DE19721883C2

DE19721883C2 - Interferometrische Meßvorrichtung

Info

Publication number: DE19721883C2
Application number: DE1997121883
Authority: DE
Inventors: Pawel Drabarek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-05-26
Filing date: 1997-05-26
Publication date: 1999-04-15
Anticipated expiration: 2017-05-27
Also published as: DE19721883A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Meßvorrichtung zur Form vermessung an rauhen Oberflächen eines Meßobjekts mit einer eine Laserdiode aufweisenden Strahlungserzeugungseinheit zur Abgabe einer kurzkohärenten Strahlung, einem ersten Strahlteiler zum Bilden eines ersten und eines zweiten Teilstrahls, von denen der eine auf die zu vermessende Oberfläche und der andere auf eine Vorrichtung mit einem reflektierenden Element zum periodischen Ändern des Lichtweges gerichtet ist, mit einem Überlagerungselement, an dem die von der Oberfläche und der Vorrichtung kommende Strahlung zur Interferenz gebracht werden, und mit einem Photodetektor, der die Strahlung aufnimmt.

Eine interferometrische Meßvorrichtung dieser Art ist in der Veröffentlichung T. Dressel, G. Häusler, H. Venzke "Three-Dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar", Appl. Opt., Vol. 31, No. 7, S. 919-925 vom 01.03.1992 als bekannt ausgewiesen. In dieser Veröffentlichung wird ein Interferometer mit kurzkohä renter Lichtquelle, z. B. einer Laserdiode, und piezobewegtem Spiegel zur Formvermessung an rauhen Oberflächen vorgeschlagen. In der Meßvorrichtung wird ein erster Teilstrahl in Form einer Lichtwelle, die von einem Meßobjekt zu rückgestrahlt ist, mit einem zweiten Teilstrahl in Form einer Referenzwelle überlagert. Die beiden Lichtwellen haben eine sehr kurze Kohärenzlänge (einige µm), so daß der Interferenzkontrast ein Maximum erreicht, wenn die optische Wegdifferenz null ist. Zum Ändern des Lichtwegs der Referenzwelle ist ein reflektierendes Element in Form eines piezobewegten Spiegels vorgesehen. Durch den Vergleich der Lage des piezobewegten Spiegels mit der Zeit des Auf tretens des Interferenzmaximums, läßt sich der Abstand zum Meßobjekt be stimmen. Die genaue Bestimmung der Lage des piezoelektrischen Spiegels ist dabei nicht einfach und kann zu Meßungenaugigkeiten führen.

Eine entsprechende interferometrische Meßvorrichtung ist auch in der DE 195 28 513 A1, und zwar im wesentlichen unter Bezugnahme auf die DE 41 08 944 C2 angegeben. Auch hierbei ergibt sich die vorstehend genannte Schwierigkeit, dem Interferenzmaximum die Lage des piezobewegten Spiegels genau zuzuord nen.

Bei einer in der US-Z: den Boef, A. J.: Interferometric rangefinder using a fre quency modulated diode laser, in: Applied Optics, Vol. 26, No. 21, 1. November 1987, S. 4545-4550 beschriebenen interferometrischen Meßvorrichtung zur Formvermessung an rauhen Oberflächen ist vorgeschlagen, die Frequenz einer Laserlichtquelle durch Modulieren des Injektionsstromes zu variieren. Jedoch geht es in dieser Vorrichtung nicht um einen optischen Aufbau mit einer pe riodischen Änderung des über ein reflektierendes Element verlaufenden Licht wegs.

In der DE 195 22 262 A1 ist eine heterodyn-interferometrische Anordnung ge nannt, bei der eine Laserfrequenz variiert wird. Ferner sind zum Bilden der Heterodynfrequenz akustooptische Modulatoren genannt. Auch hierbei geht es nicht um einen Aufbau, bei dem mittels einer Vorrichtung, die ein reflektieren des Element aufweist, der Lichtweg periodisch variiert wird.

Vorteile der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Meßvorrich tung der eingangs genannten Art bereit zu stellen, bei der bei einfachem Aufbau eine erhöhte Meßgenauigkeit erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach ist al so vorgesehen, daß die Strahlungserzeugungseinheit eine Ansteuereinheit auf weist, mit der die Frequenz der Laserdiode zum Erzeugen der kurzkohärenten Strahlung modulierbar ist. Die Vorrichtung zum Ändern des Lichtweges weist eine im Strahlengang angeordnete akustooptische Deflektoreinrichtung und da hinter ortsfest das reflektierende Element auf. Die Deflektoreinrichtung ist frequenzmoduliert angesteuert und in bezug auf den ankommenden Teilstrahl sowie auf das reflektierende Element derart angeordnet, daß der zu dem Über lagerungselement geführte Strahl durch seine Ablenkung in der Deflektorein richtung die Änderung seines Lichtweges erfährt. Mit diesem Aufbau wird einer seits eine für den Meßaufbau günstige kurzkohärente Lichtquelle mit heute preiswerten Laserdioden angegeben, die eine hohe Meßgenauigkeit begünstigt, da sie zu einem hohen Signal/Rausch-Verhältnis führt und z. B. auch die Stör strahlung aufgrund der definierten Kohärenzlänge mit einfachen Mitteln aus gefiltert werden kann. Ferner wird die Meßgenauigkeit durch die Änderung des Lichtweges mit Hilfe der frequenzmoduliert angesteuerten Deflektoreinrichtung und dem ortsfest angeordneten reflektierenden Element verbessert, da keine mechanische Bewegung zur Änderung des Lichtweges erforderlich ist und eine genaue Zuordnung des Lichtweges zu dem Interferenz-Maximum erreichbar ist.

Einfache Maßnahmen für die Frequenzmodulation bestehen darin, daß die Fre quenzmodulation durch Modulation des Injektionsstroms oder der geometri schen Länge eines Resonators der Laserdiode erfolgt.

Eine geeignete, leistungsstarke Lichtquelle besteht z. B. darin, daß die Laserdio de schmalbandig ist und eine Kohärenzlänge zwischen 10 mm und einigen Me tern besitzt.

Ein einfacher Aufbau der Meßvorrichtung ergibt sich dadurch, daß die Deflektor einrichtung zwei im Strahlengang hintereinander angeordnete Deflektoren auf weist, von denen der erste Deflektor den ankommenden Teilstrahl in Abhängig keit von der Frequenz um einen zeitlich variablen Winkel ablenkt und der zweite Deflektor die Winkelablenkung zurücksetzt, so daß der zweite Teilstrahl wieder in der Einfallsrichtung bzgl. des ersten Deflektors parallel versetzt weiterver läuft, und daß das reflektierende Element als Beugungsgitter ausgebildet ist, das bezüglich des aus dem zweiten Deflektor austretenden Teilstrahles derart schräg ausgerichtet ist, daß der Teilstrahl in Einfallsrichtung zurückgeführt wird. Mit diesen Maßnahmen wird der auf das reflektierende Element in Form des Beu gungsgitters auftreffende erste Teilstrahl bei jeder Modulationsfrequenz, das heißt bei jedem Ablenkwinkel in sich selbst zurückgeführt, wobei sein Lichtweg mit der Modulationsfrequenz variiert.

Eine einfache vorteilhafte Ausgestaltung wird dadurch erzielt, daß die Deflek toren von einem gemeinsamen Deflektor-Treiber angesteuert werden, und daß eine Information über die Modulationsfrequenz an eine Auswerteschaltung gege ben wird, der auch das Ausgangssignal des Photodetektors zugeführt ist, und daß in der Auswerteschaltung auf der Basis der Information und des Ausgangs signals der Abstand zum Meßpunkt des Meßobjektes bestimmbar ist. Da der Lichtweg unmittelbar und trägheitslos von der Modulationsfrequenz abhängt, wird der Lichtweg stets genau erfaßt und die Lage des Meßobjekts zuverlässig bestimmbar.

Die Anordnung der Meßvorrichtung kann vorteilhaft derart ausgelegt sein, daß zwischen der Laserdiode und dem ersten Strahlteiler ein Kollimator angeordnet ist, daß zwischen dem Strahlteiler und dem Meßobjekt ein zweiter Strahlteiler zum Führen des ersten Teilstrahls über eine Fokussierungslinse auf das Meßob jekt und des von dem Meßobjekt reflektierten Teilstrahls auf das Überlagerungs element in Form eines weiteren Strahlteilers angeordnet ist, und daß zwischen dem ersten Strahlteiler und dem ersten Deflektor ein dritter Strahlteiler angeord net ist, mit dem der über den ersten Deflektor zurückkehrende zweite Teilstrahl auf den weiteren Strahlteiler zum Interferieren mit dem von dem Meßobjekt re flektierten Teilstrahl gerichtet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Be zugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen Aufbau einer interferometrischen Meßvorrichtung zur Form vermessung an rauhen Oberflächen eines Meßobjekts 7.

Ein kollimierter Strahl einer kurzkohärenten Strahlungserzeugungseinheit mit einer Lichtquelle in Form einer Laserdiode und mit einer Ansteuereinheit 15 wird in einem ersten Strahlteiler ST1 in einen ersten und einen zweiten Teilstrahl 3 bzw. 4 aufgeteilt. Der erste Teilstrahl 3 wird über einen akustooptischen Mo dulator 5 über einen zweiten Strahlteiler ST2 und eine Fokussierungslinse 6 auf die Oberfläche des Meßobjekts 7 gerichtet. Nach der Rückreflexion erreicht der erste Teilstrahl einen vierten Strahlteiler ST4.

Der an dem ersten Strahlteiler ST1 abgeteilte zweite Teilstrahl 4 läuft durch einen dritten Strahlteiler ST3 und anschließend durch zwei akustooptische Deflektoren 8, 9, die mittels eines gemeinsamen Deflektor-Treibers 12 frequenzmoduliert angesteuert werden. Durch die Frequenzmodulation wird der Ablenkwinkel des zweiten Teilstrahls 4 in dem ersten akustooptischen Deflektor 8 um einen Winkel α variiert. In dem zweiten akustooptischen Deflektor 9 wird der zweite Teilstrahl 4 anschließend wieder in die Richtung abgelenkt, in der er auf den ersten akustooptischen Deflektor 8 auftrifft. Auf diese Weise entsteht ein Parallelversatz des aus dem zweiten akustooptischen Deflektor 9 austretenden zweiten Teilstrahls 4, der anschließend ein reflektierendes Element in Form eines Beugungsgitters 10 beleuchtet. Das Beugungsgitter 10 ist unter einem bestimmten Winkel so geneigt, daß der zurückgebeugte erste Teilstrahl 3 unabhängig von dem Parallelversatz in die interferometrische Anordnung über den Strahlteiler ST3 zurückläuft und sich in dem Strahlteiler ST4 mit dem von dem Meßobjekt 7 kommenden ersten Teilstrahl 3 überlagert. Wenn die beiden Teilstrahlen 3 und 4 die gleiche optische Strecke zurücklegen, hat der Interferenzkontrast ein Maximum erreicht.

Da die beiden akustooptischen Deflektoren 8, 9 so angeordnet sind, daß die Winkel ablenkung des ersten Deflektors 8 in dem zweiten Deflektor 9 zurückgesetzt und der zweite Teilstrahl 4 nur parallel verschoben wird, wird der Lichtweg bzw. die optische Strecke (Laufzeit) des zweiten Teilstrahls 4 moduliert. Wenn die optische Wegdifferenz beider Teilstrahlen 3, 4 null ist, sieht auch ein im Strahlengang hinter dem vierten Strahlteiler ST4 angeordneter Photodetektor 11 das Interferenzmaximum. Durch den Vergleich des Zeitpunkts des Interferenzmaximums bzw. Signalmaximums des Photo detektors 11 mit der momentanen Frequenz des Deflektor-Treibers 12 in einer Aus werteschaltung 14 läßt sich der Abstand zu dem Meßobjekt 7 genau bestimmen. Wird dabei ein zwischen dem ersten Strahlteiler ST1 und dem zweiten Strahlteiler ST2 ange ordneter akustooptischer Modulator 5 zur Verschiebung der Frequenz des ersten Teil strahls 3 angesteuert, so erfaßt der Photodetektor 11 das Interferenzmaximum in Form eines Wechselsignals mit der Frequenz, mit der der akustooptische Modulator 5 mittels eines Modulator-Treibers 13 angesteuert wird.

Die Laserdiode 1 wird mittels der Ansteuereinheit 15 frequenzmoduliert. Dies geschieht beispielsweise durch Modulation des Injektionsstroms oder durch Modulation der geometrischen Länge des Resonators. Auf diese Weise läßt sich die Kohärenzlänge der Laserdiode, die an sich einige Millimeter bis einige Meter beträgt, auf den Bereich einiger Mikrometer verkürzen, so daß das Interferenzmaximum leicht detektierbar ist. In Ver bindung mit der Ansteuereinheit 15 läßt sich eine schmalbandige, leistungsstarke Laserdiode 1 einer geeigneten Wellenlänge verwenden, so daß eine hohe Meßgenauig keit bei kostengünstigem Aufbau erzielbar ist.

Claims

1. Interferometrische Meßvorrichtung zur Formvermessung an rauhen Oberflächen eines Meßobjekts mit einer eine Laserdiode aufweisenden Strahlungserzeugungs einheit zur Abgabe einer kurzkohärenten Strahlung, einem ersten Strahlteiler zum Bilden eines ersten und eines zweiten Teilstrahls, von denen der eine auf die zu vermessende Oberfläche und der andere auf eine Vorrichtung mit einem reflektierenden Element zum periodischen Ändern des Lichtweges gerichtet ist, mit einem Überlagerungselement, an dem die von der Oberfläche und der Vorrichtung kommende Strahlung zur Interferenz gebracht werden, und mit einem Photodetektor, der die Strahlung aufnimmt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlungserzeugungseinheit eine Ansteuereinheit (15) aufweist, mit der die Frequenz der Laserdiode (1) zum Erzeugen der kurzkohärenten Strahlung modulierbar ist,
daß die Vorrichtung zum Ändern des Lichtweges eine im Strahlengang ange ordnete akustooptische Deflektoreinrichtung (8, 9) und dahinter orstfest ange ordnet das reflektierende Element (10) aufweist, und
daß die Deflektoreinrichtung (8, 9) frequenzmoduliert angesteuert ist und in bezug auf den ankommenden Teilstrahl sowie auf das reflektierende Element (10) derart angeordnet ist, daß der zu dem Überlagerungselement (ST4) ge führte Strahl durch seine Ablenkung (α) in der Deflektoreinrichtung (8, 9) die Änderung seines Lichtwegs erfährt.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzmodulation durch Modulation des Injektionsstroms oder der geometrischen Länge eines Resonators der Laserdiode (1) erfolgt.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode (1) schmalbandig ist und eine Kohärenzlänge zwischen 10 mm und einigen Metern besitzt.

4. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Deflektoreinrichtung zwei im Strahlengang hintereinander angeordnete Deflektoren (8, 9) aufweist, von denen der erste Deflektor (8) den ankommen den Teilstrahl in Abhängigkeit von der Frequenz um einen zeitlich variablen Winkel ablenkt und der zweite Deflektor (9) die Winkelablenkung zurücksetzt, so daß der zweite Teilstrahl (4) wieder in der Einfallsrichtung bzgl. des ersten Deflektors (8) parallel versetzt weiterverläuft, und
daß das reflektierende Element als Beugungsgitter ausgebildet ist, das bezüglich des aus dem zweiten Deflektor (9) austretenden Teilstrahles derart schräg ausgerichtet ist, daß der Teilstrahl in Einfallsrichtung zurückgeführt wird.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Deflektoren (8, 9) von einem gemeinsamen Deflektor-Treiber (12) an gesteuert werden, und
daß eine Information über die Modulationsfrequenz an eine Auswerteschaltung (14) gegeben wird, der auch das Ausgangssignal des Photodetektors (11) zu geführt ist, und
daß in der Auswerteschaltung (14) auf der Basis der Information und des Aus gangssignals der Abstand zum Meßpunkt des Meßobjekts (7) bestimmbar ist.

6. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Laserdiode (1) und dem ersten Strahlteiler (ST1) ein Kollima tor (2) angeordnet ist,
daß zwischen dem Strahlteiler (ST1) und dem Meßobjekt (7) ein zweiter Strahlteiler (ST2) zum Führen des ersten Teilstrahls (3) über eine Fokus sierungslinse (6) auf das Meßobjekt (7) und des von dem Meßobjekt (7) reflektierten Teilstrahls auf das Überlagerungselement in Form eines weiteren Strahlteilers (ST4) angeordnet ist, und
daß zwischen dem ersten Strahlteiler (ST1) und dem ersten Deflektor (8) ein dritter Strahlteiler (ST3) angeordnet ist, mit dem der über den ersten Deflektor (8) zurückkehrende zweite Teilstrahl (4) auf den weiteren Strahlteiler (ST4) zum Interferieren mit dem von dem Meßobjekt (7) reflektierten Teilstrahl gerichtet ist.