DE69632097T2

DE69632097T2 - Duale,interferometrische messvorrichtung und verfahren

Info

Publication number: DE69632097T2
Application number: DE1996632097
Authority: DE
Inventors: Michael Alan Rochester Marcus; Stanley Rochester Gross; David Carter Rochester Wideman
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1995-03-22
Filing date: 1996-02-24
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2016-02-25
Also published as: EP0733877A2; EP0733877A3; DE69632097D1; CA2169506A1; EP0733877B1; JPH08271219A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Messen der physikalischen Eigenschaften eines Gegenstands durch berührungslose optische Interferometrie. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung physikalischer Eigenschaften, wie der Dicke, des Gruppenbrechungsindex und des Abstands zu einer Fläche.
In der Bahnenherstellung und Beschichtung besteht Bedarf nach einer Vorrichtung zur genauen Online-Messung von Bahn- und Beschichtungsschichtdicke. Eine derartige Vorrichtung sollte eine kurze Reaktionszeit und ein hohes Maß an lateraler Auflösung aufweisen; sie sollte zudem portabel, leicht, kompakt und einfach einzurichten sein. Zudem besteht Bedarf nach einer Vorrichtung, die sich in Umgebungen mit hohen und niedrigen Temperaturen, in Anwesenheit von Lösemitteln, bei hoher Luftströmung und unter verschieden starker Feuchtigkeit einfach installieren lässt. Zudem besteht Bedarf nach einer Vorrichtung, die selbstkalibrierend ist oder über längere Zeiträume kalibriert bleibt, so dass die Vorrichtung an einer Produktionsmaschine installiert werden kann, ohne neu kalibriert werden zu müssen.
Der vorliegenden Erfindung liegt der Bedarf nach einem verbesserten Verständnis für einen Fertigungsprozess und die Durchführung von Online-Bewertungen der Fertigungsprozessfähigkeit in kürzest möglicher Zeit zugrunde. Ein hohes Maß an Portabilität ist erforderlich, um kurze Wartezeiten während der Störungsbeseitigung aufgrund von Problemen bei der Produktionsqualität zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung betrifft das Messen der physikalischen Eigenschaften eines Gegenstands durch optische Interferometrie. Daher werden im Folgenden nicht kohärente und kohärente Lichtinterferometer kurz besprochen.
Die Kohärenzlänge einer Lichtquelle ist der Abstand, über den die Phasenbeziehungen eines aus der Lichtquelle abgestrahlten Lichtstrahls korreliert bleibt. Für eine kohärente Lichtquelle mit langer Kohärenzlänge, wie einem Helium-Neon-Laser, kann dieser Abstand viele Kilo meter betragen. Im Unterschied dazu beträgt dieser Abstand bei nicht kohärenten Breitband-Weißlichtquellen, wie Sonnenlicht, nur wenige Mikrometer (μm). Beispielsweise haben typische Breitband-Leuchtdioden (LED) Kohärenzlängen im der Größenordnung von 8–15 μm.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines dem Stand der Technik entsprechenden Wellenleiter-Ausführungsbeispiels eines nicht kohärenten Lichtinterferometers 10 in einer Michelson-Konfiguration. Das nicht kohärente Lichtinterferometer 10 umfasst eine nicht kohärente Lichtquelle 14, die ein nicht kohärentes Lichtsignal abstrahlt. Das nicht kohärente Lichtsignal aus der nicht kohärenten Lichtquelle 14 wird in einen Einmodenlichtleiter 16 eingespeist. Der Einmodenlichtleiter 16 umfasst einen Arm eines 2 × 2 Optokopplers 18, der als Teiler dient. Der Optokoppler 18 teilt das nicht kohärente Lichtsignal von der nicht kohärenten Lichtquelle 14, das über den Einmodenlichtleiter 16 wandert, in ein erstes und ein zweites Lichtsignal von im Wesentlichen gleicher Stärke, das über die Einmodenlichtleiter 20 bzw. 22 wandert. Das erste über die Einmodenlichtleiter 20 wandernde Lichtsignal fällt auf eine Anwendungs- und Sammeleinrichtung 24. Das erste Lichtsignal ist über die Anwendungs- und Sammeleinrichtung 24 mit einem Gegenstand 25 verbunden. Ein Teil des ersten Lichtsignals wird dann vom Gegenstand 25 durch die Anwendungs- und Sammeleinrichtung 24 zurück in den Einmodenlichtleiter 20 reflektiert. Das zweite, über den optische Einmodenlichtleiter 22 wandernde Lichtsignal, fällt auf eine Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26. Dieses zweite Lichtsignal wird durch die kollimierende Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26 gesammelt, und das kollimierte zweite Lichtsignal wird zu einem optischen Element 28 geführt, beispielsweise einen Retroreflektor, Spiegel oder einer Kombination aus beiden. Ein Teil des aus dem zweiten Lichtsignal stammenden kollimierten Lichts wird von dem optischen Element 28 zurück geworfen und von der Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26 in den Einmodenlichtleiter 22 eingespeist. Das optische Element 28 ist auf einer Betätigungseinrichtung 30 angeordnet, beispielsweise einer motorisierten Translationsbühne, einem Spindelmechanismus oder einem Schwingspulenstellglied (nachfolgend als Motor 30 bezeichnet), der eine genaue Bewegung des optischen Elements 28 in der durch den Pfeil A bezeichneten Richtung vorsieht. Die Drehzahl des Motors 30 wird genau gesteuert, so dass bei Vor- und Zurückfahren des optischen Elements 28 die Geschwindigkeit des optischen Elements 28 während der Zeitintervalle, zu denen die Messungen durchgeführt werden (also während eines Messzyklus) eine Konstante ist.
Während des Betriebs werden das erste und zweite Lichtsignal, die durch die Einmodenlichtleiter 20 bzw. 22 wandern, zum Optokoppler 18 zurückgeworfen, wo sie sich vereinigen und ein wiedervereintes Lichtsignal bilden, wobei ein Teil des wiedervereinten Lichtsignals von einem Einmodenlichtleiter 34 auf einen Fotodetektor 32 gerichtet wird. Der Fotodetektor 32 wird zur Messung der Stärke des wiedervereinten Lichtsignals als Funktion des Versatzes des optischen Elements 28 verwendet.
Das nicht kohärente Lichtinterferometer 10 umfasst vier Abzweigungen: eine Abzweigung für eine nicht kohärente Lichtquelle, eine Abzweigung für einen Gegenstand, eine Referenzabzweigung und eine Detektorabzweigung. Die Lichtquellenabzweigung umfasst den Strahlengang von der nicht kohärenten Lichtquelle 14 zum Optokoppler 18. Der gesamte Strahlengang vom Optokoppler 18 zum Gegenstand 25 und zurück zum Optokoppler 18 ist als die Strahlenganglänge der Gegenstandsabzweigung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 10 definiert. Des gleichen ist der gesamte Strahlengang vom Optokoppler 18 zum optischen Element 28 und zurück zum Optokoppler 18 als die Strahlenganglänge der Referenzabzweigung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 10 definiert. Der Strahlengang vom Optokoppler 18 zum Fotodetektor 32 ist als die Detektorabzweigung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 10 definiert. Die Gegenstandsabzweigung und die Referenzabzweigung werden als die Interferenzabzweigungen des nicht kohärenten Lichtinterferometers 10 bezeichnet.
Während des Betriebs des nicht kohärenten Lichtinterferometers 10 bewegt der Motor 30 das optische Element 28 von der Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26 weg und zu dieser hin. Während das optische Element 28 hin- und her bewegt wird, verändert sich die Strahlenganglänge der Referenzabzweigung. Durch diese Abtastung werden unterschiedliche Tiefen des Gegenstands 25 abgefragt, während das optische Element 28 in eine der beiden Richtungen verfährt.
Da die nicht kohärente Lichtquelle 14 eine kurze Kohärenzlänge hat, tritt eine konstruktive Interferenz in dem wiedervereinten Lichtsignal nur auf, wenn die Lichtsignale in der Gegenstandsabzweigung und in der Referenzabzweigung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 10 gegenseitig kohärent sind. Gegenseitige Kohärenz tritt auf, wenn die Gegenstandsabzweigung und die Referenzabzweigung nahezu gleiche Strahlenganglängen besitzen. Das konstruktive Interferenzsignal erreicht seine maximale Größe, wenn die Strahlengang längen der Gegenstandsabzweigung und der Referenzabzweigung gleich sind. Eine Reihe von Interferenzstreifen lässt sich beobachten, wenn das optische Element 28 durch den Bereich gegenseitiger Kohärenz abgetastet wird. Die Stärke dieser Interferenzstreifen wechselt von null bis zu einem Maximum über wenige Kohärenzlängen der Lichtquelle.
Damit eine konstruktive Interferenz auftritt, muss zudem ein Lichtsignal vom Gegenstand 25 reflektiert werden, das in den Einmodenlichtleiter 20 rückgekoppelt wird. Um ein reflektiertes Lichtsignal vom Gegenstand 25 bei einer gegebenen Abfragetiefe zu erzielen, muss eine optische Schnittstelle zwischen benachbarten optischen Medien des Gegenstands 25 mit verschiedenen Gruppenbrechungsindizes vorhanden sein. Dies kann beispielsweise an einer Lichtleiterverbinder-Luftschnittstelle der Fall sein, der Schnittstelle zwischen Luft und Vorderfläche des Gegenstands und der Schnittstelle zwischen Gegenstand und einer zweiten, zur Oberfläche benachbarten Medienschnittstelle. Konstruktive Interferenz tritt somit an Positionen des optischen Elements 28 auf, worin die Strahlenganglänge der Referenzabzweigung gleich der Strahlenganglänge der Gegenstandsabzweigung innerhalb weniger Kohärenzlängen für jede der optischen Medienschnittstellen des Gegenstands mit unterschiedlichem Gruppenbrechungsindex ist.
Wie in 1 gezeigt, ist das optische Element 28 zur genauen Bewegung durch den Motor 30 in einer durch den Pfeil A bezeichneten Richtung angeordnet. Zur Erzielung genauer Messungen arbeitet der Motor 30 mit konstanter Geschwindigkeit. Die Verwendung konstanter Geschwindigkeit ermöglicht die Berechnung des zurückgelegten Motorabstands durch Messung von Zeitintervallen. Konstante Geschwindigkeit wird üblicherweise mithilfe einer aktiven Regelkreisschleife erzielt, die für das optische Element 28 (und entsprechend für den Motor 30) eine Kurve der Geschwindigkeit zur Zeit erzeugt, wie in 2 gezeigt. Die Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen zu jedem Ende des Messzyklus sind Zonen mit variabler Geschwindigkeit, wo eine genaue Messung nicht möglich ist. Die Beschleunigungsphase tritt zwischen den Punkten a und b auf, die Phase konstanter Geschwindigkeit zwischen Punkten b und c, und die Verzögerungsphase zwischen Punkten c und d. In der Praxis ist es schwierig, die Geschwindigkeitsabweichungen zwischen den Punkten b und c auf das gewünschte Maß zu minimieren. Diese Schwierigkeit begrenzt die Genauigkeit des Instruments. Aufgrund möglicher Hysterese und Totgangansammlung werden Messungen normalerweise nur in einer Richtung durchgeführt. Ein typischer Messzyklus stellt sich folgender maßen dar. Eine Messung wird durchgeführt, wenn sich das optische Element 28 (wie in 1 gezeigt) während eines Teils der Konstantgeschwindigkeitsphase b zu c von links nach rechts bewegt. In der Praxis würde zudem eine Ausgangsreferenzposition e (wie in 2 gezeigt) gemessen, um sicherzustellen, dass die Konstantgeschwindigkeitsphase b zu c erreicht ist. 2 zeigt die Zeit, mit der der Motor die Ausgangsreferenzposition e, als Punkt e bezeichnet, passiert. Die Lage des Punktes e würde aufgrund der Hysterese und des Spiels des Motors 30 variieren. Der Messzyklus würde gestartet werden, wenn der Motor die Ausgangsreferenzposition e passiert, während er von links nach rechts verfährt.
3 zeigt ein Blockdiagramm eines typischen Michelson-Kohärenzlichtinterferometers 40. Das Interferometer 40 umfasst eine Kohärenzlichtquelle 42, wie beispielsweise einen Laser, der ein kollimiertes Kohärenzlichtsignal abstrahlt. Das von der Kohärenzlichtquelle 42 abgestrahlte Kohärenzlichtsignal wird am Punkt B der Teilereinrichtung 44, bei der es sich beispielsweise um einen Strahlenteiler handeln kann, in erste und zweite Lichtsignale von ungefähr gleicher Intensität geteilt. Das erste Lichtsignal fällt auf einen stationär angeordneten Retroreflektor 46. Das zweite Lichtsignal fällt auf ein optisches Element 48, etwa einen Retroreflektor 46 (nachfolgend als Retroreflektor 48 bezeichnet), der zur genauen Bewegung durch den Motor 30 in einer durch den Pfeil A bezeichneten Richtung angeordnet ist. Das erste und zweite Lichtsignal wird zurück zum Strahlenteiler 44 geworfen, wo sich beide Signale an Punkt C wieder vereinen und miteinander interferieren. Dieses wiedervereinte Interferenzsignal wird von einem Fotodetektor 50 gemessen.
Das kohärente Lichtinterferometer 40 umfasst vier Abzweigungen: eine Abzweigung für eine kohärente Lichtquelle, eine stationäre Abzweigung, eine Referenzabzweigung und eine Detektorabzweigung. Der gesamte Strahlengang von Punkt B des Strahlenteilers 44 zum Retroreflektor 46 und zurück zum Punkt C des Strahlenteilers 44 ist als die Strahlenganglänge der stationären Abzweigung des Kohärenzlichtinterferometers 40 definiert. In gleicher Weise ist der gesamte Strahlengang von Punkt B des Strahlenteilers 44 zum Retroreflektor 48 und zurück zum Punkt C des Strahlenteilers 44 als die Strahlenganglänge der Referenzabzweigung des Kohärenzlichtinterferometers 40 definiert. Die Kohärenzlichtquellenabzweigung und die Detektorabzweigung des Kohärenzlichtinterferometers folgen den Definitionen der Lichtquellenabzweigung bzw. der Detektorabzweigung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 10.
Da die Kohärenzlichtquelle 42 eine große Kohärenzlänge aufweist, brauchen die stationäre Abzweigung und die Referenzabzweigung des Kohärenzlichtinterferometers 40 nicht die gleichen Strahlenganglängen aufzuweisen, um am Fotodetektor 50 ein Interferenzsignal erkennen zu können. Da dies der Fall ist, werden die Interferenzstreifen gleicher Amplitude über den gesamten Bewegungsbereich des Retroreflektors 48 beobachtet.
Die in 3 gezeigte Konfiguration ist für ein nicht kohärentes Volumen-Lichtinterferometer verwendbar, indem man die kohärente Lichtquelle gegen eine nicht kohärente Lichtquelle auswechselt, wodurch die Strahlenganglängen der stationären Abzweigung und der Referenzabzweigung auf wenige Kohärenzlängen der nicht kohärenten Lichtquelle entsprechen. Wenn der stationäre Retroreflektor, also der Retroreflektor 46 aus 3, durch den Gegenstand 25 ersetzt wird (wie in 1 gezeigt, und wenn die Strahlenganglängen der stationären Abzweigung und der Referenzabzweigung nahezu gleich sind, wird die Konfiguration funktional äquivalent zur Lichtleiterimplementierung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 10, wie in 1 gezeigt.
Nicht kohärente Lichtinterferometer 10 erzeugen ein optisches Streifenmuster, das zur Bestimmung einer vorbestimmten physikalischen Eigenschaft, wie beispielsweise der Dicke einer sich bewegenden Bahn, nutzbar ist. Beispielsweise betrifft US-A-3,319,515 die Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Stoffes auf Basis der interferometrischen, optischen Phasendiskriminierung. Wie in US-A-4,958,930 beschrieben, sieht das Messsystem jedoch keinen Mechanismus vor, so dass kleine Abweichungen (im Bereich von weniger als 1 Prozent) der Dicke der sich bewegenden Bahnen und Beschichtungen genau online messbar sind, d. h. ohne die Bahn oder die beschichtete Schicht aus der Fertigungslinie zu entnehmen. Die in US-A-3,319,515 beschriebene Vorrichtung ist zudem sperrig, schwer einzurichten und lässt sich in vielen räumlich beengten Prozessumgebungen nicht nutzen.
Der in US-A-3,319,515 beschriebene Messansatz wird als "Optical Coherence-Domain Reflectometry" (optische Kohärenz-Domänen-Reflektrometrie/OCDR) bezeichnet, wie in folgenden Beiträgen besprochen: (1) "Optical Coherence-Domain Reflectometry: a New Optical Evaluation Technique", von Robert C. Youngquist, Sally Carr und D. E. N. Davies, Optics Letters, Band 12, Nr. 3, März 1987, Seite 158–160; (2) "Guided-wave Reflectometry with Micrometer Resolution", von B. L. Danielson und C. D. Whittenberg, Applied Optics, Band 26, Nr. 14, Juli 15, 1987, Seite 2836–2842; (3) "Polarization-Independent Interferometric Optical-Time Domain Reflectometer", von Masaru Kobayashi, Hiroaki Hanafusa, Kazumasa Takada und Juichi Noda, Journal of Lightwave Technology, Band 9, Nr. 5, Mai 1991, Seite 623–628; (4) "Design of a Precision Optical Low-Coherence Reflectometer", von D. H. Booster, H. Chou, M. G. Hart, S. J. Mifsud und R. F. Rawson, Hewlett-Packard Journal, Band 44, Nr. 1, Februar 1993, Seite 39–43; und (5) "High-Resolution and High-Sensitivity Optical Reflection Measurements Using White-Light Interferometry", von H. Chou und W. V. Sorin, Hewlett-Packard Journal, Band 44, Nr. 1, Februar 1993, Seite 52–59. US-A-5,202,745 beschreibt ebenfalls ein Messsystem auf Grundlage der OCDR-Technik. Jeder Beitrag beschreibt einen Referenzspiegel in einem Arm eines Michelson-Interferometers, der mit konstanter Geschwindigkeit während der Messung abgetastet wird. Es wird von einer Messauflösung im Bereich weniger Mikrometer berichtet. Die von dieser Geräteklasse letztlich erzielbare Messgenauigkeit hängt davon ab, wie genau Geschwindigkeitsvariationen minimierbar sind, während sich die Strahlenganglänge des Referenzarms des Interferometers ändert. Die Messgenauigkeit hängt auch von den zur Verarbeitung der Daten des Fotodetektors 32 verwendeten Verfahren ab.
EP-A-0,137,946 and US-A-4,596,466 beschreiben Einrichtungen, um einen einfallenden Lichtstrahl aus einer Quelle auf ein erstes oder zweites Interferometer zu richten.
Für die Fernmessung einer Lichtmengen- oder einer Verschiebungsgröße wird der Einsatz einer Lichtleiter-Signalübertragung zwischen zwei oder mehr Interferometern beschrieben. Ein Interferometer dient als optischer Wandler, während das andere Interferometer als Empfänger der Informationen über die zu messende Größe dient. Ein großer Vorteil der Anordnung besteht darin, dass diese mit schwachem, räumlich inkohärentem, breitbandigem Licht arbeitet. Die zu messende Größe wird durch die Strahlengangdifferenz von zwei Teillichtstrahlen dargestellt, die durch die Arme eines Interferometers treten, wodurch die Informationen über die Strahlengangdifferenz auf den Lichtstrom kodiert werden, der aus der Wiedervereinigung der beiden Teillichtstrahlen stammt. Das sendende Interferometer ist über einen Lichtleiter mit einem empfangenden Interferometer verbunden, wo die Informationen wiederhergestellt werden, indem das Autokorrelationssignal des übertragenen Lichts ausgewertet wird. Die Verwendung eines Lichtleiters zur Verbindung von zwei Interferometern ist ein weiteres wichtiges Merkmal, das lange Abstände zwischen den Interferometern erlaubt, so dass die Messung einer Größe möglich ist, die relativ weit von dem gewünschten Auswertungspunkt entfernt ist.
Die zuvor genannten Referenzen haben in ihren jeweiligen Anwendungen einen gewissen Erfolg erzielen können. Es besteht jedoch weiter der Bedarf nach einer hochgenauen, kompakten, portablen und robusten Vorrichtung zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften eines Gegenstands, beispielsweise sich mit hoher Geschwindigkeit bewegender Bahnen und/oder Beschichtungen. Insbesondere besteht Bedarf nach einer Online-Vorrichtung, die die Dicke flüssiger Schichten und Bahnmaterialien mit hoher Geschwindigkeit zu messen vermag.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Konstantgeschwindigkeitssteuerung in einer auf nicht kohärenter Lichtinterferometrie basierenden Vorrichtung verzichtbar zu machen.
Der vorliegenden Erfindung liegt zudem die Aufgabe zugrunde, eine Ausgangs-Motorreferenzposition in einer derartigen Vorrichtung verzichtbar zu machen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messung in zwei Richtungen vornehmen zu können.
Der vorliegenden Erfindung liegt zudem die Aufgabe zugrunde, auf die Kalibrierung einer derartigen Vorrichtung verzichten zu können, während diese in einem Fertigungsstandort über längere Zeiträume installiert ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt zudem die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der physikalischen Eigenschaften eines Gegenstands bereitzustellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt zudem die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Dicke eines Gegenstands bereitzustellen, beispielsweise der Dicke einer flüssigen Schicht, einer frei fallenden flüssigen Schicht, einer flüssigen Schicht, die eine stationäre, schiefe Ebene herunter läuft, oder einer flüssigen Schicht, die auf einen sich bewegenden Träger aufgebracht wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt zudem die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Gleichmäßigkeit der Dicke stationärer und sich bewegender Bahnen sowie stationärer und sich bewegender Bogenmaterialien während der Fertigung zu messen.
Der vorliegenden Erfindung liegt zudem die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Dicke beschichteter Schichten auf einem stationären oder sich bewegenden Substrat zu messen.
Der vorliegenden Erfindung liegt zudem die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum simultanen Messen der flüssigen Dicke und eines Gruppenbrechungsindex einer Flüssigkeit zu messen.
Der vorliegenden Erfindung liegt zudem die Aufgabe zugrunde, den Abstand einer Sondenreferenzfläche zu einer Oberfläche eines Gegenstands genau zu messen.
Der vorliegenden Erfindung liegt zudem die Aufgabe zugrunde, Oberflächenprofile über langgestreckte Bereiche von Gegenständen genau zu messen.
Diese Aufgaben werden anhand von Beispielen dargestellt; darüber hinaus werden Fachleute weitere wünschenswerte Aufgaben und Vorteile, die mit der beschriebenen Erfindung inhärent lösbar sind, erkennen. Umfang und Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung sind in den anliegenden Ansprüchen dargelegt.
Die Erfindung beruht auf der Technik der doppelten optischen Interferometrie. Die Erfindung betrifft eine robuste, genaue, berührungslose Vorrichtung, beispielsweise zur Online-Messung der Dicke von Bahnen und Beschichtungen. Die Vorrichtung ist äußerst portabel, leicht, kompakt und einfach einzurichten. Zudem hat die Vorrichtung eine kurze Reaktionszeit und eine hohe seitliche Auflösung. Zudem besteht Bedarf nach einer Vorrichtung, die sich in Umgebungen mit hohen und niedrigen Temperaturen, in Anwesenheit von Lösemitteln, bei hoher Luftströmung und unter verschieden starker Feuchtigkeit einfach installieren lässt. Die Vorrichtung ermöglicht die Online-Bewertung der Fertigungsprozessfähigkeit in kürzester Zeit durch ein verbessertes Verständnis des Herstellungsprozesses. In der Praxis lässt sich die Vorrichtung innerhalb weniger Minuten an einem Fertigungsstandort einrichten, nachdem an der gewählten Maschinenposition Halterungen für optische Sonden installiert worden sind. Sobald die Vorrichtung einwandfrei in einer Prozessumgebung eingerichtet und ausgerichtet ist, ist sie in der Lage, genaue Messungen über längere Zeiträume durchzuführen, ohne dass sie erneut eingestellt werden muss. Die Vorrichtung ist selbstkalibrierend. Die Kalibrierung beruht auf der Stabilität der Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle. Die hohe Portabilität der Vorrichtung ermöglicht eine schnelle Durchführung von Maßnahmen zur Lösung von Problemen mit der Produktionsqualität.
Es lassen sich gleichzeitig Messungen der Dicke, des Gruppenbrechungsindex und der Distanz zu einer Referenzfläche vornehmen. Dickenmessungen können von flüssigen Schichten aus halbtransparenten und lichtempfindlichen Flüssigkeiten in Echtzeit ohne Beeinträchtigung des Fertigungsprozesses vorgenommen werden. Die Flüssigkeit kann stationär sein oder sich bewegen, beispielsweise kann es eine frei strömende Flüssigkeit sein, die über eine horizontale Ebene, über eine gekrümmte Fläche oder eine schiefe Ebene herunter läuft.
Dickenmessungen lasse sich an stationären oder beweglichen Materialien vornehmen (wie Bogen- oder Bahnmaterialien), die bei der Wellenlänge einer nicht kohärenten Lichtquelle halbtransparent sind. Weitere Dickenmessungen können an flüssigen Schichten erfolgen, die auf ein Substrat aufgetragen sind. Dickenmessungen jeder Schicht lassen sich gleichzeitig an Bahnen oder beschichteten Bahnen vornehmen, die aus mehreren Schichten zusammengesetzt sind.
Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines dem Stand der Technik entsprechenden Wellenleiter-Ausführungsbeispiels eines nicht kohärenten Lichtinterferometers.
2 eine Geschwindigkeits-/Zeit-Kurve für ein in 1 dargestelltes optisches Element.
3 ein Blockdiagramm eines Kohärenzlicht-Volumeninterferometers nach dem Stand der Technik.
4 ein Diagramm eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen doppelten Interferometervorrichtung.
5 ein Diagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen doppelten Interferometervorrichtung.
6 ein Diagramm eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen doppelten Interferometervorrichtung.
7 ein Diagramm eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen doppelten Interferometervorrichtung.
8 eine Kurve eines normalisierten kohärenten Lichtsignals als Funktion einer optischen Verzögerung.
9 wechselstromgekoppelte Signale von 8 zusammen mit Trigger-Impulsen für die Datenerfassung, die aus den wechselstromgekoppelten Signalen abgeleitet sind.
10 ein Beispiel eines nicht kohärenten Lichtinterferogramms.
11 ein weiteres Beispiel eines nicht kohärenten Lichtinterferogramms.
12 ein Beispiel eines verrauschten Interferogramms einer optischen Schnittstelle.
13 die resultierende Gaußsche Hülle, abgeleitet aus dem verrauschten Interferogramm aus 12 nach Signalverarbeitung.
14 eine vollständige Datenabtastung für den Strahlengang eines 60 μm dicken Gegenstands.
15 die entsprechende Gaußsche Hüllenberechnung anhand der aus 14 erhaltenen Daten.
16 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vollständigen, erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
17 Daten der wiederholten Abtastung eines Glasplattengegenstands.
18 eine Anordnung einer optischen Sonde zur Verwendung als Index einer Brechungsmessung.
19 die entsprechende Betriebsart für die in 18 dargestellte Anordnung.
20 eine Abwandlung der erfindungsgemäßen, doppelten Interferometervorrichtung, die als optische Autokorrelationsvorrichtung bezeichnet wird.
21 die Betriebsart für die in 20 gezeigte Ausführung.
22 ein mit der in 20 gezeigten optischen Autokorrelationsvorrichtung erzeugtes Interferogramm.
23 Daten einer wiederholten Abtastung, die mit der in 20 gezeigten optischen Autokorrelationsvorrichtung erzeugt worden sind.
24 ein Ablaufdiagramm, das eine Übersicht zu einem ersten Ansatz zur Erzeugung wiederholter Messdaten zeigt.
25 eine detaillierte Darstellung eines in 24 gezeigten Schritts.
26 ein Ablaufdiagramm, das eine Übersicht zu einem zweiten Ansatz zur Erzeugung wiederholter Messdaten zeigt.
27 eine Messgeometrie für eine Flüssigkeit, die eine stationäre, schiefe Ebene herunter läuft.
28 die Messgeometrie zum Messen der Dicke einer Flüssigkeit auf einer Ebene.
29 simulierte Datenkurven mit und ohne Flüssigkeit auf einer Ebene.
30 die Messgeometrie zum Messen der Dicke einer sich bewegenden Bahn.
31 die Messgeometrie zum Messen der breitenweisen Dickenprofile einer sich bewegenden Bahn.
32 die Dicke : Strömungsrate für Glycerin-/Wasser-Mischungen.
33 den Abstand zu einer geneigten Ebene als eine Funktion der relativen seitlichen Position.
34 eine Multiplex-Messvorrichtung einer doppelten Interferometervorrichtung.
Die folgende detaillierte Beschreibung bezieht sich auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei Bezug auf die Zeichnungen genommen wird, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche Elemente der Struktur in jeder der Fig. bezeichnen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die ein in Verbindung miteinander stehendes nicht kohärentes Lichtinterfereometer und ein kohärentes Lichtinterferometer umfasst, die sich ein gemeinsames, variables Strahlengang-Verzögerungselement teilen. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Messung der physikalischen Eigenschaften eines Gegenstands.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, worin ein doppeltes Interferometer 52 ein nicht kohärentes Lichtinterferometer 53 und ein kohärentes Lichtinterferometer 55 umfasst. Das kohärente Lichtinterferometer 55 beinhaltet eine kohärente Lichtquelle 42, die vorzugsweise ein HeNe-Laser ist, oder eine andere Lichtquelle mit einer großen Kohärenzlänge. (Nachfolgend wird die kohärente Lichtquelle 42 als Laser 42 bezeichnet und das kohärente Lichtinterferometer 55 als Laser-Interferometer 55.) Das Laser-Interferometer 55 umfasst zudem einen Strahlenteiler 44, einen Retroreflektor 46, einen Retroreflektor 48 und einen Fotodetektor 50. Das nicht kohärente Lichtinterferometer 53 beinhaltet eine nicht kohärente Lichtquelle 14, einen Lichtleiter 16, einen Optokoppler 18, Lichtleiter 20, 22, eine Anwendungs- und Sammeleinrichtung 24, eine Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26, einen Fotodetektor 32 und einen Lichtleiter 34.
In dem doppelten Interferometer 52 teilen sich die beiden Interferometer 53, 55 ein gemeinsames, variables Strahlengang-Verzögerungselement 54 in ihren jeweiligen Referenzabzweigungen. Das gemeinsame, variable Strahlengang-Verzögerungselement 54 umfasst einen Retroreflektor 48 und ein optisches Element, wie einen Spiegel 56, der auf einem Teil des Retroreflektors 48 angeordnet ist. Der Motor 30 dient dazu, die Strahlenganglänge des variablen Strahlengang-Verzögerungselements 54 zu verändern. Die Bewegung des Motors 30 lässt sich durch einen elektrodynamischen Motor erzeugen, der eine Schwingspulen- und Magnetstruktur aufweist, ähnlich derjenigen in konventionellen Konuslautsprechern, sowie eine entsprechend nachgiebige Aufhängung, die für Spiegel und Spule vorgesehen ist. Der Retroreflektor 48 und der Spiegel 56 sind unter Steuerung des Motors 30 gemeinsam zur genauen Bewegung in einer durch Pfeil A bezeichneten Richtung angeordnet. Da der Spiegel 56 auf einem Teil des Retroreflektors 48 fest montiert ist, bewegen sich beide um dieselbe Distanz, wenn das variable Strahlengang-Verzögerungselement 54 bewegt wird. Die Strahlengangverzögerungen des Laser-Interferometers 55 und des nicht kohärenten Lichtinterferometers 55 ändern sich daher gleichzeitig um dieselbe Größe, wenn das variable Strahlengang-Verzögerungselement 54 (wobei der Spiegel 56 auf dem Retroreflektor 48 angeordnet ist) in die durch den Pfeil A bezeichnete Richtung bewegt wird, wie in 4 gezeigt.
Das doppelte Interferometer 52 aus 4 wird nachfolgend als Standardvorrichtung 52 bezeichnet. In der Standardvorrichtung 52 ist das Laser-Interferometer 55 zur Verwendung mit dem nicht kohärenten Lichtinterferometer 53 integriert. Das Laser-Interferometer 55 hat den Zweck, die Distanz, um die sich das variable Strahlengang-Verzögerungselement 54 bewegt, genau zu messen, und an konstanten Distanzintervallen Datenerfassungs-Triggersignale zu erzeugen, um die erfasste Signalamplitude von dem nicht kohärenten Lichtinterferometer 53 zu bestimmten konstanten Distanzintervallen abzutasten. Die nicht kohärente Lichtsignalamplitude wird bei konstanten Distanzintervallen abgetastet und dann durch einen Computer analysiert. Durch aktive Messung der Position des variablen Strahlengang-Verzögerungselements 54 unter Verwendung des Laser-Interferometers 55 braucht die Geschwin digkeit des Motors (und somit das variable Strahlengang-Verzögerungselement 54) nicht genau gesteuert zu werden. Die Kenntnis der Motorgeschwindigkeit ist also für den Betrieb der vorliegenden Erfindung nicht wichtig. Zur Ansteuerung des Motors 30 ist ein konventionelles Motortreibersignal (wie eine Sinuswelle, eine Sägezahn- oder eine andere Wellenform) verwendbar.
Die Standardvorrichtung 52 dient zur Ermittlung der physikalischen Eigenschaften des Gegenstands 25. In der Standardvorrichtung 52 strahlt der Laser 42 ein kollimiertes, kohärentes Lichtsignal aus, das von dem Strahlenteiler 44 in erste und zweite Lichtsignale von ungefähr gleicher Intensität geteilt wird. Das erste Lichtsignal fällt auf einen stationär angeordneten Retroreflektor 46. Das zweite Lichtsignal fällt auf den Retroreflektor 48 des variablen Strahlengang-Verzögerungselements 54. Das erste und zweite Lichtsignal werden zurück zum Strahlenteiler 44 geworfen, wo sich beide wieder vereinen und miteinander interferieren. Diese Interferenz wird vom Fotodetektor 50 erfasst. Der retroreflektierte Teil des ersten Lichtsignals wird als Referenzsignal bezeichnet. Der retroreflektierte Teil des zweiten Lichtsignals wird als erstes Verzögerungssignal bezeichnet.
Die nicht kohärente Lichtquelle 14 strahlt ein nicht kohärentes Lichtsignal ab, das in den Einmodenlichtleiter 16 eingespeist wird, der einen Arm des Optokopplers 18 umfasst. Die nicht kohärente Lichtquelle 14 kann eine Leuchtdiode (LED), eine Breitband-Wolframhalogenlampe, eine Infrarotglühleiste oder eine andere, nicht monochromatische Lichtquelle sein. Vorzugsweise ist die Lichtquelle 14 eine LED, so dass die nicht kohärente Lichtquelle 14 nachfolgend als LED 14 bezeichnet wird. Wie Fachleuten bekannt ist, lässt sich eine LED an einen Einmodenlichtleiter entweder durch einen LED-Leiteranschluss (Pigtail) oder durch eine (nicht gezeigte) Linsen-Anschlussvorrichtung koppeln. Der Optokoppler 18 teilt das nicht kohärente Lichtsignal aus der LED 14, das über den Einmodenlichtleiter 16 wandert, im Wesentlichen in dritte und vierte Lichtsignale, die über die Einmodenlichtleiter 20 bzw. 22 wandern. Das dritte, über den Einmodenlichtleiter 20 wandernde Lichtsignal fällt auf eine Anwendungs- und Sammeleinrichtung 24. Die Anwendungs- und Sammeleinrichtung 24 kann entweder ein Lichtleiterverbinder oder eine Verbinder-Linsen-Baugruppe sein. Das dritte Lichtsignal wird von der Anwendungs- und Sammeleinrichtung 24 zum Gegenstand 25 gerichtet. Ein Teil des dritten Lichtsignals wird vom Gegenstand 25 zurück auf die Anwendungs- und Sammeleinrichtung 24 geworfen und in den Einmodenlichtleiter 20 eingekoppelt.
Dieses Signal wird als Gegenstandssignal bezeichnet. Das vierte, über den Einmodenlichtleiter 22 wandernde Lichtsignal, fällt auf eine kollimierende Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26, die das vierte Lichtsignal kollimiert. Die kollimierende Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26 kann entweder ein Lichtleiterverbinder oder eine Verbinder-Linsen-Baugruppe sein. Die kollimierende Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26 legt das vierte Lichtsignal an den auf dem Retroreflektor 48 angeordneten Spiegel 56 des gemeinsamen variablen Strahlengang-Verzögerungselements 54 an. Ein Teil des vierten Lichtsignals wird vom Spiegel 56 zurück auf die kollimierende Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26 geworfen und in den Einmodenlichtleiter 22 eingekoppelt. Dieses Signal wird als zweites Verzögerungssignal bezeichnet.
In Betrieb werden das dritte und vierte Lichtsignal, die über die Einmodenlichtleiter 20 bzw. 22 wandern, zurück zum Optokoppler 18 geworfen (als Gegenstandssignal bzw. als zweites Verzögerungssignal), wo sie sich wiedervereinen und miteinander inferferieren. Ein Teil des wiedervereinten Gegenstandssignals und des zweiten Verzögerungssignals werden von dem Einmodenlichtleiter 34 in den Fotodetektor 32 gerichtet. Wie Fachleuten bekannt ist, lässt sich die Kupplung von Lichtleiter zu Fotodetektor entweder durch einen Leiteranschluss (Pigtail) oder durch eine (nicht gezeigte) Linsen-Anschlussvorrichtung koppeln. Das auf den Fotodetektor 32 gerichtete Lichtsignal wird als Detektorsignal J des nicht kohärenten Lichtinterferometers bezeichnet.
Das nicht kohärente Lichtinterferometer 53 der Standardvorrichtung 52 umfasst vier Abzweigungen: eine Abzweigung für eine nicht kohärente Lichtquelle, eine Abzweigung für einen Gegenstand, eine Referenzabzweigung und eine Detektorabzweigung. Diese Abzweigungen wurden bereits im Zusammenhang mit der Erörterung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 10 zuvor definiert. Damit am Fotodetektor 32 eine konstruktive Interferenz auftreten kann, müssen die Strahlenganglängen der Gegenstandsabzweigung und der Referenzabzweigung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 53 innerhalb weniger Kohärenzlängen der LED 14 gleich sein.
Wie zuvor beschrieben, arbeiten in der Standardvorrichtung 52 das kohärente Lichtinterferometer 55 und das nicht kohärente Lichtinterferometer 53 zusammen, indem sie sich ein gemeinsames variables Strahlengang-Verzögerungselement 54 teilen. Wenn der Motor 30 den Retroreflektor 48 und den Spiegel 56 in der durch den Pfeil A bezeichneten Richtung bewegt, variieren die Strahlenganglängen der entsprechenden Referenzabzweigung der Interferometer 53 und 55 um dieselbe Größenordnung. Wie in 4 gezeigt, ist die Verschiebung (oder Oszillation) des variablen Strahlengang-Verzögerungselements 54 linear. Die Beaufschlagung des Retroreflektors 48 und des Spiegels 56 mit dem zweiten bzw. mit dem vierten Lichtsignal erzeugt ein erstes bzw. zweites Verzögerungssignal. Die ersten und zweiten Verzögerungssignale werden von dem Strahlenteiler 44 bzw. der Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26 kollimiert. Der Strahlenteiler 44 vereint das erste Verzögerungssignal und das Referenzsignal, um ein kohärentes Lichtinterferenzsignal zu erzeugen. Während des Betriebs hängt die Distanz, über die das gemeinsame, bewegliche variable Strahlengang-Verzögerungselement 54 verfährt, von der Anwendung und Charakteristik des Gegenstands 25 ab; allerdings muss diese Distanz ausreichen, um die physikalische Eigenschaft des Gegenstands 25 zu bestimmen.
Der Gegenstand 25 kann flüssig oder fest sein und sich aus einer oder aus mehreren Schichten zusammensetzen. Die für die Messung geeigneten Gegenstände haben mindestens eine Oberfläche, die sich senkrecht zur Richtung der Fortpflanzung des Lichtsignals ausrichten lässt, das auf den Gegenstand fällt. Gegenstände, die in Dickenmessungen verwendet werden, haben vorzugsweise eine optische Dichte von kleiner als 4.0 (und vorzugsweise von kleiner als 2.0) in der mittleren Wellenlänge einer nicht kohärenten Lichtquelle und nahezu parallele (vorzugsweise innerhalb weniger Grad) optische Schnittstellen zwischen den Schichten. Zum besseren Verständnis sei davon ausgegangen, dass der Gegenstand 25 eine feste oder flüssige Masse aus einer einzelnen Schicht ist. Der Gegenstand 25 hat demnach zwei Oberflächen: eine erste (oder vordere) Oberfläche und eine zweite (oder hintere) Oberfläche.
5, 6 und 7 zeigen mehrere alternative Konfigurationen der Standardvorrichtung 52. 5 zeigt eine Standardvorrichtung 52' mit einem alternativen, gemeinsamen, variablen Strahlengang-Verzögerungselement 54'. Das gemeinsame, variable Strahlengang-Verzögerungselement 54' umfasst einen Spiegel 56', der sich aus dem Retroreflektor 48 derart erstreckt, dass die kollimierende Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26 nicht entlang der Achse angeordnet ist, die von dem Retroreflektor 48 und dem Strahlenteiler 44 gebildet wird. Der Retroreflektor 48 und der Spiegel 56' müssen derart angeordnet sein, dass sie von dem Motor 30 in Zusammenklang bewegt werden. Diese alternative Positionierung des Spiegels 56' ermöglicht eine optionale Anordnung der Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26 und somit eine problemlose Einrichtung.
6 zeigt eine Standardvorrichtung 52'' mit einem alternativen, gemeinsamen variablen Strahlengang-Verzögerungselement 54''. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das gemeinsame, variable Strahlengang-Verzögerungselement 54'' den Retroreflektor 48, einen Spiegel 56'' und Befestigungseinrichtungen 58. Der Retroreflektor 48 variiert die Strahlenganglänge des Laser-Interferometers 55, während der Spiegel 56'' die Strahlenganglänge des nicht kohärenten Lichtinterferometers 53 verändert. Der Retroreflektor 48 und der Spiegel 56'' sind mithilfe von Befestigungseinrichtungen 58 gegenüber angeordnet. Wenn bei diesem Ausführungsbeispiel die Strahlenganglänge der Referenzabzweigung des Laser-Interferometers 55 vergrößert wird, verkleinert sich die Referenzabzweigung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 53 um denselben Betrag. Wenn dagegen die Strahlenganglänge der Referenzabzweigung des Laser-Interferometers 55 verkleinert wird, vergrößert sich die Referenzabzweigung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 53 um denselben Betrag.
7 zeigt eine Standardvorrichtung 52''' mit einem alternativen, gemeinsamen variablen Strahlengang-Verzögerungselement 54'''. In diesem Ausführungsbeispiel ist das vierte Lichtsignal über den Lichtleiter 22 mit der kollimierenden Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26 gekoppelt, so dass dieses auf den Retroreflektor 48 fällt und von einem Spiegel 56''' zum Retroreflektor 48 zurückgeworfen wird. Der Spiegel 56''' ist auf einem Abschnitt des Retroreflektors 48 derart angeordnet, dass die Reflexionsfläche des Spiegels 56''' zum Retroreflektor 48 gewandt ist. Dieses Ausführungsbeispiel sieht eine weitere Befestigungsoption für die kollimierende Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26 vor. Fachleute werden selbstverständlich wissen, dass weitere alternative Anordnungen für den Retroreflektor 48 und den Spiegel 56 möglich sind.
Messprinzip
Während des Betriebs wird die zyklische Eigenschaft des kohärenten Lichtinterferenzsignals aus dem kohärenten Lichtinterferometer 55 genutzt, um Datenerfassungs-Triggersignale zu erzeugen, um das nicht kohärente Lichtinterferenzsignal aus dem nicht kohärenten Lichtinterferometer 53 bei konstanten Distanzintervallen abzutasten. Das von dem Fotodetektor 50 erfasste kohärente Lichtinterferenzsignal ist durch folgende Beziehung gegeben:
wobei
x für die Position des Retroreflektors 48 in Bezug zu einer Referenzposition x₀ steht;
I(x) für das Fotodetektorsignal an Position x steht;
I_S für die Signalstärke der stationären Abzweigung des kohärenten Lichtinterferometers 55 steht;
I_R für die Signalstärke der Referenzabzweigung des kohärenten Lichtinterferometers 55 steht; und
λ_C für die Wellenlänge des Lasers 42 steht.
8 zeigt eine Kurve des normalisierten Fotodetektorsignals I(x) als eine Funktion von x, der Position des Retroreflektors 48 in Bezug zu einer Referenzposition x₀, für einen HeNe-Einmodenlaser mit einer Wellenlänge von 632,991 nm.
Das Fotodetektorsignal I ist mit der Verarbeitungselektronik wechselstromgekoppelt, welche bei jedem Nulldurchgang abfallende Datenerfassungs-Triggerimpulse erzeugt, oder an einigen (also eins oder größer) anderen reproduzierbaren Stellen in jedem Zyklus des laserinterferometrisch, wechselstromgekoppelten Signals. Diese Datenerfassungs-Triggerimpulse werden benutzt, um das Detektorsignal J des nicht kohärenten Lichtinterferometers bei konstanten Distanzintervallen abzutasten. Wenn sämtliche Datenerfassungs-Triggerimpulse verwendet werden, ist das Abtastdistanzintervall λ_C/4. Wenn kleinere Abtastintervalle erwünscht sind, könnte der Fotodetektor 50 in zwei (nicht gezeigte) Detektoren unterteilt werden, wobei in jeden der Strahlengänge eine Phasenverzögerung von 90° eingebracht wird. Dann würden die Signale von den beiden Detektoren an eine Weiterverarbeitungselektronik übergeben, die der zuvor beschriebenen ähnlich ist. Wenn die beiden Signale über ein Oder-Gatter verbunden werden, würden die Datenerfassungs-Triggerimpulse bei einem Abtastintervall von λ_C/8 zur Verfügung stehen. Alternativ hierzu könnte ein "Teile-durch-n"-Schaltkreis einbezogen werden, um die Anzahl der Datenerfassungs-Triggerimpulse auf ein Vielfaches von nλ_C/4 zu reduzieren, wobei n eine kleine ganze Zahl ist.
9 zeigt ein Beispiel eines wechselstromgekoppelten Signals, bei dem Datenerfassungs-Triggerimpulse mit jedem Nulldurchgang erzeugt werden. Ein Komparator mit Hysterese ist verwendbar, um Datenerfassungs-Triggerimpulse an anderen Punkten als den Nulldurchgängen zu jedem Zyklus des kohärenten Lichtsignals zu erzeugen.
Eine Besprechung der Interferenz des teilkohärenten Lichts findet sich in B. E. A. Saleh und M. C. Teich, Fundamentals of Photonics, John Wiley & Sons, Inc., New York, USA, 1991, Seite 360–366. Die LED 14 des nicht kohärenten Lichtinterferometers 53 wird von der genannten Quelle als teilkohärente Lichtquelle betrachtet. Wenn zwei teilkohärente Lichtstrahlen interferieren, ist das vom Fotodetektor 32 erfasste Detektorsignal J des nicht kohärenten Lichtinterferometers durch folgende Beziehung gegeben:
wobei
x für die Position des Retroreflektors 48 in Bezug zu einer Referenzposition x₀ steht;
J(x) für das nicht kohärente Lichtinterferometer-Detektorsignal als Funktion der Position x steht;
J₀ für die Signalstärke der Gegenstandsabzweigung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 53 steht;
J_R für die Signalstärke der Referenzabzweigung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 53 steht;
g_sr(x) eine normalisierte, gegenseitige Kohärenzfunktion ist; und
φ(x) die Phasendifferenz zwischen den beiden Lichtsignalstärken ist, also J₀ und J_R.
Für LED-Lichtquellen ist die Kohärenzfunktion g_sr(x) eine Gaußsche Funktion von x. Die Position der gegenseitigen Kohärenz für jede Schnittstelle ist als die Lage des zentralen Maximums des nicht kohärenten Lichtinterferenzsignals definiert. In dem Fall, wenn das Lichtsignal aus der Gegenstandsabzweigung und der Referenzabzweigung an Position x_p gegenseitig kohärent sind, lässt sich der dritte Term von Gleichung 2 (als Interferenzsignal bezeichnet) folgendermaßen schreiben:
wobei
S(x) für das Interferenzsignal von Gleichung 2 steht;
J_S für die am Fotodetektor 32 erfasste maximale Signalstärke des nicht kohärenten Lichtinterferometers 53 steht;
k für eine Konstante steht, die sich auf die Kohärenzlänge der Quelle bezieht;
x_p für eine Position steht, an der die maximale konstruktive Interferenz auftritt, und die als eine Lage des Retroreflektors 48 definiert ist, die einer optischen Schnittstelle im Gegenstand 25 entspricht, worin die Strahlengänge der Gegenstandsabzweigung und der Referenzabzweigung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 53 gleich sind;
x für die X-Koordinate des Retroreflektors 48 steht; und
λN für die mittlere Wellenlänge der nicht kohärenten Lichtquellen-LED 14 steht.
Die Kohärenzlänge der nicht kohärenten Lichtquellen-LED 14 ist durch folgende Beziehung gegeben.
wobei
LC für die Kohärenzlänge der LED-Lichtquelle steht; und
ΔλN für die Bandbreite der nicht kohärenten Lichtquellen-LED 14 steht.
Die Kohärenzlänge definiert die volle Breite bei dem halben Maximum der Gaußschen Funktion in Gleichung 3. Wenn x – x_p = L_C/2, ist die normalisierte Gaußsche Funktion gleich ½. Der Wert von k, der diese Beziehung erfüllt, ist:
Für eine LED mit beispielsweise einer Wellenlänge von 1300 nm und einer Bandbreite von 60 nm errechnet sich eine Kohärenzlänge von 12,429 μm und k = 1,794747 × 10¹⁰/m².
Signalverarbeitung und Datenreduktion
Um die vorausgehende Erörterung zur Datenabtastung auf die Bestimmung der physikalischen Eigenschaften des Gegenstands 25 zu beziehen, folgt eine Besprechung der Verarbeitung und Reduktion abgetasteter Datenmengen. Im Rahmen dieser Erörterung sei angenommen, dass die Daten sequenziell erhoben werden, während sich die Position des Motors 30 monoton ändert. Es sei darauf hingewiesen, dass die Positionen x_p als Stellen definiert sind, an denen optische Schnittstellen in dem Gegenstand auftreten. Da die Daten bei konstanten Distanzintervallen abgetastet werden, fällt die wahre Lage dieser optischen Schnittstelle im Allgemeinen nicht auf die Stelle eines der abgetasteten Datenpunkte. In einer Fertigungs- oder industriellen Umgebung gibt es zudem eine Vielzahl mechanischer und elektrischer Rauschquellen. Diese Rauschquellen können die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Ein Attribut der vorliegenden Erfindung ist daher die Lokalisierung der mittleren Position x_p der optischen Schnittstellen mit hoher Genauigkeit unter Verwendung unter Rauschen abgetasteter Daten.
In der vorliegenden Erfindung erfolgt die Abtastung bei konstanten Distanzintervallen, was eine Analyse der Daten anhand mehrerer Techniken ermöglicht. Die Hauptfunktion der Signalverarbeitung und Datenanalyse besteht in der Ortung der wahren Position einer optischen Schnittstelle des Gegenstands 25 unter Rauschen. Mathematisch gesehen reduziert sich dies auf die Lokalisierung der wahren Position x_p des Interferenzterms S(x) von Gleichung 3:
wobei
S(x_i) für die abgetasteten Amplituden des nicht kohärenten Interferometers 53 steht;
x_i für die Stellen der abgetasteten Datenpunkte steht;
J_S für die am Fotodetektor 32 erfasste maximale Signalstärke des nicht kohärenten Lichtinterferometers 32 steht;
λ_N für die mittlere Wellenlänge der nicht kohärenten Lichtquellen-LED 14 steht;
φ für den Phasenwinkel steht; und
RAUSCHEN der Rausch-Term ist.
Der Phasenwinkel wird mit berücksichtigt, da die Abtastung selten symmetrisch um die genaue Stelle des mittleren Maximums x_p durchgeführt wird.
10 zeigt das berechnete Signal S(x_i) als eine Funktion von x aus Gleichung 6 für eine LED mit einer Bandbreite von 60 nm, die bei 1300 nm arbeitet, mit einem Abtastintervall von λ_C/4 eines 632,991 nm HeNe-Lasers, wobei RAUSCHEN = 0, x_p = 0 und φ_o = 0 ist.
Im Unterschied dazu zeigt 11 das berechnete Signal S(x_i) als eine Funktion von x aus Gleichung 6 unter Verwendung der gleichen Quelle und des gleichen Abtastintervalls, wobei RAUSCHEN 0, x_o = 0 und φ_o = 0,5 rad. Beim Vergleichen von 10 mit 11 wird ersichtlich, dass ein Attribut der Datenanalyse darin besteht, die Lage der wahren Mitte der Gaußschen Hülle aus einer Datenmenge zu bestimmen, die nicht um das mittlere Maximum symmetrisch abgetastet wird, und die typischerweise in Anwesenheit von Rauschen abgetastet wird.
Das statistische Rauschen RAUSCHEN_R ist wie folgt definiert:
wobei
Rauschen für eine Rauschpegelkonstante steht; und
STATISTISCHES eine Rauschzahl zwischen 0 und 1 ist.
Beispielsweise zeigt 12 Daten, die mithilfe der Abtastung λ_C/4 in Anwesenheit eines Rauschpegels von 1,0 einer optischen Schnittstelle gesammelt wurden, und zwar unter Verwendung eines Systems mit einem HeNe-Laser und einer 1300 nm LED mit einer Bandbreite von 60 nm.
Ein Ansatz zur Analyse eines derartigen Interferogramms wird nachfolgend beschrieben.
Zuerst werden die absoluten Werte von S(x_i) berechnet. Danach folgt die Berechnung eines Gaußschen gewichteten Mittels am m-Punkt mit folgender Gleichung:
wobei
m für einen Koeffizienten steht, der sich von der ganzen Zahl –q/2 bis +q/2 erstreckt;
q + 1 gleich der Anzahl der Punkte in der Summenbildung ist;
Δx für das Abtastintervall steht; und
z eine Gaußsche Filterkonstante ist.
13 zeigt eine Kurve von V(x_i) für die Datenmenge aus 12, wobei z = 0,06 und q = 39 Punkte ist. Um die wahre Mitte der Datenmenge zu ermitteln, wird der Ort des Maximalwerts von V(x_i) ermittelt, und die Datenmenge um die Spitzen wird mittels Regressionsanalyse an folgende Beziehung angepasst:
wobei
A für eine Amplitudenkonstante steht; und
x_p für die berechnete Stelle der Spitze des Interferogramms steht.
Unter Verwendung dieser Beziehung lässt sich der "best Fit" des Werts von x_p bestimmen. Mit dieser Technik konnte eine Messgenauigkeit von größer als ±0,3 μm erzielt werden.
14 zeigt beispielsweise ein typisches Messinterferogramm für einen Gegenstand mit 60 μm dickem Strahlengang, während 15 die Ergebnisse der entsprechenden Gaußschen Hüllenberechnung unter Verwendung von Gleichung 8 zeigt.
Messsystem
16 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vollständigen, erfindungsgemäßen Messvorrichtung. Dieses System umfasst eine Standardvorrichtung 52 (wie in 4 gezeigt), die Steuerelektronik sowie das computergesteuerte Datenerfassungsystem. Das in 16 gezeigte Messsystem führt Messungen der physikalischen Parameter eines Gegenstands mit konstanten Distanz-Abtastintervallen von nλ_C/4 durch, wobei n ein kleiner ganzzahliger Wert ist und λ_C für die Wellenlänge der kohärenten Laserlichtquelle 42 steht.
Wie zuvor unter Bezug auf die Standardvorrichtung 52 beschrieben, umfasst das erfindungsgemäße Messsystem das kohärente Lichtinterferometer 55 und das nicht kohärente Lichtinterferometer 53, die das gemeinsame, variable Strahlengang-Verzögerungselement 54 miteinander teilen. In einem Beispiel ist die LED 14 eine LED mit einer Bandbreite von 60 nm, die bei 1300 nm arbeitet, eine optische Leistung von 0,1–10 μW erzeugt, und durch Pigtailing mit einem Einmodenlichtleiter verbunden ist. Vorzugsweise setzt sich der Einmodenlichtleiter aus einem Lichtleiter des Typs Corning SMF-28 zusammen. Das Lichtsignal aus der LED 14 wird von einem 2 × 2 Optokoppler 18, beispielsweise einem GOULD 50/50 Einmodenkuppler, in dritte und vierte Lichtsignale aufgeteilt. Das dritte Lichtsignal fällt auf einen Gegenstand 25. Der Fotodetektor 32 ist vorzugsweise eine GaAs-Halbleiter-Fotodiode. Der Laser 42 ist vorzugsweise ein Einmoden-HeNe-Laser oder alternativ dazu ein temperaturstabilisierter Einmoden-Diodenlaser, wie beispielsweise eine Laserdiode des Typs Laser Max MDL-200 675 nm. Der Strahlenteiler 44 ist vorzugsweise ein Strahlenteilerwürfel von 1,25 cm oder 2,5 cm Durchmesser. Die Retroreflektoren 46 und 48 sind vorzugsweise "Corner-Cube"-Retroreflektoren oder Hohl-Retroreflektoren. Der Fotodetektor 50 ist vorzugsweise eine Siliciumfotodiode.
In Situationen, in denen ein Lichtleiter innerhalb einer Distanz von 1–15 mm zur Vorderseite des Gegenstands 25 platziert werden kann (beispielsweise die Anwendungs- und Sammeleinrichtung 24), sind separate Kupplungsoptiken nicht erforderlich. Ein Einmodenlichtleiter abschluss, der sich senkrecht zur Richtung der Lichtfortpflanzung aufspaltet, ist als Kuppleroptik verwendbar, um eine Referenzreflexion von der Lichtleiter-/Luft-Schnittstelle zu erzeugen. Das vom Gegenstand 25 reflektierte Licht wird über denselben Einmodenlichtleiter 20 zurück in das nicht kohärente Lichtinterferometer 53 geführt. Eine Referenzreflexion von der Sonden-/Luft-Schnittstelle ist insbesondere in Oberflächenprofilierungsanwendungen und in Anwendungen verwendbar, in denen die Messung einer Distanz zu einer Fläche wichtig ist.
In einem weiteren Beispiel für Kupplungsoptiken besteht die Kupplungsoptik aus einer winklig gespaltenen "angle-cleaved" Einmodenfaser, die zu einer in einer optischen Aufhängung untergebrachten Gradientenindexlinse (GRIN) von Nippon Sheet Glass (NSG) SLW mit 3 mm Durchmesser, 0,11 Steigung, numerischer Apertur (NA) 0,46 (on axis) versetzt ist. In diesem Beispiel konnte keine Referenzreflexion an der optischen Faser-/Luft-Schnittstelle beobachtet werden. Die Brennweite, die Tiefenschärfe und der Sichtfeldwinkel lassen sich durch Variieren der Distanz zwischen der winklig gespaltenen (angle-cleaved) Faser und der Linse einstellen. Für den Fall eines Versatzes von 4,9 mm beträgt die Brennweite 25,5 mm bei einer Tiefenschärfe von 2,2 mm und einem Sichtfeldwinkel von 0,95 Grad FWHM. Das vom Gegenstand 25 reflektierte Licht wird über dieselbe Kupplungsoptik zurück in das nicht kohärente Lichtinterferometer 53 geführt.
Vorzugsweise umfasst das variable Strahlengang-Verzögerungselement 54 einen Prismen-Retroreflektor und einen auf dem Diaphragmenkonus angeordneten Spiegel eines Schwingspulenlautsprechers, wobei der Spiegel auf einem Teil der Oberfläche des Prismen-Retroreflektors montiert ist. Ein Beispiel eines Schwingspulenlautsprechers ist ein 20 cm Sub-Woofer des Typs REALISTIC mit einem maximalen Spitze-Spitze-Hub von ca. 20 mm. Die Bewegung des Schwingspulenlautsprechers wird durch den Motor 30 über die Magnetspulenvorrichtung im Lautsprecher gesteuert. Wenn sich der Lautsprecherkonus bewegt, ändern sich die Strahlenganglängen der Referenzabzweigung des kohärenten Lichtinterferometers 55 und des nicht kohärenten Lichtinterferometers 53 um denselben Betrag. Die Strahlenganglänge des gemeinsamen, variablen Strahlengang-Verzögerungselements 54 wird vorzugsweise mithilfe eines elektronischen Motorantriebs-Steuerungsmoduls 60 variiert, das einen Funktionsgenerator und einen Leistungsverstärker umfasst, wodurch der Strom zur Lautsprecherspule gesteuert wird.
Das vierte Lichtsignal, das aus dem 2 × 2 Optokoppler 18 stammt und über die Einmodenfaser 22 läuft, wird von einer Kollimationslinse kollimiert, die in 16 als kollimierende Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26 dargestellt ist, und die ähnlich der oben beschriebenen, bevorzugten Gegenstands-Kupplungsoptik ist, mit dem Unterschied, dass eine Kollimationslinse verwendet wird. Während das zweite Lichtsignal (von Laser 42) auf den Retroreflektor 48 fällt, fällt das vierte Lichtsignal (aus LED 14) auf den Spiegel 56, wobei der Spiegel 56 zusammen mit dem Retroreflektor 48 angeordnet ist. Das reflektierte, nicht kohärente Lichtsignal wird zudem durch die kollimierende Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26 gesammelt. Nachdem das kombinierte, nicht kohärente Lichtsignal zurück durch die Einmodenfaser 22 zum 2 × 2 Optokoppler 18 getreten ist, wird es durch die Einmodenfaser 34 mit dem Fotodetektor 32 gekoppelt. Die analoge Ausgabe des Fotodetektors 32 wird durch ein elektronisches Modul 62 verstärkt und gefiltert, unter Verwendung der Datenerfassungs-Triggerimpulse des kohärenten Lichtinterferometers (wie nachfolgend beschrieben) bei konstanten Distanzintervallen digitalisiert und von einem Computersystem 64 analysiert, wie beispielsweise einem PC in einer LabWindows-Umgebung (Marke von National Instruments) mit einer 16-Bit-, 100-KHz-Datenerfassungskarte des Typs National Instruments AT-MIO-16, oder einer 12-Bit-, 1-MHz-Datenerfassungskarte des Typs EISA A-2000. Die nicht kohärenten Lichtinterferometerdaten werden dann bei konstanten Distanzintervallen digitalisiert.
Wie zuvor beschrieben, wird das Signal I des Fotodetektors 50 in eine Signalverarbeitungselektronik 66 eingegeben und verarbeitet, um Datenerfassungs-Triggerimpulse zu erzeugen. Das Fotodetektorsignal I wird mit einem Komparator gekoppelt und darin eingespeist, der Nullspannungsübergänge oder andere (also nicht null) reproduzierbare Stellen auf jedem Zyklus des wechselstromgekoppelten Laserinterferometersignals erkennt. Die Komparatorausgaben werden genutzt, um abfallende Datenerfassungs-Triggerimpulse bei konstanten Distanzintervallen zu erzeugen. Als solches wird der Laserinterferometer 55 benutzt, um die Analog-/Digital-Umwandlung des verstärkten Signals vom Fotodetektor 32 auszulösen und digitalisierte Daten bei konstanten Distanzintervallen von nλ_C/4 zu erzeugen, wie zuvor beschrieben. Für n = 1 mit einem 632,991 nm HeNe-Laser werden Daten zu Intervallen von 0,15825 μm erfasst.
Während des typischen Betriebs wird der Motor 30 mit einer Sinuswelle von 1–100 Hz angesteuert, und zwar je nach Gesamtamplitude und Messrate, die zur Analyse des Gegenstands 25 erforderlich ist. In einem Beispiel, das den Schwingspulenlautsprecher verwendet, verlängert und verkürzt die Schwingspule wechselweise die Strahlenganglänge des gemeinsamen, variablen Strahlengang-Verzögerungselements 54 in den Referenzabzweigungen der Lichtinterferometer 53 und 55 um eine Distanz, die ausreicht, um die physikalische Eigenschaft des Gegenstands 25 zu bestimmen. Wenn die gesuchte physikalische Eigenschaft die optische Dicke ist, muss die von dem variablen Strahlengang-Verzögerungselement 54 zurückgelegte Strecke größer als die optische Dicke des Gegenstands 25 sein. Die Messungen sind möglich, während sich das variable Strahlengang-Verzögerungselement 54 in eine der beiden Richtungen bewegt. Somit können zwei Messungen der Dicke des Gegenstands 25 für jeden Bewegungszyklus des Schwingspulenlautsprechers erfolgen. Durch Ansteuerung des Schwingspulenlautsprechers mit einer sich wiederholenden Wellenform lassen sich mehrere Messzyklen durchführen. Eine Ausgangsreferenzposition des Schwingspulenlautsprechers (d. h. des Motors 30) ist nicht erforderlich, um die physikalische Eigenschaft des Gegenstands zu ermitteln, da die absolute Motorposition in der Analyse nicht verwendet wird.
Vorzugsweise sollte die Position, an der die beiden Strahlenganglängen der Gegenstandsabzweigung und der Referenzabzweigung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 53 gleich sind, in Nähe der Mitte der Abtastung liegen. Um dies zu erreichen, sollte die Strahlenganglänge von dem Optokoppler 18 zur ersten Fläche des Gegenstands 25 (also die Fläche, die der Anwendungs- und Sammeleinrichtung 24 am nächsten ist) größer als die kürzeste Strahlenganglänge der Referenzabzweigung (des nicht kohärenten Lichtinterferometers 53) während eines Abtastzyklus sein. Die Strahlenganglänge vom Optokoppler 18 zur zweiten Fläche des Gegenstands 25 (d. h. die Fläche, die zur Anwendungs- und Sammeleinrichtung 24 am weitesten entfernt ist) sollte kleiner als die größte Strahlenganglänge der Referenzabzweigung während eines Abtastzyklus sein.
17 zeigt Daten, die unter Verwendung einer 10 Hz Sinuswelle für den Motorantrieb mit einer Spitze-/Spitze-Amplitude von ca. 1,35 mm erzielt werden. Die in 17 gezeigten Daten sind die Absolutwerte der Hülle des Interferogramms (Y-Achse) als eine Funktion der während des Datenerfassungs-Messzyklus (normalisiert je Distanzintervalleinheit zwischen Datenerfassungsereignissen) abgetasteten Gesamtdistanz. Der Gegenstand 25 in dieser Fig. ist eine 613 μm dicke, optisch flache Glasplatte mit einem Gruppenbrechungsindex von 1,4609. Eine Spitze ist als das Maximum der Gaußschen Hülle des Interferogramms an den Orten der gegenseitigen Kohärenz definiert. Die beiden ersten Spitzen (aufgrund der Reflexionen von der vorderen bzw. hinteren Fläche der Glasplatte) werden ermittelt, während sich die Strahlenganglänge des variablen Strahlengang-Verzögerungselements 54 vergrößert. An einer Stelle zwischen der zweiten und dritten Spitze ändert der Motor 30 die Bewegungsrichtung des variablen Strahlengang-Verzögerungselements 54. Die dritte und vierte Spitze, die von der zweiten bzw. ersten Fläche des Gegenstands 25 stammen, werden ermittelt, während sich die Strahlenganglänge der Referenzabzweigungen der Interferometer 53 und 55 verkleinern. Der Abtastzyklus setzt sich weiter fort; an einer Position zwischen der vierten und fünften Spitze wechselt der Motor 30 erneut seine Richtung. Die Dicke des Gegenstands 25 ermittelt sich aus der Differenz der berechneten Mittelpositionen der ersten beiden Spitzen sowie aus der Differenz der berechneten Mittelpositionen der dritten und vierten Spitzen. Da die Distanz zwischen der zweiten und dritten Spitze in den Berechnungen nicht verwendet wird, ist die genaue Position, an der der Motor 30 die Richtung wechselt, unwichtig und braucht nicht bekannt zu sein, um physikalische Eigenschaften des Gegenstands 25 messen zu können.
Tabelle 1 zeigt eine Zusammenfassung der Daten für die jeweiligen Messungen mit Gegenstand 25, bei dem es sich um eine 613 μm dicke, optisch flache Glasplatte mit einem Gruppenbrechungsindex von 1,4609 handelt. Die erste Datenzeile in Tabelle 1 entspricht den in 17 gezeigten Daten. Sämtliche Dickenangaben erfolgen in μm, und m steht für die Zahl der Abtastungen in jeder Datenmenge, wobei die Daten mit einer Rate von 20 Hz erfasst werden. Die in Tabelle 1 gezeigten einzelnen Datenmengen wurden über einen Zeitraum von mehreren Monaten erfasst, wobei die letzte Zeile in Tabelle 1 die mittleren Werte der einzelnen Datenmengen zeigt. Mit der vorliegenden Erfindung wurde bei der Dickenmessung eine Messgenauigkeit von ±0,3 μm erzielt. Die Daten zeigen, dass die Vorrichtung über längere Zeiträume reproduzierbare Werte liefert, ohne dass eine externe Kalibrierung erforderlich ist. Die berechneten Gruppenbrechungsindexwerte für die 613 μm dicke, optisch flache Glasplatte sind ebenfalls in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1 Wiederholte Messungen einer 613 μm dicken Glasplatte Sämtliche Dickenangaben erfolgen in μm, m steht für die Anzahl von Abtastungen in jeder Datenmenge
Die in 18 gezeigte Anordnung wurde benutzt, um den Gruppenbrechungsindex (n_R) des Gegenstands 25 zu messen. Als Kupplungsoptik zum Gegenstand 25 wurde eine normal gespaltene Fasersonde 68 verwendet. Der Gegenstand 25 war zwischen der Fasersonde 68 und einem Spiegel 70 angeordnet. 19 zeigt eine Kurve des entsprechenden Absolutwerts der Signalamplitude als eine Funktion des Abstands. Wenn der Gegenstand 25 während einer Messabtastung nicht vorhanden ist, werden nur zwei Reflexionen beobachtet, wie in der Kurve (a) von 19 als X_P und X_M gezeigt. Die Distanz X_PM zwischen dem Spiegel 70 und der Fasersonde 68 ist durch folgende Beziehung gegeben: XPM = XP – XM
Wenn der Gegenstand 25 vorhanden ist (d. h. wenn der Gegenstand 25 in den Strahlengang zwischen der Fasersonde 68 und dem Spiegel 70 eingesetzt ist), wird die Distanz X_PM konstant gehalten. Wenn der Gegenstand 25 vorhanden ist, wie in Kurve (b) von 19 gezeigt, lassen sich an folgenden Stellen vier Reflexionen beobachten: die beobachtete Reflexion von der Schnittstelle der Fasersonde zur Luft (X_P), die beobachtete Reflexion von der Schnittstelle der Luft zur Vorderseite F des Gegenstands (X_F), die beobachtete Reflexion von der Schnittstelle der Rückseite B des Gegenstands 25 zur Luft (X_B) und die beobachtete Reflexion von der Schnittstelle der Luft zum Spiegel (X_M'). Die Beziehungen zwischen diesen Orten sind: nRt = XB – XF (nR – 1)t = XPM' – XPM t = XB – XF – (XPM' – XPM)wobei t für die Dicke des Gegenstands 25 steht, und X_PM' steht für die beobachtete Distanz zwischen der Fasersonde 68 und dem Spiegel 70, wobei der Gegenstand 25 in den Strahlengang eingesetzt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass sich der Gruppenbrechungsindex (n_R) und die Dicke (t) des Gegenstands 25 aus den oben genannten Beziehungen berechnen lassen.
Autokorrelationsvorrichtung
20 zeigt eine Abwandlung einer erfindungsgemäßen doppelten Interferometervorrichtung, die nachfolgend als optische Autokorrelationsvorrichtung 72 bezeichnet wird. Ein Unterschied zwischen der optischen Autokorrelationsvorrichtung 72 und der zuvor beschriebenen Standardvorrichtung 52 liegt in der Anordnung des Gegenstands 25. In der optischen Autokorrelationsvorrichtung 72 ist der Gegenstand 25 in der Lichtquellenabzweigung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 53 (d. h. am Eingang), anstatt in einer der Interferenzabzweigungen angeordnet. Wie in 20 gezeigt, wird das Lichtsignal aus der LED 14 mit dem Gegenstand 25 über einen Lichtleiter 73 durch einen 2 × 1 Einmodenkuppler 74, einen Lichtleiter 16 und die Anwendungs- und Sammeleinrichtung 24 gekoppelt. Die Anwendungs- und Sammeleinrichtung 24 wird wie in der Standardvorrichtung 52 benutzt, um das vom Gegenstand 25 reflektierte Licht zu sammeln. Das vom Gegenstand 25 reflektierte Licht wandert durch den Lichtleiter 16 und den 2 × 1 Einmodenkuppler 74 zurück in die Einmodenfaser 75. Dieses durch den Lichtleiter 75 tretende Signal (nachfolgend als Gegenstandssignal bezeichnet) wird am 2 × 2 Optokoppler 18 in dritte und vierte Lichtsignale aufgeteilt. Das dritte Lichtsignal wird durch die Anwendungs- und Sammeleinrichtung 78 zu einem zweiten, stationären Referenzreflektor 76 geführt. Alternativ hierzu lässt sich die Einmodenfaser 20 auch mit einer (nicht gezeigten) normal gespaltenen, verspiegelten Fläche an ihrer Spitze anstelle der Anwendungs- und Sammeleinrichtung 78 und des zweiten, stationären Referenzreflektors 76 abschließen. Ein Teil des dritten Lichtsignals wird von dem zweiten, stationären Referenzreflektor 76 zurück zur Anwendungs- und Sammeleinrichtung 78 geworfen und wieder in die Einmodenfaser 20 eingekoppelt. Dieses Signal wird als zweites Referenzsignal bezeichnet. Das vierte Lichtsignal, das durch die Einmodenfaser 22 läuft, fällt auf die Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26, wo es kollimiert wird. Die kollimierende Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26 legt das vierte Lichtsignal an den auf dem Retroreflektor 48 eines gemeinsamen variablen Strahlengang-Verzögerungselements 54 angeordneten Spiegel 56 an. Ein Teil des vierten Lichtsignals wird von dem Spiegel 56 zurück zur Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26 geworfen und wieder in die Einmodenfaser 22 eingekoppelt. Dieses Signal wird als zweites Verzögerungssignal bezeichnet. Der Strahlengang vom Optokoppler 18 zum stationären Referenzreflektor 76 und zurück zum Optokoppler 18 ist als die Strahlenganglänge der zweiten stationären Referenzabzweigung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 53 definiert. Es sei darauf hingewiesen, dass alternative Konfigurationen für das variable Strahlengang-Verzögerungselement 54, wie zuvor für die Standardvorrichtung 52 dargestellt, auch für die optische Autokorrelationsvorrichtung 72 gelten.
In Betrieb werden das dritte und vierte Lichtsignal, die über die Einmodenlichtleiter 20 bzw. 22 wandern, zurück zum Optokoppler 18 geworfen (als zweites Referenzsignal bzw. als zweites Verzögerungssignal), wo sie sich wiedervereinen und miteinander inferferieren. Ein Teil des wiedervereinten zweiten Referenzsignals und des zweiten Verzögerungssignals wird von der Einmodenfaser 34 in den Fotodetektor 32 gerichtet.
In der optischen Autokorrelationsvorrichtung 72 tritt eine konstruktive Interferenz der nicht kohärenten Lichtsignale auf, wenn die Strahlenganglängen der beweglichen Referenzabzweigung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 53 und der stationären Referenzabzweigung des nicht kohärenten Lichtinterferometers 53 gleich sind. Eine konstruktive Interferenz der nicht kohärenten Lichtsignale tritt auch dann auf, wenn diese beiden Strahlenganglängen um die Strahlenganglänge einer physikalischen Eigenschaft des Gegenstands 25 abweichen, wie beispielsweise dem Produkt der Dicke und des Gruppenbrechungsindex.
Die in 20 gezeigte optische Autokorrelationsvorrichtung 72 wandelt eine Reihe optischer Reflexionen in Werte der Distanz zu einem Ausgangspunkt um. Der Ausgangspunkt ist die Selbstkorrelationsfunktion, die erste Spitze vom Ausgangspunkt ist die Distanz zwischen den beiden nächstgelegenen Spitzen. Das Autokorrelationssignal A(d) lässt sich modellieren als:
wobei x_i für die Stellen der abgetasteten Datenpunkte steht;
S(x_i) für das Signal an jedem Datenpunkt steht;
n für die Anzahl der abgetasteten Intervalle in einer vollständigen Abtastung steht; und
d für die Strahlengangverzögerung zwischen den beiden Abzweigungen des nicht kohärenten Lichtinterferometers steht (d. h. der zweiten stationären Referenzabzweigung und der beweglichen Referenzabzweigung), die gleich 0 ist, wenn die beiden Strahlenganglängen gleich sind. Die Autokorrelationsvorrichtung wandelt eine Reihe von konstruktiven Interferenzspitzen nicht kohärenten Lichts, die an den optischen Schnittstellen in dem Gegenstand auftreten, in Distanzen zu einer zentralen Autokorrelationsspitze um. Während einer Abtastung der Autokorrelationsvorrichtung tritt die größte Intensitätsspitze (d. h. die mittlere Autokorrelationsspitze) dann auf, wenn die Strahlenganglängen der zweiten stationären Referenzabzweigung und der beweglichen Referenzabzweigung gleich sind.
21 dient zur Erläuterung der Darstellung des in 22 gezeigten Interferogramms; 22 beruht auf der Verwendung der in 20 gezeigten optischen Autokorrelationsvorrichtung 72. Die Probe besteht aus dem Gegenstand 25 mit zwei Flächen, wie in 18 gezeigt, nämlich einer Vorderseite F und einer Rückseite B. Eine Reflexion lässt sich an der Stelle der Vorderseite, eine weitere an der Stelle der Rückseite beobachten. Zusätzlich dazu lässt sich eine Reflexion an der Stelle der Schnittstelle von der Fasersonde zur Luft beobachten. Kurve (a) von 21 zeigt den Absolutwert der Hülle einer optischen Impulsfolge in der stationären Abzweigung der optischen Autokorrelationsvorrichtung 72. Es lassen sich drei Reflexionen beobachten: eine Reflexion von der optischen Sonde (X_P), eine Reflexion von der Vorderseite F des Gegenstands 25 (X_F) und eine Reflexion von der Rückseite B des Gegenstands 25 (X_B). Die Kurven (b) bis (h) von 21 zeigen die Absolutwerte der drei Hüllen der optischen Impulsfolgen in der beweglichen Referenzabzweigung als eine Funktion der Position des variablen Strahlengang-Verzögerungselements 54. Die Distanz d ist die Distanz zwischen der Sondenspitze (X_P) und der Vorderseite F des Gegenstands 25. Der Wert der optischen Dicke n_Rt ergibt sich durch folgende Beziehung: nRt = XB – XF wobei n_R für den Gruppenbrechungsindex steht und t für die tatsächliche Dicke des Gegenstands 25. Wie in Kurve (b) von 21 gezeigt, kommt es zu einer konstruktiven Interferenz der Spitze der stationären Abzweigung der optischen Sonden-/Luft-Schnittstelle (an X_P) mit der Spitze der beweglichen Referenzabzweigung, die der Rückseite B des Gegenstands 25 zugeordnet ist, wenn sich die bewegliche Referenzabzweigung an einer Position –(d + n_Rt) befindet. Diese Spitze entspricht der in 22 gezeigten ganz linken Spitze (P₁). Während sich der Strahlengang der beweglichen Referenzabzweigung vergrößert, tritt eine nächste konstruktive Interferenz auf, wenn sich die bewegliche Referenzabzweigung an Stelle –d befindet, wie in Kurve (c) von 21 gezeigt. An dieser Stelle von –d kommt es zu einer konstruktiven Interferenz der stationären Abzweigungsspitze der optischen Sonde (X_P) mit der beweglichen Abzweigungsspitze von der Vorderseite F des Gegenstands 25. In 22 entspricht die zweite Spitze von links (P₂) dieser Lage von –d. Wenn der Strahlengang der beweglichen Referenzabzweigung weiter vergrößert wird, wird die nächste Lage der konstruktiven Interferenz von –n_Rt erreicht, wie in Kurve (d) von 21 gezeigt. An dieser Stelle von –n_Rt kommt es zu einer konstruktiven Interferenz der stationären Abzweigungsspitze von der Vorderseite F des Gegenstands 25 (X_F) mit der beweglichen Referenzabzweigungsspitze von der Rückseite B des Gegenstands 25. Diese Lage von –n_Rt entspricht der Spitze P₃ von 22. Während der Strahlengang der beweglichen Referenzabzweigung vergrößert wird, tritt die nächste Lage der konstruktiven Interferenz an X = 0 auf (d. h. wenn die Strahlenganglängen der stationären Abzweigung und der beweglichen Referenzabzweigung null sind), wie in Kurve (e) von 21 gezeigt. An dieser Stelle tritt die Amplitudenspitze der größten Intensität in 22 an P₄ auf. Eine fortgesetzte Verlängerung der optischen Bahn der beweglichen Referenzabzweigung führt gleichzeitig zu den Kurven (f), (g) und (h) von 21, die jeweils den Spitzen P₅, P₆ und P₇ von 22 entsprechen.
Wenn nur die Strahlenganglänge n_Rt des Gegenstands 25 gemessen werden soll, ist es nicht erforderlich, die gesamte Distanz von –(d + n_Rt) bis +(d + n_Rt) abzutasten. Statt dessen braucht man nur eine Distanz von größer als n_Rt abzutasten, um mindestens zwei Spitzen einzubeziehen. Beispielsweise können die folgenden beiden Spitzenmengen aus 22 verwendet werden: Spitze P1 und P2; Spitze P3 und P4; Spitze P4 und P5; oder Spitze P6 und P7.
Eine Reflexion der optischen Sonde ist zur Messung des Strahlengangs n_Rt des Gegenstands 25 mit zwei Flächen nicht erforderlich. In diesem Fall würden nur drei Spitzen in einer einzelnen Abtastung beobachtet, was äquivalent zu den mittleren drei Spitzen von 22 wäre (also P₃, P₄ und P₅). Diese drei Spitzen entsprechen jeweils den in den Kurven (d), (e) und (f) von 21 gezeigten Interferenzstellen.
23 zeigt ein Beispiel für Daten wiederholter Abtastungen mithilfe der optischen Autokorrelationsvorrichtung 72 zur Messung der Strahlengangdicke des Gegenstands 25. 23 zeigt eine Anzeige des Absolutwerts der Hülle bei Messung einer 613 μm dicken Glasplatte als eine Funktion der Motorabtastdistanz für die in 20 gezeigte Vorrichtung. Die x-Achse wird als Abtastdistanzintervalle dargestellt (1 Einheit = λ_C/4 = 0,15825 μm). An Stelle x = 0 war die Strahlenganglänge des nicht kohärenten Lichtinterferometers für die bewegliche Abzweigung kürzer als die für die stationäre Referenzabzweigung. Die ersten drei Spitzen von der linken Seite von 23 wurden erzeugt, als sich die Strahlenganglänge der beweglichen Abzweigung vergrößerte. Die erste Spitze tritt auf, wenn die Strahlenganglänge der beweglichen Abzweigung um die Strahlengangdicke des Gegenstands 25 kürzer als die der stationären Referenzabzweigung ist. Die zweite und größte Spitze tritt auf, wenn die beiden Strahlenganglängen beider Interferometerabzweigungen gleich sind. Die dritte Spitze tritt auf, wenn die Strahlenganglänge der beweglichen Abzweigung um die Strahlengangdicke des Gegenstands 25 länger als die der stationären Referenzabzweigung ist. Die Distanzen zwischen der ersten und zweiten Spitze sowie die Distanz zwischen der zweiten und dritten Spitze sind gleich, d. h. die Distanzen entsprechen der Dicke des Strahlengangs (Gruppenbrechungsindex × Dicke) des Gegenstands 25. An derselben Position hinter der dritten Spitze wird die Richtung des Motors 30 umgekehrt, und die vierte bis sechste Spitze wird bei abnehmender Strahlenganglänge der beweglichen Abzweigung ermittelt. Hier entspricht die vierte Spitze derselben relativen Position wie die dritte Spitze; die fünfte Spitze entspricht der zweiten Spitze, die sechste Spitze entspricht der ersten Spitze. Zwischen der sechsten und siebten Spitze hat der Motor 30 seine Richtung erneut umgekehrt, die siebte Spitze entspricht der ersten Spitze, danach wird der Zyklus wiederholt.
Die Daten in 23 wurden mithilfe eines Sinuswellen-Treibersignals am Motor 30 erzeugt, um die Strahlenganglänge des variablen Strahlengang-Verzögerungselements 54 in der beweglichen Referenzabzweigung der Autokorrelationsvorrichtung 72 zu variieren. Ohne die Ergebnisse zu beeinträchtigen, wären auch andere Wellenformen verwendbar. Wie im Falle der Standardvorrichtung 52 braucht auch hier kein Konstantgeschwindigkeitsmotor verwendet zu werden.
Mit der Standardvorrichtung 52 werden während jedes Zyklus der zur Ansteuerung des Motors 30 verwendeten Sinuswelle zwei Messdatenmengen erzeugt, während mit der optischen Autokorrelationsvorrichtung 72 während jedes Zyklus der zur Ansteuerung des Motors 30 verwendeten Sinuswelle vier Messdatenmengen erzeugt werden. Ein Gleichstromversatz ist wahlweise verwendbar, um die mittlere Position der Abtastung zu variieren, und die Sinuswellenamplitude kann variiert werden, um die Gesamtdistanz zu verändern, die der Motor 30 während einer Abtastung zurücklegt. Mit der optischen Autokorrelationsvorrichtung 72 ist es nicht erforderlich, die gesamte, volle Distanz abzutasten, um die in 23 gezeigten drei spitzensymmetrischen Muster zu erzeugen. Der Gleichstromversatz und die Sinuswellenamplitude lassen sich auch derart einstellen, dass nur die mittlere Spitze und eine seitliche Spitze der drei Spitzen während jeder Hälfte des Sinuswellenzyklus erzeugt wird. Die resultierenden Daten würden dann so ähnlich wie in 17 gezeigt aussehen.
Die Ablaufdiagramme in 24 und 25 zeigen in einer Übersicht einen Ansatz zur Erzeugung wiederholter Messdaten (wie in 17 und 23 gezeigt) zur Bestimmung physikalischer Eigenschaften des Gegenstands 25. Wie in 24 gezeigt, werden nach Initiierung einer Reihe wiederholter Messzyklen (80) die kohärenten und nicht kohärenten Interferometer aktiviert (81), bis die Messungen abgeschlossen sind. Das kleinste Ansteuerungssignal wird an den Motor 30 angelegt, um das variable Strahlengang-Verzögerungselement 54 an einer relativen minimalen Versatzposition (82) zu platzieren. Das Motoransteuerungssignal wird dann stetig in Richtung Maximalwert erhöht (83), wodurch sich das variable Strahlengang-Verzögerungselement 54 bewegt. Von den kohärenten Interferenzsignalen werden Datenerfassungs-Triggersignale erzeugt (84). Die Datenerfassungs-Triggersignale (oder eine Untermenge davon) werden benutzt, um das nicht kohärente Interferenzsignal abzutasten (85). Eine A-D-Wandlung wird benutzt, um das abgetastete Analogsignal (86) zu digitalisieren, welches dann in einem Daten-Array gespeichert wird (87) (vorzugsweise einem sequenziellen Datenarray). Daraufhin wird ermittelt, ob das Motoransteuerungssignal seinen Maximalwert erreicht hat (88). Falls nicht, werden die Schritte 84 bis 88 wiederholt. Sobald das Motoransteuerungssignal seinen Maximalwert erreicht hat, wird das Motoransteuerungssignal nicht weiter erhöht (89). Das sequenzielle Datenarray wird analysiert (90), beispielsweise wie in 25 beschrieben. Das Motoransteuerungssignal wird dann stetig auf den Minimalwert abgesenkt (91). Schritte 84 bis 87 werden für diese Richtung der Motorbewegung wiederholt, wie in Schritten 92 bis 95 gezeigt. Daraufhin wird ermittelt, ob das Motoransteuerungssignal seinen Minimalwert erreicht hat (96). Falls nicht, werden die Schritte 92 bis 95 wiederholt. Sobald das Motoransteuerungssignal seinen Minimalwert erreicht hat, wird das Motoransteuerungssignal nicht weiter reduziert (97). Das gespeicherte, abgetastete, sequenzielle Datenarray wird dann analysiert, beispielsweise wie in 25 gezeigt (98). Falls weitere Messungen erfolgen sollen (99), wird der Zyklus an Schritt 83 wiederholt. Falls nicht, ist der Messzyklus beendet (100).
25 zeigt die Details der Schritte 90 und 98 von 24. Sobald die Datenanalyse veranlasst worden ist (110) werden die Absolutwerte der Datenarray-Elemente erzeugt (111). Dann wird eine Gaußsche, gewichtete Mittelwertsbildung mit Gleichung 8 anhand dieser Absolutwerte (112) durchgeführt. Die Lage der Maxima der Gaußschen gewichteten Mittelwerte wird ermittelt (113). Mithilfe der Gaußschen gewichteten Mittelwerte werden Regressionsanalysen unter Verwendung von Untermengen der Daten, die die Stellen der Maxima umgeben, durchgeführt, um für Gleichung 9 (114) oder x_P den "Best Fit" zu erhalten. Es werden die entsprechenden Berechnungen durchgeführt, um die Werte der gewünschten physikalischen Eigenschaften zu bestimmen (115). Diese Daten werden in einer oder mehreren Arrays zur weiteren Verwendung abgelegt (116).
Das Ablaufdiagramm in 26 zeigt in einer Übersicht einen Ansatz zur Erzeugung wiederholter Messdaten (wie in 17 und 23 gezeigt) zur Bestimmung physikalischer Eigen schaften des Gegenstands 25. Dieser Ansatz ist in Abtastanwendungen verwendbar. Wie in 26 gezeigt, wird bei Beginn einer Reihe wiederholter Messungen (120) die erste Messrate (beispielsweise Messungen/Sekunde) bestimmt (121), gefolgt von der gesamten Messzeit (beispielsweise in Sekunden) (122). Die kohärenten und nicht kohärenten Interferometer werden aktiviert, bis die Messungen abgeschlossen sind (123). Ein Ansteuerungssignal mit einer sich wiederholenden Wellenform (beispielsweise eine Sinuswelle) wird an den Motor angelegt (124). Diese sich wiederholende Wellenform vergrößert und verkleinert stetig abwechselnd die Motorposition um einen Betrag, der ausreicht, um die physikalische Eigenschaft des Gegenstands 25 zu bestimmen. Diese sich wiederholende Wellenform würde eine Frequenz von 1/2 oder 1/4 der Messrate von Schritt 121 haben, je nachdem, welche Dubletten oder Tripletts erzeugt werden (wie in 17 und 23 gezeigt). Schritte 125 bis 128 entsprechen Schritten 84 bis 87 von 24. Anhand der Messzeit aus Schritt 122 wird entschieden, ob die Messung vollständig ist (129). Falls nicht, wird weiter die sich wiederholende Wellenform angelegt. Falls die Messung abgeschlossen ist, wird das gespeicherte, abgetastete Datenarray mit dem in 25 gezeigten Verfahren analysiert (130), und die Messung wird gestoppt (131). Die in 17 und 23 gezeigten Daten werden mithilfe dieses Ansatzes erzeugt.
Zusätzlich zu dem zuvor besprochenen Ansatz sind Fachleuten weitere Ansätze zur Erzeugung von Daten aus wiederholten Messungen bekannt.
Anwendungen
Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht eine simultane Messung von Dicke und Gruppenbrechungsindex vor. Diese simultanen Messungen lassen sich beispielsweise an einer festen Schicht, an einer frei fallenden Flüssigkeit, an einer flüssigen Schicht, die sich über eine horizontale Ebene bewegt, oder an einer flüssigen Schicht, die über eine stationäre, schiefe Ebene strömt, durchführen. Für den Fall einer Flüssigkeit, die über eine schiefe Ebene strömt, kann zudem die dynamische Viskosität gemessen werden. Die physikalischen Eigenschaften optisch transparenter Flüssigkeiten lassen sich deshalb messen, weil das Verfahren Distanzen zu optischen Schnittstellen misst und gegenüber abweichenden optischen Absorptionen unempfindlich ist. Indem man die Vorrichtung über die Breite einer zu messenden Bahn oder eines Bogenmaterials führt, lassen sich Profile über die Gleichmäßigkeit der Dicke in Querrichtung erzeugen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zudem verwendbar, um lichtempfindliche, flüssige Schichten zu messen. Für derartige lichtempfindliche flüssige Schichten muss die Lichtquelle in einem Bereich des optischen Spektrums abstrahlen, in dem lichtempfindliche Materialien eine Mindestabsorption aufweisen (beispielsweise einer Wellenlängenmitte von 1200 bis 1600 nm). Nah-Infrarot-LEDs mit Wellenlängen von 1300 oder 1550 nm, den Standardwellenlängen in der optischen Kommunikation, sind für diese Anwendungen geeignet. LEDs von 1300 nm Wellenlänge sind vorteilhaft, weil Einmodenfasern in Kommunikationsqualität bei dieser Wellenlänge eine minimale chromatische Dispersion aufweisen. Bei Materialien, die gegenüber Nah-Infrarotlicht empfindlich sind, muss die Lichtquelle in einem anderen Bereich des optischen Spektrums arbeiten.
Die folgende Erörterung betrifft ein Verfahren zur Messung der Viskosität mithilfe der vorliegenden Erfindung. 27 zeigt eine schematische Darstellung einer feststehenden, schiefen Ebene P, über die eine Flüssigkeit in der durch den Pfeil D gezeigten Richtung strömen kann. Die Ebene P ist um einen Winkel β in Bezug auf die horizontale Achse x geneigt. Eine optische Sonde 132 ist über der Ebene P lotrecht zur Fläche der Ebene P angeordnet.
Für eine Newtonsche Flüssigkeit lässt sich zeigen, dass die mittlere Dicke einer Flüssigkeit, die eine schiefe Ebene P herunter läuft, eine Funktion der Viskosität η, der Dichte ρ, des Volumenstroms je Breiteneinheit Q, der Schwerkraftbeschleunigung g und des Ebenenwinkels β ist. Die mittlere Dicke lässt sich aus folgender Beziehung berechnen:
Demnach kann die Viskosität η der Flüssigkeit L bei Kenntnis der anderen Parameter aus Gleichung 11 berechnet werden.
Der gesamte Volumenstrom VFR der Flüssigkeit ist gegeben durch: VFR = Qw (12)wobei w die Breite der Ebene P ist.
28 zeigt die Messgeometrie zum Messen der Dicke einer Flüssigkeit L auf einer nicht schiefen Ebene P. Die Werte werden von der Spitze y_p der optischen Sonde 132 gemessen:
y_l = Distanz zu der Oberfläche der flüssigen Schicht;
y_d = tatsächliche Distanz zur Fläche P;
y_w = scheinbare Distanz zur Fläche P bei Vorhandensein der flüssigen Schicht;
n₁ = Gruppenbrechungsindex der Flüssigkeit;
t₁ = Dicke der flüssigen Schicht; OPD = Strahlengangdifferenz.
Die entsprechenden Beziehungen zwischen diesen Werten sind: t1 = yd – yl (13) OPD = n1t1 = yw – yl (14)
29 zeigt eine Kurve der mit der optischen Sonde 132 erfassten, simulierten Daten bei Abwesenheit der flüssigen Schicht (d. h. Ebene P ist trocken) und bei Vorhandensein der flüssigen Schicht (d. h. Ebene P ist nass). Die Intensität des gemessenen Hüllensignals wird als eine Funktion der von den Interferometern gemessenen Strahlengangdifferenz abgetragen. Die Analyse der Spitzenpositionen ermöglicht eine Berechnung der Dicke und des Gruppenbrechungsindex der flüssigen Schicht, wie nachfolgend erläutert.
Wenn die flüssige Schicht während eines Messzyklus abwesend ist, treten mit jeder Abtastung des Motors 30 zwei Spitzen auf. Die beiden Spitzen sind (i) die Reflexion (p) von der Oberfläche der optischen Sonde 132 und (ii) die Reflexion (d) von der Oberfläche der Ebene P.
Wenn die flüssige Schicht vorhanden ist, lassen sich drei Spitzen beobachten. Wie in 29 gezeigt, ist die ganz linke Spitze (p) eine Reflexion von der Oberfläche der optischen Sonde 132, die mittlere Spitze (1) ist eine Reflexion von der Luft-/Flüssigkeits-Schnittstelle, und die ganz rechte Spitze (w) ist eine Reflexion von der Flüssigkeits-/Ebenen-Schnittstelle P. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die scheinbare Lage (w) der Reflexion an Ebene P bei Anwesenheit von Flüssigkeit nach rechts verschiebt. Dies ist ein Ergebnis der Tatsache, dass das Instrument die Strahlengangdifferenz misst, und dass der Gruppenbrechungsindex der flüssigen Schicht größer als 1,0 ist, wodurch sich die effektive Strahlenganglänge (w) zur Oberfläche der Ebene P vergrößert.
30 zeigt eine schematische Darstellung eines Bahnmaterials 134, das sich in die durch Pfeil C gezeigte Richtung bewegt. Das Bahnmaterial 134 kann mit einer flüssigen Schicht oder einer anderen Beschichtung versehen sein. Die optische Sonde 132 ist lotrecht zur Oberfläche des Bahnmaterials 134 ausgerichtet. Um die Dickengleichmäßigkeit über die Breite eines Bahnmaterials zu bestimmen, kann die optische Sonde 132 auf einer Transporteinrichtung (oder einem Schlitten) 136 angeordnet sein, die bzw. der über die Breite des Bahnmaterials 134 in Richtung des Pfeils G verfährt, wie in 31 gezeigt. Die Oberflächenprofilierung langgestreckter Gegenstände (beispielsweise Bahnen, Bögen) lässt sich ebenfalls mit einer Sonde messen, die auf einer Transporteinrichtung angeordnet ist, wie zuvor beschrieben. Die Analyse einer sich bewegenden Bahn ist dem Verfahren ähnlich, das zuvor für eine auf der schiefen Ebene P strömende Flüssigkeit beschrieben wurde. Der Volumenstrom pro Breiteneinheit Q ist jedoch nicht anwendbar. Auf ähnliche Weise lassen sich Messungen eines feststehenden Bahnmaterials oder frei fallender Flüssigkeiten durchführen. Längenmessungen sich bewegender Bahnen sind ebenfalls mit einer fest montierten optischen Sonde 132 möglich.
Die Analyse mehrerer Schichten ist eine Erweiterung der zuvor für einschichtige Systeme besprochenen Analyse. Um Schnittstellen in mehrschichtigen Systemen beobachten zu kön nen, muss zwischen den Schichten eine Gruppenbrechungsdifferenz bestehen. Als Beispiel sei ein zweischichtiges System mit Gruppenbrechungsindizes von n₁ und n₂ und einer Dicke t₁ bzw. t₂ angenommen. Die beobachtete Distanz zwischen den ersten beiden Reflexionen ist n₁t₁, während die beobachtete Distanz zwischen der zweiten und dritten Reflexion n₂t₂ ist, ohne dass eine Reflexion an der Fasersonde vorliegt. Für ein dreischichtiges System wäre die nächste beobachtete Distanz n₃t₃. Eine coextrudierte Bahn ist ein Beispiel eines mehrschichtigen Systems, das wie zuvor beschrieben analysierbar ist.
Die Analyse einer eine schiefe Ebene hinab strömenden Flüssigkeit ist ähnlich der zuvor zur Messung des Gruppenbrechungsindex beschriebenen Analyse, wobei die Rückseite des Gegenstands 25 und der Spiegel im Raum zusammenfallen. Die Analysen wurden an Flüssigkeiten durchgeführt, die eine 15,24 cm breite, schiefe Ebene P hinabströmten. Es wurden Newtonsche Flüssigkeiten bestehend aus Glycerin-/Wasser-Mischungen mit einer Viskosität von 9–53 mPa·s untersucht. Flüssigkeitsdicken wurden als eine Funktion des Volumenstroms im Bereich von 10–1000 cm³/min gemessen. Die Lösungen wurden mit hochgenauen Schraubenradpumpen dosiert. Es wurden transparente und farbstoffhaltige Lösungen bewertet, ohne dass zwischen diesen beiden Lösungstypen nennenswerte Unterschiede zu beobachten waren. Die gemessene Dicke zum Volumenstrom wurde mit theoretischen Ausdrücken auf der Grundlage Newtonscher Strömungsgleichungen verglichen. Es wurden Messungen mit der Standardvorrichtung und der Autokorrelationsvorrichtung vorgenommen. Die gemessenen Dicken lagen in allen Fällen innerhalb von 1% der theoretischen Werte. 32 zeigt Kurven der gemessenen und theoretischen Dicken für Glycerin-/Wasser-Mischungen mit zwei verschiedenen Viskositäten.
Die Dicke zum Volumenstrom für Newtonsche Flüssigkeiten wurde zur Berechnung der Viskosität der Lösungen verwendet. Tabelle 2 zeigt diese Berechnungen im Überblick. Zudem sind dort die mit einem Haake-Viskometer gemessenen Viskositäten aufgeführt. Die Standardabweichungen der Daten zeigen eine hohe Genauigkeit für diese Art von Messungen, wobei die Spalte Δ% die relativen Differenzen zwischen dem Haake-Viskometer und den mit der Standardvorrichtung gemessenen Viskositätswerten zeigt. Die berechneten Ergebnisse fallen im Vergleich mit den Daten des Haake-Viskometers günstig aus. Abweichungen können auf Temperaturschwankungen im Labor zurückzuführen sein, da die Viskosität von Glycerin stark temperaturabhängig ist.
Tabelle 2 Berechnete gegenüber gemessenen Viskositätsdaten
Nachfolgend wird ein Beispiel einer Oberflächenprofilierung eines langgestreckten Gegenstands beschrieben. Analysen wurden unter Nutzung einer langgestreckten, schiefen Ebene (wie Gegenstand 25) durchgeführt, um ein Durchhängen der schiefen Ebene in der Breite zu bestimmen. Für diese Analysen wurde die optische Sonde 132 auf dem Schlitten 136 ungefähr 10 mm über der Oberfläche der geneigten Ebene angeordnet. Die Sondenspitze x_P der optischen Sonde 132 hat eine feststehende, reflektierende Oberfläche, die dem Gegenstand 25 zugewandt ist. Der Schlitten 136 und die schiefe Ebene verlaufen nicht genau parallel zueinander. Die Distanz von der Sondenspitze y_P zur Oberfläche der schiefen Ebene wurde fortlaufend mit einer Messfrequenz von 10 Hz gemessen, während sich der Schlitten 136 mit einer Geschwindigkeit von 25,4 mm/s (1 Zoll/s) bewegte. Die Daten sind in 33 zusammen mit einem linearen Regressionsanalysenfit für diese Daten dargestellt. Die Abweichungen von einem linearen Fit (was eine Abweichung der Gegenstandsfläche von der Ebenheit anzeigt) wurden abgetragen und sind auf der Achse rechts in der Kurve dargestellt. Der relative Winkel zwischen der Verfahrbühne und der schiefen Ebene wurde mit 0,135 Grad aus der linearen Regressionsanalyse berechnet. Die Daten weisen zudem darauf hin, dass die schiefe Ebene in der Mitte durchhängt, wie anhand der Abweichungen von dem linearen Daten-Fit zu erkennen ist.
Es wurde eine Vorrichtung beschrieben, in der ein kohärentes Lichtinterferometer verwendet wird, um Datenerfassungs-Triggersignale bei konstanten Distanzintervallen zur Abtastung nicht kohärenter Lichtinterferometerdaten bereitzustellen. Die Geschwindigkeitssteuerung des Motors ist während des Messzyklus nicht erforderlich. Eine Ausgangsreferenzposition ist ebenfalls nicht erforderlich. Sobald die Vorrichtung eingerichtet und kalibriert ist, braucht sie vor Ort nicht weiter kalibriert zu werden. Das nicht kohärente Lichtinterferometer kann zudem eine Vielzahl nicht kohärenter Lichtquellen umfassen, die mit verschiedenen Wellenlängen arbeiten. Dies ermöglicht die simultane Messung von mehr als einer physikalischen Eigenschaft des Gegenstands, wie beispielsweise den Gruppenbrechungsindex und die Dicke.
Weitere Beispiele umfassen mehrere nicht kohärente Lichtinterferometer, die sich gemeinsam ein variables Strahlengang-Verzögerungselement 54 teilen. Derartige Beispiele sind in optischen Multiplexanwendungen verwendbar und ermöglichen die simultane Überwachung mehrerer Stellen des Gegenstands 25, die simultane Überwachung mehrerer Gegenstände mit einer einzelnen Messvorrichtung oder die simultane Überwachung mehr als einer physikalischen Eigenschaft des Gegenstands 25. Beispielsweise zeigt 34 die Einbeziehung zwei nicht kohärenter Lichtinterferometer 53, 53a. Das nicht kohärente Lichtinterferometer 53a beinhaltet eine LED 14a, eine Anwendungs- und Sammeleinrichtung 24a, eine Anwendungs- und Sammeleinrichtung 26a, einen Fotodetektor 32a, einen Optokoppler 18a sowie die Lichtleiter 16a, 20a, 22a und 34a. Wie in 34 gezeigt, sind die Anwendungs- und Sammeleinrichtungen 24, 24a an unterschiedlichen Stellen auf den Gegenstand 25 gerichtet. Alternativ hierzu können die Anwendungs- und Sammeleinrichtungen 24, 24a auch auf verschiedene Gegenstände gerichtet sein. In ähnlicher Weise lassen sich weitere, nicht kohärente Lichtinterferometer hinzufügen. Wahlweise kann eine nicht kohärente Lichtquelle 14, 14a durch Hinzufügen eines (nicht gezeigten) 1 × 2 Optokopplers dieselbe Lichtquelle sein. Derartige Multiplex-Konfigurationen gelten auch für die in 20 gezeigte optische Autokorrelationsvorrichtung 72. Es sind Multiplexkonfigurationen möglich, die aus Kombinationen einer Standardvorrichtung 52 und einer optischen Autokorrelationsvorrichtung 72 bestehen.

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen einer physikalischen Eigenschaft eines Gegenstands (25), der mindestens eine Licht reflektierende Oberfläche aufweist, wobei die Vorrichtung ein erstes Interferometer (55) mit einer kohärenten Lichtquelle (42) der Wellenlänge λ_C aufweist, das ein kohärentes Lichtinterferenzsignal bilden kann, ferner ein zweites Interferometer (53) mit einer nichtkohärenten Lichtquelle (14), das ein nichtkohärentes Lichtinterferenzsignal bilden kann, welches die physikalische Eigenschaft des Gegenstands (25) kennzeichnet, und eine Einrichtung (50) zum Messen des kohärenten Lichtinterferenzsignals in Abhängigkeit von der Verschiebung des variablen Strahlengang-Verzögerungselements (54), gekennzeichnet durch – die ersten und zweiten Interferometer (55, 53), die miteinander in Verbindung stehen und sich ein gemeinsames, variables Strahlengang-Verzögerungselement (54) teilen, welches über eine Distanz verschiebbar ist, die ausreicht, die physikalische Eigenschaft des Gegenstands (25) zu bestimmen; – eine Einrichtung (66) zum Erzeugen von Datenerfassungs-Triggersignalen in konstanten Verschiebeabständen des variablen Strahlengang-Verzögerungselements (54), basierend auf dem kohärenten Lichtinterferenzsignal; – eine Einrichtung (32) zum Messen der Amplitude des nichtkohärenten Lichtinterferenzsignals in Abhängigkeit von der Verschiebung des variablen Strahlengang-Verzögerungselements (54); – eine Einrichtung (64), welche die Datenerfassungs-Triggersignale benutzt, um die Amplitude des nichtkohärenten Lichtinterferenzsignals in konstanten Verschiebeabständen abzutasten; und – eine Einrichtung (64) zum Bestimmen der physikalischen Eigenschaft des Gegenstands (25) aus dem abgetasteten nichtkohärenten Lichtinterferenzsignal.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Interferometer (53) eine Lichtquellenabzweigung aufweist, und dass der Gegenstand (25) in der Lichtquellenabzweigung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtkohärente Lichtquelle (14) auf den Gegenstand (25) gerichtet ist und dieser ein Teil des einfallenden Lichts in das zweite Interferometer (53) reflektiert, um das nichtkohärente Lichtinterferenzsignal zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Interferometer (53) eine Vielzahl von Interferenzabzweigungen aufweist, und dass der Gegenstand (25) in einer der Vielzahl von Interferenzabzweigungen angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das variable Strahlengang-Verzögerungselement (54) verschiebbar ist, um die Strahlengangverzögerung des variablen Strahlengang-Verzögerungselements (54) über die für die Bestimmung der physikalischen Eigenschaft des Gegenstands (25) ausreichende Distanz abwechselnd monoton zu erhöhen und monoton zu verringern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (64) zur Verwendung des Datenerfassungs-Triggersignals die Amplitude des nichtkohärenten Lichtinterferenzsignals in den konstanten Verschiebeabständen abtastet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (64) zur Verwendung des Datenerfassungs-Triggersignals eine Teilmenge der Datenerfassungs-Triggersignale der konstanten Verschiebeabstände benutzt, um die Amplitude des nichtkohärenten Lichtinterferenzsignals abzutasten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende physikalische Eigenschaft des Gegenstands (25) die Dicke des Strahlengangs ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messenden physikalischen Eigenschaften des Gegenstands (25) Gruppenbrechungsindex und Dicke sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand (25) in einer Interferenzabzweigung des zweiten Interferometers (53) angeordnet ist.
Verfahren zum Bestimmen einer physikalischen Eigenschaft eines Gegenstands (25), wobei ein erstes Interferometer (55) mit einer kohärenten Lichtquelle (42) der Wellenlänge λ_C vorgesehen ist, das ein kohärentes Lichtinterferenzsignal bildet, ferner ein zweites Interferometer (53) mit einer nichtkohärenten Lichtquelle (14), das ein nichtkohärentes Lichtinterferenzsignal bildet, welches die physikalische Eigenschaft des Gegenstands (25) kennzeichnet, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: – Zuordnen des ersten und zweiten Interferometers (55, 53) durch Teilen eines gemeinsamen, variablen Strahlengang-Verzögerungselements (54); – Verschieben des variablen Strahlengang-Verzögerungselements (54) und Messen des kohärenten Lichtinterferenzsignals in Abhängigkeit von der Verschiebung des variablen Strahlengang-Verzögerungselements (54), wobei die Verschiebung des variablen Strahlengang-Verzögerungselements (54) über eine Distanz erfolgt, die ausreicht, die physikalische Eigenschaft des Gegenstands (25) zu bestimmen; – Benutzen des kohärenten Lichtinterferenzsignals, um Datenerfassungs-Triggersignale in konstanten Verschiebeabständen des variablen Strahlengang-Verzögerungselements (54) zu erzeugen; – Messen der Amplitude des nichtkohärenten Lichtinterferenzsignals in Abhängigkeit von der Verschiebung des variablen Strahlengang-Verzögerungselements (54); – Benutzen der erzeugten Datenerfassungs-Triggersignale, um die Amplitude des nichtkohärenten Lichtinterferenzsignals in konstanten Verschiebeabständen abzutasten; und – Bestimmen der physikalischen Eigenschaft des Gegenstands (25) aus dem abgetasteten nichtkohärenten Lichtinterferenzsignal.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch folgenden weiteren Schritt: – Positionieren des Gegenstands (25) in einer Lichtquellenabzweigung des zweiten Interferometers (53).
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: – Positionieren des Gegenstands (25) in einer Interferenzabzweigung des zweiten Interferometers (53).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zum Verschieben des variablen Strahlengang-Verzögerungselements (54) die Strahlengangverzögerung des variablen Strahlengang-Verzögerungselements (54) über die für die Bestimmung der physikalischen Eigenschaft des Gegenstands (25) ausreichende Distanz abwechselnd monoton erhöht und monoton verringert.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenerfassungs-Triggersignale in λ_C/4 entsprechenden, konstanten Verschiebeabständen des variablen Strahlengang-Verzögerungselements (54) erzeugt werden, und dass der Schritt zum Benutzen der Datenerfassungs-Triggersignale eine Teilmenge der Datenerfassungs-Triggersignale in nλ_C/4 entsprechenden, konstanten Verschiebeabständen verwendet, um die Amplitude des nichtkohärenten Lichtinterferenzsignals in konstanten Verschiebeabständen abzutasten, wobei n eine kleine ganze Zahl ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Interferometer (53) ferner eine optische Sonde (132) mit einer stationären Reflexionsfläche aufweist, und dass das Verfahren noch folgende Schritte umfasst: – Befestigen der optischen Sonde (132) an einem querbewegbaren Rahmen, so dass die Reflexionsfläche dem Gegenstand (25) zugekehrt ist; und – Bewegen der optischen Sonde (132) quer zum Gegenstand (25).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zum Bestimmen der physikalischen Eigenschaft des Gegenstands (25) aus dem abgetasteten nichtkohärenten Lichtinterferenzsignal ferner folgende Schritte umfasst: – Digitalisieren (86) des abgetasteten, nichtkohärenten Lichtinterferenzsignals; – Speichern (87) des digitalisierten, abgetasteten, nichtkohärenten Lichtinterferenzsignals in einer Datenanordnung; und – Analysieren (90) der gespeicherten Datenanordnung, um die physikalische Eigenschaft des Gegenstands (25) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zum Analysieren der gespeicherten Datenanordnung, um die physikalische Eigenschaft des Gegenstands (25) zu bestimmen, folgende zusätzlichen Schritte umfasst: – Berechnen (111) einer Absolutwert-Anordnung aus der Datenanordnung; – Bilden (112) eines Gaußschen gewichteten Mittelwerts der Absolutwert-Anordnung; – Auffinden (113) eines Gaußschen Maximums; – Durchführen (114) einer Regressionsanalyse; und – Berechnen der physikalischen Eigenschaft des Gegenstands (25).