DE19721883A1 - Interferometrische Meßvorrichtung - Google Patents
Interferometrische MeßvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Meßvorrichtung zur Form
vermessung an rauhen Oberflächen eines Meßobjekts mit einer Strahlungser
zeugungseinheit zur Abgabe einer kurzkohärenten Strahlung, einem ersten Strahlteiler
zum Bilden eines ersten und eines zweiten Teilstrahls, von denen der eine auf die zu
vermessende Oberfläche und der andere auf eine Vorrichtung mit einem reflektierenden
Element zum periodischen Ändern des Lichtweges gerichtet ist, mit einem Überlage
rungselement, an dem die von der Oberfläche und der Vorrichtung kommende Strahlung
zur Interferenz gebracht werden und mit einem Photodetektor, der die Strahlung auf
nimmt.
Eine interferometrische Meßvorrichtung dieser Art ist in der Veröffentlichung T. Dressel,
G. Häusler, H. Venzke "Three-Dimensional sensing of rough surfaces by coherence
radar", Appl. Opt., Vol. 3, No. 7, vom 01.03.1992 als bekannt ausgewiesen. In dieser
Veröffentlichung wird ein Interferometer mit kurzkohärenter Lichtquelle, z. B. einer
Laserdiode, und piezobewegtem Spiegel zur Formvermessung an rauhen Oberflächen
vorgeschlagen. In der Meßvorrichtung wird ein erster Teilstrahl in Form einer Lichtwelle,
die von einem Meßobjekt zurückgestrahlt ist, mit einem zweiten Teilstrahl in Form einer
Referenzwelle überlagert. Die beiden Lichtwellen haben eine sehr kurze Kohärenzlänge
(einige µm), so daß der Interferenzkontrast ein Maximum erreicht, wenn die optische
Wegdifferenz null ist. Zum Ändern des Lichtwegs der Referenzwelle ist ein
reflektierendes Element in Form eines piezobewegten Spiegels vorgesehen. Durch den
Vergleich der Lage des piezobewegten Spiegels mit der Zeit des Auftretens des
Interferenzmaximums, läßt sich der Abstand zum Meßobjekt bestimmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Meßvorrichtung der
eingangs genannten Art bereit zu stellen, bei der bei einfachem Aufbau eine erhöhte
Meßgenauigkeit erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach ist also
vorgesehen, daß die Strahlungserzeugungseinheit eine Ansteuereinheit aufweist, mit der
die Frequenz der Laserdiode zum Erzeugen der kurzkohärenten Strahlung modulierbar
ist. Durch diesen Aufbau der Meßvorrichtung wird eine kostengünstige, leistungsstarke
kurzkohärente Lichtquelle mit heute überwiegend hergestellten und daher preiswerten
Laserdioden erhalten, so daß ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis und damit eine hohe
Meßgenauigkeit erzielt wird. Außerdem läßt sich eine definierte Kohärenzlänge bei ge
gebener Wellenlänge erzeugen, so daß z. B. Störstrahlung ausgefiltert werden kann.
Einfache Maßnahmen für die Frequenzmodulation bestehen darin, daß die Frequenz
modulation durch Modulation des Injektionsstroms oder der geometrischen Länge eines
Resonators der Laserdiode erfolgt.
Eine geeignete, leistungsstarke Lichtquelle besteht z. B. darin, daß die Laserdiode
schmalbandig ist und eine Kohärenzlänge zwischen 10 mm und einigen Metern besitzt.
Eine weitere Maßnahme, die Meßgenauigkeit zu erhöhen und dabei den Aufwand zu
reduzieren, besteht darin, daß die Vorrichtung zum Ändern des Lichtwegs eine im
Strahlengang angeordnete akustooptische Deflektoreinrichtung und dahinter ortsfest an
geordnet das reflektierende Element aufweist, und daß die Deflektoreinrichtung fre
quenzmoduliert angesteuert ist und in bezug auf den ankommenden Teilstrahl sowie auf
das reflektierende Element derart angeordnet ist, daß der zu dem Überlagerungselement
geführte Strahl durch seine Ablenkung in der Deflektoreinrichtung die Änderung seines
Lichtwegs erfährt. Mit der akustooptischen Deflektoreinrichtung in Verbindung mit dem
dahinter ortsfest angeordneten reflektierenden Element wird ohne mechanische Be
wegung eine Änderung des Lichtwegs erzeugt, indem lediglich die Ansteuerfrequenz der
Deflektoreinrichtung moduliert wird. Gleichzeitig wird durch die Kenntnis der Modula
tionsfrequenz eine einfache Erfassung des Lichtwegs ermöglicht und damit der Abstand
zum Meßobjekt durch Erfassung des Interferenz-Maximums bestimmbar.
Ein einfacher Aufbau der Meßvorrichtung besteht darin, daß die Deflektoreinrichtung
zwei im Strahlengang hintereinander angeordnete Deflektoren aufweist, von denen der
erste Deflektor den ankommenden Teilstrahl in Abhängigkeit von der Frequenz um einen
zeitlich variablen Winkel ablenkt und der zweite Deflektor die Winkelablenkung zurück
setzt, so daß der zweite Teilstrahl wieder in der Einfallsrichtung bzgl. des ersten
Deflektors parallel versetzt weiterverläuft, und daß das reflektierende Element als
Beugungsgitter ausgebildet ist, das bezüglich des aus dem zweiten Deflektor aus
tretenden Teilstrahles derart schräg ausgerichtet ist, daß der Teilstrahl in Einfallsrichtung
zurückgeführt wird. Mit diesen Maßnahmen wird der auf das reflektierende Element in
Form des Beugungsgitters auftreffende erste Teilstrahl bei jeder Modulationsfrequenz,
das heißt bei jedem Ablenkwinkel in sich selbst zurückgeführt, wobei sein Lichtweg mit
der Modulationsfrequenz variiert.
Eine einfache vorteilhafte Ausgestaltung wird dadurch erzielt, daß die Deflektoren von
einem gemeinsamen Deflektor-Treiber angesteuert werden, und daß eine Information
über die Modulationsfrequenz an eine Auswerteschaltung gegeben wird, der auch das
Ausgangssignal des Photodetektors zugeführt ist, und daß in der Auswerteschaltung
auf der Basis der Information und des Ausgangssignals der Abstand zum Meßpunkt des
Meßobjektes bestimmbar ist. Da der Lichtweg unmittelbar und trägheitslos von der
Modulationsfrequenz abhängt, wird der Lichtweg stets genau erfaßt und die Lage des
Meßobjekts zuverlässig bestimmbar.
Die Anordnung der Meßvorrichtung kann vorteilhaft derart ausgelegt sein, daß zwischen
der Strahlungserzeugungseinrichtung und dem ersten Strahlteiler ein Kollimator ange
ordnet ist, daß zwischen dem Strahlteiler und dem Meßobjekt ein zweiter Strahlteiler
zum Führen des ersten Teilstrahls über eine Fokussierungslinse auf das Meßobjekt und
des von dem Meßobjekt reflektierten Teilstrahls auf das Überlagerungselement in Form
eines weiteren Strahlteilers angeordnet ist, und daß zwischen dem ersten Strahlteiler
und dem ersten Deflektor ein dritter Strahlteiler angeordnet ist, mit dem der über den
ersten Deflektor zurückkehrende zweite Teilstrahl auf den weiteren Strahlteiler zum
Interferieren mit dem von dem Meßobjekt reflektierten Teilstrahl gerichtet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen
Aufbau einer interferometrischen Meßvorrichtung zur Formvermessung an rauhen Ober
flächen eines Meßobjekts 7.
Ein kollimierter Strahl einer kurzkohärenten Strahlungserzeugungseinheit mit einer
Lichtquelle in Form einer Laserdiode und mit einer Ansteuereinheit 15 wird in einem
ersten Strahlteiler ST1 in einen ersten und einen zweiten Teilstrahl 3 bzw. 4 aufgeteilt.
Der erste Teilstrahl 3 wird über einen akustooptischen Modulator 5 über einen zweiten
Strahlteiler ST2 und eine Fokussierungslinse 6 auf die Oberfläche des Meßobjekts 7
gerichtet. Nach der Rückreflexion erreicht der erste Teilstrahl einen vierten Strahlteiler
ST4.
Der an dem ersten Strahlteiler ST1 abgeteilte zweite Teilstrahl 4 läuft durch einen
dritten Strahlteiler ST3 und anschließend durch zwei akustooptische Deflektoren 8, 9,
die mittels eines gemeinsamen Deflektor-Treibers 12 frequenzmoduliert angesteuert
werden. Durch die Frequenzmodulation wird der Ablenkwinkel des zweiten Teilstrahls
4 in dem ersten akustooptischen Deflektor 8 um einen Winkel α variiert. In dem
zweiten akustooptischen Deflektor 9 wird der zweite Teilstrahl 4 anschließend wieder
in die Richtung abgelenkt, in der er auf den ersten akustooptischen Deflektor 8 auftrifft.
Auf diese Weise entsteht ein Parallelversatz des aus dem zweiten akustooptischen
Deflektor 9 austretenden zweiten Teilstrahls 4, der anschließend ein reflektierendes
Element in Form eines Beugungsgitters 10 beleuchtet. Das Beugungsgitter 10 ist unter
einem bestimmten Winkel so geneigt, daß der zurückgebeugte erste Teilstrahl 3
unabhängig von dem Parallelversatz in die interferometrische Anordnung über den
Strahlteiler ST3 zurückläuft und sich in dem Strahlteiler ST4 mit dem von dem
Meßobjekt 7 kommenden ersten Teilstrahl 3 überlagert. Wenn die beiden Teilstrahlen 3
und 4 die gleiche optische Strecke zurücklegen, hat der Interferenzkontrast ein
Maximum erreicht.
Da die beiden akustooptischen Deflektoren 8, 9 so angeordnet sind, daß die Winkel
ablenkung des ersten Deflektors 8 in dem zweiten Deflektor 9 zurückgesetzt und der
zweite Teilstrahl 4 nur parallel verschoben wird, wird der Lichtweg bzw. die optische
Strecke (Laufzeit) des zweiten Teilstrahls 4 moduliert. Wenn die optische Wegdifferenz
beider Teilstrahlen 3, 4 null ist, sieht auch ein im Strahlengang hinter dem vierten
Strahlteiler ST4 angeordneter Photodetektor 11 das Interferenzmaximum. Durch den
Vergleich des Zeitpunkts des Interferenzmaximums bzw. Signalmaximums des Photo
detektors 11 mit der momentanen Frequenz des Deflektor-Treibers 12 in einer Aus
werteschaltung 14 läßt sich der Abstand zu dem Meßobjekt 7 genau bestimmen. Wird
dabei ein zwischen dem ersten Strahlteiler ST1 und dem zweiten Strahlteiler ST2 ange
ordneter akustooptischer Modulator 5 zur Verschiebung der Frequenz des ersten Teil
strahls 3 angesteuert, so erfaßt der Photodetektor 11 das Interferenzmaximum in Form
eines Wechselsignals mit der Frequenz, mit der der akustooptische Modulator 5 mittels
eines Modulator-Treibers 13 angesteuert wird.
Die Laserdiode 1 wird mittels der Ansteuereinheit 15 frequenzmoduliert. Dies geschieht
beispielsweise durch Modulation des Injektionsstroms oder durch Modulation der
geometrischen Länge des Resonators. Auf diese Weise läßt sich die Kohärenzlänge der
Laserdiode, die an sich einige Millimeter bis einige Meter beträgt, auf den Bereich einiger
Mikrometer verkürzen, so daß das Interferenzmaximum leicht detektierbar ist. In Ver
bindung mit der Ansteuereinheit 15 läßt sich eine schmalbandige, leistungsstarke
Laserdiode 1 einer geeigneten Wellenlänge verwenden, so daß eine hohe Meßgenauig
keit bei kostengünstigem Aufbau erzielbar ist.
Claims (7)
1. Interferometrische Meßvorrichtung zur Formvermessung an rauhen Oberflächen
eines Meßobjekts mit einer eine Laserdiode aufweisenden Strahlungserzeugungs
einheit zur Abgabe einer kurzkohärenten Strahlung, einem ersten Strahlteiler zum
Bilden eines ersten und eines zweiten Teilstrahls, von denen der eine auf die zu
vermessende Oberfläche und der andere auf eine Vorrichtung mit einem
reflektierenden Element zum periodischen Ändern des Lichtweges gerichtet ist,
mit einem Überlagerungselement, an dem die von der Oberfläche und der
Vorrichtung kommende Strahlung zur Interferenz gebracht werden, und mit
einem Photodetektor, der die Strahlung aufnimmt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlungserzeugungseinheit eine Ansteuereinheit (15) aufweist, mit der
die Frequenz der Laserdiode (1) zum Erzeugen der kurzkohärenten Strahlung
modulierbar ist.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenzmodulation durch Modulation des Injektionsstroms oder der
geometrischen Länge eines Resonators der Laserdiode (1) erfolgt.
3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Laserdiode (1) schmalbandig ist und eine Kohärenzlänge zwischen 10
mm und einigen Metern besitzt.
4. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zum Ändern des Lichtweges eine im Strahlengang ange ordnete akustooptische Deflektoreinrichtung (8, 9) und dahinter ortsfest ange ordnet das reflektierende Element (10) aufweist, und
daß die Deflektoreinrichtung (8, 9) frequenzmoduliert angesteuert ist und in bezug auf den ankommenden Teilstrahl sowie auf das reflektierende Element (10) derart angeordnet ist, daß der zu dem Überlagerungselement (ST4) ge führte Strahl durch seine Ablenkung (α) in der Deflektoreinrichtung (8, 9) die Änderung seines Lichtwegs erfährt.
daß die Vorrichtung zum Ändern des Lichtweges eine im Strahlengang ange ordnete akustooptische Deflektoreinrichtung (8, 9) und dahinter ortsfest ange ordnet das reflektierende Element (10) aufweist, und
daß die Deflektoreinrichtung (8, 9) frequenzmoduliert angesteuert ist und in bezug auf den ankommenden Teilstrahl sowie auf das reflektierende Element (10) derart angeordnet ist, daß der zu dem Überlagerungselement (ST4) ge führte Strahl durch seine Ablenkung (α) in der Deflektoreinrichtung (8, 9) die Änderung seines Lichtwegs erfährt.
5. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Deflektoreinrichtung zwei im Strahlengang hintereinander angeordnete Deflektoren (8, 9) aufweist, von denen der erste Deflektor (8) den ankommen den Teilstrahl in Abhängigkeit von der Frequenz um einen zeitlich variablen Winkel ablenkt und der zweite Deflektor (9) die Winkelablenkung zurücksetzt, so daß der zweite Teilstrahl (4) wieder in der Einfallsrichtung bzgl. des ersten Deflektors (8) parallel versetzt weiterverläuft, und
daß das reflektierende Element als Beugungsgitter ausgebildet ist, das bezüglich des aus dem zweiten Deflektor (9) austretenden Teilstrahles derart schräg ausgerichtet ist, daß der Teilstrahl in Einfallsrichtung zurückgeführt wird.
daß die Deflektoreinrichtung zwei im Strahlengang hintereinander angeordnete Deflektoren (8, 9) aufweist, von denen der erste Deflektor (8) den ankommen den Teilstrahl in Abhängigkeit von der Frequenz um einen zeitlich variablen Winkel ablenkt und der zweite Deflektor (9) die Winkelablenkung zurücksetzt, so daß der zweite Teilstrahl (4) wieder in der Einfallsrichtung bzgl. des ersten Deflektors (8) parallel versetzt weiterverläuft, und
daß das reflektierende Element als Beugungsgitter ausgebildet ist, das bezüglich des aus dem zweiten Deflektor (9) austretenden Teilstrahles derart schräg ausgerichtet ist, daß der Teilstrahl in Einfallsrichtung zurückgeführt wird.
6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Deflektoren (8, 9) von einem gemeinsamen Deflektor-Treiber (12) an gesteuert werden, und
daß eine Information über die Modulationsfrequenz an eine Auswerteschaltung (14) gegeben wird, der auch das Ausgangssignal des Photodetektors (11) zu geführt ist, und
daß in der Auswerteschaltung (14) auf der Basis der Information und des Aus gangssignals der Abstand zum Meßpunkt des Meßobjekts (7) bestimmbar ist.
daß die Deflektoren (8, 9) von einem gemeinsamen Deflektor-Treiber (12) an gesteuert werden, und
daß eine Information über die Modulationsfrequenz an eine Auswerteschaltung (14) gegeben wird, der auch das Ausgangssignal des Photodetektors (11) zu geführt ist, und
daß in der Auswerteschaltung (14) auf der Basis der Information und des Aus gangssignals der Abstand zum Meßpunkt des Meßobjekts (7) bestimmbar ist.
7. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Laserdiode (1) und dem ersten Strahlteiler (ST1) ein Kollima tor (2) angeordnet ist,
daß zwischen dem Strahlteiler (ST1) und dem Meßobjekt (7) ein zweiter Strahlteiler (ST2) zum Führen des ersten Teilstrahls (3) über eine Fokus sierungslinse (6) auf das Meßobjekt (7) und des von dem Meßobjekt (7) reflektierten Teilstrahls auf das Überlagerungselement in Form eines weiteren Strahlteilers (ST4) angeordnet ist, und
daß zwischen dem ersten Strahlteiler (ST1) und dem ersten Deflektor (8) ein dritter Strahlteiler (ST3) angeordnet ist, mit dem der über den ersten Deflektor (8) zurückkehrende zweite Teilstrahl (4) auf den weiteren Strahlteiler (ST4) zum Interferieren mit dem von dem Meßobjekt (7) reflektierten Teilstrahl gerichtet ist.
daß zwischen der Laserdiode (1) und dem ersten Strahlteiler (ST1) ein Kollima tor (2) angeordnet ist,
daß zwischen dem Strahlteiler (ST1) und dem Meßobjekt (7) ein zweiter Strahlteiler (ST2) zum Führen des ersten Teilstrahls (3) über eine Fokus sierungslinse (6) auf das Meßobjekt (7) und des von dem Meßobjekt (7) reflektierten Teilstrahls auf das Überlagerungselement in Form eines weiteren Strahlteilers (ST4) angeordnet ist, und
daß zwischen dem ersten Strahlteiler (ST1) und dem ersten Deflektor (8) ein dritter Strahlteiler (ST3) angeordnet ist, mit dem der über den ersten Deflektor (8) zurückkehrende zweite Teilstrahl (4) auf den weiteren Strahlteiler (ST4) zum Interferieren mit dem von dem Meßobjekt (7) reflektierten Teilstrahl gerichtet ist.
Priority Applications (1)
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DE1997121883 DE19721883C2 (de) | 1997-05-26 | 1997-05-26 | Interferometrische Meßvorrichtung |
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DE1997121883 DE19721883C2 (de) | 1997-05-26 | 1997-05-26 | Interferometrische Meßvorrichtung |
Publications (2)
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DE19721883A1 true DE19721883A1 (de) | 1998-12-03 |
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- 1997-05-26 DE DE1997121883 patent/DE19721883C2/de not_active Expired - Fee Related
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