DE102011001161B4

DE102011001161B4 - Vorrichtung und Verfahren zur interferometrischen Abstandsbestimmung

Info

Publication number: DE102011001161B4
Application number: DE201110001161
Authority: DE
Inventors: Peter Lehmann; Markus Schulz
Original assignee: Universitaet Kassel
Current assignee: Universitaet Kassel
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2031-03-10
Also published as: DE102011001161A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur interferometrischen Abstandsbestimmung mittels einer in einer Messrichtung schwingenden mikrooptischen Sonde (10), wobei von einem Lichtaustritt (14) der Sonde (10) auf ein Messobjekt (1) gesendetes und von diesem reflektiertes Licht mit Licht aus einem Referenzstrahlengang zu einer Interferenz gebracht wird, ein Interferenzsignal (U0) gemessen wird und eine Phasenlage des gemessenen Interferenzsignals (U0) im Bezug auf ein Referenzsignal (Uref), das eine Schwingungslage der mikrooptischen Sonde (10) wiedergibt, zur Abstandsbestimmung verwendet wird. In einem Verfahren wird die Phasenlage aus dem gemessenen Interferenzsignal (U0) und einem daraus ermittelten und um nominell 90° phasenverschobenen Signal (U90) bestimmt. In einem weiteren Verfahren wird die Phasenlage mittels einer FM-Demodulation aus dem gemessenen Interferenzsignal (U0) bestimmt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur interferometrischen Abstandsbestimmung mittels einer in einer Messrichtung schwingenden mikrooptischen Sonde.
Durch eine fortschreitende Miniaturisierung nicht nur elektronischer, sondern auch mechanischer, elektromechanischer und optischer Bauelemente steigen die Anforderungen an Verfahren und Vorrichtungen für eine Abstandsbestimmung, beispielsweise zur Vermessung von Bauelementen während der Produktion, zur Prüfung der Maßhaltigkeit der Bauelemente und zur Prüfung, ob Toleranzen eingehalten werden. Dabei sind Auflösungen der Abstandsmessung im Bereich von Submikrometern bei gleichzeitig guter lateraler Auflösung und schneller Durchführbarkeit der Messung gefordert.
Aus der Druckschrift DE 10 2004 025 290 A1 ist zur Abstandsmessung bekannt, eine konfokale optische Sonde vor einem Messobjekt zu positionieren und in mechanische Schwingungen in Richtung der Abstandsmessung zu versetzen. Die Intensität von reflektiertem und ebenfalls von der Sonde erfasstem Licht weist bei der Bewegung ein ausgeprägtes Maximum auf, wenn sich das Messobjekt im Fokusabstand zur Sonde befindet. Auf diese Weise kann der Abstand der Sonde vom Messobjekt zunächst grob bestimmt werden. Zusätzlich ergibt sich auf Grund der Überlagerung des einfallenden mit dem reflektierten Lichts ein Interferenzsignal, das bei Bewegung der Sonde relativ zur Messoberfläche zu einer höherfrequenten Modulation des Messsignals führt. Eine Auswertung der Phasenlage dieses höherfrequenten Signals kann benutzt werden, um die Genauigkeit der Abstandsbestimmung zu steigern.
Nachteilig ist dabei, dass zur Grobfestlegung des gemessenen Abstandes eine konfokale Optik bei der Sonde benötigt wird, die die Sonde wegen der benötigten Objektive aufwendig macht und einer Miniaturisierung der Größe des Sondenkopfes im Wege steht.
Nachteilig ist außerdem, dass die Messfrequenz, mit der der Sensor Abstandswerte liefert, durch die Frequenz der mechanischen Schwingung festgelegt ist.
In dem Artikel „Fiber optical interferometric sensor based on mechanical oscillation” von P. Lehmann et al., Proc. of SPIE, Vol. 7389, 2009, ist ein faseroptischer interferometrischer Sensor beschrieben, der an einem Biegebalken montiert und in mechanische Schwingungen versetzt wird. Von einem Lichtaustritt der Sonde auf ein Messobjekt gesendetes und von diesem reflektiertes Licht interferiert mit Licht aus einem Referenzstrahlengang. Ein resultierendes Interferenzsignal wird aufgezeichnet und seine Phasenlage relativ zu der Schwingungslage der mechanischen Oszillationsbewegung des Sensors bestimmt. Aus einer Änderung der Phasenlage kann auf eine Abstandsänderung geschlossen werden. Zur Bestimmung der Phasenlage des Interferenzsignals wird dieses über mindestens eine halbe Schwingungsperiode des Sensors aufgezeichnet, so dass auch hier die Messfrequenz, mit der die Anordnung Abstandswerte liefert, durch die Frequenz der mechanischen Schwingung festgelegt und somit begrenzt ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren zur interferometrischen Abstandsbestimmung zu schaffen, die mit einer einfachen und leicht miniaturisierbaren Sonde durchgeführt werden können und präzise und gleichzeitig schnelle Abstandsbestimmungen ermöglichen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung anzugeben, mit der eine solche Abstandsbestimmung mit hoher Messfrequenz durchgeführt werden kann.
Diese Aufgaben werden gelöst durch Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur interferometrischen Abstandsbestimmung mittels einer in einer Messrichtung schwingenden mikrooptischen Sonde gelöst. Dabei wird von einem Lichtaustritt der Sonde auf ein Messobjekt gesendetes und von diesem reflektiertes Licht mit Licht aus einem Referenzstrahlengang zu einer Interferenz gebracht, ein Interferenzsignal gemessen und eine Phasenlage des gemessenen Interferenzsignals im Bezug auf ein Referenzsignal, das eine Schwingungslage der mikrooptischen Sonde wiedergibt, zur Abstandsbestimmung verwendet. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Phasenlage aus dem gemessenen Interferenzsignal und einem daraus ermittelten und um nominell 90° phasenverschobenen Signal bestimmt wird.
Da das nominell 90° phasenverschobene Signal in Echtzeit ermittelt werden kann, kann der Abstand zwischen der mikrooptischen Sonde und einer Oberfläche des Messobjekts schnell bestimmt werden. Nicht mehr die Schwingungsfrequenz der mikrooptischen Sonde ist limitierend für die Häufigkeit, mit der Abstandsinformationen bestimmt werden können, sondern die sehr viel höhere Frequenz, mit der das Interferenzsignal gemessen werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das phasenverschobene Signal durch eine kontinuierliche Differentiation und eine kontinuierliche Integration des Interferenzsignals bestimmt. Dieses stellen einfach umsetzbare und in Echtzeit durchführbare Methoden zur Bestimmung des phasenverschobenen Signals dar. Bevorzugt wird das phasenverschobene Signal mit Hilfe eines Hochpassfilters und mithilfe eines Tiefpassfilters kontinuierlich aus dem Interferenzsignal bestimmt. Hochpassfilter und Tiefpassfilter stellen einfache und schnelle Möglichkeiten zur Durchführung einer Differentiation bzw. Integration dar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das phasenverschobene Signal anhand einer Hilbert-Transformation berechnet. Die Hilbert-Transformation stellt einen digital gut umsetzbaren Weg zur Bestimmung des phasenverschobenen Signals dar. Bevorzugt wird dabei eine Folge von zeitlich äquidistanten Messwerten des Interferenzsignals aufgenommen und die Hilbert-Transformation wird diskret über eine zusammenhängende Folge einer vorbestimmten Anzahl von Messwerten ausgeführt. Auf diese Weise kann die Phasenlage kontinuierlich zu jedem der Messwerte des Interferenzsignals bestimmt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren der gleichen Art, das sich dadurch auszeichnet, dass die Phasenlage mittels einer Frequenzmodulation(FM)-Demodulation aus dem gemessenen Interferenzsignal bestimmt wird. Die Vorteile entsprechen denen des ersten Aspekts.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das gemessene Interferenzsignal differenziert, um ein amplitudenmoduliertes Signal zu erzeugen, und es wird anschließend durch Integration einer Hüllkurve des amplitudenmodulierten Signals die Phasenlage bestimmt. Dieses stellt eine gut geeignete und einfach umsetzbare FM-Demodulationstechnik zur Bestimmung der Phasenlage dar.
Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung, die eine in einer Messrichtung schwingende mikrooptische Sonde aufweist. Die mikrooptische Sonde ist mit einer Lichtquelle zur Beleuchtung eines Messobjekts gekoppelt, wobei von der Lichtquelle auf das Messobjekt gesendetes und von diesem reflektiertes Licht mit Licht aus einem Referenzstrahlengang zur Interferenz gebracht wird und ein Fotosensor zur Messung eines Interferenzsignals vorgesehen ist. Eine Phasenlage des gemessenen Interferenzsignals in Bezug auf ein Referenzsignal, das eine Schwingungslage der mikrooptischen Sonde wiedergibt, wird zur Abstandsbestimmung verwendet. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der mikrooptische Sensor mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, aus dem Interferenzsignal ein nominell zu diesem um 90° phasenverschobenes Signal zu bilden und aus dem Interferenzsignal und dem phasenverschobenen Signal kontinuierlich die Phasenlage zu bestimmen. Die Vorteile entsprechen wiederum denen des ersten Aspekts.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von zwei Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung in einer schematischen Prinzipdarstellung und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung in einer schematischen Prinzipdarstellung.
Die in der 1 gezeigte Vorrichtung dient der Erfassung eines Abstandes von einer mikrooptischen Sonde 10 zu einer Oberfläche eines Messobjekts 1. Die mikrooptische Sonde 10 weist einen Biegebalken 11 auf, der an einem Ende an einer Befestigung 12 festgelegt ist. An einem anderen, freien Ende des Biegebalkens 11 ist eine Lichtleiterfaser 13 befestigt, mit einem Lichtaustritt 14, der in einem geringen Abstand vor dem Messobjekt 1 positioniert ist. An einem dem Lichtaustritt 14 gegenüberliegenden Ende mündet die Lichtleiterfaser 13 in einem Y-Teiler 15, der die Lichtleiterfaser 13 in zwei optisch mit der Lichtleiterfaser 13 gekoppelte Fasern aufteilt. Eine der Fasern führt zu einer Lichtquelle 16, über die Licht, bevorzugt mono- oder dichromatisches Licht, in die Lichtleiterfaser 13 eingekoppelt werden kann. Zu diesem Zweck vorhandene optische Elemente wie Objektive oder Blenden sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Als Lichtquelle 16 kann beispielsweise eine Laserdiode oder eine Kombination mehrerer Laserdioden eingesetzt werden.
Die zweite von dem Y-Teiler 15 ausgehende Faser endet an einem Fotosensor 17. Auch hier sind wiederum optische Elemente zur Ankopplung des Fotosensors 17 an die Faser aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Als Fotosensor 17 kann beispielsweise eine Fotodiode eingesetzt werden.
Im Betrieb der mikrooptischen Sonde 10 wird der Biegebalken 11 in Schwingungen in Messrichtung versetzt, derart, dass der Lichtaustritt 14 sich auf die Oberfläche des Messobjekts 1 zu und von dieser weg bewegt. Der Biegebalken 11 kann zu diesem Zweck einen piezoelektrischen Antrieb aufweisen oder als Ganzes durch ein piezoelektrisches Element gebildet sein. Zur Anregung der Schwingungsbewegung ist eine Ansteuerschaltung 20 vorgesehen, die einen Funktionsgenerator 21, beispielsweise ein Dreieckgenerator, und einen nachgeschalteten Treiberbaustein 22 umfasst. Typische Anregungsfrequenzen für die Schwingungsbewegung liegen zwischen 500 Hz und 50 kHz. Der Ausgang des vom Funktionsgenerator 21 ausgegebenen Signals ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Referenzsignal U_ref aus der Ansteuerschaltung 20 heraus geführt.
Von der Lichtquelle 16 emittiertes Licht tritt durch die Lichtleiterfaser 13 am Lichtaustritt 14 aus und wird dort zumindest teilweise von der Oberfläche des Messobjektes 1 reflektiert. Zwischen dem Lichtaustritt 14 und der Oberfläche des Messobjekts 1 können optional noch optische Elemente wie Linsen angeordnet sein, durch die eine Bündelung und/oder Fokussierung des üblicherweise divergent aus der Lichtleiterfaser 13 austretenden Lichts vorgenommen wird.
Ein Teil des von der Oberfläche des Messobjektes 1 reflektierten Lichts gelangt über den Lichtaustritt 14 zurück in die Lichtleiterfaser 13 (Messstrahlengang) und interferiert dort mit einem Teil des von der Lichtquelle 14 unmittelbar ausgesendeten Lichts (Referenzstrahlengang). Das Licht des Referenzstrahlengangs kann beispielsweise an dem Lichtaustritt 14 direkt in die Lichtleitfaser 13 zurückreflektiert werden oder an einer mitbewegten Reflexionsfläche vor der Oberfläche des Messobjektes 1. Die Überlagerung von Licht des Messstrahlengangs und des Referenzstrahlengangs gelangt in den Fotosensor 17. Auf Grund der Bewegung der mikrooptischen Sonde 10 und insbesondere des Lichtaustritts 14 durch die Biegeschwingung des Biegebalkens 11 senkrecht zur Oberfläche des Messobjekts 1 verändert sich die optische Weglänge im Messstrahlengang periodisch, wohingegen die optische Weglänge im Referenzstrahlengang, also im direkten Strahlengang von der Lichtquelle 16 zum Fotosensor 17, konstant bleibt. Die periodische Bewegung des Biegebalkens 11 führt damit zu einem modulierten Interferenzsignal am Fotosensor 17. Dieses wird vom Fotosensor 17 in ein entsprechendes Messsignal umgesetzt.
Das vom Fotosensor 17 ausgegebene Messsignal wird in einer Auswerteeinrichtung 30 ausgewertet, um Abstandswerte von der mikrooptischen Sonde 10 bzw. deren Lichtaustritt 14 zum Messobjekt 1 zu bestimmen. Zunächst wird das Messsignal des Fotosensors 17 einem Signalverstärker 31 zugeführt, wo es verstärkt wird. Im Signalverstärker 31 können elektrische Filter vorgesehen sein, um den auf das Interferenzsignal zurückgehenden Anteil des Messsignals von Störanteilen oder Anteilen, die von Fremdlicht herrühren, zu trennen. Das vom Signalverstärker 31 ausgegebene elektrische Signal, das das optische Interferenzsignal am Fotosensor 17 widerspiegelt, wird im Folgenden als Interferenzsignal U₀ bezeichnet.
Das Interferenzsignal U₀ wird in der Auswertereinrichtung 30 sowohl einem Hochpassfilter 32 als auch einem Tiefpassfilter 33 zugeführt. Der Hochpassfilter 32 und der Tiefpassfilter 33 weisen jeweils einen Widerstand 321, 331 sowie einen Kondensator 322, 332 auf, die so gewählt sind, dass die Zeitkonstanten (RC-Konstanten) bzw. die entsprechenden Eckfrequenzen beider Filter 32, 33 gleich sind und bevorzugt gleich der mittleren Frequenz des Interferenzsignals U₀ sind.
Der Hochpassfilter 32 und der Tiefpassfilter 33 weisen Ausgänge 323 bzw. 333 auf, die sind mit Eingängen eines Differenzverstärkers 34 verbunden sind. Am Ausgang 323 des Hochpassfilters 32 liegt ein Signal an, das gegenüber dem Interferenzsignal U₀ um nominell –45° phasenverschoben ist. Am Ausgang 333 des Tiefpassfilters 33 liegt ein Signal an, das um nominell +45° phasenverschoben gegenüber dem Interferenzsignal U₀ ist. Am Ausgang des Differenzverstärkers 34 wird folglich ein Signal bereitgestellt, das um nominell 90° phasenverschoben zu dem Interferenzsignal U₀ ist und im Folgenden als phasenverschobenes Signal U₉₀ bezeichnet wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass sich die Angabe der Phasenverschiebungen von +/–45° bzw. 90° auf eine Situation bezieht, in der das Interferenzsignal U₀ eine Frequenz hat, die genau bei der Eckfrequenz der Filter 32, 33 liegt. Dieses wird durch den Zusatz „nominell” bei den Phasenverschiebungen angegeben. Durch die Bewegung des Biegebalkens 11 ist das Interferenzsignal U₀ jedoch frequenz- bzw. phasenmoduliert. Die Bestimmung der phasenverschobenen Signale kommt einer Demodulation der Phasenverschiebung des Interferenzsignals gleich. In einer komplexen Darstellung des Interferenzsignals durch Real- und Imaginärteil entspricht das gemessene Interferenzsignal U₀ dem Realteil, auch Kosinusanteil genannt, und das um das 90° phasenverschobene Signal U₉₀ dem Imaginärteil, auch Sinuskomponente, genannt. Die Phasenverschiebung des Interferenzsignals kann über eine Arkustangensfunktion aus dem Quotienten aus Imaginärteil und Realteil bestimmt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass das Vorzeichen der Phasenverschiebung dabei z. B. durch Differentiation aus dem Referenzsignal U_ref hervorgeht. Dabei muss ggf. eine Phasenverschiebung zwischen dem Anregungssignal des Biegebalkens 11, also dem Referenzsignal U_ref bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, und der tatsächlichen mechanischen Bewegung berücksichtigt werden.
Bei der gezeigten Vorrichtung werden das um das 90° phasenverschobene Signal U₉₀ (Sinusanteil) am Ausgang des Differenzverstärkers 34 und das gemessene Interferenzsignal U₀ zur weiteren Auswertung einem Datenakquisitionsmodul 35 zugeführt. Das Datenakquisitionsmodul 35 enthält Analog/Digital (A/D-Wandler), gegebenenfalls mit vorgeschalteten Sample- und Hold-Gliedern. Über einen weiteren Eingang wird vom Datenakquisitionsmodul 35 das Referenzsignal U_ref, das die Bewegung des Biegebalkens 11 beschreibt, zugeführt. Die vom Datenakquisitionsmodul 35 erfassten und digitalisierten Daten werden zur weiteren Auswertung und ggf. Darstellung an einen Auswerterechner 36 übergeben.
Wenn beim Betrieb der anmeldungsgemäßen Vorrichtung der mittlere Abstand der mikrooptischen Sonde 10 bzw. deren Lichtaustritt 14 zum Messobjekt 1 konstant bleibt, zeigt der aus dem Sinusanteil und dem Kosinusanteil berechnete Phasenverlauf die Höhenposition der mikrooptischen Sonde 10, d. h. den Abstand von der Oberfläche des Messobjekts 1, multipliziert mit einem Faktor 4π/λ modulo 2π, wobei λ die Wellenlänge des benutzten Lichts angibt. Unter der Annahme, dass die Abstandsänderung aufgrund der Schwingungsbewegung des Biegebalkens 11 bekannt ist, kann diese von dem bestimmten Abstandswert abgezogen werden und es kann für jeden Messpunkt, den das Datenakquisitionsmodul 35 ausgibt, ein mittlerer Abstand der mikrooptischen Sonde 10 angegeben werden. Mittlerer Abstand bedeutet hier, dass der Abstand über eine Schwingungsperiode des Biegebalkens 11 gemittelt ist, oder in anderen Worten, dass sich der Abstand auf eine definierte Auslenkung der Schwingung des Biegebalkens 11, beispielsweise die Ruheposition, bezieht.
Die zur Abstandsbestimmung eingesetzte Demodulation kann ihrerseits gegenüber dem Referenzsignal U_ref phasenverschoben sein, da die tatsächliche mechanische Bewegung des Biegebalkens üblicherweise phasenverschoben zum Anregungssignal der Bewegung, wie es vom Treiber 22 ausgegeben wird, ist. Zudem können in der Signalverarbeitung des Interferenzsignals, beispielsweise durch den Signalverstärker 31, Phasenverschiebungen zwischen dem optischen Signal und dem ausgegebenen elektrischen Interferenzsignal auftreten. Solche vom Abstand der mikrooptischen Sonde 10 und der Oberfläche des Messobjekts 1 unabhängigen Phasenbeziehungen können jedoch rechnerisch, beispielsweise über eine im Auswerterechner 36 hinterlegte Umwandlungstabelle, korrigiert werden. Eine solche Umwandlungstabelle enthält beispielsweise die tatsächliche mechanische Position des Lichtaustritts 14 in Abhängigkeit vom Wert des anregenden elektrischen Signals. Zudem kann in einer Alternative zur dargestellten Ausführungsform auch vorgesehen sein, am Biegebalken 11 einen Sensor zur Erfassung der mechanischen Bewegung anzubringen, der eine Bestimmung der tatsächlichen Position des Biegebalkens bzw. des Lichtaustritts 14 erlaubt, die dann zur Bildung des Referenzsignals U_ref herangezogen wird. Als Sensor kann ein Beschleunigungs- oder ein Positionssensor eingesetzt werden.
Verändert sich der mittlere Abstand zwischen der mikrooptischen Sonde 10 und dem Messobjekt 1, verändert sich damit auch der zeitliche Verlauf der aus dem Sinus- und dem Kosinusanteil bestimmten Phasenlage des Interferenzsignals im Vergleich zum Referenzsignal U_ref. Dadurch, dass diese Phasenlage kontinuierlich bestimmt wird, kann die Auswerteeinrichtung 30 kontinuierlich ein Abstandssignal generieren. Ändert sich der Abstand zwischen der mikrooptischen Sonde 10 und dem Messobjekt 1 innerhalb der Zeitauflösung, mit der eine neue Abstandsinformation ausgegeben wird, um weniger als eine viertel Wellenlänge des benutzten Lichts, kann kontinuierlich eine Abstandsinformation gewonnen werden. Da ein Über- oder Unterschreiten des einer einzelnen Messung zugänglichen Abstandsbereichs von einer halben Wellenlänge, auch Eindeutigkeitsbereich genannt, nachvollzogen werden kann (sogenanntes Phase-Unwrapping), kann das anmeldungsgemäße Verfahren Abstandsinformationen über einen Abstandsbereich liefern, der größer ist als der Eindeutigkeitsbereich. Dieses wird durch die kontinuierliche und damit schnelle Auswertung möglich, da erst diese ein Nachverfolgen einer Abstandsänderung, z. B. bei einem lateralen Abtasten (Abscannen) der Oberfläche des Messobjekts 1, bei der aufeinanderfolgende Abstandsmessungen sich nicht um mehr als eine viertel Wellenlänge unterscheiden. Die Messgeschwindigkeit ist beim anmeldungsgemäßen Verfahren im Wesentlichen nur durch die Erfassungs- und Umwandlungsrate des Datenakquisitionsmodul 35 limitiert, die technisch problemlos im Bereich von Mega-Hertz (MHz) liegen kann.
Bei der zuvor betrachteten monochromatischen Lichtquelle entspricht eine Abstandsänderung um eine halbe Wellenlänge einer Phasenverschiebung des Interferenzsignals um 2π (bzw. 360°). Wenn als Lichtquelle 16 eine dichromatische Lichtquelle eingesetzt wird, gilt das zuvor gesagte für eine effektive Wellenlänge von Λ = λ₁λ₂/(λ₂ – λ₁), wobei λ₁ und λ₂ die beiden benutzten Wellenlängen der dichromatischen Beleuchtung sind. Bei geeigneter Wahl der Wellenlängen λ₁ und λ₂ ist Λ deutlich größer als jede einzelne Wellenlänge der Wellenlängen λ₁, λ₂, wodurch der Eindeutigkeitsbereich gegenüber einer Abstandsmessung mit monochromatischem Licht erweitert werden kann.
Vorteilhaft werden Kalibriermessungen durchgeführt, um den Verlauf der Phasenlage relativ zum Referenzsignal U_ref bei konstantem Abstand des Lichtaustritts 14 der mikrooptischen Sonde 10 zu ermitteln und zu hinterlegen. Zur Bestimmung des Abstands kann der gemessene Verlauf der Phasenlage mit diesen hinterlegten Phasenlagen aus den Kalibriermessungen verglichen werden.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in 2 gleiche oder gleich wirkende Elemente wie bei 1. Bezüglich des Aufbaus und der Funktionsweise der mikrooptischen Sonde 10, des Y-Kopplers 15, der Lichtquelle 16, des Fotosensors 17 und des Signalverstärkers 31, sowie der Ansteuerschaltung 20 wird auf die Beschreibung im Zusammenhang mit 1 verwiesen. Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird neben dem Referenzsignal U_ref nur das gemessene Interferenzsignal U₀ vom Ausgang des Signalverstärkers 31 dem Datenakquisitionsmodul 35 zugeführt.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 wird ein nominell um 90° phasenverschobenes Signal U₉₀ digital erzeugt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dazu eine durch Software realisierte Transformationseinheit 37 in dem Auswerterechner 36 vorhanden. Alternativ kann auch eine separate Transformationseinheit vorgesehen sein, die z. B. einen DSP (Digital Signal Processor) umfasst.
Eine Möglichkeit zur digitalen Erzeugung des nominell um 90° phasenverschobenen Signals U₉₀ stellt die Hilbert-Transformation dar, die entweder als digitales Filter im Zeitbereich oder nach Anwendung einer schnellen Fourier-Transformation (FFT – Fast Fourier Transform) durch Filterung im Frequenzbereich und anschließende Rücktransformation realisiert werden kann. Die Hilbert-Transformation wird bevorzugt in einem nicht rekursiven diskreten Verfahren durchgeführt. Um eine kontinuierliche Information über die Phasenlage des Interferenzsignals U₀ zu erhalten, wird eine solche diskrete Hilbert-Transformation jeweils für eine vorbestimmte Anzahl von zurückliegenden Messpunkten des Interferenzsignals ausgeführt. Es wird gewissermaßen gleitend zu jedem neuen Messpunkt eine Hilbert-Transformation durchgeführt. Das jeweilige Ergebnis der Hilbert-Transformation bildet dann den Kosinusanteil des Interferenzsignals in komplexer Darstellung und das unmittelbar gemessene Interferenzsignal den Sinusanteil.
In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Demodulation eines gemessenen Interferenzsignals über Frequenz-Demodulationsverfahren. Hierbei wird ein gemessenes Interferenzsignal U₀ analog oder digital demoduliert. Wie im Zusammenhang mit 1 ausgeführt ist, ist das gemessene Interferenzsignal U₀ ein phasenmoduliertes Signal. Solange der betrachtete Frequenzbereich beschränkt ist, ist eine Phasenmodulation äquivalent zu einer Frequenzmodulation (FM). Beide können ineinander überführt werden. Das phasenmodulierte Interferenzsignal U₀ kann daher auch als frequenzmoduliertes Signal angesehen werden und mit aus der FM-Demodulationstechnik bekannten Verfahren demoduliert werden. Eine Möglichkeit der Demodulation besteht in einer Wandlung des frequenzmodulierten Signals in ein amplitudenmoduliertes Signal. Dies kann durch numerische oder analoge Differentiation erfolgen. Geht man von einem frequenzmodulierten sinusförmigen Grundsignal mit konstanter Amplitude aus, führt die Differentiation dazu, dass die zeitliche Ableitung des zeitabhängigen Phasenterms im Argument der Sinusfunktion als zeitabhängige Amplitude vor dem höherfrequenten Signalanteil erscheint und das Signal somit in ein amplitudenmoduliertes Signal überführt wird. Eine Tiefpassfilterung mit geeigneter Grenzfrequenz (ggf. nach vorangegangener Gleichrichtung) liefert dann einen Hüllkurvenverlauf, aus dem wiederum durch Integration der zeitliche Phasenverlauf hervorgeht. Aus dem Hüllkurvenverlauf des amplitudenmodulierten Signals kann so der Bewegungsverlauf des Biegebalkens, der zur Bewegung der mikrooptischen Sonde in der Messrichtung eingesetzt wird, gewonnen werden. Dem übergelagert ist die gesuchte Information über den Abstand der mikrooptischen Sonde von der Oberfläche des Messobjekts. Durch Separation beider Anteile kann die Abstandsinformation isoliert werden. Es gilt der gleiche Geschwindigkeitsvorteil wie bei den zuvor beschriebenen Phasen-Demodulationsverfahren.
Bezugszeichenliste

1: Messobjekt
10: mikrooptische Sonde
11: Biegebalken
12: Befestigung
13: Lichtleiterfaser
14: Lichtaustritt
15: Y-Teiler
16: Lichtquelle
17: Fotosensor
20: Ansteuerschaltung
21: Dreiecksignalgenerator
22: Treiber
30: Auswerteeinheit
31: Signalverstärker
32: Hochpassfilter
33: Tiefpassfilter
34: Differenzverstärker
35: Datenakquisitionsmodul
36: Auswerterechner
37: Transformationseinheit
321, 331: Widerstand
322, 332: Kondensator
323, 333: Filterausgang
U₀: (elektrisches) Interferenzsignal
U₉₀: 90° phasenverschobenes Signal
U_ref: Referenzsignal

Claims

Verfahren zur interferometrischen Abstandsbestimmung mittels einer in einer Messrichtung schwingenden mikrooptischen Sonde (10), wobei von einem Lichtaustritt (14) der Sonde (10) auf ein Messobjekt (1) gesendetes und von diesem reflektiertes Licht mit Licht aus einem Referenzstrahlengang zu einer Interferenz gebracht wird, ein Interferenzsignal (U₀) gemessen wird und eine Phasenlage des gemessenen Interferenzsignals (U₀) im Bezug auf ein Referenzsignal (U_ref), das eine Schwingungslage der mikrooptischen Sonde (10) wiedergibt, zur Abstandsbestimmung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage aus dem gemessenen Interferenzsignal (U₀) und einem daraus ermittelten und um nominell 90° phasenverschobenen Signal (U₉₀) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das phasenverschobenes Signal (U₉₀) durch eine kontinuierliche Differentiation und eine kontinuierliche Integration des Interferenzsignals (U₀) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das phasenverschobene Signal (U₉₀) mit Hilfe eines Hochpassfilters (32) und mit Hilfe eines Tiefpassfilters (33) kontinuierlich aus dem Interferenzsignal (U₀) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das phasenverschobene Signal (U₉₀) anhand einer Hilbert-Transformation berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem eine Folge von zeitlich äquidistanten Messwerten des Interferenzsignals (U₀) aufgenommen wird und die Hilbert-Transformation diskret über eine zusammenhängende Folge einer vorbestimmten Anzahl von Messwerten ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem zu jedem aufgenommenen Messwert eine diskrete Hilbert-Transformation über die vorbestimmte Anzahl zuvor aufgenommener Messwerte durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zur Bestimmung der Phasenlage der Arcustangens des Quotienten aus dem phasenverschobenen Signal (U₉₀) und dem Interferenzsignal (U₀) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Phasenlage zur Bestimmung des Abstands mit hinterlegten Phasenlagen aus Kalibriermessungen verglichen wird.
Verfahren zur interferometrischen Abstandsbestimmung mittels einer in einer Messrichtung schwingenden mikrooptischen Sonde (10), wobei von einem Lichtaustritt (14) der Sonde (10) auf ein Messobjekt (1) gesendetes und von diesem reflektiertes Licht mit Licht aus einem Referenzstrahlengang zu einer Interferenz gebracht wird, ein Interferenzsignal (U₀) gemessen wird und eine Phasenlage des gemessenen Interferenzsignals (U₀) im Bezug auf ein Referenzsignal (U_ref), das eine Schwingungslage der mikrooptischen Sonde (10) wiedergibt, zur Abstandsbestimmung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage mittels einer FM-Demodulation aus dem gemessenen Interferenzsignal (U₀) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das gemessene Interferenzsignal (U₀) differenziert wird, um ein amplitudenmoduliertes Signal zu erzeugen, und bei dem anschließend durch Integration einer Hüllkurve des amplitudenmodulierten Signals die Phasenlage bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Differentiation, die Hüllkurvenbestimmung und die Integration zur Bestimmung der Phasenlage digital durchgeführt werden.
Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung, aufweisend eine in einer Messrichtung schwingende mikrooptische Sonde (10), die mit einer Lichtquelle (16) zur Beleuchtung eines Messobjekt (1) gekoppelt ist, wobei von der Lichtquelle (16) auf das Messobjekt (10) gesendetes und von diesem reflektiertes Licht mit Licht aus einem Referenzstrahlengang zur Interferenz gebracht wird und ein Fotosensor (17) zu Messung eines Interferenzsignals (U₀) vorgesehen ist, und wobei eine Phasenlage des gemessenen Interferenzsignals (U₀) in Bezug auf ein Referenzsignal (U_ref), das eine Schwingungslage der mikrooptischen Sonde (10) wiedergibt, zur Abstandsbestimmung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der mikrooptische Sensor (10) mit einer Auswerteeinrichtung (30) verbunden ist, die dazu eingerichtet ist, aus dem Interferenzsignals (U₀) ein nominell zu diesem um 90° phasenverschobenes Signal (U₉₀) zu bilden und aus dem Interferenzsignal (U₀) und dem phasenverschobenen Signal (U₉₀) kontinuierlich die Phasenlage zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Auswerteeinrichtung (30) einen Hochpassfilter (32) und einen Tiefpassfilter (33) für das Interferenzsignal (U₀) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Auswerteeinrichtung (30) einen Differenzverstärker (34) umfasst, mit einem ersten Eingang, der mit einem Ausgang (323) des Hochpassfilters (32) und einem zweiten Eingang, der mit einem Ausgang (333) des Tiefpassfilters (33) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Auswerteeinrichtung (30) eine Transformationseinheit (37) zur Durchführung einer Hilbert-Transformation umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei der die mikrooptische Sonde (10) einen Biegebalken (11) aufweist, der durch einen Piezo-Aktuator bewegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der das Referenzsignal (U_ref) aus einem Ansteuersignal des Piezo-Aktuators gewonnen wird.