ES2269578T3 - Procedimiento de medicion interferometrica y dispositivo. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de medición interferométrica para detectar la forma o la distancia de superficies, en el que se crea luz, se modula en cuanto a su frecuencia, se guía por un lado sobre la superficie y por otro lado se alimenta a una superficie de referencia y se pone en interferencia y se guía a un fotodetector y se analiza una fase de la señal del fotodetector (Ph) para detectar la distancia respectiva, en el que se mide la fase al menos en dos puntos (t1 y t2) de tiempo distintos con las longitudes lambda 1, lambda2 de onda correspondientes en cada caso en función a la modulación de frecuencia y se alimenta para el análisis, en el que en un punto (t1) de tiempo correspondiente a una longitud lambda1 de onda se determina una diferencia deltagamma1 de fase y se realiza una medición precisa según la relación deltaL = deltaroulambda1 / (4pi), en la que deltaL significa la variación de la distancia en la superficie, en el que en otro punto (t2) de tiempo correspondiente a una longitud lambda2 de onda diferente se determina otra diferencia deltalambda2de fase y en el que con la longitud de onda sintética LAMBDA = lambda1 u lambda2 / (lambda2 - lambda1) se realiza una medición aproximada de la superficie según la relación DELTAL = DELTArou lambda1 / (4pi).
Description
Procedimiento de medición interferométrica y
dispositivo.
La invención se refiere a un procedimiento de
medición interferométrica para detectar la forma o la distancia de
superficies, mediante el que se crea luz, se modula con respecto a
su frecuencia, se guía por un lado sobre la superficie y por otro
lado se alimenta a una superficie de referencia y se pone en
interferencia y se guía a un fotodetector y para detectar la
distancia respectiva se analiza una fase de la señal del
fotodetector, así como un dispositivo de medición interferométrica
para llevar a cabo el procedimiento.
Un procedimiento de medición así como un
dispositivo de medición interferométrica de este tipo se indican en
el documento DE 198 08 273 A1. Con este procedimiento de medición
interferométrica conocido, basado en el principio de la técnica
heterodina, se desplaza la frecuencia de luz mediante un modulador
acústico-óptico con una frecuencia heterodina para facilitar el
análisis y se determina la distancia o la forma de la superficie
mediante análisis de la diferencia de fases. En este sentido se
evalúan las diferencias de fase simultáneamente en partes de luz de
la luz obtenida desde una fuente de luz de poca coherencia y
dividida mediante una unidad de descomposición de haz en diferentes
zonas de longitud de onda, que se detecta mediante una disposición
de fotodetectores (matriz de fotodetectores), simultáneamente
basándose en la respectiva diferencia de fase. La zona de
univocidad con respecto a la diferencia de fase de luz de sólo una
longitud de onda se limita a una variación de la distancia entre dos
puntos de medición a menos de la mitad de la longitud de onda
correspondiente. Por el contrario, a partir de al menos dos
longitudes de onda diferentes es posible, tal como se conoce per
se, formar una longitud de onda sintética \Lambda =
\lambda_{1} \cdot \lambda_{2} / (\lambda_{2} -
\lambda_{1}), que da una zona de univocidad correspondientemente
más aproximada en la que puede realizarse de forma unívoca una
medición correspondientemente mayor. La zona de univocidad ampliada
está asociada no obstante a un mayor coste.
En el documento US 5.293.215 se propone un
dispositivo de medición interferométrica que también se basa en el
concepto de la interferometría heterodina de varias longitudes de
onda, en el que se emplea un dispositivo de creación de luz de
frecuencia modulada con varios láser de frecuencia modulada como
fuentes de luz para las diversas longitudes de onda.
El documento FR-A 2 753 276
muestra un procedimiento y un dispositivo para la medición
interferométrica de superficies mediante técnica heterodina, en el
que se varía la frecuencia de luz de un láser. Se trata en este
caso, en sí mismo, de la técnica heterodina convencional con el
análisis basándose sólo en una diferencia de fase medida. La
particularidad reside en este caso en la formación de la disposición
interferométrica con un interferómetro de medición y de referencia,
para ser independiente del ajuste preciso y de la variación definida
de la frecuencia de luz láser.
El documento US-A 4.830.486
muestra un procedimiento de medición interferométrica y un
dispositivo correspondiente para medir rugosidades de superficies
analizando la diferencia de fase. También en este caso se varía una
frecuencia de luz láser, consistiendo igualmente una particularidad
en que se utiliza un interferómetro de referencia.
Otros procedimientos de medición y dispositivos
de medición interferométrica se dan a conocer en los documentos DE
197 08 163 A y DE 199 55 268 A.
En el documento US 5.883.715 se propone un
interferómetro con fuente de luz de frecuencia modulada para un
vibrómetro.
La invención se basa en el objetivo de crear un
procedimiento de medición interferométrica o un dispositivo de
medición interferométrica que permiten, con una construcción
simplificada, una gran resolución y un intervalo de medición
relativamente grande.
Este objetivo se alcanza con las características
de las reivindicaciones 1 ó 3.
Teniendo en cuenta las partes de luz con las
diferentes longitudes de onda con respecto a diferentes puntos
temporales, respectivamente, de la forma indicada más
detalladamente, se permite realizar la medición de superficies sin
unidad de descomposición de haz adicional y disposición de
fotodetectores correspondientemente costosa con dispositivo de
análisis conectado posteriormente adaptado a la misma. Con una
disposición de medición óptica configurado de este modo de manera
sencilla, solamente debe diseñarse la electrónica de análisis para
tener en cuenta las diferencias de fase en los distintos tiempos con
las distintas longitudes de onda correspondientes en cada caso. El
análisis en la electrónica de análisis o unidad de análisis puede
realizarse en este caso, por ejemplo, mediante un software y
programación correspondiente.
El dispositivo de medición está diseñado para la
medición, incluyendo el análisis, de forma correspondiente de manera
que se prevé una fuente de luz que puede tener su frecuencia de luz
modulada y conectada para ello a un modulador, cuya luz se divide a
través de un divisor de haz en una onda de referencia y una onda de
medición que va a alimentarse a una superficie de un objeto de
medición, que se pone en interferencia, y que para captar la luz
formada por las ondas de luz de interferencia y que presenta una
modulación de intensidad y para generar una señal eléctrica
correspondiente está previsto un fotodetector, que está conectado
posteriormente a una electrónica de análisis para el análisis de
las señales eléctricas. La configuración de esta electrónica de
análisis se especifica en las partes a) a c) de la reivindicación
3.
Una configuración ventajosa para la realización
del procedimiento y para una construcción robusta y sencilla
consiste en que la luz se obtiene con las partes de luz de
diferentes longitudes de onda mediante modulación de frecuencia
conocida per se de una fuente de luz y se analiza la señal
eléctrica obtenida con el fotodetector durante la incidencia de las
frecuencias de luz correspondientes a las diferentes longitudes de
onda.
El procedimiento puede realizarse de manera
sencilla con la sencilla configuración de la unidad de análisis
porque en un punto de tiempo correspondiente a una longitud de onda
se determina una diferencia de fase y se realiza una medición
precisa sobre la superficie según la relación \DeltaL =
\Delta\rho\cdot\lambda_{1} / (4\pi), porque en otro
punto de tiempo correspondiente a una longitud de onda diferente se
determina otra diferencia de fase y porque con la longitud de onda
sintética \Lambda = \lambda_{1} \cdot \lambda_{2} /
(\lambda_{2} - \lambda_{1}) se realiza una medición
aproximada de la superficie según la relación \DeltaL =
(\Delta\varphi_{1} - \Delta\varphi_{2}) \cdot\Lambda
/ (4\pi).
Otra medida ventajosa consiste en que, para la
elección del punto de tiempo, la electrónica de análisis está unida
para la señalización con el modulador.
La invención se explica a continuación más
detalladamente con ayuda de un ejemplo de realización con referencia
a los dibujos. Muestran:
la figura 1, una representación esquemática de
la estructura de un dispositivo de medición interferométrica,
la figura 2, el desarrollo de una señal obtenida
con un dispositivo de medición según la figura 1 con una modulación
de frecuencia lineal de la fuente de luz en dos distancias distintas
de una superficie a medir, y
la figura 3, el desarrollo de la frecuencia de
luz de la fuente de luz según la figura 1 a través del tiempo con
accionamiento con el modulador.
Ejemplo de
realización
Un dispositivo de medición interferométrica
mostrado en la figura 1 en forma de una interferómetro heterodino
de varias longitudes de onda de frecuencia modulada presenta una
fuente LQ de luz conectada a un modulador M para el accionamiento
eléctrico, cuya luz se guía a través de un primer divisor ST1 de haz
sobre una superficie de referencia en forma de otro divisor ST2 de
haz y allí se divide en una onda RW de referencia de retorno y en
una onda MW de medición que avanza hacia la superficie de un objeto
O de medición a través de un espejo SP de desviación. La onda RW de
referencia y la onda MW de medición de retorno se interfieren y se
guían desde el primer divisor ST1 de haz a un fotodetector Ph que
convierte la luz interferida y de este modo modulada en intensidad
en señales eléctricas correspondientes y alimenta una electrónica A
de análisis que está adicionalmente en conexión de señal con el
modulador M.
La frecuencia f_{L} de luz de la fuente LQ de
luz, por ejemplo un diodo láser, se desplaza por ejemplo linealmente
desde el modulador M en su frecuencia, tal como se reproduce
esquemáticamente en la figura 3. El haz de luz emitido desde la
fuente de luz y con frecuencia modulada, que se acopla a la
disposición a través del primer divisor ST1 de haz y se divide a
continuación en la onda RW de referencia y la onda MW de medición,
sufre una diferencia de tiempo de propagación debido a la
diferencia de trayectoria geométrica de la onda RW de referencia y
la onda MW de medición. Debido a la modulación de frecuencia y a la
diferencia de tiempo de propagación aparece una modulación de fases
diferente de las dos ondas de luz de interferencia, con lo cual se
produce una modulación de intensidad de la luz en el fotodetector
Ph. La modulación de intensidad se convierte en el fotodetector Ph
en la señal eléctrica y se analiza con respecto a la señal del
modulador para garantizar una relación temporal definida entre la
señal del modulador y el análisis.
En la figura 2 se representa un desarrollo de la
señal eléctrica creada por el fotodetector Ph para una modulación
de frecuencia lineal, tal como se muestra por ejemplo en la figura
3, y dos distancias diferentes de la superficie del objeto O de
medición. Mediante la medición de la fase \Delta\varphi_{1},
por ejemplo de un paso de seno, con respecto a la señal de
modulación, puede medirse con precisión la variación \DeltaL de la
distancia según la relación
\Delta L =
\Delta\rho\cdot\lambda_{1} /
(4\pi),
en la que \lambda_{1} indica la
longitud de onda a una frecuencia f_{L1} de luz correspondiente a
un punto t_{1} de tiempo de la medición, tal como se ilustra en la
figura
3.
La medición es unívoca si la diferencia de
distancia entre dos puntos de medición es inferior a \lambda_{1}
/ 2. La ampliación de la zona de univocidad del inteferómetro se
consigue mediante una segunda medición con la señal eléctrica,
realizando, tal como representa también en la figura 3, una medición
de fases adicional en un punto t_{2} de tiempo posterior presente
dentro del mismo ciclo de desplazamiento de frecuencia (la rampa en
la figura 3). En el punto t_{2} de tiempo posterior, debido a la
modulación de la frecuencia f_{L} de luz y por tanto de la
longitud \lambda_{1} de onda de luz, se obtiene la fase con
longitud \lambda_{2} de onda distinta según la relación
\Delta\varphi_{2} = \Delta L
\cdot 4 \cdot \pi /
\lambda_{2}
a partir de las dos longitudes
\lambda_{1}, y \lambda_{2} de onda distintas. Las longitudes
\lambda_{1}, \lambda_{2} de onda pueden diferenciarse
unívocamente, por ejemplo dentro de un ciclo de medición, si los
dos puntos t_{1} y t_{2} de tiempo correspondientes se
encuentran cerca del inicio o del final del desplazamiento de
frecuencia. Una longitud de onda sintética \Lambda =
\lambda_{1} \cdot \lambda_{2} / (\lambda_{2} -
\lambda_{1}) puede obtenerse entonces de una forma conocida
per se. Basándose en la longitud \Lambda de onda
sintética, puede determinarse la variación de la distancia con una
resolución más pequeña a partir de las mediciones de fase en los
puntos de tiempo t_{1} y t_{2} (en realidad, cortos intervalos
de tiempo). Esta medición es unívoca si la variación de la distancia
entre dos puntos de medición es inferior a la mitad de la longitud
\Lambda de onda sintética. Por ejemplo, la diferencia
\lambda_{2} - \lambda_{1} de longitud de onda puede
elegirse, en comparación con el producto de las dos longitudes de
onda, de tal forma que la longitud \Lambda de onda sintética sea
de \Lambda 100
\mum.
Mediante la combinación de la medición exacta
(medición precisa) y la medición con pequeña resolución (medición
aproximada) puede realizarse una medición de gran resolución en una
zona de univocidad grande. Las diferencias \Delta\varphi_{1}
y \Delta\varphi_{2} de fase pueden determinarse de una forma
conocida per se mediante la electrónica A de análisis,
realizándose la determinación sin embargo de manera sucesiva
temporalmente en los puntos t_{1}y t_{2} de tiempo y siendo las
diferentes longitudes \lambda_{1} y \lambda_{2} de onda
asociadas la base para la medición aproximada. La activación de las
mediciones se realiza con ayuda de la señal del modulador.
Debido a las mediciones sucesivas temporalmente
con las distintas longitudes \lambda_{1} y \lambda_{2} de
onda obtenidas mediante la modulación de frecuencia de la frecuencia
f_{L} de luz, se consigue una disposición de medición óptica de
estructura sencilla sin unidad de descomposición espectral. En este
sentido puede emplearse también otra estructura del dispositivo de
medición interferométrica heterodina distinta de la figura 1, por
ejemplo formando la onda RW de referencia y la onda MW de medición
con brazos de medición separados, tal como se conoce per se
en los interferómetros herodinos.
También puede elegirse, en lugar de un
interferómetro heterodino, otra disposición de medición con análisis
de la diferencia de fases para la determinación de la distancia de
la superficie, aunque la técnica heterodina permite no obstante un
análisis más sencillo.
Claims (4)
1. Procedimiento de medición interferométrica
para detectar la forma o la distancia de superficies, en el que se
crea luz, se modula en cuanto a su frecuencia, se guía por un lado
sobre la superficie y por otro lado se alimenta a una superficie de
referencia y se pone en interferencia y se guía a un fotodetector y
se analiza una fase de la señal del fotodetector (Ph) para detectar
la distancia respectiva, en el que se mide la fase al menos en dos
puntos (t_{1} y t_{2}) de tiempo distintos con las longitudes
\lambda_{1}, \lambda_{2} de onda correspondientes en cada
caso en función a la modulación de frecuencia y se alimenta para el
análisis, en el que en un punto (t_{1}) de tiempo correspondiente
a una longitud \lambda_{1} de onda se determina una diferencia
\Delta\varphi_{1} de fase y se realiza una medición precisa
según la relación
\Delta L =
\Delta\rho\cdot\lambda_{1} /
(4\pi),
en la que \DeltaL significa la
variación de la distancia en la
superficie,
en el que en otro punto (t_{2}) de tiempo
correspondiente a una longitud \lambda_{2} de onda diferente se
determina otra diferencia \Delta\varphi_{2} de fase y en el
que con la longitud de onda sintética
\Lambda =
\lambda_{1} \cdot \lambda_{2} / (\lambda_{2} -
\lambda_{1})
se realiza una medición aproximada
de la superficie según la
relación
\Delta L =
\Delta\rho\cdot\lambda_{1} /
(4\pi).
2. Procedimiento de medición según la
reivindicación 1, caracterizado porque la fase de la señal
del fotodetector se obtiene con respecto a la frecuencia de la señal
de modulación de la fuente de luz.
3. Dispositivo de medición inteferométrica para
la realización del procedimiento según una de las reivindicaciones
anteriores, que está configurado de tal manera
- que se prevé una fuente (LQ) de luz que puede
tener su frecuencia (f_{L}) modulada y que está conectada para
ello a un modulador (M), cuya luz se divide a través de un divisor
(ST2) de haz en una onda (RW) de referencia y una onda (MW) de
medición que va a alimentarse a una superficie de un objeto (O) de
medición, que se pone en interferencia, y
- que para captar la luz formada por las ondas
de luz de interferencia y que presenta una modulación de intensidad
y para generar una señal eléctrica correspondiente está previsto un
fotodetector, que está conectado posteriormente a una electrónica
(A) de análisis que está configurada para el análisis de las señales
eléctricas de tal forma
a) que se mide la fase al menos en dos puntos
(t_{1} y t_{2}) de tiempo distintos con las longitudes
\lambda_{1}, \lambda_{2} de onda correspondientes en cada
caso debido a la modulación de frecuencia y se alimenta para el
análisis, determinándose en un punto (t_{1}) de tiempo
correspondiente a una longitud \lambda_{1} de onda una
diferencia \Delta\varphi_{1} de fase y realizándose una
medición precisa según la relación
\Delta L =
\Delta\rho\cdot\lambda_{1} /
(4\pi),
en la que \DeltaL significa la
variación de la distancia en la
superficie,
b) en otro punto (t_{2}) de tiempo
correspondiente a una longitud \lambda_{2} de onda diferente se
determina otra diferencia \Delta\varphi_{2} de fase y
c) se forma una longitud de onda sintética
\Lambda =
\lambda_{1} \cdot \lambda_{2} / (\lambda_{2} -
\lambda_{1})
y con ella se realiza una medición
aproximada de la superficie según la
relación
\Delta L =
\Delta\rho\cdot\lambda_{1} /
(4\pi).
4. Dispositivo según la reivindicación 3,
caracterizado porque, para la elección de los puntos (t_{1}
y t_{2}) de tiempo, la electrónica (A) de análisis está unida para
la señalización al modulador (M).
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