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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen eines Abstandes und einer Dicke eines zumindest teilweise transparenten Materials.
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Stand der Technik
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Bei der Herstellung dünner transparenter bzw. halbtransparenter Materialien muss meist eine gleichmäßige Dicke gewährleistet werden. Dazu kann die Dicke beispielsweise mittels interferometrischer Messverfahren überprüft werden, wie etwa aus der
DE 10 2008 044 375 A1 bekannt. So kann mittels Reflektometrie die Dicke von dünnen Schichten anhand der Interferenz eines an der Vorderseite des Materials reflektierten Laserstrahls mit einem an der Rückseite des Materials reflektierten Laserstrahl bestimmt werden.
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In einer Vielzahl von Anwendungsbereichen ist jedoch sowohl eine Dickenmessung als auch eine Abstandsbestimmung des Materials notwendig, was die Verwendung mehrerer Messvorrichtungen erforderlich macht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstandes und einer Dicke eines zumindest teilweise transparenten Materials mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Bestimmen eines Abstandes und einer Dicke eines zumindest teilweise transparenten Materials mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
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Die Erfindung schafft demnach eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstandes und/oder einer Dicke eines zumindest teilweisen transparenten Materials, mit einem Laser, welcher dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl auf das Material auszusenden. Hierbei entsteht ein erster reflektierter Laserstrahl durch Reflexion des ausgesendeten Laserstrahls an einem ersten Auftreffpunkt, welcher sich auf einer dem Laserstrahl zugewandten Seite des Materials befindet. Ein zweiter reflektierter Laserstrahl entsteht durch Reflexion des ausgesendeten Laserstrahls nach Durchgang des Laserstrahls durch das Material an einem zweiten Auftreffpunkt, welcher sich auf einer dem Laser abgewandten Seite des Materials befindet. Die Vorrichtung umfasst eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, den Laser derart anzusteuern, dass eine Wellenlänge des Laserstrahls variabel ist. Eine Erfassungseinrichtung ist dazu ausgebildet, eine Interferenz des ausgesendeten Laserstrahls mit dem ersten reflektierten Laserstrahl und dem zweiten reflektierten Laserstrahl zu erfassen. Weiter ist eine Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, anhand einer Änderung der erfassten Interferenz in Abhängigkeit von einer Änderung der Wellenlänge des Laserstrahls, welche durch Ansteuern durch die Steuereinrichtung erfolgt, einen Abstand des ersten Auftreffpunkts von der Erfassungseinrichtung und einen Abstand des zweiten Auftreffpunkts von der Erfassungseinrichtung zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung ist weiter dazu ausgebildet, daraus den Abstand des Materials von der Erfassungseinrichtung und/oder die Dicke des Materials zu bestimmen.
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Weiter schafft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Bestimmen eines Abstandes und/oder einer Dicke eines zumindest teilweise transparenten Materials. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Laserstrahl durch einen Laser auf das Material ausgesendet, wobei ein erster reflektierter Laserstrahl durch Reflexion des ausgesendeten Laserstrahls an einem ersten Auftreffpunkt entsteht, welcher sich auf einer dem Laser zugewandten Seite des Materials befindet. Weiter entsteht ein zweiter reflektierter Laserstrahl durch Reflexion des ausgesendeten Laserstrahls nach Durchgang des Laserstrahls durch das Material an einem zweiten Auftreffpunkt, welcher sich auf einer dem Laser abgewandten Seite des Materials befindet. Eine Wellenlänge des Laserstrahls wird vorzugsweise kontinuierlich variiert und gleichzeitig eine Interferenz des ausgesendeten Laserstrahls mit dem ersten reflektierten Laserstrahl und dem zweiten reflektierten Laserstrahl erfasst. Anhand einer Änderung der erfassten Interferenz in Abhängigkeit von einer Änderung der Wellenlänge des Laserstrahls werden ein Abstand des ersten Auftreffpunkts und ein Abstand des zweiten Auftreffpunkts bestimmt. Anhand des bestimmten Abstands des ersten Auftreffpunkts und des bestimmten Abstands des zweiten Auftreffpunkts werden der Abstand des Materials und/oder die Dicke des Materials bestimmt.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist geeignet, unter Verwendung eines einzigen Lasers sowohl den Abstand als auch die Dicke eines transparenten Materials gleichzeitig zu bestimmen. Somit ist ein kompakter und kostengünstiger Sensoraufbau möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Vorrichtung einen schwenkbaren Mikrospiegel, welcher im Strahlengang des Lasers angeordnet ist, und dazu ausgebildet ist, den ausgesendeten Laserstrahl auf das Material abzulenken. Durch Auslenken bzw. Schwenken des Mikrospiegels kann die Messrichtung variiert und eingestellt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist der Mikrospiegel um eine Schwenkachse schwenkbar und die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, den Abstand des Materials von der Auswerteeinrichtung und die Dicke des Materials in Abhängigkeit von einem Schwenkwinkel des Mikrospiegels um die Schwenkachse zu bestimmen. Somit können die Dicke und der Abstand nicht nur punktuell, sondern in einem linienförmigen Bereich bestimmt werden, wodurch beispielsweise die Genauigkeit bei einer Dickenüberwachung in der Folienherstellung verbessert werden kann, da die Dicke in einem breiteren Messbereich überprüft werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist der Mikrospiegel um zwei Schwenkachsen schwenkbar und die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, anhand des Abstands des Materials von der Auswerteeinrichtung und der Dicke des Materials in Abhängigkeit von jeweiligen Schwenkwinkeln des Mikrospiegels ein dreidimensionales Profil des Materials zu bestimmen. Durch Kenntnis von Abstand und Dicke können die Lage und die Abmessungen des transparenten Materials genau bestimmt werden. Die Vorrichtung eignet sich somit insbesondere zum 3D-Scannen von transparenten Objekten.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, die Dicke des Materials unter Berücksichtigung eines Brechungsindexes des Materials zu bestimmen. Die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Laserstrahlen innerhalb und außerhalb des transparenten Materials können dadurch einberechnet werden und somit die Genauigkeit der Messung verbessert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird der Laserstrahl durch einen schwenkbaren Mikrospiegel auf das Material abgelenkt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden der Abstand des Materials und/oder die Dicke des Materials in Abhängigkeit von einem Schwenkwinkel des Mikrospiegels bestimmt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird anhand des Abstands des Materials und der Dicke des Materials in Abhängigkeit von jeweiligen Schwenkwinkeln des Mikrospiegels ein dreidimensionales Profil des Materials bestimmt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird die Dicke des Materials unter Berücksichtigung eines Brechungsindexes des Materials bestimmt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstandes und einer Dicke eines Materials gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 ein Diagramm zur Erläuterung einer schematischen Abhängigkeit einer Anzahl von Messergebnissen von einem Abstand des Materials;
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3 eine schematische Schrägansicht einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstandes und einer Dicke eines Materials gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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4 ein beispielhaftes ermitteltes Profil eines transparenten Materials; und
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5 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Bestimmen eines Abstands und einer Dicke eines zumindest teilweise transparenten Materials gemäß einer Ausführungsform.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung 1 zum Bestimmen eines Abstandes und einer Dicke eines zumindest teilweise transparenten Materials 12. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Laser 11, welcher dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl 17 auf das teilweise transparente Material 12 auszusenden.
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Unter „teilweise transparent“ wird hierbei ein Material verstanden, welches zumindest für bestimmte Wellenlängen des Laserstrahls 17 transparent und/oder transluzent ist, so dass der Laserstrahl 17 das Material 12 zumindest teilweise durchdringen kann.
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An einem ersten Auftreffpunkt 13, welcher sich auf einer dem Laser zugewandten Oberfläche bzw. Seite 12a des Materials 12 befindet, entsteht durch Reflexion des ausgesendeten Laserstrahls 17 ein erster reflektierter Laserstrahl 18a. Ein Teil des ausgesendeten Laserstrahls 17 durchdringt das Material 12 und wird nach Durchgang durch das Material 12 an einem zweiten Auftreffpunkt 14, welcher sich auf einer dem Laser 11 abgewandten Oberfläche bzw. Seite 12b des Materials 12 befindet, reflektiert, so dass ein zweiter reflektierter Laserstrahl 18b entsteht.
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Eine Steuereinrichtung 19 ist mit dem Laser 11 gekoppelt und dazu ausgebildet ist, den Laser 11 derart anzusteuern, dass eine Wellenlänge des Laserstrahls 17 variabel ist. Gemäß einer möglichen Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 19 eine Temperatur des Lasers 11 variieren, etwa durch Verändern eines Betreiberstroms des Lasers 1, wodurch die Wellenlänge des ausgesendeten Laserstrahls 17 variiert wird.
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In dem Laser 11 wird in einem Laserresonator ein Stehwellenfeld von elektromagnetischer Strahlung zwischen einem ersten Spiegel und einem zweiten Spiegel erzeugt. Der erste Spiegel ist teildurchlässig, so dass ein Teil der elektromagnetischen Strahlung den Laserresonator verlassen kann und somit den Laserstrahl 17 bildet. Der erste reflektierte Laserstrahl 18a und der zweite reflektierte Laserstrahl 18b werden durch den ersten Spiegel wiederum in den Laserresonator eingekoppelt und interferieren mit dem Stehwellenfeld und ändern dieses. Der zweite Spiegel ist ebenfalls teildurchlässig, so dass elektromagnetische Strahlung ausgekoppelt werden kann und von einer Photodiode einer Erfassungseinrichtung 15 erfasst wird. Die Erfassungseinrichtung 15 ist somit dazu ausgebildet, eine Interferenz des ausgesendeten Laserstrahls 17 mit dem ersten reflektierten Laserstrahl 18a und dem zweiten reflektierten Laserstrahl 18b zu erfassen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung 15 dazu ausgebildet, eine Interferenz einer Reflexion des Laserstrahls 17 mit dem ersten reflektierten Laserstrahl 18a und dem zweiten reflektierten Laserstrahl 18b zu erfassen. Die Erfassungseinrichtung 15 kann hierzu insbesondere von dem Laser 11 räumlich getrennt sein.
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Die Auswerteeinrichtung 16 ist dazu ausgebildet, einen Abstand x1 des ersten Auftreffpunkts 13 von der Erfassungseinrichtung 15 und einen Abstand x2 des zweiten Auftreffpunkts 14 von der Erfassungseinrichtung 15 zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung 15 verwendet vorzugsweise das Verfahren der selbstmischenden Interferometrie (self-mixing interferometry), wobei sie den ersten Abstand x1 und den zweiten Abstand x2 anhand einer Änderung der erfassten Interferenz in Abhängigkeit von einer Änderung der Wellenlänge des Laserstrahls 17, welche aufgrund der Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 19 erfolgt, bestimmt. Steuert die Steuereinrichtung 19 beispielsweise den Laser 11 derart an, dass sich die Wellenlänge des Laserstrahls 19 von einer ersten Wellenlänge zu einer zweiten Wellenlänge ändert, so ändert sich die Anzahl der Wellenlängen, welche in den ersten Abstand x1 bzw. zweiten Abstand x2 passen. Der erste reflektierte Laserstrahl 18a und der zweite reflektierte Laserstrahl 18b treffen um jeweilige Phasen verschoben auf den Laserresonator, so dass sich auch die erfasste Interferenz ändert. Bei entsprechenden Phasenverschiebungen tritt konstruktive bzw. destruktive Interferenz auf, was sich in entsprechenden zeitlichen Interferenzmaxima und -minima äußert. Die Auswerteeinrichtung 16 ist dazu ausgebildet, die relative Änderung der Anzahl von Wellenlängen, welche in den ersten Abstand x1 bzw. zweiten Abstand x2 passen, anhand einer Anzahl von Interferenzmaxima und -minima zu bestimmen, welche bei der kontinuierlichen Änderung der Wellenlänge des Lasers 11 erzeugt werden. Die Auswerteeinrichtung 16 ist dazu ausgebildet, den ersten Abstand x1 bzw. zweiten Abstand x2 anhand der relativen Änderung der Anzahl von Wellenlängen, welche in den ersten Abstand x1 bzw. zweiten Abstand x2 passen, zu bestimmen, wobei die Auswerteeinrichtung 16 beispielsweise entsprechend kalibriert ist und entsprechende Werte einer Nachschlagetabelle bzw. Lookup-Table entnimmt, welche auf einem Speicher der Auswerteeinrichtung 16 gespeichert ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Auswerteeinrichtung 16 auch eine Wellenlänge des Lasers 11 vor der Änderung und eine Wellenlänge des Lasers 11 nach der Änderung messen und den ersten Abstand x1 bzw. zweiten Abstand x2 anhand der gemessenen Wellenlängen bestimmen.
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Gemäß einer Ausführungsform bestimmt die Auswerteeinrichtung 16 zuerst gemäß dem oben beschriebenen Verfahren der selbstmischenden Interferometrie Abstände von Reflexionspunkten. In 2 ist eine Anzahl S von derartigen gemessenen Abständen x als Funktion des jeweiligen Abstandes x illustriert. Die Auswerteeinrichtung 16 bestimmt durch statistisches Ermitteln eines ersten Maximums und eines zweiten Maximums der Anzahl S den ersten Abstand x1 des ersten Auftreffpunkts 13 von der Erfassungseinrichtung 15 und den Abstand x2 des zweiten Auftreffpunkts 14 von der Erfassungseinrichtung 15. Die Auswerteeinrichtung 16 bestimmt somit mittels selbstmischender Interferometrie die zwei Abstände x1, x2 gleichzeitig, unter Verwendung der Interferenz des ausgesendeten Laserstrahls 17 mit der Überlagerung des ersten reflektierten Laserstrahls 18a und des zweiten reflektierten Laserstrahls 18b.
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Weiter ist die Auswerteeinrichtung 16 dazu ausgebildet, einen Abstand x1 des Materials 12 von der Erfassungseinrichtung 15 als den Abstand x1 des ersten Auftreffpunkts 13 von der Erfassungseinrichtung 15 zu bestimmen und/oder eine Dicke d des Materials 12 als Differenz des Abstands x2 des zweiten Auftreffpunkts 14 und des Abstands x1 des ersten Auftreffpunkts 13 zu bestimmen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung 16 dazu ausgebildet, die Dicke d des Materials 12 unter Berücksichtigung eines Brechungsindexes des Materials 12 zu bestimmen. Der Brechungsindex kann hierbei vorgegeben sein oder durch Nutzereingabe ausgewählt werden. Die Auswerteeinrichtung 16 berücksichtigt hierzu beim Bestimmen des Abstands x2 des zweiten Auftreffpunkts 14 die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 17 in dem Material 12.
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3 zeigt eine schematische Schrägansicht einer Vorrichtung 2 zum Bestimmen eines Abstandes x1 und einer Dicke d eines zumindest teilweise transparenten Materials 12 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 12 umfasst zusätzlich einen schwenkbaren Mikrospiegel 21, welcher im Strahlengang des Lasers 11 angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, den ausgesendeten Laserstrahl 17 auf das transparente Material 12 abzulenken. Der Mikrospiegel 21 kann um einen Schwenkwinkel y um eine Schwenkachse 22 herum geschwenkt werden. Durch das Schwenken des Mikrospiegels 21 wird ein linienförmiger Bereich auf dem transparenten Material 12 durch den Laserstrahl 17 bestrahlt. In 3 sind beispielhaft ein erster abgelenkter Laserstrahl 17a und ein zweiter abgelenkter Laserstrahl 17b eingezeichnet, welche auf entsprechende erste Auftreffpunkte 23a, 23b auf der dem Laser 11 zugewandten Seite 12a des Materials 12 sowie zweite Auftreffpunkte 24a, 24b auf der dem Laser 11 abgewandten Seite 12b des Materials 12 auftreffen und dort zumindest teilweise reflektiert werden. Die ersten Auftreffpunkte 23a, 23b liegen auf einer ersten Auftrefflinie 25 und die zweiten Auftreffpunkte 24a, 24b auf einer zweiten Auftrefflinie 26. Wie oben beschrieben, werden für jeweilige Schwenkstellungen ein entsprechender Abstand x1 des ersten Auftreffpunkts und ein Abstand x2 des zweiten Auftreffpunkts bestimmt.
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In 4 sind entsprechende erste Messwerte 3 und zweite Messwerte 5 in Abhängigkeit von dem Schwenkwinkel y illustriert, welche jeweils dem ersten Abstand x1 und dem zweiten Abstand x2 für entsprechende Schwenkwinkel y entsprechen. Die Auswerteeinrichtung 16 ist dazu ausgebildet, durch Interpolation einen ersten Abstand 4 der dem Laser zugewandten Seite des Materials 12 und einen zweiten Abstand 6 der dem Laser 11 abgewandten Seite des Materials 12 als Funktion des Schwenkwinkels y zu bestimmen, wobei eine Differenz zwischen dem zweiten Abstand 6 und dem ersten Abstand 4 eine Dicke und der erste Abstand 4 einen Abstand des Materials 12 für einen beliebigen Schwenkwinkel y vorgeben. Durch Bestimmen des ersten Abstands 4 und des zweiten Abstands 6 kann die Auswerteeinrichtung 16 somit ein Profil des Materials 12 bestimmen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Mikrospiegel 21 um zwei Schwenkachsen schwenkbar, so dass der Laserstrahl 17 auf einen flächenförmigen Bereich des Materials 12 abgelenkt wird. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, anhand des Abstands x1 des Materials 12 von der Auswerteeinrichtung 16 und der Dicke d des Materials in Abhängigkeit von einem ersten Schwenkwinkel um eine erste Schwenkachse und einem zweiten Schwenkwinkel um eine zweite Schwenkachse des Mikrospiegels 21 ein dreidimensionales Profil des Materials 12 zu bestimmen.
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Die Auswerteeinrichtung 16 kann vorzugsweise durch geometrische Berechnung die Abhängigkeiten des Abstands und der Dicke des Materials von dem bzw. den Schwenkwinkeln in einen Abstand des Materials von einer vorgegebenen Ebene und eine entsprechende Dicke umrechnen.
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5 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Bestimmen eines Abstandes x1 und eine Dicke d eines zumindest teilweise transparenten Materials 12.
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In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird ein Laserstrahl 17 durch einen Laser 11 auf das Material 12 ausgesendet. Durch Reflexion des ausgesendeten Laserstrahls 17 an einem ersten Auftreffpunkt 13, welcher sich auf einer dem Laser 11 zugewandten Seite des Materials 12 befindet, entsteht ein erster reflektierter Laserstrahl 18a. Weiter entsteht ein zweiter reflektierter Laserstrahl 18b durch Reflexion des ausgesendeten Laserstrahls 17 an einem zweiten Auftreffpunkt nach Durchgang des Laserstrahls 17 durch das Material 12, wobei sich der zweite Auftreffpunkt auf einer dem Laser abgewandten Seite 12b des Materials 12 befindet.
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In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird eine Wellenlänge des Laserstrahls 17 variiert und eine Interferenz des ausgesendeten Laserstrahls 11 mit dem ersten reflektierten Laserstrahl 18a bzw. dem zweiten reflektierten Laserstrahl 18b erfasst.
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Weiter werden in einem dritten Schritt S3 ein Abstand x1 des ersten Auftreffpunkts 13 und ein Abstand x2 des zweiten Auftreffpunkts 14 anhand einer Änderung der erfassten Interferenz in Abhängigkeit von einer Änderung der Wellenlänge des Laserstrahls 17 bestimmt, wobei vorzugsweise das oben beschriebene Verfahren der selbstmischenden Interferometrie verwendet wird.
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In einem vierten Verfahrensschritt S4 wird ein Abstand x1 des Materials 12 und eine Dicke d des Materials 12 anhand des bestimmten Abstands x1 des ersten Auftreffpunkts 13 und des Abstands x2 des zweiten Auftreffpunkts 14 bestimmt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird der Laserstrahl hierbei durch einen schwenkbaren Mikrospiegel 21 abgelenkt und der Abstand x1 des Materials 12 sowie die Dicke d des Materials 12 werden in Abhängigkeit von einem Schwenkwinkel y des Mikrospiegels 21 bestimmt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Laserstrahl 17 durch einen schwenkbaren Mikrospiegel abgelenkt und anhand des Abstands x1 des Materials 12 und der Dicke d des Materials 12 wird in Abhängigkeit von jeweiligen Schwenkwinkeln des Mikrospiegels 21 ein dreidimensionales Profil des Materials 12 bestimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008044375 A1 [0002]
