WO2011151255A1 - Messeinrichtung und messverfahren zur absoluten abstandsmessung - Google Patents

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WO2011151255A1
WO2011151255A1 PCT/EP2011/058676 EP2011058676W WO2011151255A1 WO 2011151255 A1 WO2011151255 A1 WO 2011151255A1 EP 2011058676 W EP2011058676 W EP 2011058676W WO 2011151255 A1 WO2011151255 A1 WO 2011151255A1
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light
measuring device
interferometer
light path
measuring
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PCT/EP2011/058676
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Peter Lehmann
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Carl Mahr Holding Gmbh
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    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/0209—Low-coherence interferometers

Definitions

  • the present invention relates to an optoelectronic measuring device or an optoelectric measuring method for absolute distance measurement between a probe and an object surface.
  • the measuring device has an interferometer and a photosensor.
  • the photo sensor measures the intensity of the light emitted by the interferometer. By evaluating the intensity signal, the distance can be determined.
  • the provided there interferometer comprises a beam splitter which splits the light reflected from the object surface and a reference surface in a reference light into a first and ei ⁇ NEN second light path.
  • the light in the first and in the second light path is subsequently superimposed again and fed to a line scan camera.
  • ⁇ at least one of the interferometer on an optical path is thereby inclined to achieve the desired interference pattern. It has, however, shown that the Anord ⁇ planning, installation and adjustment of the interferometer is due to the inclination of a very interferometer mirror on ⁇ agile.
  • the line camera detects a measuring point on the object surface at a time, however, limits the miniaturization of the Messeinrich ⁇ processing.
  • the signal intensity may vary ⁇ rich over the Messbe.
  • a measuring device with the features of claim 1 and a measuring method with the features of claim 13. It is used by a light source, which preferably comprises a plurality of lamps, such When ⁇ game more superluminescent diodes (SLDs) short coherent light.
  • SLDs superluminescent diodes
  • the emitted light is split in a probe into a measuring light path and a reference light path.
  • the probe receives the light reflected in the measuring light path from the object surface as well as the light reflected in the reference light path from a reference surface.
  • the distance between the Refe ⁇ rence surface and the object surface is preferably greater than the coherence length of the light of the light source used, so that the light reflected at the object surface on the one hand and on the reference surface the other hand, light is not inter feriert ⁇ .
  • the light reflected at the reference surface and at the object surface is picked up by an interferometer. This divides the reflected light into a first light path and a second light path, wherein the length of the two light paths is preferably different from each other. Specifically, the difference between the two light paths is that the distance between the Refe rence ⁇ surface and the object surface is compensated so selected.
  • the length of the light paths is given by an interferometer mirror.
  • the second interferometer mirror provided in the second light path is in particular adjustable in order to adjust the difference in the two light paths. SUC The adjustment can be done manually or automatically at the distance Zvi ⁇ rule reference surface and the object surface adapted ⁇ gen.
  • the first interferometer mirror present in the first light path can be oscillated via an oscillation device.
  • the interferometer mirror is oscillated in the direction of the optical axis of the first optical path. Due to this oscillating movement, the difference between the two light paths increases or decreases by the amplitude of the oscillation movement.
  • the light reflected at the interferometer mirrors is then superimposed by a superposition means, where ⁇ occur by interference effects.
  • the intensity of the superimposed light changes depending on the oscillation movement of the first interferometer mirror and is detected by a photosensor.
  • the photosensor is preferably formed by a photodiode, a photoresistor or a photo ⁇ transistor. It is designed as a point sensor, so ⁇ say approximately zero-dimensional.
  • the desired measurement range can be predetermined and influenced by the amplitude of the oscillation movement of the first interferometer mirror.
  • the oscillation amplitude can be between ei ⁇ nigen micrometers and a few hundred micrometers.
  • the measuring frequency of the measuring device or the measuring method is determined.
  • Favor ⁇ te oscillation frequencies are in the range of a few hundred hertz to about 100 kilohertz.
  • the interferometer are designed as plane mirrors, extending perpendicularly to the op ⁇ tables axis of the respective light path.
  • Flat mirrors are inexpensive to produce.
  • the center wavelengths of the emitted light from the two superluminescent are different.
  • the desired short-coherent light can be generated.
  • the difference between the centroid wavelengths may be 50 to 100 nanometers.
  • the centroid wavelength of one diode is 750 nanometers and that of the other diode is 830 nanometers.
  • the spektra ⁇ le width of the radiated from a superluminescent light is approximately 20 to 30 nanometers.
  • ⁇ ser also merely a superluminescent diode may be used with correspondingly wider spectral instead of two superluminescent diodes to testify sufficiently short coherent light to he ⁇ .
  • Other combinations of bulbs are possible, for example, a superluminescent diode with egg ⁇ ner laser diode or the like.
  • a collimator element is preferably present on the probe, which serves to radiate the light into the measuring light path.
  • the collimator element By means of the collimator element, focusing of the measuring light beam on the object surface can be achieved.
  • the probe has at this Ausges ⁇ taltung a very compact design and requires little space.
  • an optical element may be provided between the interferometer and the photosensor. This optical element can also change the propagation direction of the light between the interferometer and the photosensor.
  • the electrical sensor signal generated by the photo sensor is preferably transmitted to an evaluation device which determines the distance value.
  • the analog sensor signal is converted into a digital signal.
  • an analog filtering of the sensor signal is carried out in particular before the analog-to-digital conversion.
  • an analog filter in the form of a bandpass filter may be arranged in the evaluation device before the analog-to-digital converter.
  • the analog to digital converter of the evaluation device is preferably configured as a 2-channel analog-to-digital converter that samples the sensor signal, as well as the oscillation of the first interferometer mirror describing oscillations ⁇ acceleration signal synchronously.
  • the digitized oscillations ⁇ acceleration signal serves as a reference signal for determining the zero position of the digitized sensor signal for the further distance value determination.
  • a measuring method with one or more of three steps can be carried out in the evaluation device.
  • a distance value can be determined thereby, wherein the clarity and reliability of the individual From ⁇ resistance values are different.
  • two of these steps, during the measurement process in the off ⁇ values means are at least performed.
  • the first distance value is determined on the basis of the interference maximum.
  • a phase difference between different light colors reflected by the object surface is determined.
  • the phase is determined at least a light color of the re ⁇ inflected from the object surface light and compared with a predetermined phase value. Based on the comparison result, the third distance value is determined.
  • the accuracy increases from the first to the third distance value, while the uniqueness decreases. Therefore, it is particularly preferred the three steps in the order named Maschinenpsy ⁇ reindeer to get as big a uniqueness, as well as a large ⁇ SSE measurement accuracy.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a first execution ⁇ embodiment of a measuring device
  • Figures 2 and 3 the course of a Oszillati ⁇ onscho each of the first interferometer mirror of the measuring device
  • FIG. 4 shows a diagram which schematically illustrates the steps of a measuring method for determining distance values
  • FIG. 5 is a block diagram of a modified Aus ⁇ guide example of the measuring device shown in Figure 1 and
  • FIG. 6 shows a modified embodiment of a probe for a measuring device according to FIGS. 1 or 5.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a Messein ⁇ device 10, used for determining a distance value d Zvi ⁇ rule a light exit surface 11, a probe 12 and ei ⁇ ner object surface 13 is used.
  • the distance d is determined praxisför ⁇ mig along the optical axis 14 of the probe 12.
  • To the measuring device 10 includes a light source 15, which has several and in particular two lamps in the embodiment.
  • two superluminescent diodes 16 (SLDs) are preferably used.
  • the superluminescent diodes 16 each emit light having a spectral width of about 20 to 40 nm.
  • Her main ⁇ center wavelengths are different, the superluminescent diode 16 has a center wavelength of about 750 nm and the other a superluminescent
  • the two superluminescent diodes 16 are each provided with a monomode fiber, whereby a so-called fiber pigtail 17 is formed.
  • the superluminescent diodes 16 are connected to a first fiber coupler 18 via the respective fiber pigtail 17.
  • the first fiber coupler 18 is connected via a first Monomo ⁇ dentura 22 with a second fiber coupler 23.
  • a second monomode fiber 24 connects the second fiber coupler 23 to the probe 12.
  • the probe 12 is preferably configured as an optical microprobe.
  • the light exit ⁇ surface 11 may in this case be designed curved in parallel to the current through them spherical optical wave is as shown in phantom in Figure 1 illustrated by the light emergence ⁇ surface 11 '.
  • the plane light exit surface 11 shown by solid Li ⁇ never can be provided if the distance d is small enough, so that only negligible disturbances in the measurement occur.
  • the numerical aperture of the optical element 25 of the probe 12 is large and preferably greater than 0.1. As a result, high resolutions can be achieved and the measurement is insensitive to local inclinations of the object surface 13.
  • As an optical element 25 also so-called GRIN lenses (gradient index lenses) can be used. It is also possible to arrange an inclined mirror 26 within the probe 12 between the second monomode fiber 24 and the optical element 25. The direction of light entry at the end of the monomode fiber 24 into the probe 12 is thereby changed with respect to the light exit direction and the optical axis 14. Characterized measuring probes can be constructed so to speak, to the side 12, as is shown by way of example ⁇ schematically in FIG. 6
  • the optical element 25 of the probe 12 is designed as a collimation ⁇ gate member and also serves to focus the exiting at the light exit surface 11 of light.
  • the light coupled from the light source 15 through the single mode fibers 22, 24 in the probe 12 light passes through the part a re ⁇ ferenzetterweg R and partly a measuring light path M.
  • the Re ⁇ ferenzanderweg terminates at a reference surface 27 in the Son ⁇ en 12, for example in accordance with on the optical element 25 and is preferably provided at the light exit surface 11.
  • Both the light reflected in the reference light path R and the light reflected in the measurement light path M are fed back into the second monomode fiber 24 and forwarded to an interferometer 30 via a third monomode fiber 29 which is connected to the second fiber coupler 23. In this transmission, there is no interference, since the difference between the two light paths M, R is greater than the coherence length of the light.
  • the interferometer 30 is preferably designed as a Michelson interferometer.
  • a collimator 31 is provided, which generates a substantially parallel light beam which exits at the collimator 31 and is directed onto a beam splitter 32 of the interferometer 30.
  • the beam splitter 32 divides the light emitted by the collimator 31 into a first light path LI and a second light path L2.
  • the two light paths LI, L2 are under ⁇ differently long.
  • the first light path LI is bounded by the beam divider 32 and a first interferometer mirror 33 and the second light path L2 by the beam splitter 32 and a second interferometer mirror 34.
  • the light reflected at the interferometer mirrors 33, 34 becomes light at the beam splitter 32 superimposed again and interferes.
  • the interference is detected by a photosensor 35.
  • a further optical element 36 may be provided to optimally illuminate the photosensitive surface of the photosensor 35.
  • the photosensor 35 is preferably formed by a photodiode.
  • the photosensor 35 transmits a sensor signal S to an evaluation device 37 of the measuring device 10.
  • the two interferometer mirrors 33, 34 are designed as plan ⁇ mirror.
  • the first interferometer mirror 33 is oriented at right angles to the optical axis 40 of the first light path LI and the second interferometer mirror 34 is oriented perpendicular to the optical axis 41 of the second light path L2.
  • the length difference of the two light paths LI, L2 corresponds to the difference in length between the measuring light path M and the reference light R.
  • the second interferometers Mirror mirror 34 in the direction of the optical axis 41 of the second light path L2 slidably.
  • the adjustment or positioning of the second interferometer mirror 34 may ⁇ SUC gene, either manually or by an adjustment drive 42, which is controlled by the evaluation device 37th In this way, tracking of the second interferometer mirror 34 can depend on the determined distance value d done automatically.
  • the difference in length in the light paths LI, L2 then automatically compensates for the difference in length between the reference light path R and the measuring light path M.
  • the measuring device 10 further comprises an oscillation device 45.
  • the oscillating means 45 contains an oscillating drive 46 which is connected to the first ⁇ In terferometerapt 33rd
  • the oscillation ⁇ SDRIVE 46 may assert the first interferometer 33, an oscillatory movement in the direction of the optical axis 40 of the first light path LI. In this case, enlarged and verrin ⁇ Gert the first interferometer 33 the first light path LI, starting from its zero position periodically.
  • Oszillati ⁇ onsantrieb 45 can serve for example a piezoelectric actuator or a micromechanical translation actuator.
  • the oscillation drive 46 is driven by a signal generator 47.
  • the signal generator 47 generates a vibration signal P having an amplitude A and a frequency f. Both the amplitude A and the frequency f can be varied and set by the operator of the measuring device 10. exemplary
  • Vibration waveforms P are shown in Figures 2 and 3.
  • An oscillation half-wave signal is preferential ⁇ symmetrical to a straight line through the maximum or minimum. It can be caused triangular or sinusoidal vibra ⁇ tion signal waveforms. Due to the raised stabili ⁇ hung in the oscillation frequency f, the measuring rate of the measuring device 10 can be increased or vice versa.
  • the amplitude A defines the measuring range of the measuring device 10.
  • On the oscillating signal P can be adapted to be performed by the measuring device 10 ⁇ measurement process to the respective measurement task.
  • the evaluation device 37 has an analog filter 50 for filtering the sensor signal S on.
  • the analog Fil ⁇ ter 50 removes high frequency disturbances and sliding parts Chan ⁇ .
  • the analog filter 50 from the sensor signal p can be configured for example as a band pass or as a combination of low and high pass ⁇ .
  • the filtered signal G is then transmitted to an analog-to-digital converter 51.
  • the analog-to-digital conversion takes place synchronously with the oscillation signal P of the signal generator 47.
  • the analog-to-digital converter 51 is designed as a 2-channel converter.
  • the oscillation signal and the filtered signal P G tet it tas ⁇ synchronously and generates from the analog filtered signal G a first digital signal Dl and from the vibration signal P ⁇ a second digital signal D2.
  • the second digi ⁇ tales signal D2 serves as a reference signal for determining the zero position of the first digital signal Dl. This synchronous sampling provides an accurate determination of the zero position securely and increases the accuracy in
  • the sampling frequency is determined taking into account the oscillation frequency f and / or the bandwidth of the analog bandpass 50. Starting from the consideration that the distance d with respect to the oscillation frequency f varies only very slowly, a sub-sampling for digitizing the filtered sensor signal G without Informa ⁇ tion loss may be sufficient.
  • the first digital signal Dl is then evaluated in an evaluation block 52 of the evaluation device 37. At least one value for the distance d is determined.
  • the ⁇ He mediation of the distance value d is done in three steps:
  • the light emitted by the light source 15 of the light The superluminescent diode 16 is fed into the reference light path R and into the measuring light path M of the probe 12.
  • ⁇ probably the most from the reference light R, and the light path of the measuring ⁇ M reflected light is in the interferometer 30 in the first and second optical path LI, L2 divided and then superimposed again to witness an interference to he ⁇ .
  • the interference is detected by the photosensor 35 and transmitted as a sensor signal S to the evaluation unit 37.
  • ⁇ 2 phase of the light of the spot wavelength ⁇ 2 ,
  • ⁇ is a synthetic wavelength that is depen ⁇ gig of the two center wavelengths ⁇ 2 of the X lr
  • the second distance value d 2 is clearly more accurate than the first distance value d i.
  • the factor m 2 is in equation
  • phase values ci, ⁇ 2 are performed to obtain the phase values ci, ⁇ 2 .
  • a third distance value d 3 is determined whose accuracy is further increased.
  • the Be ⁇ statement is reported using the following equation: _L
  • the factor m 3 is the integer value at which the difference between the third distance value d 3 and the second distance value d 2 is minimal.
  • the value ⁇ 0 is determined by calibration and represents a constant. In the evaluation block 52 can also be only one or two of the above to determine the distance value d
  • FIG. 5 shows a modified embodiment of the measuring device 10 is shown.
  • the difference with respect to the embodiment according to FIG. 1 is that the reference surface 27 is not provided on the optical element 25 of the probe 12, but on a separate mirror 57 in the reference light path R.
  • the reference light path R is executed separately from the measuring light path M in this embodiment.
  • a further, fourth monomode fiber 58 is connected to the second monomode fiber 24 via a third fiber coupler 59 for this purpose.
  • the third fiber coupler 59 is inserted into the second single-mode fiber 24 connecting the second fiber coupler 23 to the probe 12.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 5 corresponds to the first exemplary embodiment according to FIG. 1, so that reference is made to the above description.
  • the present invention relates to a Messeinrich ⁇ processing and a measurement method for determining an absolute distance value between a probe 12 and an object surface 13.
  • the distance value d of the probe 12 is thereby punctiform Be ⁇ area of the optical axis 14 determines.
  • the measuring device has a light source 15, which emits Bogdanko ⁇ hdtes light. In a measuring light path, the light is M ge ⁇ directed through the probe 12 to the object surface 13 and receive the light reflected there again. Another part of the light of the light source 15 passes through a reference light path R up to a reference surface 27 and from there back. The light reflected on the reference surface 27 and the object surface 13 is fed to an interferometer 30 and there split into a first light path LI and a second light path L2.
  • the two light paths LI, L2 are of different lengths and compensate for the difference between the reference light path R and the measuring light path M.
  • the first interferometer mirror 33 present in the first light path LI oscillates in the direction of the optical axis 40 of the first light path LI.
  • the light from the two Lichtwe ⁇ gen LI, L2 is superimposed and because of the oscillation of the first interferometer mirror 33, a Interfe ⁇ ence pattern forms in the superimposed light, which are detected by a photo sensor 35th
  • the distance value d is determined in an evaluation device 37 connected to the photosensor 35.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung und ein Messverfahren zur Bestimmung eines absoluten Abstandswerts zwischen einer Sonde (12) und einer Objektoberfläche (13). Der Abstandswert (d) wird dabei punktförmig im Bereich der optischen Achse (14) der Sonde (12) bestimmt. Die Messeinrichtung weist eine Lichtquelle (15) auf, die kurzkohärentes Licht aussendet. In einem Messlichtweg (M) wird das Licht durch die Sonde (12) auf die Objektoberfläche (13) gerichtet und das dort reflektierte Licht wieder empfangen. Ein anderer Teil des Lichts der Lichtquelle (15) durchläuft einen Referenzlichtweg bis zu einer Referenzfläche (27) und von dort wieder zurück. Das an der Referenzfläche (27) sowie der Objektoberfläche (13) reflektierte Licht wird einem Interferometer (30) zugeführt und dort in einen ersten Lichtweg (L1) sowie einen zweiten Lichtweg (L2) aufgeteilt. Die beiden Lichtwege (L1), (L2) sind unterschiedlich lang und kompensieren die Differenz zwischen Referenzlichtweg (R) und Messlichtweg (M). Der im ersten Lichtweg (L1) vorhandene erste Interferometerspiegel (33) oszilliert in Richtung der optischen Achse (40) des ersten Lichtwegs (L1). Das Licht aus den beiden Lichtwegen (L1), (L2) wird überlagert und wegen der Oszillation des ersten Interferometerspiegels (33) bilden sich Interferenzmuster im überlagerten Licht, die von einem Fotosensor (35) detektiert werden. Der Abstandswert (d) wird in einer an den Fotosensor (35) angeschlossenen Auswerteeinrichtung (37) ermittelt.

Description

Messeinrichtung und Messverfahren zur absoluten Abstandsmessung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektri- sche Messeinrichtung bzw. ein optoelektrisches Messverfahren zur absoluten Abstandsmessung zwischen einer Sonde und einer Objektoberfläche. Die Messeinrichtung verfügt über ein Interferometer und einen Fotosensor. Der Fotosensor misst die Intensität des vom Interferometer abgestrahlten Lichts. Durch Auswertung des Intensitätssignals kann der Abstand ermittelt werden.
Im Stand der Technik sind hierzu verschiedene Verfah¬ ren bekannt. Beispielsweise wird beim Verfahren bzw. der Vorrichtung nach DE 198 08 273 AI ein Heterodyninterferome¬ ter eingesetzt, das akustooptische Modulatoren aufweist. Durch diese Modulatoren werden zwei verschiedene sinusförmige Zeitsignale erzeugt. Zur Abstandsmessung wird die Dif¬ ferenzfrequenz dieser Zeitsignale ausgewertet. Eine solche Einrichtung ist sehr aufwendig und teuer.
Aus DE 10 2005 061 464 ist eine demgegenüber deutlich einfachere Messeinrichtung bekannt. Das dort vorgesehene Interferometer weist einen Strahlteiler auf, der das von der Objektoberfläche und von einer Referenzfläche in einem Referenzlichtweg reflektierte Licht in einen ersten und ei¬ nen zweiten Lichtweg aufteilt. Zur Interferenzbildung wird das Licht im ersten und im zweiten Lichtweg anschließend wieder überlagert und einer Zeilenkamera zugeführt. Zumin¬ dest einer der Interferometerspiegel in einem Lichtweg ist dabei schräg gestellt, um das gewünschte Interferenzmuster zu erreichen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Anord¬ nung, Montage und Justage des Interferometers bedingt durch die Schrägstellung eines Interferometerspiegels sehr auf¬ wendig ist. Wegen der Spiegelschrägstellung und der dadurch schräg zur optischen Achse gerichteten Lichtstrahlen treten auch Dispersionseffekte auf. Bei dieser Anordnung ist eine gewisse Strahlaufweitung erforderlich, wodurch allerdings die Lichtausbeute sinkt. Die Zeilenkamera erfasst eine Messstelle auf der Objektoberfläche zu einem Zeitpunkt schränkt jedoch die Miniaturisierbarkeit der Messeinrich¬ tung ein. Auch kann die Signalintensität über den Messbe¬ reich schwanken.
Es kann daher als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, die bekannten interferometrischen Verfahren und Einrichtung zur Abstandsmessung zu verbessern .
Diese Aufgabe wird durch eine Messeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Messverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 erreicht. Es wird kurzkohärentes Licht von einer Lichtquelle verwendet, die vorzugsweise mehrere Leuchtmittel aufweist, wie zum Bei¬ spiel mehrere Superlumineszenzdioden (SLDs) . Das ausgesendete Licht wird in einer Sonde in einen Messlichtweg und einen Referenzlichtweg aufgeteilt. Die Sonde empfängt das im Messlichtweg von der Objektoberfläche reflektierte Licht sowie das im Referenzlichtweg von einer Referenzfläche re¬ flektierte Licht. Dabei ist der Abstand zwischen der Refe¬ renzfläche und der Objektoberfläche insbesondere größer als die Kohärenzlänge des verwendeten Lichts der Lichtquelle, so dass das an der Objektoberfläche einerseits und an der Referenzfläche andererseits reflektierte Licht nicht inter¬ feriert . Das an der Referenzfläche und an der Objektoberfläche reflektierte Licht wird von einem Interferometer aufgenommen. Dieses teilt das reflektierte Licht in einen ersten Lichtweg und einen zweiten Lichtweg auf, wobei die Länge der beiden Lichtwege vorzugsweise unterschiedlich voneinander ist. Insbesondere ist die Differenz zwischen den beiden Lichtwegen so gewählt, dass der Abstand zwischen der Refe¬ renzfläche und der Objektoberfläche kompensiert wird. Die Länge der Lichtwege wird durch jeweils einen Interferome- terspiegel vorgegeben. Der im zweiten Lichtweg vorgesehene zweite Interferometerspiegel ist insbesondere justierbar, um die Differenz in den beiden Lichtwegen einzustellen. Die Justage kann manuell oder automatisiert an den Abstand zwi¬ schen Referenzfläche und Objektoberfläche angepasst erfol¬ gen .
Der im ersten Lichtweg vorhandene erste Interferome- terspiegel ist über eine Oszillationseinrichtung oszillierend bewegbar. Vorzugsweise wird der Interferometerspiegel oszillierend in Richtung der optischen Achse des ersten Lichtweges bewegt. Aufgrund dieser oszillierenden Bewegung erhöht bzw. verringert sich die Differenz zwischen den beiden Lichtwegen um die Amplitude der Oszillationsbewegung. Das an den Interferometerspiegeln reflektierte Licht wird anschließend durch ein Überlagerungsmittel überlagert, wo¬ durch Interferenzeffekte auftreten. Die Intensität des ü- berlagerten Lichts ändert sich abhängig von der Oszillationsbewegung des ersten Interferometerspiegels und wird von einem Fotosensor erfasst. Der Fotosensor ist vorzugsweise von einer Fotodiode, einem Fotowiderstand oder einem Foto¬ transistor gebildet. Er ist als Punktsensor ausgeführt, so¬ zusagen annähernd nulldimesional . Während einer halben Pe¬ riodendauer der Oszillationsbewegung wird daher lediglich der Abstand an einer einzigen punktförmigen Stelle der Ob- j ektoberflache zu einem Zeitpunkt erfasst. Die Intensität wird durch den Fotosensor an dieser einen Messstelle abhängig von der Zeit erfasst. Eine Strahlaufweitung ist daher nicht notwendig und es können sehr klein bauende Anordnun¬ gen realisiert werden.
Bei dieser Anordnung kann der gewünschte Messbereich durch die Amplitude der Oszillationsbewegung des ersten In- terferometerspiegels vorgegeben und beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Oszillationsamplitude zwischen ei¬ nigen Mikrometern und einigen hundert Mikrometern liegen. Über die Oszillationsfrequenz wird die Messfrequenz der Messeinrichtung bzw. des Messverfahrens bestimmt. Bevorzug¬ te Oszillationsfrequenzen liegen im Bereich von einigen 100 Hertz bis etwa 100 Kilohertz.
Im Interferometer sind bei dieser Bauart keine Spie¬ gelschrägstellung und keine Strahlaufweitung erforderlich. Dadurch steigt die Lichtausbeute am Fotosensor. Die Signal¬ intensität ist über den gesamten Messbereich gleich. Da die Lichtstrahlen in Richtung der optischen Achse der Lichtwege verlaufen, sind Dispersionseffekte vermieden. Die Interfe- rometerspiegel können rechtwinklig zu der optischen Achse des jeweiligen Lichtwegs ausgerichtet werden, was den Auf¬ bau und die Montage deutlich vereinfacht und die Kosten der Messeinrichtung senkt.
Es ist vorteilhaft, wenn die Interferometerspiegel als Planspiegel ausgeführt sind, die sich rechtwinklig zur op¬ tischen Achse des jeweiligen Lichtwegs erstrecken. Planspiegel sind kostengünstig herzustellen.
Vorzugsweise werden als Lichtquelle zwei Superlumines¬ zenzdioden verwendet, wobei die Schwerpunktwellenlängen des von den beiden Superlumineszenzdioden abgestrahlten Lichts unterschiedlich sind. Auf diese Weise kann das gewünschte kurzkohärente Licht erzeugt werden. Beispielsweise kann die Differenz zwischen den Schwerpunktwellenlängen 50 bis 100 Nanometer betragen. Bei einer bevorzugten Ausführung beträgt die Schwerpunktwellenlänge der einen Diode 750 Nano¬ meter und die der anderen Diode 830 Nanometer. Die spektra¬ le Breite des von einer Superlumineszenzdiode abgestrahlten Lichts beträgt etwa 20 bis 30 Nanometer. Alternativ zu die¬ ser bevorzugten Ausführungsform kann anstelle von zwei Superlumineszenzdioden auch lediglich eine Superlumineszenzdiode mit entsprechend breiter Spektralcharakteristik verwendet werden, um ausreichend kurzkohärentes Licht zu er¬ zeugen. Auch andere Kombinationen von Leuchtmitteln sind möglich, beispielsweise einer Superlumineszenzdiode mit ei¬ ner Laserdiode oder dergleichen.
An der Sonde ist vorzugsweise ein Kollimatorelement vorhanden, das zur Abstrahlung des Lichts in den Messlichtweg dient. Über das Kollimatorelement kann eine Fokussie- rung des Messlichtstrahls auf die Objektoberfläche erreicht werden. Gleichzeitig ist es auch möglich, die Referenzflä¬ che am Kollimatorelement vorzusehen und insbesondere an der Austrittsfläche des Messlichtstrahls am Kollimatorelement. Auf die Weise wird in der Sonde eine so genannte Common- path-Anordnung erreicht. Die Sonde weist bei dieser Ausges¬ taltung einen sehr kompakten Aufbau auf und benötigt wenig Bauraum .
Um die Ausleuchtung des Fotosensors und die Lichtaus¬ beute zu verbessern, kann zwischen dem Interferometer und dem Fotosensor ein optisches Element vorgesehen sein. Dieses optische Element kann auch die Ausbreitungsrichtung des Lichts zwischen Interferometer und Fotosensor ändern.
Das vom Fotosensor erzeugte elektrische Sensorsignal wird vorzugsweise an eine Auswerteeinrichtung übermittelt, die den Abstandswert bestimmt. Vor der Berechnung des Ab¬ standswertes wird das analoge Sensorsignal in ein digitales Signal gewandelt. Zur Verbesserung der Signalqualität wird insbesondere vor der Analog-Digital-Wandlung eine analoge Filterung des Sensorsignals durchgeführt. Beispielsweise kann ein analoges Filter in Form eines Bandpasses in der Auswerteeinrichtung vor dem Analog-Digital-Wandler angeordnet sein. Der Analog-Digital-Wandler der Auswerteeinrichtung ist bevorzugt als 2-Kanal-Analog-Digital-Wandler ausgeführt, der das Sensorsignal, sowie ein die Oszillation des ersten Interferometerspiegels beschreibendes Schwin¬ gungssignal synchron abtastet. Das digitalisierte Schwin¬ gungssignal dient als Referenzsignal zur Bestimmung der Nulllage des digitalisierten Sensorsignals für die weitere Abstandswertbestimmung .
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann in der Auswerteeinrichtung ein Messverfahren mit einen oder mehreren von drei Schritten ausgeführt werden. In jedem Schritt kann dabei ein Abstandswert ermittelt werden, wobei die Eindeutigkeit und die Messgenauigkeit der einzelnen Ab¬ standswerte verschieden ist. Vorzugsweise werden zumindest zwei dieser Schritte während des Messvorgangs in der Aus¬ werteeinrichtung durchgeführt. Im ersten Schritt wird der erste Abstandswert anhand des Interferenzmaximums bestimmt. Im zweiten Schritt wird eine Phasendifferenz zwischen von der Objektoberfläche reflektierten unterschiedlichen Lichtfarben bestimmt. In einem dritten Schritt wird die Phase zumindest einer Lichtfarbe des von der Objektoberfläche re¬ flektierten Lichts ermittelt und mit einem vorgegebenen Phasenwert verglichen. Anhand des Vergleichsergebnisses wird der dritte Abstandswert ermittelt. Die Genauigkeit steigt vom ersten zum dritten Abstandswert, während die Eindeutigkeit abnimmt. Daher ist es besonders bevorzugt, die drei Schritte in der genannten Reihenfolge durchzufüh¬ ren, um sowohl eine große Eindeutigkeit, als auch eine gro¬ ße Messgenauigkeit zu erhalten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie der Beschreibung. Die Beschreibung beschränkt sich dabei auf wesentliche Merkmale der Erfindung. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungs¬ beispiels einer Messeinrichtung,
Figuren 2 und 3 jeweils den Verlauf einer Oszillati¬ onsbewegung des ersten Interferometerspiegels der Messeinrichtung,
Figur 4 ein Diagramm, das schematisch die Schritte eines Messverfahrens zur Bestimmung von Abstandswerten veranschaulicht,
Figur 5 ein Blockschaltbild eines abgewandelten Aus¬ führungsbeispiels der in Figur 1 dargestellten Messeinrichtung und
Figur 6 eine abgewandelte Ausgestaltung einer Sonde für eine Messeinrichtung gemäß der Figuren 1 oder 5.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Messein¬ richtung 10, die zur Bestimmung eines Abstandswerts d zwi¬ schen einer Lichtaustrittsfläche 11, einer Sonde 12 und ei¬ ner Objektoberfläche 13 dient. Der Abstand d wird punktför¬ mig entlang der optischen Achse 14 der Sonde 12 bestimmt. Zu der Messeinrichtung 10 gehört eine Lichtquelle 15, die beim Ausführungsbeispiel mehrere und insbesondere zwei Leuchtmittel aufweist. Als Leuchtmittel werden vorzugsweise zwei Superlumineszenzdioden 16 (SLDs) verwendet. Die Superlumineszenzdioden 16 strahlen jeweils Licht mit einer spektralen Breite von etwa 20 bis 40 nm ab. Ihre Schwer¬ punktwellenlängen sind verschieden, wobei die eine Superlumineszenzdiode 16 eine Schwerpunktwellenlänge von etwa 750 nm aufweist und die andere Superlumineszenzdiode eine
Schwerpunktwellenlänge von etwa 830 nm aufweist. Auf diese Weise wird eine Lichtquelle 15 gebildet, die kurzkohärentes Licht aussendet.
Die beiden Superlumineszenzdioden 16 sind jeweils mit einer Monomodenfaser versehen, wodurch ein so genanntes Fa- serpigtail 17 gebildet ist. Über das jeweilige Faserpigtail 17 sind die Superlumineszenzdioden 16 mit einem ersten Fa- serkoppler 18 verbunden.
Der erste Faserkoppler 18 ist über eine erste Monomo¬ denfaser 22 mit einem zweiten Faserkoppler 23 verbunden. Eine zweite Monomodenfaser 24 verbindet den zweiten Faserkoppler 23 mit der Sonde 12. Die Sonde 12 ist vorzugsweise als optische Mikrosonde ausgestaltet. Die Lichtaustritts¬ fläche 11 kann hierbei parallel zu der durch sie hindurch laufenden optischen Kugelwelle gekrümmt ausgestaltet sein, wie dies in Figur 1 gestrichelt durch die Lichtaustritts¬ fläche 11' veranschaulicht ist. Die mit durchgezogener Li¬ nie gezeigte plane Lichtaustrittsfläche 11 kann vorgesehen werden, wenn der Abstand d klein genug ist, so dass nur vernachlässigbare Störungen bei der Messung auftreten. Diese Bedingung ist dann erfüllt, wenn der Lichtweg innerhalb eines optischen Elements 25, vorzugsweise einer Kollimator¬ linse, das die Lichtaustrittsfläche 11 aufweist, im Bereich von mindestens 80 bis 90 Prozent oder mehr des Abstands zwischen der Lichtaustrittsfläche 11 und dem von der Sonde 12 erzeugten Brennpunkt ausmacht. Bei einer solchen Ausges¬ taltung ist der Lichtkegel bereits ausreichend fokussiert, wenn er durch die Lichtaustrittsfläche 11 hindurchtritt, so dass auf eine konkave Krümmung der Lichtaustrittsfläche 11 verzichtet werden kann.
Die numerische Apertur des optischen Elements 25 der Sonde 12 ist groß und vorzugsweise größer als 0,1. Dadurch lassen sich hohe Auflösungen erreichen und die Messung ist unempfindlich gegenüber lokalen Neigungen der Objektoberfläche 13. Als optisches Element 25 können auch so genannte GRIN-Linsen (Gradienten-Index-Linsen) eingesetzt werden. Es ist ferner möglich, innerhalb der Sonde 12 zwischen der zweiten Monomodenfaser 24 und dem optischen Element 25 einen geneigten Spiegel 26 anzuordnen. Die Lichteintritts¬ richtung am Ende der Monomodenfaser 24 in die Sonde 12 wird dadurch gegenüber der Lichtaustrittsrichtung und der optischen Achse 14 verändert. Dadurch können sozusagen zur Seite messende Sonden 12 aufgebaut werden, wie dies beispiel¬ haft schematisch in Figur 6 gezeigt ist.
Das optische Element 25 der Sonde 12 ist als Kollima¬ torelement ausgeführt und dient ferner der Fokussierung des an der Lichtaustrittsfläche 11 austretenden Lichts. Das von der Lichtquelle 15 über die Monomodenfasern 22, 24 in die Sonde 12 eingekoppelte Licht durchläuft zum Teil einen Re¬ ferenzlichtweg R und zum Teil einen Messlichtweg M. Der Re¬ ferenzlichtweg endet an einer Referenzfläche 27 in der Son¬ de 12, die beispielsgemäß am optischen Element 25 und vor- zugsweise an der Lichtaustrittsfläche 11 vorgesehen ist. Dort wird ein Teil des auftreffenden Lichts an der Refe¬ renzfläche 27 reflektiert und wieder in die zweite Monomo- denfaser 24 eingespeist. Ein anderer Teil des Lichts tritt aus der Lichtaustrittsfläche 11 aus, wird anschließend an der Objektoberfläche 13 reflektiert und von der Sonde 12 wieder aufgenommen. Dieser Teil des Lichts durchläuft den Messlichtweg M. Die zurückgelegten Strecken des Lichts im Referenzlichtweg R und im Messlichtweg M sind daher ver¬ schieden und unterscheiden sich um den Abstand d zwischen der Lichtaustrittsfläche 11 und der Objektoberfläche 13.
Sowohl das im Referenzlichtweg R reflektierte Licht, als auch das im Messlichtweg M reflektierte Licht werden wieder in die zweite Monomodenfaser 24 eingespeist und über eine dritte Monomodenfaser 29, die an den zweiten Faser- koppler 23 angeschlossen ist, zu einem Interferometer 30 weitergeleitet. Bei dieser Übertragung kommt es zu keiner Interferenz, da die Differenz zwischen den beiden Lichtwegen M, R größer ist als die Kohärenzlänge des Lichts.
Das Interferometer 30 ist vorzugsweise als Michelson- Interferometer ausgeführt. Am Faserende der dritten Monomo- denfaser 29 ist ein Kollimator 31 vorgesehen, der ein im Wesentlichen paralleles Lichtstrahlenbündel erzeugt, das am Kollimator 31 austritt und auf einen Strahlteiler 32 des Interferometers 30 gerichtet wird. Im Interferometer 30 teilt der Strahlteiler 32 das vom Kollimator 31 abgestrahlte Licht in einen ersten Lichtweg LI und einen zweiten Lichtweg L2 auf. Die beiden Lichtwege LI, L2 sind unter¬ schiedlich lang. Der erste Lichtweg LI wird vom Strahltei¬ ler 32 und einem ersten Interferometerspiegel 33 und der zweite Lichtweg L2 vom Strahlteiler 32 und einem zweiten Interferometerspiegel 34 begrenzt. Das an den Interferome- terspiegeln 33, 34 reflektierte Licht wird am Strahlteiler 32 wieder überlagert und interferiert. Die Interferenz wird von einem Fotosensor 35 detektiert. Zwischen dem Strahlteiler 32 und dem Fotosensor 35 kann ein weiteres optisches Element 36 vorgesehen sein, um die fotosensitive Fläche des Fotosensors 35 optimal auszuleuchten. Der Fotosensor 35 ist vorzugsweise von einer Fotodiode gebildet. Der Fotosensor 35 überträgt ein Sensorsignal S an eine Auswerteeinrichtung 37 der Messeinrichtung 10.
Das aus dem ersten Lichtweg LI sowie aus dem zweiten Lichtweg L2 reflektierte und überlagerte Licht weist nur für die Anteile stabile Interferenzen auf, bei denen die Längendifferenz des Referenzlichtwegs R und des Messlicht¬ wegs M kompensiert durch die unterschiedlich langen Lichtwege LI, L2 wurde. Die Interferenzen in diesen Anteilen des vom Fotosensor 35 empfangenden Lichts dienen zur weiteren Auswertung .
Die beiden Interferometerspiegel 33, 34 sind als Plan¬ spiegel ausgeführt. Der erste Interferometerspiegel 33 ist rechtwinklig zur optischen Achse 40 des ersten Lichtwegs LI und der zweite Interferometerspiegel 34 rechtwinklig zur optischen Achse 41 des zweiten Lichtwegs L2 ausgerichtet. Die Längendifferenz der beiden Lichtwege LI, L2 entspricht der Differenz in der Länge zwischen dem Messlichtweg M und dem Referenzlichtweg R. Um die Differenz zwischen dem Mess¬ lichtweg M und dem Referenzlichtweg R bei sich änderndem Abstand d anpassen zu können, ist der zweite Interferome- terspiegel 34 in Richtung der optischen Achse 41 des zweiten Lichtwegs L2 verschiebbar. Die Einstellung bzw. Positionierung des zweiten Interferometerspiegels 34 kann entweder manuell oder auch durch einen Versteilantrieb 42 erfol¬ gen, der durch die Auswerteeinrichtung 37 angesteuert wird. Auf diese Weise kann eine Nachführung des zweiten Interfe- rometerspiegels 34 abhängig vom ermittelten Abstandswert d automatisch erfolgen. Die Längendifferenz in den Lichtwegen LI, L2 kompensiert dann automatisch die Längendifferenz zwischen Referenzlichtweg R und Messlichtweg M.
Die Messeinrichtung 10 verfügt ferner über eine Oszillationseinrichtung 45. Die Oszillationseinrichtung 45 enthält einen Oszillationsantrieb 46, der mit dem ersten In¬ terferometerspiegel 33 verbunden ist. Der Oszillation¬ santrieb 46 kann dem ersten Interferometerspiegel 33 eine Schwingungsbewegung in Richtung der optischen Achse 40 des ersten Lichtwegs LI aufprägen. Dabei vergrößert und verrin¬ gert der erste Interferometerspiegel 33 den ersten Lichtweg LI ausgehend von seiner Nulllage periodisch. Als Oszillati¬ onsantrieb 45 kann beispielsweise ein Piezoaktor oder ein mikromechanischer Translationsaktor dienen.
Zu diesem Zweck wird der Oszillationsantrieb 46 von einem Signalgenerator 47 angesteuert. Der Signalgenerator 47 erzeugt ein Schwingungssignal P mit einer Amplitude A und einer Frequenz f. Sowohl die Amplitude A als auch die Frequenz f können variiert werden und vom Bediener der Messeinrichtung 10 eingestellt werden. Beispielhafte
Schwingungssignalverläufe P sind in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Eine Schwingungssignalhalbwelle ist vorzugs¬ weise symmetrisch zu einer Geraden durch das Maximum bzw. Minimum. Es können dreieckförmige oder sinusförmige Schwin¬ gungssignalverläufe hervorgerufen werden. Durch die Erhö¬ hung der Schwingungsfrequenz f lässt sich die Messgeschwindigkeit der Messeinrichtung 10 steigern oder umgekehrt. Die Amplitude A definiert den Messbereich der Messeinrichtung 10. Über das Schwingungssignal P lässt sich der von Mess¬ einrichtung 10 durchzuführende Messvorgang an die jeweilige Messaufgabe anpassen.
Die Auswerteeinrichtung 37 weist ein analoges Filter 50 zur Filterung des Sensorsignals S auf. Das analoge Fil¬ ter 50 entfernt hochfrequente Störanteile sowie Gleichan¬ teile aus dem Sensorsignal S. Das analoge Filter 50 kann beispielsweise als Bandpass oder als Kombination aus Tief¬ und Hochpass ausgeführt sein. Das gefilterte Signal G wird anschließend einem Analog-Digital-Wandler 51 übermittelt. Die Analog-Digital-Wandlung erfolgt synchron zum Schwingungssignal P des Signalgenerators 47. Der Analog-Digital- Wandler 51 ist als ein 2-Kanal-Wandler ausgeführt. Es tas¬ tet das Schwingungssignal P und das gefilterte Signal G synchron ab und erzeugt aus dem analogen gefilterten Signal G ein erstes digitales Signal Dl und aus dem Schwingungs¬ signal P ein zweites digitales Signal D2. Das zweite digi¬ tales Signal D2 dient als Referenzsignal zur Bestimmung der Nulllage des ersten digitalen Signals Dl. Diese synchrone Abtastung stellt eine genaue Bestimmung der Nulllage sicher und erhöht die Genauigkeit bei der Bestimmung des Abstands¬ wertes d.
Die Abtastfrequenz wird dabei unter Berücksichtung der Oszillationsfrequenz f und/oder der Bandbreite des analogen Bandpasses 50 bestimmt. Ausgehend von der Überlegung, dass sich der Abstand d gegenüber der Oszillationsfrequenz f nur sehr langsam ändert, kann auch eine Unterabtastung zur Digitalisierung des gefilterten Sensorsignals G ohne Informa¬ tionsverlust ausreichen.
Das erste Digitalsignal Dl wird anschließend in einem Auswerteblock 52 der Auswerteeinrichtung 37 ausgewertet. Dabei wird zumindest ein Wert für den Abstand d ermittelt.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Er¬ mittlung des Abstandswerts d in drei Schritten:
Das von der Lichtquelle 15 abgestrahlte Licht der bei- den Superlumineszenzdioden 16 wird in den Referenzlichtweg R und in den Messlichtweg M der Sonde 12 eingespeist. So¬ wohl das vom Referenzlichtweg R, als auch das vom Mess¬ lichtweg M reflektierte Licht wird im Interferometer 30 in den ersten und den zweiten Lichtweg LI, L2 aufgeteilt und anschließend wieder überlagert, um eine Interferenz zu er¬ zeugen. Die Interferenz wird vom Fotosensor 35 erfasst und als Sensorsignal S an die Auswerteeinheit 37 übermittelt.
Aufgrund der Oszillation des ersten Interferometerspiegels 33 entsteht ein moduliertes Sensorsignal S, dessen Hüllkur¬ ve 55 in Figur 4 gezeigt ist. Es wird die Stelle mit der maximalen Modulationstiefe des ersten Digitalsignals Dl ge¬ sucht, was dem Maximum der Hüllkurve 55 entspricht. Anhand einer vorgegebenen Kalibriertabelle in der Auswerteeinrichtung 37 wird die an der Stelle der maximalen Modulations¬ tiefe - also des Maximums der Hüllkurve 55 - bestimmte
Spiegelauslenkung des ersten Interferometerspiegels 33 ei¬ nem ersten Abstandswert di zugeordnet, wie dies schematisch in Figur 4 dargestellt ist.
In einem zweiten Schritt erfolgt jeweils eine Phasen¬ auswertung für die beiden Schwerpunktwellenlängen der beiden Superluminiszenzdioden 16. Dabei wird ein zweiter Abstandswert d2 auf Basis der Phasendifferenz Δφ innerhalb eines Eindeutigkeitsbereichs von Λ/2 anhand folgender
Gleichung ermittelt:
Λ 1
d2 = (Αφ + 2■ π■ m2) (1)
22 · π
mit
Δφ = φι-φ2,
c i : Phase des Lichts der Schwepunktwellenlänge Xlr
φ2 : Phase des Lichts der Schwepunktwellenlänge λ2,
m2 : ganzzahliger Faktor wobei Λ eine synthetische Wellenlänge ist, die sich abhän¬ gig von den beiden Schwerpunktwellenlängen Xlr λ2 des
Lichts der beiden Superlumineszenzdioden 16 ergibt zu
Figure imgf000017_0001
Der zweite Abstandswert d2 ist deutlich genauer als der erste Abstandswert di . Der Faktor m2 ist in Gleichung
(1) derjenige ganzzahlige Wert, der den Betrag der Diffe¬ renz zwischen dem ersten Abstandswert di und dem zweiten
Abstandswert d2 minimiert. Dadurch wird sichergestellt, dass der genauere zweite Abstandswert d2 innerhalb des Ein¬ deutigkeitsbereichs liegt. Zur Ermittlung der Phasendiffe¬ renz Δφ kann beispielsweise eine Fourietransformation
durchgeführt werden, um die Phasenwerte ci, φ2 zu erhalten.
In einem dritten Schritt wird ein dritter Abstandwert d3 bestimmt, dessen Genauigkeit weiter erhöht ist. Die Be¬ rechnung erfolgt anhand folgender Gleichung: _L
d3 = (φι -φ0 + 2 ·π -m3)— (3)
2 2-π
mit
φ0 : Konstante,
m3 : ganzzahliger Faktor
Der Faktor m3 ist derjenige ganzzahlige Wert, bei dem die Differenz zwischen dem dritten Abstandswert d3 und dem zweiten Abstandswert d2 minimal ist. Der Wert φ0 wird durch Kalibrierung ermittelt und stellt eine Konstante dar. Im Auswerteblock 52 kann zur Bestimmung des Abstandswerts d auch lediglich einer oder zwei der genannten
Schritte durchgeführt werden. Wegen der Eindeutigkeit der Abstandswerte ist dabei die Reihenfolge der genannten
Schritte einzuhalten.
In Figur 5 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Messeinrichtung 10 dargestellt. Der Unterschied gegenüber der Ausführung nach Figur 1 besteht darin, dass die Referenzfläche 27 nicht am optischen Element 25 der Sonde 12, sondern an einem separaten Spiegel 57 im Referenzlichtweg R vorgesehen ist. Der Referenzlichtweg R ist bei dieser Ausgestaltung vom Messlichtweg M getrennt ausgeführt. Wie in Figur 5 dargestellt, ist hierfür eine weitere, vierte Monomodenfaser 58 über einen dritten Faserkoppler 59 mit der zweiten Monomodenfaser 24 verbunden. Der dritten Faserkoppler 59 ist in die zweite Monomodenfaser 24 eingesetzt, die den zweiten Faserkoppler 23 mit der Sonde 12 verbindet. Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel nach Figur 5 dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1, so dass auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.
Um Störungen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, weil am ersten Interferometerspiegel 33 sowie am zwei¬ ten Interferometerspiegel 34 reflektiertes Licht über den Kollimator 31 wieder zurück in den Messlichtweg M und den Referenzlichtweg R eingespeist wird, können zusätzlich Ma߬ nahmen vorgesehen werden. Beispielsweise ist es möglich, das Licht in den beiden Lichtwegen LI, L2 zu polarisieren und durch ein Polarisationsfilter am Kollimator 31 die Aufnahme des an den Interferometerspiegeln 33, 34 reflektierten Lichts zu verhindern. Auch durch eine Fokussierung des Lichts auf die beiden Interferometerspiegel 33, 34 kann ei¬ ne unerwünschte Einkopplung von Licht aus den Lichtwegen LI, L2 zumindest reduzieren. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrich¬ tung und ein Messverfahren zur Bestimmung eines absoluten Abstandswerts zwischen einer Sonde 12 und einer Objektoberfläche 13. Der Abstandswert d wird dabei punktförmig im Be¬ reich der optischen Achse 14 der Sonde 12 bestimmt. Die Messeinrichtung weist eine Lichtquelle 15 auf, die kurzko¬ härentes Licht aussendet. In einem Messlichtweg M wird das Licht durch die Sonde 12 auf die Objektoberfläche 13 ge¬ richtet und das dort reflektierte Licht wieder empfangen. Ein anderer Teil des Lichts der Lichtquelle 15 durchläuft einen Referenzlichtweg R bis zu einer Referenzfläche 27 und von dort wieder zurück. Das an der Referenzfläche 27 sowie der Objektoberfläche 13 reflektierte Licht wird einem In- terferometer 30 zugeführt und dort in einen ersten Lichtweg LI sowie einen zweiten Lichtweg L2 aufgeteilt. Die beiden Lichtwege LI, L2 sind unterschiedlich lang und kompensieren die Differenz zwischen Referenzlichtweg R und Messlichtweg M. Der im ersten Lichtweg LI vorhandene erste Interferome- terspiegel 33 oszilliert in Richtung der optischen Achse 40 des ersten Lichtwegs LI . Das Licht aus den beiden Lichtwe¬ gen LI, L2 wird überlagert und wegen der Oszillation des ersten Interferometerspiegels 33 bildet sich ein Interfe¬ renzmuster im überlagerten Licht, das von einem Fotosensor 35 detektiert werden. Der Abstandswert d wird in einer an den Fotosensor 35 angeschlossenen Auswerteeinrichtung 37 ermittelt .
Bezugs zeichenliste :
10 Messeinrichtung
11, 11' Lichtaustrittsfläche
12 Sonde
13 Objektoberfläche
14 optische Achse v. 12
15 Lichtquelle
16 Leuchtmittel
17 Faserpigtail
18 erster Faserkoppler
22 erste Monomodenfaser
23 zweiter Faserkoppler
24 zweite Monomodenfaser
25 optisches Element v. 12
26 geneigter Spiegel
27 Referenzfläche
29 dritte Monomodenfaser
30 Interferometer
31 Kollimator
32 Strahlteiler
33 erster Interferometerspiegel
34 zweiter Interferometerspiegel
35 Fotosensor
36 optisches Element
37 Auswerteeinrichtung
40 optische Achse v. LI
41 optische Achse v. L2
42 Versteilantrieb
45 Oszillationseinrichtung 46 Oszillationsantrieb 47 Signalgenerator
50 Filter
51 Analog-Digital-Wandler
52 Auswerteblock
55 Hüllkurve
57 Spiegel
58 vierte Monomodenfaser
59 dritter Faserkoppler
A Amplitude
d Abstand
Dl erstes Digitalsignal
D2 zweites Digitalsignal f Frequenz
G gefiltertes Signal
LI erster Lichtweg
L2 zweiter Lichtweg
M Messlichtweg
R Referenzlichtweg
S Sensorsignal
P Schwingungssignal

Claims

Patentansprüche :
Messeinrichtung zur absoluten Abstandsmessung, mit einer kurzkohärentes Licht aussendenden Lichtquel¬ le (15), mit einer Sonde (12), die einen Teil des Lichts in ei¬ nen Messlichtweg (M) zu einer Objektoberfläche (13) leitet und die einen anderen Teil des Lichts in einen Referenzlichtweg (R) zu einem Referenzfläche (27) lei¬ tet und sowohl das an der Objektoberfläche (13) sowie das an der Referenzfläche (27) reflektierte Licht auf¬ nimmt, mit einem Interferometer (30), das zur Aufnahme des reflektierten Lichts an die Sonde (12) angeschlossen ist und das einen in einem ersten Lichtweg (LI) ange¬ ordneten, über eine Oszillationseinrichtung (45) oszillierend bewegbaren ersten Interferometerspiegel
(33), einen in einem zweiten Lichtweg (L2) angeordne¬ ten zweiten Interferometerspiegel (34), und ein Mittel
(32) zur Überlagerung des an den beiden Interferome- terspiegeln (33, 34) reflektierten Lichts aufweist, und mit einem als Punktsensor ausgeführten Fotosensor (35) , der die Intensität des überlagerten Lichts misst .
Messeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Interferometerspiegel (33, 34) als Planspiegel ausgeführt und rechtwinkelig zur optischen Achse (40, 41) des jeweiligen Lichtwegs (LI, L2) ausgerichtet sind.
3. Messeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Grundposition eines der beiden Interferometerspiegel (34) entlang der op¬ tischen Achse (41) des betreffenden Lichtwegs (L2) positionierbar ist.
4. Messeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillationseinrichtung (45) den ersten Interferometerspiegel (33) mit einer vorgebbaren Amplitude (A) und/oder einer vorgebbaren Oszillationsfrequenz (f) in Richtung der optischen Achse (40) des ersten Lichtwegs (LI) bewegt.
5. Messeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Referenzfläche (27) und Objektoberfläche (13) größer ist als die Kohärenzlänge des Lichts der Lichtquelle (15) .
6. Messeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (15) zu¬ mindest eine und insbesondere zwei Superlumineszenzdi¬ oden (16) verwendet werden.
7. Messeinrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das von der zumindest ei¬ nen Superlumineszenzdiode (16) abgestrahlte Licht eine spektrale Breite von 20 bis 30 nm aufweist.
8. Messeinrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schwerpunktwellenlängen des von den beiden Superlumineszenzdioden (16) abgestrahlten Lichts verschieden sind.
9. Messeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (12) zur Ab- strahlung des Lichts in den Messlichtweg (M) ein Kol¬ limatorelement (25) aufweist.
10. Messeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsfläche (27) am Kollimatorelement (25) vorhanden ist.
11. Messeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Interferome- ter (30) und dem Fotosensor (35) ein optisches Element (36) angeordnet ist.
12. Messeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das vom Fotosensor (35) erfasste Sensorsignal (S) sowie ein die Oszillation des ersten Interferometerspiegels (33) beschreibendes Schwingungssignal (P) an eine Auswerteeinrichtung (37) übermittelt wird, die beide Signale synchron abtastet und aus dem Sensorsignal (S) ein erstes Digitalsignal (Dl) und aus dem Schwingungssignal (P) ein zweites Di¬ gitalsignal (D2) erzeugt, wobei das zweite Digitalsig¬ nal (D2) zur Bestimmung der Nulllage des ersten Digitalsignals (Dl) dient.
13. Messeinrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal (S) vor der Analog-Digital-Wandlung durch ein analoges Filter (50) gefiltert wird.
14. Messeinrichtung nach Anspruch 1,
mit einer Auswerteeinrichtung (37), die derart ausgebildet ist, dass sie den Messvorgang in einem oder mehreren der folgenden Schritte ausführt: in einem ersten Schritt ein Interferenzmaximum und anhand dessen einen ersten Abstandswert (di) bestimmt, in einem zweiten Schritt eine Phasendifferenz (Δφ) zwischen den von der Objektoberfläche (13) reflektierten unterschiedliche Lichtfarben und aus der Phasendifferenz (Δφ) einen zweiter Abstandswert (d2) be¬ stimmt, in einem dritten Schritt die Phase (cpi) des von der Objektoberfläche (13) reflektierten Lichts und aus der Differenz dieser Phase (cpi) mit einem vorgegebenen Phasenwert (φ0) einen dritten Abstandwert (d3) be¬ stimmt .
15. Messeinrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die drei Schritte unter¬ schiedlich große Eindeutigkeitsbereiche und unter¬ schiedliche Messgenauigkeiten aufweisen und während des Messvorgangs in der Auswerteeinrichtung (37) zumindest zwei dieser Schritte ausgeführt werden.
16. Messeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillationseinrichtung (45) einen mikromechanischen Translationsaktor aufweist .
17. Messverfahren zur absoluten Abstandsmessung, bei dem zur Messung kurzkohärentes Licht aus einer Lichtquelle (15) abgestrahlt wird, durch eine Sonde (12) ein Teil des Lichts in einen Messlichtweg (M) zu einer Objektoberfläche (13) gelei¬ tet, ein anderer Teil des Lichts in einen Referenzlichtweg (R) zu einer Referenzfläche (27) geleitet und sowohl das an der Objektoberfläche (13) wie auch das an der Referenzfläche (27) reflektierte Licht aufge¬ nommen wird, das reflektierte Licht in einem Interferometer (30) in einem ersten Lichtweg (LI) und einen zweiten Lichtweg (L2) aufgespaltet wird, das in den ersten Lichtwegang (LI) eingespeiste Licht an einem oszillierend bewegbaren ersten Interferome- terspiegel (33) und das in den zweiten Lichtweg (L2) eingespeiste Licht an einem zweiten Interferome- terspiegel (34) reflektiert wird, das an den Interferometerspiegeln (33, 34) reflektierte Licht überlagert wird, die Intensität des überlagerten Lichts mittels eines Fotosensors (35) gemessen und ein die Intensität cha¬ rakterisierendes Sensorsignal (S) erzeugt wird, und der Abstandswert (d) auf Basis des Sensorsignals (S) ermittelt wird.
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