DE102010022421A1

DE102010022421A1 - Messeinrichtung und Messverfahren zur absoluten Abstandsmessung

Info

Publication number: DE102010022421A1
Application number: DE102010022421A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Current assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2030-06-02
Also published as: DE102010022421B4; WO2011151255A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung und ein Messverfahren zur Bestimmung eines absoluten Abstandswerts zwischen einer Sonde (12) und einer Objektoberfläche (13). Der Abstandswert (d) wird dabei punktförmig im Bereich der optischen Achse (14) der Sonde (12) bestimmt. Die Messeinrichtung weist eine Lichtquelle (15) auf, die kurzkohärentes Licht aussendet. In einem Messlichtweg (M) wird das Licht durch die Sonde (12) auf die Objektoberfläche (13) gerichtet und das dort reflektierte Licht wieder empfangen. Ein anderer Teil des Lichts der Lichtquelle (15) durchläuft einen Referenzlichtweg bis zu einer Referenzfläche (27) und von dort wieder zurück. Das an der Referenzfläche (27) sowie der Objektoberfläche (13) reflektierte Licht wird einem Interferometer (30) zugeführt und dort in einen ersten Lichtweg (L1) sowie einen zweiten Lichtweg (L2) aufgeteilt. Die beiden Lichtwege (L1), (L2) sind unterschiedlich lang und kompensieren die Differenz zwischen Referenzlichtweg (R) und Messlichtweg (M). Der im ersten Lichtweg (L1) vorhandene erste Interferometerspiegel (33) oszilliert in Richtung der optischen Achse (40) des ersten Lichtwegs (L1). Das Licht aus den beiden Lichtwegen (L1), (L2) wird überlagert und wegen der Oszillation des ersten Interferometerspiegels (33) bilden sich Interferenzmuster im überlagerten Licht, die von einem Fotosensor (35) detektiert werden. Der Abstandswert (d) wird in einer an den Fotosensor (35) angeschlossenen Auswerteeinrichtung (37) ermittelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektrische Messeinrichtung bzw. ein optoelektrisches Messverfahren zur absoluten Abstandsmessung zwischen einer Sonde und einer Objektoberfläche. Die Messeinrichtung verfügt über ein Interferometer und einen Fotosensor. Der Fotosensor misst die Intensität des vom Interferometer abgestrahlten Lichts. Durch Auswertung des Intensitätssignals kann der Abstand ermittelt werden.
Im Stand der Technik sind hierzu verschiedene Verfahren bekannt. Beispielsweise wird beim Verfahren bzw. der Vorrichtung nach DE 198 08 273 A1 ein Heterodyninterferometer eingesetzt, das akustooptische Modulatoren aufweist. Durch diese Modulatoren werden zwei verschiedene sinusförmige Zeitsignale erzeugt. Zur Abstandsmessung wird die Differenzfrequenz dieser Zeitsignale ausgewertet. Eine solche Einrichtung ist sehr aufwendig und teuer.
Aus DE 10 2005 061 464 ist eine demgegenüber deutlich einfachere Messeinrichtung bekannt. Das dort vorgesehene Interferometer weist einen Strahlteiler auf, der das von der Objektoberfläche und von einer Referenzfläche in einem Referenzlichtweg reflektierte Licht in einen ersten und einen zweiten Lichtweg aufteilt. Zur Interferenzbildung wird das Licht im ersten und im zweiten Lichtweg anschließend wieder überlagert und einer Zeilenkamera zugeführt. Zumindest einer der Interferometerspiegel in einem Lichtweg ist dabei schräg gestellt, um das gewünschte Interferenzmuster zu erreichen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Anordnung, Montage und Justage des Interferometers bedingt durch die Schrägstellung eines Interferometerspiegels sehr aufwendig ist. Wegen der Spiegelschrägstellung und der dadurch schräg zur optischen Achse gerichteten Lichtstrahlen treten auch Dispersionseffekte auf. Bei dieser Anordnung ist eine gewisse Strahlaufweitung erforderlich, wodurch allerdings die Lichtausbeute sinkt. Die Zeilenkamera erfasst eine Messstelle auf der Objektoberfläche zu einem Zeitpunkt schränkt jedoch die Miniaturisierbarkeit der Messeinrichtung ein. Auch kann die Signalintensität über den Messbereich schwanken.
Es kann daher als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, die bekannten interferometrischen Verfahren und Einrichtung zur Abstandsmessung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Messeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Messverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 erreicht. Es wird kurzkohärentes Licht von einer Lichtquelle verwendet, die vorzugsweise mehrere Leuchtmittel aufweist, wie zum Beispiel mehrere Superlumineszenzdioden (SLDs). Das ausgesendete Licht wird in einer Sonde in einen Messlichtweg und einen Referenzlichtweg aufgeteilt. Die Sonde empfängt das im Messlichtweg von der Objektoberfläche reflektierte Licht sowie das im Referenzlichtweg von einer Referenzfläche reflektierte Licht. Dabei ist der Abstand zwischen der Referenzfläche und der Objektoberfläche insbesondere größer als die Kohärenzlänge des verwendeten Lichts der Lichtquelle, so dass das an der Objektoberfläche einerseits und an der Referenzfläche andererseits reflektierte Licht nicht interferiert.
Das an der Referenzfläche und an der Objektoberfläche reflektierte Licht wird von einem Interferometer aufgenommen. Dieses teilt das reflektierte Licht in einen ersten Lichtweg und einen zweiten Lichtweg auf, wobei die Länge der beiden Lichtwege vorzugsweise unterschiedlich voneinander ist. Insbesondere ist die Differenz zwischen den beiden Lichtwegen so gewählt, dass der Abstand zwischen der Referenzfläche und der Objektoberfläche kompensiert wird. Die Länge der Lichtwege wird durch jeweils einen Interferometerspiegel vorgegeben. Der im zweiten Lichtweg vorgesehene zweite Interferometerspiegel ist insbesondere justierbar, um die Differenz in den beiden Lichtwegen einzustellen. Die Justage kann manuell oder automatisiert an den Abstand zwischen Referenzfläche und Objektoberfläche angepasst erfolgen.
Der im ersten Lichtweg vorhandene erste Interferometerspiegel ist über eine Oszillationseinrichtung oszillierend bewegbar. Vorzugsweise wird der Interferometerspiegel oszillierend in Richtung der optischen Achse des ersten Lichtweges bewegt. Aufgrund dieser oszillierenden Bewegung erhöht bzw. verringert sich die Differenz zwischen den beiden Lichtwegen um die Amplitude der Oszillationsbewegung. Das an den Interferometerspiegeln reflektierte Licht wird anschließend durch ein Überlagerungsmittel überlagert, wodurch Interferenzeffekte auftreten. Die Intensität des überlagerten Lichts ändert sich abhängig von der Oszillationsbewegung des ersten Interferometerspiegels und wird von einem Fotosensor erfasst. Der Fotosensor ist vorzugsweise von einer Fotodiode, einem Fotowiderstand oder einem Fototransistor gebildet. Er ist als Punktsensor ausgeführt, sozusagen annähernd nulldimesional. Während einer halben Periodendauer der Oszillationsbewegung wird daher lediglich der Abstand an einer einzigen punktförmigen Stelle der Objektoberfläche zu einem Zeitpunkt erfasst. Die Intensität wird durch den Fotosensor an dieser einen Messstelle abhängig von der Zeit erfasst. Eine Strahlaufweitung ist daher nicht notwendig und es können sehr klein bauende Anordnungen realisiert werden.
Bei dieser Anordnung kann der gewünschte Messbereich durch die Amplitude der Oszillationsbewegung des ersten Interferometerspiegels vorgegeben und beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Oszillationsamplitude zwischen einigen Mikrometern und einigen hundert Mikrometern liegen. Über die Oszillationsfrequenz wird die Messfrequenz der Messeinrichtung bzw. des Messverfahrens bestimmt. Bevorzugte Oszillationsfrequenzen liegen im Bereich von einigen 100 Hertz bis etwa 100 Kilohertz.
Im Interferometer sind bei dieser Bauart keine Spiegelschrägstellung und keine Strahlaufweitung erforderlich. Dadurch steigt die Lichtausbeute am Fotosensor. Die Signalintensität ist über den gesamten Messbereich gleich. Da die Lichtstrahlen in Richtung der optischen Achse der Lichtwege verlaufen, sind Dispersionseffekte vermieden. Die Interferometerspiegel können rechtwinklig zu der optischen Achse des jeweiligen Lichtwegs ausgerichtet werden, was den Aufbau und die Montage deutlich vereinfacht und die Kostender Messeinrichtung senkt.
Es ist vorteilhaft, wenn die Interferometerspiegel als Planspiegel ausgeführt sind, die sich rechtwinklig zur optischen Achse des jeweiligen Lichtwegs erstrecken. Planspiegel sind kostengünstig herzustellen.
Vorzugsweise werden als Lichtquelle zwei Superlumineszenzdioden verwendet, wobei die Schwerpunktwellenlängen des von den beiden Superlumineszenzdioden abgestrahlten Lichts unterschiedlich sind. Auf diese Weise kann das gewünschte kurzkohärente Licht erzeugt werden. Beispielsweise kann die Differenz zwischen den Schwerpunktwellenlängen 50 bis 100 Nanometer betragen. Bei einer bevorzugten Ausführung beträgt die Schwerpunktwellenlänge der einen Diode 750 Nanometer und die der anderen Diode 830 Nanometer. Die spektrale Breite des von einer Superlumineszenzdiode abgestrahlten Lichts beträgt etwa 20 bis 30 Nanometer. Alternativ zu dieser bevorzugten Ausführungsform kann anstelle von zwei Superlumineszenzdioden auch lediglich eine Superlumineszenzdiode mit entsprechend breiter Spektralcharakteristik verwendet werden, um ausreichend kurzkohärentes Licht zu erzeugen. Auch andere Kombinationen von Leuchtmitteln sind möglich, beispielsweise einer Superlumineszenzdiode mit einer Laserdiode oder dergleichen.
An der Sonde ist vorzugsweise ein Kollimatorelement vorhanden, das zur Abstrahlung des Lichts in den Messlichtweg dient. Über das Kollimatorelement kann eine Fokussierung des Messlichtstrahls auf die Objektoberfläche erreicht werden. Gleichzeitig ist es auch möglich, die Referenzfläche am Kollimatorelement vorzusehen und insbesondere an der Austrittsfläche des Messlichtstrahls am Kollimatorelement. Auf die Weise wird in der Sonde eine so genannte Commonpath-Anordnung erreicht. Die Sonde weist bei dieser Ausgestaltung einen sehr kompakten Aufbau auf und benötigt wenig Bauraum.
Um die Ausleuchtung des Fotosensors und die Lichtausbeute zu verbessern, kann zwischen dem Interferometer und dem Fotosensor ein optisches Element vorgesehen sein. Dieses optische Element kann auch die Ausbreitungsrichtung des Lichts zwischen Interferometer und Fotosensor ändern.
Das vom Fotosensor erzeugte elektrische Sensorsignal wird vorzugsweise an eine Auswerteeinrichtung übermittelt, die den Abstandswert bestimmt. Vor der Berechnung des Abstandswertes wird das analoge Sensorsignal in ein digitales Signal gewandelt. Zur Verbesserung der Signalqualität wird insbesondere vor der Analog-Digital-Wandlung eine analoge Filterung des Sensorsignals durchgeführt. Beispielsweise kann ein analoges Filter in Form eines Bandpasses in der Auswerteeinrichtung vor dem Analog-Digital-Wandler angeordnet sein. Der Analog-Digital-Wandler der Auswerteeinrichtung ist bevorzugt als 2-Kanal-Analog-Digital-Wandler ausgeführt, der das Sensorsignal, sowie ein die Oszillation des ersten Interferometerspiegels beschreibendes Schwingungssignal synchron abtastet. Das digitalisierte Schwingungssignal dient als Referenzsignal zur Bestimmung der Nulllage des digitalisierten Sensorsignals für die weitere Abstandswertbestimmung.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann in der Auswerteeinrichtung ein Messverfahren mit einen oder mehreren von drei Schritten ausgeführt werden. In jedem Schritt kann dabei ein Abstandswert ermittelt werden, wobei die Eindeutigkeit und die Messgenauigkeit der einzelnen Abstandswerte verschieden ist. Vorzugsweise werden zumindest zwei dieser Schritte während des Messvorgangs in der Auswerteeinrichtung durchgeführt. Im ersten Schritt wird der erste Abstandswert anhand des Interferenzmaximums bestimmt. Im zweiten Schritt wird eine Phasendifferenz zwischen von der Objektoberfläche reflektierten unterschiedlichen Lichtfarben bestimmt. In einem dritten Schritt wird die Phase zumindest einer Lichtfarbe des von der Objektoberfläche reflektierten Lichts ermittelt und mit einem vorgegebenen Phasenwert verglichen. Anhand des Vergleichsergebnisses wird der dritte Abstandswert ermittelt. Die Genauigkeit steigt vom ersten zum dritten Abstandswert, während die Eindeutigkeit abnimmt. Daher ist es besonders bevorzugt, die drei Schritte in der genannten Reihenfolge durchzuführen, um sowohl eine große Eindeutigkeit, als auch eine große Messgenauigkeit zu erhalten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie der Beschreibung. Die Beschreibung beschränkt sich dabei auf wesentliche Merkmale der Erfindung. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Messeinrichtung,
2 und 3 jeweils den Verlauf einer Oszillationsbewegung des ersten Interferometerspiegels der Messeinrichtung,
4 ein Diagramm, das schematisch die Schritte eines Messverfahrens zur Bestimmung von Abstandswerten veranschaulicht,
5 ein Blockschaltbild eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der in 1 dargestellten Messeinrichtung und
6 eine abgewandelte Ausgestaltung einer Sonde für eine Messeinrichtung gemäß der 1 oder 5.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Messeinrichtung 10, die zur Bestimmung eines Abstandswerts d zwischen einer Lichtaustrittsfläche 11, einer Sonde 12 und einer Objektoberfläche 13 dient. Der Abstand d wird punktförmig entlang der optischen Achse 14 der Sonde 12 bestimmt. Zu der Messeinrichtung 10 gehört eine Lichtquelle 15, die beim Ausführungsbeispiel mehrere und insbesondere zwei Leuchtmittel aufweist. Als Leuchtmittel werden vorzugsweise zwei Superlumineszenzdioden 16 (SLDs) verwendet. Die Superlumineszenzdioden 16 strahlen jeweils Licht mit einer spektralen Breite von etwa 20 bis 40 nm ab. Ihre Schwerpunktwellenlängen sind verschieden, wobei die eine Superlumineszenzdiode 16 eine Schwerpunktwellenlänge von etwa 750 nm aufweist und die andere Superlumineszenzdiode eine Schwerpunktwellenlänge von etwa 830 nm aufweist. Auf diese Weise wird eine Lichtquelle 15 gebildet, die kurzkohärentes Licht aussendet.
Die beiden Superlumineszenzdioden 16 sind jeweils mit einer Monomodenfaser versehen, wodurch ein so genanntes Faserpigtail 17 gebildet ist. Über das jeweilige Faserpigtail 17 sind die Superlumineszenzdioden 16 mit einem ersten Faserkoppler 18 verbunden.
Der erste Faserkoppler 18 ist über eine erste Monomodenfaser 22 mit einem zweiten Faserkoppler 23 verbunden. Eine zweite Monomodenfaser 24 verbindet den zweiten Faserkoppler 23 mit der Sonde 12. Die Sonde 12 ist vorzugsweise als optische Mikrosonde ausgestaltet. Die Lichtaustrittsfläche 11 kann hierbei parallel zu der durch sie hindurch laufenden optischen Kugelwelle gekrümmt ausgestaltet sein, wie dies in 1 gestrichelt durch die Lichtaustrittsfläche 11' veranschaulicht ist. Die mit durchgezogener Linie gezeigte plane Lichtaustrittsfläche 11 kann vorgesehen werden, wenn der Abstand d klein genug ist, so dass nur vernachlässigbare Störungen bei der Messung auftreten. Diese Bedingung ist dann erfüllt, wenn der Lichtweg innerhalb eines optischen Elements 25, vorzugsweise einer Kollimatorlinse, das die Lichtaustrittsfläche 11 aufweist, im Bereich von mindestens 80 bis 90 Prozent oder mehr des Abstands zwischen der Lichtaustrittsfläche 11 und dem von der Sonde 12 erzeugten Brennpunkt ausmacht. Bei einer solchen Ausgestaltung ist der Lichtkegel bereits ausreichend fokussiert, wenn er durch die Lichtaustrittsfläche 11 hindurchtritt, so dass auf eine konkave Krümmung der Lichtaustrittsfläche 11 verzichtet werden kann.
Die numerische Apertur des optischen Elements 25 der Sonde 12 ist groß und vorzugsweise größer als 0,1. Dadurch lassen sich hohe Auflösungen erreichen und die Messung ist unempfindlich gegenüber lokalen Neigungen der Objektoberfläche 13. Als optisches Element 25 können auch so genannte GRIN-Linsen (Gradienten-Index-Linsen) eingesetzt werden. Es ist ferner möglich, innerhalb der Sonde 12 zwischen der zweiten Monomodenfaser 24 und dem optischen Element 25 einen geneigten Spiegel 26 anzuordnen. Die Lichteintrittsrichtung am Ende der Monomodenfaser 24 in die Sonde 12 wird dadurch gegenüber der Lichtaustrittsrichtung und der optischen Achse 14 verändert. Dadurch können sozusagen zur Seite messende Sonden 12 aufgebaut werden, wie dies beispielhaft schematisch in 6 gezeigt ist.
Das optische Element 25 der Sonde 12 ist als Kollimatorelement ausgeführt und dient ferner der Fokussierung des an der Lichtaustrittsfläche 11 austretenden Lichts. Das von der Lichtquelle 15 über die Monomodenfasern 22, 24 in die Sonde 12 eingekoppelte Licht durchläuft zum Teil einen Referenzlichtweg R und zum Teil einen Messlichtweg M. Der Referenzlichtweg endet an einer Referenzfläche 27 in der Sonde 12, die beispielsgemäß am optischen Element 25 und vorzugsweise an der Lichtaustrittsfläche 11 vorgesehen ist. Dort wird ein Teil des auftreffenden Lichts an der Referenzfläche 27 reflektiert und wieder in die zweite Monomodenfaser 24 eingespeist. Ein anderer Teil des Lichts tritt aus der Lichtaustrittsfläche 11 aus, wird anschließend an der Objektoberfläche 13 reflektiert und von der Sonde 12 wieder aufgenommen. Dieser Teil des Lichts durchläuft den Messlichtweg M. Die zurückgelegten Strecken des Lichts im Referenzlichtweg R und im Messlichtweg M sind daher verschieden und unterscheiden sich um den Abstand d zwischen der Lichtaustrittsfläche 11 und der Objektoberfläche 13.
Sowohl das im Referenzlichtweg R reflektierte Licht, als auch das im Messlichtweg M reflektierte Licht werden wieder in die zweite Monomodenfaser 24 eingespeist und über eine dritte Monomodenfaser 29, die an den zweiten Faserkoppler 23 angeschlossen ist, zu einem Interferometer 30 weitergeleitet. Bei dieser Übertragung kommt es zu keiner Interferenz, da die Differenz zwischen den beiden Lichtwegen M, R größer ist als die Kohärenzlänge des Lichts.
Das Interferometer 30 ist vorzugsweise als Michelson-Interferometer ausgeführt. Am Faserende der dritten Monomodenfaser 29 ist ein Kollimator 31 vorgesehen, der ein im Wesentlichen paralleles Lichtstrahlenbündel erzeugt, das am Kollimator 31 austritt und auf einen Strahlteiler 32 des Interferometers 30 gerichtet wird. Im Interferometer 30 teilt der Strahlteiler 32 das vom Kollimator 31 abgestrahlte Licht in einen ersten Lichtweg L1 und einen zweiten Lichtweg L2 auf. Die beiden Lichtwege L1, L2 sind unterschiedlich lang. Der erste Lichtweg L1 wird vom Strahlteiler 32 und einem ersten Interferometerspiegel 33 und der zweite Lichtweg L2 vom Strahlteiler 32 und einem zweiten Interferometerspiegel 34 begrenzt. Das an den Interferometerspiegeln 33, 34 reflektierte Licht wird am Strahlteiler 32 wieder überlagert und interferiert. Die Interferenz wird von einem Fotosensor 35 detektiert. Zwischen dem Strahlteiler 32 und dem Fotosensor 35 kann ein weiteres optisches Element 36 vorgesehen sein, um die fotosensitive Fläche des Fotosensors 35 optimal auszuleuchten. Der Fotosensor 35 ist vorzugsweise von einer Fotodiode gebildet. Der Fotosensor 35 überträgt ein Sensorsignal S an eine Auswerteeinrichtung 37 der Messeinrichtung 10.
Das aus dem ersten Lichtweg L1 sowie aus dem zweiten Lichtweg L2 reflektierte und überlagerte Licht weist nur für die Anteile stabile Interferenzen auf, bei denen die Längendifferenz des Referenzlichtwegs R und des Messlichtwegs M kompensiert durch die unterschiedlich langen Lichtwege L1, L2 wurde. Die Interferenzen in diesen Anteilen des vom Fotosensor 35 empfangenden Lichts dienen zur weiteren Auswertung.
Die beiden Interferometerspiegel 33, 34 sind als Planspiegel ausgeführt. Der erste Interferometerspiegel 33 ist rechtwinklig zur optischen Achse 40 des ersten Lichtwegs L1 und der zweite Interferometerspiegel 34 rechtwinklig zur optischen Achse 41 des zweiten Lichtwegs L2 ausgerichtet. Die Längendifferenz der beiden Lichtwege L1, L2 entspricht der Differenz in der Länge zwischen dem Messlichtweg M und dem Referenzlichtweg R. Um die Differenz zwischen dem Messlichtweg M und dem Referenzlichtweg R bei sich änderndem Abstand d anpassen zu können, ist der zweite Interferometerspiegel 34 in Richtung der optischen Achse 41 des zweiten Lichtwegs L2 verschiebbar. Die Einstellung bzw. Positionierung des zweiten Interferometerspiegels 34 kann entweder manuell oder auch durch einen Verstellantrieb 42 erfolgen, der durch die Auswerteeinrichtung 37 angesteuert wird. Auf diese Weise kann eine Nachführung des zweiten Interferometerspiegels 34 abhängig vom ermittelten Abstandswert d automatisch erfolgen. Die Längendifferenz in den Lichtwegen L1, L2 kompensiert dann automatisch die Längendifferenz zwischen Referenzlichtweg R und Messlichtweg M.
Die Messeinrichtung 10 verfügt ferner über eine Oszillationseinrichtung 45. Die Oszillationseinrichtung 45 enthält einen Oszillationsantrieb 46, der mit dem ersten Interferometerspiegel 33 verbunden ist. Der Oszillationsantrieb 46 kann dem ersten Interferometerspiegel 33 eine Schwingungsbewegung in Richtung der optischen Achse 40 des ersten Lichtwegs L1 aufprägen. Dabei vergrößert und verringert der erste Interferometerspiegel 33 den ersten Lichtweg L1 ausgehend von seiner Nulllage periodisch. Als Oszillationsantrieb 45 kann beispielsweise ein Piezoaktor oder ein mikromechanischer Translationsaktor dienen.
Zu diesem Zweck wird der Oszillationsantrieb 46 von einem Signalgenerator 47 angesteuert. Der Signalgenerator 47 erzeugt ein Schwingungssignal P mit einer Amplitude A und einer Frequenz f. Sowohl die Amplitude A als auch die Frequenz f können variiert werden und vom Bediener der Messeinrichtung 10 eingestellt werden. Beispielhafte Schwingungssignalverläufe P sind in den 2 und 3 dargestellt. Eine Schwingungssignalhalbwelle ist vorzugsweise symmetrisch zu einer Geraden durch das Maximum bzw. Minimum. Es können dreieckförmige oder sinusförmige Schwingungssignalverläufe hervorgerufen werden. Durch die Erhöhung der Schwingungsfrequenz f lässt sich die Messgeschwindigkeit der Messeinrichtung 10 steigern oder umgekehrt. Die Amplitude A definiert den Messbereich der Messeinrichtung 10. Über das Schwingungssignal P lässt sich der von Messeinrichtung 10 durchzuführende Messvorgang an die jeweilige Messaufgabe anpassen.
Die Auswerteeinrichtung 37 weist ein analoges Filter 50 zur Filterung des Sensorsignals S auf. Das analoge Filter 50 entfernt hochfrequente Störanteile sowie Gleichanteile aus dem Sensorsignal S. Das analoge Filter 50 kann beispielsweise als Bandpass oder als Kombination aus Tief- und Hochpass ausgeführt sein. Das gefilterte Signal G wird anschließend einem Analog-Digital-Wandler 51 übermittelt. Die Analog-Digital-Wandlung erfolgt synchron zum Schwingungssignal P des Signalgenerators 47. Der Analog-Digital-Wandler 51 ist als ein 2-Kanal-Wandler ausgeführt. Es tastet das Schwingungssignal P und das gefilterte Signal G synchron ab und erzeugt aus dem analogen gefilterten Signal G ein erstes digitales Signal D1 und aus dem Schwingungssignal P ein zweites digitales Signal D2. Das zweite digitales Signal D2 dient als Referenzsignal zur Bestimmung der Nulllage des ersten digitalen Signals D1. Diese synchrone Abtastung stellt eine genaue Bestimmung der Nulllage sicher und erhöht die Genauigkeit bei der Bestimmung des Abstandswertes d.
Die Abtastfrequenz wird dabei unter Berücksichtung der Oszillationsfrequenz f und/oder der Bandbreite des analogen Bandpasses 50 bestimmt. Ausgehend von der Überlegung, dass sich der Abstand d gegenüber der Oszillationsfrequenz f nur sehr langsam ändert, kann auch eine Unterabtastung zur Digitalisierung des gefilterten Sensorsignals G ohne Informationsverlust ausreichen.
Das erste Digitalsignal D1 wird anschließend in einem Auswerteblock 52 der Auswerteeinrichtung 37 ausgewertet. Dabei wird zumindest ein Wert für den Abstand d ermittelt.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Ermittlung des Abstandswerts d in drei Schritten:
Das von der Lichtquelle 15 abgestrahlte Licht der beiden Superlumineszenzdioden 16 wird in den Referenzlichtweg R und in den Messlichtweg M der Sonde 12 eingespeist. Sowohl das vom Referenzlichtweg R, als auch das vom MessLichtweg M reflektierte Licht wird im Interferometer 30 in den ersten und den zweiten Lichtweg L1, L2 aufgeteilt und anschließend wieder überlagert, um eine Interferenz zu erzeugen. Die Interferenz wird vom Fotosensor 35 erfasst und als Sensorsignal S an die Auswerteeinheit 37 übermittelt. Aufgrund der Oszillation des ersten Interferometerspiegels 33 entsteht ein moduliertes Sensorsignal S, dessen Hüllkurve 55 in 4 gezeigt ist. Es wird die Stelle mit der maximalen Modulationstiefe des ersten Digitalsignals D1 gesucht, was dem Maximum der Hüllkurve 55 entspricht. Anhand einer vorgegebenen Kalibriertabelle in der Auswerteeinrichtung 37 wird die an der Stelle der maximalen Modulationstiefe – also des Maximums der Hüllkurve 55 – bestimmte Spiegelauslenkung des ersten Interferometerspiegels 33 einem ersten Abstandswert d₁ zugeordnet, wie dies schematisch in 4 dargestellt ist.
In einem zweiten Schritt erfolgt jeweils eine Phasenauswertung für die beiden Schwerpunktwellenlängen der beiden Superluminiszenzdioden 16. Dabei wird ein zweiter Abstandswert d₂ auf Basis der Phasendifferenz Δφ innerhalb eines Eindeutigkeitsbereichs von Λ/2 anhand folgender Gleichung ermittelt:
mit Δφ = φ₁ – φ₂,

φ₁:: Phase des Lichts der Schwepunktwellenlänge λ₁,
φ₂:: Phase des Lichts der Schwepunktwellenlänge λ₂,
m₂:: ganzzahliger Faktor

₁

₂

16

Der zweite Abstandswert d₂ ist deutlich genauer als der erste Abstandswert d₁. Der Faktor m₂ ist in Gleichung (1) derjenige ganzzahlige Wert, der den Betrag der Differenz zwischen dem ersten Abstandswert d₁ und dem zweiten Abstandswert d₂ minimiert. Dadurch wird sichergestellt, dass der genauere zweite Abstandswert d₂ innerhalb des Eindeutigkeitsbereichs liegt. Zur Ermittlung der Phasendifferenz Δφ kann beispielsweise eine Fourietransformation durchgeführt werden, um die Phasenwerte φ₁, φ₂ zu erhalten.
In einem dritten Schritt wird ein dritter Abstandwert d₃ bestimmt, dessen Genauigkeit weiter erhöht ist. Die Berechnung erfolgt anhand folgender Gleichung:
mit

φ₀:: Konstante,
m₃:: ganzzahliger Faktor

Der Faktor m₃ ist derjenige ganzzahlige Wert, bei dem die Differenz zwischen dem dritten Abstandswert d₃ und dem zweiten Abstandswert d₂ minimal ist. Der Wert φ₀ wird durch Kalibrierung ermittelt und stellt eine Konstante dar.
Im Auswerteblock 52 kann zur Bestimmung des Abstandswerts d auch lediglich einer oder zwei der genannten Schritte durchgeführt werden. Wegen der Eindeutigkeit der Abstandswerte ist dabei die Reihenfolge der genannten Schritte einzuhalten.
In 5 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Messeinrichtung 10 dargestellt. Der Unterschied gegenüber der Ausführung nach 1 besteht darin, dass die Referenzfläche 27 nicht am optischen Element 25 der Sonde 12, sondern an einem separaten Spiegel 57 im Referenzlichtweg R vorgesehen ist. Der Referenzlichtweg R ist bei dieser Ausgestaltung vom Messlichtweg M getrennt ausgeführt. Wie in 5 dargestellt, ist hierfür eine weitere, vierte Monomodenfaser 58 über einen dritten Faserkoppler 59 mit der zweiten Monomodenfaser 24 verbunden. Der dritten Faserkoppler 59 ist in die zweite Monomodenfaser 24 eingesetzt, die den zweiten Faserkoppler 23 mit der Sonde 12 verbindet. Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel nach 5 dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1, so dass auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.
Um Störungen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, weil am ersten Interferometerspiegel 33 sowie am zweiten Interferometerspiegel 34 reflektiertes Licht über den Kollimator 31 wieder zurück in den Messlichtweg M und den Referenzlichtweg R eingespeist wird, können zusätzlich Maßnahmen vorgesehen werden. Beispielsweise ist es möglich, das Licht in den beiden Lichtwegen L1, L2 zu polarisieren und durch ein Polarisationsfilter am Kollimator 31 die Aufnahme des an den Interferometerspiegeln 33, 34 reflektierten Lichts zu verhindern. Auch durch eine Fokussierung des Lichts auf die beiden Interferometerspiegel 33, 34 kann eine unerwünschte Einkopplung von Licht aus den Lichtwegen L1, L2 zumindest reduzieren.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung und ein Messverfahren zur Bestimmung eines absoluten Abstandswerts zwischen einer Sonde 12 und einer Objektoberfläche 13. Der Abstandswert d wird dabei punktförmig im Bereich der optischen Achse 14 der Sonde 12 bestimmt. Die Messeinrichtung weist eine Lichtquelle 15 auf, die kurzkohärentes Licht aussendet. In einem Messlichtweg M wird das Licht durch die Sonde 12 auf die Objektoberfläche 13 gerichtet und das dort reflektierte Licht wieder empfangen. Ein anderer Teil des Lichts der Lichtquelle 15 durchläuft einen Referenzlichtweg R bis zu einer Referenzfläche 27 und von dort wieder zurück. Das an der Referenzfläche 27 sowie der Objektoberfläche 13 reflektierte Licht wird einem Interferometer 30 zugeführt und dort in einen ersten Lichtweg L1 sowie einen zweiten Lichtweg L2 aufgeteilt. Die beiden Lichtwege L1, L2 sind unterschiedlich lang und kompensieren die Differenz zwischen Referenzlichtweg R und Messlichtweg M. Der im ersten Lichtweg L1 vorhandene erste Interferometerspiegel 33 oszilliert in Richtung der optischen Achse 40 des ersten Lichtwegs L1. Das Licht aus den beiden Lichtwegen L1, L2 wird überlagert und wegen der Oszillation des ersten Interferometerspiegels 33 bildet sich ein Interferenzmuster im überlagerten Licht, das von einem Fotosensor 35 detektiert werden. Der Abstandswert d wird in einer an den Fotosensor 35 angeschlossenen Auswerteeinrichtung 37 ermittelt.
Bezugszeichenliste

10: Messeinrichtung
11, 11': Lichtaustrittsfläche
12: Sonde
13: Objektoberfläche
14: optische Achse v. 12
15: Lichtquelle
16: Leuchtmittel
17: Faserpigtail
18: erster Faserkoppler
22: erste Monomodenfaser
23: zweiter Faserkoppler
24: zweite Monomodenfaser
25: optisches Element v. 12
26: geneigter Spiegel
27: Referenzfläche
29: dritte Monomodenfaser
30: Interferometer
31: Kollimator
32: Strahlteiler
33: erster Interferometerspiegel
34: zweiter Interferometerspiegel
35: Fotosensor
36: optisches Element
37: Auswerteeinrichtung
40: optische Achse v. L1
41: optische Achse v. L2
42: Verstellantrieb
45: Oszillationseinrichtung
46: Oszillationsantrieb
47: Signalgenerator
50: Filter
51: Analog-Digital-Wandler
52: Auswerteblock
55: Hüllkurve
57: Spiegel
58: vierte Monomodenfaser
59: dritter Faserkoppler
A: Amplitude
d: Abstand
D1: erstes Digitalsignal
D2: zweites Digitalsignal
f: Frequenz
G: gefiltertes Signal
L1: erster Lichtweg
L2: zweiter Lichtweg
M: Messlichtweg
R: Referenzlichtweg
S: Sensorsignal
P: Schwingungssignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19808273 A1 [0002]
DE 102005061464 [0003]

Claims

Messeinrichtung zur absoluten Abstandsmessung, mit einer kurzkohärentes Licht aussendenden Lichtquelle (15), mit einer Sonde (12), die einen Teil des Lichts in einen Messlichtweg (M) zu einer Objektoberfläche (13) leitet und die einen anderen Teil des Lichts in einen Referenzlichtweg (R) zu einem Referenzfläche (27) leitet und sowohl das an der Objektoberfläche (13) sowie das an der Referenzfläche (27) reflektierte Licht aufnimmt, mit einem Interferometer (30), das zur Aufnahme des reflektierten Lichts an die Sonde (12) angeschlossen ist und das einen in einem ersten Lichtweg (L1) angeordneten, über eine Oszillationseinrichtung (45) oszillierend bewegbaren ersten Interferometerspiegel (33), einen in einem zweiten Lichtweg (L2) angeordneten zweiten Interferometerspiegel (34), und ein Mittel (32) zur Überlagerung des an den beiden Interferometerspiegeln (33, 34) reflektierten Lichts aufweist, und mit einem als Punktsensor ausgeführten Fotosensor (35), der die Intensität des überlagerten Lichts misst.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Interferometerspiegel (33, 34) als Planspiegel ausgeführt und rechtwinkelig zur optischen Achse (40, 41) des jeweiligen Lichtwegs (L1, L2) ausgerichtet sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundposition eines der beiden Interferometerspiegel (34) entlang der optischen Achse (41) des betreffenden Lichtwegs (L2) positionierbar ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillationseinrichtung (45) den ersten Interferometerspiegel (33) mit einer vorgebbaren Amplitude (A) und/oder einer vorgebbaren Oszillationsfrequenz (f) in Richtung der optischen Achse (40) des ersten Lichtwegs (L1) bewegt.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Referenzfläche (27) und Objektoberfläche (13) größer ist als die Kohärenzlänge des Lichts der Lichtquelle (15).
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (15) zumindest eine und insbesondere zwei Superlumineszenzdioden (16) verwendet werden.
Messeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das von der zumindest einen Superlumineszenzdiode (16) abgestrahlte Licht eine spektrale Breite von 20 bis 30 nm aufweist.
Messeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwerpunktwellenlängen des von den beiden Superlumineszenzdioden (16) abgestrahlten Lichts verschieden sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (12) zur Abstrahlung des Lichts in den Messlichtweg (M) ein Kollimatorelement (25) aufweist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsfläche (27) am Kollimatorelement (25) vorhanden ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Interferometer (30) und dem Fotosensor (35) ein optisches Element (36) angeordnet ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Fotosensor (35) erfasste Sensorsignal (S) sowie ein die Oszillation des ersten Interferometerspiegels (33) beschreibendes Schwingungssignal (P) an eine Auswerteeinrichtung (37) übermittelt wird, die beide Signale synchron abtastet und aus dem Sensorsignal (S) ein erstes Digitalsignal (D1) und aus dem Schwingungssignal (P) ein zweites Digitalsignal (D2) erzeugt, wobei das zweite Digitalsignal (D2) zur Bestimmung der Nulllage des ersten Digitalsignals (D1) dient.
Messeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal (S) vor der Analog-Digital-Wandlung durch ein analoges Filter (50) gefiltert wird.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, mit einer Auswerteeinrichtung (37), die derart ausgebildet ist, dass sie den Messvorgang in einem oder mehreren der folgenden Schritte ausführt: in einem ersten Schritt ein Interferenzmaximum und anhand dessen einen ersten Abstandswert (d₁) bestimmt, in einem zweiten Schritt eine Phasendifferenz (Δφ) zwischen den von der Objektoberfläche (13) reflektierten unterschiedliche Lichtfarben und aus der Phasendifferenz (Δφ) einen zweiter Abstandswert (d₂) bestimmt, in einem dritten Schritt die Phase (φ₁) des von der Objektoberfläche (13) reflektierten Lichts und aus der Differenz dieser Phase (φ₁) mit einem vorgegebenen Phasenwert (φ₀) einen dritten Abstandwert (d₃) bestimmt.
Messeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Schritte unterschiedlich große Eindeutigkeitsbereiche und unterschiedliche Messgenauigkeiten aufweisen und während des Messvorgangs in der Auswerteeinrichtung (37) zumindest zwei dieser Schritte ausgeführt werden.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillationseinrichtung (45) einen mikromechanischen Translationsaktor aufweist.
Messverfahren zur absoluten Abstandsmessung, bei dem zur Messung kurzkohärentes Licht aus einer Lichtquelle (15) abgestrahlt wird, durch eine Sonde (12) ein Teil des Lichts in einen Messlichtweg (M) zu einer Objektoberfläche (13) geleitet, ein anderer Teil des Lichts in einen Referenzlichtweg (R) zu einer Referenzfläche (27) geleitet und sowohl das an der Objektoberfläche (13) wie auch das an der Referenzfläche (27) reflektierte Licht aufgenommen wird, das reflektierte Licht in einem Interferometer (30) in einem ersten Lichtweg (L1) und einen zweiten Lichtweg (L2) aufgespaltet wird, das in den ersten Lichtwegang (L1) eingespeiste Licht an einem oszillierend bewegbaren ersten Interferometerspiegel (33) und das in den zweiten Lichtweg (L2) eingespeiste Licht an einem zweiten Interferometerspiegel (34) reflektiert wird, das an den Interferometerspiegeln (33, 34) reflektierte Licht überlagert wird, die Intensität des überlagerten Lichts mittels eines Fotosensors (35) gemessen und ein die Intensität charakterisierendes Sensorsignal (S) erzeugt wird, und der Abstandswert (d) auf Basis des Sensorsignals (S) ermittelt wird.