von wenigstens einem Detektor als Interferenz detektiert wird und wobei die entstehenden Hell-Dunkel-Perioden der überlagerten Strahlung bei der Interferenzauswertung ein Maß für die Abstandsposition des Objekts sind, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Referenzstrahl in Abhängigkeit von der Abstandsposition des Objekts vom Substrat und in Abhängigkeit von der Dicke des Substrats jeweils durch Reflexion am oder im Substrat mehrfach durch dieses geführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexion des zumindest einen Referenzstrahls jeweils unmittelbar an der Oberfläche der Vorder- und Rückseiten des Substrats erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexion des zumindest einen Referenzstrahls jeweils im Oberflächenbereich der Vorder- und Rückseiten des Substrats erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte und das Substrat durchlaufene Strahlung, insbesondere zum Zweck der Eliminierung von Intensitätsschwankungen der einen oder mehreren Strahlungsquellen bei der Interferenzauswertung der überlagerten Mess- und Referenzstrahlen, zusätzlich durch Reflexion an der Teilverspiegelung der Rückseite des Substrats oder am zu messenden Objekt von einem zusätzlichen Detektor registriert wird.
Vorrichtung zur interferenziellen Abstandsmessung von Objekten, mit einer oder mehreren Strahlungsquellen, deren Strahlung an oder in einem als Träger dienenden transparentes Substrat, beispielsweise eine Glasplatte, erzeugt sowie durch dieses geleitet wird, mit an oder im Substrat angeordneten Elementen zur Strahlführung und Teilung der Strahlung in zumindest einen auf das Objekt gerichteten Messstrahl und zumindest einen im Substrat geführten Referenzstrahl sowie zur Überlagerung des zumindest einen vom Objekt reflektierten Messstrahls mit dem zumindest einen im Substrat geführten Referenzstrahl und mit wenigstens einem Strahlungsdetektor zur Registrierung von Hell-Dunkel-Perioden der überlagerten Strahlung für eine Interferenzauswertung, dadurch gekennzeichnet, dass optisch und mechanisch fest mit dem Substrat (4) gekoppelte Mittel (7, 10) vorgesehen sind zur mehrfachen Reflexion des zumindest einen Referenzstrahls (9) zwischen den Oberflächenbereichen der Vor- und Rückseite des Substrats (4).
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel jeweils aus teildurchlässigen und vollreflektierenden lokalen Verspiegelungen (7, 10) der Oberfläche an Vorder- bzw. Rückseite des Substrats (4) bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel jeweils aus auf die Oberfläche der Vorder- bzw. Rückseite des Substrats (4) aufgesetzten oder in diese eingelassenen teildurchlässigen und vollreflektierenden Spiegeln bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für einen vierfachen Durchlauf des zumindest einen Referenzstrahls (9) durch das Substrat (4) die der oder den Strahlungsquellen (5, 19, 20) und -empfängern (13, 21, 22) zugewandte Vorderseite des Substrats (4) eine vollreflektierende lokale Oberflächenverspiegelung (10) zur Reflexion des zumindest einen Referenzstrahls (9) und die gegenüberliegende Rückseite des Substrats (4) eine teildurchlässige Oberflächenverspiegelung (7) zur Strahltrennung, -reflexion und -überlagerung aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Vorder- und Rückseiten des Substrats (4) für einen mehr als vierfachen Durchlauf des zumindest einen Referenzstrahls (9) durch das Substrat (4) jeweils zusätzlich wenigstens eine (weitere) vollreflektierende lokale Oberflächenverspiegelung zur Reflexion des zumindest einen Referenzstrahls (9) im Substrat (4) besitzen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (D) des Substrats so gewählt wird, dass die optischen Weglängen des mindestens einen auf das Objekt (1) gerichteten und von diesem reflektierten Messstrahls (8) sowie des mindestens einen im Substrat (4) geführten Referenzstrahls (9) annähernd gleich sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Strahlungsquellen (5, 19, 20) jeweils als Lichtemitterdiode (LED) ausgeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Lichtemitterdiode (LED) zur Erzeugung von Strahlungen höherer Kohärenzlänge jeweils ein vorzugsweise als Interferenzschichtsystem auf dem Substrat (4) ausgebildeter Interferenzfilter vorgelagert ist, welcher aus der Strahlung der Lichtemitterdiode interferenzfähigeres Licht erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Strahlungsquellen (5, 19, 20) jeweils als Laserdiode ausgeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5 und 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder im Substrat oder auf der LED bzw. der Laserdiode ein selektives Element (z. B. ein Bragg-Gitter) aufgebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Strahlungsdetektor (13, 21, 22) durch eine oder mehrere Fotodioden realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlüsse der einen oder mehreren Strahlungsquellen (5) und/oder des wenigstens einen Strahlungsdetektors (13) als Leiterbahnschichten (16) mit Lötpads (17) auf der Oberfläche des Substrats (4) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Strahlungsquellen (19, 20) sowie der wenigstens eine Strahlungsdetektor (21, 22) als Strahler-Empfänger-Einheit (18), insbesondere als Halbleiterchip, auf oder im Substrat (4) ausbildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Strahlungsquellen (19, 20) so tief in der Strahler-Empfänger-Einheit (18) implantiert sind, dass deren strahlungsemittierende Flächen nicht über die Oberfläche der Strahler-Empfänger-Einheit (18) hinaus ragen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlüsse der Strahler-Empfänger-Einheit (18) als Leiterbahnschichten (23, 24) mit Lötpads (25, 26) auf oder an der Strahler-Empfänger-Einheit (18) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahler-Empfänger-Einheit (18) intelligente Sensoren, vorzugsweise Smart-Pixels auf CMOS-Basis, enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahler-Empfänger-Einheit (18) in Flip-Chip-Technik auf dem Substrat (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zweck der Erfassung von Absolutwerten bei der Abstandsmessung des Objekts (1) mehrere Strahlungsquellen (19, 20) und mehrere Strahlungsdetektoren (21, 22) unterschiedlicher Strahlungswellenlänge vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strahlungsdetektor (21, 22) zumindest als teilkreisförmiger Fotodiodenring um die jeweilige Strahlungsquelle (19 bzw. 22) auf der Strahler-Empfänger-Einheit (18) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahler-Empfänger-Einheit (18) außer dem wenigstens einen Strahlungsdetektor (21, 22) Mittel zur Interferenzauswertung der ankommenden und registrierten Strahlung enthält.
Vorrichtung nach Ansprüchen 5 und 17 dadurch gekennzeichnet, dass auf oder im Substrat (4) außer der Strahler-Empfänger-Einheit (18) andere Baugruppen, insbesondere Halbleiterarrays, zur Interferenzauswertung vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat (4) ein transparentes Medium, beispielsweise eine Glas- oder Kunststoffplatte, vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zweck der Eliminierung von Intensitätsschwankungen bei der Interferenzauswertung zusätzlich zu dem wenigstens einen Strahlungsdetektor (13, 21, 22) für die Registrierung der überlagerten Strahlung (12) aus dem zumindest einen Mess- und dem zumindest einen Referenzstrahl (8, 9) zumindest ein Referenzdetektor (15) zur Registrierung einer nach Durchlaufen des Substrats (4) erfassten Strahlung (14) mit oder ohne Reflexion am zu vermessenden Objekt (1) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das im Abstand zu vermessende Objekt (1) zur Reflexion des zumindest einen Messstrahls (8) an seiner der Messvorrichtung zugewandten Seite einen mit dem Objekt (1) fest verbundenen Spiegel (11) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (11) zum Zweck der Unterteilung (Interpolation) einer Signalperiode der auszuwertenden Strahlung (12), zur Erreichung einer höheren Positionsauflösung und zur Erkennung der Richtung der Abstandsänderung des Objekts (1) eine Spiegelstufe von vorzugsweise λ/4 enthält, damit auf diese Weise ein zweites Auswertesignal erzeugt wird, dessen Phase gegenüber dem ersten Auswertesignal um vorzugsweise eine λ/2 Signalperiode versetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zweck der Unterteilung (Interpolation) einer Signalperiode der auszuwertenden Strahlung (12), zur Erreichung einer höheren Positionsauflösung und zur Erkennung der Richtung der Abstandsänderung des Objekts (1) ein optischer Phasenschieber vorgesehen ist, um auf diese Weise ein zweites Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Phase gegenüber dem ersten Ausgangssignal um einen definierten Phasenwinkel versetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Phasenschieber in seiner Phasenverschiebung einstellbar ist.
Vorrichtung nach Ansprüchen 22 und 30, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von phasenverschobenen Ausgangssignalen zusätzliche zu den Strahlungsdetektoren (21, 22) und jeweils koaxial zu diesen angeordnete Strahlungsdetektoren vorgesehen sind.