DE102014108886B3

DE102014108886B3 - Vorrichtung und Verfahren zur interferometrischen Abstandsbestimmung

Info

Publication number: DE102014108886B3
Application number: DE102014108886.7A
Authority: DE
Inventors: Peter Lehmann; Markus Schulz
Original assignee: Universitaet Kassel
Current assignee: Universitaet Kassel
Priority date: 2014-06-25
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2034-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abstandsbestimmung mittels einer Interferometeranordnung (30), wobei – von einem Messobjekt (1) reflektiertes Licht eines Messstrahlengangs mit Licht aus einem Referenzstrahlengang zu einer Interferenz gebracht wird, – eine optische Weglänge eines der Strahlengänge periodisch verändert wird und ein Interferenzsignal gemessen wird – eine Phasenlage des gemessenen Interferenzsignals aus dem gemessenen Interferenzsignal und einem daraus ermittelten und um nominell 90° phasenverschobenen Signal bestimmt wird und – ein Abstand (d) von der Interferometeranordnung (30) zum Messobjekt (1) aus der Phasenlage und einem Referenzsignal, das einen Unterschied der optischen Weglängen in den beiden Strahlengängen wiedergibt, bestimmt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass dichromatisches Licht mit einer ersten und einer zweiten Wellenlänge (λ1, λ2) verwendet wird, wobei eine optische Weglänge in zwei Referenzstrahlengängen unabhängig voneinander für jede der Wellenlängen (λ1, λ2) periodisch verändert wird, und wobei die periodische Veränderung der optischen Weglänge für die beiden Wellenlängen (λ1, λ2) phasenverschoben erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abstandsbestimmung mittels einer Interferometeranordnung, wobei von einem Messobjekt reflektiertes Licht eines Messstrahlengangs mit Licht aus einem Referenzstrahlengang zu einer Interferenz gebracht wird, eine optische Weglänge eines der Strahlengänge periodisch verändert wird und ein Interferenzsignal gemessen wird. Weiter wird eine Phasenlage des gemessenen Interferenzsignals aus dem Interferenzsignal und einem daraus ermittelten und um nominell 90° phasenverschobenen Signal bestimmt und ein Abstand von der Interferometeranordnung zum Messobjekt aus der Phasenlage und einem Referenzsignal, das einen Unterschied der optischen Weglängen in den beiden Strahlengängen wiedergibt, ermittelt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Abstandsbestimmung, insbesondere eine faseroptischen Interferometeranordnung, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
Aufgrund immer präziseren Herstellverfahren von Produkten mit komplexen Geometrien und geringen Toleranzen, zum Beispiel optischen Komponenten für Kameras oder Einspritzsystemen für energieeffiziente Verbrennungsmotoren, steigen die Anforderungen an eine produktionsbegleitende Fertigungsmesstechnik, mit der die Geometrie der Oberfläche einer optischen und/oder mechanischen oder elektromechanischen Komponente auch bei Bauelementen mit geringer Baugröße schnell, mit Auflösung im Nanometerbereich und kostengünstig vermessen werden kann. Die geforderte hohe Auflösung der Bestimmung des Abstands prädestiniert interferometrische Verfahren für diesen Messzweck. Die hohe Lateralauflösung lässt sich insbesondere mit faseroptischen Anordnungen erreichen, die eine punktförmige Messung bei kleiner Baugröße zulassen.
Die Druckschrift DE 10 2006 007 573 A1 beschreibt ein Messverfahren, bei dem eine Objektoberfläche optisch abgetastet wird, um eine Höhenstruktur des Objekts zu bestimmen. Dabei wird ein Referenzlichtbündel in einem Interferometer mit einem Messlichtbündel überlagert und in unterschiedlich polarisierte Komponenten zerlegt, die von verschiedenen Kameras aufgezeichnet werden. Aus beiden Interferenzbildern der Kameras wird ein Differenzbild erzeugt. Bei Verwendung von kurzkohärentem Licht haben Bildpunkte des Differenzbildes nur in einem bestimmten Tiefenbereich der Objektstruktur eine von Null verschiedene Helligkeit. Bei einer Ausführungsform wird eine dichromatische Lichtquelle verwendet, wobei von dem Kameras in diesem Fall nicht unterschiedliche Polarisationskomponenten erfasst werden, sondern die unterschiedlichen, in der dichromatischen Lichtquelle vorhandenen Wellenlängen. Das Verfahren ist gut zur Abbildung der Topologie eines Objekts geeignet. Aufgrund der Bildverarbeitung ist es jedoch schwierig, eine hohe zeitliche Auflösung zu erzielen.
Der Artikel „Interferometic sensors based on sinusoidal optical path length modulation” von Holger Knell et al., Proc. of SPIE Vol. 9132, 2014, beschreibt ein fasergekoppeltes Interferometer zur Abstandsmessung, wobei alternativ zwei verschiedene Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen des emittierten Lichts verwendet werden können, um den Messbereich, in dem eine Abstandsmessung eindeutig erfolgen kann, zu vergrößern.
Das eingangs beschriebene Verfahren, bei dem eine Demodulation des Interferenzsignals zur Ermittlung der Phasenlage anhand eines nominell um 90° phasenverschobenen Signals des Interferenzsignals erfolgt, ist aus der Patentschrift DE 10 2011 001 161 B4 bekannt. Gemäß dieser Schrift wird ein Abstand von der Interferometeranordnung zum Messobjekt aus einer Phasenlage des gemessenen Interferenzsignals und einem Unterschied der optischen Weglängen in einem Mess- und einem Referenzstrahlengang ermittelt. Die Phasenlage wird dabei aus dem gemessenen Interferenzsignal und einem nominell dazu um 90° phasenverschobenen Signal ermittelt. Das phasenverschobene Signal kann rechnerisch in Echtzeit bestimmt werden, wodurch der Abstand zwischen der Anordnung und einer Oberfläche des Messobjekts sehr schnell ermittelt werden kann. Vorteilhaft ist nicht mehr die Periodendauer der optischen Weglängenänderung limitierend für die Häufigkeit, mit der Abstandsinformationen bestimmt werden können, sondern die sehr viel höhere Frequenz, mit der das Interferenzsignal gemessen werden kann. Diese ist durch die Änderungsgeschwindigkeit des modulierenden Bauelements limitiert, ferner durch die verwendeten optoelektronischen Komponenten, beispielsweise die als Detektoren für das Interferenzsignal verwendeten Fotodioden, und die Geschwindigkeit einer Auswerteelektronik. Die Phasenlage des Interferenzsignals und damit der Abstand zwischen Anordnung und Messobjekt können somit vielfach während einer Periodendauer der optischen Weglängenänderung ermittelt werden. In der genannten Patentschrift wird die optische Weglängenänderung durch eine harmonische Oszillation der optischen Sonde vor dem Messobjekt erreicht.
Eine Einschränkung ist jedoch an den Umkehrpunkten der Schwingungsbewegung gegeben, an denen die Interferenzsignalfrequenz gegen null geht und die Phasenlage damit undefiniert ist. Entsprechend können im Bereich der Umkehrpunkte keine Abstandsmessergebnisse ermittelt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu beschreiben, mit dem eine Abstandsbestimmung kontinuierlich mit hoher Abtastfrequenz erfolgen kann, wobei insbesondere auch an den Umkehrpunkten der periodischen Veränderung der optischen Weglänge Abstandsinformationen ermittelt werden können. Es ist eine weitere Aufgabe, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Abstandsbestimmung mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass dichromatisches Licht mit einer ersten und einer zweiten Wellenlänge verwendet wird, wobei eine optische Weglänge in zwei Referenzstrahlengängen unabhängig voneinander für jede der Wellenlängen periodisch verändert wird, und wobei die periodische Veränderung der optischen Weglänge für die beiden Wellenlängen phasenverschoben erfolgt.
Durch die für die beiden Wellenlängen unterschiedliche Phasenverschiebung der periodischen Veränderung der optischen Weglänge durchlaufen die Schwingungsbewegungen, durch die die optische Weglänge periodisch verändert wird, ihre jeweiligen Umkehrpunkte zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Somit stehen zu jeder Zeit geeignete Interferenzsignale für mindestens eine der Wellenlängen für die Abstandsmessung zur Verfügung. Bei einer Auswertung der Interferenzsignale kann entsprechend abhängig von der jeweiligen Phasenlage der periodischen Veränderung der optischen Weglänge das jeweils auswertbare Signal der Auswertung zugrunde gelegt werden. Es kann somit unterbrechungsfrei die Abstandsmessung vorgenommen werden. Möglich wird die für die verschiedenen Wellenlängen unterschiedliche Phasenverschiebung der periodischen Veränderung dadurch, dass die periodische Veränderung in zwei unterschiedlichen Referenzstrahlengängen und nicht im gemeinsamen Messstrahlengang vorgenommen wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die periodische Veränderung der optischen Weglänge für die beiden Wellenlängen um 90° phasenverschoben. Auf diese Weise steht zu jedem Zeitpunkt ein bestmögliches Interferenzsignal für die Abstandsmessung zur Verfügung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die periodische Veränderung der optischen Weglänge im Referenzstrahlengang durch Bewegung je eines Referenzspiegels. Die Verwendung von zwei beweglichen Referenzspiegeln erlaubt es messtechnisch auf einfache Weise, unterschiedliche Phasenverschiebungen der periodischen Veränderung der optischen Weglänge für die unterschiedlichen Wellenlängen vorzusehen. Bevorzugt erfolgt eine Auswertung eines der Interferenzsignale getrennt für Licht jeder der beiden Wellenlängen. Insbesondere wird dabei dasjenige der Interferenzsignale herangezogen, dessen zugeordneter Referenzspiegel sich in Bewegung befindet.
Bevorzugt erfolgt die periodische Veränderung der optischen Weglänge im Referenzstrahlengang mit einer Frequenz größer als 10 kHz und insbesondere größer als 20 kHz. Bei derartig hohen Frequenzen wird die Abstandsmessung mit so hohen Wiederholraten durchgeführt, dass sie sich zum Abtasten einer Oberfläche und zum Erstellen von Oberflächenprofilen eignet. Wenn die Frequenz oberhalb des Hörschallbereichs liegt, beispielsweise oberhalb von 20 kHz, wird zudem eine akustische Beeinträchtigung für Benutzer vermieden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das phasenverschobene Signal durch eine kontinuierliche Differentiation und eine kontinuierliche Integration des Interferenzsignals bestimmt. Beispielsweise kann das phasenverschobene Signal mit Hilfe eines Hochpassfilters und mithilfe eines Tiefpassfilters kontinuierlich aus dem Interferenzsignal bestimmt wird. In einer dazu alternativen weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das phasenverschobene Signal anhand einer Hilbert-Transformation berechnet.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung weist eine Interferometeranordnung auf, durch die von einem Messobjekt reflektiertes Licht eines Messstrahlengangs mit Licht aus einem Referenzstrahlengang zu einer Interferenz gebracht wird, eine optische Weglänge eines der Strahlengänge periodisch verändert wird und ein Interferenzsignal gemessen wird. Eine Phasenlage des gemessenen Interferenzsignals wird aus dem gemessenen Interferenzsignal und einem daraus ermittelten und um nominell 90° phasenverschobenen Signal bestimmt und es wird und ein Abstand von der Interferometeranordnung zum Messobjekt aus der Phasenlage und einem Referenzsignal, das einen Unterschied der optischen Weglängen in den beiden Strahlengängen wiedergibt, bestimmt. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine dichromatische Lichtquelle zur Emission von Licht zweier unterschiedlicher Wellenlängen vorgesehen ist und dass die Interferometeranordnung ein Interferenzsignal unabhängig voneinander für Licht jeder der Wellenlängen erzeugt, wobei für Licht jeder der Wellenlängen ein Referenzstrahlengang mit einem zugeordneten bewegbaren Referenzspiegel vorgesehen ist, und wobei die Referenzspiegel phasenverschoben bewegt werden. Die beschriebene Vorrichtung ist zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens geeignet. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile.
In vorteilhaften Ausgestaltungen der Vorrichtung werden die Referenzspiegel mithilfe von Piezo-Aktoren oder mithilfe von induktiven Schallwandlern bewegt. Beide Antriebe sind geeignet, um die Referenzspiegel mit ausreichender Präzision und Frequenz zu bewegen. Beide Umsetzungen sind zudem gut miniaturisierbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung sind in den Referenzstrahlengängen wellenlängenselektive Elemente angeordnet. Auf diese Weise wird erreicht, dass die optische Weglänge des Lichts der unterschiedlichen Wellenlängen in den verschiedenen Referenzstrahlengängen getrennt voneinander moduliert werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung sind die Lichtquelle und/oder Fotosensoren zur Erfassung des jeweiligen Interferenzsignals über optische Fasern mit der Interferometeranordnung verbunden. Bevorzugt ist die Interferometeranordnung als mikrooptische Sonde ausgebildet. Durch die Fasern können die genannten Elemente von der Interferometeranordnung getrennt werden und diese kann so besonders kompakt aufgebaut werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1, 2 jeweils eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung, und
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung mit einer mikrooptischen Sonde.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsmessung in einer schematischen Prinzipdarstellung. Die Anordnung umfasst eine Lichtquelle 10, die dichromatisches Licht zweier verschiedener Wellenlängen λ₁, λ₂ in eine Faser 20 einkoppelt. Von der Faser wird das austretende Licht in eine Interferometeranordnung 30 eingekoppelt, von der aus das Licht gebündelt auf ein Messobjekt 1 gestrahlt wird. Mit der dargestellten Anordnung kann eine Änderung eines Abstands d zwischen der Interferometeranordnung 30 und einer Oberfläche des Messobjekts 1 erfasst werden.
Die Lichtquelle 10 umfasst zwei hier nicht gesondert dargestellte Lichtemitter, beispielsweise Laserdioden, die jeweils Licht der Wellenlänge λ₁ bzw. λ₂ erzeugen. Dieses Licht wird über die Faser 20 an die Interferometeranordnung 30 weitergeleitet.
Das Licht tritt divergent aus der Faser 20 aus und wird von einer Einkoppellinse 31 der Interferometeranordnung 30 zu einem parallelen Strahlenbündel geformt. Nach Durchgang durch einen Strahlteiler 32, beispielsweise einen Prismenstrahlteiler, wird das Licht durch eine Auskoppellinse 33 auf das Messobjekt 1 fokussiert. Innerhalb der Interferometeranordnung 30 ist der Strahlengang des Lichts durch gestrichelte bzw. punktierte Linien veranschaulicht. Eine gestrichelte Linie gibt dabei Licht der Wellenlänge λ₁ wieder, eine gepunktete Linie Licht der Wellenlänge λ₂. Eine strich-punktierte Linie gibt ein Strahlenbündel an, das sowohl Licht der Wellenlänge λ₁, als auch der Wellenlänge λ₂ aufweist.
Der Strahlengang des Lichts, der auf das Messobjekt 1 fällt und von diesem reflektiert wieder in die Interferometeranordnung 30 gelangt, wird nachfolgend auch als Messstrahlengang bezeichnet.
Im Strahlteiler 32 wird ein Teil des einfallenden Lichts abgelenkt (in der Figur nach rechts) und bildet einen Referenzstrahlengang. Im Referenzstrahlengang ist ein Strahlteiler 34 mit Filterwirkung angeordnet, beispielsweise ein dichroitisches Strahlteilerplättchen. Licht der ersten Wellenlänge λ₁ wird von dem filternden Strahlteiler 34 durchgelassen und über eine erste Fokussierlinse 35.1 auf einen ersten bewegbaren Referenzspiegel 36.1 fokussiert. Licht der zweiten Wellenlänge λ₂ wird vom filternden Strahlteiler 34 um 90° abgelenkt (in der Figur nach oben), durch eine zweite Fokussierlinse 35.2 gebündelt und trifft auf einen zweiten bewegbaren Referenzspiegel 36.2. Die bewegbaren Referenzspiegel 36.1, 36.2 dienen einer Veränderung der Länge des Referenzstrahlengangs. Durch die Verwendung des filternden Strahlteilers 34 und der zweifachen Ausführung der Referenzspiegel 36.1, 36.2 kann bei der dargestellten Interferometeranordnung 30 die optische Weglänge des Referenzstrahlengangs unabhängig voneinander für Licht der beiden Wellenlängen λ₁, λ₂ moduliert werden.
Die Referenzspiegel 36.1, 36.2 können elektromechanisch bewegt werden, beispielsweise über einen Piezo-Aktuator oder einen induktiven Schallwandler (z. B. wie bei einem Lautsprecher). Sie weisen weiter bevorzugt eine geringe Masse auf, so dass sie mit einer hohen Anregungsfrequenz im Bereich von einigen Kilohertz (kHz) oder einigen 10 kHz betrieben werden können. Besonders vorteilhaft liegt die Anregungsfrequenz oberhalb des Hörschallbereichs, beispielsweise oberhalb von 20 kHz, so dass eine akustische Beeinträchtigung für Benutzer vermieden wird. Die Bewegung der Referenzspiegel 36.1, 36.2 wird bevorzugt mit einer Schwingungsamplitude von etwa λ/2 bis 2·λ, mit λ = λ₁ bzw. λ = λ₂.
Bei dem dargestellten System ist die Bewegungsrichtung der Referenzspiegel 36.1, 36.2 durch Bewegungspfeile symbolisiert. Bei dem Referenzspiegel 36.1 liegt die Bewegungsrichtung senkrecht zu dem zu vermessenden Abstand d. Dieses bietet den Vorteil, dass Störschwingungen, die von der Bewegung des ersten Referenzspiegels 36.1 auf die Interferometeranordnung 30 übertragen werden, nicht zu einer Abstandsänderung der Interferometeranordnung 30 zum Messobjekt 1 führen. Der besseren Darstellung halber verläuft der Referenzstrahlengang für das Licht der zweiten Wellenlänge λ₂ in der 1 nach oben. In einer Umsetzung der dargestellten Anordnung kann der entsprechende Interferenzarm jedoch auch in die Zeichnungsebene hineinreichen, so dass auch der zweite Referenzspiegel 36.2 sich in einer Richtung senkrecht zur Messrichtung für den Abstand d bewegt.
Das von den Referenzspiegeln 36.1, 36.2 reflektierte Licht im Referenzstrahlengang passiert zumindest zu einem Teil den Strahlteiler 32. Das Licht im Messstrahlengang, das von dem Messobjekt 1 reflektiert ist, wird ebenfalls zumindest zu einem Teil im Strahlteiler 32 nach links abgelenkt und überlagert sich dort mit dem Licht des Referenzstrahlengangs. Auch in dem in 1 linken Arm der Interferometeranordnung 30 ist ein filternder Strahlteiler 37, beispielsweise wiederum ein dichroitisches Strahlteilerplättchen, angeordnet. Wiederum wird Licht der Wellenlänge λ₁ durchgelassen und Licht der Wellenlänge λ₂ abgelenkt. In jedem der Teilstrahlengänge ist eine erste bzw. zweite Linse mit fokussierender Wirkung 38.1 bzw. 38.2 angeordnet, die das jeweilige Strahlenbündel auf einen ersten bzw. zweiten Fotosensor 11.1 bzw. 11.2 fokussiert. Die Fotosensoren 11.1, 11.2 können beispielsweise Fotodioden sein.
Die in 1 dargestellte Anordnung ermöglicht mit jeder der Wellenlängen λ₁, λ₂ unabhängig voneinander eine interferometrische Abstandsmessung für den Abstand d. Eine Auswertung der Signale des ersten bzw. des zweiten Fotosensors 11.1, 11.2 erfolgt bevorzugt dadurch, dass ein jeweils 90° phasenverschobenen Signal erzeugt wird, aus dem durch Anwendung einer Arcustangens-Funktion auf den Quotienten aus dem um 90° phasenverschobenen Signal (Imaginärteil) und dem ursprünglichen Messsignal (Realteil) die jeweilige Phasenlage bestimmt werden kann. Das um 90° phasenverschobene Signal kann in einer bevorzugten Ausgestaltung durch eine Hochpassfilterung gefolgt von einer Hilbert-Transformation generiert werden. Die Hilbert-Transformation wird vorzugsweise durch ein rekursives digitales Filtern durch eine diskrete Faltung realisiert.
Das Vorzeichen der Phasenlage lässt sich dabei aus dem Anregungssignal, das zur Auslenkung des jeweiligen Referenzspiegels 36.1, 36.2 verwendet wird, bestimmen. Eine Änderung des Abstands d zwischen der Interferometeranordnung 30 und dem Messobjekt 1 bewirkt in dem gemessenen Interferenzsignal eine Phasenverschiebung. Eine Abstandsänderung um +/–λ/4 entspricht dabei einer Phasenverschiebung um +/–π, mit λ = λ₁ bzw. λ = λ₂.
Erfindungsgemäß werden die beiden Referenzspiegel 36.1, 36.2 bevorzugt bei der gleichen Schwingungsfrequenz f einer Dreiecksschwingung betrieben, jedoch mit einer Phasenverschiebung in der Schwingungslage. Besonders bevorzugt wird die Phasenverschiebung gleich 90° gewählt, so dass jeweils einer der Referenzspiegel 36.1, 36.2 in Bewegung ist, während der andere Referenzspiegel 36.2 bzw. 36.1 sich an seinem Umkehrpunkt befindet. Das eingangs genannte Problem beim Stand der Technik, das im Bereich eines Umkehrpunktes keine Abstandsmessung erfolgen kann, wird erfindungsgemäß dadurch umgangen, das durch die Phasenverschiebung des Schwingungszustands für Licht jeweils einer der beiden Wellenlängen λ₁ oder λ₂ eine Abstandsmessung erfolgen kann. Bei einer Auswertung der Interferenzsignale kann entsprechend abhängig vom jeweiligen Schwingungszustand des ersten bzw. zweiten Referenzspiegels 36.1, 36.2 das jeweils auswertbare Signal der Auswertung zugrunde gelegt werden. Es kann somit unterbrechungsfrei in hoher Datenrate eine Abstandsmessung erfolgen. Mit einer hohen Datenrate, die bei entsprechend schneller Auswerteelektronik, in der 1 nicht dargestellt ist, im Bereich von MHz (10 Millionen Abstandsmessungen pro Sekunde) liegen kann, kann eine hohe Messgeschwindigkeit bei einem Abtasten der Oberfläche des Messobjekts 1 erfolgen.
In Abschnitten der Bewegungszustände der Referenzspiegel 36.1, 36.2, in denen Licht beider Wellenlängen λ₁, λ₂ gleichzeitig auswertbare Interferenzsignale liefert, kann eine Zwei-Wellenlängen-Auswertung vorgenommen werden. Bei dieser Art der Auswertung lässt sich der Eindeutigkeitsbereich der Messmethode erweitern. Für Licht der Wellenlänge λ liegt der Eindeutigkeitsbereich bei +/–λ/4. Der Eindeutigkeitsbereich gibt den Messbereich an, um den sich zwei aufeinander folgende Messpunkte maximal unterscheiden dürfen. Die kontinuierliche und schnelle Auswertung der erfindungsgemäßen Messung führt bereits dazu, das bei einem lateralen Abtasten (Abscannen) der Oberfläche des Messobjekts 1 nachfolgende Abstandsmessungen sich auch bei größerer Messgeschwindigkeit nicht um mehr als eine viertel Wellenlänge unterscheiden, so dass der Eindeutigkeitsbereich zweier aufeinanderfolgend durchgeführter Messungen nicht überschritten wird. Bei der genannten Zwei-Wellenlängen-Auswertung kann zudem der Eindeutigkeitsbereich erweitert werden, wodurch beispielsweise (quasi-)instantane Abstandsänderungen, z. B. hervorgerufen durch Stufen im Messprofil mit dem erweiterten Eindeutigkeitsbereich gemessen werden können. Bei einer Auswertung beider Interferenzsignale beträgt der erweiterte Eindeutigkeitsbereich +/–λ₁·λ₂/(4|λ₁ – λ₂|). Dieser Wert ist größer als der entsprechende Wert λ/4 für jede der einzelnen Wellenlängen λ₁, λ₂.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung wie in 1 in einer schematischen Prinzipdarstellung. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in dieser wie in der folgenden Figur gleiche oder gleichwirkende Elemente wie in 1. Wiederum ist bei den Strahlenbündeln in der Interferometeranordnung 30 über die Strichelung angegeben, Licht welcher Wellenlänge im Strahlenbündel vorliegt.
Vom Grundaufbau her ist das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel dem in 1 gezeigten ähnlich, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das dichromatische Licht der Lichtquelle 10 hier über einen Faserkoppler 21, auch Y-Koppler genannt, in die Faser 20 und dann in die Interferometeranordnung 30 eingespeist. Die Interferometeranordnung 30 weist wiederum einen Messstrahlengang auf, der auf die Oberfläche des Messobjekts 1 projiziert und von dort reflektiert wieder aufgenommen wird. Weiter ist ein vom Strahlteiler 32 herausgeteilter Referenzstrahlengang vorhanden, der in die beiden Wellenlängen selektiven Teilstrahlengänge zu den Referenzspiegeln 36.1, 36.2 führt.
Anders als beim Ausführungsbeispiel der 1 erfolgt eine Auswertung der Interferenzsignale nicht innerhalb der Interferometeranordnung 30 sondern extern davon in einer Fotosensoranordnung 11. Der in 1 vom Strahlteiler 32 nach links ausgekoppelte Anteil des überlagerten Lichts des Referenz- und des Messstrahlengangs wird beim Ausführungsbeispiel der 2 nicht betrachtet. Stattdessen wird der vom Strahlteiler 32 wieder nach oben abgelenkte Anteil des überlagerten Messstrahlengangs und Referenzstrahlengangs ausgewertet. Dieser Anteil wird entsprechend in die Faser 20 eingekoppelt und vom Faserkoppler 21 in die Fotosensoranordnung 11 geleitet. In dieser Fotosensoranordnung 11 findet eine Aufteilung in Licht der unterschiedlichen Wellenlängen λ₁, λ₂ statt, das auf in dieser 2 nicht dargestellte Fotosensoren gelenkt wird. Bezüglich des Funktionsprinzips unterscheidet sich ansonsten das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel nicht von dem in 1 gezeigten.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Abstandsbestimmung. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Interferometeranordnung 30 als eine mikrooptische Sonde 40 ausgebildet, die in extrem kleiner Bauform zum Abscannen einer Oberfläche des Messobjekts 1 verwendet werdet kann. Im linken Bereich der 3 ist eine Übersicht über den gesamten Aufbau dargestellt. Im rechten Teil der 3 die mikrooptische Sonde 40 in einer Ausschnittsvergrößerung wiedergegeben.
Beim Ausführungsbeispiel der 3 ist die Lichtquelle durch zwei separate Laserdioden, eine erste Laserdiode 10.1 und eine zweite Laserdiode 10.2, gebildet. Jede dieser Laserdioden 10.1, 10.2 ist über eine Faser 20 mit einem ersten bzw. zweiten Faserkoppler 21.1, 21.2 verbunden. Ein zweiter Abgang des jeweiligen Faserkopplers 21.1, 21.2 führt zu einem ersten bzw. zweiten Fotosensor 11.1, 11.2. Die Fotosensoren 11.1, 11.2 können bevorzugt als Fotodioden ausgebildet sein. Die Ausgänge der Faserkoppler 21.1, 21.2 werden in einem WDM 22 (Wavelength-Division Multiplexer) zusammengeführt. Am Ausgang des WDM 22 wird schließlich das gemischte dichromatische Licht der Wellenlängen λ₁, λ₂ über eine weitere Faser 20 zur mikrooptischen Sonde 40 geführt.
Das aus der Faser 20 austretende Licht wird in der mikrooptischen Sonde 40 zunächst von einer Einkoppellinse 41 aufgeweitet und dann durch zwei hintereinander positionierte Strahlteiler 42.1 und 42.2 geführt. Der durch beide Strahlteiler 42.1, 42.2 durchtretende Anteil des Lichts bildet den Messstrahlengang, der in einer Auskoppellinse 43 auf die Oberfläche des Messobjekts 1 fokussiert wird. Von den Strahlteilern 42.1 bzw. 42.2 ausgekoppelte und zur Seite geleitete Lichtanteile bilden jeweils einen Referenzstrahlungsgang. In diesem ist ein erster Filter 44.1 dem ersten Strahlteiler 42.1 nachgeordnet bzw. ein zweiter Filter 44.2 dem zweiten Strahlteiler 42.2 nachgeordnet. Die Filter 44.1 bzw. 44.2 sind jeweils durchlässig für Licht der ersten Wellenlänge λ₁ bzw. der zweiten Wellenlänge λ₂. Anders als in den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 sind hier also vollständig voneinander getrennte Referenzstrahlengänge für Licht der Wellenlänge λ₁ bzw. der Wellenlänge λ₂.
Am Ende des jeweiligen Referenzstrahlengang ist ein erster bzw. zweiter Referenzspiegel 46.1, 46.2 angeordnet. Aufgrund des geringen Strahlendurchmessers der Strahlengänge im innerhalb der mikrooptischen Sonde 40 sind die Referenzspiegel 46.1, 46.2 hier ohne eine zwischengesetzte Fokussierlinse im Strahlengang positioniert. Bevorzugt sind die Referenzstrahlengänge zu unterschiedlichen Seiten gerichtet, um mehr Platz für die jeweilige Antriebsanordnung der Referenzspiegel 46.1, 46.2 zu haben. Auch hier werden bevorzugt Piezo-Elemente oder induktive Schallwandler zur Bewegung der Referenzspiegel eingesetzt. Es ist dabei möglich, eine Oberfläche der Piezo-Elemente mit einer metallischen Beschichtung zu versehen, die poliert wird und unmittelbar die Spiegeloberfläche des ersten bzw. zweiten Referenzspiegels 46.1, 46.2 darstellt. Ein derartiger Referenzspiegel ist mechanisch gut miniaturisierbar und kostengünstig herstellbar.
In den Strahlteilern 42.1, 42.2 vereinigt sich ein Teil des jeweiligen Referenzstrahlengangs auch wieder mit dem Messstrahlengang und wird über die Einkoppellinse 41 zurück in die Faser 20 geleitet.
In dem WDM 22 erfolgt eine Aufteilung des Lichts nach den Wellenlängen λ₁ bzw. λ₂ in Richtung der ersten bzw. zweiten Faserkoppler 21.1 und 21.2. Licht der Wellenlänge λ₁ wird zum ersten Faserkoppler 21.1 und von dort aus zum ersten Fotosensor 11.1 geleitet. Licht der Wellenlänge λ₂ wird zum zweiten Faserkoppler 21.2 und von dort aus zum ersten Fotosensor 11.2 geleitet. Eine Auswertung der Interferenzsignale an den Fotosensoren 11.1, 11.2 erfolgt dann wie im Zusammenhang mit den ersten beiden Ausführungsbeispielen beschrieben.
Bezugszeichenliste

1: Messobjekt
10: Lichtquelle
10.1: erste Laserdiode (Wellenlänge λ₁)
10.2: zweite Laserdiode (Wellenlänge λ₂)
11: Fotosensoranordnung
11.1: erster Fotosensor
11.2: zweiter Fotosensor
20: Faser
21: Faserkoppler
21.1: erster Faserkoppler
21.2: zweiter Faserkoppler
22: WDM (Wavelength-Division Multiplexer)
30: Interferometeranordnung
31: Einkoppellinse
32: Prismenstrahlteiler
33: Auskoppellinse
34: Strahlteiler
35.1: erste Fokussierlinse
35.2: zweite Fokussierlinse
36.1: erster Referenzspiegel
36.2: zweiter Referenzspiegel
37: weiterer Strahlteiler
38.1: erste Linse mit fokussierender Wirkung
38.2: zweite Linse mit fokussierender Wirkung
40: Mikrooptische Sonde
41: Einkoppellinse
42.1: erster Prismenstrahlteiler
42.1: zweiter Prismenstrahlteiler
43: Auskoppellinse
44.1: erster Filter
44.2: zweiter Filter
46.1: erster Referenzspiegel
46.2: zweiter Referenzspiegel
λ₁, λ₂: Wellenlängen

Claims

Verfahren zur Abstandsbestimmung mittels einer Interferometeranordnung (30), wobei – von einem Messobjekt (1) reflektiertes Licht eines Messstrahlengangs mit Licht aus einem Referenzstrahlengang zu einer Interferenz gebracht wird, – eine optische Weglänge eines der Strahlengänge periodisch verändert wird und ein Interferenzsignal gemessen wird – eine Phasenlage des gemessenen Interferenzsignals aus dem gemessenen Interferenzsignal und einem daraus ermittelten und um nominell 90° phasenverschobenen Signal bestimmt wird und – ein Abstand (d) von der Interferometeranordnung (30) zum Messobjekt (1) aus der Phasenlage und einem Referenzsignal, das einen Unterschied der optischen Weglängen in den beiden Strahlengängen wiedergibt, bestimmt wird dadurch gekennzeichnet, dass dichromatisches Licht mit einer ersten und einer zweiten Wellenlänge (λ₁, λ₂) verwendet wird, wobei eine optische Weglänge in zwei Referenzstrahlengängen unabhängig voneinander für jede der Wellenlängen (λ₁, λ₂) periodisch verändert wird, und wobei die periodische Veränderung der optischen Weglänge für die beiden Wellenlängen (λ₁, λ₂) phasenverschoben erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die periodische Veränderung der optischen Weglänge für die beiden Wellenlängen um 90° phasenverschoben erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die periodische Veränderung der optischen Weglänge im Referenzstrahlengang durch Bewegung je eines Referenzspiegels (36.1, 36.2, 46.1, 46.2) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die periodische Veränderung der optischen Weglänge im Referenzstrahlengang mit einer Frequenz größer als 10 kHz und bevorzugt größer als 20 kHz erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Auswertung eines der Interferenzsignale getrennt für Licht jeder der beiden Wellenlängen (λ₁, λ₂) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem zur Abstandsbestimmung dasjenige der Interferenzsignale herangezogen wird, dessen zugeordneter Referenzspiegel (36.1, 36.2, 46.1, 46.2) sich in Bewegung befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das phasenverschobene Signal durch eine kontinuierliche Differentiation und eine kontinuierliche Integration des Interferenzsignals bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das phasenverschobene Signal mit Hilfe eines Hochpassfilters und mithilfe eines Tiefpassfilters kontinuierlich aus dem Interferenzsignal bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das phasenverschobene Signal anhand einer Hilbert-Transformation berechnet wird.
Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung, aufweisend eine Interferometeranordnung (30), durch die – von einem Messobjekt (1) reflektiertes Licht eines Messstrahlengangs mit Licht aus einem Referenzstrahlengang zu einer Interferenz gebracht wird, – eine optische Weglänge eines der Strahlengänge periodisch verändert wird und ein Interferenzsignal gemessen wird – eine Phasenlage des gemessenen Interferenzsignals aus dem gemessenen Interferenzsignal und einem daraus ermittelten und um nominell 90° phasenverschobenen Signal bestimmt wird und – ein Abstand (d) von der Interferometeranordnung (30) zum Messobjekt (1) aus der Phasenlage und einem Referenzsignal, das einen Unterschied der optischen Weglängen in den beiden Strahlengängen wiedergibt, bestimmt wird dadurch gekennzeichnet, dass eine dichromatische Lichtquelle (10) zur Emission von Licht zweier unterschiedlicher Wellenlängen (λ₁, λ₂) vorgesehen ist und dass die Interferometeranordnung (30) ein Interferenzsignal unabhängig voneinander für Licht jeder der Wellenlängen (λ₁, λ₂) erzeugt, wobei für Licht jeder der Wellenlängen (λ₁, λ₂) ein Referenzstrahlengang mit einem zugeordneten bewegbaren Referenzspiegel (36.1, 36.2, 46.1, 46.2) vorgesehen ist, und wobei die Referenzspiegel (36.1, 36.2, 46.1, 46.2) phasenverschoben bewegt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei dem die Referenzspiegel (36.1, 36.2, 46.1, 46.2) mithilfe von Piezo-Aktoren bewegt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei dem die Referenzspiegel (36.1, 36.2, 46.1, 46.2) mithilfe von induktiven Schallwandlern bewegt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem in den Referenzstrahlengängen wellenlängenselektive Elemente angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die Lichtquelle (10) und/oder Fotosensoren (11) zur Erfassung des jeweiligen Interferenzsignals über optische Fasern (20) mit der Interferometeranordnung (30) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Interferometeranordnung (30) als mikrooptische Sonde (40) ausgebildet ist.