WO2010006764A2 - Fibre-optic multiwavelength interferometer (mwli) for the absolute measurement of distances and topologies for surfaces at a large operating distance - Google Patents

Fibre-optic multiwavelength interferometer (mwli) for the absolute measurement of distances and topologies for surfaces at a large operating distance Download PDF

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WO2010006764A2
WO2010006764A2 PCT/EP2009/005111 EP2009005111W WO2010006764A2 WO 2010006764 A2 WO2010006764 A2 WO 2010006764A2 EP 2009005111 W EP2009005111 W EP 2009005111W WO 2010006764 A2 WO2010006764 A2 WO 2010006764A2
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sensor
sensor head
fiber
head
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Ralf Nicolaus
Jürgen Petter
Theo Tschudi
André Noack
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Luphos Gmbh
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G—PHYSICS
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Definitions

  • MWLI Fiber Optic Multi-wavelength Interferometer
  • the invention relates to a sensor device for absolute distance measurement and for measuring topologies of surfaces of an object.
  • the achievable high-precision distance determination and topology measurement is applicable to both rough and polished surfaces of any materials.
  • Sensor device is designed purely fiber optic; It is therefore flexible for industrial use in high-precision metrology usable.
  • contact sensors are always force transmitting sensors that can damage the surface to be measured or wear the sensor
  • non-contact and force-less optical sensors are becoming more popular in more applications and are gaining more and more in the sensor market in importance.
  • the serially operating sensors which scan the surface to be measured in time sequence, ie in scanning mode
  • the parallel operating systems which scan and evaluate a certain surface area in one step.
  • the parallel operating optical methods offer the advantage of a fast processing - but at the same time partly the disadvantage of a limited accuracy, for example in strip projection method or the established method of electronic image recognition.
  • the method of multi-wavelength interferometry can be used.
  • the absolute measuring range of a system can be extended to half the greatest intrinsic beat wavelength, which results from the wavelength difference of the light sources.
  • the range in which a clear distance determination can be made can thus be significantly extended, the measurement accuracy being maintained.
  • the topology of rough surfaces can be determined, the roughness of which is greater than half the wavelength of the light used.
  • US Pat. No. 4,552,457 discloses a two-wavelength interferometer which is implemented in the manner of a Mach-Zehnder configuration.
  • the signal and the reference arm are in two different optical fibers.
  • the phase difference, which corresponds to the optical path difference between signal and reference arm, is evaluated.
  • this can be influenced by external environmental influences.
  • WO 2007/087301 A2 a Mehrwellenininterferometer is known which has a plurality of individual interferometers and in which the signals of different laser light sources are each directed to different, separately formed and spatially separated from each other arranged sensors.
  • the internal structure and handling of such an interferometer turns out to be relatively expensive and expensive.
  • the senor according to the invention should be characterized by the highest possible accuracy, preferably in the nanometer and even in the subnanometer range.
  • the sensor according to the invention should be equally suitable for the measurement of topologies of surfaces as well as for measuring distances to both polished and comparatively rough surfaces and working distances to the object to be measured from
  • the senor should be designed for absolute distance measurement.
  • the sensor device should also be distinguished by a particularly compact, flexibly adaptable and universally applicable design.
  • the sensor device is designed for measuring distances and likewise for measuring and detecting topologies of virtually any objects.
  • the sensor device has at least two, preferably three or more radiation sources, which are designed to generate optical signals of different wavelengths.
  • the optical signals that can be generated by the radiation sources can be fed via a fiber-optic coupling to a sensor head, preferably a single sensor head, wherein the signals of the at least two radiation sources can be brought together by means of at least one optical multiplexer device in a common fiber and fed to the sensor head by means of this fiber.
  • Wavelengths are applied to calibrate or control each other in terms of their positioning and alignment.
  • the size of such a sensor device can also advantageously be reduced.
  • the sensor device to a particularly compact design, which allows the use of the sensor device in a variety of technical fields for the high-precision measurement of distances and topologies.
  • Merging the optical signals in a single fiber and in a single sensor head also advantageous in terms of cost, since compared to the prior art, the number of sensor heads to be used and corresponding leads can be significantly reduced.
  • the use of a single sensor head also minimizes the number of potential sources of error that can affect the measurement result.
  • the sensor head is preferably designed to decouple the optical signals generated by the radiation sources toward the object and to at least partially absorb the radiation reflected by the object again and to reconnect it to the fiber connected to the sensor head.
  • the sensor head and the associated fiber are thus designed for bidirectional propagation of optical signals.
  • the sensor head for decoupling a directed onto a surface to be measured of the object measuring beam as well as for receiving one of the with Radiation impinged surface of the reflected object beam is formed.
  • both the sensor head and the associated fiber are provided for bidirectional propagation of optical signals and designed for this purpose.
  • the sensor device is designed according to a further advantageous embodiment as a multi-wavelength sensor, in particular as a Mehrwellenzininterferometer.
  • the reference and object arms of the interferometer both run at least partially within the sensor head.
  • a reference beam can be generated by partial reflection of the measuring beam at the exit surface of the sensor head and interferes within the sensor head with the object beam which can be coupled into the measuring head.
  • the sensor head is thus designed so that the reference beam reflected by the exit surface or a corresponding reference wave is co-propagated with an injected object wave and superimposed at least partially coherently to form evaluable interferences and the phase information contained therein.
  • the reference beam can be generated by partial reflection at the fiber end surface and interferes within the fiber with an object beam reflected by the object to be measured and coupled into the fiber.
  • the signals generated by the radiation sources can be directed in principle without further optical components directly from the fiber end to the object to be measured and the reflected radiation from there can also be coupled directly into those faders again. A coupling of the free fiber end to diffractive or refractive optical components can therefore be eliminated in an advantageous manner.
  • a Such a configuration is advantageous insofar as possible, caused by external influences path or length changes in the region of the sensor head are equally transmitted to both paths evenly.
  • phase deviations between the signal and reference arm of the interferometer outside of the sensor head and object surface lying to be measured difference distance are excluded.
  • the extraction and coupling surface of the sensor head is designed as a gradient index lens and / or as a barrel lens. This is facing away from the free end of the sensor head by means of an adhesive to the fiber.
  • the adhesive has an optical quality in that it has a gradient index lens and / or fiber comparable refractive index and / or comparable absorption coefficients.
  • the sensor head-side fiber end and the extraction or coupling-in optics of the sensor head are accommodated in a common guide element.
  • Fiber end and launch optics typically in the form of the gradient index lens, thus form a structural unit that is particularly resistant to interference.
  • the sensor head is mounted in an oscillating manner relative to the surface of the object to be measured in the propagation direction of the measuring beam emerging from the sensor head.
  • the guide element may further be provided for the guide element to be mounted in a periodically oscillating manner relative to a sensor head housing in the propagation direction of the measurement beam.
  • the sensor head housing can for example be fixed relative to the surface to be measured of the object. In this case, only one guide element is moved in an oscillating manner, which is advantageous due to a smaller mass in comparison to the entire sensor head compared to a movement of the entire sensor head.
  • the guide element and / or the entire sensor head are movable, in particular oscillating, by means of at least one electromagnetic and / or electromechanical actuator, in particular a piezoelectric actuator.
  • the amplitude of the oscillation movement of the sensor head and / or guide element in the region of the wavelength is at least one of the at least two radiation sources. Since wavelengths in the infrared range are preferred for the invention, the oscillation amplitude of the sensor head and / or guide element lies in the ⁇ m range. Typical vibration amplitudes are between 0.2 to 1.6 ⁇ m, preferably 0.4 to 1.4 ⁇ m, most preferably 0.6 to 1.2 ⁇ m or 0.8 to 1.0 ⁇ m.
  • all the radiation sources are designed as lasers, which are designed to generate optical signals in the wavelength range commonly referred to as the telecommunications area.
  • the lasers used as radiation sources emit optical radiation in the range between 1520 nm and 1630 nm, in particular radiation with wavelengths in the S, C or L band.
  • the reference and object beams can be fed and separated from one another by means of at least one circulator or a phase splitter and / or by means of fiber-optic demultiplexer with wavelength-selective different detectors.
  • the electrical signals of the detectors are evaluated in a phase-sensitive manner.
  • the so-called lock-in-analysis method is used for this phase evaluation.
  • the periodically oscillating mounting of the sensor head, or its optical components with respect to the surface to be measured proves to be advantageous.
  • the absolute distance between the sensor head and the surface to be measured can ultimately be determined by forming differences between the determined phases of individual, wavelength-selectively detected signals.
  • the invention further relates to a fiber optically designed multi-wavelength optical sensor for the quantitative detection of distance and / or topologies of surfaces, which comprises two or more lasers, wherein the wavelengths of the laser in the optical telecommunications range between 1520 nm and 1630 nm in S, C or L band are.
  • a sensor head is periodically spatially modulated in the direction of a measuring beam.
  • Lasers are brought together by multiplexer in a common fiber and passed to the sensor head.
  • Such a multi-wavelength sensor is with all
  • Fig. 2 is an enlarged view of the sensor head in cross section
  • Fig. 3 shows a further variant of a sensor head.
  • the geometry of the sensor system is shown schematically in FIG.
  • the light sources used are two or more spectrally stable lasers 101 from the optical telecommunications sector, in particular from the S, C or L band, which may be fiber-coupled.
  • the light of the lasers 101 for example of three different lasers, is combined via multiplexer 102 in an optical fiber 110, passes through a fiber-optic coupling element, such as a circulator 103, and is then fed to the sensor head 104, which directs the light onto the surface 105 to be measured ,
  • the light reflected back from the surface 105 in the form of an object beam 114 is picked up by the sensor head 104 and returned to the optical fiber 110, which now travels in the opposite direction.
  • the coherent superimposition of the light 114 reflected by the surface 105 with a partial reflection of the light 112 'within the sensor head forms the optical measuring signal. This contains the required distance information.
  • the signal again passes through the fiber-optic coupling element 103 and is directed into the evaluation unit 108 of the sensor system.
  • fiber optic demultiplexer 106 the signal is again decomposed into the individual wavelengths, spectrally separated and by Photodiode 107 each converted into electrical signals and individually phase-sensitive analog or digital evaluation 108 supplied.
  • the respective phases of the individual signals are determined by the method of "lock-in-analysis” (LIA) with an accuracy of 10 "4 and then converted electronically from analog to digital signals.
  • LIA lock-in-analysis
  • DSP digital signal processing unit
  • the phase of the individual wavelengths required for evaluation is contained in the local relative value of the intensity within the interference distribution according to the known principle of interferometry.
  • two coherent partial optical waves are required, which are referred to as signal 114 and reference 112 '.
  • the light 114 reflected by the surface 105 to be measured represents the signal wave
  • the reference wave 112 ' is generated by partial reflection at a surface 202, in particular at the coupling-out surface in the sensor head 104 ,
  • a decoupling optics is used, for example in the form of a Gradient index lens 203, which is fixedly connected to the optical fiber 110 by means of an adhesive 205.
  • the fiber end and the coupling-out optics are adhesively bonded in a guide element 206.
  • the sensor head 104 is spatially modulated periodically in the direction of the distance to be measured, which essentially corresponds to the direction of the measuring beam. This can e.g. by a piezoactuator 207 or other actuator, e.g. by an electro-magnetic actuator in which or on which the guide element 206 is attached. #
  • the sensor head 124 shown in cross section in FIG. 3 differs from the embodiment according to FIG. 2 in that the reference beam 112 'can be generated by partial reflection at the end face 220 of the fiber 110.
  • the adhesive 215 or the adhesive layer comes to lie outside the optical signal path, so that absorption of reference and / or measuring signals 112, 114 by the adhesive 215 is no longer to be feared.
  • a suitable holder for the fiber 110 may also be used.
  • a lens 218 is arranged, which is held on the guide member 206.
  • the radiation characteristic of the sensor head 124 can be influenced in a targeted manner.
  • the divergence or the focus of the measuring beam 112 may preferably be fixed during the final assembly of the sensor head 124 and possibly adapted to particular needs of a measurement setup and adjusted accordingly.

Abstract

The invention relates to a sensor device for measuring distances with at least two radiation sources (101) which are designed to produce optical signals (112) at different wavelengths and the optical signals of which can be supplied to a sensor head (104; 124) via a fibre-optic coupling (102, 103), wherein the optical signals (112) for the at least two radiation sources (101) can be brought together in a common fibre (110) by means of at least one optical multiplexer device (102) and can be supplied to the sensor head (104; 124) by means of said fibre (110).

Description

Bezeichnung: Faseroptisches Mehrwellenlängeninterferometer (MWLI) zur absoluten Vermessung von Abständen und Topologien von Oberflächen in großem Arbeitsabstand Description: Fiber Optic Multi-wavelength Interferometer (MWLI) for the absolute measurement of distances and topologies of surfaces at long working distance
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur absoluten Abstandsmessung sowie zur Vermessung von Topologien von Oberflächen eines Objekts. Die damit erzielbare hochpräzise Abstandsbestimmung und Topologievermessung ist dabei sowohl auf raue als auch auf polierten Oberflächen beliebiger Materialien anwendbar. DieThe invention relates to a sensor device for absolute distance measurement and for measuring topologies of surfaces of an object. The achievable high-precision distance determination and topology measurement is applicable to both rough and polished surfaces of any materials. The
Sensoreinrichtung ist dabei rein faseroptisch konzipiert; sie ist daher flexibel für den industriellen Einsatz in der Hochpräzisionsmesstechnik verwendbar.Sensor device is designed purely fiber optic; It is therefore flexible for industrial use in high-precision metrology usable.
Stand der TechnikState of the art
In der heutigen Zeit besteht ein stark wachsender Bedarf an Hochpräzisionssensoren sowohl zur Achskontrolle von Maschinen, Qualitätssicherung von industriellen Anlagen und Bauwerken als auch zur Vermessung und Qualitätsbewertung von Topologien industrieller Werkstücke und Güter.At present, there is a rapidly growing demand for high-precision sensors both for axis control of machines, quality assurance of industrial equipment and structures, and measurement and quality evaluation of topologies of industrial workpieces and goods.
Hierbei sind grundsätzlich zwei Klassen von Sensoren etabliert, zum einen Kontaktsensoren und zum anderen berührungslose Sensoren, welche aufgrund der hohen Genauigkeitsanforderung zumeist optische Sensoren sind. Während es sich bei den Kontaktsensoren stets um kraftübertragende Sensoren handelt, bei denen eine Beschädigung der zu vermessenden Oberfläche oder ein Verschleiß des Sensors auftreten kann, sind die kontakt- und kräftelosen optischen Sensoren in immer mehr Anwendungen zu bevorzugen und gewinnen auf dem Sensorikmarkt mehr und mehr an Bedeutung.In this case, two classes of sensors are basically established, on the one hand contact sensors and on the other non-contact sensors, which are mostly optical sensors due to the high accuracy requirement. While contact sensors are always force transmitting sensors that can damage the surface to be measured or wear the sensor, non-contact and force-less optical sensors are becoming more popular in more applications and are gaining more and more in the sensor market in importance.
Häufig zu finden sind auch hybride Systeme, die im Kontaktverfahren arbeiten aber optische Verfahren zur Auswertung mit einbeziehen. Zwar kann hierdurch eine hohe Messgenauigkeit erzielt werden, jedoch beinhalten solche Sensoren ebenfalls die oben erwähnten Nachteile des Kontaktverfahrens.Frequently found are also hybrid systems that work in the contact method but include optical methods for evaluation. Although this allows a high accuracy of measurement can be achieved, however, such sensors also include the above-mentioned disadvantages of the contact method.
BESTATIGUNGSKOPIE Im Bereich der berührungslosen optischen Abstands- und Topologiesensoren sind zwei unterschiedliche Verfahren etabliert. Zum einen die seriell arbeitenden Sensoren, welche die zu vermessende Oberfläche in zeitlicher Abfolge, also in scannendem Modus, abtasten und zum anderen die parallel arbeitenden Systeme, welche einen bestimmten Oberflächenbereich in einem Schritt abtasten und auswerten. Die parallel arbeitenden optischen Verfahren bieten den Vorteil einer schnellen Bearbeitung - gleichzeitig jedoch teilweise den Nachteil einer eingeschränkten Genauigkeit, z.B. bei Streifenprojektionsverfahren oder dem etablierten Verfahren der elektronischen Bilderkennung.BESTATIGUNGSKOPIE In the field of non-contact optical distance and topology sensors two different methods are established. On the one hand, the serially operating sensors, which scan the surface to be measured in time sequence, ie in scanning mode, and on the other hand the parallel operating systems, which scan and evaluate a certain surface area in one step. The parallel operating optical methods offer the advantage of a fast processing - but at the same time partly the disadvantage of a limited accuracy, for example in strip projection method or the established method of electronic image recognition.
Andere Verfahren haben eine gute Genauigkeit im Submikrometerbereich wie z.B. Messverfahren auf Basis der Weißlichtinterferometrie oder der konfokalen Mikroskopie. Diese Verfahren sind in ihrer Anwendung jedoch unflexibel, da sie nur in eigenen, speziellen Messeinrichtungen oder Geräten verwendet werden können und bieten zudem nur einen eingeschränkten dynamischen Messbereich. Der mit steigender Messgenauigkeit stark eingeschränkte Messbereich ist auch den etablierten seriell arbeitenden Sensoren zu Eigen. Herkömmliche Interferometer bieten eine Genauigkeit bis in den Subnanometerbereich, der absolute Messbereich ist jedoch auf die zugrunde liegende Periode der Lichtwellenlänge festgelegt, so dass größere Abstandsvariationen während der Messung nur relativ, also durch Zählen der durchlaufenden Intervalle, zu erfassen sind.Other methods have a good sub-micron accuracy, e.g. Measuring method based on white light interferometry or confocal microscopy. However, these methods are inflexible in their application, since they can only be used in their own special measuring devices or devices and also offer only a limited dynamic measuring range. The measuring range, which is severely restricted with increasing measuring accuracy, is also inherent in the established serial-working sensors. Conventional interferometers offer accuracy down to the subnanometer range, but the absolute measurement range is fixed to the underlying period of the light wavelength so that larger distance variations during the measurement can only be detected relatively, ie by counting the passing intervals.
Bei den unkohärenten seriellen Abstandssensoren, wie z.B. bei den chromatischen Sensoren skaliert die maximal erreichbare Genauigkeit linear mit dem möglichenIn the case of the non-coherent serial distance sensors, such as e.g. For chromatic sensors, the maximum achievable accuracy scales linearly with the possible one
Messbereich, so dass diese speziell an die konkreten Messanforderungen angepasst werden müssen, was die Flexibilität entsprechender Sensoren stark einschränkt. Um die hohe Genauigkeit der interferometrischen Abstandsbestimmung zu nutzen und gleichzeitig einen deutlich erhöhten Messbereich verfügbar zu haben, kann auf das Verfahren der Mehrwellenlängeninterferometrie zurückgegriffen werden. Bei einem solchen, sog. heterodynen Verfahren kann durch die Verwendung mehrerer Lichtquellen mit einem im Vergleich zur Grundfrequenz geringen spektralen Abstand ihrer Wellenlängen der absolute Messbereich eines Systems auf die Hälfte der größten intrinsischen Schwebungswellenlänge - welche aus der Wellenlängendifferenz der Lichtquellen resultiert - erweitert werden. Mit Hilfe der Phaseninformationen mehrerer Lichtwellen, welche dasselbe Interferometer durchlaufen, kann der Bereich, indem eine eindeutige Abstandsbestimmung vorgenommen werden kann, somit deutlich erweitert werden, wobei die Messgenauigkeit erhalten bleibt. Außerdem kann durch diese Verfahren auch die Topologie von rauen Flächen bestimmt werden, deren Rauheit größer ist als die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichtes.Measuring range, so that they must be specially adapted to the specific measurement requirements, which greatly limits the flexibility of such sensors. In order to make use of the high accuracy of the interferometric distance determination and at the same time to have a significantly increased measuring range available, the method of multi-wavelength interferometry can be used. In such a so-called heterodyne method, by using a plurality of light sources with a spectral distance of their wavelengths which is small compared to the fundamental frequency, the absolute measuring range of a system can be extended to half the greatest intrinsic beat wavelength, which results from the wavelength difference of the light sources. With the aid of the phase information of a plurality of light waves, which pass through the same interferometer, the range in which a clear distance determination can be made can thus be significantly extended, the measurement accuracy being maintained. In addition, by these methods, the topology of rough surfaces can be determined, the roughness of which is greater than half the wavelength of the light used.
So ist zum Beispiel aus der US 4,552,457 ein Zweiwellenlängeninterferometer bekannt, welches nach Art einer Mach-Zehnder-Konfiguration implementiert ist. Dabei befinden sich der Signal- und der Referenzarm in zwei verschiedenen optischen Fasern. Die Phasendifferenz, welche dem optischen Gangunterschied zwischen Signal- und Referenzarm entspricht, wird dabei ausgewertet. Diese kann jedoch durch äußere Umwelteinflüsse beeinflusst werden.For example, US Pat. No. 4,552,457 discloses a two-wavelength interferometer which is implemented in the manner of a Mach-Zehnder configuration. The signal and the reference arm are in two different optical fibers. The phase difference, which corresponds to the optical path difference between signal and reference arm, is evaluated. However, this can be influenced by external environmental influences.
Des Weiteren ist aus der WO 2007/087301 A2 ein Mehrwellenlängeninterferometer bekannt, welches eine Vielzahl an einzelnen Interferometern aufweist und bei welchem die Signale unterschiedlicher Laserlichtquellen jeweils zu unterschiedlichen, separat ausgebildeten und räumlich voneinander getrennt angeordneten Sensoren geleitet werden. Der interne Aufbau und die Handhabung eines solchen Interferometers gestaltet sich als verhältnismäßig als aufwendig und kostenintensiv.Furthermore, from WO 2007/087301 A2 a Mehrwellenlängeninterferometer is known which has a plurality of individual interferometers and in which the signals of different laser light sources are each directed to different, separately formed and spatially separated from each other arranged sensors. The internal structure and handling of such an interferometer turns out to be relatively expensive and expensive.
Aufgabetask
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor zur hochgenauen Vermessung von Abständen und/oder Topologien von beliebigen Objekten beliebiger Oberflächenbeschaffenheit zur Verfügung zu stellen. Der erfindungsgemäße Sensor soll sich durch eine möglichst hohe Genauigkeit, vorzugsweise bis in den Nanometer- und sogar in den Subnanometerbereich auszeichnen. Der erfindungsgemäße Sensor soll gleichermaßen für die Vermessung von Topologien von Oberflächen als auch zur Vermessung von Abständen zu sowohl polierten als auch vergleichsweise rauen Oberflächen geeignet sein und Arbeitsabstände zum zu vermessenden Objekt vomIt is therefore an object of the present invention to provide a sensor for high-precision measurement of distances and / or topologies of any objects of any surface finish available. The sensor according to the invention should be characterized by the highest possible accuracy, preferably in the nanometer and even in the subnanometer range. The sensor according to the invention should be equally suitable for the measurement of topologies of surfaces as well as for measuring distances to both polished and comparatively rough surfaces and working distances to the object to be measured from
Submillimeter- bis Meterbereich ermöglichen. Ferner soll der Sensor zur absoluten Abstandsmessung ausgebildet sein. Die Sensoreinrichtung soll sich zudem durch eine besonders kompakte, flexibel adaptierbare und universell einsetzbare Bauform auszeichnen.Submillimeter to meter range allow. Furthermore, the sensor should be designed for absolute distance measurement. The sensor device should also be distinguished by a particularly compact, flexibly adaptable and universally applicable design.
Erfindung und vorteilhafte WirkungenInvention and advantageous effects
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit Hilfe einer Sensoreinrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Einzelne vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den zugeordneten abhängigen Patentansprüchen angegeben.The problem underlying the invention is achieved by means of a sensor device according to independent claim 1. Individual advantageous embodiments of the invention are specified in the associated dependent claims.
Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung ist zur Messung von Abständen und gleichermaßen zur Vermessung und Erfassung von Topologien von nahezu beliebigen Objekten ausgebildet. Die Sensoreinrichtung weist hierzu zumindest zwei, bevorzugt drei oder mehr Strahlungsquellen auf, welche zur Erzeugung optischer Signale unterschiedlicher Wellenlängen ausgebildet sind. Die von den Strahlungsquellen erzeugbaren optischen Signale sind über eine faseroptische Kopplung einem Sensorkopf, bevorzugt einem einzigen Sensorkopf, zuführbar, wobei die Signale der zumindest zwei Strahlungsquellen mittels zumindest einer optischen Multiplexereinrichtung in einer gemeinsamen Faser zusammenführbar und mittels dieser Faser dem Sensorkopf zuführbar sind.The sensor device according to the invention is designed for measuring distances and likewise for measuring and detecting topologies of virtually any objects. For this purpose, the sensor device has at least two, preferably three or more radiation sources, which are designed to generate optical signals of different wavelengths. The optical signals that can be generated by the radiation sources can be fed via a fiber-optic coupling to a sensor head, preferably a single sensor head, wherein the signals of the at least two radiation sources can be brought together by means of at least one optical multiplexer device in a common fiber and fed to the sensor head by means of this fiber.
Dadurch, dass sämtliche Signale unterschiedlicher Wellenlänge in einer einzigen Faser zusammenführbar und über diese Faser in den Sensorkopf einkoppelbar sind, vereinfacht sich die Handhabung und der Aufbau eines Mehrwellenlängeninterferometers. Durch die erfindungsgemäße Kopplung und Zusammenführung sämtlicher von den unterschiedlichen Strahlungsquellen erzeugbaren optischen Signalen kann eine absolute Abstandsmessung und Topologievermessung durch Handhabung eines einzigen Sensorkopfes erfolgen. Im Unterschied zum Stand der Technik ist es daher nicht mehr erforderlich, eine Vielzahl von Sensorköpfen, welche jeweils mit Signalen unterschiedlicherThe fact that all signals of different wavelengths can be brought together in a single fiber and coupled into the sensor head via this fiber simplifies the handling and construction of a multi-wavelength interferometer. By the coupling according to the invention and Combining all the optical signals that can be generated by the different radiation sources, an absolute distance measurement and topology measurement can be performed by handling a single sensor head. In contrast to the prior art, it is therefore no longer necessary, a plurality of sensor heads, each with signals of different
Wellenlängen beaufschlagt sind, hinsichtlich ihrer Positionierung und Ausrichtung zueinander zu kalibrieren bzw. zu kontrollieren.Wavelengths are applied to calibrate or control each other in terms of their positioning and alignment.
Durch die Zusammenführung der von den unterschiedlichen Strahlungsquellen erzeugbaren optischen Signale in einer einzigen Faser und deren Einkopplung in den Sensorkopf kann zudem die Baugröße einer solchen Sensoreinrichtung in vorteilhafter weise verkleinert werden. Insoweit weist die Sensoreinrichtung eine besonders kompakte Bauform auf, die den Einsatz der Sensoreinrichtung in unterschiedlichsten technischen Gebieten zur hochpräzisen Messung von Abständen und Topologien ermöglicht. Daneben erweist sich dieBy combining the optical signals that can be generated by the different radiation sources in a single fiber and their coupling into the sensor head, the size of such a sensor device can also advantageously be reduced. In that regard, the sensor device to a particularly compact design, which allows the use of the sensor device in a variety of technical fields for the high-precision measurement of distances and topologies. In addition, proves the
Zusammenführung der optischen Signale in einer einzigen Faser und in einem einzigen Sensorkopf auch unter Kostenaspekten als vorteilhaft, da im Vergleich zum Stand der Technik die Anzahl der zu verwendenden Sensorköpfe sowie entsprechender Zuleitungen merklich reduziert werden können. Durch die Verwendung eines einzigen Sensorkopfs kann zudem die Anzahl an potentiellen Fehlerquellen, welche das Messsergebnis beinträchtigen können minimiert werden.Merging the optical signals in a single fiber and in a single sensor head also advantageous in terms of cost, since compared to the prior art, the number of sensor heads to be used and corresponding leads can be significantly reduced. The use of a single sensor head also minimizes the number of potential sources of error that can affect the measurement result.
Der Sensorkopf ist vorzugsweise dazu ausgebildet, die von den Strahlungsquellen erzeugten optischen Signale zum Objekt hin auszukoppeln und die vom Objekt reflektierte Strahlung zumindest wieder teilweise aufzunehmen und in die mit dem Sensorkopf verbundene Faser wieder einzukuppeln. Der Sensorkopf als auch die damit verbundene Faser sind somit zur bidirektionalen Propagation optischer Signale ausgelegt.The sensor head is preferably designed to decouple the optical signals generated by the radiation sources toward the object and to at least partially absorb the radiation reflected by the object again and to reconnect it to the fiber connected to the sensor head. The sensor head and the associated fiber are thus designed for bidirectional propagation of optical signals.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sensorkopf zur Auskopplung eines auf eine zu vermessende Oberfläche des Objektes gerichteten Messstrahls als auch zur Aufnahme eines von der mit Strahlung beaufschlagten Oberfläche reflektierten Objektstrahls ausgebildet ist. Daneben ist vorgesehen, dass sowohl der Sensorkopf als auch die damit verbundene Faser zur bidirektionalen Propagation optischer Signale vorgesehen und hierzu ausgebildet sind.According to a first advantageous embodiment of the invention it is provided that the sensor head for decoupling a directed onto a surface to be measured of the object measuring beam as well as for receiving one of the with Radiation impinged surface of the reflected object beam is formed. In addition, it is provided that both the sensor head and the associated fiber are provided for bidirectional propagation of optical signals and designed for this purpose.
Die Sensoreinrichtung ist nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung als Mehrwellenlängen-Sensor, insbesondere als ein Mehrwellenlängeninterferometer ausgebildet. Referenz- und Objektarm des Interferometers verlaufen beide zumindest bereichsweise innerhalb des Sensorkopfes.The sensor device is designed according to a further advantageous embodiment as a multi-wavelength sensor, in particular as a Mehrwellenlängeninterferometer. The reference and object arms of the interferometer both run at least partially within the sensor head.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass ein Referenzstrahl durch Teilreflexion des Messstrahls an der Austrittsfläche des Sensorkopfs erzeugbar ist und innerhalb des Sensorkopfes mit dem in den Messkopf einkoppelbaren Objektstrahl interferiert. Der Sensorkopf ist folglich dazu ausgelegt, dass der von der Austrittsfläche reflektierte Referenzstrahl bzw. eine entsprechende Referenzwelle mit einer eingekoppelten Objektwelle kopropagiert und zur Bildung von auswertbaren Interferenzen und der darin enthaltenen Phaseninformation zumindest teilkohärent überlagert.According to an advantageous development of the invention, it is further provided that a reference beam can be generated by partial reflection of the measuring beam at the exit surface of the sensor head and interferes within the sensor head with the object beam which can be coupled into the measuring head. The sensor head is thus designed so that the reference beam reflected by the exit surface or a corresponding reference wave is co-propagated with an injected object wave and superimposed at least partially coherently to form evaluable interferences and the phase information contained therein.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Referenzstrahl durch Teilreflexion an der Faserendfläche erzeugbar ist und innerhalb der Faser mit einem vom zu vermessenden Objekt reflektierten und in die Faser einkoppelbaren Objektstrahl interferiert. Hierbei erweist es sich ferner als vorteilhaft, dass die von den Strahlungsquellen erzeugten Signale prinzipiell auch ohne weitere optische Komponenten direkt vom Faserende auf das zu vermessende Objekt gerichtet und die von dort reflektierte Strahlung auch wieder direkt in jene Fader eingekoppelt werden kann. Eine Kopplung des freien Faserendes an diffraktive oder refraktive optische Komponenten kann daher in vorteilhafter weise entfallen.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the reference beam can be generated by partial reflection at the fiber end surface and interferes within the fiber with an object beam reflected by the object to be measured and coupled into the fiber. In this case, it also proves to be advantageous that the signals generated by the radiation sources can be directed in principle without further optical components directly from the fiber end to the object to be measured and the reflected radiation from there can also be coupled directly into those faders again. A coupling of the free fiber end to diffractive or refractive optical components can therefore be eliminated in an advantageous manner.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist dabei insbesondere vorgesehen, dass der Referenzpfad über seine gesamte Länge auf dem Signalpfad verläuft. Eine derartige Ausgestaltung ist insoweit von Vorteil, als dass eventuelle, durch externe Einflüsse bedingte Weg- oder Längenänderungen im Bereich des Sensorkopfes gleichermaßen auf beide Pfade gleichmäßig übertragen werden. Somit sind Phasenabweichungen zwischen Signal- und Referenzarm des Interferometers außerhalb der zwischen Sensorkopf und Objektoberfläche liegenden, zu vermessenden Differenzstrecke auszuschließen.According to a development of the invention, provision is made in particular for the reference path to run along the signal path over its entire length. A Such a configuration is advantageous insofar as possible, caused by external influences path or length changes in the region of the sensor head are equally transmitted to both paths evenly. Thus, phase deviations between the signal and reference arm of the interferometer outside of the sensor head and object surface lying to be measured difference distance are excluded.
Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Aus- und Einkopplungsfläche des Sensorkopfs als Gradientenindexlinse und/oder als Tonnenlinse ausgebildet ist. Diese ist dem freien Ende des Sensorkopfs abgewandt mittels eines Klebstoffs mit der Faser fest verbunden. Der Klebstoff weist dahingehend eine optische Qualität auf, als dass er einen der Gradientenindexlinse und/oder der Faser vergleichbaren Brechungsindex und/oder vergleichbaren Absorptionskoeffizienten aufweist.According to a further advantageous aspect of the invention, it is provided that the extraction and coupling surface of the sensor head is designed as a gradient index lens and / or as a barrel lens. This is facing away from the free end of the sensor head by means of an adhesive to the fiber. The adhesive has an optical quality in that it has a gradient index lens and / or fiber comparable refractive index and / or comparable absorption coefficients.
Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das sensorkopfseitige Faserende und die Aus- bzw. Einkopplungsoptik des Sensorkopfs in einem gemeinsamen Führungselement aufgenommen sind. Faserende und Aus- bzw. Einkopplungsoptik, typischerweise in Form der Gradientenindexlinse, bilden somit eine bauliche Einheit, die besonders störungsresistent ist.According to a development, it is provided that the sensor head-side fiber end and the extraction or coupling-in optics of the sensor head are accommodated in a common guide element. Fiber end and launch optics, typically in the form of the gradient index lens, thus form a structural unit that is particularly resistant to interference.
Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sensorkopf gegenüber der zu vermessenden Oberfläche des Objektes in Propagationsrichtung des aus dem Sensorkopf austretenden Messstrahls oszillierend gelagert ist. Durch eine derartige Oszillation bzw. eine entsprechende räumlich periodische Modulation des faseroptischen Sensorkopfs kann die Genauigkeit der Abstandsmessung bzw. der Topologievermessung erhöht werden. Dies insbesondere im Zusammenhang mit einem Auswerteverfahren auf Basis eines Lock-In-Analysing.According to a particularly advantageous embodiment of the invention, it is provided that the sensor head is mounted in an oscillating manner relative to the surface of the object to be measured in the propagation direction of the measuring beam emerging from the sensor head. By such an oscillation or a corresponding spatially periodic modulation of the fiber optic sensor head, the accuracy of the distance measurement or the topology measurement can be increased. This in particular in connection with an evaluation procedure based on lock-in analysis.
Daneben oder alternativ kann ferner vorgesehen werden, das Führungselement gegenüber einem Sensorkopfgehäuse in Propagationsrichtung des Messstrahls periodisch oszillierend zu lagern. Das Sensorkopfgehäuse kann dabei beispielsweise gegenüber der zu vermessenden Oberfläche des Objektes fixiert sein. Es wird dabei lediglich ein Führungselement oszillierend bewegt, was aufgrund einer im Vergleich zum gesamten Sensorkopf geringeren Masse gegenüber einer Bewegung des gesamten Sensorkopfes von Vorteil ist.In addition or alternatively, it may further be provided for the guide element to be mounted in a periodically oscillating manner relative to a sensor head housing in the propagation direction of the measurement beam. The sensor head housing can for example be fixed relative to the surface to be measured of the object. In this case, only one guide element is moved in an oscillating manner, which is advantageous due to a smaller mass in comparison to the entire sensor head compared to a movement of the entire sensor head.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das Führungselement und/oder der gesamte Sensorkopf mittels zumindest einem elektromagnetischen und/oder elektromechanischen, insbesondere einem piezoelektrischen Aktuator bewegbar, insbesondere oszillierend gelagert sind.In this case, provision is made in particular for the guide element and / or the entire sensor head to be movable, in particular oscillating, by means of at least one electromagnetic and / or electromechanical actuator, in particular a piezoelectric actuator.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung ist ferner vorgesehen, dass die Amplitude der Oszillationsbewegung von Sensorkopf und/oder Führungselement im Bereich der Wellenlänge zumindest eine der zumindest zwei Strahlungsquellen liegt. Da für die Erfindung bevorzugt Wellenlängen im Infrarotbereich Verwendung liegt die Schwingungsamplitude von Sensorkopf und/oder Führungselement im μm-Bereich. Typische Schwingungsamplituden liegen zwischen 0,2 bis 1 ,6 μm, vorzugsweise 0,4 bis 1 ,4 μm, höchst vorzugsweise 0,6 bis 1 ,2 μm oder 0,8 bis 1 ,0μm.According to a preferred embodiment, it is further provided that the amplitude of the oscillation movement of the sensor head and / or guide element in the region of the wavelength is at least one of the at least two radiation sources. Since wavelengths in the infrared range are preferred for the invention, the oscillation amplitude of the sensor head and / or guide element lies in the μm range. Typical vibration amplitudes are between 0.2 to 1.6 μm, preferably 0.4 to 1.4 μm, most preferably 0.6 to 1.2 μm or 0.8 to 1.0 μm.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass sämtliche Strahlungsquellen als Laser ausgebildet sind, welche zur Erzeugung optischer Signale in dem gemeinhin als Telekommunikationsbereich bezeichneten Wellenlängenbereich ausgebildet sind. Die als Strahlungsquellen verwendeten Laser emittieren optische Strahlung im Bereich zwischen 1520 nm und 1630 nm, insbesondere Strahlung mit Wellenlängen im S-, C- oder L-Band.According to a preferred embodiment of the invention, it is further provided that all the radiation sources are designed as lasers, which are designed to generate optical signals in the wavelength range commonly referred to as the telecommunications area. The lasers used as radiation sources emit optical radiation in the range between 1520 nm and 1630 nm, in particular radiation with wavelengths in the S, C or L band.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die Referenz- und Objektstrahlen mittels zumindest eines Zirkulators oder eines Phasensplitters und/oder mittels faseroptischer Demultiplexer wellenlängenselektiv unterschiedlichen Detektoren zuführbar und getrennt voneinander auswertbar sind. Dabei ist insbesondere vorgesehen, die elektrischen Signale der Detektoren phasensensitiv auszuwerten. Insbesondere kommt für diese Phasenauswertung das sogenannte Lock-In-Analysing-Verfahren (LIA) zur Anwendung. Für eine Phasenauswertung nach dem LIA- Verfahren erweist sich die periodisch oszillierende Lagerung des Sensorkopfs, bzw. seiner optischen Komponenten gegenüber der zu vermessenden Oberfläche als vorteilhaft.According to a further embodiment of the invention, it is further provided that the reference and object beams can be fed and separated from one another by means of at least one circulator or a phase splitter and / or by means of fiber-optic demultiplexer with wavelength-selective different detectors. In particular, it is provided that the electrical signals of the detectors are evaluated in a phase-sensitive manner. In particular, the so-called lock-in-analysis method (LIA) is used for this phase evaluation. For a phase evaluation according to the LIA method, the periodically oscillating mounting of the sensor head, or its optical components with respect to the surface to be measured proves to be advantageous.
Die absolute Distanz zwischen Sensorkopf und der zu vermessenden Oberfläche kann letztlich durch Differenzenbildung zwischen den ermittelten Phasen einzelner, wellenlängenselektiv detektierten Signalen bestimmt werden.The absolute distance between the sensor head and the surface to be measured can ultimately be determined by forming differences between the determined phases of individual, wavelength-selectively detected signals.
Nach einem weiteren unabhängigen Aspekt betrifft die Erfindung ferner einen faseroptisch konzipierten optischen Mehrwellenlängen-Sensor zur quantitativen Erfassung von Abstand und/oder Topologien von Oberflächen, welcher zwei oder mehr Laser umfasst, wobei die Wellenlängen der Laser im optischen Telekommunikationsbereich zwischen 1520 nm und 1630 nm im S-, C- oder L-Band liegen. Dabei ist ein Sensorkopf in Richtung eines Messstrahls periodisch räumlich modulierbar ausgestaltet.According to a further independent aspect, the invention further relates to a fiber optically designed multi-wavelength optical sensor for the quantitative detection of distance and / or topologies of surfaces, which comprises two or more lasers, wherein the wavelengths of the laser in the optical telecommunications range between 1520 nm and 1630 nm in S, C or L band are. In this case, a sensor head is periodically spatially modulated in the direction of a measuring beam.
In einer Variante hiervon ist vorgesehen, dass die optischen Signale der verwendetenIn a variant of this, it is provided that the optical signals of the used
Laser durch Multiplexer in einer gemeinsamen Faser zusammengeführt und zum Sensorkopf geleitet werden. Ein derartiger Mehrwellenlängen-Sensor ist mit sämtlichenLasers are brought together by multiplexer in a common fiber and passed to the sensor head. Such a multi-wavelength sensor is with all
Ausgestaltungen und Einzelmerkmalen der beschriebenen Erfindung kombinierbar.Embodiments and individual features of the invention described can be combined.
Durch die faseroptische Konfiguration des erfindungsgemäßen Sensors bzw. der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung ist eine kostengünstige und sehr flexibleThe fiber-optic configuration of the sensor according to the invention or the sensor device according to the invention is a cost-effective and very flexible
Realisierung des Messsystems möglich.Realization of the measuring system possible.
Ausführungsbeispielembodiment
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Dabei bilden sämtliche im Text als auch in den Figuren beschriebenen Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in jeglicher sinnvollen Kombination untereinander den Gegenstand der vorliegenden Erfindung; auch unabhängig von den Patentansprüchen und deren Rückbezügen untereinander.Other objects, features and advantageous embodiments of the invention are illustrated in the following description with reference to the figures. All of the features described in the text as well as in the figures, both alone and in any meaningful combination with one another, form the basis of this Object of the present invention; also independent of the patent claims and their references to each other.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung,1 is a schematic representation of the sensor device according to the invention,
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Sensorkopfs im Querschnitt undFig. 2 is an enlarged view of the sensor head in cross section and
Fig. 3 eine weitere Variante eines Sensorkopfes.Fig. 3 shows a further variant of a sensor head.
Die Geometrie des Sensorsystems ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Als Lichtquellen werden zwei oder mehr spektral stabile Laser 101 aus dem optischen Telekommunikationsbereich, insbesondere aus dem S, C oder L- Band verwendet, die fasergekoppelt sein können. Das Licht der Laser 101 , beispielsweise von drei verschiedenen Lasern wird über Multiplexer 102 in einer optischen Faser 110 vereint, passiert einen faseroptisches Kopplungselement, etwa einen Zirkulator 103, und wird danach dem Sensorkopf 104 zugeführt, der das Licht auf die zu vermessende Oberfläche 105 lenkt.The geometry of the sensor system is shown schematically in FIG. The light sources used are two or more spectrally stable lasers 101 from the optical telecommunications sector, in particular from the S, C or L band, which may be fiber-coupled. The light of the lasers 101, for example of three different lasers, is combined via multiplexer 102 in an optical fiber 110, passes through a fiber-optic coupling element, such as a circulator 103, and is then fed to the sensor head 104, which directs the light onto the surface 105 to be measured ,
Das von der Oberfläche 105 inForm eines Objektstrahls bzw. einer Objektwelle 114 zurückgeworfene Licht wird vom Sensorkopf 104 aufgenommen und in die Lichtleitfaser 110 zurückgeführt, die es nun in entgegen gesetzter Richtung durchläuft. Die kohärente Überlagerung des von der Oberfläche 105 zurückgeworfenen Lichtes 114 mit einem Teilreflex des Lichtes 112' innerhalb des Sensorkopfes bildet das optische Messsignal. Dieses enthält die benötigte Abstandsinformation. Das Signal durchläuft erneut das faseroptische Kopplungselement 103 und wird in die Auswerteeinheit 108 des Sensorsystems gelenkt. Durch faseroptische Demultiplexer 106 wird das Signal wieder in die Einzelwellenlängen zerlegt, spektral separiert und durch Photodioden 107 jeweils in elektrische Signale umgewandelt und einzeln phasensensitiven analogen oder digitalen Auswerteeinheiten 108 zugeführt.The light reflected back from the surface 105 in the form of an object beam 114 is picked up by the sensor head 104 and returned to the optical fiber 110, which now travels in the opposite direction. The coherent superimposition of the light 114 reflected by the surface 105 with a partial reflection of the light 112 'within the sensor head forms the optical measuring signal. This contains the required distance information. The signal again passes through the fiber-optic coupling element 103 and is directed into the evaluation unit 108 of the sensor system. By fiber optic demultiplexer 106, the signal is again decomposed into the individual wavelengths, spectrally separated and by Photodiode 107 each converted into electrical signals and individually phase-sensitive analog or digital evaluation 108 supplied.
Die jeweiligen Phasen der einzelnen Signale werden durch das Verfahren des „Lock-In-Analysing" (LIA) mit einer Genauigkeit von 10"4 bestimmt und anschließend elektronisch von analogen in digitale Signale gewandelt. Durch die im Anschluss mit Hilfe einer elektronischen Recheneinheit, z.B. einer Digital Signal Processing Unit (DSP) oder eines Computers 109 durchgeführte Differenzbildung zwischen den einzelnen Phasenwerten wird die absolute Distanz zwischen dem Sensorkopf 104 und der zu vermessenden Oberfläche 105 berechnet. Da der Referenzpfad über seine gesamte Länge auf dem Signalpfad verläuft, betreffen eventuelle Wegänderungen oder Störungen in diesem Bereich beide Pfade gleichmäßig. Somit sind Phasenabweichungen zwischen Signal- und Referenzarm des Interferometers außerhalb der zu vermessenden Differenzstrecke auszuschließen.The respective phases of the individual signals are determined by the method of "lock-in-analysis" (LIA) with an accuracy of 10 "4 and then converted electronically from analog to digital signals. The difference between the individual phase values carried out subsequently with the aid of an electronic processing unit, for example a digital signal processing unit (DSP) or a computer 109, is used to calculate the absolute distance between the sensor head 104 and the surface 105 to be measured. Since the reference path runs along the signal path over its entire length, any path changes or disturbances in this area affect both paths evenly. Thus phase deviations between the signal and reference arm of the interferometer outside the distance to be measured are excluded.
Die zur Auswertung benötigte Phase der einzelnen Wellenlängen ist nach dem bekannten Prinzip der Interferometrie im lokalen relativen Wert der Intensität innerhalb der Interferenzverteilung enthalten. Hierzu benötigt werden zwei kohärente optische Teilwellen, die als Signal 114 und Referenz bezeichnet 112' werden. Bei dem hier vorgestellten Sensorkopf 104, der in Figur 2 skizziert ist, stellt das von der zu vermessenden Oberfläche 105 zurückgeworfene Licht 114 die Signalwelle dar, während die Referenzwelle 112' durch Teilreflexion an einer Fläche 202, insbesondere an der Auskopplungsfläche im Sensorkopf 104 erzeugt wird.The phase of the individual wavelengths required for evaluation is contained in the local relative value of the intensity within the interference distribution according to the known principle of interferometry. For this purpose, two coherent partial optical waves are required, which are referred to as signal 114 and reference 112 '. In the here presented sensor head 104, which is sketched in FIG. 2, the light 114 reflected by the surface 105 to be measured represents the signal wave, while the reference wave 112 'is generated by partial reflection at a surface 202, in particular at the coupling-out surface in the sensor head 104 ,
Nach der Aufnahme, bzw. Einkopplung des von der Oberfläche 105 reflektierten Signals durch den Sensorkopf 104 durchlaufen Signal 114 und Referenz 112' stets gleiche Wege, so dass die ermittelte relative Phase zwischen den beiden optischen Lichtwellen 114, 112' direkt proportional zum Abstand zwischen Sensorkopf 104 und Probenoberfläche 105 ist. Zur Auskopplung des Lichtes dient eine Auskoppeloptik, etwa in Form einer Gradientenindexlinse 203, welche mit der optischen Faser 110 mittels eines Klebstoffs 205 fest verbunden ist.After the recording or coupling of the signal reflected by the surface 105 through the sensor head 104, signal 114 and reference 112 'always pass through identical paths, so that the determined relative phase between the two optical light waves 114, 112' is directly proportional to the distance between the sensor head 104 and sample surface 105. To decouple the light, a decoupling optics is used, for example in the form of a Gradient index lens 203, which is fixedly connected to the optical fiber 110 by means of an adhesive 205.
Zum Schutz des Sensorkopfes 104 und zu Stabilitätszwecken ist das Faserende und die Auskoppeloptik in einem Führungselement 206 verklebt. Um die eine hohe Genauigkeit zu erreichen, wird der Sensorkopf 104 räumlich in Richtung des zu vermessenden Abstands, welche der Richtung des Messstrahls im Wesentlichen entspricht, harmonisch periodisch moduliert. Dies kann z.B. durch einen Piezoaktuator 207 oder einen anderen Aktuator, wie z.B. durch einen elektro-magnetischen Aktuator erfolgen, in dem oder an dem das Führungselement 206 angebracht ist.#To protect the sensor head 104 and for stability purposes, the fiber end and the coupling-out optics are adhesively bonded in a guide element 206. In order to achieve high accuracy, the sensor head 104 is spatially modulated periodically in the direction of the distance to be measured, which essentially corresponds to the direction of the measuring beam. This can e.g. by a piezoactuator 207 or other actuator, e.g. by an electro-magnetic actuator in which or on which the guide element 206 is attached. #
Der in Fig. 3 im Querschnitt dargestellte Sensorkopf 124 unterscheidet sich von der Ausgestaltung gemäß Figur 2 darin, dass der Referenzstrahl 112' durch Teilreflexion an der Endfläche 220 der Faser 110 erzeugbar ist. Eine kohärente Überlagerung von Referenzwelle 112' und Objektwelle, 114, welche nach erfolgter Reflexion am zu vermessenden Objekt 105 in den Faserkopf 124 einkoppelbar ist, erfolgt somit ausschließlich innerhalb der Faser 110 und des von ihr vorgegebenen Propagationswegs.The sensor head 124 shown in cross section in FIG. 3 differs from the embodiment according to FIG. 2 in that the reference beam 112 'can be generated by partial reflection at the end face 220 of the fiber 110. A coherent superimposition of reference wave 112 'and object wave, 114, which can be coupled into the fiber head 124 after reflection at the object 105 to be measured, thus takes place exclusively within the fiber 110 and the propagation path predetermined by it.
Dabei ist es ferner von Vorteil, dass der Klebstoff 215 oder die Klebeschicht außerhalb des optischen Signalpfads zu liegen kommt, sodass eine Absorption von Referenz- und/oder Messsignalen 112, 114 durch den Klebstoff 215 nicht mehr zu befürchten ist. Anstelle und/oder ergänzend zum Klebstoff kann auch eine geeignete Halterung für die Faser 110 Verwendung finden.In this case, it is also advantageous that the adhesive 215 or the adhesive layer comes to lie outside the optical signal path, so that absorption of reference and / or measuring signals 112, 114 by the adhesive 215 is no longer to be feared. Instead of and / or in addition to the adhesive, a suitable holder for the fiber 110 may also be used.
An seinem dem zu vermessenden Objekt zugewandten freie Ende des Sensorkopfs 124 ist eine Linse 218 angeordnet, welche am Führungselement 206 gehalten ist. Durch Variation des Abstandes zwischen der Linse 218 und der Faserendfläche 220 kann die Abstrahlcharakteristik des Sensorkopfs 124 gezielt beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Divergenz, bzw. der Fokus des Messstrahls 112 vorzugsweise bei der Endmontage des Sensorkopfs 124 fixiert und ggf. an besondere Bedürfnisse eines Messaufbaus angepasst und dementsprechend eingestellt werden. BezugszeichenlisteAt its facing the object to be measured facing free end of the sensor head 124, a lens 218 is arranged, which is held on the guide member 206. By varying the distance between the lens 218 and the fiber end surface 220, the radiation characteristic of the sensor head 124 can be influenced in a targeted manner. For example, the divergence or the focus of the measuring beam 112 may preferably be fixed during the final assembly of the sensor head 124 and possibly adapted to particular needs of a measurement setup and adjusted accordingly. LIST OF REFERENCE NUMBERS
101 Strahlungsquelle101 radiation source
102 Multiplexer 103 Kopplungselement102 multiplexer 103 coupling element
104 Sensorkopf104 sensor head
105 Oberfläche105 surface
106 Demultiplexer106 demultiplexer
107 Fotodiode 108 Auswerteeinheit107 photodiode 108 evaluation unit
109 Digitale Signalverarbeitungseinheit109 Digital signal processing unit
110 Faser110 fiber
112 Messstrahl112 measuring beam
112' Referenzstrahl 114 Objektstrahl112 'reference beam 114 object beam
124 Sensorkopf124 sensor head
202 Austrittsfläche202 exit surface
203 Gradientenindexlinse 205 Klebstoff 206 Führungselement203 gradient index lens 205 adhesive 206 guide element
207 Piezoaktuator207 piezoactuator
215 Klebstoff215 glue
218 Ein/ Aus/Kopplungsoptik218 On / Off / Coupling optics
220 Faserendfläche 220 fiber endface

Claims

Patentansprüche claims
1. Sensoreinrichtung zur Messung von Abständen mit zumindest zwei Strahlungsquellen (101 ), welche zur Erzeugung optischer Signale (112) unterschiedlicher Wellenlängen ausgebildet sind, und deren optische Signale über eine faseroptische Kopplung (102, 103) einem Sensorkopf (104; 124) zuführbar sind, wobei die optischen Signale (112) der zumindest zwei Strahlungsquellen (101 ) mittels zumindest einer optischen Multiplexereinrichtung (102) in einer gemeinsamen Faser (110) zusammenführbar und mittels dieser Faser (110) dem Sensorkopf (104; 124) zuführbar sind.1. Sensor device for measuring distances with at least two radiation sources (101), which are designed to generate optical signals (112) of different wavelengths, and whose optical signals via a fiber optic coupling (102, 103) a sensor head (104; 124) can be fed in that the optical signals (112) of the at least two radiation sources (101) can be brought together by means of at least one optical multiplexer device (102) in a common fiber (110) and fed to the sensor head (104; 124) by means of this fiber (110).
2. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorkopf (104; 124) zur Auskopplung eines auf eine zu vermessende Oberfläche (105) gerichteten Messstrahls (112) und zur Aufnahme eines von der Oberfläche (105) reflektierten Objektstrahls (114) ausgebildet ist.2. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the sensor head (104; 124) for decoupling a directed onto a surface to be measured (105) measuring beam (112) and for receiving an object from the surface (105) reflected object beam (114) is formed ,
3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 , welche als Mehrwellenlängen-Sensor ausgebildet ist.3. Sensor device according to claim 1, which is designed as a multi-wavelength sensor.
4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, wobei ein Referenzstrahl (112') durch Teilreflexion des Messstrahls (1 12) an der Austrittsfläche (202) des Sensorkopfs (104; 124) erzeugbar ist und innerhalb des Sensorkopfs (104; 124) mit dem in den Messkopf (104; 124) einkoppelbaren Objektstrahl (114) interferiert.4. Sensor device according to claim 3, wherein a reference beam (112 ') by partial reflection of the measuring beam (1 12) on the exit surface (202) of the sensor head (104; 124) can be generated and within the sensor head (104; 124) with in the Measuring head (104; 124) engageable object beam (114) interferes.
5. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei der Referenzstrahl (112') durch Teilreflexion an der Faserendfläche (220) erzeugbar ist und innerhalb der Faser (110) mit einem vom zu vermessenden Objekt (105) reflektierten und in die Faser (1 10) einkoppelbaren Objektstrahl (114) interferiert. 5. Sensor device according to one of the preceding claims 1 to 3, wherein the reference beam (112 ') by partial reflection at the Faserendfläche (220) can be generated and within the fiber (110) with an object to be measured (105) reflected and into the fiber (1 10) coupled object beam (114) interferes.
6. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, wobei der Referenzpfad über seine gesamte Länge auf dem Signalpfad verläuft.6. Sensor device according to one of the preceding claims 2 to 5, wherein the reference path extends over its entire length on the signal path.
7. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aus- und Einkopplungsfläche (202) des Sensorkopfs (104; 124) als Gradientenindexlinse (203) und/oder als Tonnenlinse ausgebildet ist, welche mit der Faser (110) mittels eines Klebstoffs (205) fest verbunden ist.7. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the extraction and coupling surface (202) of the sensor head (104; 124) is formed as Gradientenindexlinse (203) and / or as barrel lens, which with the fiber (110) by means of an adhesive (205 ) is firmly connected.
8. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das sensorkopfseitige Faserende und die Aus- bzw. Einkopplungsoptik (203; 218) des Sensorkopfs (104) in einem gemeinsamen Führungselement (206) aufgenommen sind.8. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the sensor head-side fiber end and the extraction or coupling-in optics (203, 218) of the sensor head (104) are accommodated in a common guide element (206).
9. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der9. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the
Sensorkopf (104; 124) gegenüber der zur vermessenden Oberfläche (105) in Propagationsrichtung des aus dem Sensorkopf (104; 124) austretenden Messstrahls (112) oszillierend gelagert ist.Sensor head (104, 124) is mounted oscillating relative to the surface (105) to be measured in the propagation direction of the measuring beam (112) emerging from the sensor head (104; 124).
10. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, wobei das Führungselement (206) gegenüber einem Sensorkopfgehäuse in Propagationsrichtung des Messstrahls (112) verschiebbar, vorzugsweise oszillierend, höchst vorzugsweise periodisch oszillierend gelagert ist.10. Sensor device according to one of the preceding claims 8 or 9, wherein the guide element (206) relative to a sensor head housing in the propagation direction of the measuring beam (112) displaceable, preferably oscillating, most preferably is mounted periodically oscillating.
11. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, wobei der Sensorkopf (104; 124) und/oder das Führungselement (206) mittels zumindest einem elektromechanischen, insbesondere einem piezoelektrischen Aktuator (207) in Messstrahlpropagationsrichtung bewegbar sind.11. Sensor device according to one of the preceding claims 8 to 10, wherein the sensor head (104; 124) and / or the guide element (206) by means of at least one electromechanical, in particular a piezoelectric actuator (207) are movable in Messstrahlpropagationsrichtung.
12. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Amplitude der oszillierenden Bewegung von Sensorkopf (104; 124) und/oder Führungselement (206) im Bereich der Wellenlänge der optischen Signale zumindest einer der Strahlungsquellen (101) liegt.12. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the amplitude of the oscillating movement of the sensor head (104; 124) and / or Guide element (206) in the range of the wavelength of the optical signals of at least one of the radiation sources (101).
13. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsquellen (101) als Laser und zur Erzeugung von optischen13. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the radiation sources (101) as a laser and for generating optical
Signalen ausgebildet sind, deren Wellenlängen imSignals are formed whose wavelengths in
Telekommunikationsbereich zwischen 1520 nm und 1630 nm, im S-, C- oder L-Band liegen.Telecommunications range between 1520 nm and 1630 nm, in the S, C or L band.
14. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die14. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the
Referenz- und Objektstrahlen (112', 114) mittels zumindest eines Zirkulators oder Fasersplitters (103) und/oder mittels faseroptischer Demultiplexer (106) wellenlängenselektiv unterschiedlichen Detektoren (107) zuführbar und getrennt voneinander auswertbar sind.Reference and object beams (112 ', 114) by means of at least one circulator or fiber splitter (103) and / or by means of fiber optic demultiplexer (106) wavelength-selectively different detectors (107) are fed and evaluated separately.
15. Sensoreinrichtung nach Anspruch 14, wobei die elektrischen Signale der Detektoren (107) phasensensitiv auswertbar sind.15. Sensor device according to claim 14, wherein the electrical signals of the detectors (107) are phase sensitive evaluable.
16. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 oder 15, wobei die Phasen der von den Detektoren (107) erzeugbaren elektrischen16. Sensor device according to one of the preceding claims 14 or 15, wherein the phases of the detectors (107) producible electrical
Signale mittels eines Lock-In-Analysing (LIA) Verfahrens bestimmbar sind.Signals can be determined by means of a lock-in-analysis (LIA) method.
17. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 16, wobei die absolute Distanz zwischen Sensorkopf (104; 124) und Oberfläche (105) durch Differenzenbildung zwischen den ermittelten Phasen einzelner wellenlängenselektiv detektierter Signale bestimmbar ist.17. Sensor device according to one of the preceding claims 14 to 16, wherein the absolute distance between the sensor head (104; 124) and surface (105) by difference formation between the determined phases of individual wavelength-selective detected signals can be determined.
18. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche als faseroptisch konzipierter Mehrwellenlängen-Sensor zur quantitativen Erfassung von Abstand und/oder Topologie von Oberflächen (105) ausgebildet ist. 18. Sensor device according to one of the preceding claims, which is designed as a fiber optic designed multi-wavelength sensor for the quantitative detection of distance and / or topology of surfaces (105).
19. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laser (101 ) faseroptisch angebunden sind.19. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the laser (101) are connected in a fiber optic manner.
20. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laser (101) amplituden- und/oder frequenzmodulierbar sind.20. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the laser (101) are amplitude and / or frequency modulated.
21. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Auskopplung des Laserlichtes und zur Aufnahme des Oberflächensignals optisch refraktive oder diffraktive Komponenten (203) vorgesehen sind.21. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein optically refractive or diffractive components (203) are provided for coupling out the laser light and for receiving the surface signal.
22. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Licht an der zu vermessenden Oberfläche (105) konvergent, divergent oder kollimiert ist.22. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the light at the surface to be measured (105) is convergent, divergent or collimated.
23. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor zum Vermessen unterschiedlicher Materialien ausgebildet ist.23. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the sensor is designed for measuring different materials.
24. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor zum Vermessen glatter sowie rauer Oberflächen (105) ausgebildet ist.24. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the sensor for measuring smooth and rough surfaces (105) is formed.
25. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Sinne eines interferometrischen Verfahrens das Signal von der zu vermessenden Oberfläche (105) und die benötigte Referenz innerhalb des Sensorkopfes (104; 124) erzeugbar sind.25. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein in the sense of an interferometric method, the signal from the surface to be measured (105) and the required reference within the sensor head (104; 124) can be generated.
26. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optische Referenzweg des Interferometers identisch mit einem Teil des optischen Signalweges des Interferometers ist.26. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the optical reference path of the interferometer is identical to a part of the optical signal path of the interferometer.
27. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das von der Oberfläche zurückgeworfene optische Signal von einem Zirkulator oder Fasersplitter (103) in den faseroptischen Auswertezweig gelenkt wird.27. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the reflected from the surface of the optical signal from a circulator or fiber splitter (103) is directed into the fiber optic evaluation branch.
28. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die spektral unterschiedlichen Signale der mehreren Laser (101 ) durch faseroptische Demultiplexer oder optische Filter (106) separierbar, in ein elektrisches Signal konvertierbar und getrennt auswertbar sind.28. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the spectrally different signals of the plurality of lasers (101) by fiber optic demultiplexer or optical filters (106) are separable, convertible into an electrical signal and separately evaluated.
29. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beliebige Faserstrecken zwischen dem Sensorkopf (104; 124) und einer Auswerteeinheit (109) oder den Lichtquellen (101) möglich sind.29. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein any fiber lengths between the sensor head (104, 124) and an evaluation unit (109) or the light sources (101) are possible.
30. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorkopf (104; 124) kompakt ist. 30. Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the sensor head (104; 124) is compact.
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