DE102017122689A1

DE102017122689A1 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Messung eines Abstands zu einer Oberfläche oder eines Abstands zwischen zwei Oberflächen

Info

Publication number: DE102017122689A1
Application number: DE102017122689.3A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dietz
Original assignee: Precitec Optronik GmbH
Current assignee: Precitec Optronik GmbH
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2019-04-04
Also published as: JP7410853B2; WO2019063403A1; JP2020535433A; CN111373301A; CN111373301B

Abstract

Eine Messvorrichtung zur berührungslosen Messung eines Abstands zu einer Oberfläche (19) oder eines Abstands zwischen zwei Oberflächen umfasst eine Messlichtquelle (11), die polychromatisches Messlicht (12) erzeugt, und einen optischen Messkopf (16) auf, der das von der Messlichtquelle (11) erzeugte Messlicht (12) auf ein Messobjekt (18) richtet und davon reflektiertes Messlicht (12') aufnimmt. Ein Spektrograf (20) mit einem dispersiven optischen Element (22) und einem Detektor (24) analysiert das reflektierte Messlicht (12') spektral. Eine Kalibrierlichtquelle (30) erzeugt Kalibrierlicht (32) bekannter und temperaturunabhängiger spektraler Zusammensetzung. Eine Auswerteeinrichtung (28) leitet aus Veränderungen eines Spektrums, das von dem Kalibrierlicht (32) auf lichtempfindlichen Zellen (26) des Detektors (24) erzeugt wird, Korrekturwerte ab, mit denen eine vorgegebene Zuordnung zwischen den lichtempfindlichen Zellen (26) einerseits und Wellenlängen oder aus Wellenlängen abgeleiteten Größen andererseits modifiziert wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung sowie ein Verfahren zur berührungslosen Messung eines Abstands zu einer Oberfläche oder eines Abstands zwischen zwei Oberflächen, wobei polychromatisches Messlicht auf ein Messobjekt gerichtet und das vom Messobjekt reflektierte Messlicht spektral analysiert wird. Die Erfindung betrifft insbesondere das Problem, Beeinträchtigungen der Messgenauigkeit durch thermische Effekte zu verringern.
Beschreibung des Standes der Technik
In der Messtechnik stellt sich häufig das Problem, den Abstand zwischen einem Referenzpunkt und der Oberfläche eines festen oder flüssigen Messobjekts zu messen. Je nach Messaufgabe wird der Abstand nur an einem oder wenigen Punkten auf der Oberfläche oder aber an einer Vielzahl von dicht beabstandeten Punkten gemessen. Im zuletzt genannten Fall lässt sich aus den Abstandsmesswerten ein typologisches ein- oder zweidimensionales Höhenprofil der Oberfläche des Messobjekts ableiten. Auf diese Weise können beispielsweise Unebenheiten in präzise bearbeiteten Oberflächen nachgewiesen oder Rauheitskennzahlen bestimmt werden. Bei diesen Messungen kommt es in der Regel nicht darauf an, dass die Abstände absolut gemessen werden, sondern nur relative Abstandsänderungen mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
Gleiches gilt, wenn der Abstand zwischen Oberflächen und insbesondere die Dicke von optisch transparenten Schichten gemessen werden soll. Auch in diesem Fall werden keine absoluten Abstände zu einem Referenzpunkt benötigt, da sich die Dicke der Schicht aus der Differenz der Abstandswerte für die Oberflächen ergibt, welche die Schicht begrenzen.
Als Schicht wird in diesem Zusammenhang nicht nur eine Lage aus einem Material bezeichnet, das von einem festen Körper getragen oder daran befestigt ist, sondern auch vergleichsweise dünne feste Strukturen, die keine Abstützen benötigen. Beispiel hierfür sind Scheiben, die aus Glas oder einem Halbleitermaterial bestehen, oder Wandungen von Flaschen oder ähnlichen Gegenständen.
Zur berührungslosen Messung von Abständen werden neben kapazitiven oder anderen elektrischen Messprinzipien vor allem optische Messprinzipien eingesetzt, da sich damit eine besonders hohe Messgenauigkeit erzielen lässt. Bei einem dieser optischen Messprinzipien wird polychromatisches Messlicht mithilfe eines optischen Messkopfes auf das Messobjekt gerichtet. Das von der Oberfläche des Messobjekts reflektierte Messlicht wird vom Messkopf aufgenommen und einem Spektrographen zugeführt, der das reflektierte Messlicht spektral analysiert. Aus der spektralen Zusammensetzung des Messlichts kann auf den Abstand zur Oberfläche des Messobjekts zurückgeschlossen werden. Da jede optische Grenzfläche zwischen zwei brechzahlverschiedenen Medien einen Teil des auftreffenden Lichts reflektiert, können auf diese Weise auch die Abstände zu mehreren Oberflächen bestimmt werden, die in Ausbreitungsrichtung des Messlichts hintereinander angeordnet sind. Bedingung hierfür ist lediglich, dass die vom Messlicht durchtretenden optischen Medien für das verwendete Messlicht ausreichend transparent sind.
Bei einem ersten Typ von Messvorrichtungen, der von diesem Messprinzip Gebrauch macht, wird das Konzept der chromatisch konfokalen Messung genutzt. Dieser Typ von Messvorrichtungen weist einen Messkopf auf, der eine chromatisch unkorrigierte Optik enthält, die das Messlicht auf die Oberfläche des Messobjekts fokussiert. Infolge der chromatischen Längsaberration der Optik, die eine Linse aus einem Glas mit starker Dispersion und/oder ein diffraktives optisches Element enthalten kann, werden die spektralen Anteile des Messlichts in unterschiedlichen Brennebenen fokussiert. Eine konfokal angeordnete Blende gewährleistet, dass nur derjenige spektrale Anteil des Messlichts, dessen Brennebene sich exakt auf der Oberfläche des Messobjekts befindet, zum Spektrographen gelangt und dort spektral analysiert werden kann. Der Spektrograf umfasst ein Gitter oder ein anderes dispersives optisches Element sowie einen Detektor, der eine Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen aufweist. Da jeder lichtempfindliche Zelle ein sehr schmaler Wellenlängenbereich zugordnet ist, kann den einzelnen Zellen des Detektors unmittelbar ein Abstandswert zugeordnet werden. Die Zuordnung zwischen den Abstandswerten und den Zellen kann über eine Kalibrierung festgelegt werden, wie dies in der DE 10 2004 049 541 A1 beschrieben ist.
Bei einem anderen Typ von Messvorrichtungen, bei dem ebenfalls von der Oberfläche des Messobjekts reflektiertes Messlicht spektral analysiert wird, wird das Konzept der optischen Interferenz genutzt. Vom Messobjekt reflektiertes Messlicht interferiert mit Messlicht, das in einem Referenzarm reflektiert wurde. Durch die Interferenz wird das reflektierte Messlicht spektral moduliert, wobei der gesuchte Abstandswert aus der Modulationsfrequenz ableitbar ist. Zu diesem Zweck wird Messlicht, das vom Messobjekt reflektiert wurde und mit im Referenzarm reflektierten Messlicht interferiert hat, in einem Spektrografen spektral erfasst und einer inversen Fourier-Transformation unterzogen.
Die beiden vorstehend beschriebenen Typen optischer Messvorrichtungen werden häufig in Produktionsumgebungen zur Qualitätssicherung eingesetzt. In der Produktionsumgebung können die Umgebungstemperaturen allerdings stark schwanken. Typischerweise sind die Messvorrichtungen deswegen für einen Temperaturbereich zwischen +5 °C und +60 °C als betriebsfähig spezifiziert.
Dabei stellt sich das Problem, dass sich die unterschiedlichen Umgebungstemperaturen unmittelbar in den gemessenen Abstandswerten auswirken. Bei Temperaturschwankungen kommt es infolge thermischer Ausdehnung der optischen Elemente zu Veränderungen wichtiger optischer Parameter wie Krümmungsradien und dem Abstand zwischen den optischen Grenzflächen. Außerdem hängt die Brechzahl von Linsen und anderen refraktiven optischen Elementen unmittelbar von der Temperatur ab. Selbst die Brechzahl von Luft oder anderen Gasen, durch die hindurch sich das Messlicht ausbreitet, hängt - wenngleich in sehr viel geringerem Maße als bei festen Körpern - von der Temperatur ab. Außerdem kann die thermische Ausdehnung von Halterungen, mit denen die optischen Elemente an einem Gehäuse befestigt sind, zu Lageveränderungen der optischen Elemente führen, die sich ebenfalls auf die Wirkung der Optik auswirken.
Um thermisch bedingte Messfehler zu kompensieren, schlägt die EP 2 369 294 B1 vor, die im Messkopf enthaltene chromatisch unkorrigierte Optik so auszulegen, dass sich die Veränderungen der optischen Wirkung der einzelnen optischen Elemente bei Temperaturveränderungen gegenseitig kompensieren.
Aus der EP 2 149 028 B1 ist bekannt, thermisch verursachte Veränderungen der Messwerte zuzulassen, diese aber in einem nachfolgenden Korrekturschritt zu korrigieren. Um die Korrekturwerte zu erhalten, wird mithilfe des Spektrografen die spektrale Zusammensetzung eines Messlichtanteils ermittelt, der an einer optischen Oberfläche im Messkopf reflektiert wurde. Dabei wird unterstellt, dass der Abstand dieser Oberfläche zum Ende einer optischen Faser, in die das reflektierte Messlicht eingekoppelt wird, von der Temperatur im Messkopf abhängt. Auf diese Weise lässt sich die Temperatur mittelbar über den Abstand von der optischen Oberfläche im Messkopf messen, so dass der Einfluss der Temperatur bei nachfolgenden Messungen am Messobjekt berücksichtigt werden kann.
In ähnlicher Weise werden temperaturabhängige Effekte im Messkopf auch bei der aus der DE 10 2015 118 069 A1 bekannten Messvorrichtung berücksichtigt. Zur Bestimmung der Wirkung von Temperaturveränderungen wird dabei kein Reflex an einer feststehenden optischen Grenzfläche im Inneren des Messkopfs, sondern an einer Grenzfläche außerhalb des Messkopfs verwendet. Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Messlicht in einem zusätzlichen Messarm auf eine gestufte reflektierende Fläche gerichtet, wobei die Höhe der Stufe entlang der optischen Achse genau bekannt ist. Verändert sich der gemessene Abstandswert zwischen den beiden Oberflächen, so wird diese Wirkung einer veränderten Temperatur zugewiesen und zur Bestimmung eines Korrekturfaktors verwendet. Bei nachfolgenden Messungen werden dann die gemessenen Abstandswerten mit dem Korrekturfaktor multipliziert.
Die US 9,541,376 B2 setzt sich mit dem Problem auseinander, wie sich Temperaturänderungen im Spektrografen auf die Messgenauigkeit in einer nach dem chromatisch-konfokalen Messprinzip arbeitenden Abstandsmessvorrichtung auswirken. Zur Lösung dieses Problems wird vorgeschlagen, mit dem Detektor des Spektrografen nicht nur entweder die +1. oder die -1. Beugungsordnung, sondern sowohl die +1. als auch die -1. Beugungsordnung zu erfassen. Die Abstandsinformation wird aus dem Abstand zwischen den lichtempfindlichen Zellen des Detektors abgeleitet, an denen das Maximum der beiden Beugungsordnungen auftritt. Verändert sich die Position des Gitters und/oder des Detektors infolge einer Temperaturveränderung, so führt dies häufig dazu, dass sich die Maxima der Beugungsordnungen um den gleichen Betrag verlagern, so dass der Abstand zwischen den Maxima konstant bleibt. Da nur dieser Abstand in die weitere Auswertung eingeht, wirken sich Temperaturänderungen nicht auf die Messgenauigkeit aus.
Nachteilig bei diesem bekannten Ansatz ist allerdings, dass vom Detektor zwei Beugungsordnungen ausgewertet werden müssen. Bei gleicher Zahl der zur Verfügung stehenden lichtempfindlichen Zellen verringern sich dadurch die spektrale Auflösung und damit die Messgenauigkeit.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Messung eines Abstands zu einer Oberfläche oder eines Abstands zwischen zwei Oberflächen so zu verbessern, dass sich Temperaturveränderungen im Spektrometer nicht oder zumindest in deutlich geringerem Maße als bisher auf die Messgenauigkeit auswirken. Einbußen bei der spektralen Auflösung und damit der Messgenauigkeit, wie sie bei bekannten Lösungen in Kauf genommen werden müssen, sollen dabei nicht in Kauf genommen werden.
Hinsichtlich der Messvorrichtung wird die vorstehend genannte Aufgabe durch eine Messvorrichtung zur berührungslosen Messung eines Abstands zu einer Oberfläche oder eines Abstands zwischen zwei Oberflächen gelöst, die eine Messlichtquelle hat, die dazu eingerichtet ist, polychromatisches Messlicht zu erzeugen. Die Messvorrichtung weist außerdem einen optischen Messkopf auf, der dazu eingerichtet ist, das von der Messlichtquelle erzeugte Messlicht auf ein Messobjekt zu richten und von dem Messobjekt reflektiertes Messlicht aufzunehmen. Ferner umfasst die Messvorrichtung einen Spektrografen, der dazu eingerichtet ist, von dem Messlicht reflektiertes und von dem optischen Messkopf aufgenommenes Messlicht spektral zu analysieren, wobei der Spektrograf ein dispersives optisches Element und einen Detektor mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen aufweist. Eine Auswerteeinrichtung der Messvorrichtung ist dazu eingerichtet, aus Messsignalen zumindest eines Teils der lichtempfindlichen Zellen Abstandwerte zu berechnen. Erfindungsgemäß weist die Messvorrichtung eine Kalibrierlichtquelle auf, die dazu eingerichtet ist, Kalibrierlicht zu erzeugen, das eine bekannte spektrale Zusammensetzung hat. Das Kalibrierlicht ist durch das dispersive optische Element hindurch auf den Detektor richtbar, ohne zuvor in einem zum Messobjekt führenden optischen Weg reflektiert worden zu sein. Die Auswerteeinrichtung ist dazu eingerichtet, aus Veränderungen eines Spektrums, das von dem Kalibrierlicht auf zumindest einigen der lichtempfindlichen Zellen des Detektors erzeugt wird, Korrekturwerte abzuleiten, mit denen eine vorgegebene Zuordnung zwischen dem zumindest einen Teil der lichtempfindlichen Zellen einerseits und Wellenlängen oder aus Wellenlängen abgeleiteten Größen andererseits modifiziert wird.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass Temperaturveränderungen im Spektrografen eine wesentliche Ursache für Messungenauigkeiten darstellen. Zu berücksichtigen ist dabei, dass am Messkopf und im Spektrografen unterschiedliche Temperaturen herrschen können. In unmittelbarer Nähe des Spektrografen befindet sich beispielsweise häufig die Auswerteeinrichtung, die üblicherweise eine Vielzahl elektronischer Bauelemente umfasst. Die davon erzeugte Verlustwärme kann dazu führen, dass im Spektrografen höhere Temperaturen herrschen als im Messkopf.
Um den Einfluss von Temperaturveränderungen im Spektrografen zu erfassen und bei nachfolgenden Messungen berücksichtigen zu können, wird erfindungsgemäß Kalibrierlicht mit einer bekannten spektralen Zusammensetzung durch das dispersive optische Element des Spektrografen hindurch auf dessen Detektor gerichtet. Auf diese Weise lässt sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Spektrum des Kalibrierlichts einerseits und den lichtempfindlichen Zellen des Detektors andererseits herstellen. Kommt es infolge einer Temperaturveränderung dazu, dass sich die Lage der lichtempfindlichen Zellen verändert, so treten die Intensitätsmaxima im Spektrum des Kalibrierlichts an anderen lichtempfindlichen Zellen auf. Erfindungsgemäß wird dieser Versatz unmittelbar bei der Auswertung der nachfolgenden Messungen an einem Messobjekt berücksichtigt, indem die vorgegebene Zuordnung zwischen den lichtempfindlichen Zellen einerseits und Wellenlängen oder aus den Wellenlängen abgeleiteten Größen andererseits modifiziert wird. Im einfachsten Fall kann eine solche modifizierte Zuordnung beispielsweise so aussehen, dass eine bestimmte lichtempfindliche Zelle nicht mehr einer ursprünglich vorgegebenen Wellenlänge, sondern einer modifizierten Wellenlänge entspricht. Da die gesuchte Abstandsinformation im Spektrum des Messlichts kodiert ist, liefert die richtige Erfassung des Spektrums, die das Ergebnis der modifizierten Zuordnung ist, automatisch temperaturunabhängige Messwerte für die Abstände. Diese unmittelbare Art der Kalibrierung ist vorteilhaft gegenüber solchen Ansätzen, bei denen der Einfluss von Temperaturveränderungen aus Abstandsmessungen abgeleitet wird.
Da das Kalibrierlicht dem Spektrografen zugeführt wird, ohne zuvor in einem zum Messobjekt führenden optischen Weg reflektiert worden zu sein, wird mit dem Kalibrierlicht ausschließlich der Einfluss von Temperaturveränderungen im Spektrografen erfasst.. Die durch die Erfindung gegebene Möglichkeit, den Einfluss von Temperaturveränderungen im Spektrografen unabhängig vom Einfluss etwaiger Temperaturveränderungen im Messkopf bestimmen zu können, ist aus mehreren Gründen vorteilhaft. Werden Temperaturveränderungen im Spektrografen und im Messkopf kombiniert erfasst, wie dies bei der oben genannten EP 2 149 028 B1 der Fall ist, so lässt sich nur die Überlagerung beider Effekte erfassen. Da beide Effekte in der Regel unterschiedliche Korrekturmaßnahmen bei der Auswertung erfordern, lässt sich bei kombinierter Erfassung der Temperaturveränderungen keine optimale Korrektur durchführen. So kann beispielsweise der Fall auftreten, dass für die Wellenlänge, die der weiter oben erwähnten reflektierenden Oberfläche im Messkopf zugeordnet ist, keine Temperaturveränderung erfasst wird, weil sich die Effekte im Messkopf und im Spektrografen zufällig gerade aufheben. Für andere Wellenlängen kann aber durchaus Korrekturbedarf bestehen, der bei der kombinierten Erfassung der Effekte gemäß der EP 2 149 028 B nicht erkannt wird.
Eine getrennte Erfassung der Temperaturveränderungen ist auch im Hinblick auf einen modularen Aufbau der Messvorrichtung vorteilhaft. Gerade wenn die durch Temperaturveränderungen hervorgerufenen Effekte im Spektrometer gegenüber den Effekten im Messkopf dominieren, ist es vorteilhaft, wenn man Korrekturen unabhängig davon durchführen kann, ob der Messkopf über Mittel zur Temperaturerfassung verfügt oder nicht. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung benötigt somit keine speziellen Messköpfe, sondern kann mit beliebigen Messköpfen betrieben werden und ist damit universell einsetzbar.
Um das Kalibrierlicht dem dispersiven optischen Element des Spektrografen zuführen zu können, wird es im Allgemeinen erforderlich sein, eine Lichtteileinrichtung in dem Strahlengang einzuführen, mit deren Hilfe sich das Kalibrierlicht und das Messlicht gemeinsam dem dispersiven optischen Element zuführen lassen. Bei der Lichtteileinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Strahlteilerwürfel oder einen Faserkoppler handeln.
Am günstigsten ist es, wenn die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, die Korrekturwerte aus Veränderungen der Lage von Intensitätsmustern abzuleiten, die auf dem zumindest einen Teil der lichtempfindlichen Zellen des Detektors durch das Kalibrierlicht erzeugt werden. Solche Muster bestehen in der Regel aus einer Abfolge von lokalen Intensitätsmaxima und Intensitätsminima. Im einfachsten Fall besteht ein solches Intensitätsmuster aus einem einzelnen (lokalen) Intensitätsmaximum oder-minimum.
Die erfindungsgemäße Kalibrierung lässt sich am einfachsten durchführen, wenn das Kalibrierlicht eine zeitlich stabile und temperaturunabhängige spektrale Zusammensetzung hat. Die Kalibrierlichtquelle sollte hierzu die Eigenschaft haben, unabhängig von der Umgebungstemperatur Kalibrierlicht mit einer unveränderlichen spektralen Zusammensetzung zu erzeugen. In Prinzip kommt jedoch auch in Betracht, Kalibrierlicht zu verwenden, dessen spektrale Zusammensetzung temperaturabhängig ist. Dann jedoch muss nicht nur die Temperatur im Spektrografen, sondern auch die Temperaturabhängigkeit der spektralen Zusammensetzung genau bekannt sein, damit dies rechnerisch bei der Auswertung berücksichtigt werden kann.
Im einfachsten Fall handelt es sich bei der Kalibrierlichtquelle um eine schmalbandige Lichtquelle, zum Beispiel eine Laserdiode. Eine noch geringere Temperaturabhängigkeit der spektralen Zusammensetzung wird erreicht, wenn die Kalibrierlichtquelle eine (ggf. breitbandige) Lichtquelle und einen temperaturstabilen Monochromator, zum Beispiel ein Fabry-Perot-Interferometer umfasst.
Eine besonders einfache Möglichkeit, Kalibrierlicht mit einer zeitlich stabilen und temperaturunabhängigen spektralen Zusammensetzung zu erzeugen, besteht darin, eine Kalibrierlichtquelle zu verwenden, die eine breitbandige Lichtquelle und eine Anordnung reflektierender Flächen aufweist, welche die Intensität des Kalibrierlichts durch Erzeugen von Interferenzen spektral moduliert. Im Gegensatz zur Verwendung einer Laserdiode hat das Kalibrierlicht somit nicht ein einziges Intensitätsmaximum bei einer bestimmten Wellenlänge, sondern ein relativ breites Spektrum, das wegen seiner Modulation jedoch mehrere lokale Intensitätsmaxima aufweist. Der Detektor des Spektrografen erfasst dann nicht nur die Lage eines einzelnen Intensitätsmaximums, sondern mehrerer Intensitätsmaxima. Eine solche Anordnung kann beispielsweise als planparallele Platte aus einem optisch transparenten Material ausgebildet sein. Wenn die Platte aus einem athermischen Glas besteht, werden Dickenänderungen bei Temperaturschwankungen durch gegenläufige Brechzahlveränderungen so kompensiert, dass die optische Dicke der Platte und damit die Modulationsfrequenz konstant bleiben. Alternativ zu einer Glasplatte kann auch ein Luftspalt der Dicke d zur spektralen Modulation verwendet werden. Dieser Luftspalt kann beispielsweise zwischen einer ersten, transparenten und an der Unterseite teilreflektierenden Platte und einer zweiten reflektierenden Platte gebildet sein. Der Abstand zwischen den Platten wird durch einen Abstandshalter eingestellt, der aus einem Material mit geringer thermischer Ausdehnung (z.B. Quarzglas oder Zerodur) besteht. Dadurch hängt die von dem Luftspalt erzeugte spektrale Modulation nicht nennenswert von der Temperatur ab.
Wenn das Kalibrierlicht und das Messlicht Spektren haben, die sich nicht überlappen, kann die Kalibrierung gleichzeitig mit einer Abstandsmessung durchgeführt werden. Insbesondere kann das Spektrum des Kalibrierlichts kurzwelliger sein als das Spektrum des Messlichts. Bei sich überlappenden Spektren muss die Kalibrierung in Zeitintervallen zwischen Abstandsmessungen durchgeführt werden, da ansonsten die Abstandsmessung durch das Kalibrierlicht verfälscht würde. Unter einer Überlappung wird hier auch der Spezialfall der Identität (also eine vollständige Überlappung) verstanden.
Auch bei sich überlappenden Spektren des Kalibrierlichts und des Messlichts ist eine gleichzeitige Kalibrierung und Messung möglich, wenn das Kalibrierlicht so durch das dispersive optische Element hindurch auf den Detektor richtbar ist, dass Kalibrierlicht mit einer Wellenlänge auf lichtempfindliche Zellen fällt, auf die kein reflektiertes Messlicht mit der gleichen Wellenlänge fallen kann. Vorzugsweise gilt dies auch umgekehrt, d.h. reflektiertes Messlicht kann nicht auf lichtempfindliche Zellen fallen, auf die Kalibrierlicht der gleichen Wellenlänge fallen kann. Erreicht werden kann dies beispielsweise, indem das Kalibrierlicht und das Messlicht unterschiedlich polarisiert sind und mit Hilfe von Polarisationsfiltern auf den lichtempfindlichen Zellen sichergestellt wird, dass Kalibrierlicht und reflektiertes Messlicht nicht auf die gleichen Zellen fallen können.
Da Polarisationsfilter zu Lichtverlusten führen, ist es in vielen Fällen günstiger, wenn man das Kalibrierlicht aus einer anderen Richtung als das reflektierte Messlicht auf das dispersive optische Element fallen lässt. Dadurch nimmt das Kalibrierlicht hinter dem dispersiven optischen Element einen anderen Weg als das Messlicht und kann räumlich davon getrennt werden. Die lichtempfindlichen Zellen können dann beispielsweise erste Zellen umfassen, auf die ausschließlich das Kalibrierlicht fallen kann und die entlang einer ersten Zeile angeordnet sind, und zweite Zellen, auf die ausschließlich das reflektierte Messlicht fallen kann und die entlang einer zweiten Zeile angeordnet ist, die parallel zu der ersten Zeile verläuft.
Der Begriff der Kalibrierlichtquelle ist im vorliegenden Zusammenhang breit zu verstehen. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass das Kalibrierlicht und das Messlicht von unterschiedlichen optischen Bauelementen erzeugt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel verwenden die Kalibrierlichtquelle und die Messlichtquelle das gleiche optische Bauteil zur Erzeugung des Lichts. Die Kalibrierlichtquelle weist dann beispielsweise einen Strahlteiler auf, der einen Teil des von dem optischen Bauteil erzeugten Lichts als Messlicht dem Messkopf zuführt und einen anderen Teil des Lichts einem Monochromator zuführt, der aus dem Licht durch spektrale Filterung das Kalibrierlicht erzeugt. Alternativ hierzu kann dieser Teil des Lichts auch auf eine planparallele Platte zur Erzeugung eines modulierten Kalibrierlichtspektrums gerichtet werden. Auf diese Weise benötigt die Kalibrierlichtquelle kein eigenes optisches Bauelement. Es muss dann allerdings sichergestellt sein, dass sich während der Kalibrierung kein Messobjekt im Strahlengang befindet oder der zum Messobjekt führende optische Weg abgeblendet ist, damit während Messlicht in einem zum Messobjekt führenden optischen Weg reflektiert wird und auf den Detektor gelangt.
Besonders günstig ist es, wenn zwei Kalibrierlichtquellen vorgesehen sind, die dazu eingerichtet sind, Kalibrierlicht mit unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung zu erzeugen. Das von den zwei Kalibrierlichtquellen erzeugte Kalibrierlicht wird dann gleichzeitig durch das dispersive optische Element hindurch auf den Detektor gerichtet, ohne zuvor in einem zum Messobjekt führenden optischen Weg reflektiert worden zu sein. Auf diese Weise lassen sich temperaturbedingte Lageveränderungen der lichtempfindlichen Zellen erfassen, die sich nicht als einheitlicher ortsunabhängiger Versatz (offset) beschreiben lassen. Wenn erstes und zweites Kalibrierlicht mit unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung verwendet wird, lässt sich eine lineare Abhängigkeit des Versatzes von der Wellenlänge erfassen und bei der Modifikation der Zuordnung zwischen den lichtempfindlichen Zellen und Wellenlängen oder daraus abgeleiteten Größen berücksichtigen. In diesem Fall sollten sich die Spektren des von den zwei Kalibrierlichtquellen erzeugten Kalibrierlichts allerdings nicht überlappen. Idealerweise liegt das Spektrum des Messlichts zwischen den Spektren des ersten und zweiten Kalibrierlichts, das von den beiden Kalibrierlichtquellen erzeugt wird.
Eine andere Möglichkeit, an unterschiedlichen Orten auf den Detektor vom Kalibrierlicht erzeugte Messsignale hervorzurufen, besteht darin, als dispersives optisches Element ein Beugungsgitter zu verwenden und das Spektrum des Kalibrierlichts so zu wählen, dass von dem Detektor zwei unterschiedliche Beugungsordnungen des Kalibrierlichts detektierbar sind. Auch hier befinden sich die Orte, an denen sich das Kalibrierlicht auf den Detektor trifft, idealerweise an dessen gegenüberliegenden Enden und außerhalb des dazwischenliegenden Bereichs, der für das Messlicht reserviert ist.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur berührungslosen Messung eines Abstands zu einer Oberfläche oder eines Abstands zwischen zwei Oberflächen mit folgenden Schritten:

a) es wird polychromatisches Messlicht erzeugt;
b) das Messlicht wird mit Hilfe eines optischen Messkopfes auf ein Messobjekt gerichtet und Messlicht, das von dem Messobjekt reflektiert wurde, wird von dem optischen Messkopf aufgenommen;
c) das von dem Messobjekt reflektierte und von dem optischen Messkopf aufgenommene Messlicht wird in einem Spektrografen spektral analysiert, der ein dispersives optisches Element und einen Detektor mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen aufweist;
d) aus Messsignalen zumindest eines Teils der lichtempfindlichen Zellen werden Abstandswerte berechnet, wobei eine vorgegebene Zuordnung zwischen dem zumindest einen Teil der lichtempfindlichen Zellen einerseits und Wellenlängen oder aus Wellenlängen abgeleiteten Größen andererseits verwendet wird;
e) es wird Kalibrierlicht erzeugt, das eine bekannte spektrale Zusammensetzung hat;
f) das Kalibrierlicht wird durch das dispersive optische Element hindurch auf den Detektor gerichtet, ohne dass das Kalibrierlicht zuvor in einem zum Messobjekt führenden optischen Weg reflektiert wurde;
g) aus Veränderungen eines Spektrums, das von dem Kalibrierlicht auf zumindest einigen der lichtempfindlichen Zellen des Detektors erzeugt wird, werden Korrekturwerte abgeleitet;
h) die vorgegebene Zuordnung wird mit Hilfe der Korrekturwerte modifiziert;
i) zumindest die Schritte a) bis d) werden wiederholt, wobei in Schritt d) die in Schritt h) modifizierte Zuordnung verwendet wird.

Die oben zur Messvorrichtung gegebenen Erläuterungen und Hinweise auf vorteilhafte Ausgestaltungen gelten für das Verfahren entsprechend.
Insbesondere ist es günstig, wenn das Kalibrierlicht eine zeitlich stabile und temperaturunabhängige spektrale Zusammensetzung hat.
Das Kalibrierlicht kann in Schritt e) von einem temperaturstabilen Monochromator erzeugt werden, der von einer breitbandigen Lichtquelle beleuchtet wird.
Eine Kalibrierlichtquelle zur Erzeugung des Kalibrierlichts kann eine breitbandige Lichtquelle und eine planparallele Platte aus einem optisch transparenten Material aufweisen, welche die Intensität des Kalibrierlichts durch Erzeugen von Interferenzen spektral moduliert.
Das Kalibrierlicht und das Messlicht haben vorzugsweise Spektren, die sich nicht überlappen, wobei das Spektrum des Kalibrierlichts insbesondere kurzwelliger als das Spektrum des Messlichts sein kann. In diesem Falle ist es möglich, das Kalibrierlicht gleichzeitig mit dem Messlicht auf den Detektor zu richten und spektral zu analysieren.
Wenn das Kalibrierlicht und das Messlicht Spektren haben, die sich überlappen, sollte das Kalibrierlicht nicht gleichzeitig mit dem Messlicht auf den Detektor gerichtet werden.
Ein Teil des von der Messlichtquelle erzeugten Messlichts kann abgezweigt werden. Durch spektrale Filterungen wird dann aus dem abgezweigten Teil des Messlichts das Kalibrierlicht erzeugt.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird erstes und zweites Kalibrierlicht mit unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung erzeugt und gleichzeitig durch das dispersive optische Element hindurch auf den Detektor gerichtet, ohne zuvor in einem zum Messobjekt führenden optischen Weg reflektiert worden zu sein. Die Spektren des ersten und des zweiten Kalibrierlichts überlappen sich dabei vorzugsweise nicht.
Wenn das dispersive optische Element ein Beugungsgitter ist, kann das Spektrum des Kalibrierlichts so gewählt werden, dass von dem Detektor zwei unterschiedliche Beugungsordnungen des Kalibrierlichts detektiert werden können.
Die Kalibrierung mit Hilfe des Kalibrierlichts kann in größeren zeitlichen Abständen durchgeführt werden, da sich die Temperatur in der Regel nur vergleichsweise langsam verändert. Es ist jedoch auch möglich, bei jeder Messung gleichzeitig (etwa im Falle unterschiedlicher Spektren) oder kurz danach oder davor eine Kalibrierung mit Hilfe des Kalibrierlichts durchzuführen. In diesem Fall werden in Schritt i) nicht nur die Schritte a) bis d), sondern alle vorausgehenden Schritte a) bis h) wiederholt.
DEFINITIONEN
Unter polychromatischem Licht wird Licht verstanden, das spektral breitbandig ist und z.B. mehrere Farben enthalten kann, oder mehrere schmalbandige Spektralanteile aufweist, wie sie beispielsweise durch ein Kammfilter erzeugt werden.
Unter einem dispersiven optischen Element wird ein optisches Element verstanden, bei dem eine für die Funktion im Vordergrund stehende optische Eigenschaft, z.B. die Brechzahl oder ein Beugungswinkel, eine ausgeprägte Dispersion zeigt und die Dispersion für die Funktion gewünscht ist. Eine normale Linse aus Glas stellt somit - obwohl die Brechkraft in geringem Maße wellenlängenabhängig ist - kein dispersives optisches Element dar. Anders ist dies hingegen bei Dispersionsprismen oder Beugungsgittern, die eine starke Dispersion zeigen und dafür ausgelegt sind, Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich stark zu brechen oder zu beugen.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung von Abständen gemäß dem Stand der Technik
2a und 2b eine schematische Darstellung, wie Pixel eines im Spektrografen enthaltenen Detektors ein Intensitätsmaximum im Spektrum erfassen, und zwar vor bzw. nach einer Temperaturerhöhung;
3a und 3b eine schematische Darstellung, wie Pixel eines im Spektrografen enthaltenen Detektors zwei Intensitätsmaxima im Spektrum erfassen, und zwar vor bzw. nach einer Temperaturerhöhung;
4 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer an die 1 angelehnten schematischen Darstellung, das vom Prinzip der chromatisch-konfokalen Messung Gebrauch macht;
5 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ebenfalls vom Prinzip der chromatisch-konfokalen Messung Gebrauch macht und bei der die Kalibrierlichtquelle einen Monochromator enthält;
6 eine Variante für eine Kalibrierlichtquelle, die zwei unterschiedliche Monochromatoren enthält;
7 eine Variante für eine Kalibrierlichtquelle, die eine Glasplatte zur Erzeugung spektral modulierten Kalibrierlichts enthält;
8 das Spektrum des von der Glasplatte erzeugen Kalibrierlichts;
9 eine Variante für eine Kalibrierlichtquelle, bei der das Kalibrierlicht fokussiert auf die Glasplatte fällt;
10 eine Variante für eine Kalibrierlichtquelle, bei der das Kalibrierlicht eine Glasplatte in Transmission passiert;
11 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ebenfalls vom Prinzip der chromatisch-konfokalen Messung Gebrauch macht und bei dem das Kalibrierlicht vom gleichen optischen Element wie das Messlicht erzeugt wird;
12 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ebenfalls vom Prinzip der chromatisch-konfokalen Messung Gebrauch macht und bei dem sich das Kalibrierlicht und das Messlicht im Freiraum ausbreiten;
13 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Messvorrichtung vom interferometrischen Messprinzip Gebrauch macht;
14 ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Kalibrierlicht und Messlicht nicht auf die gleichen Pixel des Detektors fallen können.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Messprinzip und Problemstellung
Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Messvorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik. Eine Messlichtquelle 11 erzeugt polychromatisches Messlicht 12, das über eine Lichtteileinrichtung 14, bei der es sich beispielsweise um einen Strahlteilerwürfel handeln kann, und über einen Messkopf 16 auf ein Messobjekt 18 gerichtet wird. In der 1 ist der Teil des Messlichts 12, der von einer Oberfläche 19 des Messobjekts 18 reflektiert wird, mit schwarzen Pfeilen angedeutet und mit der Bezugsziffer 12' versehen. Das reflektierte Messlicht 12' wird vom Messkopf 16 aufgenommen und von der Lichtteileinrichtung 14 auf einen Spektrografen 20 gerichtet. Der Spektrograf 20 enthält ein dispersives optisches Element 22, bei dem es sich zum Beispiel um ein Beugungsgitter oder um ein Dispersionsprisma handeln kann. Ferner enthält der Spektrograf 20 einen Detektor 24, der eine Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen 26 umfasst. Die lichtempfindlichen Zellen 26 sind entlang einer geraden oder gekrümmten Linie angeordnet und werden im Folgenden als Pixel bezeichnet. Die von den Pixeln erzeugten Signale werden von einer Auswerteeinrichtung 28 ausgewertet, um daraus einen Abstandswert zur Oberfläche 19 zu berechnen.
Bei einer Messung wird das reflektierte Messlicht 12' durch das dispersive optische Element 22 abgelenkt, wobei der Ablenkwinkel von der Wellenlänge des reflektierten Messlichts 12' abhängt. Ist das reflektierte Messlicht 12' monochromatisch, wie dies bei chromatisch-konfokalen Messvorrichtungen der Fall ist, so fällt das reflektierte Messlicht nur auf einen oder einige wenige Pixel 26 des Detektors 24, wie dies in der 1 durch ein schwarz hervorgehobenes Pixel 26' angedeutet ist. Bei Messvorrichtungen, bei denen das reflektierte Messlicht 12' mit Messlicht interferiert, das zuvor in einem Referenzarm (nicht dargestellt) reflektiert wurde, erhält man auf dem Detektor 24 ein breites Spektrum, das spektral moduliert ist. Der Detektor 24 erfasst dann eine Vielzahl von Intensitätsmaxima, wobei jedem Abstand zwischen Messobjekt 18 und Messkopf 16 eine Modulationsfrequenz zugeordnet ist. Durch eine Fourier-Transformation lässt sich aus dem vom Detektor 24 erzeugten Signal der gewünschte Abstandswert berechnen, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist.
Im Folgenden wird der Einfachheit davon ausgegangen, dass die Messvorrichtung 10 nach dem Prinzip der chromatisch-konfokalen Messung arbeitet. Alle Überlegungen gelten, mutatis mutandis, jedoch auch für interferometrisch arbeitende Messvorrichtungen.
Die 2a zeigt mehrere Pixel 26 des Detektors 24 und darüber eine Intensitätsverteilung, die von dem dispersiven optischen Element 22 aus dem reflektierten Messlicht 12 erzeugt wird. Man erkennt, dass die spektrale Intensitätsverteilung über mehrere Pixel 26 verschmiert ist. Jedes Pixel 26 erzeugt ein elektrisches Signal, das vorzugweise linear oder gemäß einer komplizierteren Kennlinie von der Intensität des auftreffenden Lichts abhängt. Durch Vergleich der Ausgangssignale der Pixel 26 lässt sich leicht feststellen, auf welchem Pixel 26 die höchste Intensität erreicht wird. In der 2a ist dieses Pixel schwarz markiert und mit 26' bezeichnet. Diesem Pixel kann eine bestimmte Wellenlänge zugeordnet werden. Da bei chromatisch-konfokalen Messvorrichtungen jeder Wellenlänge ein Abstand zugeordnet ist, lässt sich aus der Information, an welchem Pixel die höchste Intensität auftrat, direkt ein Abstandswert ableiten. Die Zuordnung zwischen Pixeln p und Wellenlängen λ kann beispielsweise die Form einer Zuordnungstabelle haben, wie sie nachfolgend widergegeben ist:

Pixel p_i Wellenlänge λ_i

p₁ λ₁

p₂ λ₂

p₃ λ₃

p₄ λ₄

p₅ λ₅

p₆ λ₆

... ...
Jedem Pixel p_i ist eine bestimmte Wellenlänge λ_i zugeordnet. Die Verwendung einer Zuordnungstabelle ist vor allem dann zweckmäßig, wenn sich der Zusammenhang zwischen den Pixeln und den Wellenlängen nicht durch eine einfache Gleichung angeben lässt. Die Zuordnungstabelle wird vom Hersteller der Messvorrichtung durch eine Kalibrierung bestimmt, bei der mit einer durchstimmbaren Kalibrierlichtquelle ermittelt wird, auf welches Pixel Licht einer Wellenlänge λ vom dispersiven optischen Element 22 gerichtet wird. Diese Kalibrierung wird bei einer genau spezifizierten Temperatur durchgeführt.
Erhöht sich im Spektrografen 20 die Temperatur, zum Beispiel wegen der direkt benachbarten und Verlustwärme erzeugenden elektronischen Auswerteeinrichtung 28, so kann sich die relative Anordnung zwischen den Pixeln 26 und dem Spektrum mit den darin enthaltenen Intensitätsmaxima verändern. Ursache hierfür können Lageveränderungen der Pixel 26 und/oder des dispersiven optischen Elements 22 sein. Wie ein Vergleich zwischen den 2a und 2b illustriert, führen solche Veränderungen der relativen Anordnung dazu, dass die maximale Intensität nicht mehr auf dem Pixel 26', sondern auf einem benachbarten oder weiter entfernten Pixel 26" entsteht.
Um damit einhergehende Messungenauigkeiten zu vermeiden, wird erfindungsgemäß die Zuordnungstabelle zwischen Pixeln und Wellenlängen modifiziert. Wenn beispielsweise bei allen Pixeln die Verschiebung Δp Pixel beträgt, so lässt sich folgende Korrekturrechnung durchführen: $p_{i,korr} = p_{i} - Δ p$
Dabei ist p_i,korr die korrigierte Pixelnummer und p_i die ursprüngliche Pixelnummer. Für die Wellenlänge ergibt sich dann folgende korrigierte Zuordnungsvorschrift: $λ_{i,korr} (p_{i}) = λ (p_{i} - Δ p)$
Darin ist λ_korr(p_i) die korrigierte Wellenlänge für ein Signal am Pixel p_i und λ(p_i) der sich aus der ursprünglichen Zuordnungstabelle ergebende Wert.
Häufig führen Temperaturveränderungen im Spektrografen 20 jedoch nicht lediglich zu einem einfachen und für alle Pixel 26 identischen Versatz Δp, wie er in 2a und 2b illustriert ist. Vielmehr kann der Versatz für unterschiedliche Pixel des Detektors 24 unterschiedlich groß ausfallen.
Dieser Fall ist in den 3a und 3b illustriert. In der 3a sind zwei Intensitätsmaxima an weiter auseinanderliegenden Orten auf den Detektor 24 angedeutet. Bei einer Ausgangstemperatur liegen diesen Intensitätsmaxima auf den Pixeln 26-1' bzw. 26-2'. Bei einer Temperaturerhöhung können die Verschiebungen jedoch unterschiedlich groß ausfallen, wie dies die 3b illustriert. Während sich das links dargestellte Intensitätsmaximum lediglich um ein Pixel nach links verschoben hat, kommt es bei dem rechts dargestellten Intensitätsmaximum um eine Verschiebung um drei Pixel nach rechts. Ein solcher von der Wellenlänge abhängiger Pixelversatz Δp = Δp(λ) wird im Folgenden als Skalierungsfehler bezeichnet.
Wenn bei chromatisch-konfokalen Messvorrichtungen ein von der Wellenlänge unabhängiger Versatz Δp = const vorliegt, so wirkt sich dies unmittelbar auf die gemessenen Abstandswerte aus, da jedem Pixel direkt ein Abstandswert zugeordnet ist. Werden Abstände zwischen Oberflächen transparenter Körper gemessen, so macht sich ein Offset bei den Abstandswerten infolge der Differenzbildung nicht bemerkbar. Treten auch Skalierungsfehler auf (Δp = Δp(λ)), so ist davon die Abstandsmessung zwischen zwei Oberflächen betroffen, da sich in diesem Fall aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit des Versatzes die fehlerhaften Abstandswerte nicht mehr herausrechnen.
Bei interferometrischen Messvorrichtungen kommt es bei einem von der Wellenlänge unabhängigen Versatz Δp = const ebenfalls zu Fehlern bei der Abstandsmessung. Ähnlich wie bei den chromatisch-konfokalen Messverfahren führt ein Skalierungsfehler bei Messungen des Abstands zwischen Oberflächen des Messobjekts zu Messungenauigkeiten. Einzelheiten hierzu werden weiter unten im Zusammenhang mit dem fünften Ausführungsbeispiel erläutert.
Erstes Ausführungsbeispiel
Die 4 zeigt in einer an die 1 angelehnten Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 10. Diese weist wie die in der 1 gezeigte und im Stand der Technik bekannte Messvorrichtung eine Messlichtquelle 11, eine Lichtteileinrichtung 14, einen Messkopf 16 und einen Spektrografen 20 auf, der ein dispersives optisches Element 22 und einen Detektor 24 mit Pixeln 26 enthält.
Zusätzlich weist die erfindungsgemäße Messvorrichtung 10 eine Kalibrierlichtquelle 30 auf, die im dargestellten Ausführungsbeispiel dazu ausgelegt ist, Kalibrierlicht zu erzeugen. Das Kalibrierlicht besteht aus zwei voneinander getrennten und schmalbandigen Spektralanteilen, die im Folgenden als erstes und zweites Kalibrierlicht bezeichnet werden.
Das erste Kalibrierlicht 32a mit der Wellenlänge λ_a ist mit Pfeilen 32a und das zweite Kalibrierlicht 32b mit der Wellenlänge λ_b mit Pfeilen 32b angedeutet. Das erste und zweite Kalibrierlicht 32a, 32b wird durch die Lichtteileinrichtung 14 durch das dispersive optische Element 22 hindurch auf den Detektor 24 gerichtet, ohne zuvor in einem zum Messobjekt 18 führenden optischen Weg reflektiert worden zu sein. Das dispersive optische Element 22 lenkt das Kalibrierlicht in Abhängigkeit von der Wellenlänge ab, so dass das Intensitätsmaximum des ersten Kalibrierlichts 32a auf ein erstes Pixel 26a und ein Intensitätsmaximum des zweiten Kalibrierlichts 32b auf ein zweites Pixel 26b fällt. Unterstellt wird dabei, dass die Kalibrierlichtquelle 30 so ausgelegt ist, dass das erste und zweite Kalibrierlicht 32a, 32b eine zeitlich stabile und temperaturunabhängige spektrale Zusammensetzung haben. Die Wellenlängen λ_a, λ_b, sind somit bei allen während des üblichen Betriebs auftretenden Temperaturen konstant.
Verändert sich die relative Anordnung zwischen den Pixeln 26 und dem Spektrum bei Temperaturveränderungen im Spektrografen 20, so lässt sich dies direkt mithilfe des Kalibrierlichts 32a, 32b erfassen. Dabei wird auf die gleichen Überlegungen zurückgegriffen, die oben in Bezug auf die 3a und 3b erläutert wurden. Es wird also für jede der beiden Wellenlängen λ_a, λ_b bestimmt, auf welche Pixel das Kalibrierlicht auftrifft. Durch Vergleich mit der ursprünglichen Zuordnungstabelle kann leicht festgestellt werden, wie groß der Pixelversatz Δp bei Temperaturveränderungen für die beiden Wellenlängen ist. Ist der Versatz bei beiden Wellenlängen identisch, so liegt ein von der Wellenlänge unabhängiger Versatz (Δp = const) vor, so dass sich eine besonders einfache Korrektur gemäß der Gleichung (1) ergibt.
Bei einem wellenlängenabhängigen Versatz lässt sich die korrigierte Pixelnummer p_korr durch folgende lineare Gleichung berechnen: $p_{korr} = p_{mess} - Δ p (λ_{a}) - \frac{p_{mess} - p (λ_{a})}{p (λ_{b}) - p (λ_{a})} (Δ p (λ_{b}) - Δ p (λ_{a}))$
Dabei ist Δp(λ_a) und Δp(λ_b) der mit Hilfe des Kalibrierlichts 32a, 32b gemessene Versatz für die beiden Wellenlängen λ_a, λ_b und p_mess das Pixel, an dem die höchste Intensität gemessen wurde. Aus der korrigierten Pixelposition kann dann bei der chromatisch-konfokalen Abstandsmessung leicht der korrigierte Abstandswert berechnet werden.
Anstatt Kalibrierlicht mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen zu verwenden, kann man Kalibrierlicht mit nur einer Wellenlänge einsetzen und dafür sorgen, dass dieses an zwei unterschiedlichen Orten auf den Detektor 26 fällt. Wenn beispielsweise als dispersives optisches Element 22 ein Beugungsgitter verwendet wird, kann dieses so ausgelegt werden, dass sowohl die +1. als auch die -1. Beugungsordnung des Kalibrierlichts vom Detektor 26 erfasst werden kann. Auf diese Weise erhält man ebenfalls zwei weit auseinanderliegende Orte auf dem Detektor 24, an denen Kalibrierlicht bekannter Wellenlänge auftrifft. Idealerweise befinden sich die Pixel, auf die bei der Abstandsmessung das Messlicht 12 fällt, zwischen diesen Orten. Auf diese Weise wird die Abstandsmessung durch die Kalibrierung nicht gestört, und gleichzeitig sind die Orte maximal weit auseinander, an denen das Kalibrierlicht auf den Detektor 24 auftrifft, was mit Hinblick auf die Bestimmung der durch die Gleichung (3) beschriebenen linearen Funktion günstig ist. Wenn sich die Spektren des Kalibrierlichts und des Messlichts überlappen, kann Kalibrierlicht auf die gleichen Pixel fallen wie das Messlicht und dadurch die Messung verfälschen. Um dies zu vermeiden, muss in diesem Fall die Kalibrierung in Zeiträumen zwischen Messungen mit dem Messlicht durchgeführt werden. Alternativ hierzu kann man durch geeignete Maßnahmen dafür sorgen, dass das Kalibrierlicht trotz überlappenden Spektrums nie auf die gleichen Pixel wie das Messlicht fallen kann. Einzelheiten hierzu werden weiter unten im Zusammenhang mit dem sechsten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Wenn die Kalibrierlichtquelle 30 lediglich Kalibrierlicht mit einer einzigen Wellenlänge erzeugt, so lassen sich damit keine Skalierungsfehler bestimmen. Bei Messvorrichtungen 10, bei denen Skalierungsfehler nicht auftreten oder vernachlässigbar klein sind, genügt es deswegen, Kalibrierlicht mit nur einer Wellenlänge zu erzeugen.
Zweites Ausführungsbeispiel
Die 5 zeigt in einer schematischen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel für eine nach dem chromatisch-konfokalen Messprinzip arbeitende Messvorrichtung 10. Die Messlichtquelle 11 besteht hier aus einer LED 34, die polychromatisches Licht mit Wellenlängen zwischen etwa 500 nm und 700 nm erzeugt. Das Messlicht 12 wird von einer Sammellinse 36 in eine optische Faser 38 eingekoppelt und gelangt über eine Lichtteileinrichtung, die als Faserkoppler 40 ausgebildet ist, zum Messkopf 16. Dort tritt das Messlicht 12 aus einer optischen Faser 39 aus und wird von einem aus zwei Linsen 42, 44 bestehenden Objektiv, das chromatisch nicht korrigiert ist, auf das Messobjekt 18 gerichtet. Infolge der chromatischen Längsaberration des Objektivs wird das austretende Messlicht 12 in unterschiedlichen Wellenebenen fokussiert, wie dies in der 5 für drei unterschiedliche Wellenlängen angedeutet ist. Das an der Oberfläche 19 des Messobjekts 18 reflektierte Messlicht 12 gelangt über den Messkopf 18 zurück in die optische Faser 39 und wird über den Faserkoppler 40 einer weiteren optischen Faser 41 zugeführt, die zum Spektrografen 20 führt.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Kalibrierlichtquelle 30 eine breitbandige LED 46 auf, die Licht im blau-violetten Spektralbereich erzeugt. Das Kalibrierlicht 32 wird von einer Sammellinse 48 kollimiert und passiert einen Monochromator 50, der aus dem Spektrum des Kalibrierlichts 32 ein schmales Frequenzband herausfiltert. Das nun monochromatische Kalibrierlicht 32 wird von einer Sammellinse 52 in eine optische Faser 54 eingekoppelt, die so mit dem Faserkoppler 40 verbunden ist, dass das Kalibrierlicht über die optische Faser 41 zum Spektrografen 20 geführt wird.
Im Spektrografen 20 wird das Kalibrierlicht 32 und auch das Messlicht 12 von einer Sammellinse 55 kollimiert und auf ein dispersives optisches Element gerichtet, das als Reflexionsgitter 56 ausgebildet ist. Das daran reflektierte und gebeugte Licht wird über eine weitere Sammellinse 57 auf den Detektor 24 mit den Pixeln 26 gerichtet, der mit der Auswerteeinrichtung 28 verbunden ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel erzeugt die Kalibrierlichtquelle 30 somit nur Kalibrierlicht mit einer einzigen Wellenlänge, sodass kein von der Wellenlänge abhängiger Pixelversatz erfasst werden kann.
Die 6 zeigt eine Kalibrierlichtquelle 30 gemäß einer Variante, bei der im kollimierten Strahlengang hinter der Linse 48 ein aus zwei Teilelementen bestehender Monochromator 50 angeordnet ist. Die beiden Teilelemente sind so im Strahlengang angeordnet, dass etwa die Hälfte des Kalibrierlichts 32 durch das Teilelement 50a und die andere Hälfte durch das Teilelement 50b hindurchtritt. Beide Teilelemente 50a, 50b haben eine unterschiedliche Filterwirkung, sodass bei dem in der 6 gezeigten Ausführungsbeispiel erstes und zweites Kalibrierlicht 32a, 32b mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt wird.
Bei den Teilelementen 50a, 50b, kann es sich beispielsweise um Farbry-Perot-Interferometer handeln. Eine mögliche Bauform eines solchen Interferometers umfasst eine Platte mit planparallelen und teilreflektierend beschichteten Oberflächen. Die Wellenlängen des Lichts, welches das Interferometer durchdringen kann, hängt von der Dicke der Platte ab. Mit unterschiedlichen Plattendicken lässt sich somit eine unterschiedliche spektrale Filterung erzielen.
Eine weitere Variante für eine Kalibrierlichtquelle 30 ist in der 7 dargestellt. Bei dieser Variante besteht das Kalibrierlicht nicht aus einem oder zwei monochromatischen Anteilen, sondern ist genauso wie das Messlicht 12 polychromatisch. Um dennoch den Pixeln 26 des Detektors 24 Wellenlängen zuordnen zu können, ist das Spektrum I(p) des Kalibrierlichts spektral moduliert, wie dies die 8 zeigt. Wenn die Intensitätsmaxima weit genug auseinanderliegen, können sie mit ausreichender Genauigkeit vom Detektor 24 aufgelöst und einzelnen Pixeln zugeordnet werden.
Wie die 7 zeigt, wird zur Erzeugung der spektralen Modulation das von der LED 46 erzeugte breitbandige Kalibrierlicht über eine Blende 51, einen Strahlteilerwürfel 53 und eine Sammellinse 59 auf eine transparente Platte 58 gerichtet, deren Rückseite 60 vollständig und deren Vorderseite 62 teilweise das Kalibrierlicht 32 reflektiert. Durch Interferenz des an der Rückseite 60 und der Vorderseite 62 reflektieren Kalibrierlichts 32 entsteht die in der 8 gezeigte spektrale Modulation, deren veränderlicher Teil proportional ist zu $cos (\frac{4 π n (λ)}{λ} * d)$
In Gleichung (4) bezeichnet n die Brechzahl und d die Dicke der Platte 58.
Wenn sich die Dicke d und die Brechzahl n der Platte 58 nicht mit der Temperatur verändert, bleiben die Wellenlängen, bei denen Interferenzmaxima auftreten, konstant. Vorzugsweise besteht die Platte 58 deswegen aus einem Glas, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient und Brechzahländerungen bei den üblicherweise auftretenden Temperaturen vernachlässigbar klein sind. Dann bleiben die Modulationsfrequenz und damit die Lage der Intensitätsmaxima auf dem Detektor 26 über einen weiten Temperaturbereich hinweg konstant, und zwar selbst dann, wenn sich das Emissionsspektrum der LED 46 bei Temperaturveränderungen ändert.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, für die Platte 58 ein athermisches Glas zu verwenden, bei dem eine thermisch induzierte Vergrößerung der geometrischen Dicke zumindest im Wesentlichen durch eine gegenläufige Verringerung der Brechzahl kompensiert wird. Auf diese Weise bleibt die optische Dicke der Platte 58, die als das Produkt aus geometrischer Dicke und Brechzahl definiert ist und die Modulationsfrequenz festlegt, auch bei Temperaturveränderungen mit hoher Genauigkeit konstant. Beispiele für solche athermischen Gläser sind z. B. N-PK51 und N-FK51A der Firma Schott.
Auch mit einem solchen modulierten Spektrum lassen sich zwei Orte auf dem Detektor 26 ausleuchten, zwischen denen sich die Pixel befinden, die vom Messlicht beleuchtet werden. Im einfachsten Fall werden hierzu zwei Beugungsordnungen des Kalibrierlichts vom Detektor 26 erfasst, wie dies oben im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.
In der 7 ist mit einer gestrichelten Linie ein Spektralfilter 64 eingezeichnet, das nur Wellenlängen passieren lässt, die kleiner sind als eine Grenzwellenlänge. Die Grenzwellenlänge ist kürzer als die kleinste Wellenlänge des Messlichts 12. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass kein Kalibrierlicht auf den Detektor 24 gelangen kann, das sich im Spektrum des Messlichts 12 befindet. Folglich kann das Kalibrierlicht 32 die eigentliche Abstandsmessung nicht beeinträchtigen. Ein solches Spektralfilter 64 ist dann zweckmäßig, wenn das Spektrum der LED 46 der Kalibrierlichtquelle 30 sich teilweise mit dem Spektrum der LED 34 der Messlichtquelle 11 überlappt. Bei überlappungsfreien Spektren kann auf das Spektralfilter 64 verzichtet werden.
Die 9 zeigt eine weitere Variante für eine Kalibrierlichtquelle 30, die sich von der in der 7 gezeigten Variante lediglich dadurch unterscheidet, dass das Kalibrierlicht 32 nicht als kollimiertes, sondern als fokussiertes Strahlenbündel auf die Platte 58 auftrifft.
Bei der in der 10 gezeigten Variante einer Kalibrierlichtquelle 30 wird, anders als bei den in den 7 und 9 gezeigten Varianten, die Platte 58 in Transmission durchtreten. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau der Kalibrierlichtquelle 30, da kein Strahlteilerwürfel 53 benötigt wird.
Drittes Ausführungsbeispiel
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erzeugen unterschiedliche optische Elemente das Messlicht und das Kalibrierlicht. Auf diese Weise lässt sich besonders einfach sicherstellen, dass sich die Spektren nicht überlappen und die Kalibrierung auch während einer Messung durchgeführt werden kann.
Falls genügend Zeit zur Verfügung steht, um regelmäßige Kalibrierungen zwischen den Abstandsmessungen durchzuführen, kann das Messlicht und das Kalibrierlicht vom gleichen optischen Element erzeugt werden. Die 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen solchen Aufbau, bei dem die Kalibrierlichtquelle 30 lediglich aus einer Sammellinse und der Platte 58 des in der 7 gezeigten Ausführungsbeispiels besteht. Von der Messlichtquelle 11 erzeugtes Messlicht 12 wird über den Faserkoppler 40 der Kalibrierlichtquelle 30 zugeführt und auf die Platte 58 gerichtet. Dort wird dem Kalibrierlicht eine spektrale Modulation aufgeprägt, wie dies oben mit Bezug auf die 7 erläutert wurde. Das spektral modulierte Kalibrierlicht gelangt dann wie bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel über die optische Faser 41 in den Spektrografen 20. Durch den Verzicht auf die LED 46 in der Kalibrierlichtquelle vereinfacht sich der Aufbau der Kalibrierlichtquelle 30.
Auf ein zusätzliches lichterzeugendes optisches Element kann auch dann verzichtet werden, wenn mit Hilfe eines Spektralfilters ein Teil des Messlichts abgezweigt und dem Spektrografen zugeführt wird. In diesem Fall lässt sich die Kalibrierung gleichzeitig mit der Abstandsmessung durchführen. Bei dieser Variante steht für die Abstandsmessung allerdings weniger Bandbreite zur Verfügung, wodurch sich der Messbereich für die Abstandsmessung verkleinert.
Viertes Ausführungsbeispiel
Die 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 10, die im Wesentlichen der in der 7 gezeigten Variante entspricht. Zwischen der Messlichtquelle 11, der Kalibrierlichtquelle 30, dem Messkopf 16 und dem Spektrografen 20 breitet sich das Messlicht 12 und das Kalibrierlicht 32 jedoch nicht in optischen Fasern, sondern im Freiraum aus. Der Faserkoppler des in der 5 gezeigten Ausführungsbeispiels ist daher durch einen Strahlteilerwürfel 40' ersetzt.
Der Strahlengang im Spektrografen 20 ist außerdem so gefaltet, dass das Messlicht 12 und das Kalibrierlicht 32 sowohl vor als auch nach der Beugung am Reflexionsgitter 56 durch die gleiche Linse 56 treten.
Das Messlicht 12 tritt bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem Austrittsfenster 70 einer ansonsten nicht dargestellten Messlichtquelle aus und wird über zwei Blenden 72, 74 über den Strahlteilerwürfel 40' auf den Messkopf 16 gerichtet.
Fünftes Ausführungsbeispiel
Die bislang beschriebenen Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Messvorrichtungen beruhen alle auf dem Prinzip der konfokal-chromatischen Abstandsmessung. Wie oben bereits festgestellt wurde, ist die Erfindung jedoch auch bei interferometrischen Vorrichtungen zur Abstandsmessung einsetzbar. Bei solchen Vorrichtungen weist der Messkopf 16 keine signifikante chromatische Längsaberration auf. Stattdessen wird die Abstandsinformation aus dem Spektrum des reflektierten Messlichts 12' gewonnen, nachdem dieses mit Referenzlicht interferiert hat.
Die 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine solche Messvorrichtung 10. Diese entspricht weitgehend dem in der 5 gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem Unterschied, dass das im Messkopf 16 enthaltene Objektiv chromatisch korrigiert ist und zusätzlich ein Referenzarm 80 mit einem endseitigen Spiegel 82 an einen Faserkoppler 84 angeschlossen ist. In dem Referenzarm 80 wird von der Messlichtquelle 11 erzeugtes Messlicht 12 an einem Spiegel 86 reflektiert und interferiert im Faserkoppler 84 mit dem an der Oberfläche 19 des Messobjekts 18 reflektierten Messlicht 12'. Die Interferenz wird von dem Spektrografen 20 erfasst und erzeugt auf den Detektor 24 ein moduliertes Spektrum. Durch inverse schnelle Fourier-Transformation (IFFT, Inverse Fast Fourier Transformation) können aus dem Spektrum Modulationsfrequenzen gewonnen werden, die jeweils einem Abstandswert zugeordnet sind. Wegen weiterer Einzelheiten wird auf die DE 10 2016 005 021 A1 der Anmelderin verwiesen.
Um die inverse FFT durchführen zu können, muss zunächst aus den von den einzelnen Pixel p_i gemessen Intensitätswerten P_int(p_i) die phasenabhängige Intensität P_int(k_i) abgeleitet werden. Die Wellenzahl k ist dabei durch die Beziehung $k = n (λ) / λ$
mit der Wellenlänge λ verknüpft, wobei n(λ) die Dispersion des Mediums bezeichnet, aus dem das Messobjekt 18 besteht und in welches das Messlicht gegebenenfalls eindringt. Die Wellenlänge λ ist wiederum über die im Abschnitt 1 erläuterte Zuordnungstabelle p_i = p_i (λ_i) den Pixelnummern p zugeordnet. Zur Korrektur der Pixelnummern p wird auch hier eine gemäß Gl. 1 oder 3 korrigierte Pixelnummer p_korr verwendet. Das Ergebnis ist eine modifizierte Zuordnung zwischen Wellenzahlen k und Pixelnummern p, die für die Umrechnung der pixelabhängigen Intensität P_int(p_i) auf die phasenabhängige Intensität P_int(k_i) benötigt wird.
Sechstes Ausführungsbeispiel
Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen müssen entweder die Spektren des Kalibrierlichts und des Messlichts überlappungsfrei sein, oder die Kalibrierung kann nicht gleichzeitig mit der Messung durchgeführt werden.
Wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel bereits kurz angemerkt wurde, kann man durch eine geeignete Strahlführung dafür sorgen, dass eine Kalibrierung trotz überlappender Spektren des Kalibrierlichts und des Messlichts gleichzeitig während der Messung mit dem Messlicht durchgeführt werden kann. Auf diese Weise kann beispielsweise für jede einzelne Messung auf eine gleichzeitig mit Hilfe des Kalibrierlichts bestimmte Zuordnungstabelle zurückgegriffen werden.
Die 14 zeigt schematisch einen Teil des Spektrometers 20. Erkennbar ist ein dispersives optisches Element, das hier vor allem aus Gründen der besseren Darstellbarkeit als Transmissionsgitter 84 ausgebildet ist. Das Transmissionsgitter 84 ist im kollimierten Strahlengang angeordnet, wie dies auch bei den in den 5, 11 und 12 gezeigten Reflexionsgittern 56 der Fall ist. Wie auch bei den anderen Ausführungsbeispielen, fokussiert die Sammellinse 57 das gebeugte Licht auf den Detektor 24.
Im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen weist der Detektor 24 nicht nur eine, sondern zwei Pixelzeilen 86, 88 auf. Entlang der ersten Pixelzeile 86, durch die hindurch im dargestellten Ausführungsbeispiel die zur z-Richtung parallele optische Achse 90 verläuft, sind erste Pixel 26-1 angeordnet, auf die ausschließlich das Messlicht 12' fallen kann. Entlang der zweiten Pixelzeile 88, die entlang der x-Richtung versetzt, aber parallel zur ersten Pixelzeile 86 verläuft, sind zweite Pixel 26-2 angeordnet, auf die ausschließlich das Kalibrierlicht 32 fallen kann.
Das Messlicht 12' fällt auch bei diesem Ausführungsbeispiel achsparallel auf das dispersive optische Element (Transmissionsgitter 84). Da die beugenden Strukturen des Transmissionsgitters 84 sich entlang der x-Richtung erstrecken, wird das Messlicht 12' wellenlängenabhängig in der yz-Ebene abgelenkt und von der Sammellinse 57 auf einen der ersten Pixel 26-1 der ersten Pixelzeile 86 gerichtet, wie das auch bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Fall ist.
Das kollimierte und in der 14 gestrichelt angedeutete Kalibrierlicht 32 hingegen trifft bei diesem Ausführungsbeispiel nicht achsparallel auf das Transmissionsgitter 84, sondern bezüglich der xz-Ebene unter einem von Null verschiedenen Winkel. Dadurch fokussiert die Sammellinse 57 das in der yz-Ebene gebeugte Kalibrierlicht 32 nicht auf einem Pixel 26-1 der ersten Pixelzeile 86, sondern auf einem der zweiten Pixel 26-2 der in x-Richtung versetzt dazu angeordneten zweiten Pixelzeile 88. Infolge der unterschiedlichen Einfallsrichtungen können das Kalibrierlicht 32 und das Messlicht 12' somit selbst dann nicht auf das gleiche Pixel fokussiert werden, wenn die Wellenlänge und damit der Beugungswinkel identisch ist, wie dies in der 14 unterstellt ist. Daher können bei diesem Ausführungsbeispiel Kalibrierung und Messung gleichzeitig durchgeführt werden, und zwar selbst dann, wenn das Kalibrierlicht 32 und das Messlicht 12' identische Spektren haben. Dieser Ansatz ist folglich besonders gut mit dem in der 11 gezeigten Ausführungsbeispiel kombinierbar, bei dem das Kalibrierlicht 32 und das Messlicht 12' von der gleichen LED 34 erzeugt werden und daher identische Spektren haben.
Da beide Pixelzeilen 86, 88 im gleichen Detektor 24 und im dargestellten Ausführungsbeispiel sogar unmittelbar benachbart angeordnet sind, haben die Pixel in den beiden Pixelzeilen 86, 88 stets identische y-Positionen. Dadurch kann von den Positionen der vom Kalibrierlicht 32 beaufschlagten zweiten Pixel 26-2 direkt auf die Positionen der unterhalb davon angeordneten ersten Pixel 26-1 geschlossen werden. Für die Auswertung macht es somit keinen Unterschied, ob das Kalibrierlicht 32 auf die ersten Pixel 26-1 oder die darüber angeordneten zweiten Pixel 26-2 fällt.
Um das Kalibrierlicht 32 und das Messlicht 12' aus unterschiedlichen Richtungen auf das dispersive optische Element 22 richten zu können, kann bei den faserbasierten Anordnungen, wie sie in den 5 und 11 gezeigt sind, das Kalibrierlicht 32 über eigene Fasern geführt werden. In der Brennebene der Sammellinse 55 sind dann die beiden Enden der Fasern nebeneinander anzuordnen. Bei dem in der 14 gezeigten Ausführungsbeispiel wäre ein Versatz der Faserenden entlang der x-Richtung vorzusehen.
Bei einer Anordnung mit Freistrahlausbreitung, wie sie in der 12 beispielhaft gezeigt ist, muss lediglich die Blende 51 der Kalibrierlichtquelle 30 senkrecht zur Papierebene verlagert werden.
Eine Strahlverkippung lässt sich selbstverständlich auch auf andere Weise herbeiführen, z. B. durch die Verwendung von Keilprismen.
Die gewünschte räumliche Trennung von Kalibrierlicht und Messlicht auf dem Detektor lässt sich nicht nur durch unterschiedliche Einfallsrichtungen des Kalibrierlichts und des Messlichts auf das dispersive optische Element sicherstellen. Alternativ hierzu kommt beispielsweise in Betracht, das Kalibrierlicht und das Messlicht unterschiedlich zu polarisieren, z.B. orthogonal linear polarisiert oder entgegengesetzt zirkular polarisiert. Dann lässt sich mit Hilfe von geeigneten Polarisationsfiltern, die unmittelbar vor oder auf den Pixeln 26-1, 26-2 angeordnet sind, erreichen, dass Kalibrierlicht nur auf Pixel fällt, auf die kein reflektiertes Messlicht mit der gleichen Wellenlänge fallen kann, um umgekehrt.
Bezugszeichenliste

10: Messvorrichtung
11: Messlichtquelle
12: Messlicht
12': Reflektiertes Messlicht
14: Lichtteileinrichtung
16: Messkopf
18: Messobjekt
19: Oberfläche
20: Spektrometer
22: dispersives optisches Element
24: Detektor
26: lichtempfindliche Zellen (Pixel)
28: Auswerteeinrichtung
30: Kalibrierlichtquelle
32: Kalibrierlicht
34: LED der Messlichtquelle
36: Sammellinse
38: optische Faser
39: optische Faser
40: Faserkoppler
40': Strahlteilerwürfel
41: Optische Faser
42: Sammellinse
44: Sammellinse
46: LED der Kalibrierlichtquelle
48: Sammellinse
50: Monochromator
51: Blende
52: Sammellinse
53: Strahlteilerwürfel
54: optische Faser
55: Sammellinse
56: Reflexionsgitter
57: Sammellinse
58: Platte
59: Sammellinse
60: Rückseite
62: Vorderseite
64: Spektralfilter
70: Austrittsfenster
72: Blende
74: Blende
80: Referenzarm
82: Spiegel
84: Transmissionsgitter
86: Erste Pixelzeile
88: Zweite Pixelzeile
90: Optische Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004049541 A1 [0006]
EP 2369294 B1 [0010]
EP 2149028 B1 [0011, 0019]
DE 102015118069 A1 [0012]
US 9541376 B2 [0013]
EP 2149028 [0019]
DE 102016005021 A1 [0089]

Claims

Messvorrichtung zur berührungslosen Messung eines Abstands zu einer Oberfläche (19) oder eines Abstands zwischen zwei Oberflächen, mit einer Messlichtquelle (11), die dazu eingerichtet ist, polychromatisches Messlicht (12) zu erzeugen, einem optischen Messkopf (16), der dazu eingerichtet ist, das von der Messlichtquelle (11) erzeugte Messlicht (12) auf ein Messobjekt (18) zu richten und von dem Messobjekt (18) reflektiertes Messlicht (12') aufzunehmen, einem Spektrografen (20), der dazu eingerichtet ist, von dem Messobjekt (18) reflektiertes und von dem optischen Messkopf (16) aufgenommenes Messlicht (12') spektral zu analysieren, wobei der Spektrograf (20) ein dispersives optisches Element (22) und einen Detektor (24) mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen (26) aufweist, einer Auswerteeinrichtung (28), die dazu eingerichtet ist, aus Messsignalen zumindest eines Teils der lichtempfindlichen Zellen (26) Abstandswerte zu berechnen, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) eine Kalibrierlichtquelle (30) aufweist, die dazu eingerichtet ist, Kalibrierlicht (32) zu erzeugen, das eine bekannte spektrale Zusammensetzung hat, wobei das Kalibrierlicht (32) durch das dispersive optische Element (20) hindurch auf den Detektor (24) richtbar ist, ohne zuvor in einem zum Messobjekt (18) führenden optischen Weg reflektiert worden zu sein, und dass die Auswerteeinrichtung (28) ferner dazu eingerichtet ist, aus Veränderungen eines Spektrums, das von dem Kalibrierlicht (32) auf zumindest einigen der lichtempfindlichen Zellen (26) des Detektors (24) erzeugt wird, Korrekturwerte abzuleiten, mit denen eine vorgegebene Zuordnung zwischen dem zumindest einen Teil der lichtempfindlichen Zellen (26) einerseits und Wellenlängen oder aus Wellenlängen abgeleiteten Größen andererseits modifiziert wird.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung 828) dazu eingerichtet ist, die Korrekturwerte aus Veränderungen der Lage von Intensitätsmustern abzuleiten, die auf dem zumindest einen Teil der lichtempfindlichen Zellen (26) des Detektors (24) durch das Kalibrierlicht (32) erzeugt werden.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrierlicht (32) eine zeitlich stabile und temperaturunabhängige spektrale Zusammensetzung hat.
Messvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibierlichtquelle (30) eine breitbandige Lichtquelle (46) und einen temperaturstabilen Monochromator (50) umfasst.
Messvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierlichtquelle (30) eine breitbandige Lichtquelle (46) und eine Anordnung reflektierender Flächen aufweist, welche die Intensität des Kalibrierlichts durch Erzeugen von Interferenzen spektral moduliert.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrierlicht (32) und das Messlicht (12) Spektren haben, die sich nicht überlappen.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrierlicht (32) und das Messlicht (12) Spektren haben, die sich überlappen, aber das Kalibrierlicht (32) nicht gleichzeitig mit dem Messlicht (12) auf den Detektor (24) richtbar ist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrierlicht (32) und das Messlicht (12) Spektren haben, die sich zumindest teilweise überlappen, und dass das Kalibrierlicht (32) so durch das dispersive optische Element (20) hindurch auf den Detektor (24) richtbar ist, dass Kalibrierlicht (32) mit einer Wellenlänge auf lichtempfindliche Zellen fällt, auf die kein reflektiertes Messlicht (12') mit der gleichen Wellenlänge fallen kann.
Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kalibrierlicht (32) aus einer anderen Richtung als das reflektierte Messlicht (12') auf das dispersive optische Element (20) fällt, und dass vorzugsweise die lichtempfindlichen Zellen (26) erste Zellen (26-1), auf die ausschließlich das Kalibrierlicht (32) fallen kann und die entlang einer ersten Zeile (86) angeordnet sind, und zweite Zellen (26-2) umfassen, auf die ausschließlich das reflektierte Messlicht (12') fallen kann und die entlang einer zweiten Zeile (88) angeordnet ist, die parallel zu der ersten Zeile (86) verläuft.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierlichtquelle (30) einen Strahlteiler (40), der einen Teil des von der Messlichtquelle (11) erzeugten Messlichts (12) abzweigt, und einen Monochromator (50) oder eine planparallele Platte (58) gemäß Anspruch 5 aufweist.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei Kalibrierlichtquellen, die dazu eingerichtet sind, Kalibrierlicht mit unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung zu erzeugen, wobei das von den zwei Kalibrierlichtquellen (30) erzeugte Kalibrierlicht (32a, 32b) gleichzeitig durch das dispersive optische Element (22) hindurch auf den Detektor (24) richtbar ist, ohne zuvor in einem zum Messobjekt (18) führenden optischen Weg reflektiert worden zu sein.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive optische Element ein Beugungsgitter (56) ist, und dass das Spektrum des Kalibrierlichts (32) so gewählt ist, dass von dem Detektor (24) zwei unterschiedliche Beugungsordnungen des Kalibierlichts detektierbar sind.
Verfahren zur berührungslosen Messung eines Abstands zu einer Oberfläche (19) oder eines Abstands zwischen zwei Oberflächen, mit folgenden Schritten: a) es wird polychromatisches Messlicht (12) erzeugt; b) das Messlicht (12) wird mit Hilfe eines optischen Messkopfes (16) auf ein Messobjekt (189 gerichtet und Messlicht (12'), das von dem Messobjekt (18) reflektiert wurde, wird von dem optischen Messkopf (16) aufgenommen; c) das von dem Messobjekt (18) reflektierte und von dem optischen Messkopf (16) aufgenommene Messlicht (12') wird in einem Spektrografen (20) spektral analysiert, der ein dispersives optisches Element (22) und einen Detektor (24) mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Zellen (26) aufweist; d) aus Messsignalen zumindest eines Teils der lichtempfindlichen Zellen (26) werden Abstandswerte berechnet, wobei eine vorgegebene Zuordnung zwischen dem zumindest einen Teil der lichtempfindlichen Zellen einerseits und Wellenlängen oder aus Wellenlängen abgeleiteten Größen andererseits verwendet wird; e) es wird Kalibrierlicht (32) erzeugt, das eine bekannte spektrale Zusammensetzung hat; f) das Kalibrierlicht (32) wird durch das dispersive optische Element (22) hindurch auf den Detektor (24) gerichtet, ohne dass das Kalibrierlicht (32) zuvor in einem zum Messobjekt (18) führenden optischen Weg reflektiert wurde; g) aus Veränderungen eines Spektrums, das von dem Kalibrierlicht (32) auf zumindest einigen der lichtempfindlichen Zellen (26) des Detektors (24) erzeugt wird, werden Korrekturwerte abgeleitet; h) die vorgegebene Zuordnung wird mit Hilfe der Korrekturwerte modifiziert; i) zumindest die Schritte a) bis d) werden wiederholt, wobei in Schritt d) die in Schritt h) modifizierte Zuordnung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13 mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 12.