DE19962078A1 - Verfahren und Vorrichtung zur interferentiellen Abstandsmessung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur interferentiellen AbstandsmessungInfo
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Abstract
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine hochauflösende interferometrische Messung bei kompakter miniaturisierter Bauweise ermöglicht. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß der Lichtsender in einem Fotodiodenarray integriert ist und sich auf der Vorderseite einer transparenten Platte vorzugsweise aus Glas befindet, wobei das von der Lichtquelle ausgehende Licht der Wellenlänge lambda von der teilweise verspiegelten Rückseite der Glasplatte und dem Spiegel reflektierte Licht Interferenzen erzeugt werden, deren von einem Fotodiodenarray aufgenommenen Hell-Dunkel-Perioden der Periodenlänge lambda/2 ein Maß für die sich veränderte Spiegelposition sind und das von der Lichtquelle ausgehende Licht die Glasplatte passiert, die in einem Teilbereich voll transparent ist, dort reflektiert wird und im Sensorarray ein Referenzsignal erzeugt, welches zur Kompensation von Intensitätsschwankungen der Strahlungsquelle dient. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hochauflösenden interferentiellen Messung des Abstandes eines Spiegels zu einem fotoelektrischen Element, welches einen Lichtsensor und mindestens einen Lichtempfänger enthält, wobei der Lichtempfänger ein Signal erzeugt, das von einer Signalverarbeitungseinheit ausgewertet wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Vorrichtung zur hochauflösenden
interferentiellen Messung des Abstandes eines Spiegels zu einem fotoelektri
schen Element, welches einen Lichtsensor und mindestens einen Lichtempfän
ger enthält, wobei der Lichtempfänger ein Signal erzeugt, das von einer
Signalverarbeitungseinheit ausgewertet wird.
Die Erfindung ist für vielfältige Anwendungsfälle einsetzbar. Sie ist insbeson
dere für die Kraft- und Druckmessung bei höchster Auflösung geeignet.
Im Stand der Technik ist nach DE 44 26 272 eine Druckmeßdose zur Messung
des Druckes eines Mediums bekannt, mit der in einem Gehäuse vorgesehenen
Membran die Meßeinrichtung von einem Spiegelelement und von einer
optoelektrischen Einheit gebildet ist, der Lichtsender und/oder der Lichtemp
fänger so justiert sind, daß die auf den Lichtempfänger auftreffende Lichtmenge
eine Funktion der Auslenkung der Membrane ist.
Nachteilig ist dabei, daß mit dieser Anordnung kein hohes Auflösungsvermögen
erreicht werden kann.
In DE 40 18 998 ist ein faseroptischer Drucksensor beschrieben, mit einer als
Druckaufnehmer fungierende, unter Druckbeaufschlagung eine Hubbewegung
ausführende Membran, deren Membraninnenseite mit einer hochreflektierenden
Verspiegelung versehen ist, und mit einem Lichtwellenleiter durch die hochre
flektierende Verspiegelung der Membraninnenseite und durch die teilreflektie
rende Stirnfläche des Lichtwellenleiters ein Fabry-Perot-Resonator ausgebildet
wird, und daß das aus dem Fabry-Perot-Resonator ausgekoppelte und in den
Lichtwellenleitern transmittierte Licht eine zeitliche Intensitätsverteilung
aufweist, welche durch den zeitlichen Verlauf der Hubbewegung der Membran
bestimmt wird.
Ferner sind in DE 36 21 862 A1 und in DE 41 29 359 C2 Interferometer zur
Druck- und Kraftmessung angegeben, die mehrere optische Bauelemente und
externe Lichtquellen enthalten.
Mit diesen Anordnungen lassen sich zwar hohe Auflösungen erreichen. Die
Anordnung ist aber sehr aufwendig und störanfällig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, daß eine hochauflösende interferome
trische Messung bei kompakter miniaturisierter Bauweise ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen der Patenansprüche 1 und 7.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung ermöglicht durch Anwendung der aus der Mikroelektronik
bekannten Chipintegration den Bau eines kompakten hochauflösenden Interfero
meters. Die lösung wird insbesondere dadurch ermöglicht, daß die Anordnung
als Hauptbestandteil ein Silizium-Chip enthält, das sowohl die Strahlungsquelle
als auch Empfänger in Form von Fotodiodenarrays enthält.
Die Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 1 erläutert den Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung in einer
Schnittdarstellung. Die Vorrichtung besteht aus einem Silizium-Chip, der auf
einer Glasplatte als Träger angeordnet ist, und einem Spiegel, dessen Position
SP ein Maß für die zu messende Größe ist. Der Spiegel ist dabei starr verbun
den mit dem Übertrager dieser Größe. Als zu messende Größen kommen
vorzugsweise eine Kraft oder ein Druck in Betracht, die Anordnung kann aber
darüber hinaus in einem breiten Anwendungsfeld zum Einsatz kommen.
Weitere bevorzugte Einsatzgebiete sind digitale Waagen und Einrichtungen zur
Messung von Drücken in Gasen und Flüssigkeiten, wenn der Spiegel mit einer
Druckmembran verbunden oder selbst Bestandteil dieser ist.
Das Silizium-Chip enthält in einer Grube abgesenkt die Lichtquelle als LED-
oder Laserdiodenchip. In der Schnittbezeichnung nicht dargestellt sind die
einzelnen Fotodioden, die zweckmäßigerweise als Segmente in einem Ringstrei
fen angeordnet sind, der konzentrisch zur Lichtquelle liegt.
Die Glasplatte GP dient neben ihrer optischen Funktion als Träger für das
Silizium-Chip Ch, welches in Flip-Chip-Technik mit der Glasplatte GP verbun
den ist. Die Glasplatte enthält außerdem alle Versorgungs- und Signalleitungen.
An den Lötpads LP wird das Chip nach außen angeschlossen. Auf dem Chip
selbst können neben Sensorarry und der Strahlungsquelle Teile der Signalverar
beitung untergebracht werden. Außerdem können weitere Chips für die Signal
verarbeitung auf der Glasplatte plaziert werden. Bei der Verwendung einer
LED als Strahlungsquelle befinden sich auf der Glasplatte vor dem jeweiligen
Fotodioden-Segment ein Interferenzfilter, das aus dem LED-Licht kohärentes
Licht ausfiltert. Die andere Seite der Glasplatte ist teilweise verspiegelt, um
dort ein Teil des Lichtes S zu reflektieren. Der andere Teil des Lichtes wird am
Spiegel reflektiert und kommt als Strahl S + nλ mit dem Anteil S zur Interfe
renz. In einem Teilbereich enthält die Glasoberfläche eine Vollverspiegelung
VV für die Reflexion eines Referenzstrahls RS, von dem in der Fotodiode
R-FD ein Signal zur Kompensation von Schwankungen der Strahlleistung der
Lichtquelle erzeugt wird.
Durch die Dicke der Glasplatte wird im wesentlichen bestimmt, welcher Anteil
des Lichtes der beiden Strahlen S und S + nλ zur Interferenz kommt.
Die in einem Segment des Spiegels aufgebrachte, in der Figur nicht dargestellte,
Spiegelstufe sorgt dafür, daß ein zweites Signal entsteht, welches zu dem ersten
um ¼ Periodenlänge verschoben ist. Diese beiden Signale sind erforderlich, um
einen Vor- und Rückwärtshub des Spiegels unterscheiden zu können. Die
beiden Signale sind auch zur Erhöhung der Meßauflösung durch Interpolation
erforderlich, durch die eine Periodenlänge um einen bestimmten Faktor unter
teilt wird.
Eine Absolutbestimmung der Spiegelposition wird möglich, wenn zusätzlich
zum Messen des Spiegelabstandes Licht mit einer zweiten Wellenlänge λ2
benutzt wird.
In einem Meßbereich der Größe
(Größe einer Schwebungsperiode) gilt die Messung der Spiegelposition als
absolut kodiert. Aus der Phasendifferenz der beiden aus λ1 und λ2 entstehen
den Interferenzsignale kann dann innerhalb einer Schwebungsperiode die
Position des Spiegels absolut bestimmt werden. Je nach angestrebter Wellenlän
gendifferenz Δλ = λ2 - λ1 kann man wegen der Breitbandigkeit einer LED die
beiden Wellenlängen durch entsprechende Interferenzfilter von einer LED ablei
ten. Durch geeignete Wahl der Größe Δλ oder Strahlung mit mindestens einer
weiteren Wellenlänge kann der absolut kodierte Meßbereich beliebig erweitert
werden.
Ch Si-Chip
GP Glasplatte
S Spiegel
LED LED
FD Fotodiode
R-FD Referenz-Fotodiode
S Lichtstrahl
Δλ Lichtstrahl
RS Referenzstrahl
VV Vollverspiegelung
TV Teilverspiegelung
SP Spiegelposition
a Spiegelabstand
GP Glasplatte
S Spiegel
LED LED
FD Fotodiode
R-FD Referenz-Fotodiode
S Lichtstrahl
Δλ Lichtstrahl
RS Referenzstrahl
VV Vollverspiegelung
TV Teilverspiegelung
SP Spiegelposition
a Spiegelabstand
Claims (11)
1. Verfahren zur hochauflösenden interferentiellen Messung des Abstandes zu
einem Spiegel, dessen Hub ein Maß für die den Hub auslösende Größe ist,
durch fotoelektrische Elemente, bestehend aus einem Lichtsender und Licht
empfänger, die ein Signal erzeugen, das in einer Signalverarbeitungselektronik
ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender in einem
Fotodiodenarray integriert ist und sich auf der Vorderseite einer transparenten
Platte vorzugsweise aus Glas befindet, wobei das von der Lichtquelle ausge
hende Licht der Wellenlänge λ von der teilweise verspiegelten Rückseite der
Glasplatte und dem Spiegel reflektierte Licht Interferenzen erzeugt werden,
deren von einem Fotodiodenarray aufgenommenen Hell-Dunkel-Perioden der
Periodenlänge λ/2 ein Maß für die sich veränderte Spiegelposition sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Strah
lungssensorarray, vorzugsweise ein Fotodiodenarray, mindestens eine Strah
lungsquelle in Form einer LED oder eines Diodenlasers integriert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei
Einsatz einer LED als Strahlungsquelle auf der Glasplatte mindestens ein Inter
ferenzschichtsystem befindet, das aus dem inkoherenten LED-Licht interferenz
fähiges Licht erzeugt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unter
teilung (Interpolation) einer Signalperiode zur Erreichung einer höheren Positi
onsauflösung und zur Erkennung der Richtung der Positionsänderung der
Spiegel eine Stufe enthält, damit ein zweites Signa erzeugt wird, dessen Phase
um ¼ Signalperiode also um 1/8 λ gegenüber dem ersten Signal versetzt ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur
absoluten Bestimmung der Spiegelposition Strahlung mit mindestens zwei
Wellenlängen benutzt wird, wobei durch die Phasendifferenz zwischen den
einzelnen so entstehenden Interferenzsignalen die Spiegelposition eindeutig
bestimmt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung
unterschiedlicher Wellenlänge vorzugsweise von mindestens einer in dem
Sensorarray integrierten LED mit Hilfe unterschiedlicher Interferenzfilter
abgeleitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das von
der Lichtquelle ausgehende Licht die Glasplatte passiert, die in einem Teilbe
reich voll transparent ist, dort reflektiert wird und im Sensorarray ein Referenz
signal erzeugt, welches zur Kompensation von Intensitätsschwankungen der
Strahlungsquelle dient.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung
bereits an einem voll verspiegelten Teilbereich der Glasplatte reflektiert wird
und dann in Analogie zum Anspruch 7 das Referenzsignal erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dadurch
gekennzeichnet, daß ein in das Sensorarray integrierte Strahlungsquellenchip
mit seiner Rückseite so weit in das Sensorchip abgesenkt ist, daß seine Vorder
seite nicht über die Oberfläche des Sensorchips hinausragt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das
Chip mit dem Sensorarray und der Strahlungsquelle zusätzliche Funktionsele
mente zur Signalverarbeitung enthält.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das
Sensorarray in Flip-Chip-Technik vorzugsweise weitere Signalverarbeitungs
funktionen enthaltende Chip auf der Glasplatte befestigt sind und sich alle
Versorgungs- und Signalleitungen sowie die Lötpads auf der Glasplatte befin
den.
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