DE102017107455A1

DE102017107455A1 - Apparatus and method for interferometric distance determination

Info

Publication number: DE102017107455A1
Application number: DE102017107455.4A
Authority: DE
Inventors: Markus Schulz
Original assignee: Universitaet Kassel
Current assignee: Universitaet Kassel
Priority date: 2017-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2018-10-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung, aufweisend eine erste Einheit (10) mit einer Lichtquelle, einem Referenzspiegel und einem Lichtsensor (14) und eine zweite Einheit (20) mit einem Messspiegel (21), wobei Licht eines Referenzstrahlengangs (3), der von der Lichtquelle über den Referenzspiegel zu dem Lichtsensor (14) verläuft, mit Licht eines Messstrahlengangs (4), der von der Lichtquelle über den Messspiegel (21) zu dem Lichtsensor (14) verläuft, auf dem Lichtsensor (14) interferiert. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichtquelle eine Laserdiode (13) eines Lasermoduls ist, das ein Gehäuse (11) mit einem Austrittsfenster (12) aufweist, wobei die Laserdiode (13) und der Lichtsensor (14) in dem Gehäuse (11) angeordnet sind und wobei der Referenzspiegel durch das Austrittsfenster (12) gebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur interferometrischen Abstandsbestimmung.

The invention relates to a device for interferometric distance determination, comprising a first unit (10) having a light source, a reference mirror and a light sensor (14) and a second unit (20) having a measuring mirror (21), wherein light of a reference beam path (3), which extends from the light source via the reference mirror to the light sensor (14), with light of a measuring beam path (4) which extends from the light source via the measuring mirror (21) to the light sensor (14) on the light sensor (14). The device is characterized in that the light source is a laser diode (13) of a laser module having a housing (11) with an exit window (12), wherein the laser diode (13) and the light sensor (14) in the housing (11 ) and wherein the reference mirror is formed by the exit window (12). The invention further relates to a method for interferometric distance determination.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung, aufweisend eine erste Einheit mit einer Lichtquelle, einem teildurchlässigen Referenzspiegel und einem Lichtsensor und eine zweite Einheit mit einem Messspiegel, wobei Licht eines Referenzstrahlengangs, der von der Lichtquelle über den Referenzspiegel zu dem Lichtsensor verläuft, mit Licht eines Messstrahlengangs, der von der Lichtquelle über den Messspiegel zu dem Lichtsensor verläuft, auf dem Lichtsensor interferiert. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur interferometrischen Abstandsbestimmung mit einer derartigen Vorrichtung.The invention relates to an apparatus for interferometric distance determination, comprising a first unit with a light source, a partially transparent reference mirror and a light sensor and a second unit with a measuring mirror, wherein light of a reference beam path extending from the light source via the reference mirror to the light sensor, with light a measuring beam path, which extends from the light source via the measuring mirror to the light sensor, on the light sensor interferes. The invention further relates to a method for interferometric distance determination with such a device.

Ein Anwendungsgebiet einer Vorrichtung zur Abstandsbestimmung sind Messgeräte, z.B. zur Topographiebestimmung mittels einer Rastersondentechnik, bei denen eine präzise Abstandsbestimmung zweier Einheiten benötigt wird. Weitere Anwendungsgebiete für die Vorrichtung zur Abstandsbestimmung sind in der industriellen Automatisierungstechnik gegeben. In der Automatisierungstechnik werden häufig Linearantriebe zur Bewegung von Werkzeugen oder ähnlichem eingesetzt, die eine genaue Positionierung benötigen. Eine häufig verwendete Technik nutzt dabei eine optisch auslesbare Skala, die von einer Sensoreinheit ausgelesen wird. Diese Technik, auch Encoder-Technik genannt, kann Auflösungen bis in den SubMikrometerbereich erreichen. Die Fertigung auslesbarer Skalen ist technisch aufwendig und deren Verwendung kann störungsanfällig sein, beispielsweise gegenüber Verschmutzungen.One application of a device for distance determination are measuring devices, e.g. for topography determination by means of a grid probe technique, in which a precise distance determination of two units is required. Further fields of application for the device for distance determination are given in industrial automation technology. In automation technology, linear drives are often used to move tools or the like, which require precise positioning. A commonly used technique uses an optically readable scale, which is read by a sensor unit. This technique, also called encoder technology, can achieve resolutions down to the submicrometer range. The production of readable scales is technically complex and their use may be susceptible to interference, for example against contamination.

Um eine höhere Auflösung zu erreichen, sind interferometrische Vorrichtungen der eingangs genannten Art bekannt, die beispielsweise nach Art eines Michelson-Interferometers aufgebaut sind. Licht ausreichender Kohärenzlänge, insbesondere Laserlicht, wird von der Lichtquelle ausgehend in einen Referenzstrahlengang über einen Referenzspiegel auf einen Lichtsensor, z.B. eine Fotodiode, geleitet. Es interferiert dort mit Licht eines Messstrahlengangs. Der Messstrahlengang verläuft zwischen den beiden Einheiten, deren Abstand zueinander bestimmt werden soll, beispielsweise indem die Lichtquelle und der Lichtsensor in einer der Einheiten montiert sind und ein Messspiegel in der anderen Einheit. Der Messstrahlengang verläuft dann von der Lichtquelle der ersten Einheit zum Messspiegel der zweiten Einheit und zurück zum Lichtsensor in der ersten Einheit.In order to achieve a higher resolution, interferometric devices of the type mentioned are known, which are constructed for example in the manner of a Michelson interferometer. Light of sufficient coherence length, in particular laser light, is emitted from the light source into a reference beam path via a reference mirror onto a light sensor, e.g. a photodiode, conducted. It interferes there with light of a measuring beam path. The measuring beam path extends between the two units, whose distance from one another is to be determined, for example by mounting the light source and the light sensor in one of the units and a measuring mirror in the other unit. The measuring beam path then runs from the light source of the first unit to the measuring mirror of the second unit and back to the light sensor in the first unit.

Es wird angemerkt, dass Vorrichtungen zur interferometrischen Abstandsbestimmung mit monochromatischem Licht üblicherweise keine Messung eines absoluten Abstandswerts ermöglichen, sondern nur einer Änderung des Abstands zwischen zwei Einheiten. Auch die Abstandsänderungen sind nur innerhalb eines Gangunterschieds zwischen Messstrahlengang und Referenzstrahlengang von weniger als einer halben Wellenlänge eindeutig. Um eine größere Abstandsänderung erfassen zu können, wird ein Interferenzsignal kontinuierlich beobachtet und so auch eine über den Eindeutigkeitsbereich hinausgehende Längenänderung bestimmbar, beispielsweise durch „Mitzählen“ von Mini- oder Maxima im Interferenzsignal. Wenn im Rahmen der vorliegenden Anmeldung von einer Abstandsbestimmung gesprochen wird, ist damit zunächst eine Bestimmung einer Abstandsänderung gemeint, die z.B. erst durch eine Festlegung eines Referenzabstands zu einem absoluten Abstandswert führt, beispielsweise durch das Referenzieren mittels einer Endschalterposition, wie es auch bei Positionssensoren mit optisch auslesbarer Skala der Fall ist.It is noted that devices for interferometric distance determination with monochromatic light usually do not allow measurement of an absolute distance value, but only a change of the distance between two units. The changes in distance are also unique only within a path difference between the measuring beam path and the reference beam path of less than half a wavelength. In order to be able to detect a greater change in distance, an interference signal is continuously observed and thus a change in length beyond the unambiguity range can be determined, for example by "counting" of minima or maxima in the interference signal. When talking about a distance determination in the context of the present application, this refers first of all to a determination of a change in distance, which is e.g. only by setting a reference distance leads to an absolute distance value, for example by referencing by means of a limit switch position, as is the case with position sensors with optically readable scale.

Eine Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung der eingangs genannten Art ist in der Patentschrift DE 10 2011 001 161 B4 gezeigt.A device for interferometric distance determination of the type mentioned is in the patent DE 10 2011 001 161 B4 shown.

Die dort beschriebene Vorrichtung ist mit faseroptischen Komponenten aufgebaut, die in ihrer Handhabung umständlich und zudem kostspielig sind. Zudem bestehen im Hinblick auf die Reichweite, das heißt den maximalen Abstand der beiden Einheiten, deren Abstand zueinander bestimmt werden soll, Beschränkungen, die eine industrielle Nutzung einschränken. Bedingt ist diese Einschränkung durch den dort verwendeten Biegebalken, der zusätzlich zur Bewegung entlang der optischen Achse, eine zyklisch wiederkehrende Neigungswinkeländerung senkrecht zur messenden Spiegeloberfläche erzeugt. Ein parallel geführter Strahl wird so ausgelenkt, dass er nicht mehr in die mikrooptische Sonde trifft.The device described there is constructed with fiber optic components that are cumbersome in their handling and also expensive. In addition, with regard to the range, that is, the maximum distance between the two units whose distance is to be determined to each other, there are restrictions that limit industrial use. This limitation is caused by the bending beam used there, which, in addition to the movement along the optical axis, produces a cyclically recurring change in the inclination angle perpendicular to the measuring mirror surface. A parallel-guided beam is deflected so that it no longer hits the micro-optical probe.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung der eingangs genannten Art zu schaffen, die zur Messung von Abständen bzw. Abstandsänderungen im Nanometerbereich einsetzbar ist und die robust und kostengünstig aufgebaut ist. Es ist eine weitere Aufgabe, ein genaues und robustes Verfahren zur interferometrischen Abstandsbestimmung zu schaffen.It is an object of the present invention to provide a device for interferometric distance determination of the type mentioned, which can be used for measuring distances or changes in distance in the nanometer range and which is constructed robust and inexpensive. It is another object to provide an accurate and robust method of interferometric distance determination.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a device or a method having the features of the respective independent claim. Advantageous embodiments and further developments are the subject of the dependent claims.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichtquelle eine Laserdiode eines Lasermoduls ist, das ein Gehäuse mit einem Austrittsfenster aufweist, wobei die Laserdiode und der Lichtsensor in dem Gehäuse angeordnet sind und wobei der Referenzspiegel durch das Austrittsfenster gebildet ist.A device according to the invention of the type mentioned above is characterized in that the light source is a laser diode of a laser module having a housing with an exit window, wherein the laser diode and the light sensor in the housing are arranged and wherein the reference mirror is formed by the exit window.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass von dem (Licht-) Austrittsfenster des Lasermoduls reflektiertes und auf den integrierten Lichtsensor reflektiertes Licht den Referenzstrahl einer Interferenzanordnung bilden kann. Lasermodule mit dem beschriebenen Aufbau sind handelsüblich für verschiedenste Einsatzzwecke erhältlich. Sie werden beispielsweise in Consumer-Geräten wie Laserpointern oder CD-Spielern eingesetzt und in entsprechend großen Stückzahlen kostengünstig produziert. Der integrierte Lichtsensor dient in einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Lasermoduls dazu, die abgestrahlte Lichtintensität messen zu können oder einen Strom durch die Laserdiode so regeln zu können, dass eine bestimmte Lichtintensität abgestrahlt wird. Durch den Einsatz des Lasermoduls kann eine robuste Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsmessung kostengünstig aufgebaut werden.The invention is based on the finding that light reflected by the (light) exit window of the laser module and reflected onto the integrated light sensor can form the reference beam of an interference arrangement. Laser modules with the described construction are commercially available for a wide variety of applications. They are used, for example, in consumer devices such as laser pointers or CD players and are produced inexpensively in correspondingly large quantities. In an intended operation of the laser module, the integrated light sensor serves to be able to measure the radiated light intensity or to regulate a current through the laser diode in such a way that a specific light intensity is radiated. Through the use of the laser module, a robust device for interferometric distance measurement can be constructed inexpensively.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist der Referenzspiegel durch eine im Gehäuse liegende Oberfläche des Austrittsfensters gebildet. Bevorzugt ist dem Austrittsfenster eine Linse nachgeordnet. Auf diese Weise kann der emittierte Messstrahl so gebündelt werden, dass eine Abstandsmessung auch über einen größeren Abstand erfolgen kann.In an advantageous embodiment of the device, the reference mirror is formed by a lying in the housing surface of the exit window. Preferably, the outlet window is followed by a lens. In this way, the emitted measuring beam can be bundled so that a distance measurement can also be made over a greater distance.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist der Messspiegel gegenüber einer optischen Achse des Lasermoduls leicht gekippt, um den Messstrahl auf den Lichtsensor zu reflektieren. Diese Anordnung ist konstruktiv besonders einfach umsetzbar.In a further advantageous embodiment of the device, the measuring mirror is slightly tilted with respect to an optical axis of the laser module in order to reflect the measuring beam onto the light sensor. This arrangement is structurally particularly easy to implement.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist der Messspiegel gegenüber einer optischen Achse des Lasermoduls um etwa 45° gekippt, wobei ein weiterer Spiegel an der zweiten Einheit vorgesehen ist, der mit dem Messspiegel eine Retroreflektoranordnung bildet, um den Messstrahl auf den Lichtsensor zu reflektieren. Bevorzugt ist dabei ein Keilprisma im Messstrahlengang angeordnet. Diese Anordnung bietet gegenüber der zuvor genannten den Vorteil, dass der zur zweiten Einheit führende Abschnitt des Messstrahlengangs und der von der zweiten Einheit zurückführende Abschnitt des Messstrahlengangs parallel zueinander verlaufen. Auf diese Weise trifft der Messstrahl den Lichtsensor auch bei großen Änderungen des Abstands zwischen den beiden Einheiten.In a further advantageous embodiment of the device, the measuring mirror is tilted by approximately 45 ° relative to an optical axis of the laser module, wherein a further mirror is provided on the second unit, which forms a retroreflector arrangement with the measuring mirror in order to reflect the measuring beam onto the light sensor. In this case, a wedge prism is preferably arranged in the measurement beam path. This arrangement offers the advantage over the previous one that the section of the measuring beam path leading to the second unit and the section of the measuring beam path returning from the second unit run parallel to one another. In this way, the measuring beam hits the light sensor even with large changes in the distance between the two units.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist der Messspiegel der sich entlang seiner optischen Achse bewegen lässt, mit einem Schwingantrieb gekoppelt. Bevorzugt ist der Schwingantrieb dazu geeignet, den Messspiegel zyklisch oder periodisch, insbesondere mit einer sinusförmigen oder einer dreieckförmigen Schwingung, zu bewegen. Der Schwingantrieb kann beispielsweise ein Piezoantrieb oder ein elektromagnetisch arbeitender Antrieb sein. Die Bewegung des Messspiegels bietet den Vorteil, dass das auswertbare Signal von Intensitätsveränderungen, die nicht auf Interferenz zurückzuführen sind, unabhängig wird. Die zyklischen Bewegungen verhindern, dass das entstehende Signal fehlinterpretiert wird. Durch die zyklische Bewegung kann eine größere Auflösung erzielt werden. Für den Fall, dass eine Abstandsänderung stattfindet, können zudem anhand der festgestellten Phasenveränderung des sonst zeitlich monoton wiederkehrenden Interferenzsignals der Betrag und die Richtung der Bewegung bestimmt werden. Eine Abstandsänderung kann auf diese Weise mit einer deutlich besseren Konfidenz nachvollzogen werden.In a further advantageous embodiment of the device, the measuring mirror, which can be moved along its optical axis, is coupled to a vibration drive. The oscillating drive is preferably suitable for moving the measuring mirror cyclically or periodically, in particular with a sinusoidal or a triangular oscillation. The oscillating drive may be, for example, a piezo drive or an electromagnetically operating drive. The movement of the measuring mirror has the advantage that the evaluable signal of intensity changes that are not due to interference, independent. The cyclic movements prevent the resulting signal from being misinterpreted. The cyclic motion can achieve greater resolution. In the event that a change in distance takes place, the amount and the direction of the movement can also be determined on the basis of the detected phase change of the otherwise temporally monotonously recurring interference signal. A change in distance can be reconstructed in this way with a much better confidence.

Alternativ oder zusätzlich kann eine effektive Weglängenänderung in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung erzielt werden, indem ein Durchlassstrom der Laserdiode zyklisch verändert wird. Dieses beruht darauf, dass die Wellenlänge des von Halbleiterlaserdioden emittierten Lichts in geringem Maße von dem in die Diode eingeprägten Durchlassstrom abhängig ist. Eine Auswertung der Phasenänderung zur Bestimmung der relativen Abstandsänderung kann damit mit den oben genannten Vorzügen des schwingungsfähigen Spiegels erfolgen, ohne dass dieser zyklisch bewegt werden muss.Alternatively or additionally, an effective path length change can be achieved in a further advantageous embodiment of the device by cyclically changing a forward current of the laser diode. This is based on the fact that the wavelength of the light emitted by semiconductor laser diodes light to a small extent depends on the impressed in the diode forward current. An evaluation of the phase change to determine the relative change in distance can thus be done with the above-mentioned advantages of the oscillatory mirror, without having to be cyclically moved.

Die Frequenz des Interferenzsignals zwischen den Umkehrpunkten minimalen und maximalen Stroms ist dabei abhängig von der Anzahl der zugehörigen Wellenzüge, die in den Messstrahlengang passen. Beispielsweise ist bei geringem Abstand die Frequenz niedriger als bei einem großen Abstand. Diese Beziehung kann ausgenutzt werden, um einen absoluten Abstand zwischen den beiden Einheit bestimmen zu können.The frequency of the interference signal between the reversal points minimum and maximum current is dependent on the number of associated wave trains that fit into the measuring beam path. For example, at a short distance, the frequency is lower than at a large distance. This relationship can be exploited to determine an absolute distance between the two units.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur interferometrischen Abstandsbestimmung wird mit einer Vorrichtung durchgeführt, die eine erste Einheit mit einer Laserdiode als Lichtquelle, einen Referenzspiegel und einen Lichtsensor aufweist und eine zweite Einheit mit einem Messspiegel, wobei Licht eines Referenzstrahlengangs, der von der Lichtquelle über den Referenzspiegel zu dem Lichtsensor verläuft, mit Licht eines Messstrahlengangs, der von der Lichtquelle über den Messspiegel zu dem Lichtsensor verläuft, auf dem Lichtsensor interferiert. Der Referenzspiegel kann ein Glasfenster des Laserdiodenmoduls sein. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Messspiegel mit einem Schwingantrieb gekoppelt ist und während der Abstandsbestimmung zyklisch entlang seiner optischen Achse bewegt wird, und/oder dass ein Durchlassstrom durch die Laserdiode zyklisch variiert wird.A method according to the invention for interferometric distance determination is carried out with a device having a first unit with a laser diode as the light source, a reference mirror and a light sensor and a second unit with a measuring mirror, wherein light of a reference beam path from the light source via the reference mirror to the Light sensor runs, with light of a measuring beam path, which extends from the light source via the measuring mirror to the light sensor, on the light sensor interferes. The reference mirror may be a glass window of the laser diode module. The method is characterized in that the measuring mirror is coupled to a vibration drive and is moved cyclically along its optical axis during the distance determination, and / or that a forward current through the laser diode is cyclically varied.

Wie zuvor im Zusammenhang mit dem Vorrichtung ausgeführt ist, bietet eine zyklische Variation des effektiven Wegunterschieds zwischen dem Messstrahlengang und dem Referenzstrahlengang Vorteile im Hinblick auf die erzielbare Genauigkeit und Störunempfindlichkeit des Messergebnisses. Die Variation des effektiven Wegunterschieds kann über die beiden beschriebenen Verfahrensschritte erzielt werden. Bei zyklischer Variation des Stroms durch die Laserdiode kann zudem der absolute Abstand zwischen den Einheiten bestimmt werden. Dazu kann ein bekannter Referenzabstand genutzt werden, um die Wellenlänge der emittierten Strahlung in der Luft sowie die Abhängigkeit vom Strom durch die Laserdiode zu bestimmen und die Vorrichtung zu kalibrieren. As stated above in connection with the device, a cyclic variation of the effective path difference between the measuring beam path and the reference beam path offers advantages with regard to the achievable accuracy and interference immunity of the measurement result. The variation of the effective path difference can be achieved via the two described method steps. In cyclic variation of the current through the laser diode also the absolute distance between the units can be determined. For this purpose, a known reference distance can be used to determine the wavelength of the emitted radiation in the air and the dependence on the current through the laser diode and to calibrate the device.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung in einer schematischen Darstellung; und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer derartigen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung.

The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to figures. The figures show:

1 a first embodiment of an apparatus for interferometric distance determination in a schematic representation; and
2 A second embodiment of such a device in a schematic representation.

1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung. 1 shows a schematic sectional view of a first embodiment of a device for interferometric distance determination.

Die Vorrichtung gemäß 1 umfasst zwei Einheiten, eine erste Einheit 10 und eine zweite Einheit 20, deren Abstand bzw. Abstandsänderung zueinander gemessen wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die erste Einheit 10 als ortsfest angesehen, wohingegen sich die zweite Einheit 20 entlang einer z-Richtung bewegt. Die zweite Einheit 20 ist dazu an einem Linearvorschub 1 montiert, der einen verfahrbaren Schlitten 2 aufweist.The device according to 1 includes two units, a first unit 10 and a second unit 20 , whose distance or distance change is measured to each other. In the illustrated embodiment, the first unit 10 considered stationary, whereas the second unit 20 moved along a z-direction. The second unit 20 is at a linear feed 1 mounted, a movable carriage 2 having.

Dieser Linearvorschub 1 kann beispielsweise Teil einer industriellen Automatisierungsanlage oder eines Messgeräts sein, bei dem ein hier nicht dargestellter Rastersondenmesskopf verfahren wird, wobei dessen Position bzw. Positionsänderung in z-Richtung durch die anmeldungsgemäße Vorrichtung erfasst wird.This linear feed 1 For example, it can be part of an industrial automation system or a measuring device in which a scanning probe, not shown here, is moved, its position or position change in the z direction being detected by the device according to the application.

Die erste Einheit 10 weist ein Lasermodul mit einem Gehäuse 11 mit einem für die verwendete Lichtwellenlänge teilweise transparenten Austrittsfenster 12 auf. Das Lasermodul umfasst eine integrierte Laserdiode 13, die Licht einer vorgegebenen Wellenlänge durch das Austrittsfenster 12 emittiert. Weiter ist im Gehäuse 11 ein Lichtsensor 14, beispielsweise eine Fotodiode, angeordnet. Die Laserdiode 13 und der Lichtsensor 14 sind über elektrische Anschlüsse 15 kontaktiert.The first unit 10 has a laser module with a housing 11 with a partially transparent exit window for the wavelength of light used 12 on. The laser module includes an integrated laser diode 13 , the light of a given wavelength through the exit window 12 emitted. Next is in the case 11 a light sensor 14 , For example, a photodiode arranged. The laser diode 13 and the light sensor 14 are via electrical connections 15 contacted.

Das mit seinem Gehäuse 11 dargestellte Lasermodul kann ein handelsübliches Lasermodul sein, das für viele Einsatzzwecke in entsprechend großer Stückzahl hergestellt wird und dementsprechend kostengünstig erhältlich ist. Solche Lasermodule werden beispielsweise vielfältig in Consumer-Geräten wie Laserpointern oder CD-Spielern eingesetzt. Das von der integrierten Laserdiode 13 abgegebene Licht ist monochromatisch und kann beispielsweise eine Wellenlängen von λ = 650 nm (Nanometer) im roten Farbbereich aufweisen. Als weitere Laserwellenlängen sind 1310 nm und 1550 nm zu nennen, die zur Informationsübertragung eingesetzt werden. Laserdioden zur Emission dieser Laserwellenlängen werden ebenfalls in großen Stückzahlen produziert.That with his case 11 shown laser module can be a commercial laser module, which is made for many applications in a correspondingly large number and is therefore available at low cost. Such laser modules are used for example in a variety of consumer devices such as laser pointers or CD players. That of the integrated laser diode 13 emitted light is monochromatic and may for example have a wavelength of λ = 650 nm (nanometers) in the red color range. Further laser wavelengths to be mentioned are 1310 nm and 1550 nm, which are used for information transmission. Laser diodes for emitting these laser wavelengths are also produced in large numbers.

Die bei einem vorgegebenen in die Laserdiode 13 eingeprägten Durchlassstrom abgegebene Lichtintensität ist von dem Alterungszustand der Laserdiode 13 und der Betriebstemperatur abhängig. Um in einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Lasermoduls die abgestrahlte Lichtintensität messen zu können oder den Strom durch die Laserdiode 13 so zu regeln, dass eine bestimmte Lichtintensität abgestrahlt wird, und/oder das Lasermodul bezüglich seiner Funktionsfähigkeit überprüfen zu können, ist der integrierte Lichtsensor 14 vorgesehen. Beim Betrieb der Laserdiode 13 wird ein Teil des emittierten Lichts an der inneren Oberfläche des teiltransparenten Austrittsfensters 12 zurückgestrahlt und auf den Lichtsensor 14 reflektiert. Da der Reflexionskoeffizient gleichbleibend ist, kann aus der am Austrittsfenster 12 reflektierten Lichtmenge auf die Intensität des emittieren Lichts der Laserdiode 13 geschlossen werden.The at a given in the laser diode 13 impressed forward current emitted light intensity is of the aging state of the laser diode 13 and the operating temperature dependent. In order to be able to measure the radiated light intensity or the current through the laser diode in a normal operation of the laser module 13 to regulate so that a certain light intensity is emitted, and / or to be able to check the function of the laser module, is the integrated light sensor 14 intended. During operation of the laser diode 13 becomes a part of the emitted light on the inner surface of the partially transparent exit window 12 reflected back and onto the light sensor 14 reflected. Since the reflection coefficient is constant, can from the at the exit window 12 reflected amount of light on the intensity of the emitted light of the laser diode 13 getting closed.

Bei der anmeldungsgemäßen Vorrichtung wird das von der Laserdiode 13 abgegebene und am Austrittsfenster 12 auf den Lichtsensor 14 reflektierte Licht als Referenzstrahl in einem 3 für die interferometrische Anordnung genutzt.In the device according to the application that of the laser diode 13 delivered and at the exit window 12 on the light sensor 14 Reflected light used as a reference beam in a 3 for the interferometric arrangement.

Ein Messstrahlengang 4 ist gebildet durch Licht, dass das dargestellte Lasermodul durch das Austrittsfenster 12 verlässt und durch eine Linse 16 kollimiert in gerader Linie zu der zweiten Einheit 20 ausgestrahlt wird. Die Linse 16 kann, wie im vorliegenden Beispiel, extern von dem dargestellten Lasermodul angeordnet sein oder in das Lasermodul integriert sein.A measuring beam path 4 is formed by light that the laser module shown through the exit window 12 leaves and through a lens 16 collimates in a straight line to the second unit 20 is broadcast. The Lens 16 can, as in the present example, be arranged externally of the illustrated laser module or integrated into the laser module.

In der zweiten Einheit 20 ist an dem verfahrbaren Schlitten 2 ein Messspiegel 21 montiert, von dem das Licht des Messstrahlengangs 4 zurückgeworfen wird, um durch die Linse 16 und durch das Austrittsfenster 12 zu gelangen.In the second unit 20 is on the movable carriage 2 a measuring mirror 21 mounted, from which the light of the measuring beam path 4 thrown back to the lens 16 and through the exit window 12 to get.

Der Messspiegel 21 ist gegenüber der optischen Achse, die entlang der z-Richtung ausgerichtet ist, leicht gekippt, sodass das reflektierte Licht nicht zurück in die Laserdiode 13, sondern auf den Lichtsensor 14 fällt. Damit interferiert Licht des Referenzstrahlengangs 3, der eine feste Länge aufweist, und des Messstrahlengangs 4, dessen Länge von der Position des Schlittens 2 abhängt, auf dem Lichtsensor 14 miteinander.The measuring mirror 21 is slightly tilted with respect to the optical axis which is aligned along the z-direction, so that the reflected light is not returned to the laser diode 13 but on the light sensor 14 falls. This interferes light of the reference beam path 3 having a fixed length, and the measuring beam path 4 whose length depends on the position of the carriage 2 depends on the light sensor 14 together.

Durch das Zurückstrahlen des am Messspiegel 21 reflektierten Lichts, der in geeigneter Weise schräg gestellt ist, derart, dass es auf den internen Sensor 14 trifft, wird anmeldungsgemäß mithilfe des Lasermoduls eine Interferenzanordnung gebildet. Ein von dem Lichtsensors 14 erfasstes Interferenzsignal kann ausgewertet werden und somit eine Abstandsänderung des Messspiegels 21, bedingt durch ein Verfahren des Schlittens 2 über dem Linearvorschub 1, bestimmt werden.By the backscattering of the measuring mirror 21 reflected light, which is suitably inclined, such that it is on the internal sensor 14 according to the application, an interference arrangement is formed by means of the laser module. One from the light sensor 14 detected interference signal can be evaluated and thus a change in distance of the measuring mirror 21 due to a method of carriage 2 above the linear feed 1 to be determined.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur Generierung eines Messwertes die Weglänge zwischen Einheit 10 und 20 zyklisch verändert, indem der Messspiegel 21 auf einem Schwingantrieb 22 montiert ist und periodisch bewegt wird. Die zyklische Änderung der Position des Messspiegels 21 ist einer etwaigen Abstandsänderung durch Bewegung des Schlittens 2 überlagert. Es wird hierdurch eine größere Auflösung erzielt. Beispielsweise bietet es den Vorteil, dass das auswertbare Signal von Intensitätsveränderungen, die nicht auf Interferenz zurückzuführen sind, unabhängig wird. Auch bei kleinen zyklischen Bewegungen, die geringer als die halbe Wellenlänge sind, könnte ohne Schwingantrieb oder durchstimmbarer Laserdiode (siehe unten) das entstehende Signal fehlinterpretiert werden. Die periodische Bewegung führt zudem zu einem zeitabhängigen Interferenzsignal, selbst dann, wenn keine Abstandsänderung zwischen den beiden Einheiten 10, 20 erfolgt. Für den Fall, dass eine Abstandsänderung stattfindet, können anhand der festgestellten Phasenveränderung des sonst zeitlich monoton wiederkehrenden Interferenzsignals der Betrag und die Richtung der Bewegung bestimmt werden. Eine Abstandsänderung kann auf diese Weise mit deutlich besserer Auflösung und Konfidenz nachvollzogen werden.In the illustrated embodiment, the path length between unit to generate a measured value 10 and 20 cyclically changed by the measuring mirror 21 on a swing drive 22 is mounted and moved periodically. The cyclic change of the position of the measuring mirror 21 is a possible change in distance by movement of the carriage 2 superimposed. It is thereby achieved a greater resolution. For example, it has the advantage that the evaluable signal of intensity changes that are not due to interference, independent. Even with small cyclic movements that are less than half the wavelength, the resulting signal could be misinterpreted without oscillating drive or tunable laser diode (see below). The periodic motion also leads to a time-dependent interference signal, even if no change in distance between the two units 10 . 20 he follows. In the event that a change in distance takes place, the amount and the direction of the movement can be determined on the basis of the detected phase change of the otherwise temporally monotonously recurring interference signal. A change in distance can be reconstructed in this way with much better resolution and confidence.

Zur periodischen Bewegung des Messspiegels 21 um eine bestimmte Amplitude Δz entlang der z-Achse ist der Schwingantrieb 22 dazu geeignet, den Messspiegel 21 in einer harmonischen (sinusförmigen) Schwingung oder in einer Dreiecksschwingung zu bewegen. Der Schwingantrieb 22 kann beispielsweise ein Piezoantrieb oder auch ein elektromagnetischer Antrieb, beispielsweise basierend auf einem Tauchspulenprinzip, sein.For periodic movement of the measuring mirror 21 by a certain amplitude Δz along the z-axis is the vibratory drive 22 suitable for this, the measuring mirror 21 to move in a harmonic (sinusoidal) vibration or in a triangular wave. The oscillating drive 22 For example, it can be a piezo drive or else an electromagnetic drive, for example based on a moving coil principle.

Alternativ zur Variation der Weglänge durch die beschrieben Bewegung des Messspiegels 21 kann eine effektive Weglänge dadurch variiert werden, dass die Laserwellenlänge durch periodische Stromänderung ebenfalls zyklisch verschoben wird. Hierfür kann ein elektrischer Strommodulator, der an die elektrischen Anschlüsse 15 angeschlossen wird, verwendet werden.Alternatively to the variation of the path length by the described movement of the measuring mirror 21 For example, an effective path length can be varied by also shifting the laser wavelength cyclically by periodic current change. For this purpose, an electric current modulator connected to the electrical connections 15 is used.

Die alternative zyklische Änderung der Wellenlänge beruhend auf einer Änderung des Stroms durch die Laserdiode 13 ist typischerweise kleiner als ein Nanometer (nm) und führt zu einem periodisch wiederkehrenden Muster, das charakteristisch für den absoluten Abstand und einer relativen Abstandsänderung ist. Die Frequenz des Interferenzsignals zwischen den Umkehrpunkten minimalen und maximalen Stroms ist abhängig von der Anzahl der zugehörigen Wellenzüge, die in den Messstrahlengang 4 passen. Beispielsweise ist bei geringem Abstand die Frequenz niedriger als bei einem großen Abstand. Ferner kann eine Auswertung der Phasenänderung zur Bestimmung der relativen Abstandsänderung mit den oben genannten Vorzügen des schwingungsfähigen Spiegels erfolgen, ohne dass dieser zyklisch bewegt werden muss.The alternative cyclic change in wavelength based on a change in current through the laser diode 13 is typically less than one nanometer (nm) and results in a periodically recurring pattern that is characteristic of the absolute distance and a relative change in distance. The frequency of the interference signal between the reversal points minimum and maximum current is dependent on the number of associated wave trains in the measuring beam path 4 fit. For example, at a short distance, the frequency is lower than at a large distance. Furthermore, an evaluation of the phase change to determine the relative change in distance with the above-mentioned advantages of the oscillatory mirror can be done without this must be moved cyclically.

Bei einer direkten Auswertung der Intensität des Interferenzsignals bei einer Bewegung des Messspiegels 21 ohne dessen zyklische Bewegung kann eine Abstandsbestimmung beispielsweise anhand des Zählens von Nulldurchgängen oder Extrema des Interferenzsignals erfolgen. Hierdurch ist ein erfindungsgemäßer Sensor mit geringerer Auflösung und größerer Störanfälligkeit möglich, der, je nach verwendeter Wellenlänge des monochromatischen Lichts, einen Abstandswert pro einigen hundert Nanometern generiert.In a direct evaluation of the intensity of the interference signal during a movement of the measuring mirror 21 Without its cyclic movement, a distance determination can be carried out, for example, by counting zero crossings or extrema of the interference signal. As a result, an inventive sensor with lower resolution and greater susceptibility is possible, which, depending on the wavelength of the monochromatic light used, generates a distance value per a few hundred nanometers.

2 zeigt in vergleichbarer Weise wie 1 ein zweites Ausführungsbeispiel der anmeldungsgemäßen Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in dieser Figur gleiche oder gleichwirkende Elemente wie beim Ausführungsbeispiel der 1. 2 shows in a comparable way as 1 A second embodiment of the device according to the invention for interferometric distance determination. The same reference numerals in this figure denote the same or equivalent elements as in the embodiment of 1 ,

Im Grundaufbau entspricht die Anordnung der 2 der aus 1, auf deren Beschreibung hiermit ausdrücklich verwiesen wird. Wiederum ist eine erste Einheit 10 als ortsfest angenommen und eine zweite Einheit 20 an einem verfahrbaren Schlitten 2, der über einen Linearvorschub 1 in einer z-Richtung bewegbar ist, montiert.In the basic structure corresponds to the arrangement of 2 the out 1 , whose description is hereby expressly referenced. Again, this is a first unit 10 as fixed and a second unit 20 on a movable carriage 2 that has a linear feed 1 is movable in a z-direction, mounted.

Wie beim ersten Ausführungsbeispiel ist bei der ersten Einheit 10 ein (handelsübliches) Lasermodul mit integrierter Laserdiode 13 und integriertem Lichtsensor 14 vorgesehen. Von der Laserdiode 13 emittiertes Licht verlässt ein Gehäuse 11 des Lasermoduls durch ein Austrittsfenster 12, wobei ein Teil des von der Laserdiode 13 emittierten Lichts nach Reflexion an einer Innenseite des Austrittsfensters 12 auf den Lichtsensor 14 fällt und dabei einen Referenzstrahlengang 3 bildet. Aus dem Austrittsfenster 12 austretendes Licht wird durch eine vorgesetzte Linse 16 gebündelt, sodass ein möglichst paralleles Strahlenbündel gebildet ist. In der 2 sind zwei parallele Randstrahlen des Laserstrahlenbündels im Messstrahlengang 4 dargestellt.As in the first embodiment, the first unit 10 a (commercially available) laser module with integrated laser diode 13 and integrated light sensor 14 intended. From the laser diode 13 emitted light leaves a housing 11 of the laser module through an exit window 12 , being a part of the laser diode 13 emitted light after reflection on an inside of the exit window 12 on the light sensor 14 falls while doing a reference beam path 3 forms. From the exit window 12 escaping light is through a superior lens 16 bundled so that as parallel as possible bundle of rays is formed. In the 2 are two parallel marginal rays of the laser beam in the measuring beam path 4 shown.

Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel trifft das am Messspiegel 21 reflektierte Licht den Lichtsensor 14 aufgrund einer leichten Neigung des Messspiegels 21. Damit kann prinzipiell eine Interferenz zwischen Licht des Referenzstrahlengangs 3 und des Messstrahlengangs 4 auf dem Lichtsensor 14 nur stattfinden, wenn die erste und die zweite Einheit 10, 20 einen innerhalb eines bestimmten Bereichs liegenden vorgegebenen Abstand aufweisen.At the in 1 illustrated embodiment that meets the measuring mirror 21 reflected light the light sensor 14 due to a slight inclination of the measuring mirror 21 , Thus, in principle, an interference between light of the reference beam path 3 and the measuring beam path 4 on the light sensor 14 only take place if the first and the second unit 10 . 20 have a predetermined distance within a certain range.

Diese konstruktiv bedingte Einschränkung ist beim Ausführungsbeispiel der 2 ausgeschaltet. Zu diesem Zweck ist eine zweifache Reflexion innerhalb der zweiten Einheit 20 vorgesehen. Der Messspiegel 21, der wie beim ersten Ausführungsbeispiel als ein Schwingspiegel ausgebildet ist und hier einen integrierten Schwingantrieb 22 aufweist, ist um 45° gegenüber der z-Richtung gekippt. Das am Messspiegel 21 reflektierte Licht fällt auf einen weiteren Spiegel, der hier durch die Oberfläche eines Dreiecksprismas 23 gebildet ist. Der Messspiegel 21 und die Oberfläche des Dreiecksprismas 23 bilden eine Retroreflektoranordnung, das heißt, dass ihre spiegelnden Oberflächen um 90° zueinander gekippt angeordnet sind. Einfallendes Licht des Messstrahlengangs 4 wird entsprechend parallel versetzt zurück zur ersten Einheit 10 reflektiert.This design constraint is in the embodiment of 2 switched off. For this purpose, there is a double reflection within the second unit 20 intended. The measuring mirror 21 , which is designed as a vibrating mirror as in the first embodiment and here an integrated oscillating drive 22 is tilted by 45 ° relative to the z-direction. The at the measuring mirror 21 Reflected light falls on another mirror, here through the surface of a triangular prism 23 is formed. The measuring mirror 21 and the surface of the triangular prism 23 form a retroreflector arrangement, that is, that their reflective surfaces are tilted by 90 ° to each other. Incident light of the measuring beam path 4 is offset in parallel back to the first unit 10 reflected.

Die erste Einheit 10 weist als weiteres optisches Element ein Keilprisma 17 auf, das das zurück reflektierte Licht im Messstrahlengang 4 bricht und wiederum über die Linse 16 auf den Lichtsensor 14 leitet.The first unit 10 has as a further optical element a wedge prism 17 on that the light reflected back in the measuring beam path 4 breaks and again over the lens 16 on the light sensor 14 passes.

Durch die Retroreflektoranordnung der zweiten Einheit 20 trifft der Messstrahlengang 4 unabhängig vom Abstand zwischen der ersten Einheit 10 und der zweiten Einheit 20 auf den Lichtsensor 14. Die Anordnung des zweiten Beispiels 2 kann somit über einen größeren Verschiebebereich entlang der z-Richtung eingesetzt werden.By the retroreflector arrangement of the second unit 20 the measuring beam path hits 4 regardless of the distance between the first unit 10 and the second unit 20 on the light sensor 14 , The arrangement of the second example 2 can thus be used over a larger displacement range along the z-direction.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Linearvorschublinear feed
22: Schlittencarriage
33: ReferenzstrahlengangReference beam path
44: Messstrahlengang Measurement beam path
1010: erste Einheitfirst unit
1111: Gehäusecasing
1212: Austrittsfensterexit window
1313: Laserdiodelaser diode
1414: Lichtsensorlight sensor
1515: Anschlussconnection
1616: Linselens
1717: Keilprisma wedge prism
2020: zweite Einheitsecond unit
2121: Messspiegelmeasuring levels
2222: Schwingantrieboscillating drive
2323: Dreiecksprismatriangular prism

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102011001161 B4 [0005]

Claims

Apparatus for interferometric distance determination, comprising a first unit (10) having a light source, a semitransparent reference mirror and a light sensor (14) and a second unit (20) having a measuring mirror (21), wherein light from a reference beam path (3) originating from the Light source via the reference mirror to the light sensor (14) extends, with light of a measuring beam path (4), which extends from the light source via the measuring mirror (21) to the light sensor (14) on the light sensor (14), characterized in that the light source is a laser diode (13) of a laser module having a housing (11) with an exit window (12), wherein the laser diode (13) and the light sensor (14) in the housing (11) are arranged and wherein the reference mirror through the exit window (12) is formed.

Device after Claim 1 in which the reference mirror is formed by a surface of the exit window (12) lying in the housing (11).

Device after Claim 1 or 2 in which the exit window (12) is followed by a lens (16).

Device according to one of Claims 1 to 3 in which the measuring mirror (21) is slightly tilted with respect to an optical axis of the laser module in order to reflect the measuring beam (4) onto the light sensor (14).

Device according to one of Claims 1 to 3 in which the measuring mirror (21) is tilted by approximately 45 ° with respect to an optical axis of the laser module, wherein a further mirror is provided on the second unit (20) which forms a retroreflector arrangement with the measuring mirror (21) in order to move the measuring beam ( 4) to reflect on the light sensor (14).

Device after Claim 5 in which a wedge prism (17) is arranged in the measuring beam path (4).

Device according to one of Claims 1 to 6 in that the measuring mirror (21) is coupled to a vibratory drive (22) for moving it along its optical axis.

Device after Claim 7 in that the oscillating drive (22) is suitable for periodically moving the measuring mirror (21), in particular with a sinusoidal or a triangular oscillation.

Device after Claim 7 or 8th in which the oscillating drive (22) is a piezo drive or an electromagnetically operating drive.

Device according to one of Claims 1 to 6 in which a current of the laser diode (13) is cyclically changed.

Method for interferometric distance determination with a device comprising a first unit (10) with a laser diode (13) as light source, a reference mirror and a light sensor (14) and a second unit (20) with a measuring mirror (21), wherein light from a Reference beam path (3), which extends from the light source via the reference mirror to the light sensor (14), with light of a measuring beam path (4) extending from the light source via the measuring mirror (21) to the light sensor (14) on the light sensor ( 14), characterized in that the measuring mirror (21) is coupled to an oscillating drive (22) and is moved cyclically along its optical axis during the distance determination or that a current through the laser diode (13) is varied cyclically.