WO2009105904A1 - Verfahren und vorrichtung zur auswertung einer interferometrischen messgrösse - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur auswertung einer interferometrischen messgrösse Download PDF

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WO2009105904A1
WO2009105904A1 PCT/CH2009/000044 CH2009000044W WO2009105904A1 WO 2009105904 A1 WO2009105904 A1 WO 2009105904A1 CH 2009000044 W CH2009000044 W CH 2009000044W WO 2009105904 A1 WO2009105904 A1 WO 2009105904A1
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cavity
optical
spectrometer
path length
light
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PCT/CH2009/000044
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Waegli
Felix Mullis
Original Assignee
Inficon Gmbh
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    • G01K11/3206—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering
    • G—PHYSICS
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    • G01B9/02—Interferometers
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
    • G01L9/0077—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light
    • G01L9/0079—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light with Fabry-Perot arrangements
    • G—PHYSICS
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2290/00—Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
    • G01B2290/25—Fabry-Perot in interferometer, e.g. etalon, cavity

Definitions

  • the invention relates to a method for evaluating a measured variable with a measuring cell according to the features of patent claims 1 and 2, and to a measuring arrangement according to the preamble of claim 16.
  • the invention relates to an evaluation method in connection with a fiber-optic interferometric sensor measuring system for measuring measured variables such as pressure, temperature, strain and of optical powers.
  • vacuum pressures should be particularly easy and accurate to detect.
  • Fabry-Perot Fabry-Perot
  • FP Fabry-Perot
  • the optical path length difference is calculated from the product of the refractive index of the material through which the light moves and the geometric path difference that the light travels.
  • an optical path length difference may, for example, change as the distance between two membranes forming the Fabry-Perot sensor cavity changes in response to pressure, or this distance varies due to material expansion due to temperature changes. However, it can also change, for example, by changing the optical properties (refractive index) of a material which is located in the cavity or forms the cavity.
  • a measuring system consists of a Fabry-Perot cavity, which forms the actual sensor, a suitable evaluation unit and a light source.
  • the light source is a broadband or white light source with a short coherence wavelength
  • WLI white light interferometry
  • the sensor cavity is connected to the evaluation unit with an optical waveguide.
  • the light from the light source is guided via optical fiber to the sensor cavity. In this it is modulated, depending on the optical path length or the size to be measured.
  • the modulated light is then returned to the evaluation unit via the same or a separate second optical waveguide and evaluated therein.
  • the evaluation can basically be realized in two different ways. For this purpose either an interferometer or a spectrometer is used.
  • spectrometers Today's evaluation units use high-quality spectrometers. These have a resolution of better than 1 nm and use line sensors with more than 3500 individual sensor elements (pixels). For each measurement cycle, all sensor elements must be read and digitized. The resulting amount of data is proportional to the number of sensor elements and thus also determining the shortest possible cycle time. This is at the currently used spectrometers at 50ms, which corresponds to a maximum refresh rate of 20Hz. The individual prices for such spectrometers are high, always well over $ 1'000.- (typically $ 1'499.- to $ 1'899.-, depending on the model). Fizeau and polarization interferometers, as shown schematically in FIGS. 1 and 2, are largely equivalent in terms of their structure.
  • FIG. 1 The construction of a Fizeau interferometer is shown schematically in FIG. 1 (see also US Pat. No. 5,392,117, Belleville). With the Fizeau interferometer, this wedge must be provided with reflection layers.
  • FIG. 2 The structure of a polarization interferometer is shown schematically in FIG. 2 (see also US Pat. No. 7,259,828 B2, Duplain).
  • the wedge 30 in the polarization interferometer uses polarizers instead of the reflective layers.
  • Such a wedge with the necessary layers or polarizers is complex and therefore expensive to produce and has undesirable dispersion effects which influence the resulting interferogram and reduce the achievable measurement accuracy.
  • the optical path length in the wedge is temperature dependent. This dependence can be (partially) compensated, but nevertheless has a detrimental effect on the achievable accuracy and means additional expenditure for the realization.
  • both interferometer principles provide only relative readings, ie both must be calibrated during production to provide absolute readings.
  • the measuring range is defined by the wedge and thus fixed.
  • the largest measurable optical path length is determined by the largest thickness and the smallest measurable optical path length through the smallest thickness of the wedge.
  • the achievable resolution depends, among other things, on the contrast and the signal-to-noise ratio of the measurement signal, which in turn depend on the depth of modulation of the sensor and the length and / or length of the signal.
  • the modulation depth ratio of modulated to non-modulated light
  • a reflection of about 25% is ideal for the cavity, but in practice this can only be done very reaching optically effective coatings.
  • FIG. 3 shows the schematic structure of a corresponding measuring system.
  • FFT direct Fast Fourier Transformation
  • bandpass filter inverse FFT
  • adding up the phase and then determining the measured value from a lookup table.
  • DSP Digital Signal Processor
  • the measured spectrum must be normalized, which in addition to the actual measuring sensor 5 requires a second reference sensor 31.
  • FIG. 4 shows the schematic structure of such a measuring system.
  • the alternative calculation method is based on the correlation of the measured spectrum with predicted and stored theoretical spectra.
  • a significant disadvantage in this case is the memory 34 necessary for the storage of the precalculated spectra, as well as the computation time necessary for calculating the correlation 33 of the corresponding arithmetic unit 32.
  • the achievable measurement accuracy depends on the number of stored spectra and thus on the available storage space but also on the available computing time.
  • the tracking method does not work anymore, because then tracking is no longer possible. If you want to use the meter in a stable control loop, you must, in order to be able to guarantee stability, assume the maximum measuring cycle time or response time of the meter. For the reasons just mentioned (fast signal change, signal jumps) the tracking therefore has no influence on the minimum measurement cycle time.
  • the spectrometer-based described methods are unsuitable for industrial implementation, because they require too many resources (memory, computing power), do not allow fast rule applications and are too expensive.
  • the object of the present invention is to determine the absolute optical path length difference in this sensor simply and quickly, accurately and with high resolution from the optical spectrum of an interferometric sensor (Fabry-Perot, for example) measured by means of a simple spectrometer. Evaluation units which are based on this method must be economically producible.
  • an interferometric sensor Fabry-Perot, for example
  • a measuring cell contains a cavity for evaluating a measured variable with which an optical path length difference (dGap) is generated for light. Light is therefore coupled to the cavity and reflected within this and decoupled again. The optical path length difference in this cavity changes in accordance with the variation of the measured variable.
  • the evaluation of the measured variable comprises the following steps:
  • the present invention possible to use an arithmetic function in an arithmetic unit from the spectrum directly, without detours, to determine the interferogram, which as output signal directly the length unit includes, which corresponds to the optical path length difference and thus the size to be measured.
  • the arithmetic function preferably contains a cosine function at least to a first approximation.
  • the cosine function makes it possible to greatly simplify the entire signal processing and the measuring arrangement. It goes without saying that this also includes all pure trigonometrically reshaped representations of a cosine function, which are then represented, for example, with the other trigonometric functions, such as sine, tangent, cotangent functions or corresponding approximations.
  • the decoupling of at least a portion of the light reflected from the cavity with at least one further or more optical waveguides takes place, which are arranged separately next to the feeding optical waveguide.
  • a plurality of optical fibers for coupling the light into the cavity and for coupling out the light reflected from the cavity which are arranged, for example, together in a mixed bundle of fibers leading in and out.
  • the reflected light is supplied to an optical spectrometer.
  • an optical fiber and a coupler is less expensive, gives more accurate results and is therefore preferred.
  • the present invention is particularly suitable for the very precise detection of vacuum pressures, in particular with so-called membrane vacuum measuring cells, in which the cavity is integrated directly into the measuring cell and the membrane is deformed depending on the vacuum pressure to be measured and this directly closes the cavity and by their deformation the signal to be measured determines the optical path length difference.
  • Such measuring cells can be constructed particularly compact and, because of the integrally suitable and well-coordinated measuring concept, allow particularly precise and reproducible measurements over large measuring ranges in economic production.
  • Another significant advantage is that such measuring cells can essentially be made of ceramic materials such as alumina and / or sapphire, including the measuring membrane, whereby such a measuring cell is very resistant to chemically aggressive vacuum processes even at high temperatures.
  • the optical readout method supports the suitability for high temperatures and is also insensitive to interfering electrical or electromagnetic influences, which supports the high measuring sensitivity and stability of such a measuring cell.
  • vacuum processes for example in the semiconductor industry, such particularly high demands are becoming increasingly important.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a Fizeau interferometer according to the prior art
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a polarization interferometer according to the prior art
  • 3 shows an optical interferometric measuring system based on an optical spectrometer with a second reference sensor for the standardization of the measuring signal according to the prior art
  • FIG. 4 shows an optical interferometric measuring system based on an optical spectrometer with a computing unit with memory for correlation with reference spectra for determining the measured variable according to the prior art
  • FIG. 2 is an enlarged detail of the interferogram of FIG. 7.
  • FIG. 8 shows a measuring arrangement with a preferred vacuum membrane measuring cell as measuring sensor
  • FIG. 9 shows a measuring arrangement with a temperature measuring cell as a measuring sensor.
  • FIGS. 1 to 4 schematically depict known measurement systems based on optical interference principles which have already been described in the introduction.
  • FIG. 5 shows a typical structure of a preferred membrane-based Fabry-Perot measuring system.
  • the system consists of the evaluation unit 13 and the sensor 5 which is connected by means of optical waveguide 4 to the evaluation unit 13.
  • Light 1 from a white light source 2 is fed via coupler 3 and optical waveguide 4 to the measuring sensor 5, designed as a Fabry-Perot sensor 5 with a cable. vity 11, and modulated in it as a function of the quantity to be measured.
  • the modulated light is conducted via the same optical waveguide 4 and coupler 3 to an optical spectrometer 6. This generates an output signal, the spectrometer signal 8, by measuring altogether m ⁇ intensity values s ⁇ ( ⁇ m ) at the various wavelengths ⁇ m .
  • Each value s ⁇ ( ⁇ m ) corresponds to the measured intensity at the wavelength ⁇ m .
  • the optical spectrum is picked up, for example with a line sensor 7 and converted into a corresponding electrical signal and processed to the spectrometer signal 8.
  • the spectrometer line sensor output signal 8, or the spectrometer 8 is at the output of the spectrometer 6 with a spectro - Meterignaltechnisch guided via a corresponding electrical interface to a computing unit 9, where this signal is converted with a computing function.
  • the arithmetic unit 9 transmits the converted signal to the output unit 10, where the signal can be processed in the desired form, for example as an analog or digital electrical or optical signal for further use.
  • the cavity 11 is formed by two mirrors 19, 19 'which are arranged at a geometrical mirror spacing (d geo ).
  • these mirrors 19, 19 ' is designed to be partially transparent to the light.
  • a portion of the light 1 is introduced into the cavity 11 via one of the partially transmissive mirrors 19, and this portion is now reflected back and forth between the partially transmissive mirrors 19 and 19 ', with part of the light coming out at each reflection on the partially transparent mirror 19 the cavity is coupled out, which interferes with the reflected there, uncoupled portion of the light 1 and depending on the different distance of the two light components traveled distance corresponding to an integer multiple of the optical path length difference (dcap), which through the cavity or the geometric distance (d geo ) of the two partially transmitting mirror 19, 19 'is defined.
  • dcap optical path length difference
  • the cavity 11 consists of a material with the refractive index 1 (eg air or vacuum), then this optical path length difference (d ⁇ a p) is approximately twice as large as the spatial Gelabstand (d geo ) - It is favorable if for the metrological tasks to be solved here, the cavity 11 is formed such that there is an optical path length difference (dc a p) is formed, which is in the range of 10.0 microns to 400 microns, preferably in Range from 20.0 ⁇ m to 60.0 ⁇ m.
  • Partially transparent mirrors may be formed, for example, as coated surfaces. However, depending on the substrate material, such as, for example, glass or sapphire, they can also serve directly as partially transmissive mirrors if the surface is suitable.
  • the measured quantity to be measured 12 of the measuring cell 5 changes the mirror spacing d geo accordingly. This change is subsequently detected with the present arrangement and method, and enables a precise and reproducible reproduction of the measured quantity 12, which is consequently available at the output 10 of the arrangement in processed form.
  • any commercially available spectrometer covering the spectral range of the light source and having a resolution of better than 4 nm FWHM (fill width at half maximum) can be used.
  • the spectrometer sensor element 7 can likewise be a commercially available line sensor (charge coupled device (CCD), complementary metal oxide semiconductor (CMOS), photo diode array (PDA)) with at least 256 sensor elements (pixels).
  • CMOS array with 512 sensor elements is used.
  • the measured spectrometer signal 8 is then converted by means of a computation function by the arithmetic unit 9 directly to an interferogram l (d), l '(d) and from its intensity profile the position of the respective amplitude extreme value.
  • Ux t r e mai determined and these respective position directly represents the value for the optical path length difference (dGap) in the cavity, which contains the measurement quantity 12.
  • the arithmetic function for conversion into the absolute interferogram preferably and at least to a first approximation contains a cosine function.
  • the denominator and the 1st term in the counter are provided, for example, for normalization or scaling of the signal.
  • these additional functions are not necessary and the formula (1) can be simplified to: m ⁇
  • this basic function with the relevant cosine function can additionally be combined or superimposed with further arithmetic functions if further signal adjustments are desired.
  • Each interpolation point k corresponds to an optical path difference d k , ie the interferogram is calculated between the values d min and d max for a total of k 0 interpolation points.
  • d k namely:
  • spacings in the range from 5.0 ⁇ m to 200 ⁇ m are preferred for mirror spacings (dg eo ), preferably in the range from 10.0 ⁇ m to 30.0 ⁇ m.
  • the optical path length difference corresponds to exactly twice the mirror spacing. This assuming that the light 1 exactly and exclusively perpendicular to the cavity 11, and the mirror surfaces 19, 19 ', incident and is reflected by these.
  • the exact position of the amplitude extreme value lex t re ma i of the interferogram l (dk) or l '(d k ) is most easily determined by means of a quadratic approximation (quadratic fit).
  • Vertex can be determined exactly by zeroing the 1st derivative
  • n represents the optical refractive index of the material in the sensor cavity 11 and C is a correction factor, which takes into account the influence of the angle of incidence of the light in the sensor cavity 11 as well as the corresponding intensity distribution of this light over all angles of incidence.
  • the mirror spacing as well as the optical path length difference can be determined absolutely and directly without detours via correlations in the corresponding physical unit of length such as, for example, nanometers [nm].
  • C is calculated to be 0.987887.
  • a value for C of 0.999241 results.
  • formula (5) can now be solved for the size of interest.
  • the geometric distance d geo of the cavity 11 changes as a function of the measured variable 12 to be measured, for example, the pressure 12 to be measured.
  • the cavity 11 is normally filled with air or evacuated.
  • the refractive power n can be assumed to be 1.
  • this is independent of the pressure to be measured and the formula (5) can be dissolved after dgeo and you get directly a measure of the pressure.
  • the algorithm is implemented on an FPGA, it can easily be executed within much less than 1ms and thus the necessary computation time has no influence on the system cycle time. This is now determined by the necessary integration time of the line sensor element 7 (CCD array) in the spectrometer 6.
  • line sensor element 7 CCD array
  • spectrometer 6, light guide 4, coupler 3 a commercially available white LED 2 (from year 2007) as a light source and the simplest possible Fabry-Perot sensor 5 (with an uncoated cavity) can be a minimum integration time of 1ms straight still reach meaningful.
  • spectrometers which have a resolution of substantially better than 1 nm FWHM. These need only have a minimum resolution of better than 4nm FWHM and can therefore be made much cheaper and smaller. With such simple spectrometers, however, it is still possible, for example, optical path length differences (dc a p) of example
  • the spectrometers 6 are equipped with line sensors 7, which typically have 3,648 sensor elements (pixels). For each measurement cycle, all sensor elements must be read and digitized. The resulting amount of data is proportional to the number of sensor elements and thus also determining the shortest possible cycle time. This is at the currently used spectrometers at 50ms, which corresponds to a maximum refresh rate of only 20Hz.
  • the method according to the invention makes it possible to use spectrometers with line sensors 7 with only 512 sensor elements. This considerably reduces the amount of data and cycle times of less than 1 ms or refresh rates of greater than IkHz can be achieved. This is a significant advantage over the state of the art (50ms or 20Hz), as it allows, inter alia, faster and more stable control systems to be constructed in which the optical measuring principle serves to detect the actual value. (eg flow control or mass flow controller).
  • a further advantage of the invention is also that the measuring system can be easily adapted to different cavities (optical path length differences) as well as to the desired resolution ( ⁇ d) by appropriate software selection of the calculation range (d min , d max ). For interferometer-based systems, this is only possible by changing the hardware (thickness of the wedge 30) and in the known spectrometer-based systems have new Reference data for the correlation calculation are loaded into the memory. Thanks to the method according to the invention, it is therefore very easy to first drive a "coarse scan" over a large area (large d max -d min ) with poor resolution (large ⁇ d) to obtain the approximate position of the amplitude extreme value Ux tr em a to determine i.
  • the already mentioned prior art methods are based on the correlation method.
  • the measured spectrum must each be subjected to a Fast Fourier Transformation (FFT).
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • the result of this FFT is then correlated with the stored values to calculate the measured value.
  • an FFT and a subsequent correlation are always necessary.
  • the calculation effort for determining the FFT from the measured spectrum corresponds to that which is necessary for calculating the interferogram according to the method according to the invention.
  • the computational effort for the correlation is completely eliminated in the inventive procedure.
  • the method according to the invention thus requires less computing time and thereby enables shorter measuring cycle times and faster response times. This, in turn, enables faster and more stable regulator applications compared to the prior art.
  • fast signal changes or signal jumps can be better detected and tracked.
  • the computing time can easily be reduced below 1 ms, ie the system cycle time is no longer determined by the computing time of the method but by the necessary integration time of the line sensor element 7 of the spectrometer 6, which of the available light power at the Line sensor element 7 and on its sensitivity and its noise properties depends.
  • the interferogram calculation described in (1) and (1 ') already causes a strong reduction of the signal noise due to the summation used. Thanks to the fast measurement cycle time, additional filter functions such as moving average without increasing the response time of the meter over charge. With such filter functions, e.g. the resolution can be further increased or the minimum requirements for the necessary signal-to-noise ratio (signal quality) can be further reduced. Thus even longer connecting cables 4 between measuring sensor 5 and evaluation unit 13 can be used and the requirements for the tolerances of the measuring sensor 5 can be further reduced, which in turn leads to even simpler, cheaper and more robust or reliable measuring sensors ,
  • the cavity 11 of the Fabry-Perot measuring sensors 5 must be to increase the contrast resp. the signal-to-noise ratio for the partially transmissive mirrors are coated.
  • the method according to the invention now allows the use of uncoated cavities 11, i.
  • the Fresnel reflection of about 4% of a normal glass surface already suffices for the formation of a partially transparent mirror.
  • a further advantage of the method according to the invention is the fact that, as a result, one obtains directly the absolute optical path length difference (d Ga p) in a physical path length unit, eg nm.
  • a physical path length unit eg nm.
  • the only requirement for this is the use of a calibrated (commercially available) spectrometer 6.
  • All evaluation units based on the known interferometer principle must be calibrated compulsorily so that an assignment of sensor element to optical path length difference becomes possible. Such a calibration is always associated with additional effort.
  • FIG. 6 shows a spectrum which was measured with a commercially available OEM spectrometer.
  • the spectrometer had a resolution of 2.9nm..3.3nm FWHM (wavelength dependent) and a wavelength range of 430nm..730nm.
  • a line sensor element 7 in the spectrometer 6 a CMOS array with 512 sensor elements (pixels) was used.
  • the measurement setup corresponded to the illustration in FIG. 5.
  • a white LED was used as the light source 2.
  • As measuring sensor 5 a preferred membrane-based Fabry-Perot pressure measuring sensor was used. The measuring time resp. Integration time of the sensor element was 1 ms.
  • FIG. 7a shows an enlarged section of FIG. 7 in the region of an amplitude extreme value (Uxtremai) with the associated calculated value for an optical path length difference (dGap).
  • the intensity values l (d) of the interferogram were calculated in the present preferred example, for optical path length differences (d) of 20 .mu.m to 60 .mu.m. These optical path length differences correspond to geometrical gel distances (d geo ) of 10 ⁇ m to 30 ⁇ m, since the sensor with air (refractive index n - 1) was filled.
  • the calculated interferogram as shown in FIGS.
  • the measuring cell 5 is formed as a temperature measuring cell in which a temperature-sensitive element 18 is provided which varies depending on the temperature of the optical path length difference (d gap ) of the cavity 11 or varies, as shown schematically as an example in Figure 9.
  • the change in the optical path length difference (dc a p) of the cavity 11 can be produced, for example, by a change in a material extent of a temperature-sensitive material, such movement or stretching preferably with at least one of the mirrors 19, 19 ', which may also be partially transparent is coupled, that the distance between the mirrors 19 and 19 'changes in dependence on the temperature.
  • the temperature-dependent material 18 itself forms the cavity 11 and has at its surface on both sides and spaced by the material 18 reflecting surfaces 19, 19 'between which at least a portion of the injected light is reflected back and forth.
  • the material 18 changes its thickness and thus the mirror spacing d geo, and as a result, after the evaluation according to the present invention, there will be an output signal which corresponds to the temperature applied to the measuring cell 5.
  • mount a temperature-sensitive material 18 also adjacent and / or outside the cavity 11, such that, for example, only one of the mirrors 19, 19 'is moved by the stretching of the material 18. In this case, it must simply be ensured that the strain movement of the material 18 is transmitted to at least one of the mirrors 19, 19 'such that the mirror spacing d geo changes accordingly.
  • the optical path length difference (dGap) of the cavity 11 can also be changed by changing the refractive index in the path of the light, for example by mechanical and / or thermal stress Material whose refractive power is changed and this interacts with the injected light.
  • the change of the optical path length difference (d Ga p) of the cavity 11 can also be formed by a combination of the change of the expansion and the change of the refractive power.
  • the measuring cell 5 with the cavity 11 is formed as a pressure measuring cell by a pressure-sensitive element is provided, which changes by a pressure-dependent deformation, such as an elongation, the optical path length difference (dc a p) of the cavity 11 as a function of pressure.
  • a pressure-sensitive element is preferably a membrane 14, which is arranged at one end of the cavity 11 and correspondingly strongly bends as a function of pressure and thus changes the optical path length difference (do a p) by changing the geometric path length accordingly.
  • the design of the pressure measuring cell 5 as a vacuum pressure measuring cell wherein the pressure-sensitive element preferably has a membrane 14 which is disposed at one end of the cavity 11 and closes there vacuum-tight.
  • the membrane 14 is in this case sealingly arranged between a first housing body 15 and a second housing body 15 'at the edge.
  • the housing body 15, 15 ' are plate-shaped and made of ceramic material, such as alumina and / or sapphire.
  • the housing bodies 15, 15 ' are spaced apart from the membrane 14, so that on both sides of the membrane 14 depending creates a gap-shaped space.
  • the gap-shaped space between the first housing body 15 and the membrane 14 is evacuated and forms a reference vacuum chamber 11 and cavity 11 at the same time.
  • the light is guided by the optical waveguide 4 to the first housing body 15 and for example via a lens 17 and via a window 16 coupled into the cavity 11.
  • the window 16 may be sealingly disposed as a separate part in a recess of the first housing body 15 and / or the entire first housing body 15 may be made of translucent material, such as sapphire.
  • the surfaces of the window 16 and of the membrane 14 are designed as mirrors 19, 19 ', whereby at least the mirror on the coupling-in side is designed to be partially reflecting. With suitable surface quality, these surfaces can be used directly as mirror surfaces, but they can also be coated in a known manner.
  • the second gap-shaped space on the other side of the membrane which is delimited by the second housing body 15 ', forms the measuring vacuum space which via an opening in the second housing body 15' and via connecting means for the measuring cell 5 with the media to be measured, for example a vacuum process plant. communicated.
  • the present invention has the following advantages: The invention makes it possible to use much simpler (smaller
  • the method according to the invention is considerably simpler in comparison to the correlation methods according to the prior art and can therefore be implemented very simply and thus correspondingly robust and therefore also requires less computing time, which in turn allows shorter measuring cycles
  • the method according to the invention directly supplies the absolute sought measured value and therefore does not require any reference spectra or those for their purpose
  • the method according to the invention makes it possible to construct Fabry-Perot sensors whose cavity no longer needs to be coated (for the purpose of improving the contrast or the signal-to-noise ratio) and can therefore be manufactured more simply and cheaply.
  • the field of application of such sensors can be shifted to higher temperatures because such coatings, which are no longer necessary, typically determine the maximum service temperature.

Abstract

Zur Auswertung einer Messgrösse (12) mit einer Messzelle (5), enthaltend eine Kavität (11) welche für Licht einen optischen Weglängenunterschied (dGap) erzeugt, welcher sich entsprechend der Variation der Messgrösse (12) verändert werden folgende Verfahrensschritte vorgeschlagen: Einführen von Licht (1) von einer Weisslichtquelle (2) mit Hilfe eines Lichtwellenleiters (4) via eines Kopplers (3) der im Pfad des Lichtwellenleiters (4) angeordnet ist in die Kavität (11); Auskoppeln mindestens eines Teils des von der Kavität (11) in den Lichtwellenleiter zurück reflektierten Lichtes (1') mit Hilfe des Kopplers (3) und zuführen dieses reflektierten Lichtes (1') an ein optisches Spektrometer (6); Ermittlung des optischen Spektrums des reflektierten Lichtes (1') im Spektrometer (6) und erzeugen eines Spektrometersignals (8); Zuführung des Spektrometersignals (8) an eine Recheneinheit (9), wobei das Spektrometersignal (8) durch die Recheneinheit (9) unmittelbar zu einem Interferogramm gewandelt wird und aus dessen Intensitätsverlauf die Lage des jeweiligen Amplitudenextremalwertes ermittelt wird und diese jeweilige Lage unmittelbar den jeweiligen Wert des optischen Weglängenunterschiedes in der Kavität darstellt, welcher die Messgrösse (12) beinhaltet.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR AUSWERTUNG EINER INTERFEROMETRISCHEN MESSGRÖSSE
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Auswertung einer Messgrösse mit einer Messzelle gemäss den Merkmalen des Patentanspruches 1 und 2, sowie auf eine Messanordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 16.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Auswerteverfahren im Zusammenhang mit einem faseroptischen interferometrischen Sensormesssystem zum Messen von Messgrössen wie Druck, Temperatur, Dehnung und von optischen Brechwerten. Insbesondere sollen Vakuumdrücke besonders einfach und genau erfasst werden können.
Mit auf Interferenzprinzipien basierenden Messsystemen können verschiedene Messgrössen mit hoher Auflösung und Genauigkeit gemessen werden. Typische Vertreter solcher Messsysteme sind solche, welche auf Fabry-Perot (FP)- Sensoren basieren. Diese messen den optischen Weglängenunterschied in der sogenannten Fabry-Perot Sensor-Kavität. Dieser Weglängenunterschied ändert sich in Abhängigkeit von der zu messenden physikalischen Grosse und entspricht dem Betrag der Differenz der optischen Weglänge von Licht, welches an der Vorderfläche der Kavität und solchem, welches an der Rückfläche der Kavität reflek- tiert wird. Der optische Weglängenunterschied berechnet sich aus dem Produkt vom Brechungsindex des Materials durch das sich das Licht bewegt und dem geometrischen Wegunterschied, den das Licht zurücklegt. Ein optischer Weglängenunterschied kann sich demzufolge beispielsweise ändern, wenn sich der Abstand zwischen zwei Membranen, welche die Fabry-Perot Sensor-Kavität bilden, in Abhängigkeit vom Druck ändert oder dieser Abstand verändert sich auf Grund von Materialausdehnungen infolge von Temperaturänderungen. Er kann sich aber z.B. auch durch Änderung der optischen Eigenschaften (Brechwert) eines Materials, das sich in der Kavität befindet oder die Kavität bildet, verändern. Ein solches Messsystem besteht aus einer Fabry-Perot Kavität, welche den eigentlichen Sen- sor bildet, einer geeigneten Auswerteeinheit und einer Lichtquelle. Wird als Lichtquelle eine breitbandige bzw. weisse Lichtquelle mit kurzer Kohärenzwellenlänge wie zum Beispiel eine Glühlampe oder eine weisse Leuchtdiode (Light Emitting Diode, (LED) verwendet, so spricht man von Weisslichtinterferometrie (WLI bzw. White Light Interferometry). Mit WLI ist es möglich, den optischen Weglängenunterschied in der Sensorkavität absolut zu messen.
Die Sensorkavität ist mit einem Lichtwellenleiter mit der Auswerteeinheit verbunden. Das Licht von der Lichtquelle wird via Lichtwellenleiter zur Sensorkavität geführt. In dieser wird es, abhängig von der optischen Weglänge bzw. der zu messenden Grosse, moduliert. Das modulierte Licht wird dann via denselben oder ei- nen separaten zweiten Lichtwellenleiter zur Auswerteeinheit zurückgeführt und in dieser ausgewertet. Die Auswertung kann grundsätzlich auf zwei verschiedene Arten realisiert werden. Dazu wird entweder ein Interferometer oder ein Spektro- meter verwendet.
Als Auswerteverfahren welche auf einem Interferometer basieren haben sich im wesentlichen Polarisations- und Fizeau-Interferometer durchgesetzt. Die Polarisa- tionsinterferometer sind im Patent US 7'259'862 B2 von Duplain, beschrieben, die Fizeau-Interferometer im Patent US 5'392'117 von Belleville et.al. Auf Spektro- meter basierende Auswerteeinheiten sind in den Patenten US 6O78706, Nau et. al. sowie in Patent US 7O99O15 B2 von Melnyk beschrieben. Details eines Auswertealgorithmus gemäss Stand der Technik finden sich in der Veröffentlichung US 2005/0151975 A1 von Melnyk.
In den heutigen Auswerteeinheiten werden qualitativ hochwertige Spektrometer verwendet. Diese haben eine Auflösung von besser als 1 nm und verwenden Zei- lensensoren mit mehr als 3500 einzelnen Sensorelementen (Pixeln). Pro Messzyklus müssen jeweils alle Sensorelemente gelesen und digitalisiert werden. Die anfallende Datenmenge ist proportional zu der Anzahl Sensorelemente und somit auch bestimmend für die kürzeste mögliche Zykluszeit. Diese liegt bei den aktuell verwendeten Spektrometern bei 50ms, was einer maximalen Auffrischrate von 20Hz entspricht. Die Einzelpreise für solche Spektrometer liegen hoch, immer weit über $1'000.- (Typisch $1'499.- bis $1'899.-, je nach Modell). Fizeau- und Polarisationsinterferometer sind, wie in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellt, bezüglich ihres Aufbaus weitestgehend äquivalent. Beide benötigen u.a. einen optischen Keil 30, welcher entsprechend genau hergestellt werden muss. Der Aufbau eines Fizeau Interferometers ist in Figur 1 (siehe auch US 5'392'117, Belleville) schematisch dargestellt. Beim Fizeau Interferometer muss dieser Keil mit Reflexionsschichten versehen werden. Der Aufbau eines Polarisa- tionsinterferometers ist in Figur 2 (siehe auch US 7'259'862 B2, Duplain) schematisch dargestellt. Der Keil 30 im Polarisationsinterferometer verwendet anstelle der Reflexionsschichten Polarisatoren. Ein solcher Keil mit den notwendigen Schich- ten respektive Polarisatoren ist aufwändig und deshalb teuer in der Herstellung und weist unerwünschte Dispersionseffekte auf, welche das resultierende Inter- ferogramm beeinflussen und die erzielbare Messgenauigkeit verkleinern. Ebenfalls ist die optische Weglänge im Keil temperaturabhängig. Diese Abhängigkeit kann (teilweise) kompensiert werden, hat aber trotzdem einen nachteiligen Einfluss auf die erzielbare Genauigkeit und bedeutet einen Mehraufwand für die Realisierung.
Zudem liefern beide Interferometerprinzipien nur relative Messwerte, d.h. beide müssen während der Produktion kalibriert werden um absolute Messwerte zu liefern. Bei beiden Prinzipien ist der Messbereich durch den Keil definiert und somit fix. Die grösste messbare optische Weglänge wird durch die grösste Dicke und die kleinste messbare optische Weglänge durch die kleinste Dicke des Keils bestimmt. Ebenso fix ist die erreichbare Auflösung, welche durch die „Steigung" des Keils definiert wird. Die erreichbare Mess-Genauigkeit ist u.a. vom Kontrast und dem Signal- Rauschverhältnis des Messsignals abhängig. Diese Werte wiederum werden von der Modulationstiefe des Sensors und der Länge bzw. der Dämpfung des Lichtwellenleiters mit dem der Sensor mit der Auswerteeinheit verbunden ist, beein- flusst. Die Modulationstiefe (Verhältnis von moduliertem zu nicht moduliertem Licht) wird von der Ankoppel-Optik und den optischen Eigenschaften der Sensor- Kavität bestimmt. Für die teildurchlässigen Spiegel der Kavität ist eine Reflexion von ca. 25% ideal. In der Praxis lässt sich dies nur sehr aufwändig mit entspre- chenden optisch wirksamen Beschichtungen erreichen. Solche sind jedoch nicht in jedem Fall realisierbar und man ist gezwungen, unbeschichtete Glasflächen als Spiegel bzw. teildurchlässige Spiegel zu verwenden. Solche weisen, abhängig vom verwendeten Material, jeweils nur noch ca. 4% Reflexion auf. In einem sol- chen Fall erhält man ein Messsignal mit einem sehr schlechten Kontrast bzw. einem sehr kleinen Signal-Rauschverhältnis. Für die Auswertung des Messsignals muss dann ein sehr grosser Aufwand betrieben werden und die erreichbare Genauigkeit ist beschränkt.
Eine auf einem Spektrometer basierende Auswerteeinheit ist in der Patentschrift US 7O99O15 B2 von Melnyk beschrieben. Figur 3 zeigt den schematischen Aufbau eines entsprechenden Messsystems. Ein wesentlicher Nachteil dieser dort vorgeschlagenen Anordnung ist die komplizierte Berechnung des Messwertes via Normalisierung des gemessenen Spektrums, direkter Fast Fourier Transformation (FFT), Bandpassfilter, inverser FFT, Aufaddierung der Phase und anschliessender Bestimmung des Messwertes aus einer Lookup Tabelle. Diese Berechnung ist in der US 7O99O15 B2 von Melnyk beschrieben und wird typischerweise mit einem Digitalen Signal-Prozessor (DSP) 32 realisiert. Auch muss das gemessene Spektrum normiert werden, was zusätzlich zum eigentlichen Mess-Sensor 5 einen zweiten Referenz-Sensor 31 voraussetzt.
In der US 2005/0151975 A1 von Melnyk ist eine alternative Berechnungsmethode offengelegt. Figur 4 zeigt den schematischen Aufbau eines solchen Messsystems. Die alternative Berechnungsmethode basiert auf der Korrelation vom gemessenen Spektrum mit vorausberechneten und gespeicherten theoretischen Spektren. Ein wesentlicher Nachteil dabei ist der zur Speicherung der vorausberechneten Spektren notwendige Speicher 34, sowie die zur Berechnung der Korrelation 33 notwendige Rechenzeit der entsprechenden Recheneinheit 32. Zudem hängt die erreichbare Messgenauigkeit von der Anzahl der gespeicherten Spektren und damit vom zur Verfügung stehenden Speicherplatz aber auch von der zur Verfügung stehenden Rechenzeit ab. Will man einen grosseren Messbereich von zum Beispiel 10μm bis 100μm abdecken und eine Auflösung im Subnanometerbereich von z.B. 0.01 nm erreichen, so müssen doch ca. 9'00O Spektren vorausberechnet und abgespeichert werden wenn man davon ausgeht das man alle 10nm ein Referenz-Spektrum benötigt. Mittels Korrelation dann aus dieser Menge das richtige zu finden bedingt einen beträchtlichen Rechenaufwand. Dieser kann zwar, wie in der Offenlegungsschrift US 2005/0151975 A1 von Melnyk beschrieben, durch zusätzliche Algorithmen wieder reduziert werden, bleibt aber trotzdem immens, speziell dann, wenn man eine hohe Genauigkeit anstrebt. Zudem funktionieren die beschriebenen Vereinfachungen (Tracking) zur Reduktion der notwendigen Rechenzeit nur dann, wenn sich das Messsignal innerhalb eines Messzyklus nicht we- sentlich ändert. Bei grosseren Messwertänderungen oder Signalsprüngen funktioniert die Tracking-Methode nicht mehr, weil dann ein Tracking gar nicht mehr möglich ist. Will man das Messgerät in einem stabilen Regelkreis einsetzen, so muss man, um Stabilität garantieren zu können, von der maximalen Messzykluszeit bzw. Antwortzeit des Messgerätes ausgehen. Aus den gerade erwähnten Gründen (schnelle Signaländerung, Signalsprünge) hat das Tracking somit keinen Einfluss auf die minimale Messzykluszeit.
Auswerteeinheiten wie sie in der US 7O99O15 B2 von Melnyk bzw. in der US 2005/0151975 A1 von Melnyk beschrieben sind benötigen qualitativ hochwer- tige Spektrometer. Solche müssen eine Auflösung von besser als 1 nm aufweisen und sind entsprechend teuer. Die Einzelpreise für solche Spektrometer liegen immer weit über $1'000.- (Typisch $1'499.- bis $1'899.-, je nach Modell). Die in den Spektrometer verwendeten Zeilensensoren bestehen aus mehr als 3'500 einzelnen Sensorelementen (Pixeln), üblicherweise 3'648 Pixel. Pro Messzyklus müssen jeweils alle Sensorelemente ausgelesen und digitalisiert werden. Die anfallende Datenmenge ist proportional zu der Anzahl Sensorelemente und somit auch bestimmend für die kürzeste mögliche Zykluszeit. Diese liegt bei den aktuell verwendeten Spektrometern bei 50ms, was einer maximalen Auffrischrate von 20Hz entspricht.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die auf Spektrometer basierenden beschriebenen Verfahren für eine industrielle Implementierung ungeeignet sind, da diese zu viele Ressourcen (Speicher, Rechenleistung) benötigen, keine schnellen Regelanwendungen zulassen und zu teuer sind.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, aus dem mittels eines einfachen Spektrometers gemessenen optischen Spektrums eines interferometrischen Sensors (z.B. Fabry-Perot) den absoluten optischen Weglängenunterschied in diesem Sensor einfach und schnell, genau und mit grosser Auflösung zu bestimmen. Auswerteeinheiten welche auf diesem Verfahren basieren müssen wirtschaftlich herstellbar sein.
Die Aufgabe wird bei den vorgestellten Verfahren gemäss den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 2 gelöst sowie mit einer Messanordnung gemäss den Merkmalen des Anspruchs 16. Die abhängigen Patentansprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausbildungen der Erfindung.
Die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens erfolgt folgendermassen: eine Messzelle, enthält eine Kavität zur Auswertung einer Messgrösse mit welcher für Licht ein optischer Weglängenunterschied (dGap) erzeugt wird. Licht wird also an die Kavität eingekoppelt und innerhalb dieser reflektiert und wieder ausgekoppelt. Der optische Weglängenunterschied in dieser Kavität verändert sich entsprechend der Variation der Messgrösse folgend. Die Auswertung der Messgrösse umfasst folgende Schritte:
• Einführen von Licht von einer Weisslichtquelle mit Hilfe eines Lichtwellenleiters, via eines Kopplers der im Pfad des Lichtwellenleiters angeordnet ist, in die Kavität,
• Auskoppeln mindestens eines Teils des von der Kavität in den Lichtwellenleiter zurück reflektierten Lichtes mit Hilfe des Kopplers und zuführen dieses reflektierten Lichtes an ein optisches Spektrometer, • Ermittlung des optischen Spektrums des reflektierten Lichtes im Spektro- meter und erzeugen eines Spektrometersignals,
• Zuführung des Spektrometersignals an eine Recheneinheit,
wobei das Spektrometersignal durch die Recheneinheit für unterschiedliche optische Weg längen unterschiede d unmittelbar zu einem Interferogramm l(d) gewandelt wird und aus dessen Intensitätsverlauf die Lage des jeweiligen Amplitudenex- tremalwertes (Uxtremai = l(dGap)) ermittelt wird und diese jeweilige Lage damit unmittelbar den jeweiligen Wert des optischen Weglängenunterschiedes (dcap) in der Kavität darstellt, welcher die Messgrösse beinhaltet.
Es ist somit, gemäss vorliegender Erfindung, möglich mit einer Rechenfunktion in einer Recheneinheit aus dem Spektrum unmittelbar, ohne Umwege, das Interferogramm zu bestimmen, welches als Ausgangssignal direkt die Längeneinheit bein- haltet, die dem optischen Weglängenunterschied und somit der zu messenden Grösse entspricht. Die Rechenfunktion enthält bevorzugt zumindest in erster Näherung eine Cosinusfunktion. Die Cosinusfunktion ermöglicht überraschenderweise die starke Vereinfachung der ganzen Signalverarbeitung und der Messanordnung. Es ist selbstverständlich, dass darunter auch alle rein trigonometrisch um- geformte Darstellungen einer Cosinusfunktion verstanden werden, die dann beispielsweise mit den anderen Winkelfunktionen, wie Sinus-, Tangens-, Cotan- gensfunktionen oder entsprechenden Näherungen dargestellt werden.
Es ist auch möglich, dass das Auskoppeln mindestens eines Teils des von der Kavität reflektierten Lichtes mit mindestens einem weiteren oder mehreren Lichtwellenleitern erfolgt, welche separat neben dem zuführenden Lichtwellenleiter angeordnet sind. Alternativ können auch mehrere Lichtleiter zum Einkoppeln des Lichtes in die Kavität und zum Auskoppeln des von der Kavität reflektierten Lichtes verwendet werden, die beispielsweise in einem gemischten Bündel aus zu- und wegführenden Fasern gemeinsam angeordnet sind. In jedem Fall wird aber das reflektierte Licht an ein optisches Spektrometer zugeführt. Die Ausbildung mit nur einem Lichtwellenleiter und einem Koppler ist aber weniger aufwendig, gibt genauere Resultate und wird deshalb bevorzugt.
Die vorliegende Erfindung ist besonders geeignet zur sehr präzisen Erfassung von Vakuumdrücken, insbesondere mit sogenannten Membranvakuummesszellen, bei der die Kavität direkt in die Messzelle integriert ist und die Membran sich abhängig vom zu messenden Vakuumdruck deformiert und diese direkt die Kavität ab- schliesst und durch deren Verformung das zu messende Signal den optischen Weglängenunterschied bestimmt. Derartige Messzellen lassen sich besonders kompakt aufbauen und ermöglichen wegen des integral passenden und gut aufeinander abgestimmten Messkonzeptes besonders präzise und reproduzierbare Messungen über grosse Messbereiche bei wirtschaftlicher Herstellung. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass sich derartige Messzellen im wesentlichen aus keramischen Materialien, wie Aluminiumoxid und / oder Saphir, bauen lassen inklusive der Messmembran, wodurch eine derartige Messzelle sehr resistent ist gegenüber chemisch aggressiven Vakuumprozessen auch bei hohen Temperaturen. Das optische Ausleseverfahren unterstützt die Eignung für hohe Temperaturen und ist auch gegenüber störenden elektrischen oder elektromagnetischen Einflüssen unempfindlich was die hohe Messempfindlichkeit und Stabilität einer derartigen Messzelle unterstützt. Bei heutigen Vakuumprozessen, beispielsweise in der Halbleiterindustrie, werden derartige besonders hohe Anforderungen von immer grosserer Bedeutung.
Die Erfindung wird nun anhand von Figuren schematisch und beispielsweise be- schrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschema eines Fizeau-Interferometers gemäss Stand der Technik,
Fig. 2 ein Prinzipschema eines Polarisations-Interferometers gemäss Stand der Technik, Fig.3 ein optisches interferometrisches Messsystem basierend auf einem optischen Spektrometer mit einem zweiten Referenzsensor für die Normierung des Messsignales gemäss Stand der Technik,
Fig.4 ein optisches interferometrisches Messsystem basierend auf einem opti- sehen Spektrometer mit einer Recheneinheit mit Speicher zur Korrelation mit Referenzspektren zur Bestimmung der Messgrösse gemäss Stand der Technik,
Fig.5 eine Anordnung eines Messsystems gemäss der Erfindung,
Fig.6 ein optisches Spektrum des von der Kavität reflektierten Lichtes welches die Messgrösse enthält,
Fig.7 ein Interferogramm ermittelt aus dem optischen Spektrum gemäss Vorgehen nach vorliegender Erfindung,
FigJa ein vergrösserter Ausschnitt des Interferogramms der Figur 7,
Fig.8 eine Messanordnung mit einer bevorzugten Vakuummembranmesszelle als Messsensor,
Fig.9 eine Messanordnung mit einer Temperaturmesszelle als Messsensor.
In den Figuren 1 bis 4 sind bekannte auf optischen Interferenzprinzipien basierende Messsysteme schematisch dargestellt welche bereits einleitend beschrieben wurden..
Die Figur 5 zeigt einen typischen Aufbau eines bevorzugten membranbasierenden Fabry-Perot Messsystems. Das System besteht aus der Auswerteeinheit 13 und dem Sensor 5 welcher mittels Lichtwellenleiter 4 mit der Auswerteeinheit 13 ver- bunden ist. Licht 1 von einer Weisslichtquelle 2 wird via Koppler 3 und Lichtwellenleiter 4 zum Messsensor 5, ausgebildet als Fabry-Perot Sensor 5 mit einer Ka- vität 11 , geleitet und in diesem als Funktion der zu messenden Grösse moduliert. Das modulierte Licht wird via denselben Lichtwellenleiter 4 und Koppler 3 auf ein optisches Spektrometer 6 geleitet. Dieses erzeugt ein Ausgangssignal, das Spektrometersignal 8, indem es bei den verschiedenen Wellenlängen λm insge- samt mθ Intensitätswerte sλ(λm) misst. Jeder Wert sλ(λm) entspricht dabei der gemessenen Intensität bei der Wellenlänge λm . Im Spektrometer 6 wird das optische Spektrum beispielsweise mit einem Zeilensensor 7 abgegriffen und in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt und aufbereitet zu dem Spektrometersignal 8. Das Spektrometer-Zeilensensor-Ausgangsignal 8, bzw. das Spektrometersignal 8, wird am Ausgang des Spektrometers 6 mit einer Spektro- metersignalleitung über ein entsprechendes elektrisches Interface zu einer Recheneinheit 9 geführt, wo dieses Signal mit einer Rechenfunktion umgewandelt wird. Die Recheneinheit 9 gibt das umgewandelte Signal weiter an die Ausgangseinheit 10, wo das Signal in gewünschter Form, beispielsweise als analoges oder digitales elektrisches oder optisches Signal zur weiteren Verwendung aufbereitet werden kann.
Die Kavität 11 wird gebildet durch zwei Spiegel 19, 19', welche in einem geometrischen Spiegelabstand (dgeo) angeordnet sind. Vorzugsweise ist mindestens einer dieser Spiegel 19, 19' für das Licht teildurchlässig ausgebildet. Ein Teil des Lichts 1 wird über einen der teildurchlässigen Spiegel 19 in die Kavität 11 eingeleitet, und dieser Teil wird nun zwischen den teildurchlässigen Spiegeln 19 und 19' hin und her reflektiert, wobei bei jeder Reflexion am teildurchlässigen Spiegel 19 ein Teil des Lichts wieder aus der Kavität ausgekoppelt wird, der mit dem dort reflektier- ten, nicht eingekoppelten Anteil des Lichts 1 interferiert und zwar abhängig von der von den beiden Lichtanteilen unterschiedlichen zurückgelegten Wegstrecke entsprechend einem ganzzahligen Vielfachen des optischen Weglängenunterschieds (dcap), welcher durch die Kavität bzw. den geometrischen Abstand (dgeo) der beiden teildurchlässigen Spiegel 19, 19' definiert ist. Besteht die Kavität 11 aus einem Material mit dem Brechwert 1 (z.B. Luft oder Vakuum) dann ist dieser optische Weglängenunterschied (dσap) in etwa doppelt so gross wie der Spie- gelabstand (dgeo)- Es ist günstig wenn für die hier zu lösenden messtechnischen Aufgaben die Kavität 11 derart ausgebildet ist, dass dort ein optischer Weglängenunterschied (dcap) ausgebildet wird, der im Bereich von 10.0 μm bis 400 μm liegt, vorzugsweise im Bereich von 20.0 μm bis 60.0 μm. Teildurchlässige Spiegel können beispielsweise als beschichtete Oberflächen ausgebildet werden. Es können aber je nach Unterlagenmaterial, wie beispielsweise Glas oder Saphir, bei geeigneter Oberfläche diese auch direkt als teildurchlässige Spiegel dienen. Die zu messende Messgrösse 12 an der Messzelle 5 verändert den Spiegelabstand dgeo entsprechend. Diese Veränderung wird in der Folge mit der vorliegenden An- Ordnung und dem Verfahren erfasst und ermöglicht eine präzise und reproduzierbare Wiedergabe der Messgrösse 12 welche folglich am Ausgang 10 der Anordnung in aufbereiteter Form zur Verfügung steht.
Als optisches Spektrometer 6 kann jedes handelsübliche Spektrometer, welches den Spektralbereich der Lichtquelle abdeckt und eine Auflösung von besser als 4nm FWHM (Füll Width at Half Maximum) aufweist, verwendet werden. Bei Verwendung einer weissen LED als Lichtquelle muss der Wellenlängenbereich von 430nm bis 730nm abgedeckt werden. Als Spektrometer-Sensorelement 7 kann ebenfalls ein handelsüblicher Zeilensensor (Charge Coupled Device (CCD), Com- plementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS), Photo Diode Array (PDA)) mit mindestens 256 Sensorelementen (Pixel) verwendet werden. Bevorzugterweise wird ein CMOS-Array mit 512 Sensorelementen verwendet. Bei Verwendung eines Arrays mit beispielsweise 512 Sensorelementen ergibt sich somit für m ein typischer Bereich von m = 1 bis mθ = 512, was Wellenlängen λm von typisch 430 nm bis 730 nm entspricht.
In einem nächsten Schritt wird nun das gemessene Spektrometersignal 8 mit Hilfe einer Rechenfunktion durch die Recheneinheit 9 unmittelbar zu einem Interfero- gramm l(d), l'(d) gewandelt und aus dessen Intensitätsverlauf wird die Lage des jeweiligen Amplitudenextremalwert.es Uxtremai ermittelt und diese jeweilige Lage stellt unmittelbar den jeweiligen Wert des optischen Weglängenunterschiedes (dGap) in der Kavität dar, welcher die Messgrösse 12 beinhaltet. Überraschenderweise ist die Ermittlung eines absoluten Wertes mit der physikalischen Längeneinheit, wie beispielsweise Nanometer [nm], direkt möglich, ohne die Verwendung von zusätzliche Referenzmessanordnungen, Korrelationsfunktionen und kompli- zierten Algorithmen. Ein Beispiel eines gemessenen Spektrogrammes ist in der Figur 6 dargestellt und das daraus mit der Rechenfunktion ermittelte Interfero- gramm in den Figuren 7 und 7a.
Speziell gute Ergebnisse bei geringem Aufwand werden erzielt wenn die Rechen- funktion zur Umwandlung in das Absolutinterferogramm vorzugsweise und zumindest in erster Näherung eine Cosinusfunktion enthält. Bei einem sehr geeigneten Vorgehen wird beispielsweise das gemessene Spektrometersignal 8 mit Hilfe einer Rechenfunktion, die vorzugsweise und zumindest in erster Näherung eine Cosinusfunktion enthält, durch die Recheneinheit 9 für kθ diskrete Werte dk gemäss Formel (2) unmittelbar zu einem Interferogramm l(dk), gemäss Formel (1) bzw. l'(dk) gemäss Formel (11) transformiert.
Anschliessend wird in diesem Interferogramm l(dk) bzw. l'(dk) die Lage (dcap) des Amplitudenextremalwertes Uxtremai gemäss Formel (4) bestimmt. Dieser Wert entspricht nun genau dem gesuchten optischen Weglängenunterschied (dGap) wel- eher die zu messende Messgrösse beinhaltet. Die notwendigen Berechnungen werden mittels einer dafür geeigneten Recheneinheit 9 durchgeführt. Für diese sind ein Mikroprozessor und / oder ein Digitaler Signal-Prozessor (DSP) und / oder ein Field Programmable Gate Array (FPGA) und / oder ein Gate Array speziell gut geeignet.
Figure imgf000014_0001
1
Der Nenner sowie der 1. Term im Zähler sind beispielsweise zur Normierung bzw. Skalierung des Signals vorgesehen. Für die Berechnung des optischen Weglän- genunterschiedes (dGap) in der Kavität sind diese zusätzlichen Funktionen nicht notwendig und die Formel (1) lässt sich vereinfachen zu: mθ
(V) T(dk) = ΣSλ(λm)*cos(2 * π * dk /λm)
1
Wie bereits erwähnt kann diese Basisfunktion mit der relevanten Cosinusfunktion zusätzlich mit weiteren Rechenfunktionen kombiniert bzw. überlagert werden wenn weitere Signalanpassungen gewünscht sind.
Jede Stützstelle k entspricht einer optischen Wegdifferenz dk , d.h. das Interfero- gramm wird zwischen den Werten dmin und dmax für insgesamt kθ Stützstellen berechnet. Für dk gilt nämlich:
(2) dk = dmin + Δd * (k - 1) mit
Λri - max " "min (3) Δd - ko - 1
Ein typischer Bereich ist k = 1 bis kθ = 1024 was äquivalenten Fabry-Perot Spiegelabständen (dgeo) von z.B. typisch 10 μm bis 30 μm entspricht. Für die hier vorgestellte messtechnische Anwendung und insbesondere für den Einsatz von Vakuummembranmesszellen hoher Qualität sind für Spiegelabstände (dgeo) bevorzugt Abstände im Bereich von 5.0 μm bis 200 μm auszubilden, vorzugsweise im Bereich von 10.0 μm bis 30.0 μm.
Der optische Weglängenunterschied im Fabry-Perot Sensor entspricht nun genau demjenigen Wert d = dGap bei welchem der Amplitudenextremalwert Uxtremai im In- terferogramm entsteht. Bei einem Brechwert von 1 (z.B. Vakuum) entspricht der optische Weg längen unterschied genau dem doppelten Spiegelabstand. Dies unter der Annahme, dass das Licht 1 genau und ausschliesslich senkrecht auf die Kavität 11 , bzw. die Spiegelflächen 19, 19', auftrifft und von diesen reflektiert wird. Die exakte Position des Amplitudenextremalwertes lextremai des Interferogramms l(dk) bzw. l'(dk) wird am einfachsten mittels einer quadratischen Annäherung (quadratischer Fit) bestimmt. Untersuchungen bezüglich des Einflusses der Anzahl der für die Annäherung verwendeten Stützpunkte (Grosse des „Fit-Fensters") haben gezeigt, dass eine Fenstergrösse von 3 Punkten das genaueste Resultat liefert. Daraus ergibt sich folgendes Vorgehen zur Bestimmung der exakten Lage des Amplitudenextremalwertes Uxtremai:
1. im Array mit den Interferogrammwerten l(dk) bzw. l'(dk) wird der Extremalwert 'extr gesucht, dies liefert auch den dazugehörigen Indexwert dextr ,
2. danach können die beiden benachbarten Interferogrammwerte ιextr -1 an der Stelle dextr -Δd und lextr+1 an der Stelle dextr + Δd bestimmt werden,
3. Diese drei Punkte definieren eine quadratische Funktion derer. Scheitelpunkt durch Nullsetzen der 1. Ableitung exakt bestimmt werden kann,
4. Die Position dσap (optischer Weglängenunterschied) dieses Scheitelpunktes entspricht nun exakt dem optischen Weglängenunterschied im Fabry-Perot
Sensor, also:
A - A -I- A ,-! *
(4) dGap " dextr + Δd
Figure imgf000016_0001
Selbstverständlich ist es auch möglich mehr als 3 Stützpunkte zur Berechnung des Scheitelwertes mittels eines quadratischen Polynoms zu verwenden. In diesem Fall wäre die bevorzugte Methode zur Berechnung des quadratischen Polynoms (Polynomfit) zur exakten Bestimmung des Scheitelwertes die Methode der orthogonalen Polynome. Diese macht sich ebenfalls die äquidistanten Abstände (Δd) der Stützpunkte im Interferogramm l(d) bzw. l'(d) zunutze. Der Zusammenhang zwischen optischem Weglängenunterschied (dGap) und dem geometrischen Spiegelabstand (dgeo) ist durch die Formel (5) definiert:
(5) clGap = 2 * n * dge0 * C
Dabei stellt n den optischen Brechwert des Materials in der Sensor-Kavität 11 dar und C ist ein Korrekturfaktor, welcher den Einfluss des Einfallswinkels des Lichts in die Sensor-Kavität 11 sowie auch die entsprechende Intensitätsverteilung dieses Lichtes über alle Einfallswinkel berücksichtigt. Es kann somit der Spiegelab- stand ebenso wie der optische Weglängenunterschied absolut und direkt ohne Umwege über Korrelationen in der entsprechenden physikalischen Längeneinheit wie beispielsweise Nanometer [nm] bestimmt werden.
Für eine direkte Ankopplung eines Gradientenindex-Lichtleiters mit einer 62.5μm Faser an die Kavität berechnet sich C zu 0.987887. Bei Verwendung desselben Lichtleiters aber einer zusätzlichen Ankoppeloptik mit einer Linse 17 mit einer Ver- grösserung von 4 ergibt sich ein Wert für C von 0.999241.
Abhängig vom verwendeten Sensor kann nun die Formel (5) nach der interessierenden Grosse aufgelöst werden. Zum Beispiel ändert sich bei membranbasieren- den Drucksensoren gemäss der Figur 8 der geometrische Abstand dgeo der Kavität 11 in Abhängigkeit der zu messenden Messgrösse 12, beispielsweise vom zu messenden Druck 12. Die Kavität 11 ist normalerweise mit Luft gefüllt oder evakuiert. In beiden Fällen kann der Brechwert n mit 1 angenommen werden. Zudem ist dieser unabhängig vom zu messenden Druck und die Formel (5) kann nach dgeo aufgelöst werden und man erhält direkt ein Mass für den Druck.
Bei Temperatursensoren, wie beispielsweise in der Figur 9 dargestellt, ändert sich der Brechwert des Materials 18 in der Kavität 11 in Abhängigkeit von der zu messenden Temperatur bei möglichst gleichbleibendem geometrischem Abstand dgeo der Kavität. In diesem Fall wird Formel (5) nach n aufgelöst und man erhält direkt ein Mass für die Temperatur. In der folgenden Tabelle 1 werden in einer Übersicht alle verwendeten mathematischen Bezeichner aufgelistet und definiert:
Figure imgf000018_0001
Tabelle 1 Das erfindungsgemässe Verfahren ist sehr einfach zu implementieren, da vor allem Summen von Produkten gerechnet werden müssen, wie sie bei der Berechnung von Fourier-Transformationen vorkommen. Daher unterstützen kommerziell erhältliche DSP's und FPGA's mit einer parallelen Berechnungsarchitektur solche Berechnungen sehr gut. Dadurch können auch entsprechend schnelle Zykluszeiten von < 1ms für die vollständige Berechnung eines Interferogramms inkl. der exakten Bestimmung des Amplitudenextremalwertes Uxtremai problemlos erreicht werden. Im Gegensatz zu den spektrometrischen Verfahren gemäss Stand der Technik ist kein zusätzlicher Speicher 34 zur Speicherung von (voraus-) berech- neten oder gemessenen Referenz-Spektren notwendig und die notwendige Rechenzeit ist wesentlich kleiner gegenüber derjenigen welche für die entsprechenden Korrelationsrechnungen 33 notwendig ist. Deshalb können einfachere und somit billigere und auch robustere Auswerteeinheiten gebaut werden. Wird der Algorithmus auf einem FPGA implementiert, so kann er problemlos innerhalb wesentlich weniger als 1ms ausgeführt werden und somit hat die notwendige Rechenzeit keinen Einfluss mehr auf die Systemzykluszeit. Diese wird nun von der notwendigen Integrationszeit des Zeilensensorelementes 7 (CCD-Array) im Spek- trometer 6 bestimmt. Bei Verwendung von handelsüblichen Standardbauteilen (Spektrometer 6, Lichtleiter 4, Koppler 3) einer handelsüblichen weissen LED 2 (ab Baujahr 2007) als Lichtquelle sowie einem möglichst einfachen Fabry-Perot Sensor 5 (mit einer unbeschichteten Kavität) lässt sich eine minimale Integrationszeit von 1ms gerade noch sinnvoll erreichen.
Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet es, wesentlich einfachere und somit billigere Spektrometer 6 zu verwenden. Gemäss bisherigem Stand der Technik werden Spektrometer eingesetzt, welche eine Auflösung von wesentlich besser als 1nm FWHM aufweisen. Diese müssen nur noch eine minimale Auflösung von besser als 4nm FWHM aufweisen und können deshalb wesentlich billiger und auch kleiner hergestellt werden. Mit solchen einfachen Spektrometern ist es aber z.B. trotzdem möglich, optische Weglängenunterschiede (dcap) von beispielsweise
36μm mit einer Standardabweichung von besser als 0.01 nm zu messen. Zudem sind die Spektrometer 6 gemäss Stand der Technik mit Zeilensensoren 7 bestückt, welche typischerweise 3'648 Sensorelemente (Pixel) aufweisen. Pro Messzyklus müssen jeweils alle Sensorelemente gelesen und digitalisiert werden. Die anfallende Datenmenge ist proportional zu der Anzahl Sensorelemente und somit auch bestimmend für die kürzeste mögliche Zykluszeit. Diese liegt bei den aktuell verwendeten Spektrometern bei 50ms, was einer maximalen Auffrischrate von nur 20Hz entspricht. Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet es nun aber, Spektrometer mit Zeilensensoren 7 mit nur noch 512 Sensorelementen zu verwenden. Dies reduziert die Datenmenge beträchtlich und es können Zykluszeiten von kleiner als 1ms bzw. Auffrisch raten von grösser als IkHz erreicht werden. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, (50ms resp. 20Hz), da damit u.a. schnellere und stabilere Regelsysteme aufgebaut werden können bei welchen das optische Messprinzip zur Erfassung des Istwertes dient. (z.B. Durchflussregelungen resp. Mass-Flow Controller).
Alle Verfahren gemäss Stand der Technik benötigen einen zum Teil erheblichen Rechenaufwand um das gemessene Interferogramm bzw. Spektrum für die weitere Auswertung vorzubereiten. Die diesbezüglichen Probleme wurden bereits einleitend beschrieben. Die auf Spektrometer basierenden Verfahren gemäss Stand der Technik benötigen ebenfalls eine entsprechende Signal - Vorverarbeitung bevor mit der eigentlichen Auswertung (Korrelation) begonnen werden kann. Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet es jedoch, das gemessene Spektrum direkt und ohne irgendwelche hard- oder softwaremässigen Vorverarbeitung bzw. Filterung auszuwerten.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist auch, dass das Messsystem durch entsprechende softwaremässige Wahl des Berechnungsbereichs (dmin ,dmax) sehr einfach an unterschiedliche Kavitäten (optische Weglängenunterschiede) sowie an die gewünschte Auflösung (Δd) angepasst werden kann. Bei Interferometer basieren- den Systemen geht das nur mittels Änderung der Hardware (Dicke des Keils 30) und bei den bekannten auf Spektrometer basierenden Systemen müssen neue Referenzdaten für die Korrelationsberechnung in den Speicher geladen werden. Dank dem erfindungsgemässen Verfahren ist es deshalb sehr einfach möglich, zuerst einen „Grob-Scan" über einen grossen Bereich (grosses dmax - dmin ) mit schlechter Auflösung (grosses Δd ) zu fahren um daraus die ungefähre Lage des Amplitudenextremalwertes Uxtremai zu bestimmen. Im nächsten Messzyklus kann dann die exakte Lage mit grosser Auflösung, dafür mit eingeschränktem Messbereich (Bereich um die Lage des zuvor bestimmten Amplitudenextremalwertes lex- tremai) bestimmt werden. Solches „softwaremässiges" Adaptieren bzw. Optimieren des Messsystems ist mit Interferometer basierenden Messsystemen gar nicht möglich und bei den bekannten auf Spektrometer basierenden Systemen mit zusätzlichem Aufwand für die zur Verfügungsstellung der für die Korrelationsberechnung notwendigen Daten verbunden.
Die bereits erwähnten Verfahren gemäss Stand der Technik basieren auf dem Korrelationsverfahren. Bei diesem muss das gemessene Spektrum jeweils einer Fast Fourier Transformation (FFT) unterworfen werden. Das Resultat dieser FFT wird dann mit den gespeicherten Werten korreliert um den Messwert zu berechnen. Zur Berechnung eines Messwertes ist also immer eine FFT und eine nachfolgende Korrelation notwendig. Der Rechenaufwand zur Bestimmung der FFT aus dem gemessenen Spektrum entspricht demjenigen, welcher zur Berechnung des Interferogramms gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren notwendig ist. Der Rechenaufwand für die Korrelation entfällt beim erfindungsgemässen Vorgehen vollständig. Das erfindungsgemässe Verfahren benötigt somit weniger Rechenzeit und ermöglicht dadurch kürzere Messzykluszeiten bzw. schnellere Antwortzeiten. Dies wiederum ermöglicht, verglichen mit dem Stand der Technik, schnellere und stabilere Regleranwendungen. Auch können dadurch schnelle Signaländerungen oder Signalsprünge besser erfasst und verfolgt werden. Wird das Verfahren z.B. mit einem FPGA realisiert, so kann die Rechenzeit problemlos unter 1ms gesenkt werden, d.h. die Systemzykluszeit wird nicht mehr von der Rechenzeit des Ver- fahrens sondern von der notwendigen Integrationszeit des Zeilensensorelementes 7 des Spektrometers 6 bestimmt, welche von der verfügbaren Lichtleistung am Zeilensensorelement 7 sowie von seiner Empfindlichkeit und seinen Rauscheigenschaften abhängt.
Die in (1) und (1') beschriebene Interferogramm-Berechnung bewirkt aufgrund der zur Anwendung gelangenden Summenbildung bereits eine starke Reduktion des Signalrauschens. Dank der schnellen Messzykluszeit können aber auch noch zusätzliche Filterfunktionen wie z.B. gleitender Mittelwert realisiert werden ohne dabei die Antwortzeit des Messgerätes über Gebühr zu erhöhen. Mit solchen Filterfunktionen kann z.B. die Auflösung weiter gesteigert werden oder die minimalen Anforderungen an das notwendig Signal-Rauschverhältnis (Signalqualität) können weiter reduziert werden. Somit können noch längere Verbindungskabel 4 zwischen Mess-Sensor 5 und Auswerteeinheit 13 eingesetzt werden und es können die Anforderungen an die Toleranzen des Mess-Sensors 5 weiter reduziert werden was wiederum zu noch einfacheren, billigeren und robusteren bzw. zuverlässige- ren Mess-Sensoren führt.
Die Kavität 11 der Fabry-Perot Mess-Sensoren 5 gemäss Stand der Technik muss zur Erhöhung des Kontrastes resp. des Signal-Rauschabstandes für die teildurchlässigen Spiegel beschichtet werden. Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet nun aber die Verwendung von unbeschichteten Kavitäten 11, d.h. die Fresnel-Reflektion von ca. 4% einer normalen Glasoberfläche genügt beispielsweise bereits zur Ausbildung eines teildurchlässigen Spiegels. Dies führt einerseits zu billigeren und robusteren Mess-Sensoren und andererseits lässt sich der Einsatzbereich der Sensoren zu höheren Temperaturen hin verschieben, weil die nun nicht mehr notwendigen Beschichtungen typischerweise die maximale Einsatztemperatur bestimmen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist die Tatsache, dass man als Resultat direkt den absoluten optischen Weglängenunterschied (dGap) in einer physikalischen Weglängeneinheit, z.B. nm, erhält. Die einzige Voraussetzung dazu ist die Verwendung eines kalibrierten (handelsüblichen) Spektrometers 6. Dann kann aus dem gemessenen Spektrum direkt und eindeutig der optische Weglängenunterschied der Sensorkavität 11 berechnet werden. Alle auf dem bekannten Interferometerprinzip basierenden Auswerteeinheiten müssen zwingend kalibriert werden damit eine Zuordnung von Sensorelement zu optischem Weglängenunterschied möglich wird. Eine solche Kalibrierung ist immer mit zu- sätzlichem Aufwand verbunden. Für die Auswerteverfahren gemäss US 2005/0151975 A1 , Melnyk, welche auf spektrometrischer Messung und nachfolgender Korrelation beruhen, müssen ebenfalls jeweils eine Menge von Referenzspektren erzeugt oder gemessen und anschliessend gespeichert werden. Durch Korrelation des gemessenen Signals mit den Referenzspektren kann dann das Ausgangssignal berechnet werden. So gesehen ist die Kalibration in den Referenzspektren enthalten und es bedeutet ebenfalls Aufwand, um diese zu erzeugen und es sind zusätzliche Ressourcen zu deren Speicherung notwendig.
In der Figur 6 ist ein Spektrum dargestellt, welches mit einem handelsüblichen OEM-Spektrometer gemessen wurde. Das Spektrometer hatte eine Auflösung von 2.9nm..3.3nm FWHM (wellenlängenabhängig) und einen Wellenlängenbereich von 430nm..730nm. Als Zeilensensorelement 7 im Spektrometer 6 wurde ein CMOS- Array mit 512 Sensorelementen (Pixeln) verwendet. Der Messaufbau entsprach der Darstellung in Figur 5. Als Lichtquelle 2 wurde eine weisse LED verwendet. Als Mess-Sensor 5 wurde ein bevorzugter membranbasierender Fabry-Perot Druckmesssensor eingesetzt. Die Messzeit resp. Integrationszeit des Sensorelements betrug 1ms.
Aus diesem gemessenen Spektrum wurde nun mittels dem erfindungsgemässen Verfahren das Interferogramm berechnet. Dieses ist in den Figuren 7 und 7a dargestellt. Die Figur 7a stellt einen vergrösserten Ausschnitt der Figur 7 dar im Bereich eines Amplitudenextremalwertes (Uxtremai) mit dem zugehörigen berechneten Wert für einen optischen Weglängenunterschied (dGap).
Die Intensitätswerte l(d) des Interferogramms wurden im vorliegenden bevorzugten Beispiel, für optische Weglängenunterschiede (d) von 20μm bis 60μm berechnet. Diese optischen Weglängenunterschiede entsprechen geometrischen Spie- gelabständen (dgeo) von 10μm bis 30μm, da der Sensor mit Luft (Brechwert n - 1) gefüllt war. Das berechnete Interferogramm, wie in den Figuren 7 und 7a dargestellt, weist einen Kontrast (Maximalwert - Minimalwert/((Maximalwert + Minimal- wert)^) von 33.5% auf und es ist absolut problemlos möglich, die Lage (doap) des Amplitudenextremalwertes (Uxtremai) mittels einem quadratischen Fit gemäss Formel (4) zu bestimmen. Dieser ergibt für das Beispiel einen Wert (doap) von 37'212.80nm. Die gemessene Standardabweichung betrug 0.01169nm.
Eine vorteilhafte Anwendung des Verfahrens ist dessen Einsatz für präzise Tem- peraturmessungen, insbesondere für grosse Temperaturbereiche und/oder bei hohen Temperaturen. Dazu wird die Messzelle 5 als Temperaturmesszelle ausgebildet in welcher ein temperaturempfindliches Element 18 vorgesehen ist, welches temperaturabhängig den optischen Weglängenunterschied (dGap) der Kavität 11 entsprechend ändert bzw. variiert, wie dies als ein Beispiel in der Figur 9 schema- tisch dargestellt ist. Die Änderung des optischen Weglängenunterschiedes (dcap) der Kavität 11 kann beispielsweise durch eine Änderung einer Materialausdehnung eines temperaturempfindlichen Materials erzeugt werden, wobei diese Bewegung bzw. Dehnung vorzugsweise mit mindestens einem der Spiegel 19, 19', welche auch teildurchlässig sein können, derart gekoppelt ist, dass sich der Ab- stand zwischen den Spiegeln 19 und 19' in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. In diesem Fall bildet das temperaturabhängige Material 18 selbst die Kavität 11 und weist an dessen Oberfläche beidseitig und durch das Material 18 beabstandet spiegelnde Flächen 19, 19' auf zwischen denen mindestens ein Teil des eingekoppelten Lichts hin und her reflektiert wird. Das Material 18 verändert ab- hängig von der Temperatur seine Dicke und somit den Spiegelabstand dgeo und es wird als Resultat, nach der Auswertung gemäss der vorliegenden Erfindung, ein Ausgangssignal vorliegen welches der Temperatur entspricht, die an der Messzelle 5 anliegt. Es ist ohne weiteres auch möglich ein temperaturempfindliches Material 18 auch angrenzend und/oder ausserhalb der Kavität 11 anzubringen, derart dass beispielsweise nur einer der Spiegel 19, 19' durch die Dehnung des Materials 18 bewegt wird. In diesem Fall muss einfach dafür gesorgt sein, dass die Dehnungsbe- wegung des Materials 18 auf mindestens einen der Spiegel 19, 19' derart übertragen wird dass sich der Spiegelabstand dgeo entsprechend ändert.
Neben einer mechanischen Veränderung des Spiegelabstandes bzw. des opti- sehen Weglängenunterschiedes ist es auch möglich die Änderung des optischen Weglängenunterschiedes (dGap) der Kavität 11 durch eine Änderung des Brechwertes im Pfad des Lichtes zu bilden, indem beispielsweise bei mechanischer und / oder thermischer Beanspruchung eines Materiales dessen Brechwert verändert wird und dieses mit dem eingekoppelten Licht interagiert. Die Änderung des optischen Weglängenunterschiedes (dGap) der Kavität 11 kann auch durch eine Kombination der Änderung der Ausdehnung und der Änderung des Brechwertes gebildet werden.
Wie bereits zuvor erläutert ist das vorgestellte Verfahren besonders geeignet für die Anwendung zur Druckmessung, wie dies in der Figur 8 dargestellt ist. Die Messzelle 5 mit der Kavität 11 wird als Druckmesszelle ausgebildet indem ein druckempfindliches Element vorgesehen wird, welches durch eine druckabhängige Verformung, wie eine Dehnung, den optischen Weglängenunterschied (dcap) der Kavität 11 als Funktion des Druckes entsprechend ändert. Als druckempfindliches Element eignet sich vorzugsweise eine Membrane 14, welche an einem Ende der Kavität 11 angeordnet ist und sich als Funktion des Druckes entsprechend stark verbiegt und somit den optischen Weglängenunterschied (doap) durch die Veränderung der geometrischen Weglänge entsprechend verändert. Eine wesentlich bevorzugte Anwendung ist, wie schon zuvor erläutert wurde, die Ausbildung der Druckmesszelle 5 als Vakuumdruckmesszelle, wobei das druckempfindliche Element vorzugsweise eine Membrane 14 aufweist, welche an einem Ende der Kavität 11 angeordnet ist und diese dort vakuumdicht abschliesst. Die Membrane 14 ist hierbei zwischen einem ersten Gehäusekörper 15 und einem zweiten Gehäusekörper 15' am Rande dichtend angeordnet. Mit Vorteil sind die Gehäusekörper15, 15' plattenförmig ausgebildet und bestehen aus keramischem Material, wie Aluminiumoxid und/oder Saphir. Die Gehäusekörper 15, 15' sind be- abstandet zur Membran 14 angeordnet, so dass beidseitig zur Membran 14 je ein spaltförmiger Raum entsteht. Der spaltförmige Raum zwischen dem ersten Gehäusekörper 15 und der Membran 14 ist evakuiert und bildet einen Referenzvakuumraum 11 und gleichzeitig die Kavität 11. Das Licht wird mit dem Lichtwellenlei- ter 4 an den ersten Gehäusekörper 15 herangeführt und beispielsweise über eine Linse 17 und über ein Fenster 16 in die Kavität 11 eingekoppelt. Das Fenster 16 kann als separates Teil in einer Ausnehmung des ersten Gehäusekörpers 15 dichtend angeordnet werden und/oder der ganze erste Gehäusekörper 15 kann aus lichtdurchlässigem Material bestehen, wie beispielsweise aus Saphir. Im Be- reich des zu reflektierenden Lichts in der Kavität 11 sind die Oberflächen des Fensters 16 und der Membran 14 als Spiegel 19,19' ausgebildet, wobei mindestens der Spiegel auf der einkoppelnden Seite teilreflektierend ausgebildet ist. Bei geeigneter Oberflächenqualität sind diese Oberflächen direkt als Spiegelflächen verwendbar, sie können aber auch auf bekannte Art beschichtet werden. Der zweite spaltförmige Raum auf der anderen Seite der Membran, der durch den zweiten Gehäusekörper 15' begrenzt wird, bildet den Messvakuumraum welcher über eine Öffnung im zweiten Gehäusekörper 15' und über Anschlussmittel für die Messzelle 5 mit den zu messenden Medien, beispielsweise einer Vakuumprozessanlage, kommuniziert.
Besonders vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik ist die Kombination eines handelsüblichen Spektrometers 6 mit dem vorgeschlagenen neuen Verfahren zur Auswertung bzw. Demodulation des von einem interferometrischen (z.B. Fabry- Perot) Sensor stammenden optischen Signals. Diese vorteilhafte Kombination ermöglicht insbesondere auch die entsprechenden Interferometer, welche kommerziell auf dem Markt erhältlich sind, durch eine kostengünstigere, einfachere und deshalb robustere Lösung zu ersetzen. Gegenüber den auf dem Markt angebotenen Lösungen, welche auf Spektrometern basieren weist die vorliegende Erfindung zusammengefasst folgende Vorteile auf: • die Erfindung ermöglicht den Einsatz von wesentlich einfacheren (kleinere
Auflösung, Zeilensensoren mit weniger Sensorelementen (Pixeln) und somit auch wesentlich billigeren Spektrometern 6 (€ 200. — statt $ 1*500.-), dies bei mindestens gleichbleibender oder sogar besserer Messgenauigkeit.
• einfachere Spektrometer mit kleineren Zeilensensoren und somit weniger Sensorelementen generieren weniger Daten was wiederum die Anforde- rungen an die Messwertverarbeitung (A/D-Wandlung, Auswertung, ...) reduziert und somit zu kürzeren Zykluszeiten führt (1ms statt 50ms); Dank der kürzeren Zykluszeit ist es z.B. möglich, mehrere Messwerte zu mittein und damit die Messgenauigkeit weiter zu erhöhen.
• das erfindungsgemässe Verfahren ist im Vergleich zu den Korrelationsver- fahren gemäss Stand der Technik wesentlich einfacher und lässt sich deshalb sehr einfach und somit entsprechend robust implementieren und benötigt deshalb auch weniger Rechenzeit was wiederum kürzere Messzyklen zulässt
• das erfindungsgemässe Verfahren liefert direkt den absoluten gesuchten Messwert und benötigt deshalb weder Referenzspektren noch die zu deren
Speicherung notwendigen Speicherelemente, was wiederum Aufwand und Kosten spart und die Zuverlässigkeit erhöht
• das erfindungsgemässe Verfahren gestattet es, Fabry-Perot Sensoren zu bauen, deren Kavität (zwecks Verbesserung des Kontrastes bzw. des Si- gnal-Rauschverhältnisses) nicht mehr beschichtet werden muss und damit einfacher und billiger hergestellt werden können. Zusätzlich lässt sich der Einsatzbereich solcher Sensoren zu höheren Temperaturen hin verschieben, da solche nun nicht mehr notwendige Beschichtungen typischerweise die maximale Einsatztemperatur bestimmen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Auswertung einer Messgrösse (12) mit einer Messzelle (5), enthaltend eine Kavität (11) welche für Licht einen optischen Weglängenun- terschied (dGap) erzeugt, welcher sich entsprechend der Variation der Messgrösse (12) folgend verändert, umfassend folgende Schritte:
• Einführen von Licht (1) von einer Weisslichtquelle (2) mit Hilfe eines Lichtwellenleiters (4) via eines Kopplers (3), der im Pfad des Lichtwellenleiters (4) angeordnet ist, in die Kavität (11), • Auskoppeln mindestens eines Teils des von der Kavität (11) in den Lichtwellenleiter zurück reflektierten Lichtes (1') mit Hilfe des Kopplers (3) und zuführen dieses reflektierten Lichtes (1') an ein optisches Spektrometer (6),
• Ermittlung des optischen Spektrums des reflektierten Lichtes (1') im Spektrometer (6) und erzeugen eines Spektrometersignals (8),
• Zuführung des Spektrometersignals (8) an eine Recheneinheit (9), dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometersignal (8) durch die Recheneinheit (9) unmittelbar zu einem Interferogramm l(d) gewandelt wird, und aus dessen Intensitätsverlauf die Lage des jeweiligen Amplitudenextremalwertes (Uxtremai) ermittelt wird und diese jeweilige Lage unmittelbar den jeweiligen Wert des optischen Weglängenunterschiedes (dcap) in der Kavität darstellt, welcher die Messgrösse (12) beinhaltet.
2. Verfahren zur Auswertung einer Messgrösse (12) mit einer Messzelle (5), enthaltend eine Kavität (11) welche für Licht einen optischen Weglängenunterschied (dcap) erzeugt, welcher sich entsprechend der Variation der Messgrösse (12) folgend verändert, umfassend folgende Schritte:
• Einführen von Licht (1) von einer Weisslichtquelle (2) mit Hilfe mindestens eines Lichtwellenleiters (4) in die Kavität (11), • Auskoppeln mindestens eines Teils des von der Kavität (11) reflektierten Lichtes mit mindestens einem weiteren oder mehreren weiteren Lichtwellenleitern und zuführen dieses reflektierten Lichtes (1') an ein optisches Spektrometer (6), • Ermittlung des optischen Spektrums des reflektierten Lichtes (1') im
Spektrometer (6) und erzeugen eines Spektrometersignals (8),
• Zuführung des Spektrometersignals (8) an eine Recheneinheit (9), dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometersignal (8) durch die Recheneinheit (9) unmittelbar zu einem Interferogramm l(d) gewandelt wird, und aus dessen Intensitätsverlauf die
Lage des jeweiligen Amplitudenextremalwertes (leχtremai) ermittelt wird und diese jeweilige Lage unmittelbar den jeweiligen Wert des optischen Weglängenunterschiedes (dcap) in der Kavität darstellt, welcher die Messgrösse (12) beinhaltet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung des Spektrometersignals (8) zum Interferogramm durch die Recheneinheit (9) mit einer Funktion erfolgt, die vorzugsweise mindestens und zumindest in erster Näherung eine Cosinusfunktion enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung des Spektrometersignals (8) zum Interferogramm durch die Recheneinheit (9) mit einer Funktion erfolgt, die mindestens und zumindest in erster Näherung folgende Form enthält: mθ ϊ(dk ) = ∑Sλ(λm )*cos(2 * π * dk /λm )
1
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der berechnete optische Weglängenunterschied (dβap) nicht ein relativer sondern ein absoluter Wert mit der entsprechenden physikalischen Längeneinheit, wie beispielsweise Nanometer [nm] darstellt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Kavität (11) zwei beabstandete Spiegel (19, 19') mit dem geometrischen Spiegelabstand (dgeo) aufweist und mindestens einer der
Spiegel 19, 19' teildurchlässig ausgebildet wird, wobei ein Teil des Lichts zwischen diesen Spiegeln (19, 19') hin und her reflektiert wird und hierdurch das optische Spektrum durch den jeweiligen optischen Weglängenunter- schied (dGap) bestimmt wird, wobei der geometrische Spiegelabstand (dgeo) direkt und absolut in der entsprechenden physikalischen Längeneinheit, wie beispielsweise Nanometer [nm], aus dem optischen Spektrum berechnet wird, ohne Umwege über Korrelationen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (11) einen optischen Weglängenunterschied (dcap) im Bereich von 10.0 μm bis 400 μm erzeugt, vorzugsweise im Bereich von 20.0 μm bis 60.0 μm.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (5) als Temperaturmesszelle ausgebildet wird mit einem temperaturempfindlichen Element (18), welches temperaturabhängig den optischen Weglängenunterschied (dcap) der Kavität (11) entsprechend ändert.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des optischen Weglängenunterschiedes (dGap) der Kavität (11) durch eine Änderung einer Materialausdehnung erzeugt wird, die vorzugsweise mit mindestens einem der Spiegel (19, 19') gekoppelt ist und mindestens einer der Spiegel 19,19' teildurchlässig ausgebildet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des optischen Weglängenunterschiedes (dGap) der Kavität (11) durch eine Änderung des Brechwertes eines Materials (18) gebildet wird, welches in der Kavität (11) im Pfad des Lichtes angeordnet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des optischen Weglängenunterschiedes (dβap) der Kavität (11) durch eine Kombination der Änderung der Aus- dehnung und der Änderung des Brechwertes gebildet wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (5) als Druckmesszelle ausgebildet wird, die ein druckempfindliches Element aufweist, welches durch eine druckabhängi- ge Verformung, wie eine Dehnung, den optischen Weglängenunterschied
(dGap) der Kavität (11) als Funktion des Druckes entsprechend ändert.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (5) als Druckmesszelle ausgebildet wird und dass das druckempfindli- che Element vorzugsweise eine Membrane (14) aufweist, welche mindestens einen Teil der Kavität (11) bildet und sich als Funktion des Druckes verbiegt und somit den optischen Weglängenunterschied (dcap) durch Veränderung der geometrischen Weglänge (dgeo) ändert.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (5) als Vakuumdruckmesszelle ausgebildet wird und dass das druckempfindliche Element vorzugsweise eine Membrane (14) aufweist, welche mindestens einen Teil der Kavität (11) bildet und diese dort vakuumdicht abschliesst.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Recheneinheit (9) ein Mikroprozessor und / oder ein Digitaler Signal Prozessor (DSP) und / oder ein Field Programmable Gate Array (FPGA) und / oder ein Gate Array verwendet wird.
16. Messanordnung mit einer Messzelle (5), enthaltend eine Kavität (11) welche für Licht einen optischen Weglängenunterschied (dcap) erzeugt, welcher sich entsprechend der Variation der Messgrösse (12) folgend verändert, umfassend:
• eine Weisslichtquelle (2) die mit der Kavität (11) über einen Lichtwellenleiter (4) via einen Koppler (3), der im Pfad des Lichtwellenleiters (4) an- geordnet ist, verbunden ist,
• ein optisches Spektrometer (6), welches mit dem Koppler (3) verbunden ist und welcher mindestens einen Teil des von der Kavität (11) in den Lichtwellenleiter (4) zurück reflektierten Lichts (11) auskoppelt,
• eine Recheneinheit (9), die mit dem Spektrometer (6) über ein entspre- chendes elektrisches Interface verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (9) das Spektrometersignal (8) unmittelbar zu einem In- terferogramm l(d) umwandelt, und aus dessen Intensitätsverlauf die Lage des jeweiligen Amplitudenextremalwertes Uxtremai ermittelt wird und diese je- weilige Lage unmittelbar den jeweiligen Wert des optischen Weglängenunterschiedes (dcap) in der Kavität (11) darstellt, welcher die Messgrösse (12) beinhaltet.
17. Messanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass an- stelle eines Kopplers (3) mindestens ein weiterer, separater Lichtwellenleiter vorgesehen ist, der mit der Kavität (11) und dem Spektrometer (6) verbunden ist zur Zuführung des von der Kavität (11) reflektierten Lichtes (11) zum Spektrometer (6).
18. Messanordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion zur Signalumwandlung in der Recheneinheit (9) zumindest in erster Näherung eine Cosinusfunktion enthält, vorzugsweise mindestens und zumindest in erster Näherung nach der Form
mθ
'(dk) = ΣSλ(λJ*cos(2 *π *dk /λm) 1
19. Messanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (11) zwei beabstandete Spiegel (19, 19') mit dem geometrischen Spiegelabstand (dgeo) aufweist und mindestens einer der Spiegel 19, 19' teildurchlässig ist, wobei ein Teil des Lichts zwischen diesen
Spiegeln (19, 19') reflektiert wird und hierdurch das optische Spektrum durch den jeweiligen optischen Weglängenunterschied (dGap) bestimmt, wobei der Spiegelabstand (dgeo) direkt und absolut in der entsprechenden physikalischen Längeneinheit, wie beispielsweise Nanometer [nm] aus dem optischen Spektrum bestimmt ist, ohne Umwege über Korrelationen, und dass der
Spiegelabstand (dgeo) vorzugsweise im Bereich von 5.0 μm bis 200 μm liegt, vorzugsweise im Bereich von 10.0 μm bis 30.0 μm.
20. Messanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Messzelle (5) als Temperaturmesszelle ausgebildet ist, indem die Kavität (11) mit einem temperaturempfindlichen Element (18) wirkverbunden ist, welches temperaturabhängig den optischen Weglängenunterschied (dGap) der Kavität (11) entsprechend ändert.
21. Messanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (5) als Druckmesszelle ausgebildet ist, die ein druckempfindliches Element aufweist, welches durch eine druckabhängige Verformung, wie eine Dehnung, den optischen Weglängenunterschied (dGap) der Kavität (11) als Funktion des Druckes entsprechend ändert.
22. Messanordnung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Druckmesszelle (5) als druckempfindliches Element vorzugsweise eine Membrane (14) aufweist, welche ein Teil der Kavität (11) bildet und sich als Funktion des Druckes verbiegt und dass die Druckmesszelle (5) vorzugswei- se eine Vakuummesszelle ist.
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