DE102008033942B3 - Faseroptisches Mehrwellenlängeninterferometer (MWLI) zur absoluten Vermessung von Abständen und Topologien von Oberflächen in großem Arbeitsabstand - Google Patents

Faseroptisches Mehrwellenlängeninterferometer (MWLI) zur absoluten Vermessung von Abständen und Topologien von Oberflächen in großem Arbeitsabstand Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen faseroptisch konzipierten optischen Mehrwellenlängen-Sensor zur quantitativen Erfassung von Abstand und/oder Topologie von Oberflächen (105; 202) umfassend zwei oder mehr Laser (101), wobei die Wellenlängen der Laser (101) im optischen Telekommunikationsbereich zwischen 1520 nm und 1630 nm im S-, C- oder L-Band liegen.

Description

  • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur hochpräzisen Abstandsbestimmung und Topologievermessung rauer und polierter Oberflächen beliebiger Materialien. Grundlage des Messverfahrens ist das Prinzip der Mehrwellenlängeninterferometrie. Die zugrunde liegenden Wellenlängen der Laser befinden sich im optischen Telekommunikationsbereich, so dass das System (der Sensor) aufgrund der Verfügbarkeit der benötigten Komponenten rein faseroptisch realisiert werden kann und somit kosteneffizient und flexibel für den industriellen Einsatz in der Hochpräzisionsmesstechnik verwendet werden kann.
  • Stand der Technik
  • In der heutigen Zeit besteht ein stark wachsender Bedarf an Hochpräzisionssensoren sowohl zur Achskontrolle von Maschinen, Qualitätssicherung von industriellen Anlagen und Bauwerken als auch zur Vermessung und Qualitätsbewertung von Topologien industrieller Werkstücke und Güter. Hierbei sind grundsätzlich zwei Klassen von Sensoren etabliert, zum einen Kontaktsensoren und zum anderen berührungslose Sensoren, welche aufgrund der hohen Genauigkeitsanforderung zumeist optische Sensoren sind. Während es sich bei den Kontaktsensoren stets um kraftübertragende Sensoren handelt, bei denen eine Beschädigung der zu vermessenden Oberfläche oder ein Verschleiß des Sensors auftreten kann, sind die kontakt- und kräftelosen (optischen) Sensoren in immer mehr Anwendungen zu bevorzugen und gewinnen auf dem Sensorikmarkt mehr und mehr an Bedeutung. Häufig zu finden sind auch hybride Systeme, die im Kontaktverfahren arbeiten aber optische Verfahren zur Auswertung mit einbeziehen. Hierdurch kann eine gute Messgenauigkeit erzielt werden, jedoch beinhalten solche Sensoren ebenfalls die oben erwähnten Nachteile des Kontaktverfahrens.
  • Im Bereich der berührungslosen optischen Abstands- und Topologiesensoren sind zwei unterschiedliche Verfahren etabliert. Zum einen die seriell arbeitenden Sensoren, welche die zu vermessende Oberfläche in zeitlicher Abfolge, also in scannendem Modus, abtasten und zum anderen die parallel arbeitenden Systeme, welche einen bestimmten Oberflächenbereich in einem Schritt abtasten und auswerten. Die parallel arbeitenden optischen Verfahren bieten den Vorteil einer schnellen Bearbeitung – gleichzeitig jedoch teilweise den Nachteil einer eingeschränkten Genauigkeit (z. B. bei Streifenprojektionsverfahren oder dem etablierten Verfahren der elektronischen Bilderkennung). Andere Verfahren haben eine gute Genauigkeit im Submikrometerbereich wie z. B. Weißlichtinterferometrie oder konfokale Mikroskopie. Diese Verfahren sind in ihrer Anwendung jedoch unflexibel, da sie nur in eigenen, speziellen Messeinrichtungen (Geräten) verwendet werden können und bieten zudem nur einen eingeschränkten dynamischen Bereich (d. h. Messbereich). Der mit steigender Messgenauigkeit stark eingeschränkte Messbereich ist auch den etablierten seriell arbeitenden Sensoren zueigen. Herkömmliche Interferometer bieten eine Genauigkeit bis in den Subnanometerbereich, der absolute Messbereich ist jedoch auf die zugrunde liegende Periode der Lichtwellenlänge festgelegt, so dass größere Abstandsvariationen während der Messung nur relativ, also durch Zählen der durchlaufenden Intervalle, zu erfassen sind. Bei den unkohärenten seriellen Abstandssensoren (z. B. den chromatischen Sensoren) skaliert die maximal erreichbare Genauigkeit linear mit dem möglichen Messbereich, so dass diese speziell an die konkreten Messanforderungen angepasst werden müssen, was die Flexibilität entsprechender Sensoren stark einschränkt.
  • Um die hohe Genauigkeit der interferometrischen Abstandsbestimmung zu nutzen und gleichzeitig einen deutlich erhöhten Messbereich verfügbar zu haben, kann auf das bekannte Verfahren der Mehrwellenlängeninterferometrie zurückgegriffen werden. Durch die Verwendung mehrerer Laser in einem Sensorsystem (heterodynes Verfahren) mit im Vergleich zur Grundfrequenz geringem spektralen Abstand der Wellenlängen kann der absolute Messbereich auf die Hälfte der größten intrinsischen Schwebungswellenlänge – welche aus der Wellenlängendifferenz der Laser resultiert – erweitert werden. Mit Hilfe der Phaseninformationen mehrerer Lichtwellen, welche dasselbe Interferometer durchlaufen, kann der Bereich, indem eine eindeutige Abstandsbestimmung vorgenommen werden kann, somit deutlich erweitert werden, wobei die Messgenauigkeit erhalten bleibt. Außerdem kann durch diese Verfahren auch die Topologie von rauen Flächen bestimmt werden, deren Rauheit größer ist als die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichtes.
  • Bisher offengelegte Mehr-Wellenlängen-Verfahren:
    In Patentschrift US 4552457 wird ein Zweiwellenlängeninterferometer in interferometrischer Mach-Zehnder-Konfiguration verwendet. Signal- und Referenzarm befinden sich in zwei verschiedenen optischen Fasern und es wird die Phasendifferenz (entspricht dem optischen Gangunterschied) zwischen Signal- und Referenzarm ausgewertet, welche durch äußere Umwelteinflüsse (Messgröße) beeinflusst wird. Die verschiedenen Wellenlängen dienen hier jedoch nur dem Zweck zu jedem Zeitpunkt eine maximale Sensitivität des Sensors zu gewährleisten. In Patentschrift DE 10 2005 042 733 B3 werden in einer freistrahloptischen abbildenden Konfiguration zwei Wellenlängen verwendet, um simultan zwei verschiedene Tiefeninformationen von der Oberfläche zu erhalten. Die Schriften JP 2007047043 AA und JP 62106306 A und US 6781699 B2 beschreiben ein parallel arbeitendes Mehrwellenlängeninterferometer (2 Wellenlängen) in Freistrahlkonfiguration. Patentschrift EP 1556666 A2 beschreibt ein parallel messendes Zwei-Wellenlängen-Interferometer in Freistrahlkonfiguration. Patentschrift EP 0961 914 B1 beschreibt ein Zwei-Wellenlängen-Interferometer in Freistrahlkonfiguration eingebettet in ein Lithographiesystem. Patentschrift DE 4139 865 C2 beschreibt eine Mehrwellenlängenlichtquelle für den Einsatz in der Interferometrie.
  • Ferner ist aus der WO 2007/087301 A2 ein interferometrisches System mit einer Vielzahl einzelner Interferometer bekannt, wobei jeweils mehrere Sensorköpfe zur Vermessung eines Objektes Verwendung finden.
  • Daneben beschreibt die WO 2005/001445 A2 eine faseroptische Zweistrahlinterferometersonde, welche für ein zweidimensionales Phase Imaging Verwendung findet.
  • Aufgabenstellung der Erfindung
  • Die hier vorgelegte Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, einen Sensor zur hochgenauen Vermessung von Abständen und Topologien von beliebigen industriellen Gütern bzw. Werksdicken oder Maschinen zu realisieren. Die Genauigkeit des Sensors soll im Nanometer bis Subnanometerbereich (1 nm = 10–9 m) liegen und somit für Hochpräzisionsanwendungen geeignet sein. Mit dem Sensor sollen sowohl polierte als auch raue Flächen vermessen werden, wobei Arbeitsabstände im sub-Millimeter- bis Meterbereich möglich sein sollen und es sich um einen absolut messenden Sensor mit großem Messbereich (dynamischer Bereich) handeln soll. Weiterhin ist ein kleiner Sensorkopf zu realisieren, der – räumlich von der Auswerteeinheit separiert und mit dieser durch eine Lichtleitfaser verbunden – im maschinellen Einsatz flexibel adaptiert werden kann. Dies bietet im industriellen Einsatz essentielle Vorteile durch die Beschleunigung von Arbeitsabläufen und die Erhöhung von Genauigkeiten von Produktionsprozessen.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die vorliegende Aufgabenstellung wird vorzugsweise durch drei Techniken erreicht:
    • 1). Durch die faseroptische Konfiguration des hier beschriebenen Sensors ist eine kostengünstige und sehr flexible Realisierung des Messsystems möglich, wobei durch die Verwendung von mehreren optischen Wellenlängen im Telekommunikationsbereich (z. B: 1520 nm–1630 nm) auf bestehende faseroptische Standardkomponenten zurückgegriffen werden kann. Zur Auskopplung des Lichtes können z. B. Gradientenindexlinsen verwendet werden. Alle notwendigen optischen Komponenten können klein und flexibel implementierbar sein.
    • 2). Durch das Verwenden des bekannten Prinzips der Mehrwellenlängeninterferometrie wird im Vergleich zu herkömmlichen interferometrischen Messverfahren der absolute Messbereich stark vergrößert. Dies erlaubt bei der Vermessung von Oberflächen eine zeitliche Messstrahlunterbrechung.
  • Hierzu werden die relativen Phasen der Einzelwellenlängen im Interferometer durch das Verfahren des Lock-In-Analysing („LIA”) getrennt bestimmt und miteinander verrechnet (Differenzbildung), wobei der absolute Messbereich der Hälfte der größten mathematischen Schwebungswellenlänge der beteiligten Wellenlängen entspricht. Zudem ist es mit dem Sensor möglich, raue Oberflächen mit einer Rauhigkeit oberhalb der größten verwendeten Lichtwellenlänge, zu vermessen, was mit einem herkömmlichen scannenden Interferometer aufgrund des Specklefeldrauschens ausgeschlossen ist.
    • 3). Die hohe Genauigkeit bei der Abstandsmessung zur zu vermessenden Oberfläche wird durch eine räumlich periodische Modulation des faseroptischen Sensorkopfes im Bereich der optischen Wellenlänge erreicht. Hierdurch wird eine Genauigkeit von bis zu 10–4 erreicht. Diese räumliche Modulation kann durch beliebige Mikroaktuatoren (z. B. einen piezoelektrischen Aktuator) erzeugt werden. Die Auswertung beruht auf der in Punkt 2.) erwähnten LIA-Prozedur und kann sowohl analog als auch digital erfolgen.
  • Beschreibung der Konfiguration:
  • Die Geometrie des Sensorsystems ist in 1 schematisch dargestellt. Als Lichtquellen werden zwei oder mehr spektral stabile Laser (101) aus dem optischen Telekommunikationsbereich (S, C oder L-Band) verwendet, die fasergekoppelt sein können. Das Licht der Laser (hier am Beispiel von 3 Laser) wird über Multiplexer (102) in einer optischen Faser vereint, passiert einen faseroptisches Kopplungselement (z. B. einen Zirkulator) (103) und wird danach dem Sensorkopf (104) zugeführt, der das Licht auf die zu vermessende Oberfläche (105) lenkt. Das von der Oberfläche zurückgeworfene Licht wird vom Sensorkopf aufgenommen und in die Lichtleitfaser zurückgeführt, die es nun in entgegen gesetzter Richtung durchläuft. Die kohärente Überlagerung des von der Oberfläche zurückgeworfenen Lichtes mit einem Teilreflex des Lichtes innerhalb des Sensorkopfes bildet das optische Messsignal. Dies enthält die benötigte Abstandsinformation (die Funktionsweise des Sensorkopfes und des Messprinzips wird im folgenden Absatz genauer erklärt). Das Signal durchläuft erneut das faseroptische Kopplungselement (103) und wird in die Auswerteeinheit des Sensorsystems gelenkt. Durch faseroptische Demultiplexer (106) wird das Signal wieder in die Einzelwellenlängen zerlegt, spektral separiert und durch Photodioden (107) jeweils in elektrische Signale umgewandelt und einzeln phasensensitiven analogen oder digitalen Auswerteeinheiten zugeführt (108). Die jeweiligen Phasen der einzelnen Signale werden durch das Verfahren des „Lock-In-Analysing” (LIA) mit einer Genauigkeit von 10–4 bestimmt und anschließend elektronisch von analogen in digitale Signale gewandelt. Durch die im Anschluss mit Hilfe einer elektronischen Recheneinheit (z. B. eines DSP oder eines Computers) (109) durchgeführte Differenzbildung zwischen den einzelnen Phasenwerten wird die absolute Distanz zwischen dem Sensorkopf (104) und der zu vermessenden Oberfläche (105) berechnet. Da der Referenzpfad über seine gesamte Länge auf dem Signalpfad verläuft, betreffen eventuelle Wegänderungen oder Störungen in diesem Bereich beide Pfade gleichmäßig. Somit sind Phasenabweichungen zwischen Signal- und Referenzarm des Interferometers außerhalb der zu vermessenden Differenzstrecke auszuschließen.
  • Die zur Auswertung benötigte Phase der einzelnen Wellenlängen ist nach dem bekannten Prinzip der Interferometrie im lokalen relativen Wert der Intensität innerhalb der Interferenzverteilung enthalten. Hierzu benötigt werden zwei kohärente optische Teilwellen, die als Signal und Referenz bezeichnet werden. Bei dem hier vorgestellten Sensor, der in 2 skizziert ist, stellt das von der zu vermessenden Oberfläche (201) zurückgeworfene Licht die Signalwelle dar, während die Referenzwelle durch Teilreflexion an einer Fläche (202) im Sensorkopfe erzeugt wird. Nach der Aufnahme des von der Oberfläche reflektierten Signals durch den Sensorkopf durchlaufen Signal und Referenz stets gleiche Wege, so dass die ermittelte relative Phase zwischen den beiden optischen Lichtwellen direkt proportional zum Abstand zwischen Sensorkopf und Probenoberfläche ist. Zur Auskopplung des Lichtes dient eine Auskoppeloptik (z. B. eine Gradientenindexlinse) (203), welche mit der optischen Faser (204) durch einen Klebstoff mit optischer Qualität (205) fest verbunden ist. Zum Schutz des Sensorkopfes und zu Stabilitätszwecken ist das Faserende und die Auskoppeloptik in einem Führungselement (206) verklebt. Um die eine hohe Genauigkeit zu erreichen, wird der Sensorkopf räumlich in Richtung des zu vermessenden Abstands (entspricht der Richtung des Messstrahls) harmonisch periodisch moduliert. Dies kann z. B. durch einen Piezoaktuator (207) oder einen anderen Aktuator (z. B. elektro-magnetischer Aktuator) erfolgen, in den oder an den das Führungselement angebracht ist.

Claims (13)

  1. Faseroptisch konzipierter optischer Mehrwellenlängen-Sensor zur quantitativen Erfassung von Abstand und/oder Topologie von Oberflächen (105; 202), umfassend zwei oder mehr Laser (101), wobei die Wellenlängen der Laser (101) im optischen Telekommunikationsbereich zwischen 1520 nm und 1630 nm im S. C oder L-Band liegen und ein Sensorkopf (104) in Richtung eines Messstrahls periodisch räumlich modulierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Signale der verwendeten Laser (101) durch Multiplexer (102) in einer gemeinsamen Faser zusammengeführt und zum Sensorkopf (104) geleitet werden.
  2. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Laser (101) faseroptisch angebunden sind.
  3. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Laser (101) amplituden- und/oder frequenzmodulierbar sind.
  4. Sensor nach Anspruch 1, wobei zur Auskopplung des Laserlichtes und zur Aufnahme des Oberflächensignals optisch refraktive oder diffraktive Komponenten (203) vorgesehen sind.
  5. Sensor nach Anspruch 1, wobei das Licht an der zu vermessenden Oberfläche (105; 202) konvergent, divergent oder kollimiert ist.
  6. Sensor nach Anspruch 1, wobei der Sensor zum Vermessen unterschiedlicher Materialien ausgebildet ist.
  7. Sensor nach Anspruch 1, wobei der Sensor zum Vermessen glatter sowie rauer Oberflächen (105; 202) ausgebildet ist.
  8. Sensor nach Anspruch 1, wobei im Sinne eines interferometrischen Verfahrens das Signal von der zu vermessenden Oberfläche (105; 202) und die benötigte Referenz innerhalb des Sensorkopfes (104) erzeugbar sind.
  9. Sensor nach Anspruch 1, wobei der optische Referenzweg des Interferometers identisch mit einem Teil des optischen Signalweges des Interferometers ist.
  10. Sensor nach Anspruch 1, wobei das von der Oberfläche zurückgeworfene optische Signal von einem Zirkulator oder Fasersplitter (103) in den faseroptischen Auswertezweig gelenkt wird.
  11. Sensor nach Anspruch 1, wobei die spektral unterschiedlichen Signale der mehreren Laser (101) durch faseroptische Demultiplexer oder optische Filter (106) separierbar, in ein elektrisches Signal konvertierbar und getrennt auswertbar sind.
  12. Sensor nach Anspruch 1, wobei beliebige Faserstrecken zwischen dem Sensorkopf (104) und einer Auswerteeinheit (109) oder den Lichtquellen (101) möglich sind.
  13. Sensor nach Anspruch 1, wobei der Sensorkopf (104) kompakt ist.
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