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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Verbiegungen und Verformungen, mit welcher die Verbiegungen bzw. Verformungen einer Fläche, insbesondere die Durchbiegungen einer Membran messbar sind. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung von Verbiegungen einer optisch reflektierenden Fläche.
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Die
WO 2004/113832 A1 zeigt ein Verfahren und eine Messvorrichtung zur berührungslosen Messung von Winkeln oder Winkeländerungen an Gegenständen. Bei dieser Lösung wird ausgehend von einer Strahlungsquelle ein Strahlungsbündel über einen Strahlungsteiler zu einem reflektierenden Element geleitet. Das reflektierende Element ist Winkeländerungen unterworfen. Das reflektierte Strahlenbündel wird durch den Strahlenteiler auf einem Detektor abgebildet, sodass die Winkeländerung gemessen werden kann. Der optische Sensor kann beispielsweise durch einen CCD-Flächensensor gebildet sein.
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Aus der
DE 601 25 018 T2 ist ein Drucksensor mit zwei Membranen bekannt, die durch ein bewegliches Teil gekoppelt sind, wobei die Bewegung des beweglichen Teiles über ein Interferenz-Bauelement optisch gemessen wird.
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Die
DE 41 31 257 C2 zeigt eine Vorrichtung zum Messen eines Druckes, bei welcher die Druckveränderung an einem Kapillarschlauch gemessen wird. Am Ende des Kapillarschlauches befindet sich eine Membran, deren Verformung optisch gemessen werden kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine Anordnung und ein Verfahren zur Vermessung von Verbiegungen, insbesondere von Verbiegungen einer Membran bereitzustellen, welche berührungslos arbeiten und zur Messung sehr kleiner Verbiegungen, beispielsweise Verbiegungen von weniger als 10 μm geeignet sind.
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Die genannte Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Anordnung dient der Messung von Verbiegungen oder auch anderen Verformungen und umfasst zunächst eine verbiegbare bzw. verformbare Fläche, wobei es sich bei der Fläche um eine im Ruhezustand beliebig geformte Oberfläche handeln kann. Bei der Fläche kann es sich beispielsweise um eine Membran oder um einen Abschnitt eines Hohlgefäßes handeln. Die verbiegbare Fläche kann im Ruhe- oder Ausgangszustand eben oder bereits gewölbt sein. Die festzustellende Verbiegung kann beispielsweise zu einer (weiteren) Wölbung der Fläche führen. Die zu vermessende Fläche besitzt eine optisch reflektierende Oberfläche, sodass auf die Fläche fallendes Licht zumindest teilweise reflektiert wird. Die verbiegbare Fläche reflektiert bevorzugt gerichtet. Die reflektierende Eigenschaft der Fläche kann beispielsweise durch eine Beschichtung bewirkt werden. Oftmals genügen jedoch die reflektierenden Eigenschaften, welche die Fläche originär aufweist.
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Erfindungsgemäß umfasst die Anordnung eine Lichtstrahlquelle zur Emission mindestens eines ersten Lichtstrahles und vorzugsweise eines zweiten Lichtstrahles. Der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl werden auf die verbiegbare Fläche gerichtet. Der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl sind jeweils gegenüber der unverbogenen Fläche geneigt, d. h. sie sind gegenüber einem auf die unverbogene Fläche gefällten Lot geneigt.
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Im einfachsten Fall umfasst die Anordnung einen ersten optischen Sensor zur Messung des von der verbiegbaren Fläche reflektierten ersten Lichtstrahles und einen zweiten optischen Sensor zur Messung des von der verbiegbaren Fläche reflektierten ersten Lichtstrahles. Ist die Fläche unverbogen (Ruhezustand), so ist ein vorbestimmter Teil des reflektierten ersten Lichtstrahles auf den ersten optischen Sensor gerichtet. Gleichfalls ist ein anderer vorbestimmter Teil des reflektierten ersten Lichtstrahles auf den zweiten optischen Sensor gerichtet. Bei dieser einfachen Ausführungsform sind der erste optische Sensor und der zweite optische Sensor bevorzugt benachbart angeordnet. Der erste optische Sensor und der zweite optische Sensor bestimmen jeweils die Lichtintensität der vom Lichtstrahl empfangenen Strahlanteile.
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Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Anordnung weiterhin einen ersten optischen Sensor zur Messung des von der verbiegbaren Fläche reflektierten ersten Lichtstrahles. Ist die Fläche unverbogen (Ruhezustand), so ist ein vorbestimmter Teil des reflektierten ersten Lichtstrahles auf den ersten optischen Sensor gerichtet. Beispielsweise kann die Anordnung derart ausgeführt sein, dass bei Fehlen einer Verbiegung der verbiegbaren Fläche ein Zehntel oder neun Zehntel des von der Fläche reflektierten ersten Lichtstrahles auf den ersten optischen Sensor treffen, während der übrige Teil des ersten reflektierten Lichtstrahles neben dem ersten optischen Sensor auftrifft. In gleicher Weise umfasst die erfindungsgemäße Anordnung einen zweiten optischen Sensor, auf den bei Fehlen einer Verbiegung der Fläche ein vorbestimmter Teil des von der Fläche reflektierten zweiten Lichtstrahles gerichtet ist.
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Die mit dem ersten optischen Sensor gemessene Lichtmenge und die mit dem zweiten optischen Sensor gemessene Lichtmenge lassen einen Rückschluss auf die Existenz und das Ausmaß einer Verbiegung bzw. Verformung der Fläche zu. Ist keine Verbiegung vorhanden, so sind die vorbestimmten Teile des ersten Lichtstrahles und des zweiten Lichtstrahles auf den ersten optischen Sensor bzw. auf den zweiten optischen Sensor gerichtet. Kommt es zu einer Verbiegung der Fläche, ändern sich die Richtungen des reflektierten ersten Lichtstrahles und des reflektierten zweiten Lichtstrahles. Dies führt dazu, dass der Anteil des reflektierten ersten Lichtstrahles, welcher auf den ersten optischen Sensor gerichtet ist, größer oder kleiner wird. Das gleiche gilt für den reflektierten zweiten Lichtstrahl, dessen Anteil, der auf den zweiten optischen Sensor gerichtet ist, ebenfalls größer oder kleiner wird. Jedenfalls ändern sich die Anteile der reflektierten Lichtstrahlen, welche auf die beiden optischen Sensoren treffen, und somit auch die von den beiden optischen Sensoren gemessenen Lichtmengen in Abhängigkeit von der Verbiegung der Fläche. Daher umfasst die erfindungsgemäße Anordnung eine Auswerteinheit zur Bestimmung der Verbiegung der Fläche in Abhängigkeit von der mit dem ersten optischen Sensor gemessenen Lichtmenge und von der mit dem zweiten optischen Sensor gemessenen Lichtmenge.
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Ein wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass an der sich verbiegenden Fläche kein besonderer Sensor oder sonstige Mittel für eine kraftwirkungsfreie Verbindung erforderlich sind. Es wird lediglich eine reflektierende Eigenschaft der Fläche vorausgesetzt. Die Genauigkeit der Messung übersteigt die von üblichen Anordnungen und Sensoren. Bereits sehr geringfügige Verbiegungen der Fläche führen zu Richtungsänderungen der beiden Lichtstrahlen, welche deutlich messbare Veränderungen der von den beiden optischen Sensoren gemessenen Lichtmengen nach sich ziehen. Bereits existierende Vorrichtungen können zu einer erfindungsgemäßen Anordnung nachgerüstet werden, wodurch aufwandsarm eine erfindungsgemäße Ausführung erzielt werden kann.
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Die Lichtquelle befindet sich bevorzugt mittig in Bezug auf die verbiegbare Fläche. Demzufolge befindet sich die Lichtquelle auf einem Lot, welches auf die unverbogene Fläche gefällt ist und durch den Mittelpunkt der Fläche verläuft.
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Der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl sind hinsichtlich ihrer geometrischen und ihrer fotometrischen Eigenschaften bevorzugt gleich ausgebildet. Demzufolge sind die Ausmaße der Lichtstrahlen, aber auch die Spektren und die Strahlungsleistungen der beiden Lichtstrahlen gleich. Diese beiden Lichtstrahlen weisen gegenüber einem Lot, welches auf die unverbogene Fläche gefällt ist, jeweils den gleichen Winkel auf und liegen mit diesem Lot gemeinsam in einer Ebene. Demzufolge strahlt die Lichtstrahlquelle zwei gleiche Lichtstrahlen symmetrisch auf die reflektierende Fläche.
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In der die Lichtstrahlen umfassenden Ebene liegt weiterhin bevorzugt eine horizontale Symmetrieachse der verbiegbaren Fläche. Bei dieser horizontalen Symmetrieachse kann es sich beispielsweise um die mittlere Längsachse einer Fläche mit einer Rechteckform oder um einen Durchmesser einer Fläche mit Kreisform handeln.
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Der erste optische Sensor und der zweite optische Sensor weisen bevorzugt jeweils die Form eines Kreisringsektors auf, welcher parallel zur reflektierenden unverbogenen Fläche ausgerichtet ist. Der Mittelpunkt des Kreisringes, dessen Sektoren die Kreisringsektorformen der optischen Sensoren bilden, liegt auf einem Lot, welches auf die unverbogene Fläche gefällt ist und durch die Lichtquelle verläuft.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Messung von Verbiegungen in zwei Richtungen ermöglicht. Hierfür werden von der Lichtstrahlquelle weiterhin ein dritter Lichtstrahl und ein vierter Lichtstrahl auf die verbiegbare Fläche emittiert. Der dritte Lichtstrahl und der vierte Lichtstrahl sind gegenüber einem auf die unverbogene Fläche gefällten Lot geneigt und weisen gegenüber diesem Lot jeweils den gleichen Winkel auf. Zudem liegen sie gemeinsam mit diesem Lot in einer Ebene, die senkrecht zu derjenigen Ebene ist, in welcher der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl liegen. Bei Fehlen einer Verbiegung ist ein vorbestimmter Teil des von der verbiegbaren Fläche reflektierten dritten Lichtstrahles auf einen dritten optischen Sensor gerichtet. In gleicher Weise ist bei Fehlen einer Verbiegung ein vorbestimmter Teil des von der verbiegbaren Fläche reflektieren vierten Lichtstrahles auf einen vierten optischen Sensor gerichtet. Folglich können Verbiegungen gemessen werden, die in einer ersten Achse der Fläche liegen, und Verbiegungen, die in einer zu der ersten Achse senkrecht angeordneten Achse liegen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch mit einer Lichtstrahlquelle ausgeführt sein, die weitere Lichtstrahlen emittiert, die nach Reflexion an der verbiegbaren Fläche auf weitere optische Sensoren gerichtet sind. Hierdurch kann die Genauigkeit bei der Bestimmung der Verbiegungen erhöht werden oder es können weitere Achsen der Verbiegung berücksichtigt werden.
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Die Lichtstrahlquelle ist bevorzugt durch eine einzige Lichtquelle gebildet. Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung müssen beispielsweise alterungsbedingte Änderungen der Lichtstärke der Lichtstrahlquelle nicht durch eine erneute Einstellung oder Kalibrierung ausgeglichen werden. Die von der Lichtstrahlquelle emittierten mehreren Lichtstrahlen werden sich aufgrund der Alterung der Lichtstrahlquelle im gleichen Maße ändern, sodass die Verringerung der Lichtstärke bei einem Vergleich der reflektierten Strahlen unberücksichtigt bleiben kann. Für besondere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung kann es aber auch vorteilhaft sein, die Lichtstrahlquelle mit mehreren Lichtstrahlquellen auszuführen, beispielsweise wenn die einzelnen Lichtstrahlen von unterschiedlichen Positionen emittiert werden sollen.
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Die Lichtstrahlquelle emittiert bevorzugt einen Lichtkegel, d. h. ein geformtes Licht mit einer Kegelform oder einer Hohlkegelform, welcher den ersten Lichtstrahl und den zweiten Lichtstrahl jeweils als Einzellichtstrahl umfasst. Die die beiden Lichtstrahlen bildenden Einzellichtstrahlen können beispielsweise auf der Peripherie des geformten Lichtes gegeben sein. Der Lichtkegel kann durch eine Vielzahl an Einzellichtstrahlen gebildet sein, wobei der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl jeweils durch einen oder mehrere der vielen Einzellichtstrahlen gebildet sind.
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Der Lichtstrahl kann aber auch durch einen homogen ausgeführten Lichtkegel gebildet sein, sodass die den ersten Lichtstrahl und den zweiten Lichtstrahl bildenden Einzellichtstrahle jeweils einen Ausschnitt aus dem Lichtkegel darstellen. Bei den Ausführungsformen, die einen dritten Lichtstrahl und eine vierten Lichtstrahl oder auch weitere Lichtstrahlen nutzen, sind auch diese Lichtstrahlen durch Einzellichtstrahlen des homogenen Lichtkegels gebildet. Diejenigen Einzellichtstrahlen bzw. Ausschnitte des Lichtkegels, welche keinen Lichtstrahl gemäß der Erfindung bilden, bleiben bei der erfindungsgemäßen Anordnung ungenutzt. Diese Lichtkegelform bietet den Vorteil, dass eine Verdrehung der verbiegbaren Fläche keine Verfälschung des Messergebnisses bewirkt, da dies keine Änderung der an den Sensoren bestimmten Lichtstärke hervorruft.
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Bei einer einfachen Ausführungsform ist das geformte Licht mit der Kegelform vollständig mit Licht ausgefüllt. Die reflektierende Oberfläche der verbiegbaren Fläche weist die Form eines Kreisringes auf, der konzentrisch zum Lichtkegel angeordnet ist. Somit reflektiert die reflektierende Oberfläche insbesondere den ersten Lichtstrahl und den zweiten Lichtstrahl, während die meisten anderen Anteile des Lichtkegels nicht reflektiert werden. Weiterhin werden ein dritter Lichtstrahl und ein vierter Lichtstrahl gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform durch die kreisringförmige Reflexionsfläche reflektiert.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weist das geformte Licht eine Hohlkegelform auf. Folglich weisen Querschnitte senkrecht zur Strahlungsrichtung die Form eines Kreisringes auf. Ein solcher hohlkegelförmiger Lichtkegel kann beispielsweise mit einer Ringlinse und/oder einer ringförmigen Blende in der Lichtstrahlquelle geformt werden. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass das Licht der einzigen Lichtquelle konzentriert wird, insbesondere auf die Bereiche des ersten Lichtstrahles und des zweiten Lichtstrahles sowie ggf. des dritten Lichtstrahles und des vierten Lichtstrahles. Mit dieser Ausführungsform kann auch die Homogenität der Verwölbung einer Membran überwacht bzw. gemessen werden. Dies ist beispielsweise von Interesse, wenn sich die Membran aufgrund unterschiedlicher Dicke nicht homogen wölbt.
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Die Lichtquelle ist bevorzugt durch ein Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser (VCSEL) gebildet. Derartige Halbleiterlaser strahlen das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips ab und sind daher zur Emission von Licht geeignet, welches über eine Ringlinse zu einem hohlkegelförmigen Lichtkegel geformt wird. Der VCSEL kann gemeinsam mit dem ersten optischen Sensor und dem zweiten optischen Sensor auf einem einzigen Siliziumsubstrat angeordnet werden. Der erste optische Sensor und der zweite optische Sensor sind dabei jeweils als Fotodiode ausgebildet. Die beiden Fotodioden sind gemeinsam mit dem VCSEL auf einer Geraden angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist die gesamte Anordnung, abgesehen von der Auswerteeinheit und der verbiegbaren Fläche, auf einen einzigen Siliziumchip konzentriert, wodurch sie ein kompaktes Bauteil ausbildet.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist der vorbestimmte Teil des reflektierten ersten Lichtstrahles, welcher bei Fehlen einer Verbiegung der verbiegbaren Fläche nicht auf den ersten optischen Sensor gerichtet ist, auf einen an den ersten optischen Sensor angrenzenden Bereich auf einer der Lichtstrahlquelle abgewandten Seite des ersten optischen Sensor gerichtet. Derjenige Teil des reflektierten zweiten Lichtstrahles, welcher bei Fehlen einer Verbiegung nicht auf den zweiten optischen Sensor gerichtet ist, ist dabei auf einen an den zweiten optischen Sensor angrenzenden Bereich auf einer der Lichtstrahlquelle zugewandten Seite des zweiten optischen Sensor gerichtet. Folglich wird bei Fehlen einer Verbiegung der erste optische Sensor auf seinem äußeren, d. h. von der Lichtstrahlquelle weggerichteten Randbereich beleuchtet, während der zweite optische Sensor auf seinem inneren, d. h. zur Lichtstrahlquelle gerichteten Randbereich beleuchtet wird. Es kommt also grundsätzlich dazu, dass bei einer Verbiegung der Fläche die mit einem der beiden optischen Sensoren gemessene Lichtmenge größer wird, während die mit dem anderen der beiden optischen Sensoren gemessene Lichtmenge kleiner wird. Folglich entsteht bereits bei sehr geringfügigen Verbiegungen eine große Differenz zwischen den mit den beiden optischen Sensoren gemessenen Lichtmengen.
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Um die beschriebene Strahlenverteilung erzielen zu können, gleicht die Entfernung von einem der Lichtstrahlquelle abgewandten Rand des ersten Sensors zur Lichtstrahlquelle bevorzugt der Entfernung von einem der Lichtstrahlquelle zugewandten Rand des zweiten Sensors zur Lichtstrahlquelle. Alternativ gleicht die Entfernung von einem der Lichtstrahlquelle zugewandten Rand des ersten Sensors zur Lichtstrahlquelle bevorzugt der Entfernung von einem der Lichtstrahlquelle abgewandten Rand des zweiten Sensors zur Lichtstrahlquelle. Die genannten Abstände betragen bevorzugt zwischen 0,5 mm und 1,5 mm, beispielsweise 1,074 mm. Die Entfernung der der Lichtstrahlquelle zugewandten Seite zu der der Lichtstrahlquelle abgewandten Seite der Sensoren, d. h. die Ausdehnung der Sensoren beträgt bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,3 mm, beispielsweise 0,2 mm.
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Die verbiegbare Fläche ist bevorzugt durch eine Membran gebildet, die sich infolge eines auf sie einwirkenden Druckes wölbt. Mithilfe der erfindungsgemäßen Anordnung lässt sich die Wölbung der Membran messen. Die Membran ist bevorzugt kreisrund, sodass sich die Membran durch den Druck rotationssymmetrisch verformt. Die kreisrunde Membran ist bevorzugt in einer kreisrunden Einspannung eingespannt. Alternativ kann die Membran beispielsweise eine Rechteckform besitzen und entlang zweier Geraden eingefasst werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Membran mit dem Druck eines Mediums beaufschlagt, wobei die gemessene Verbiegung den Druck repräsentiert. Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung die Messung eines Druckes.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Messung von Verbiegungen einer optisch reflektierenden verbiegbaren Fläche. Bei diesem Verfahren werden ein erster Lichtstrahl und ein zweiter Lichtstrahl auf die Fläche gerichtet. Der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl sind jeweils gegenüber einem auf die unverbogene Fläche gefällten Lot geneigt. Mithilfe eines ersten optischen Sensors wird derjenige Anteil des von der Fläche reflektierten ersten Lichtstrahles gemessen, der auf diesen optischen Sensor trifft. In gleicher Weise wird mithilfe eines zweiten optischen Sensors derjenige Anteil des von der Fläche reflektierten zweiten Lichtstrahles gemessen, der auf den zweiten optischen Sensor trifft. Die mit dem ersten optischen Sensor gemessene Lichtmenge und die mit dem zweiten optischen Sensor gemessene Lichtmenge werden miteinander verglichen. Das Resultat aus diesem Vergleich lässt Rückschlüsse auf die mögliche Verbiegung der Fläche zu. Ist keine Verbiegung vorhanden, so steht die mit dem ersten optischen Sensor gemessene Lichtmenge zu der mit dem zweiten optischen Sensor gemessenen Lichtmenge in einem vorbestimmten Verhältnis, beispielsweise in einem gleichen Verhältnis. Ist die Fläche gebogen, beispielsweise konzentrisch gewölbt, so erfahren die beiden reflektierten Lichtstrahlen eine Richtungsänderung. Hierdurch verändern sich die Anteile der beiden reflektierten Lichtstrahlen, die auf die beiden optischen Sensoren treffen, wodurch die mit den beiden optischen Sensoren gemessenen Lichtmengen sich im Verhältnis zueinander ändern. Diese Veränderung ist ein Maß für die Verbiegung der Fläche.
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Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden weiterhin ein dritter Lichtstrahl und ein vierter Lichtstrahl auf die optisch reflektierende Fläche gerichtet. Der dritte Lichtstrahl und der vierte Lichtstrahl sind gegenüber einem auf die unverbogene Fläche gefällten Lot geneigt und liegen gemeinsam mit diesem in einer Ebene, die senkrecht zu einer Ebene ist, in welcher der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl liegen. Mithilfe eines dritten optischen Sensors wird derjenige Anteil des von der Fläche reflektierten dritten Lichtstrahles gemessen, der auf den dritten optischen Sensor trifft. In gleicher Weise wird mithilfe eines vierten optischen Sensors derjenige Anteil des von der Fläche reflektierten vierten Lichtstrahles gemessen, der auf den vierten optischen Sensor trifft. Die mit dem dritten optischen Sensor gemessene Lichtmenge und die mit dem vierten optischen Sensor gemessene Lichtmenge werden miteinander verglichen. Das Resultat aus dem Vergleich zwischen der mit dem ersten optischen Sensor gemessenen Lichtmenge und der mit dem zweiten optischen Sensor gemessenen Lichtmenge und das Resultat aus dem Vergleich zwischen der mit dem dritten optischen Sensor gemessenen Lichtmenge und der mit dem vierten optischen Sensor gemessenen Lichtmenge lassen Rückschlüsse auf die mögliche Verbiegung der Fläche in einer ersten Achse und in einer dazu senkrechten zweiten Achse zu. Dadurch kann die Messgenauigkeit nochmals gesteigert ist.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1: eine Prinzipskizze einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer unverformten Membran;
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2: eine Draufsicht auf eine abgewandelte Ausführungsform mit einem Querschnitt durch geformtes Licht;
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3: die in 1 gezeigte Anordnung mit einer verformten Membran; und
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4: ein Diagramm zur Veranschaulichung der Strahlungsverteilungen bei der in den 1 und 2 gezeigten Anordnung.
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1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer Prinzipdarstellung. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst zunächst eine optisch reflektierende verformbare Membran 01, die im Schnitt durch eine waagerechte Linie symbolisiert ist. Für das erfindungsgemäße Prinzip ist es unerheblich, ob die reflektierende Oberfläche auf die Membran 01 aufgebracht ist oder ob die Membran 01 selbst optisch reflektierend ist. Unterhalb des Mittelpunktes der Membran 01 befindet sich ein VCSEL (Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser) 02, der in Richtung des Mittelpunktes der Membran 01 ausgerichtet ist. Das Licht des VCSEL 02 fällt zunächst durch eine Ringlinse 03 und durch eine Ringblende 04, wodurch das Licht des VCSEL 02 hohlkegelartig geformt wird. Das Licht des VCSEL 02 durchläuft im Weiteren ein Borofloat-Glas 06, welches aus Borosilikatglas besteht. Das vom VCSEL 02 emittierte Licht fällt auf die Unterseite der Membran 01, welche hochgradig reflektierend ausgeführt ist, sodass das Licht gerichtet reflektiert wird. In einer bevorzugten Ausführung ist für den VCSEL eine Kavität von ca. 300 μm Tiefe in einen Si-Chip geätzt. Die Höhe des VCSEL stimmt nicht in jedem Fall mit der Tiefe der Grube überein. Das reflektierte Licht fällt zumindest teilweise auf eine erste Fotodiode 07 und auf eine zweite Fotodiode 08, die in einer gemeinsamen Ebene liegen und unterschiedlich weit von dem VCSEL 02 entfernt angeordnet sind. Die Fotodioden befinden sich vorzugsweise an bzw. in der Si-Chipoberfläche und sind nur wenige μm dick. Die beiden Fotodioden 07, 08 sind bevorzugt mit dem VCSEL 02 im Wesentlichen entlang einer Geraden ausgerichtet.
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Es ist weiterhin ein Strahlenverlauf dargestellt, welcher sich dann ergibt, wenn sich die Membran 01 in einem unverformten Zustand befindet. Ein von der Ringlinse 03 und der Ringblende 04 geformtes Licht 09 des VCSEL 02 tritt hohlkegelförmig aus dem Borofloat-Glas 06 aus. In der in 1 gezeigten Schnittdarstellung ist das geformte Licht 09 durch zwei Strahlenbündel verdeutlicht. Das geformte Licht 09 wird von der reflektierenden Membran 01 reflektiert, wobei die Hohlkegelform beibehalten wird.
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2 zeigt zum besseren Verständnis von Abwandlungsmöglichkeiten neben der Anordnung von vier Fotodioden 07a, 07b, 08a, 08b einer angewandelten Ausführungsform auch einen Querschnitt durch das geformte Licht 09 parallel zur Membran 01, welches in dieser Schnittebene die Form eines Kreisringes aufweist und derart auch bei der in 1 gezeigten Ausführungsform auftritt. Diametral gegenüberliegende Ausschnitte aus der Kreisringform des Querschnitts des geformten Lichtes 09 treffen bei der in 1 gezeigten Ausführungsform auf die erste Fotodiode 07 und auf die zweite Fotodiode 08.
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Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist nur ein innen liegender Teil 11 des Ausschnittes aus der Kreisringform auf die erste Fotodiode 07 gerichtet ist. Hingegen ist nur ein außen liegender Teil 12 des anderen Ausschnittes aus der Kreisringform auf die zweite Fotodiode 08 gerichtet. Andere Teile 13, 14 der Ausschnitte aus der Kreisringform des Querschnitts des geformten Lichtes 09 fallen nicht auf die erste Fotodiode 07 bzw. die zweite Fotodiode 08, sondern sind auf eine Grundfläche 15 gerichtet und werden dort absorbiert.
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Aus 2 wird deutlich, dass die Sensoren auch in anderer Weise ausgewertet werden können. Bei abgewandelten Ausführungsformen ist die erste Fotodiode durch eine erste radial äußere Fotodiode 07a und/oder durch eine zweite radial äußere Fotodiode 08a gebildet, während die zweite Fotodiode durch eine erste radial innere Fotodiode 07b und/oder durch eine zweite radial innere Fotodiode 08b gebildet ist. Es wird das Differenzsignal von der ersten radial inneren Fotodiode 07b und der ersten radial äußeren Fotodiode 07a und/oder das Differenzsignal von der zweiten radial äußeren Fotodiode 08a und der zweiten radial inneren Fotodiode 08b gebildet. Die Differenzsignale werden also von einem oder mehreren Paaren benachbarter Sensoren 07a, 07b; 08a, 08b abgeleitet.
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3 zeigt einen Strahlenverlauf an der in 1 gezeigten Anordnung, wenn die Membran 01 sich gewölbt hat. Die gezeigte Wölbung ist in der Mitte der Membran etwa 8 μm tief. Aufgrund der Wölbung der Membran 01 wird das geformte Licht 09 in einem anderen Winkel an der Unterseite der Membran 01 reflektiert. Folglich verändern sich die Anteile 11, 12 der Kreisringform des Querschnittes des geformten Lichtes 09, welche auf die erste Fotodiode 07 und auf die zweite Fotodiode 08 fallen. Derjenige Anteil 11 der Kreisringform des geformten Lichtes 09, welcher auf die erste Fotodiode 07 gerichtet ist, ist im Vergleich zum unverformten Zustand vergrößert. Hingegen ist derjenige Anteil 12 des Ausschnittes aus der Kreisringform des Querschnittes des geformten Lichtes 09, welcher auf die zweite Fotodiode 08 gerichtet ist, verringert.
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4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Änderung der von den beiden Fotodioden 07, 08 (gezeigt in 1) gemessenen Lichtleistung in Abhängigkeit von der Durchbiegung der Membran 01. Auf der x-Achse des Diagramms ist die Durchbiegung der Membran 01 in μm aufgetragen. Auf der y-Achse des Diagramms ist die gemessene Lichtleistung in μW aufgetragen. Ein erster Graph 16 stellt die gemessene Lichtleistung der ersten Fotodiode 07 dar. Ein zweiter Graph 17 stellt die mit der zweiten Fotodiode 08 gemessene Lichtleistung dar. Verformt sich die Membran 01, so steigt die mit der ersten Fotodiode 07 gemessene Lichtleistung 16, während die mit der zweiten Fotodiode 08 gemessene Lichtleistung 17 im gleichen Maße sinkt. Ein dritter Graph 18 stellt die Differenz zwischen der mit der ersten Fotodiode 07 gemessenen Lichtleistung 16 und der mit der zweiten Fotodiode 08 gemessenen Lichtleistung 17 dar. Es ist zu erkennen, dass diese Differenzlinie 18 linear zum Maß der Durchbiegung der Membran 01 steigt, sodass mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine sehr genaue Messung der Verformung ermöglicht ist. Das Differenzsignal ändert sich in einem mit herkömmlichen elektronischen Einheiten gut auswertbaren Umfang.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Membran
- 02
- VCSEL
- 03
- Ringlinse
- 04
- Ringblende
- 05
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- 06
- Borofloat-Glas
- 07
- erste Fotodiode
- 07a
- erste radial äußere Fotodiode
- 07b
- erste radial innere Fotodiode
- 08
- zweite Fotodiode
- 08a
- zweite radial äußere Fotodiode
- 08b
- zweite radial innere Fotodiode
- 09
- geformtes Licht mit Hohlkegelform
- 10
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- 11
- Teil des reflektierten ersten Lichtstrahles
- 12
- Teil des reflektierten zweiten Lichtstrahles
- 13
- anderer Teil des reflektierten ersten Lichtstrahles
- 14
- anderer Teil des reflektierten zweiten Lichtstrahles
- 15
- Grundfläche
- 16
- erster Graph
- 17
- zweiter Graph
- 18
- dritter Graph
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/113832 A1 [0002]
- DE 60125018 T2 [0003]
- DE 4131257 C2 [0004]
