DE4404663A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Messung des Abstandes zweier paralleler Meßflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Messung des gegenseitigen Abstandes zweier zueinander im wesentli­ chen paralleler Meßflächen eines Gegenstandes durch Streu­ lichtinterferenz mit Licht kurzer Kohärenzlänge sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Beispielsweise bei der Blechherstellung tritt das Problem auf die Blechdicke der kontinuierlich durchlaufenden Blech­ bahn auf Mykrometer genau zu messen. Dabei sollen störende Einflüsse wie Erwärmung, Lage und Flatterbewegungen des Ble­ ches vermieden oder kompensiert werden.

Mit Hilfe eines eingangs genannten Verfahrens wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein von einer Lichtquelle ausge­ hender Lichtstrahl in einen Meßstrahl und einen Referenz­ strahl unterteilt wird, daß der Meßstrahl auf eine erste Meßfläche gerichtet und der an der ersten Meßfläche ge­ streute Meßstrahl anschließend auf die zweite Meßfläche ge­ richtet wird, daß der Referenzstrahl an mindestens einem Re­ flexionselement in sich reflektiert und anschließend mit dem an der zweiten Meßfläche gestreuten Meßstrahl wieder verei­ nigt wird, worauf der vereinigte Strahl auf einen Strahlde­ tektor gelenkt wird, wobei die Länge des Referenzstrahles zwischen dem Strahlteilungspunkt und dem Strahlvereinigungs­ punkt in einer Nullstellung des Reflexionselementes gleich der Länge des Meßstrahles zwischen diesen Punkten zuzüglich dem Wert des zu messenden Abstandes ist, und daß das Refle­ xionselement um seine Nullstellung parallel zur Einfalls­ richtung des Referenzstrahles periodisch hin - und herbewegt wird.

Bei interferometrischen Messungen mit Licht kurzer Kohärenz­ länge < 20 µm tritt ein interferometrisches Signal nur dann auf, wenn der Meßstrahlengang und der Referenzstrahlengang so abgestimmt sind, daß ihr Wegunterschied kleiner als die Kohärenzlänge des Lichtes der Lichtquelle ist.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird ein gleichsam ringförmiger Strahlengang geschaffen. An einer Stelle dieses ringförmigen Strahlenganges, nämlich zwischen den beiden Ab­ schnitten des Meßstrahles wird der zu messende Gegenstand angeordnet. Die genaue Lage des zu messenden Gegenstandes zwischen den beiden Abschnitten des Meßstrahles spielt dabei keine Rolle, da es nur auf die Gesamtlänge des Strahlengan­ ges des Meßstrahles ankommt. Daher können Flatterbewegungen einer Blechbahn, deren Dicke gemessen werden soll, elimi­ niert werden. Temperatureinflüsse heben sich ebenfalls her­ aus, da sie gleichmäßig den Meß- und den Referenzstrahlen­ gang betreffen.

Bei der Messung der Dicke eines Blechbandes ist diese Dicke im wesentlichen bekannt. Es dreht sich nur darum, Abweichun­ gen von der gewünschten Dicke feststellen zu können. Daher können der Referenzstrahlengang und der Meßstrahlengang vor Beginn einer Messung auch für beliebige Blechdicken vorein­ gestellt werden. Es werden anschließend nur die Abweichungen der Blechdicke von diesem Festwert gemessen. Damit braucht das Reflexionselement nur über eine sehr geringe Strecke be­ wegt zu werden, um eine Abstimmung zwischen dem Meßstrahl und dem Referenzstrahl zu erzielen. Dies wiederum ermöglicht eine sehr rasche Hin- und Herbewegung des Reflexionselemen­ tes.

Durch diese Hin- und Herbewegung wird die Länge des Referenz­ strahles auf die Länge des Meßstrahles abgestimmt. Bei Ab­ stimmung im Bereich der Kohärenzlänge erfolgt ein "Dopplerburst", dessen Frequenz von der Bewegungsgeschwin­ digkeit des Reflexionselementes bestimmt wird. Da das Detek­ torsystem nur auf diese Frequenz abgestimmt zu werden braucht, ergibt sich ein exzellentes Signal/Rausch-Verhält­ nis.

Theoretisch liegt die Meßgenauigkeit bei der Messung mit Licht der oben angegebenen Kohärenzlänge unterhalb von 1 µm.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des vorstehend beschriebenen Verfahrens mit einer Lichtquelle zur Erzeugung von Licht kurzer Kohärenzlänge, einer Fotodetektoranordnung und einer Auswerteeinheit. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Weise ausgebildet, daß sie einen sich an die Lichtquelle anschließenden ersten Meßzweig und einen mit der Detektoranordnung verbundenen zweiten Meßzweig umfaßt, dessen Abstand von dem ersten Meß­ zweig größer als der gegenseitige Abstand der beiden Meßflä­ chen ist, daß jeder Meßzweig einen Strahlteiler zum Teilen des auf ihn einfallenden Lichtstrahles in einen zum Einfall auf die jeweilige Meßfläche bestimmten Meßstrahl und einen Referenzstrahl sowie ein Reflexionselement zum Reflektieren des jeweiligen Referenzstrahles umfaßt, wobei der Strahlen­ gang für den Meßstrahl und den Referenzstrahl jeweils so ge­ wählt ist, daß der Meßstrahl und der Referenzstrahl nach der Streuung bzw. Reflexion an der Meßfläche bzw. dem Reflexi­ onselement im Strahlteiler wieder vereinigt werden, daß eine Strahlumlenkungseinrichtung vorgesehen ist, um den aus dem Strahlteiler des ersten Meßzweiges austretenden vereinigten Strahl dem zweiten Meßzweig zuzuführen, daß die Strahlteiler und die Reflexionselemente beider Meßzweige und die Strah­ lumlenkeinrichtung relativ zueinander so angeordnet bzw. ausgebildet sind, daß die Länge des Referenzstrahles zwi­ schen dem Teilungspunkt im Strahlengang des ersten Meßzwei­ ges und dem Vereinigungspunkt im Strahlengang des zweiten Meßzweiges gleich der Länge des Meßstahles zwischen diesen Punkten zuzüglich des Abstandes zwischen den Meßflächen ist, und daß eines der Reflexionselemente parallel zur Richtung des auf es einfallenden Referenzstrahles mittels eines An­ triebs periodisch hin- und herbewegbar ist. Wird die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung in der oben beschriebenen Weise zum Messen der Stärke eines Blechbandes oder dergleichen einge­ setzt, so können die beiden Meßzweige zusammen mit dem für die Strahlumlenkung vorgesehenen Bereich C-förmig angeordnet sein. Die Vorrichtung kann so über den Rand der zu vermes­ senden Bahn geschoben werden, daß ein Meßzweig oberhalb und ein Meßzweig unterhalb der Bahn liegt, wobei die gegen Ober­ seite und Unterseite der zu vermessenden Bahn gerichteten Abschnitte des Meßstrahles in den beiden Meßzweigen kolinear zueinander und im wesentlichen senkrecht zur jeweiligen Meß­ fläche gerichtet sind.

Die Strahlumlenkeinrichtung kann zwei halbdurchlässige Spie­ gel umfassen, die in den Strahlengängen der beiden Meßzweige so angeordnet sind, daß der aus dem ersten Meßzweig austre­ tende Strahl zum zweiten Meßzweig umgelenkt wird.

Um das Meßlicht möglichst vollständig nutzen zu können, ist es zweckmäßig, wenn im Strahlengang jedes Meßzweiges eine Fokussierungseinrichtung angeordnet ist, um den Meßstrahl und den Referenzstrahl auf die jeweilige Meßfläche bzw. das jeweilige Reflexionselement zu fokussieren.

Wenn gemäß der oben beschriebenen Lösung Referenzstrahl und Meßstrahl auf die jeweilige Dicke des zu messenden Gegen­ standes voreingestellt werden, genügt es, das Reflexionsele­ ment um sehr kleine Strecken zu bewegen, die im Bereich der Kohärenzlänge des Lichtes liegen. In diesem Falle kann der Antrieb für das bewegte Reflexionselement von einem pie­ zoelektrischen Schwinger gebildet sein, mit dem das Reflexi­ onselement gekoppelt ist. Damit läßt sich auf sehr einfache und doch präzise Weise das Reflexionselement mit hoher Fre­ quenz hin- und herbewegen.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann zumin­ dest ein Teil des freien Strahlenganges in der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung auch durch Lichtleiter, das heißt Monomo­ defasern oder Multimodefasern geringen Durchmessers (z. B. < 100 µm) ersetzt werden, die mit geeigneten Koppelelementen zum Ein- und Ausblenden von Meßstrahl und Referenzstrahl so­ wie zum Teilen und Zusammenführen dieser Strahlen verbunden sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 erkennt man eine Lichtquelle 10, beispielsweise einen Laser, der Licht kurzer Kohärenzlänge zwischen 10 und 50 µm erzeugt. Der von dem Laser 10 ausgehende parallele Ge­ samtstrahl 12 gelangt über einen ersten teildurchlässigen Spiegel 14 in einen allgemeinen mit 16 bezeichneten ersten Meßzweig. In diesem wird der Strahl 12 nach dem Durchtritt durch eine Fokussierungslinse 18 durch einen als Strahltei­ ler wirkenden halbdurchlässigen Spiegel 20 in einen Meß­ strahlabschnitt 22 und einen Referenzstrahlabschnitt 24 un­ terteilt. Der Meßstrahlabschnitt 22 fällt von dem Strahltei­ ler 20 im wesentlichen senkrecht auf eine erste Meßfläche 26 eines Gegenstandes 28, dessen Dicke d gemessen werden soll. Beispielsweise handelt es sich bei einem solchen Gegenstand um eine kontinuierliche Blechbahn, deren Dicke bei der Her­ stellung überwacht werden soll.

Der Referenzstrahlabschnitt 24 tritt durch den Strahlteiler 20 hindurch und wird auf einen Spiegel 30 fokussiert, der mittels eines Antriebes 32 in Richtung des Doppelpfeiles A periodisch hin- und herbewegbar ist.

Der an der ersten Meßfläche 26 reflektierte oder gestreute Meßstrahlabschnitt 22 und der an dem Spiegel 30 reflektierte oder gestreute Referenzstrahlabschnitt 24 werden jeweils im Strahlteiler 20 wieder vereinigt und werden von dem Strahl­ teiler 20 durch die Fokussierungslinse 18 auf den Spiegel 14 gelenkt, der den vereinigten Strahl rechtwinklig in Richtung auf einen zweiten Meßzweig 34 der Meßvorrichtung umlenkt. Dieser umfaßt wie der erste Meßzweig 16 einen teildurchläs­ sigen Umlenkspiegel 36, eine Fokussierungslinse 38 und einen als Strahlteiler wirkenden teildurchlässigen Spiegel 40, der einen Meßstrahlabschnitt 42 in Richtung auf eine zweite Meß­ fläche 44 des Gegenstandes 28 und einen Referenzstrahlab­ schnitt 46 in Richtung auf einen feststehenden Spiegel 48 richtet. Der an der zweiten Meßfläche reflektierte oder ge­ streute Meßstrahlabschnitt 42 und der an dem feststehenden Spiegel 48 reflektierte Referenzstrahlabschnitt 46 werden in dem Strahlteiler 40 wieder vereinigt und fallen anschließend durch die Fokussierungslinse 38, den teildurchlässigen Spie­ gel 36 und eine weitere Fokussierungslinse 50, welche den aus der Fokussierungslinse 38 austretenden parallelen Licht­ strahl wieder bündelt, auf eine Detektoranordnung 52. Das von dieser Detektoranordnung 52 erzeugte Signal wird in ei­ ner Auswerteeinheit 54 verarbeitet.

Wie der Darstellung in Fig. 1 entnommen werden kann, erhält man zwischen den teildurchlässigen Spiegeln 14, 20, 36, 40 einen ringförmigen Strahlengang mit symmetrischen Abschnit­ ten in den beiden Meßzweigen 16, 34. Wenn der Mittenabstand zwischen den Spiegeln 14, 20 bzw. 36, 40 jeweils mit a und der Mittenabstand zwischen den Spiegeln 14, 36 einerseits und den Spiegeln 20, 40 andererseits jeweils mit b bezeich­ net wird, so erhält man für den Gesamtweg des Meßstrahles vom Spiegel 20 (Teilungspunkt) über die erste Meßfläche 26, die Spiegel 20, 14, 36, 40, die zweite Meßfläche 44 bis zum Spiegel 40 (Vereinigungspunkt) die Strecke

1^m = 2a + 3b - 2d.

Der Abstand zwischen der Mitte des Spiegels 20 und dem Spie­ gel 30 in der Nullstellung des letzteren sowie der Abstand zwischen der Mitte des Spiegels 40 und dem Spiegel 48 ist jeweils zu b/2 gewählt. Dann erhält man für den Gesamtweg des Referenzstrahles zwischen dem obengenannten (Teilungspunkt) und dem obengenannten (Vereinigungspunkt) die Strecke

1^r = 2a + 3b ± 2s

wobei s die Strecke bezeichnet, die der Spiegel 30 aus sei­ ner Nullage durch den Antrieb 32 in der einen oder der ande­ ren Richtung ausgelenkt werden kann. Die Strecke s ist gleich der Dicke des zu messenden Gegenstandes 28, das heißt s = d.

Die Frequenz des Referenzstrahles erhält durch die Bewegung des Spiegels 30 eine Dopplerverschiebung. Wenn sich der Meß­ strahl und der Referenzstrahl auf dem Detektor 52 überla­ gern, führen die geringfügig unterschiedlichen Frequenzen von Meßstrahl und Referenzstrahl zu einer Schwebung, deren Frequenz gleich der Frequenzänderung des Referenzstrahls und damit abhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit des Spiegels 30 ist. Ein Signal erhält man allerdings nur, solange die Differenz der vom Referenzstrahl und vom Meßstrahl zurückge­ legten Wege kleiner als die Kohärenzlänge des von der Licht­ quelle 10 ausgehenden Lichtes ist. Der Ort des periodisch hin- und herbewegten Spiegels 30 und damit die Weglänge des Referenzstrahles sind zu jedem Zeitpunkt bekannt. Durch Aus­ wertung der gemessenen Schwebungsfrequenz in Relation zu der bekannten Position des Spiegels 30 läßt sich eine Längenän­ derung des Meßstrahles und damit eine Änderung des Abstandes zwischen den Meßflächen 26, 44 ermitteln. Die erreichbare Genauigkeit liegt dabei bei ca. 1 µm unter der Vorausset­ zung, daß Licht mit einer Kohärenzlänge von ca. 10 bis 20 µm verwendet wird. Eine Höhenänderung des Gegenstandes 28, bei­ spielsweise die Flatterbewegung einer Materialbahn, deren Stärke gemessen werden soll, spielt dabei keine Rolle, da beispielsweise eine Verkürzung des Meßstrahlabschnittes 22 durch eine entsprechende Verlängerung des Meßstrahlabschnit­ tes 42 ausgeglichen wird.

Temperatureinflüsse auf das Meßsystem heben sich ebenfalls heraus, da sie gleichmäßig den Meß- und Referenzstrahlengang betreffen. Das Meßsystem kalibriert sich auch vor der Mes­ sung selbst. Dies wird durch den ringförmigen Strahlengang ermöglicht.

Fig. 2 zeigt eine etwas abgewandelte Ausführungsform der in Fig. 1 dargestellten Meßanordnung, wobei gleichwirkende Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. Die Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß der von der Lichtquelle 10 ausgehende Strahl über einen Umlenkspie­ gel 56 auf den Strahlteiler 20 gelenkt wird und daß der vom Strahlteiler 40 ausgehende vereinigte Strahl über einen Um­ lenkspiegel 58 in Richtung auf den Detektor 52 abgelenkt wird. Der einfallende Strahl und der austretende Strahl sind somit von dem ringförmigen Strahlengang des Meß- und Refe­ renzstrahles getrennt.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausfüh­ rungsbeispieles, bei dem der Strahlengang zum Teil durch Lichtleiter verläuft. Die mit den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 2 übereinstimmenden Teile sind wieder mit glei­ chen Bezugszeichen versehen.

Der von der Lichtquelle 10 ausgehende Lichtstrahl gelangt über eine erste Lichtleitfaser 60 zu einer Teilungsstelle 62, an der er in einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl aufgespaltet wird. Der Referenzstrahl gelangt durch einen Lichtleiter 64 und eine Linse 66 auf den hin- und herbeweg­ ten Spiegel 30, an dem er in den Lichtleiter 64 zurückre­ flektiert wird. Der Meßstrahl gelangt über einen Lichtleiter 68 und eine Linse 70 zu einem Spiegel 72 an dem er in Rich­ tung auf die Meßfläche 26 gelenkt wird. Der an der Meßfläche 26 gestreute Meßstrahl gelangt über den Spiegel 72 und die Linse 70 zurück in den Lichtleiter 68. Meßstrahl und Refe­ renzstrahl 64 treten an dem Teilungspunkt 62 gemeinsam in einen Lichtleiter 64 ein, der den Teilungspunkt 62 mit einem weiteren Teilungspunkt 76 verbindet, an den sich wiederum ein Lichtleiter 78 anschließt, der den Meßstrahl über eine Linse 80 und einen Umlenkspiegel 82 auf die zweite Meßfläche 44 lenkt. Von dort nimmt der Meßstrahl wieder den Weg zurück zu dem Punkt 76. Der Referenzstrahl gelangt über einen Lichtleiter 84 und eine Linse 86 zu einem Prisma 88, an dem er in den Lichtleiter 84 zurückreflektiert wird. Meßstrahl und Referenzstrahl gelangen von dem Punkt 76 über einen Lichtleiter 90 auf den Detektor 52. Als Lichtleiter werden Monomodefasern verwendet. Das Meßprinzip stimmt mit dem an­ hand der Fig. 1 beschriebenen Meßprinzip überein.

Claims (7)

1. Verfahren zur optischen Messung des gegenseitigen Abstan­ des zweier zueinander im wesentlichen paralleler Meßflä­ chen (26, 44) eines Gegenstandes (28) durch Streulichtin­ terferenz mit Licht kurzer Kohärenzlänge, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein von einer Lichtquelle (10) ausgehender Lichtstrahl in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl unterteilt wird, daß der Meßstrahl auf eine erste Meßflä­ che (26) gerichtet und der an der ersten Meßfläche (26) gestreute Meßstrahl anschließend auf die zweite Meßfläche (44) gerichtet wird, daß der Referenzstrahl an mindestens einem Reflexionselement (30) in sich reflektiert und an­ schließend mit dem an der zweiten Meßfläche (44) gestreu­ ten Meßstrahl wieder vereinigt wird, worauf der vereinigte Strahl auf einen Strahldetektor (52) gelenkt wird, wobei die Länge des Referenzstrahles zwischen dem Strahltei­ lungspunkt (20) und dem Strahlvereinigungspunkt (40) in einer Nullstellung des Reflexionselementes (30) gleich der Länge des Meßstrahles zwischen diesen Punkten zuzüglich dem Wert des zu messenden Abstandes ist, und daß das Re­ flexionselement (30) um seine Nullstellung parallel zur Einfallsrichtung des Referenzstrahles periodisch hin- und herbewegt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach An­ spruch 1 mit einer Lichtquelle (10) zur Erzeugung von Licht kurzer Kohärenzlänge, einer Fotodetektoranordnung (52) und einer Auswerteeinheit (54), dadurch gekennzeich­ net, daß sie einen sich an die Lichtquelle (10) anschlie­ ßenden ersten Meßzweig (16) und einen mit der Detektoran­ ordnung (52) verbundenen zweiten Meßzweig (34) umfaßt, dessen Abstand von dem ersten Meßzweig (16) größer als der gegenseitige Abstand der beiden Meßflächen (26, 44) ist, daß jeder Meßzweig (16) einen Strahlteiler (20, 40) zum Teilen des auf ihn einfallenden Lichtstrahles in einen zum Einfall auf die jeweilige Meßfläche (26, 44) bestimmten Meßstrahl und einen Referenzstrahl sowie ein Reflexions­ element (30, 48) zum Reflektieren des jeweiligen Referenz­ strahles umfaßt, wobei der Strahlengang für den Meßstrahl und den Referenzstrahl jeweils so gewählt ist, daß der Meßstrahl und der Referenzstrahl nach der Streuung bzw. Reflexion an der Meßfläche (26, 44) bzw. dem Reflexionsele­ ment (30, 48) im Strahlteiler (20, 40) vereinigt werden, daß eine Strahlumlenkeinrichtung (14, 36) vorgesehen ist, um den aus dem Strahlteiler (20) des ersten Meßzweiges (16) austretenden vereinigten Strahl dem zweiten Meßzweig (34) zuzuführen, daß die Strahlteiler (20, 40) und die Reflexionselemente (30, 48) beider Meßzweige (16, 34) und die Strahlumlenkeinrichtung (14, 36) relativ zueinander so angeordnet bzw. ausgebildet sind, daß die Länge des Refe­ renzstrahles zwischen dem Teilungspunkt im Strahlengang des ersten Meßzweiges (16) und dem Vereinigungspunkt im Strahlengang des zweiten Meßzweiges (34) gleich der Länge des Meßstrahles zwischen diesen Punkten zuzüglich des Ab­ standes zwischen den Meßflächen (46, 44) ist, und daß ei­ nes der Reflexionselemente (30, 48) parallel zur Richtung des auf es einfallenden Referenzstrahles mittels eines An­ triebes (32) periodisch hin- und herbewegbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrahlabschnitte (22, 42) in den beiden Meßzweigen (16, 34) kolinear zueinander auf die beiden Meßflächen (26, 44) gerichtet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß im Strahlengang jedes Meßzweiges (16, 34) halb­ durchlässige Spiegel (14, 36) so angeordnet sind, daß der Strahl von dem ersten Meßzweig (16) zum zweiten Meßzweig (34) umgelenkt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen in der Strahlenumlenkeinrichtung und in min­ destens einem Teil der beiden Meßzweige (16, 34) in Licht­ leitern (60, 64, 68, 74, 90, 78, 84) geführt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Antrieb (32) von einem mit dem Re­ flexionselement (30) gekoppelten piezoelektrischen Schwin­ ger gebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Strahlengang jedes Meßzweiges (16, 34) eine Fokussiereinrichtung (18, 38) angeordnet ist, um den Meßstrahl und den Referenzstrahl auf die Meßflächen (26, 44) bzw. das Reflexionselement (30) zu fokussieren.