Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektri- sche Messeinrichtung bzw. ein optoelektrisches Messverfahren zur absoluten Abstandsmessung zwischen einer Sonde und einer Objektoberfläche. Die Messeinrichtung verfügt über ein Interferometer und einen Fotosensor. Der Fotosensor misst die Intensität des vom Interferometer abgestrahlten Lichts. Durch Auswertung des Intensitätssignals kann der Abstand ermittelt werden.

Im Stand der Technik sind hierzu verschiedene Verfah ^¬ ren bekannt. Beispielsweise wird beim Verfahren bzw. der Vorrichtung nach DE 198 08 273 AI ein Heterodyninterferome ^¬ ter eingesetzt, das akustooptische Modulatoren aufweist. Durch diese Modulatoren werden zwei verschiedene sinusförmige Zeitsignale erzeugt. Zur Abstandsmessung wird die Dif ^¬ ferenzfrequenz dieser Zeitsignale ausgewertet. Eine solche Einrichtung ist sehr aufwendig und teuer.

Aus DE 10 2005 061 464 ist eine demgegenüber deutlich einfachere Messeinrichtung bekannt. Das dort vorgesehene Interferometer weist einen Strahlteiler auf, der das von der Objektoberfläche und von einer Referenzfläche in einem Referenzlichtweg reflektierte Licht in einen ersten und ei ^¬ nen zweiten Lichtweg aufteilt. Zur Interferenzbildung wird das Licht im ersten und im zweiten Lichtweg anschließend wieder überlagert und einer Zeilenkamera zugeführt. Zumin ^¬ dest einer der Interferometerspiegel in einem Lichtweg ist dabei schräg gestellt, um das gewünschte Interferenzmuster zu erreichen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Anord ^¬ nung, Montage und Justage des Interferometers bedingt durch die Schrägstellung eines Interferometerspiegels sehr auf ^¬ wendig ist. Wegen der Spiegelschrägstellung und der dadurch schräg zur optischen Achse gerichteten Lichtstrahlen treten auch Dispersionseffekte auf. Bei dieser Anordnung ist eine gewisse Strahlaufweitung erforderlich, wodurch allerdings die Lichtausbeute sinkt. Die Zeilenkamera erfasst eine Messstelle auf der Objektoberfläche zu einem Zeitpunkt schränkt jedoch die Miniaturisierbarkeit der Messeinrich ^¬ tung ein. Auch kann die Signalintensität über den Messbe ^¬ reich schwanken.

Es kann daher als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, die bekannten interferometrischen Verfahren und Einrichtung zur Abstandsmessung zu verbessern .

Diese Aufgabe wird durch eine Messeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Messverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 erreicht. Es wird kurzkohärentes Licht von einer Lichtquelle verwendet, die vorzugsweise mehrere Leuchtmittel aufweist, wie zum Bei ^¬ spiel mehrere Superlumineszenzdioden (SLDs) . Das ausgesendete Licht wird in einer Sonde in einen Messlichtweg und einen Referenzlichtweg aufgeteilt. Die Sonde empfängt das im Messlichtweg von der Objektoberfläche reflektierte Licht sowie das im Referenzlichtweg von einer Referenzfläche re ^¬ flektierte Licht. Dabei ist der Abstand zwischen der Refe ^¬ renzfläche und der Objektoberfläche insbesondere größer als die Kohärenzlänge des verwendeten Lichts der Lichtquelle, so dass das an der Objektoberfläche einerseits und an der Referenzfläche andererseits reflektierte Licht nicht inter ^¬ feriert . Das an der Referenzfläche und an der Objektoberfläche reflektierte Licht wird von einem Interferometer aufgenommen. Dieses teilt das reflektierte Licht in einen ersten Lichtweg und einen zweiten Lichtweg auf, wobei die Länge der beiden Lichtwege vorzugsweise unterschiedlich voneinander ist. Insbesondere ist die Differenz zwischen den beiden Lichtwegen so gewählt, dass der Abstand zwischen der Refe ^¬ renzfläche und der Objektoberfläche kompensiert wird. Die Länge der Lichtwege wird durch jeweils einen Interferome- terspiegel vorgegeben. Der im zweiten Lichtweg vorgesehene zweite Interferometerspiegel ist insbesondere justierbar, um die Differenz in den beiden Lichtwegen einzustellen. Die Justage kann manuell oder automatisiert an den Abstand zwi ^¬ schen Referenzfläche und Objektoberfläche angepasst erfol ^¬ gen .

Der im ersten Lichtweg vorhandene erste Interferome- terspiegel ist über eine Oszillationseinrichtung oszillierend bewegbar. Vorzugsweise wird der Interferometerspiegel oszillierend in Richtung der optischen Achse des ersten Lichtweges bewegt. Aufgrund dieser oszillierenden Bewegung erhöht bzw. verringert sich die Differenz zwischen den beiden Lichtwegen um die Amplitude der Oszillationsbewegung. Das an den Interferometerspiegeln reflektierte Licht wird anschließend durch ein Überlagerungsmittel überlagert, wo ^¬ durch Interferenzeffekte auftreten. Die Intensität des ü- berlagerten Lichts ändert sich abhängig von der Oszillationsbewegung des ersten Interferometerspiegels und wird von einem Fotosensor erfasst. Der Fotosensor ist vorzugsweise von einer Fotodiode, einem Fotowiderstand oder einem Foto ^¬ transistor gebildet. Er ist als Punktsensor ausgeführt, so ^¬ zusagen annähernd nulldimesional . Während einer halben Pe ^¬ riodendauer der Oszillationsbewegung wird daher lediglich der Abstand an einer einzigen punktförmigen Stelle der Ob- j ektoberflache zu einem Zeitpunkt erfasst. Die Intensität wird durch den Fotosensor an dieser einen Messstelle abhängig von der Zeit erfasst. Eine Strahlaufweitung ist daher nicht notwendig und es können sehr klein bauende Anordnun ^¬ gen realisiert werden.

Bei dieser Anordnung kann der gewünschte Messbereich durch die Amplitude der Oszillationsbewegung des ersten In- terferometerspiegels vorgegeben und beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Oszillationsamplitude zwischen ei ^¬ nigen Mikrometern und einigen hundert Mikrometern liegen. Über die Oszillationsfrequenz wird die Messfrequenz der Messeinrichtung bzw. des Messverfahrens bestimmt. Bevorzug ^¬ te Oszillationsfrequenzen liegen im Bereich von einigen 100 Hertz bis etwa 100 Kilohertz.

Im Interferometer sind bei dieser Bauart keine Spie ^¬ gelschrägstellung und keine Strahlaufweitung erforderlich. Dadurch steigt die Lichtausbeute am Fotosensor. Die Signal ^¬ intensität ist über den gesamten Messbereich gleich. Da die Lichtstrahlen in Richtung der optischen Achse der Lichtwege verlaufen, sind Dispersionseffekte vermieden. Die Interfe- rometerspiegel können rechtwinklig zu der optischen Achse des jeweiligen Lichtwegs ausgerichtet werden, was den Auf ^¬ bau und die Montage deutlich vereinfacht und die Kosten der Messeinrichtung senkt.

Es ist vorteilhaft, wenn die Interferometerspiegel als Planspiegel ausgeführt sind, die sich rechtwinklig zur op ^¬ tischen Achse des jeweiligen Lichtwegs erstrecken. Planspiegel sind kostengünstig herzustellen.

Vorzugsweise werden als Lichtquelle zwei Superlumines ^¬ zenzdioden verwendet, wobei die Schwerpunktwellenlängen des von den beiden Superlumineszenzdioden abgestrahlten Lichts unterschiedlich sind. Auf diese Weise kann das gewünschte kurzkohärente Licht erzeugt werden. Beispielsweise kann die Differenz zwischen den Schwerpunktwellenlängen 50 bis 100 Nanometer betragen. Bei einer bevorzugten Ausführung beträgt die Schwerpunktwellenlänge der einen Diode 750 Nano ^¬ meter und die der anderen Diode 830 Nanometer. Die spektra ^¬ le Breite des von einer Superlumineszenzdiode abgestrahlten Lichts beträgt etwa 20 bis 30 Nanometer. Alternativ zu die ^¬ ser bevorzugten Ausführungsform kann anstelle von zwei Superlumineszenzdioden auch lediglich eine Superlumineszenzdiode mit entsprechend breiter Spektralcharakteristik verwendet werden, um ausreichend kurzkohärentes Licht zu er ^¬ zeugen. Auch andere Kombinationen von Leuchtmitteln sind möglich, beispielsweise einer Superlumineszenzdiode mit ei ^¬ ner Laserdiode oder dergleichen.

An der Sonde ist vorzugsweise ein Kollimatorelement vorhanden, das zur Abstrahlung des Lichts in den Messlichtweg dient. Über das Kollimatorelement kann eine Fokussie- rung des Messlichtstrahls auf die Objektoberfläche erreicht werden. Gleichzeitig ist es auch möglich, die Referenzflä ^¬ che am Kollimatorelement vorzusehen und insbesondere an der Austrittsfläche des Messlichtstrahls am Kollimatorelement. Auf die Weise wird in der Sonde eine so genannte Common- path-Anordnung erreicht. Die Sonde weist bei dieser Ausges ^¬ taltung einen sehr kompakten Aufbau auf und benötigt wenig Bauraum .

Um die Ausleuchtung des Fotosensors und die Lichtaus ^¬ beute zu verbessern, kann zwischen dem Interferometer und dem Fotosensor ein optisches Element vorgesehen sein. Dieses optische Element kann auch die Ausbreitungsrichtung des Lichts zwischen Interferometer und Fotosensor ändern.

Das vom Fotosensor erzeugte elektrische Sensorsignal wird vorzugsweise an eine Auswerteeinrichtung übermittelt, die den Abstandswert bestimmt. Vor der Berechnung des Ab ^¬ standswertes wird das analoge Sensorsignal in ein digitales Signal gewandelt. Zur Verbesserung der Signalqualität wird insbesondere vor der Analog-Digital-Wandlung eine analoge Filterung des Sensorsignals durchgeführt. Beispielsweise kann ein analoges Filter in Form eines Bandpasses in der Auswerteeinrichtung vor dem Analog-Digital-Wandler angeordnet sein. Der Analog-Digital-Wandler der Auswerteeinrichtung ist bevorzugt als 2-Kanal-Analog-Digital-Wandler ausgeführt, der das Sensorsignal, sowie ein die Oszillation des ersten Interferometerspiegels beschreibendes Schwin ^¬ gungssignal synchron abtastet. Das digitalisierte Schwin ^¬ gungssignal dient als Referenzsignal zur Bestimmung der Nulllage des digitalisierten Sensorsignals für die weitere Abstandswertbestimmung .

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann in der Auswerteeinrichtung ein Messverfahren mit einen oder mehreren von drei Schritten ausgeführt werden. In jedem Schritt kann dabei ein Abstandswert ermittelt werden, wobei die Eindeutigkeit und die Messgenauigkeit der einzelnen Ab ^¬ standswerte verschieden ist. Vorzugsweise werden zumindest zwei dieser Schritte während des Messvorgangs in der Aus ^¬ werteeinrichtung durchgeführt. Im ersten Schritt wird der erste Abstandswert anhand des Interferenzmaximums bestimmt. Im zweiten Schritt wird eine Phasendifferenz zwischen von der Objektoberfläche reflektierten unterschiedlichen Lichtfarben bestimmt. In einem dritten Schritt wird die Phase zumindest einer Lichtfarbe des von der Objektoberfläche re ^¬ flektierten Lichts ermittelt und mit einem vorgegebenen Phasenwert verglichen. Anhand des Vergleichsergebnisses wird der dritte Abstandswert ermittelt. Die Genauigkeit steigt vom ersten zum dritten Abstandswert, während die Eindeutigkeit abnimmt. Daher ist es besonders bevorzugt, die drei Schritte in der genannten Reihenfolge durchzufüh ^¬ ren, um sowohl eine große Eindeutigkeit, als auch eine gro ^¬ ße Messgenauigkeit zu erhalten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie der Beschreibung. Die Beschreibung beschränkt sich dabei auf wesentliche Merkmale der Erfindung. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungs ^¬ beispiels einer Messeinrichtung,

Figuren 2 und 3 jeweils den Verlauf einer Oszillati ^¬ onsbewegung des ersten Interferometerspiegels der Messeinrichtung,

Figur 4 ein Diagramm, das schematisch die Schritte eines Messverfahrens zur Bestimmung von Abstandswerten veranschaulicht,

Figur 5 ein Blockschaltbild eines abgewandelten Aus ^¬ führungsbeispiels der in Figur 1 dargestellten Messeinrichtung und

Figur 6 eine abgewandelte Ausgestaltung einer Sonde für eine Messeinrichtung gemäß der Figuren 1 oder 5.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Messein ^¬ richtung 10, die zur Bestimmung eines Abstandswerts d zwi ^¬ schen einer Lichtaustrittsfläche 11, einer Sonde 12 und ei ^¬ ner Objektoberfläche 13 dient. Der Abstand d wird punktför ^¬ mig entlang der optischen Achse 14 der Sonde 12 bestimmt. Zu der Messeinrichtung 10 gehört eine Lichtquelle 15, die beim Ausführungsbeispiel mehrere und insbesondere zwei Leuchtmittel aufweist. Als Leuchtmittel werden vorzugsweise zwei Superlumineszenzdioden 16 (SLDs) verwendet. Die Superlumineszenzdioden 16 strahlen jeweils Licht mit einer spektralen Breite von etwa 20 bis 40 nm ab. Ihre Schwer ^¬ punktwellenlängen sind verschieden, wobei die eine Superlumineszenzdiode 16 eine Schwerpunktwellenlänge von etwa 750 nm aufweist und die andere Superlumineszenzdiode eine

Schwerpunktwellenlänge von etwa 830 nm aufweist. Auf diese Weise wird eine Lichtquelle 15 gebildet, die kurzkohärentes Licht aussendet.

Die beiden Superlumineszenzdioden 16 sind jeweils mit einer Monomodenfaser versehen, wodurch ein so genanntes Fa- serpigtail 17 gebildet ist. Über das jeweilige Faserpigtail 17 sind die Superlumineszenzdioden 16 mit einem ersten Fa- serkoppler 18 verbunden.

Der erste Faserkoppler 18 ist über eine erste Monomo ^¬ denfaser 22 mit einem zweiten Faserkoppler 23 verbunden. Eine zweite Monomodenfaser 24 verbindet den zweiten Faserkoppler 23 mit der Sonde 12. Die Sonde 12 ist vorzugsweise als optische Mikrosonde ausgestaltet. Die Lichtaustritts ^¬ fläche 11 kann hierbei parallel zu der durch sie hindurch laufenden optischen Kugelwelle gekrümmt ausgestaltet sein, wie dies in Figur 1 gestrichelt durch die Lichtaustritts ^¬ fläche 11' veranschaulicht ist. Die mit durchgezogener Li ^¬ nie gezeigte plane Lichtaustrittsfläche 11 kann vorgesehen werden, wenn der Abstand d klein genug ist, so dass nur vernachlässigbare Störungen bei der Messung auftreten. Diese Bedingung ist dann erfüllt, wenn der Lichtweg innerhalb eines optischen Elements 25, vorzugsweise einer Kollimator ^¬ linse, das die Lichtaustrittsfläche 11 aufweist, im Bereich von mindestens 80 bis 90 Prozent oder mehr des Abstands zwischen der Lichtaustrittsfläche 11 und dem von der Sonde 12 erzeugten Brennpunkt ausmacht. Bei einer solchen Ausges ^¬ taltung ist der Lichtkegel bereits ausreichend fokussiert, wenn er durch die Lichtaustrittsfläche 11 hindurchtritt, so dass auf eine konkave Krümmung der Lichtaustrittsfläche 11 verzichtet werden kann.

Die numerische Apertur des optischen Elements 25 der Sonde 12 ist groß und vorzugsweise größer als 0,1. Dadurch lassen sich hohe Auflösungen erreichen und die Messung ist unempfindlich gegenüber lokalen Neigungen der Objektoberfläche 13. Als optisches Element 25 können auch so genannte GRIN-Linsen (Gradienten-Index-Linsen) eingesetzt werden. Es ist ferner möglich, innerhalb der Sonde 12 zwischen der zweiten Monomodenfaser 24 und dem optischen Element 25 einen geneigten Spiegel 26 anzuordnen. Die Lichteintritts ^¬ richtung am Ende der Monomodenfaser 24 in die Sonde 12 wird dadurch gegenüber der Lichtaustrittsrichtung und der optischen Achse 14 verändert. Dadurch können sozusagen zur Seite messende Sonden 12 aufgebaut werden, wie dies beispiel ^¬ haft schematisch in Figur 6 gezeigt ist.

Das optische Element 25 der Sonde 12 ist als Kollima ^¬ torelement ausgeführt und dient ferner der Fokussierung des an der Lichtaustrittsfläche 11 austretenden Lichts. Das von der Lichtquelle 15 über die Monomodenfasern 22, 24 in die Sonde 12 eingekoppelte Licht durchläuft zum Teil einen Re ^¬ ferenzlichtweg R und zum Teil einen Messlichtweg M. Der Re ^¬ ferenzlichtweg endet an einer Referenzfläche 27 in der Son ^¬ de 12, die beispielsgemäß am optischen Element 25 und vor- zugsweise an der Lichtaustrittsfläche 11 vorgesehen ist. Dort wird ein Teil des auftreffenden Lichts an der Refe ^¬ renzfläche 27 reflektiert und wieder in die zweite Monomo- denfaser 24 eingespeist. Ein anderer Teil des Lichts tritt aus der Lichtaustrittsfläche 11 aus, wird anschließend an der Objektoberfläche 13 reflektiert und von der Sonde 12 wieder aufgenommen. Dieser Teil des Lichts durchläuft den Messlichtweg M. Die zurückgelegten Strecken des Lichts im Referenzlichtweg R und im Messlichtweg M sind daher ver ^¬ schieden und unterscheiden sich um den Abstand d zwischen der Lichtaustrittsfläche 11 und der Objektoberfläche 13.

Sowohl das im Referenzlichtweg R reflektierte Licht, als auch das im Messlichtweg M reflektierte Licht werden wieder in die zweite Monomodenfaser 24 eingespeist und über eine dritte Monomodenfaser 29, die an den zweiten Faser- koppler 23 angeschlossen ist, zu einem Interferometer 30 weitergeleitet. Bei dieser Übertragung kommt es zu keiner Interferenz, da die Differenz zwischen den beiden Lichtwegen M, R größer ist als die Kohärenzlänge des Lichts.

Das Interferometer 30 ist vorzugsweise als Michelson- Interferometer ausgeführt. Am Faserende der dritten Monomo- denfaser 29 ist ein Kollimator 31 vorgesehen, der ein im Wesentlichen paralleles Lichtstrahlenbündel erzeugt, das am Kollimator 31 austritt und auf einen Strahlteiler 32 des Interferometers 30 gerichtet wird. Im Interferometer 30 teilt der Strahlteiler 32 das vom Kollimator 31 abgestrahlte Licht in einen ersten Lichtweg LI und einen zweiten Lichtweg L2 auf. Die beiden Lichtwege LI, L2 sind unter ^¬ schiedlich lang. Der erste Lichtweg LI wird vom Strahltei ^¬ ler 32 und einem ersten Interferometerspiegel 33 und der zweite Lichtweg L2 vom Strahlteiler 32 und einem zweiten Interferometerspiegel 34 begrenzt. Das an den Interferome- terspiegeln 33, 34 reflektierte Licht wird am Strahlteiler 32 wieder überlagert und interferiert. Die Interferenz wird von einem Fotosensor 35 detektiert. Zwischen dem Strahlteiler 32 und dem Fotosensor 35 kann ein weiteres optisches Element 36 vorgesehen sein, um die fotosensitive Fläche des Fotosensors 35 optimal auszuleuchten. Der Fotosensor 35 ist vorzugsweise von einer Fotodiode gebildet. Der Fotosensor 35 überträgt ein Sensorsignal S an eine Auswerteeinrichtung 37 der Messeinrichtung 10.

Das aus dem ersten Lichtweg LI sowie aus dem zweiten Lichtweg L2 reflektierte und überlagerte Licht weist nur für die Anteile stabile Interferenzen auf, bei denen die Längendifferenz des Referenzlichtwegs R und des Messlicht ^¬ wegs M kompensiert durch die unterschiedlich langen Lichtwege LI, L2 wurde. Die Interferenzen in diesen Anteilen des vom Fotosensor 35 empfangenden Lichts dienen zur weiteren Auswertung .

Die beiden Interferometerspiegel 33, 34 sind als Plan ^¬ spiegel ausgeführt. Der erste Interferometerspiegel 33 ist rechtwinklig zur optischen Achse 40 des ersten Lichtwegs LI und der zweite Interferometerspiegel 34 rechtwinklig zur optischen Achse 41 des zweiten Lichtwegs L2 ausgerichtet. Die Längendifferenz der beiden Lichtwege LI, L2 entspricht der Differenz in der Länge zwischen dem Messlichtweg M und dem Referenzlichtweg R. Um die Differenz zwischen dem Mess ^¬ lichtweg M und dem Referenzlichtweg R bei sich änderndem Abstand d anpassen zu können, ist der zweite Interferome- terspiegel 34 in Richtung der optischen Achse 41 des zweiten Lichtwegs L2 verschiebbar. Die Einstellung bzw. Positionierung des zweiten Interferometerspiegels 34 kann entweder manuell oder auch durch einen Versteilantrieb 42 erfol ^¬ gen, der durch die Auswerteeinrichtung 37 angesteuert wird. Auf diese Weise kann eine Nachführung des zweiten Interfe- rometerspiegels 34 abhängig vom ermittelten Abstandswert d automatisch erfolgen. Die Längendifferenz in den Lichtwegen LI, L2 kompensiert dann automatisch die Längendifferenz zwischen Referenzlichtweg R und Messlichtweg M.

Die Messeinrichtung 10 verfügt ferner über eine Oszillationseinrichtung 45. Die Oszillationseinrichtung 45 enthält einen Oszillationsantrieb 46, der mit dem ersten In ^¬ terferometerspiegel 33 verbunden ist. Der Oszillation ^¬ santrieb 46 kann dem ersten Interferometerspiegel 33 eine Schwingungsbewegung in Richtung der optischen Achse 40 des ersten Lichtwegs LI aufprägen. Dabei vergrößert und verrin ^¬ gert der erste Interferometerspiegel 33 den ersten Lichtweg LI ausgehend von seiner Nulllage periodisch. Als Oszillati ^¬ onsantrieb 45 kann beispielsweise ein Piezoaktor oder ein mikromechanischer Translationsaktor dienen.

Zu diesem Zweck wird der Oszillationsantrieb 46 von einem Signalgenerator 47 angesteuert. Der Signalgenerator 47 erzeugt ein Schwingungssignal P mit einer Amplitude A und einer Frequenz f. Sowohl die Amplitude A als auch die Frequenz f können variiert werden und vom Bediener der Messeinrichtung 10 eingestellt werden. Beispielhafte

Schwingungssignalverläufe P sind in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Eine Schwingungssignalhalbwelle ist vorzugs ^¬ weise symmetrisch zu einer Geraden durch das Maximum bzw. Minimum. Es können dreieckförmige oder sinusförmige Schwin ^¬ gungssignalverläufe hervorgerufen werden. Durch die Erhö ^¬ hung der Schwingungsfrequenz f lässt sich die Messgeschwindigkeit der Messeinrichtung 10 steigern oder umgekehrt. Die Amplitude A definiert den Messbereich der Messeinrichtung 10. Über das Schwingungssignal P lässt sich der von Mess ^¬ einrichtung 10 durchzuführende Messvorgang an die jeweilige Messaufgabe anpassen.

Die Auswerteeinrichtung 37 weist ein analoges Filter 50 zur Filterung des Sensorsignals S auf. Das analoge Fil ^¬ ter 50 entfernt hochfrequente Störanteile sowie Gleichan ^¬ teile aus dem Sensorsignal S. Das analoge Filter 50 kann beispielsweise als Bandpass oder als Kombination aus Tief ^¬ und Hochpass ausgeführt sein. Das gefilterte Signal G wird anschließend einem Analog-Digital-Wandler 51 übermittelt. Die Analog-Digital-Wandlung erfolgt synchron zum Schwingungssignal P des Signalgenerators 47. Der Analog-Digital- Wandler 51 ist als ein 2-Kanal-Wandler ausgeführt. Es tas ^¬ tet das Schwingungssignal P und das gefilterte Signal G synchron ab und erzeugt aus dem analogen gefilterten Signal G ein erstes digitales Signal Dl und aus dem Schwingungs ^¬ signal P ein zweites digitales Signal D2. Das zweite digi ^¬ tales Signal D2 dient als Referenzsignal zur Bestimmung der Nulllage des ersten digitalen Signals Dl. Diese synchrone Abtastung stellt eine genaue Bestimmung der Nulllage sicher und erhöht die Genauigkeit bei der Bestimmung des Abstands ^¬ wertes d.

Die Abtastfrequenz wird dabei unter Berücksichtung der Oszillationsfrequenz f und/oder der Bandbreite des analogen Bandpasses 50 bestimmt. Ausgehend von der Überlegung, dass sich der Abstand d gegenüber der Oszillationsfrequenz f nur sehr langsam ändert, kann auch eine Unterabtastung zur Digitalisierung des gefilterten Sensorsignals G ohne Informa ^¬ tionsverlust ausreichen.

Das erste Digitalsignal Dl wird anschließend in einem Auswerteblock 52 der Auswerteeinrichtung 37 ausgewertet. Dabei wird zumindest ein Wert für den Abstand d ermittelt.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Er ^¬ mittlung des Abstandswerts d in drei Schritten:

Das von der Lichtquelle 15 abgestrahlte Licht der bei- den Superlumineszenzdioden 16 wird in den Referenzlichtweg R und in den Messlichtweg M der Sonde 12 eingespeist. So ^¬ wohl das vom Referenzlichtweg R, als auch das vom Mess ^¬ lichtweg M reflektierte Licht wird im Interferometer 30 in den ersten und den zweiten Lichtweg LI, L2 aufgeteilt und anschließend wieder überlagert, um eine Interferenz zu er ^¬ zeugen. Die Interferenz wird vom Fotosensor 35 erfasst und als Sensorsignal S an die Auswerteeinheit 37 übermittelt.

Aufgrund der Oszillation des ersten Interferometerspiegels 33 entsteht ein moduliertes Sensorsignal S, dessen Hüllkur ^¬ ve 55 in Figur 4 gezeigt ist. Es wird die Stelle mit der maximalen Modulationstiefe des ersten Digitalsignals Dl ge ^¬ sucht, was dem Maximum der Hüllkurve 55 entspricht. Anhand einer vorgegebenen Kalibriertabelle in der Auswerteeinrichtung 37 wird die an der Stelle der maximalen Modulations ^¬ tiefe - also des Maximums der Hüllkurve 55 - bestimmte

Spiegelauslenkung des ersten Interferometerspiegels 33 ei ^¬ nem ersten Abstandswert di zugeordnet, wie dies schematisch in Figur 4 dargestellt ist.

In einem zweiten Schritt erfolgt jeweils eine Phasen ^¬ auswertung für die beiden Schwerpunktwellenlängen der beiden Superluminiszenzdioden 16. Dabei wird ein zweiter Abstandswert d ₂ auf Basis der Phasendifferenz Δφ innerhalb eines Eindeutigkeitsbereichs von Λ/2 anhand folgender

Gleichung ermittelt:

Λ 1

d ₂ = (Αφ + 2 ^■ π ^■ m ₂ ) (1)

22 · π

mit

Δφ = φι-φ ₂ ,

c i : Phase des Lichts der Schwepunktwellenlänge X _lr

φ ₂ : Phase des Lichts der Schwepunktwellenlänge λ ₂ ,

m ₂ : ganzzahliger Faktor wobei Λ eine synthetische Wellenlänge ist, die sich abhän ^¬ gig von den beiden Schwerpunktwellenlängen X _lr λ ₂ des

Lichts der beiden Superlumineszenzdioden 16 ergibt zu

Der zweite Abstandswert d ₂ ist deutlich genauer als der erste Abstandswert di . Der Faktor m ₂ ist in Gleichung

(1) derjenige ganzzahlige Wert, der den Betrag der Diffe ^¬ renz zwischen dem ersten Abstandswert di und dem zweiten

Abstandswert d ₂ minimiert. Dadurch wird sichergestellt, dass der genauere zweite Abstandswert d ₂ innerhalb des Ein ^¬ deutigkeitsbereichs liegt. Zur Ermittlung der Phasendiffe ^¬ renz Δφ kann beispielsweise eine Fourietransformation

durchgeführt werden, um die Phasenwerte ci, φ ₂ zu erhalten.

In einem dritten Schritt wird ein dritter Abstandwert d ₃ bestimmt, dessen Genauigkeit weiter erhöht ist. Die Be ^¬ rechnung erfolgt anhand folgender Gleichung: _L

d ₃ = (φ _ι -φ ₀ + 2 ·π -m ₃ )— (3)

2 2-π

mit

φ ₀ : Konstante,

m ₃ : ganzzahliger Faktor

Der Faktor m ₃ ist derjenige ganzzahlige Wert, bei dem die Differenz zwischen dem dritten Abstandswert d ₃ und dem zweiten Abstandswert d ₂ minimal ist. Der Wert φ ₀ wird durch Kalibrierung ermittelt und stellt eine Konstante dar. Im Auswerteblock 52 kann zur Bestimmung des Abstandswerts d auch lediglich einer oder zwei der genannten

Schritte durchgeführt werden. Wegen der Eindeutigkeit der Abstandswerte ist dabei die Reihenfolge der genannten

Schritte einzuhalten.

In Figur 5 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Messeinrichtung 10 dargestellt. Der Unterschied gegenüber der Ausführung nach Figur 1 besteht darin, dass die Referenzfläche 27 nicht am optischen Element 25 der Sonde 12, sondern an einem separaten Spiegel 57 im Referenzlichtweg R vorgesehen ist. Der Referenzlichtweg R ist bei dieser Ausgestaltung vom Messlichtweg M getrennt ausgeführt. Wie in Figur 5 dargestellt, ist hierfür eine weitere, vierte Monomodenfaser 58 über einen dritten Faserkoppler 59 mit der zweiten Monomodenfaser 24 verbunden. Der dritten Faserkoppler 59 ist in die zweite Monomodenfaser 24 eingesetzt, die den zweiten Faserkoppler 23 mit der Sonde 12 verbindet. Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel nach Figur 5 dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1, so dass auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.

Um Störungen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, weil am ersten Interferometerspiegel 33 sowie am zwei ^¬ ten Interferometerspiegel 34 reflektiertes Licht über den Kollimator 31 wieder zurück in den Messlichtweg M und den Referenzlichtweg R eingespeist wird, können zusätzlich Maß ^¬ nahmen vorgesehen werden. Beispielsweise ist es möglich, das Licht in den beiden Lichtwegen LI, L2 zu polarisieren und durch ein Polarisationsfilter am Kollimator 31 die Aufnahme des an den Interferometerspiegeln 33, 34 reflektierten Lichts zu verhindern. Auch durch eine Fokussierung des Lichts auf die beiden Interferometerspiegel 33, 34 kann ei ^¬ ne unerwünschte Einkopplung von Licht aus den Lichtwegen LI, L2 zumindest reduzieren. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrich ^¬ tung und ein Messverfahren zur Bestimmung eines absoluten Abstandswerts zwischen einer Sonde 12 und einer Objektoberfläche 13. Der Abstandswert d wird dabei punktförmig im Be ^¬ reich der optischen Achse 14 der Sonde 12 bestimmt. Die Messeinrichtung weist eine Lichtquelle 15 auf, die kurzko ^¬ härentes Licht aussendet. In einem Messlichtweg M wird das Licht durch die Sonde 12 auf die Objektoberfläche 13 ge ^¬ richtet und das dort reflektierte Licht wieder empfangen. Ein anderer Teil des Lichts der Lichtquelle 15 durchläuft einen Referenzlichtweg R bis zu einer Referenzfläche 27 und von dort wieder zurück. Das an der Referenzfläche 27 sowie der Objektoberfläche 13 reflektierte Licht wird einem In- terferometer 30 zugeführt und dort in einen ersten Lichtweg LI sowie einen zweiten Lichtweg L2 aufgeteilt. Die beiden Lichtwege LI, L2 sind unterschiedlich lang und kompensieren die Differenz zwischen Referenzlichtweg R und Messlichtweg M. Der im ersten Lichtweg LI vorhandene erste Interferome- terspiegel 33 oszilliert in Richtung der optischen Achse 40 des ersten Lichtwegs LI . Das Licht aus den beiden Lichtwe ^¬ gen LI, L2 wird überlagert und wegen der Oszillation des ersten Interferometerspiegels 33 bildet sich ein Interfe ^¬ renzmuster im überlagerten Licht, das von einem Fotosensor 35 detektiert werden. Der Abstandswert d wird in einer an den Fotosensor 35 angeschlossenen Auswerteeinrichtung 37 ermittelt .

Bezugs zeichenliste :

10 Messeinrichtung

11, 11' Lichtaustrittsfläche

12 Sonde

13 Objektoberfläche

14 optische Achse v. 12

15 Lichtquelle

16 Leuchtmittel

17 Faserpigtail

18 erster Faserkoppler

22 erste Monomodenfaser

23 zweiter Faserkoppler

24 zweite Monomodenfaser

25 optisches Element v. 12

26 geneigter Spiegel

27 Referenzfläche

29 dritte Monomodenfaser

30 Interferometer

31 Kollimator

32 Strahlteiler

33 erster Interferometerspiegel

34 zweiter Interferometerspiegel

35 Fotosensor

36 optisches Element

37 Auswerteeinrichtung

40 optische Achse v. LI

41 optische Achse v. L2

42 Versteilantrieb

45 Oszillationseinrichtung 46 Oszillationsantrieb 47 Signalgenerator

50 Filter

51 Analog-Digital-Wandler

52 Auswerteblock

55 Hüllkurve

57 Spiegel

58 vierte Monomodenfaser

59 dritter Faserkoppler

A Amplitude

d Abstand

Dl erstes Digitalsignal

D2 zweites Digitalsignal f Frequenz

G gefiltertes Signal

LI erster Lichtweg

L2 zweiter Lichtweg

M Messlichtweg

R Referenzlichtweg

S Sensorsignal

P Schwingungssignal