DE102004025290A1

DE102004025290A1 - Measuring instrument, for distance measurement, has optical sensor, producing signal whose phase position is compared with that of oscillation reference signal thereby determining distance between light output from sensor and object surface

Info

Publication number: DE102004025290A1
Application number: DE200410025290
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. Lehmann
Original assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Current assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2005-12-22

Abstract

Distance measuring instrument (1) has a sensor carrier (11) which is connected to a mechanical oscillation drive (12) to which a trigger circuit (15) is assigned. Light discharge (5) of optical confocal sensor (2,9,22,23,26) is at the sensor carrier whereby the light discharge direction coincides with the oscillation direction, which gives out a signal. This signal in passage to object surface (3) is identified by a sensor focus (8). An evaluator (24) compares the phase position of the signal produced by sensor with the phase position of oscillation reference signal, characterized by oscillation of sensor carrier, thereby determining the distance between light outlet of sensor and the object surface. An independent claim is also included for a method for distance measurement.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Sensor zur Abstandsmessung, insbesondere im Mikrometer und Submikrometerbereich.The Invention relates to a method and a sensor for distance measurement, especially in the micrometer and submicrometer range.

Im Zuge der fortschreitenden technischen und technologischen Entwicklung werden beispielsweise in den Bereichen der Kraftfahrzeugeinspritztechnologie (Dieselmotorentechnik), der Mikrosystemtechnik, der Elektroindustrie sowie in der Medizintechnik zunehmend Bauteile mit kleinen Bohrungen, Nuten, Ausnehmungen usw. gefertigt. Solche Strukturen stellen Geometrieelemente dar, deren Abmessungen absolut sowie auf Toleranz zu messen bzw. zu prüfen sind. Die Toleranzen der zu prüfenden Geometrieelemente liegen dabei häufig in der Größenordnung lediglich weniger Mikrometer oder sogar im Submikrometerbereich. Geeignete Messmittel, die es ermöglichen, die Einhaltung solcher Toleranzen mit ausreichender Genauigkeit wirtschaftlich zu prüfen, existieren kaum.in the Course of the progressive technical and technological development For example, in the fields of automotive injection technology (Diesel engine technology), the microsystem technology, the electrical industry as well as in medical technology increasingly components with small holes, Grooves, recesses, etc. manufactured. Such structures represent geometric elements whose dimensions are absolute as well as to measure tolerance or to consider are. The tolerances of the geometric features to be tested are common in the order of magnitude only a few micrometers or even in the submicrometer range. Suitable measuring equipment that makes it possible compliance with such tolerances with sufficient accuracy to consider economically hardly exist.

Aus der DE 198 05 892 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Strukturen eines Objekts mittels eines an ein Koordinatenmessgerät angekoppelten Tastelements bekannt. Das Tastelement basiert auf einer Lichtwellenleitfaser, deren Ende kugelförmig ausgeformt ist. Das kugelförmige Ende bildet zugleich den Tastkörper und die beleuchtete Peilmarke, deren Position mittels einer externen Kamera erfasst wird.From the DE 198 05 892 A1 For example, a method and a device for measuring structures of an object by means of a probe element coupled to a coordinate measuring machine are known. The probe element is based on an optical fiber whose end is spherically shaped. The spherical end also forms the touch body and the illuminated Peilmarke whose position is detected by an external camera.

Bei der Anwendung dieser Vorrichtung ist das Tastelement mit dem Objekt in Berührung zu bringen. Die Messgenauigkeit wird durch das von der Kamera beobachtete Bildfeld, die daraus resultierende optische Auflösung und die Pixelauflösung der Kamera begrenzt.at The application of this device is the probe element with the object in touch bring to. The measurement accuracy is determined by the one observed by the camera Image field, the resulting optical resolution and the pixel resolution of the Camera limited.

Eine Alternative ist der DE 198 08 273 A1 zu entnehmen. Diese offenbart eine interferometrische Messeinrichtung zum Erfassen der Form oder des Abstands, insbesondere rauer Oberflächen. Zur Abstandsmessung wird ein Zweiwellenlängen-Heterodyninterferometer verwendet, das kurzkohärente Lichtquellen, z.B. Superlumineszenzdioden, erfordert. Die Anordnung besteht im Wesentlichen aus zwei Interferometern, einem Mach-Zehnder-Interferometer, das mit einem Michelson-Interferometer gekoppelt ist. Die angetas tete Messfläche ist in dem Objektstrahlengang des Michelson-Interferometers angeordnet.An alternative is the DE 198 08 273 A1 refer to. This discloses an interferometric measuring device for detecting the shape or the distance, in particular rough surfaces. For distance measurement, a two-wavelength heterodyne interferometer is used which requires short coherent light sources, eg superluminescent diodes. The arrangement consists essentially of two interferometers, a Mach-Zehnder interferometer coupled to a Michelson interferometer. The gauged measuring surface is arranged in the object beam path of the Michelson interferometer.

Diese Einrichtung erfordert einen großen gerätetechnischen Aufwand. Das Verfahren ist relativ anfällig gegenüber Störungen, die dadurch bedingt sind, dass die Fokussierung des Lichts beim Austritt aus der Messsonde mit einer relativ geringen numerischen Apertur erfolgen muss, weil die Fokuslänge den gesamten Messbereich der interferometrischen Anordnung abdecken muss.These Facility requires a big one tech equipment Effort. The method is relatively vulnerable to disturbances caused by that the focusing of the light when exiting the probe with a relatively small numerical aperture, because the focal length the cover the entire measuring range of the interferometric arrangement got to.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen optischen Sensor und ein Messverfahren zu schaffen, die es ermöglichen, einen Abstand oder eine Abstandsänderung mit vergleichsweise geringem Aufwand hochgenau zu ermitteln, wobei Störeffekte weitgehend vermieden werden sollen.From that Based on the object of the invention, an optical sensor and to provide a measuring method that will allow a distance or a change in distance to determine with high accuracy with comparatively little effort, with parasitics should be largely avoided.

Diese Aufgabe wird mit dem Sensor nach Anspruch 1 sowie mit dem Messverfahren nach Anspruch 17 gelöst: Der erfindungsgemäße Sensor ist als optischer konfokaler Sensor mit vorzugsweise großer numerischer Apertur ausgebildet. Der Sensor erzeugt einen wohl definierten Brennpunkt. Ein Beobachtungsobjektiv ist auf diesen Brennpunkt fokussiert und liefert das von einer in dem Brennpunkt angeordneten Objektoberfläche zurück gestreute Licht zu einem lichtempfindlichen Element. Das Intensitätsmaximum wird registriert, wenn sich die Objektoberfläche in dem Brennpunkt befindet.These Task is with the sensor according to claim 1 and with the measuring method solved according to claim 17: The sensor according to the invention is as optical confocal sensor with preferably large numerical Aperture formed. The sensor generates a well-defined focus. An observation lens is focused on this focal point and provides the backscattered from an object surface located at the focus Light to a photosensitive element. The intensity maximum is registered when the object surface is at the focal point.

Zur Abstandsmessung werden das Beleuchtungsobjektiv und das Beobachtungsobjektiv, die baulich zu einem einzigen gemeinsamen Objektiv vereinigt sein können, in Messrichtung im Rahmen einer Schwingbewegung hin und her bewegt. Damit oszilliert der Fokus des Beleuchtungsobjektivs wie auch der gleiche Fokus des Beobachtungsobjektivs entlang der Messrichtung über den gesamten Messbereich hin und her. Diese Oszillation wird vorzugsweise mit einer hohen Frequenz von mehreren bis mehreren zehn Kilohertz durchgeführt. Der Fokus (Brennpunkt), dessen Abmessungen insbesondere in Messrichtung kaum größer als einige Lichtwellenlängen ist, durchstreift somit wieder und wieder den gesamten Messbereich. Vorzugsweise wird dabei ein Objektiv mit besonders hoher numerischer Apertur von vorzugsweise > 0,1 verwendet. Damit ergibt sich ein besonders steilflankiges Signal an dem lichtempfindlichen Bauelement beim Durchgang des Brennpunkts durch die Ebene der Objektoberfläche.to Distance measurement will be the illumination lens and the observation lens, which are structurally united to a single common objective can, moved back and forth in the measuring direction as part of a swinging motion. This oscillates the focus of the illumination lens as well as the same focus of the observation lens along the measuring direction over the entire measuring range back and forth. This oscillation is preferably with a high frequency of several to several tens of kilohertz carried out. The focus (focal point), whose dimensions in particular in the measuring direction hardly bigger than some wavelengths of light is, thus roams the entire measuring range again and again. Preferably, a lens with a particularly high numerical Aperture of preferably> 0.1 used. This results in a particularly steep edge signal on the photosensitive device at the passage of the focal point through the plane of the object surface.

Zur Abstandsmessung ist eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, die die Phasenlage des von dem Sensor, d.h. von dem lichtempfindlichen Bauelement gelieferten Signals mit der Phasenlage der Schwingung des Sensorträgers vergleicht. Die Schwingung des Sensorträgers wird durch ein Referenzsignal abgebildet. Die Phasenlage des Sensorsignals in Bezug auf die Phasenlage des Referenzsignals kennzeichnet die Position der Objektoberfläche innerhalb des von der gesamten Schwingung des Sensorträgers festgelegten Messbereichs.to Distance measurement is provided an evaluation, which the Phase angle of the sensor, i. from the photosensitive device supplied signal with the phase position of the vibration of the sensor carrier compares. The vibration of the sensor carrier is mapped by a reference signal. The phase angle of the sensor signal with respect to the phase position of the reference signal indicates the Position of the object surface inside of the measuring range determined by the total vibration of the sensor carrier.

Wenn der Sensorträger mit einer kalibrierten Schwingungsamplitude schwingt, kann die gemessene Phasenlage unmittelbar in ein Abstandsmaß umgesetzt werden. Wenn die Schwingungsamplitude des Sensorträgers hingegen nicht kalibriert oder nicht präzise bekannt ist, ist dennoch eine präzise Abstandsmessung möglich. Der schwingende Sensor wird dazu in Richtung der Objektoberfläche, bzw. von dieser weg so lange verstellt bis das von dem lichtempfindlichen Bauelemente gelieferte steilflankige Signal genau im Nulldurchgang der Schwingung des Sensorträgers liegt. Der mittlere Abstand zwischen dem Sensor und der Objektoberfläche entspricht in diesem Fall der Brennweite des Objektivs.If the sensor carrier vibrates with a calibrated vibration amplitude, the measured Phase position can be converted directly into a distance measure. If the Oscillation amplitude of the sensor carrier, however, not calibrated or not precise is known, is still a precise distance measurement possible. The oscillating sensor is in the direction of the object surface, or of this way adjusted until that of the photosensitive components supplied steep-edged signal exactly at the zero crossing of the oscillation of the sensor support lies. The mean distance between the sensor and the object surface corresponds in this case, the focal length of the lens.

Der Sensor kann mit einer nicht kohärenten mehrfarbigen Lichtquelle z.B. einer Weißlichtquelle arbeiten. Es ist darüber hinaus möglich, interferenzfähiges Licht z.B. kohärentes monochromatisches Licht zu verwenden und das von dem Objekt zurück gestreute und von dem Objektiv aufgenommene Licht mit einem zuvor abgezweigten Referenzlichtstrahl zur Überlagerung zu bringen. Das steilflankige, z.B. glockenkurvenförmige, Intensitätssignal, das das lichtempfindliche Element des Sensors beim Durchgang des Fokuspunkts durch die Ebene der Objektoberfläche abgibt, wird dann mit Interferenzstreifen überlagert. Die Phasenlage dieser Interferenzstreifen zu dem Referenzsignal ist ein sehr genaues Maß für die Position der Objektoberfläche. Es ergibt sich eine kurze Messzeit und eine hohe Messgenauigkeit. Der Vorteil der interferometrischen Anordnung liegt in der höheren Messgenauigkeit und der u.U. kürzeren Messzeit, denn es kann jeweils während einer halben Schwingungsperiode des Sensorträgers ein genauer Messwert bereit gestellt werden. Die hohe Messgenauigkeit ergibt sich aus der Periodenlänge der Schwingung des Sensorträgers. Diese entspricht der halben Lichtwellenlänge des verwendeten Lichts. Beträgt die Lichtwellenlänge z.B. 720 nm so wird eine Änderung der Phasenlage von 360° durch eine Abstandsänderung von 360 nm hervorgerufen. Eine Messunsicherheit für die Phasenlage von 0,1° führt somit auf eine Messunsicherheit von 0,1 nm. Die Einschränkung des Eindeutigkeitsbereichs der Phasenauswertung auf das Intervall zwischen 0 und 360° lässt sich überwinden, indem zusätzlich die Lage des Maximums des konfoka len (niederfrequenten) Signalanteils bestimmt und auf diese Weise ein grober Abstandswert ermittelt wird. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Abweichung dieses Abstandswertes von dem wahren Abstandswert weniger als 180° entspricht.Of the Sensor can be with a non-coherent multicolor Light source e.g. a white light source work. It is about it out possible, capable of generating interference Light e.g. coherent to use monochromatic light and that scattered back from the object and light received by the lens with a previously branched off Reference light beam for superposition bring to. The steep flank, e.g. bell-shaped, intensity signal, the photosensitive element of the sensor during the passage of the Focusing point through the plane of the object surface is then superimposed with interference fringes. The phase angle of these interference fringes to the reference signal is a very accurate measure of the position the object surface. This results in a short measuring time and a high measuring accuracy. The advantage of the interferometric arrangement is the higher measurement accuracy and the u.U. shorter Measuring time, because it can be during each half an oscillation period of the sensor carrier an accurate reading ready be put. The high measuring accuracy results from the period length of the Vibration of the sensor carrier. These corresponds to half the wavelength of the light used. is the wavelength of light e.g. 720 nm becomes a change the phase angle of 360 ° a change in distance caused by 360 nm. A measurement uncertainty for the phase position of 0.1 ° thus leads to a measurement uncertainty of 0.1 nm. The limitation of Uniqueness range of the phase evaluation on the interval between 0 and 360 ° can be overcome, in addition the position of the maximum of the confocal (low frequency) signal component determined and in this way a rough distance value is determined. It is assumed that the deviation of this distance value from the true distance value less than 180 °.

Der Sensorträger kann durch geeignete Antriebe, wie beispielsweise piezoelektrische Antriebe, magnetostriktive Antriebe, elektrodynamische Antriebe oder ähnliches, in Schwingung versetzt sein. Weist der Antrieb eine gute Positionier- und Wiederholgenauigkeit auf, kann das zum Ansteuern des Antriebs verwendete Signal als Referenzsignal verwendet werden. Darüber hinaus ist es möglich, den Sensorträger mit einem Schwingungssensor zu verbinden, der das Referenzsignal abgibt. Der Schwingungssensor kann ein Positionssensor, ein schneller Sensor, ein Beschleunigungssensor oder dergleichen sein.Of the sensor support can by suitable drives, such as piezoelectric Drives, magnetostrictive drives, electrodynamic drives or similar, to be in vibration. Does the drive have a good positioning and repeatability, this can be used to drive the drive used signal can be used as a reference signal. Furthermore Is it possible, the sensor carrier to connect with a vibration sensor, which is the reference signal emits. The vibration sensor may be a position sensor, a fast sensor, an acceleration sensor or the like.

Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder aus Ansprüchen.Further Details of advantageous embodiments The invention will become apparent from the drawing, the description or from claims.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:In the drawing are embodiments of Invention illustrated. Show it:

1 einen Sensor zur Abstandsmessung als schematisiertes Blockschaltbild, 1 a sensor for distance measurement as a schematic block diagram,

2 den optischen Teil des Sensors nach 1 mit seitlichem Lichtaustritt und Biegeschwinger, ausschnittsweise und in Prinzipdarstellung, 2 the optical part of the sensor 1 with lateral light emission and bending oscillator, fragmentary and in schematic representation,

3 eine abgewandelte Ausführungsform eines optischen Teils des Sensors nach 1 mit seitlichem Lichtaustritt in Prinzipdarstellung, 3 a modified embodiment of an optical part of the sensor according to 1 with lateral light emission in schematic representation,

4 eine abgewandelte Ausführungsform eines optischen Teils eines Sensors mit axialem Lichtaustritt, ausschnittsweise und in Prinzipdarstellung, 4 a modified embodiment of an optical part of a sensor with axial light emission, in sections and in schematic representation,

5 eine abgewandelte Ausführungsform eines optischen Teils eines Sensors nach 1 mit seitlichem Lichtaustritt und erhöhter Auflösung durch Interferenz in Prinzipdarstellung, 5 a modified embodiment of an optical part of a sensor according to 1 with lateral light emission and increased resolution due to interference in schematic representation,

6 ein von einem lichtempfindlichen Element des Sensors abgegebenen Signals bei den optischen Sensoren gemäß 1 bis 4 und 6 a signal output from a photosensitive element of the sensor in the optical sensors according to FIG 1 to 4 and

7 den Verlauf des von dem lichtempfindlichen Bauelement des Sensors nach 1 abgegebenen Signals bei Verwendung des optischen Sensors gemäß 5. 7 the course of the of the photosensitive component of the sensor according to 1 emitted signal when using the optical sensor according to 5 ,

In 1 ist eine im Ganzen als Messeinrichtung 1 bezeichnete Sensoreinrichtung veranschaulicht, die zur Erfassung des Abstands zwischen einer Sonde 2 und einer Objektoberfläche 3 dient. Die Objektoberfläche kann dabei Teil einer Mikrostruktur sein, an der an sehr kleinen Stellen, deren Durchmesser beispielsweise in der Größenordnung von 1 μm liegen kann, die genaue Position oder Toleranz bzgl. eines Sollmaßes zu bestimmen ist. Dazu weist die Sonde 2 ein seitliches Lichtaustrittsfenster 4 mit großer numerischer Apertur auf. Der Aufbau der Sonde 2 geht beispielsweise aus 2 hervor. Die Sonde 2 weist ein Objektiv 5 mit seitlichem Lichtaustritt auf. Das Objektiv kann, wie in 2 veranschaulicht, beispielsweise aus einer Halbkugellinse 6 mit einer verspiegelten Flachseite 7 sein, die als Spiegel wirkt. Außerdem kann zu dem Objektiv 5 eine Sammellinse 10 gehören. Sie kann auch als zonenoptisches Element ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die chromatische Aberration des Objektivs 5 gering, so dass alle Lichtfarben in ein und demselben Fokus 8 konzentriert werden. Dies eröffnet die Möglichkeit der Weißlichtbeleuchtung.In 1 is a whole as a measuring device 1 designated sensor means, which detects the distance between a probe 2 and an object surface 3 serves. In this case, the object surface can be part of a microstructure on which the exact position or tolerance with respect to a nominal dimension can be determined at very small points whose diameter can be, for example, of the order of magnitude of 1 μm. The probe points to that 2 a side light exit window 4 with large numerical aperture. The structure of the probe 2 For example, go out 2 out. The probe 2 has a lens 5 with lateral light emission on. The lens can, as in 2 illustrated, for example, from a hemispherical lens 6 with a mirrored flat side 7 be that acts as a mirror. In addition, to the lens 5 a condenser lens 10 belong. It can also be designed as a zonal optical element. Preferably, the chromatic aberration of the lens 5 low, allowing all light colors in the same focus 8th be concentrated. This opens up the possibility of white light illumination.

In Brennweitenabstand zu der Sammellinse 10 ist der Lichtaustritt einer Lichtleitfaser 9 angeordnet. Diese ist beispielsweise als Singlemodenfaser mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern (μm) ausgebildet. Die numerische Apertur des Objektivs 5 ist vorzugsweise hoch, d.h. die in 2 symbolisierten äußeren Lichtstrahlen des Lichtbündels treffen sich in dem Fokus 8 unter einem Kegelwinkel, der sich möglichst nahe an einen rechten Winkel annähert.In focal distance to the convergent lens 10 is the light emission of an optical fiber 9 arranged. This is formed for example as a single-mode fiber with a diameter of a few micrometers (microns). The numerical aperture of the lens 5 is preferably high, ie the in 2 symbolized outer light rays of the light beam meet in the focus 8th at a cone angle approaching as close to a right angle as possible.

Die Sonde 2 ist auf einem Sensorträger 11 angeordnet, der durch einen piezoelektrischen Antrieb 12 in Schwingung versetzbar ist. Die Schwingung ist in 2 durch Pfeile 13, 14 veranschaulicht. Die Richtung dieser Schwingung ist im Wesentlichen senkrecht zu der Objektoberfläche 3 festgelegt. Die Amplitude und der Abstand des Fokus 8 zu der Objektoberfläche 3 ist dabei so gewählt, dass der Fokus 8 die Objektoberfläche 3 beim Hin- und Herschwingen durchquert. Der Antrieb 12 ist vorzugsweise ein Piezo-Biegeschwinger. Wie 1 veranschaulicht, ist er von einem Oszillator 15 erregt, der ein entsprechendes Ansteuersignal erzeugt.The probe 2 is on a sensor carrier 11 arranged by a piezoelectric actuator 12 is vibratable. The vibration is in 2 through arrows 13 . 14 illustrated. The direction of this vibration is substantially perpendicular to the object surface 3 established. The amplitude and the distance of the focus 8th to the object surface 3 is chosen so that the focus 8th the object surface 3 when swinging back and forth. The drive 12 is preferably a piezo bending vibrator. As 1 He is illustrated by an oscillator 15 energized, which generates a corresponding drive signal.

Bedarfsweise kann der Sensorträger 11 mit einem Schwingungssensor 16 beispielsweise in Form einer piezoresistiven Schicht versehen sein, die ein der Verformung des Sensorträgers 11 bzw. der Auslenkung desselben entsprechendes Signal abgibt und an eine Messschaltung 17 liefert.If necessary, the sensor carrier 11 with a vibration sensor 16 be provided for example in the form of a piezoresistive layer, which is one of the deformation of the sensor carrier 11 or the deflection of the same corresponding signal outputs and to a measuring circuit 17 supplies.

Diese gewinnt aus den Signalen des Schwingungssensors 16 ein Referenzsignal, das die Schwingung des Sensorträgers 11 kennzeichnet.This wins from the signals of the vibration sensor 16 a reference signal representing the vibration of the sensor carrier 11 features.

Die Lichtleitfaser 9 ist gegebenenfalls über ein Eingangsobjektiv 18 sowie Strahlteiler 19, 21 an eine Lichtquelle 22 wie auch an einen Fotodetektor 23 angekoppelt, der zumindest ein lichtempfindliches Bauelement enthält. Die Lichtquelle 22 ist beispielsweise eine Weißlichtquelle. Die gesamte Optik ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sich alle Lichtstrahlen in dem Fokus 8 treffen. Die einzelnen optischen Elemente, insbesondere die der Sonde 2 können reflektive, diffraktive, refraktive oder kombinierte optische Elemente sein. An Stelle der Sammellinse 10 kann auch eine Grinlinse Anwendung finden.The optical fiber 9 is optionally via an input lens 18 as well as beam splitters 19 . 21 to a light source 22 as well as a photodetector 23 coupled, which contains at least one photosensitive component. The light source 22 is for example a white light source. The entire optic is preferably designed so that all light rays in the focus 8th to meet. The individual optical elements, in particular those of the probe 2 may be reflective, diffractive, refractive or combined optical elements. In place of the condenser lens 10 can also find a grin lens application.

Die Messschaltung 17 und der Fotodetektor 23 sind an eine Auswerteschaltung 24 angeschlossen, die das von der Messschaltung 17 gelieferte Referenzsignal und das von dem Fotodetektor 23 gelieferte Sensorsignal miteinander vergleicht und daraus den mittleren Abstand zwischen der Sonde 2 und der Objektoberfläche 3 bestimmt. Dieses Abstandssignal kann an einen Summierer 25 gegeben werden, der die gemessenen Abstände mit der Absolutposition des Sensorträgers 11 verrechnet, um eine absolute Positionsmessung zu ermöglichen. In vielen Fällen kann auf den Summierer 25 jedoch verzichtet werden und zwar dann, wenn es lediglich auf eine Relativmessung, d.h. eine Abstandsbestimmung zwischen der Sonde 2 und der Objektoberfläche 3 ankommt.The measuring circuit 17 and the photodetector 23 are connected to an evaluation circuit 24 connected, that of the measuring circuit 17 supplied reference signal and that of the photodetector 23 supplied sensor signal with each other and therefrom the average distance between the probe 2 and the object surface 3 certainly. This distance signal can be sent to a summer 25 given the measured distances with the absolute position of the sensor carrier 11 calculated to allow an absolute position measurement. In many cases, the totalizer can 25 However, be waived and that if it is only on a relative measurement, ie a distance determination between the probe 2 and the object surface 3 arrives.

Die insoweit beschriebene Messeinrichtung 1 arbeitet wie folgt:
Es wird zunächst die Sonde 2 vor der Objektoberfläche 3 positioniert. Sodann wird der Oszillator 15 angesteuert, um den Sensorträger 11 definiert in Schwingung zu versetzen. Nach Aktivierung der Lichtquelle 22 entsteht der Fokus 8, der somit senkrecht zu der Objektoberfläche 3 hin und her schwingt und dabei die Objektoberfläche 3 trifft. Im Normalfall geht der Fokus bei jeder Vollschwingung des Sensorträgers 11 zwei Mal durch die Objektoberfläche. Immer dann wenn der Fokus 8 genau auf der Objektoberfläche 3 liegt, nimmt der Fotodetektor 23 maximale Helligkeit wahr. Ansonsten nimmt er im Wesentlichen keine Helligkeit wahr. Der entsprechende Signalverlauf geht aus 6 hervor. Das Sensorsignal des Fotodetektors 23 stellt einen steilflankigen Peak dar. Die Phasenlage dieses Peaks wird mit der Phasenlage des Referenzsignals verglichen, wie es von der Messschaltung 17 kommt. Die Phasenlage des von dem Fotodetektor abgegebenen Intensitätssignals gemäß 6 zu dem Signal der Messschaltung 17 kennzeichnet den Abstand zwischen der Sonde 2 und der Objektoberfläche. Ändert sich der mittlere Abstand zwischen der Sonde 2 und der Objektoberfläche 3 so ändert sich die Phasenlage des Intensitätssignals gegenüber dem Referenzsignal. Dabei wird dieses lediglich über eine Halbperiode erfasst und ausgewertet. Die Halbperiode ist so festgelegt, dass sich die Sonde in dieser Halbperiode entweder immer auf die Objektoberfläche 3 zu oder von dieser weg bewegt.The measuring device described so far 1 works as follows:
It will be the probe first 2 in front of the object surface 3 positioned. Then the oscillator 15 driven to the sensor carrier 11 defined to vibrate. After activation of the light source 22 the focus arises 8th which is thus perpendicular to the object surface 3 oscillates back and forth while the object surface 3 meets. Normally, the focus is at each full oscillation of the sensor carrier 11 twice through the object surface. Whenever the focus 8th exactly on the object surface 3 lies, the photodetector takes 23 maximum brightness true. Otherwise, he essentially does not perceive brightness. The corresponding signal waveform goes off 6 out. The sensor signal of the photodetector 23 represents a steep-flanked peak. The phase position of this peak is compared with the phase position of the reference signal, as determined by the measuring circuit 17 comes. The phase angle of the output from the photodetector intensity signal according to 6 to the signal of the measuring circuit 17 indicates the distance between the probe 2 and the object surface. Does the mean distance between the probe change? 2 and the object surface 3 this changes the phase position of the intensity signal relative to the reference signal. This is recorded and evaluated only over a half-period. The half period is set so that the probe in this half period either always on the object surface 3 moved to or from this path.

Die Änderung des Phasenwinkels zwischen dem Intensitätssignal und dem Referenzsignal ist ein Maß für die Änderung des mittleren Abstands zwischen der Sonde 2 und der Objektoberfläche 3. Bei geeigneter Schwingungsform kann die Änderung des Phasenwinkels proportional zur Änderung des Abstands sein. Alternativ kann die Lage des Intensitätsmaximums auf der Zeitachse als Maß für die Abstandsänderung verwendet werden. Dies ist jedoch im allgemeinen mit Einbußen hinsichtlich der erreichbaren Messgenauigkeit verbunden.The change in the phase angle between the intensity signal and the reference signal is a measure of the change in the mean distance between the probe 2 and the object surface 3 , In a suitable waveform, the change in the phase angle may be proportional to the change in the distance. Alternatively, the position of the intensity maximum on the time axis can be used as a measure of the change in distance. However, this is generally associated with losses in terms of the achievable measurement accuracy.

3 veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungsform des optischen Teils der Messeinrichtung 1 in schematischer Darstellung. Wiederum sind die Lichtquelle 22, der Fotodetektor 23 und die Sonde 2 vorgesehen. Die Einkopplung des zur Messung erforderlichen Lichts erfolgt wiederum durch die Lichtleitfaser 9. Die Optik zur Einkopplung des Lichts von der Lichtquelle 22 in die Lichtleitfaser 9 ist nicht weiter veranschaulicht. An Stelle des halbdurchlässigen Spiegels 19 zur Auskopplung des von der Sonde 2 zurück gelieferten Lichts ist ein Y-Koppler 26 vorgesehen. Wie bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wird das aus der Lichtleitfaser 9 austretende Licht zunächst mittels einer ersten Sammellinse 10 oder eines entsprechenden optischen Elements kollimiert und anschließend mittels der Halbkugellinse 6 oder eines entsprechenden anderen optischen Elements mit vergleichsweise großer numerischer Apertur fokussiert und gegebenenfalls umgelenkt (Spiegel an der Flachseite 7), so dass es in der gewünschten Winkelposition aus der Sonde 2 austritt und auf die Objektoberfläche 3 fällt. Das von der Objektoberfläche reflektierte Licht durchläuft die optischen Elemente, d.h. die Halbkugellinse 6 und die Sammellinse 10 ein zweites Mal und wird teilweise wieder in die Lichtleitfaser 9 eingekoppelt. Am rückwärtigen Faserende ist der Fotodetektor 23 angeordnet, der die Intensität des von der Objektoberfläche reflektierten und in die Lichtleitfaser 9 zurück gekoppelten Lichts erfasst. Wie erwähnt, erfolgt die Trennung des Sende- und des Empfangsstrahlengangs faseroptisch mittels des Y-Kopplers 26. Wiederum kommt der Messeffekt dadurch zustande, dass die gesamte Sonde 2 durch einen geeigneten Mechanismus, beispielsweise den Antrieb 12, mechanisch in Messrichtung zum Schwingen angeregt wird. Der hier nicht veranschaulichte Sensorträger (11) dient als einseitig eingespannter Biegebalken, an dessen schwingenden Ende sich der Lichtaustritt befindet. Die Schwingungsrichtung stimmt mit der Lichtaustrittsrichtung überein und die Schwingungsamplitude ist auf den erforderlichen Messbereich abgestimmt. Bedarfsweise kann die Schwingungsamplitude eingestellt werden. Auch bei dem Sensor gemäß 3 beruht die Auswertung des Signals des Fotodetektors 23 auf der Ermittlung der Phasenlage des fortlaufend während einer halben Schwingungsperiode gemessenen Intensitätssignals. Wiederum kann als Referenzsignal das an dem Biegebalken abgegriffene Signal dienen. Alternativ und wie in 1 durch einen gestrichelten Pfad 27 veranschaulicht, kann an das zur Schwingungsanregung verwendete Signal an die Stelle des von der Messschaltung 17 abgegebenen von dem Sensorträger 11 abgegriffene Signal treten. Stimmt die Frequenz der anregenden Schwingung mit der Resonanzfrequenz des Sensorträgers 11 überein, ist die Schwingung der optischen Sonde 2 gegenüber der anregenden Schwingung um 180° phasenverschoben. Diese bekannte Phasenbeziehung kann bei der Auswertung der Phasenlage des Messsignals berücksichtigt werden. 3 illustrates a modified embodiment of the optical part of the measuring device 1 in a schematic representation. Again, the light source 22 , the photodetector 23 and the probe 2 intended. The coupling of the light required for the measurement again takes place through the optical fiber 9 , The optics for coupling the light from the light source 22 in the optical fiber 9 is not further illustrated. In place of the semipermeable mirror 19 for decoupling from the probe 2 returned light is a Y-coupler 26 intended. As in the previous embodiment, this is made of the optical fiber 9 exiting light first by means of a first converging lens 10 or a corresponding optical element and then collimated by means of the hemispherical lens 6 or a corresponding other optical element with a comparatively large numerical aperture focused and optionally deflected (mirror on the flat side 7 ), leaving it in the desired angular position from the probe 2 exit and onto the object surface 3 falls. The light reflected from the object surface passes through the optical elements, ie the hemispherical lens 6 and the condenser lens 10 a second time and will partially return to the fiber optic 9 coupled. At the rear end of the fiber is the photodetector 23 arranged, reflecting the intensity of the reflected from the object surface and into the optical fiber 9 recorded back coupled light. As mentioned, the separation of the transmission and the reception beam path is fiber optically by means of the Y-coupler 26 , Again, the measuring effect is due to the fact that the entire probe 2 by a suitable mechanism, for example the drive 12 , is mechanically excited in the measuring direction to vibrate. The sensor carrier (not illustrated here) ( 11 ) serves as a cantilevered bending beam, at the oscillating end of the light exit is. The oscillation direction coincides with the light exit direction and the oscillation amplitude is tuned to the required measuring range. If necessary, the oscillation amplitude can be adjusted. Also with the sensor according to 3 the evaluation of the signal of the photodetector is based 23 on the determination of the phase position of the intensity signal continuously measured during a half oscillation period. Once again, the reference signal used can be the signal tapped on the bending beam. Alternatively and as in 1 through a dashed path 27 may be applied to the signal used for the vibration excitation in place of that of the measuring circuit 17 delivered from the sensor carrier 11 tapped signal occur. Is the frequency of the exciting vibration at the resonant frequency of the sensor carrier 11 match, is the oscillation of the optical probe 2 out of phase with the exciting vibration by 180 °. This known phase relationship can be taken into account in the evaluation of the phase position of the measurement signal.

In 4 ist eine weitere Ausführungsform der Sonde 2 veranschaulicht. Der Sensorträger 11 vollführt hier eine Längsschwingung, die durch einen Pfeil 28 angedeutet ist. Der Lichtaustritt ist ebenfalls in Längsrichtung festgelegt. Das Objektiv besteht hier wiederum aus einer Sammellinse 8 und einer Kugellinse 29, die die große numerische Apertur des Objektivs 5 erbringt. Die Kugellinse 29 und die Sammellinse 10 können auch zu einem einzigen optischen Element zusammengefasst sein, das auf einer Seite mit großer numerischer Apertur den Fokus 8 festlegt und auf der gegenüber liegenden Seite das Licht auf die Austrittsöffnung der Lichtleitfaser 9 fokussiert.In 4 is another embodiment of the probe 2 illustrated. The sensor carrier 11 here performs a longitudinal oscillation, which by an arrow 28 is indicated. The light emission is also fixed in the longitudinal direction. The objective here again consists of a convergent lens 8th and a ball lens 29 , which is the large numerical aperture of the lens 5 he brings. The ball lens 29 and the condenser lens 10 may also be grouped into a single optical element that focuses on one side with a large numerical aperture 8th determines and on the opposite side the light on the exit opening of the optical fiber 9 focused.

Zur Schwingungsanregung in Längsrichtung können Piezoelemente, magnetostriktive Elemente oder im einfachsten Fall eine Magnetspule dienen, die einen Hubmotorantrieb 31 bildet. Die Bewegungsrichtung des Hubmotors ist wiederum parallel zu der Lichtaustrittsrichtung des Objektivs 5, die durch die optische Achse desselben (strichpunktiert in 4) festgelegt ist und somit rechtwinklig zu der Objektoberfläche 3 orientiert.For vibrational excitation in the longitudinal direction piezo elements, magnetostrictive elements or in the simplest case serve a magnetic coil, a Hubmotorantrieb 31 forms. The direction of movement of the lifting motor is in turn parallel to the light exit direction of the lens 5 , which through the optical axis of the same (dash-dotted lines in 4 ) and thus perpendicular to the object surface 3 oriented.

5 veranschaulicht eine weiter abgewandelte Ausführungsform des optischen Teils der Messeinrichtung 1. Die Sonde 2 kann wie in 5 veranschaulicht oder auch gemäß 5 illustrates a further modified embodiment of the optical part of the measuring device 1 , The probe 2 can be like in 5 illustrated or according to

4 ausgebildet sein. Auf die vorigen Beschreibungen wird entsprechend verwiesen. Die Lichtquelle 22 ist hier eine monochromatische kohärente Lichtquelle, wie beispielsweise eine Laserdiode. Der Fotodetektor 23 stimmt mit denen der vorbeschriebenen Ausführungsformen überein. An die Lichtleitfaser 9 ist ein doppelter Y-Koppler 32 angeschlossen, der zum einen das Licht für den Fotodetektor 23 aus dem Lichtweg auskoppelt und der zum anderen von der Lichtquelle 22 kommendes Licht in einen Referenzlichtweg 33 ein- und wieder auskoppelt, der durch eine Lichtleitfaser gebildet ist. Das Ende derselben ist durch einen Spiegel 34 abgeschlossen. An Stelle des Y-Kopplers 32 können auch geeignete halbdurchlässige Spiegel treten, die dann nach Art eines Michelson-Interferometers den Referenzlichtweg 33 ankoppeln, der zu dem Spiegel 34 und von diesem wieder zum Strahlteiler führt. Bevorzugt wird jedoch die Ausführung mit einem als Faserschmelzkoppler ausgebildeten Y-Koppler. Dieser teilt das eingekoppelte Licht auf zwei Zweige, nämlich einen Messlichtweg und einen Referenzlichtweg 33 auf. Der Messlichtweg ist mit der Sonde 2 gekoppelt während der Referenzlichtweg durch den Spiegel 34 abgeschlossen ist. Beispielsweise ist das entsprechende Faserende verspiegelt oder teilverspiegelt. 4 be educated. The previous descriptions are referenced accordingly. The light source 22 Here is a monochromatic coherent light source, such as a laser diode. The photodetector 23 is consistent with those of the above embodiments. To the optical fiber 9 is a double Y-coupler 32 connected, on the one hand, the light for the photodetector 23 decoupled from the light path and the other from the light source 22 incoming light in a reference light path 33 on and decoupled, which is formed by an optical fiber. The end of it is through a mirror 34 completed. In place of the Y-coupler 32 suitable semitransparent mirrors can also be used which then, in the manner of a Michelson interferometer, the reference light path 33 connect that to the mirror 34 and from this leads back to the beam splitter. However, preference is given to the embodiment with a fiber coupler designed as a Y-coupler. This divides the coupled light on two branches, namely a measuring light path and a reference light path 33 on. The measuring light path is with the probe 2 coupled during the reference light path through the mirror 34 is completed. For example, the corresponding fiber end is mirrored or partially mirrored.

An dem Fotodetektor 23 kommt es, wenn der Sensorträger 11 schwingt, zusätzlich zu dem konfokalen Intensitätssignal gemäß 6 zu einem höherfrequenten cosinusförmig modulierten Interferenzsignal. Das sich an dem Fotodetektor 23 schlussendlich ergebende Signal ist in 7 veranschaulicht. Der hochfrequente Anteil dieses Signals kann durch ein Hochpassfilter separiert und bzgl. seiner Phasenlage ausgewertet werden. Eine Änderung der Phasenlage dieses Signals in unterschiedlichen Schwingungszyklen ist direkt proportional zu einer Änderung des mittleren Abstands zwischen der Sonde 2 und der Objektoberfläche 3.At the photodetector 23 it comes when the sensor support 11 vibrates, in addition to the confocal intensity signal according to 6 to a higher-frequency cosinusoidally modulated interference signal. This is the photo detector 23 ultimately resulting signal is in 7 illustrated. The high-frequency component of this signal can be separated by a high-pass filter and evaluated with respect to its phase position. A change in the phase angle of this signal in different vibration cycles is directly proportional to a change in the mean distance between the probe 2 and the object surface 3 ,

Der Vorteil der interferometrischen überlagerten Messung liegt in der höheren Messgenauigkeit und unter Umständen der kürzeren Messzeit. Während einer halben Schwingungsperiode des Sensorträgers 11 kann ein genauer Messwert bereit gestellt werden. Die hohe Messgenauigkeit ergibt sich aus der Periodenlänge der hochfrequenten Schwingung. Diese entspricht der halben Lichtwellenlänge des verwendeten Lichts. Eine Änderung der Phasenlage des hochfrequenten Anteils des Signals gemäß 7 um 360° entspricht einer halben Lichtwellenlänge. Damit lässt sich mit relativ langwelligem Licht mit einer Wellenlänge von beispielsweise 720 nm bei einer Winkelauflösung von 0,1° eine Messunsicherheit von 0,1 nm erreichen. Mit anderen Worten, der vorgestellte optische Sensor eignet sich für optische Messungen im Nanometerbereich. Die Größe des Messbereichs ist dabei durch die zugleich stattfindende Hüllkurve des Intensitätssignals gemäß 7 nicht prinzipiell begrenzt. Die Größe des Messbereichs wird allein von der Größe der mechanischen Schwingung festgelegt.The advantage of the interferometric superimposed measurement lies in the higher measurement accuracy and possibly the shorter measurement time. During a half oscillation period of the sensor carrier 11 An accurate reading can be provided. The high measurement accuracy results from the period length of the high-frequency oscillation. This corresponds to half the wavelength of the light used. A change in the phase position of the high-frequency component of the signal according to 7 360 ° corresponds to half the wavelength of light. In this way, a measurement uncertainty of 0.1 nm can be achieved with relatively long-wavelength light having a wavelength of 720 nm, for example, with an angular resolution of 0.1 °. In other words, the presented optical sensor is suitable for optical measurements in the nanometer range. The size of the measuring range is determined by the concurrent envelope of the intensity signal according to 7 not limited in principle. The size of the measuring range is determined solely by the magnitude of the mechanical vibration.

Ein Sensor zur Abstandsmessung weist eine optische Sonde mit großer numerischer Apertur auf, die in Lichtaustrittsrichtung in mechanische Schwingung versetzt ist. An die Sonde ist ein konfokaler Sensor angeschlossen. Die Auswertung des erhaltenen Intensitätssignals erfolgt durch Vergleich des Phasenlage des steilflankiges Intensitätssignals mit der mechanischen Schwingung der Sonde 2. Dieses Messprinzip ermöglicht auf einfachste Weise die Durchführung präziser Messungen, wobei aufgrund der großen numeri schen Apertur Störeffekte weitgehend vermieden werden können.A sensor for distance measurement has an optical probe with a large numerical aperture, which is set in the light exit direction in mechanical vibration. A confocal sensor is connected to the probe. The evaluation of the obtained intensity signal is carried out by comparing the phase position of the steep-flanked intensity signal with the mechanical vibration of the probe 2 , This measurement principle allows the simplest way to carry out precise measurements, which can be largely avoided due to the large numerical aperture rule.

Claims

Measuring device ( 1 ) for distance measurement, in particular in the micrometer and Submikrometerbereich, with a sensor carrier ( 11 ), which is equipped with a vibration drive ( 12 ), to which a drive circuit ( 15 ), with an optical confocal sensor ( 2 . 9 . 22 . 23 . 26 ) whose light emission ( 5 ) on the sensor carrier ( 11 ), wherein the light exit direction coincides with the direction of oscillation, and which emits a signal indicating the passage of an object surface ( 3 ) by a focus ( 8th ) of the sensor ( 2 . 9 . 22 . 23 . 26 ), with an evaluation device ( 24 ), which determines the phase angle of the sensor ( 2 . 9 . 22 . 23 . 26 ) supplied with the phase position of the vibration of the sensor carrier ( 11 ) indicative reference signal to determine the mean distance between the light exit of the sensor ( 2 . 9 . 22 . 23 . 26 ) and the object surface ( 3 ).

Measuring device according to claim 1, characterized in that the focus ( 8th ) one to the sensor ( 2 . 9 . 22 . 23 . 26 ) and the light output determining lens is punctiform.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the numerical aperture of the objective ( 5 ) is greater than 0.1.

Measuring device according to claim 2, characterized in that the sensor ( 2 . 9 . 22 . 23 . 26 ) a non-coherent light source ( 22 ) having.

Measuring device according to claim 2, characterized in that the sensor ( 2 . 9 . 22 . 23 . 26 ) a non-monochromatic light source ( 22 ) having.

Measuring device according to claim 4 or 5, characterized in that the chromatic aberration of the objective ( 5 ) is negligible.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the sensor ( 2 . 9 . 22 . 23 . 26 ) has a coherent, monochromatic light source.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the sensor ( 2 . 9 . 22 . 23 . 26 ) a reference light path ( 33 ) whose light matches that of the object surface ( 3 ) backscattered light is superimposed.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the sensor carrier ( 11 ) is designed as a cantilevered bending beam.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the sensor carrier ( 11 ) is connected to a piezoelectric element and is excited by this to mechanical vibrations.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the reference signal from the drive ( 15 ) is emitted signal.

Measuring device according to claim 11, characterized characterized in that that of the drive device ( 15 ) emitted signal one with the resonant frequency of the sensor carrier ( 11 ) is matching frequency.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the sensor carrier ( 11 ) with a vibration sensor ( 16 ) whose output is the reference signal.

Measuring device according to claim 13, characterized in that the vibration sensor ( 16 ) is a position sensor.

Measuring device according to claim 13, characterized in that the vibration sensor ( 16 ) is an acceleration sensor.

Measuring device according to claim 13, characterized in that the drive circuit ( 15 ) via a control loop with the vibration sensor ( 16 ) is connected to the sensor carrier ( 11 ) give an amplitude-stabilized oscillation.

Method for distance measurement, in particular in the micrometer and submicrometer range, by means of an optical confocal sensor ( 2 . 9 . 22 . 23 . 26 ), the light emission on a sensor carrier ( 11 ), which oscillates in the direction of measurement and which emits a signal indicating the passage of an object surface ( 3 ) by a focus ( 8th ) of the sensor ( 2 . 9 . 22 . 23 . 26 ), wherein the average distance between the sensor ( 2 . 9 . 22 . 23 . 26 ) and the object surface ( 3 ) from the phase position between the sensor signal and the mechanical vibration of the sensor carrier ( 11 ) characterizing reference signal is determined.

A method according to claim 17, characterized in that for illuminating the object surface ( 3 ) is used and that the light received by the object on a photosensitive element ( 23 ) is brought to interference with a reference light beam.

Method according to claim 18, characterized in that that of the sensor ( 2 . 9 . 22 . 23 . 26 ) signal is an overlay of the passage of the object surface ( 3 ) through the focus ( 8th ) of the sensor ( 2 . 9 . 22 . 23 . 26 ) and the superimposed signals are separated by a filter.

Method according to claim 19, characterized that the phase angle of the separated high-frequency from the interference resulting signal component is used for distance measurement.

A method according to claim 20, characterized in that the phase position of the separated low-frequency from the passage of the object surface ( 3 ) through the focus ( 8th ) Signal portion used for coarse Festle tion of the measured distance is used to set the distance measurement by means of high-frequency signal components to a uniqueness range.