NL1019392C2 - Interferometrische meetinrichting. - Google Patents

Description

Titel'. Interferometrische meetinrichting

De uitvinding heeft betrekking op een interferometrische meetinrichting voor het meten van oppervlakteparameters, vormen, afstanden en afstandveranderingen, bijvoorbeeld slingeringen, vooral in nauwe holtes, van meetobjecten met een sondeonderdeel en met een 5 optische fiber.

Een dergelijke interferometrische meetinrichting is in de Duitse octrooiaanvrage DE 198 08 273 Al als bekend aangetoond. Bij deze bekende meetinrichting wordt in het interferometrische meetsysteem door middel van coherent multiplex het optische systeem van de meetinrichting 10 opgedeeld in twee subsystemen, namelijk een zo aangeduide modulatie-interferentiemeter en een sondeonderdeel. Het sondeonderdeel is op deze wijze goed met de hand te hanteren en vertoont een meetkop, waarmee ook metingen in relatief lange, nauwe boorgaten mogelijk zijn. De meetinrichting is voor een multi-spectrale interferometrie ontworpen, zodat 15 een verruiming van het meetbereik behaald wordt. Er zijn evenwel zulke nauw gedimensioneerde boorgaten, dat ook een dergelijke meetkop niet meer kan worden ingezet.

Bij een in de Duitse octrooiaanvrage DE 198 19 762 Al getoonde andere interferometrische meetinrichting van dit type zijn verschillende 20 ruimtebesparende meetsondes voor het meetsysteem voorgesteld.

De octrooiaanvrage EP 0 126 475 toont een werkwijze of een inrichting voor het contactloos meten van de werkelijke positie en/of van het profiel van het ruwe oppervlak, dat berust op het concept van een multi-spectrale heterodyne interferentiemeter en als lichtbron een of enkele lasers 25 omvat. De heterodyne techniek maakt het mogelijk, op basis van de faseanalyse meetfouten verregaand te onderdrukken.

Aan de uitvinding ligt het probleem ten grondslag een interferometrische meetinrichting van de aan het begin aangegeven type in 10 1 9 3 9 2 2 staat te stellen, de metingen ook in nog nauwere holtes, bijvoorbeeld minder dan een millimeter, zoals die bij verstuivers voorkomen, zo nauwkeurig mogelijk uit te kunnen voeren.

Dit probleem wordt met maatregelen van conclusie 1 opgelost.

5 Dienvolgens is erin voorzien, dat de optische fiber in een meetkop uit het bij het meetobject aangebrachte vrije uiteinde van het sondeonderdeel steekt en zelf is uitgevoerd als meetfiber voor het belichten van een meetpunt en het opnemen van hiervan komend meetlicht. De meetfiber, waarvan de diameter bijvoorbeeld in het bereik kleiner dan 100 pm ligt, kan met zijn 10 vrije uiteinde in zeer dunne boorgaten ingevoerd worden en het te meten oppervlakte gebied belichten en daarvan licht ontvangen, om het naar een op zich bekende, in het bijzonder volgens het principe van de faseanalyse, werkende analyse-inrichting verder te leiden.

Voor een nauwkeurige belichting en detectie van het meetlicht 15 zijn daarbij de maatregelen voordelig, waarbij het vrije uiteinde van de meetfiber voor het belichten van een meetpunt en het opnemen van het meetlicht overeenkomstig de meetfunctie uitgevoerd is.

Andere voordelige vorm ge vingen voor het bereiken van een nauwkeurig meetresultaat bestaan daarin, dat het vrije uiteinde gepolijst, 20 van een afschermkap voorzien, als lens of prisma uitgevoerd, tegen storend reflexlicht behandeld, afgeschuind, gespiegeld, ontspiegeld of met een combinatie van deze maatregelen is voorzien.

Een zorgvuldige bewerking van de uiteinde van de meetfiber ontstaat als het vrije uiteinde voor de bundelvorming of bundelgeleiding van 25 een lijmdruppel voorzien en/of is opgeruwd.

Een andere voordelige maatregel voor de lichtgeleiding en de analyse bestaat hierin, dat de meetfiber een monomode fiber is.

Verschillende vormgevingsmogelijkheden ontstaan als de opbouw van de interferentiemeter overeenstemt met een klassieke 30 interferentiemeter, een witlicht-interferentiemeter of een heterodyne :0/ v J /1 3 interferentiemeter. Bij de witlicht-interferentiemeting wordt een breedbandige lichtbron met een korte coherentielengte, bijvoorbeeld een superluminescentiediode of gelijksoortige lichtbron, gebruikt en het maximum van het interferentiecontrast geanalyseerd, zoals op zich bekend.

5 Interferentiemeters van het genoemde type zijn voor het overige in de aan het begin genoemde publicaties verder beschreven. Klassieke interferentiemeters zijn op zich eveneens algemeen bekend.

Een verruiming van het meetbereik, dat wil zeggen een vergroting van het eenduidigheidsbereik, wordt bijvoorbeeld op voordelige 10 wijze bereikt doordat de interferentiemeter ter vergroting van het meetbereik als een multi-spectrale interferentiemeter is uitgevoerd. Voor de wijze van werking in detail wordt eveneens verwezen naar de in het begin vermelde stand van de techniek.

Wanneer erin is voorzien, dat voor de meetfiber in het 15 sondeonderdeel een fiberdeel geschakeld is en dat het scheidingsvlak tussen het fiberdeel en de meetfiber als bundelopsplitsvlak benut wordt voor het vormen van een gereflecteerde referentiebundel en een doorgelaten meetbundel, dan zijn de meetfibers gemakkelijk uitwisselbaar en is de meetkop voor verschillende meetfuncties uit te rusten. Gelijktijdig wordt het 20 scheidingsvlak gunstig benut voor de interferometrische opbouw, zodat bijvoorbeeld geen aanvullende reflecterende vlakken voor de referentiebundel benodigd zijn. Voor een eenvoudige opbouw is daarbij de maatregel voordelig, dat de verbinding tussen de meetfiber en het fiberstuk als een fiberstekker is uitgevoerd.

25 Voor een eenvoudig gebruik van de meetinrichting is verder een vormgeving voordelig, waarbij erin voorzien is, dat voor het belichten een lichtbron met een korte coherentielengte in een van het sondeonderdeel verwijderde en daarmee via een lichtgeleidingsfïber verbonden modulatie-interferentiemeter of in het sondeonderdeel opgesteld is, dat dan via een 30 lichtgeleidingsfïber met een op afstand daarvan gelegen demodulatie- 101939? 4 interferentiemeter verbonden is, en dat de coherentielengte van de lichtbron korter is dan het halve verschil van een lichtweg van een referentiebron en van een lichtweg van een meetbron.

Bij de opdeling in een sondeonderdeel en een demodulatie-5 interferentiemeter is een opbouw gunstig, waarbij het licht van de lichtbron via een andere lichtgeleidingsfiber en via een fiber-bundelsplitser in het fïberdeel wordt geleid en hieruit na het belichten van de meetopstelling in de lichtgeleidingsfiber wordt geleid.

Is er verder in voorzien, dat het sondeonderdeel een vaststaand 10 sondeonderdeel en een hierin draaibaar gelagerd roteerbaar sondeonderdeel met de meetkop vertoont, dan kan op eenvoudige wijze een omnidirectionele meting worden uitgevoerd.

De uitvinding wordt onderstaand aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld onder verwijzing naar de figuur verder verduidelijkt. 15 De figuur toont een interferometrische meetinrichting 1 met een sondeonderdeel 2 en met een daarvan verwijderde , via een lichtgeleidingsfiber 2.7" aangesloten demodulatie-interferentiemeter. Het sondeonderdeel vertoont een vaststaand sondeonderdeel 2.1 en een hierin draaibaar gelagerd roteerbaar sondeonderdeel 2.2, dat aan zijn voorste, 20 naar een meetobject 5 toegekeerde gebied als meetkop 2.3 is uitgevoerd.

De meetkop 2.3 is aan zijn in een nauw boorgat van het meetobject 5 in te voeren uiteinde voorzien van een dunne, als meetfiber 2.4 uitgevoerde lichtgeleidingsfiber, die bijvoorbeeld een diameter van 125 pm heeft en door middel van een fiberkoppeling 2.32 met een fibergedeelte 2.7' 25 van het sondeonderdeel 2 is gekoppeld. Zoals in de detailweergave Z

nauwkeuriger zichtbaar is, ontstaat bij de koppelplaats tussen de meetfiber 2.4 and het fibergedeelte 2.7' een scheidingsvlak, die als bundelopsplitsvlak 2.31 is uitgevoerd, en voor het opwekken van een daaraan gereflecteerde referentie golf en een doorgelaten meetgolf wordt benut.

5

Het vrije uiteinde van de meetfiber 2.4 is, zoals uit de detailweergave Z1 blijkt, als eindgedeelte 2.5 voor het belichten van een meetpunt van het meetobject 5 en het opnemen van gereflecteerd meetlicht 4 uitgevoerd, en wel in het onderhavige geval afgeschuind en gespiegeld.

5 Zoals in het voorgaande vermeld komen echter ook andere maatregelen voor de vorming van het eindgedeelte 2.5 en voor de aanpassing bij uiteenlopende meetfuncties in aanmerking.

In het sondeonderdeel 2 is verder een lichtbron 2.6 met een korte coherentielengte opgesteld, waarmee een coherent-multiplex bereikt wordt, 10 om een storingsvrije overbrenging van het meetsignaal en het referentiesignaal tussen het sondeonderdeel 2 en de demodulatie-interferentiemeter 3 te verkrijgen. Het licht van de lichtbron 2.6 met een korte coherentielengte, zoals bijvoorbeeld een superluminescentiediode, wordt via een andere lichtgeleidingsfiber 2.7 gevoerd en door middel van een 15 fiber-bundelsplitser 2.8 in het fibergedeelte 2.7' en van daar in de meetfiber 2.4 geleid. Het van het meetpunt terug komend licht doorloopt opnieuw de fiber-bundelsplitser 2.8 en wordt van daar in de andere lichtgeleidingsfiber 2.7" via een optische koppeling 2.9 in het bereik van de rotatielagering en van de andere optische elementen in de vorm van GRIN (graduate index) 20 lenzen 2.91 geleid.

De demodulatie-interferometer omvat, net zoals de modulatie-interferentiemeter in de in het begin genoemde publicaties, een vertragingselement 3.1, modulatoren 3.1, 3.2', bijvoorbeeld akoestisch-optische modulatoren, een spectraalelement 3.3, een fotodetectoropstelling 25 3.4 en lichtgeleidingselementen 3.5, 3.5'.

Het licht van de lichtbron 2.6 met een korte coherentielengte wordt in de bij voorkeur monomode lichtgeleidingsfiber 2.7 gekoppeld en via de fiber-bundelsplitser 2.8 naar het bundelopsplitsvlak 2.31, waarin het in het meetsignaal en het referentiesignaal wordt opgedeeld, gebracht. Het 30 referentiesignaal wordt in het fibergedeelte 2.7' teruggekoppeld en via de 6 optische koppeling 2.9 in de demodulatie-interferentiemeter 3 gevoerd. Het meetsignaal wordt uit de meetfiber 2.4, waarvan het uiteinde onder een hoek van bijvoorbeeld 45° graden geslepen en gespiegeld is, gekoppeld en belicht de te meten binnenwand van een klein boorgat met een diameter van 5 bijvoorbeeld 200 pm, waarbij de meetfiber 2.4 een diameter van bijvoorbeeld 125 pm heeft. Het van de wand gereflecteerde meetlicht 4 wordt via de meetfiber 2.4, de fiber-bundelsplitser 2.8 en de optische koppeling 2.9 in de demodulatie-interferentiemeter 3 gekoppeld en op het referentiesignaal gesuperponeerd. Beide signalen kunnen daarbij niet interfereren, omdat de 10 coherentielengte van de lichtbron 2.6 korter is dan de helft van de optische weg in de meetfiber.

De demodulatie-interferentiemeter 3 is bijvoorbeeld volgens het principe van een mach-zehnder-interferentiemeter geconstrueerd. In de demodulatie-interferentiemeter wordt het licht in twee bundels opgesplitst. 15 In een arm van de demodulatie-interferentiemeter wordt het vertragingselement 1, bijvoorbeeld een planparallelle glasplaat, gezet, dat het verschil van de optische weg van beide deelbundels, dat in de meetkop 2.3 opgelegd werd, terugregelt. Beide lichtbundels worden met behulp van de modulatoren 2 onderling in frequentie verschoven. Het frequentieverschil 20 bedraagt bijvoorbeeld enkele kHz. Beide interferentiegevoelige deelbundels worden in de bundelsplitser 3.5 gesuperponeerd, ontkoppeld, met behulp van de spectraalelementen 3.3, bijvoorbeeld een rooster, prisma of filter, in verscheidene kleuren (golflengtes λι, λ2, ..., λη) gedecomponeerd en op de fotodetectieopstelling 4 gefocusseerd. Elke fotodetector levert een elektrisch 25 signaal met de door de modulatoren 2 veroorzaakte verschilfrequentie en een fase Δφ, die met de meetgrootte AL (afstand tot het meetobject 5) en de daarbijbehorende golflengte λν samenhangt volgens Δφ = ( 2 · π / λη) · AL .

Door opmeting van de faseverschillen van de signalen van verscheidene detectoren (multi-spectrale heterodyne interferentie) is de 1019322 7 afstand AL tot de binnenwand van het boorgat, die groter dan enkele golflengtes mag zijn, eenduidig te bepalen.

De informatieoverdracht van het roterende sondeonderdeel 2.2 naar het vaststaande sondeonderdeel 2.1 wordt via de optische koppeling 5 2.9 uitgevoerd. De optische koppeling 2.9 kan in de vorm van de twee getoonde, aan de fiberuiteinden gekoppelde GRIN-lenzen 2.91 worden uitgevoerd. Omdat de optische koppeling 2.9 zich in de lichtweg naar de fïber-bundelsplitser 2.8 bevindt, storen eventuele kleine kantelingen of verschuivingen van beide sondeonderdelen 2.1, 2.2 tijdens de omwenteling 10 niet.

De eigenlijke meetsonde van de meetfiber 2.4 is een zeer gevoelig deel (dunne fiber) en wordt ook daarom als gemakkelijk uitwisselbaar element in de vorm van een stekker (fiberkoppeling 2.32) op het roteerbare sondeonderdeel 2.2 gemonteerd.

15 V·· .. 'w φ

Claims (12)

1. Interferometrische meetinrichting voor het meten van oppervlakteparameters, vormen, afstanden, afstandsveranderingen en slingeringen, vooral in nauwe holtes, van meetobjecten (5) met een sondeonderdeel (2) en met een optische fiber, met het kenmerk, dat de 5 optische fiber in een meetkop (2.3) uit het bij het meetobject (5) aangebrachte vrije uiteinde van het sondeonderdeel (2) steekt en zelf als meetfiber (2.4) voor het belichten van een meetpunt en het opnemen van hiervan komend meetlicht (4) is uitgevoerd.

2. Meetinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het 10 vrije uiteinde van de meetfiber (2.4) voor het belichten van een meetpunt en het opnemen van meetlicht (4) overeenkomstig de meetfunctie is uitgevoerd.

3. Meetinrichting volgens conclusie 1 en 2, met het kenmerk, dat het vrije uiteinde gepolijst, van een afschermkap voorzien, als lens of prisma uitgevoerd, tegen storend reflexlicht behandeld, afgeschuind, gespiegeld, 15 ontspiegeld of met een combinatie van deze maatregelen is voorzien.

4. Meetinrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het vrije uiteinde voor de bundelvorming of bundelgeleiding van een lijmdruppel is voorzien en/of op geruwd.

5. Meetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, met het 20 kenmerk, dat de meetfiber (2.4) een monomode fiber is.

6. Meetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de opbouw van de interferentiemeter overeenstemt met een klassieke interferentiemeter, een witlicht-interferentiemeter of een heterodyne interferentiemeter.

7. Meetinrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de interferentiemeter ter vergroting van het meetbereik als een multi-spectrale interferentiemeter is uitgevoerd.

8. Meetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat voor de meetfiber (2,4) in het sondeonderdeel (2) een fiberdeel (2.7) geschakeld is en dat het scheidingsvlak tussen het fiberdeel (2.7) en de meetfiber (2.4) als bundelopsplitsvlak benut wordt voor het 5 vormen van een gereflecteerde referentiebundel en een doorgelaten meetbundel.

9. Meetinrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de verbinding tussen de meetfiber (2.4) en het fiberdeel (2.7) als een fiberstekker (2.32) is uitgevoerd.

10. Meetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat voor het belichten een lichtbron (2.6) met een korte coherentielengte in een van het sondeonderdeel (2) verwijderde en via een lichtgeleidingsfiber (2.7) verbonden modulatie-interferentiemeter of in het sondeonderdeel (2) is op gesteld, dat dan via een lichtgeleidingsfiber (2.7) 15 met een op afstand daarvan gelegen demodulatie-interferentiemeter (3) is verbonden, en dat de coherentielengte van de lichtbron (2.6) korter is dan het halve verschil van een lichtweg van een referentiebron en van een lichtweg van een meetbron.

11. Meetinrichting volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat het 20 licht van de lichtbron (2.6) via een andere lichtgeleidingsfiber (2.7) en via een fiber-bundelsplitser (2.8) in het fiberdeel (2.7') wordt geleid en hieruit na het belichten van de meetplaats in de lichtgeleidingsfiber (2.7") wordt gebracht.

12. Meetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, met het 25 kenmerk, dat het sondeonderdeel (2) een vaststaand sondeonderdeel (2.1) en een hierin draaibaar gelagerd roteerbaar sondeonderdeel (2.2) met de meetkop (2.3), omvat.