DE10057540A1 - Interferometrische Messvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Messvorrichtung zum Messen von Oberflächenkenngrößen, Formen, Abständen, Abstandsänderungen, z. B. Schwingungen, von Messobjekten (7) mit einem Sondenteil (6). Eine hinsichtlich der Handhabung und einer störungsfreien Abtastung günstige Ausbildung besteht darin, dass der Sondenteil (6) in einen feststehenden Sondenteil (6.1) und einen mit diesem mechanisch und optisch gekoppelten rotierbaren Sondenteil (6.2) unterteilt ist und dass ein Strahlteiler (6.3; 6.3') zum Erzeugen eines Referenzstrahls und eines Messstrahls für die interferometrische Messung in dem rotierbaren Sondenteil (6.2) angeordnet ist (Fig. 1).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Messvorrichtung zum
Messen von Oberflächenkenngrößen, Formen, Abständen, Abstandsänderungen,
z. B. Schwingungen, von Messobjekten mit einem Sondenteil.
Eine interferometrische Messvorrichtung dieser Art ist in der DE 198 08 273 A1
angegeben. Bei dieser bekannten Messvorrichtung wird in dem interferometri
schen Messsystem mittels Kohärenz-Multiplex das optische System der Mess
vorrichtung auf zwei Subsysteme aufgeteilt, nämlich ein so bezeichnetes
Modulations-Interferometer und einen Sondenteil. Der Sondenteil ist auf diese
Weise gut handhabbar und weist einen Messkopf auf, mit dem auch Messungen
in relativ langen, engen Bohrungen möglich sind. Die Messvorrichtung ist für
eine Mehrwellenlängeninterferometrie ausgelegt, so dass eine Messbereichs
erweiterung erzielt wird. Um eine Rundum-Abtastung einer Oberfläche durch
zuführen, wird in der Regel das Messobjekt selbst oder die Messvorrichtung
rotierend angetrieben. Der Antrieb ist nicht immer einfach auszuführen und kann
sich negativ auf die Messgenauigkeit auswirken.
Bei einer in der DE 198 19 762 A1 gezeigten weiteren interferometrischen
Messvorrichtung dieser Art sind verschiedene raumsparende Messsonden für
das Messsystem vorgeschlagen, wobei die Erzeugung der Abtastbewegung mit
ähnlichen Schwierigkeiten verbunden sein kann, wie vorstehend angegeben.
Die EP 0 126 475 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungs
freien Messen der Ist-Positionen und/oder des Profils rauher Oberflächen, das
auf dem Konzept des Mehrwellenlängen-Heterodyn-Interferometers basiert und
als Lichtquelle ein oder mehrere Laser beinhaltet. Die Heterodyntechnik
ermöglicht es, auf der Grundlage der Phasenauswertung den Einfluss von Er
schütterungen weitgehend zu unterdrücken; jedoch können auch bei dieser
Vorgehensweise die vorstehend genannten Schwierigkeiten auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Messvor
richtung der eingangs genannten Art bereit zu stellen, mit der bei möglichst
einfacher Handhabung der Messvorrichtung eine erhöhte Genauigkeit bei einem
rotierenden Abtasten der Oberfläche eines Messobjektes erreicht und Störein
flüssen auf die Messgenauigkeit, die von der Antriebseinrichtung herrühren,
entgegen gewirkt wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hiernach ist
vorgesehen, dass der Sondenteil in einen feststehenden Sondenteil und einen
mit diesem mechanisch und optisch gekoppelten rotierbaren Sondenteil unterteilt
ist und dass ein Strahlteiler zum Erzeugen eines Referenzstrahls und eines
Messstrahls für die interferometrische Messung in dem rotierbaren Sondenteil
angeordnet ist.
Die Unterteilung des Sondenteils in einen feststehenden und einen rotierbaren
Sondenteil ermöglicht eine relativ einfache Ausrichtung zum Abtasten des Mess
objektes und eine Auslegung des Sondenteils für eine präzise rotierende Abtas
tung. Die Anordnung des Strahlteilers in dem rotierbaren Sondenteil verhindert,
dass sich den zu erfassenden Wegdifferenzen zwischen Referenzstrahl und
Messstrahl, die von der zu messenden Oberfläche herrühren, solche Differenzen
überlagern, die durch die Rotation am Übergangsbereich zwischen dem festste
henden Sondenteil und dem rotierenden Sondenteil entstehen.
Eine weitere Vereinfachung für die Handhabung ergibt sich durch die Maßnah
men, dass ein von dem Sondenteil räumlich getrenntes Modulationsinterfero
meter mit darin angeordneter kurzkohärenter Lichtquelle oder räumlich ge
trenntes Demodulationsinterferometer vorhanden ist, wobei die kurzkohärente
Lichtquelle in dem rotierbaren oder in dem feststehenden Sondenteil oder
außerhalb des Sondenteils angeordnet ist. Ein günstiger Aufbau wird dabei
dadurch erzielt, dass der Sondenteil und das Modulationsinterferometer oder das
Demodulationsinterferometer über eine monomode Lichtleitfaser miteinander ge
koppelt sind.
Ein vorteilhafter Aufbau wird desweiteren dadurch erreicht, dass der Strahlteiler
Teil einer Common-Path-Interferometeranordnung ist. Dadurch werden eigene
optische Zweige für den Referenzstrahl entbehrlich und eine schlanke Bauform
begünstigt.
Verschiedene, an sich bekannte Alternativen für die Ausführung der Messvor
richtung bestehen darin, dass der Aufbau des Interferometers einem klassischen
Interferometer, einem Weißlichtinterferometer oder einem Heterodyninterfero
meter entspricht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht weiterhin darin, dass das Interferometer
zur Erweiterung des Messbereiches als Mehrwellenlängeninterferometer ausge
bildet ist.
Für eine Messung in sehr engen Kanälen bzw. Bohrungen, wie z. B. einer Ein
spritzdüse, wird dadurch ermöglicht, dass der Sondenteil in einem Messkopf
zum Abtasten des Messobjektes eine optische Messfaser aufweist, der ein
Faserstück vorgeschaltet ist und dass als Strahlteiler eine Trennfläche zwischen
dem Faserstück und der Messfaser ausgebildet ist. Beispielsweise sind dabei
Messungen in Bohrungen eines Durchmessers zwischen 80 µm und einem mm
möglich. Das messobjektseitige Ende der Messfaser ist dabei entsprechend der
jeweiligen Messaufgabe ausgebildet.
Zu einem günstigen Aufbau tragen weiterhin die Maßnahmen bei, dass das Licht
der Lichtquelle über eine weitere Lichtleitfaser und über einen Faser-Strahlteiler
in das Faserstück geführt und aus diesem nach Beleuchten des Messobjektes in
die Lichtleitfaser geleitet wird.
Zum Aufbau und der Wirkungsweise der interferometrischen Messvorrichtung an
sich wird auf den eingangs genannten Stand der Technik hingewiesen, in dem
noch weitere Literaturstellen zu interferometrischen Messvorrichtungen ange
geben sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug
nahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer interferometrischen Mess
vorrichtung mit einem Modulations-Interferometer und einem davon
räumlich getrennten Sondenteil in schematischer Darstellung und
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer interferometrischen Mess
vorrichtung, bei dem ein Demodulations-Interferometer und ein
davon räumlich getrennter Sondenteil vorgesehen sind.
Bei einer in Fig. 1 gezeigten interferometrischen Messvorrichtung 1 sind eine
Baueinheit aus einem Modulations-Interferometer 2 und eine Baueinheit mit
einem Sondenteil 6 räumlich voneinander getrennt angeordnet und über eine
vorzugsweise monomode Lichtleitfaser 5 miteinander verbunden. Zur Aufnah
me von Messlicht, das von einer abgetasteten Objektoberfläche eines Messob
jektes 7 über die monomode Lichtleitfaser 5 geführt wird, ist eine Empfänger
anordnung 4 mit einem Spektralelement 4.2 und einer Photodetektoranordnung
4.1 vorgesehen, deren Ausgangssignale an eine Auswerteeinrichtung 8 zur rechnerischen
Auswertung weitergeleitet werden, die im übrigen auch Steuerungs
aufgaben der interferometrischen Messvorrichtung 1 übernehmen kann.
Das Modulationsinterferometer umfasst eine kurzkohärente, breitbandige
Lichtquelle 3, z. B. eine Superlumineszenzdiode, sowie zwei Modulatoren 2.1,
insbesondere akustooptische Modulatoren, ein in einem Zweig angeordnetes
Verzögerungselement 2.2, beispielsweise eine planparallele Platte, zwei
Strahlteiler, der eine zum Aufteilen des Lichtstrahls in zwei den beiden Mo
dulatoren 2.1 zugeführte Teil-Lichtstrahlen und der andere zum Vereinigen der
geteilten Lichtstrahlen, sowie zwei Ablenkelemente. Ein derartiges Modulations
interferometer ist beispielsweise in der eingangs erwähnten DE 198 19 762 A1
angegeben, wobei auch die Wirkungsweise näher beschrieben ist.
Der Sondenteil 6 weist einen feststehenden Sondenteil 6.1 und einen daran
mechanisch und optisch angekoppelten rotierbaren Sondenteil 6.2 auf, in dem
ein Strahlteiler 6.3 angeordnet ist. Die Anordnung des Strahlteilers 6.3 in dem
rotierbaren Sondenteil 6.2 hat den Vorteil, dass sich durch die Rotation keine
Wegdifferenzen zwischen dem mit dem Strahlteiler 6.3 erzeugten Referenzstrahl
und Messstrahl ergeben können, sondern die entstehenden Änderungen der
Wegdifferenz auf die Oberflächeneigenschaften oder Form, Abstand, Abstands
änderung, z. B. Schwingungen, der abgetasteten Oberfläche des Messobjektes 7
zurückzuführen sind.
Das Licht der kurzkohärenten Lichtquelle 3 des Modulations-Interferometers 2
wird mit einer Linse kollimiert und auf die zwei Teil-Lichtstrahlen aufgeteilt. Das
Modulations-Interferometer ist z. B. nach dem Prinzip eines Mach-Zehnder-Inter
ferometers aufgebaut. Die beiden Teil-Lichtstrahlen werden mit Hilfe der Modulatoren
2.1 gegenseitig in der Frequenz verschoben. Die Frequenzdifferenz be
trägt z. B. einige kHz. In einem Arm des Modulations-Interferometers 2 bewirkt
das Verzögerungselement 3 eine Differenz der optischen Wege beider Teil-
Lichtstrahlen, die länger als die Kohärenzlänge der Lichtquelle 3 ist. Die beiden
Teil-Lichtstrahlen werden in dem nachfolgenden Strahlteiler überlagert und in die
monomode Lichtleitfaser 5 eingekoppelt. Aufgrund der optischen Wegdifferenz
interferieren die Teil-Lichtstrahlen nicht. Das Licht wird über einen Lichtleiter
zum Sondenteil 6 geführt und dort ausgekoppelt.
Der rotierbare Sondenteil 6.2 beinhaltet außer dem Strahlteiler 6.3 weitere
optische Elemente, die den zugeführten Lichtstrahl auf die zu vermessende
Oberfläche des Messobjektes 7 fokussieren. Der optische Weg von dem Strahl
teiler 6.3 zur Messfläche gleicht die in dem Modulations-Interferometer 2
eingebrachte optische Wegdifferenz aus. Mit dem Strahlteiler 6.3 wird der
Lichtstrahl in den zu dem Messobjekt geführten Messstrahl und einen Refe
renzstrahl aufgeteilt. Durch die Rotation des rotierbaren Sondenteils 6.2 wird
z. B. die Wand einer Bohrung abgetastet und die Formabweichung des Innenzy
linders vermessen. Das dabei von der Messoberfläche reflektierte Licht wird mit
dem Referenzstrahl überlagert und in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelt. Aufgrund
des Wegdifferenzausgleichs können die Lichtstrahlen des Messstrahls und des
Referenzstrahls interferieren. Die Licht-Phasendifferenz beinhaltet Informationen
über den Abstand zur Messoberfläche.
Das über die Lichtleiterfaser 5 zu dem Modulations-Interferometer 2 geleitete
Licht wird ausgekoppelt und mit Hilfe des Spektralelementes 4.2, z. B. eines
Gitters oder Prismas, in mehrere spektrale Anteile der Wellenlängen λ1, λ2, . . . λn
zerlegt und auf der Photodetektoranordnung 4.1 fokussiert. Jeder Photodetektor
liefert ein elektrisches Signal mit der durch die Modulatoren 2.1 erzeugten
Differenzfrequenz und einer Phase Δϕ, die mit der Messgröße ΔL des Abstandes
zu dem Messobjekt 7 und der zugehörigen Wellenlänge λn zusammenhängt ge
mäß der Beziehung Δϕ = (2.π/λn).ΔL.
Durch die Vermessung der Phasendifferenzen der Signale mehrerer Photodetek
toren (Mehrwellenlängen-Heterodyn-Interferometrie) lässt sich der Abstand ΔL,
der größer als einzelne Lichtwellenlängen sein darf, eindeutig bestimmen. Die
Auswertung erfolgt mittels der Auswerteeinrichtung 8.
Grundsätzlich ähnlich wie die in Fig. 1 gezeigte interferometrische Messvor
richtung 1 arbeitet auch die in Fig. 2 gezeigte weitere interferometrische
Messvorrichtung 1. Hierbei ist die interferometrische Messvorrichtung 1 jedoch
in ein Demodulations-Interferometer 2' und einen davon entfernten, mittels der
Lichtleitfaser 5 gekoppelten Sondenteil 6 gekoppelt, der ebenfalls in den fest
stehenden Sondenteil 6.1 und den rotierbaren Sondenteil 6.2 unterteilt ist.
Die kurzkohärente Lichtquelle 3, z. B. eine Superlumineszenzdiode, befindet sich
hierbei in dem rotierbaren Sondenteil 6.2. Ihr Licht wird über eine weitere Licht
leitfaser 6.4, ebenfalls vorzugsweise eine monomode Lichtleitfaser, mittels eines
Faser-Strahlteilers 6.3' in ein Faserstück 6.5 eingekoppelt, das mittels eines
Faserverbinders in einem Messkopf 6.6 mit einer dem Messobjekt 7 zugekehrten
Messfaser 6.7 gekoppelt ist. Mittels der an ihrem freien Ende zum Befeuchten
der Messoberfläche und Aufnehmen des davon reflektierten Lichts ausgebildeten
Messfaser 6.2 wird die Oberfläche des Messobjektes 7, z. B. eins sehr enge Boh
rung einer Einspritzdüse, optisch abgetastet.
Die Austrittsfläche des Faserstückes 6.5 am Übergang zu der Messfaser 6.7 ist
so beschichtet, dass sie die Funktion eines Strahlteilers 6,3 hat. Das Licht wird
an diesem Strahlteiler 6.3 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, den Messstrahl und den
Referenzstrahl. Der Referenzstrahl wird zurück in das Faserstück 6.5 einge
koppelt und über einen optische Koppler 6.8 am Übergang zwischen dem rotier
baren Sondenteil 6.2 und dem feststehenden Sondenteil 6.1 in das Demodula
tions-Interferometer 2' geführt. Der Messstrahl wird aus der Messfaser, deren
Ende speziell behandelt, z. B. unter einem Winkel von 45° geschliffen und ver
spiegelt ist, ausgekoppelt und beleuchtet die zu vermessende Innenwand der
kleinen Bohrung des Messobjektes 7. Die Messfaser 6.7 hat einen Durchmesser
von z. B. 125 µm. Das von der Wand der Bohrung reflektierte Licht wird über die
Messfaser 6.7, den Faser-Strahlteiler 6.3' und den optischen Koppler 6.8 in das
Demodulations-Interferometer 2' eingekoppelt und mit dem Referenzstrahl über
lagert. Die beiden Strahlen können nicht interferieren, da die Kohärenzlänge der
Lichtquelle 3 kürzer als die Hälfte der Messfaser 6.7 ist. Das Demodulations-
Interferometer 2' ist z. B. nach dem Prinzip eines Mach-Zehnder-Interferometers
aufgebaut. In dem Demodulations-Interferometer 2' wird das ankommende Licht
auf zwei Teil-Lichtstrahlen aufgeteilt. In einem Arm des Demodulations-Inter
ferometers 2' ist das Verzögerungselement 2.2, z. B. ebenfalls eine planparallele
Glasplatte, eingesetzt, das die Differenz der optischen Wege zwischen dem
Messstrahl und dem Referenzstrahl, die in dem Messkopf 6.6 erzwungen wurde,
zurücksetzt. Die beiden Teil-Lichtstrahlen werden mit Hilfe der Modulatoren 2.1,
z. B. ebenfalls akustooptische Modulatoren, gegenseitig in der Frequenz verschoben,
wobei die Frequenzdifferenz auch hierbei z. B. einige kHz beträgt. Die
beiden interferenzfähigen Teil-Lichtstrahlen werden in einem weiteren Strahlteiler
überlagert, ausgekoppelt, mit Hilfe des Spektralelementes 4.2, z. B. einem Gitter
oder Prisma, in mehrere spektrale Anteile mit Wellenlängen λ1, λ2, . . . λn zerlegt
und auf der Photodetektoranordnung 4.1 fokussiert. Die Auswertung erfolgt
dann entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.
Die Informationsübertragung von dem rotierenden Sondenteil 6.2 zu dem fest
stehenden Sondenteil 6.1 erfolgt über den optischen Koppler 6.8, der z. B. in
Form zweier an den Faserenden der entsprechenden Lichtleitfasern 5 angeord
neter Grin(= graduade-index-)-Linsen ausgeführt sein kann. Da der optische
Koppler 6.8 sich im Lichtweg nach dem Faser-Strahlteiler 6.3' bzw. dem Strahl
teiler 6.3 befindet, stören evtl. kleine Verkippungen oder Verschiebungen beider
Sondenteile 6.1, 6.2 während der Drehung nicht, so dass durch die Rotation bei
der Abtastung keine Verfälschungen des Messergebnisses entstehen.
Claims (8)
1. Interferometrische Messvorrichtung zum Messen von Oberflächenkenn
größen, Formen, Abständen, Abstandsänderungen, z. B. Schwingungen,
von Messobjekten (7) mit einem Sondenteil (6),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sondenteil (6) in einen feststehenden Sondenteil (6.1) und einen mit diesem mechanisch und optisch gekoppelten rotierbaren Sondenteil (6.2) unterteilt ist und
dass ein Strahlteiler (6.3; 6.3') zum Erzeugen eines Referenzstrahls und eines Messstrahls für die interferometrische Messung in dem rotierbaren Sondenteil (6.2) angeordnet ist.
dass der Sondenteil (6) in einen feststehenden Sondenteil (6.1) und einen mit diesem mechanisch und optisch gekoppelten rotierbaren Sondenteil (6.2) unterteilt ist und
dass ein Strahlteiler (6.3; 6.3') zum Erzeugen eines Referenzstrahls und eines Messstrahls für die interferometrische Messung in dem rotierbaren Sondenteil (6.2) angeordnet ist.
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein von dem Sondenteil (6) räumlich getrenntes Modulationsinter
ferometer (2) mit darin angeordneter kurzkohärenter Lichtquelle (3) oder
räumlich getrenntes Demodulationsinterferometer (2') vorhanden ist, wo
bei die kurzkohärente Lichtquelle (3) in dem rotierbaren oder in dem feststehenden
Sondenteil (6) oder außerhalb des Sondenteils (6) angeordnet
ist.
3. Messvorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sondenteil (6) und das Modulationsinterferometer (2) oder das
Demodulationsinterferometer (2') über eine monomode Lichtleitfaser (5)
miteinander gekoppelt sind.
4. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Strahlteiler (6.3) Teil einer Common-Path-Interferometer
anordnung ist.
5. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Aufbau des Interferometers einem klassischen Interferometer,
einem Weißlichtinterferometer oder einem Heterodyninterferometer ent
spricht.
6. Messvorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Interferometer zur Erweiterung des Messbereiches als Mehr
wellenlängeninterferometer ausgebildet ist.
7. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sondenteil (6) in einem Messkopf (6.6) zum Abtasten des Mess objektes (7) eine optische Messfaser (6.7) aufweist, der ein Faserstück (6.5) vorgeschaltet ist und
dass als Strahlteiler (6.3) eine Trennfläche zwischen dem Faserstück (6.5) und der Messfaser (6.7) ausgebildet ist.
dass der Sondenteil (6) in einem Messkopf (6.6) zum Abtasten des Mess objektes (7) eine optische Messfaser (6.7) aufweist, der ein Faserstück (6.5) vorgeschaltet ist und
dass als Strahlteiler (6.3) eine Trennfläche zwischen dem Faserstück (6.5) und der Messfaser (6.7) ausgebildet ist.
8. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Licht der Lichtquelle (3) über eine weitere Lichtleitfaser (6.4)
und über einen Faser-Strahlteiler (6.3') in das Faserstück (6.5) geführt
und aus diesem nach Beleuchten des Messobjektes (7) in die Lichtleitfaser
(5) geleitet wird.
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