DD291831A5 - Anordnung zur beruehrungslosen messung der form diffus streuender objekte - Google Patents

Abstract

Anordnung zur beruehrungslosen Messung der Form diffus streuender Objekte. Die Erfindung ist geeignet, bei diffus streuenden Oberflaechen Profile in der Groeszenordnung der Rauhigkeit zu bestimmen. Die Anordnung enthaelt zur Erzeugung eines auf die Oberflaeche des Objektes projizierbaren Interferenzfeldes eine Lichtquelle, ein Element zur Drehung der Polarisationsebene * einen Polarisationsteiler (Wollaston-Prisma) und ein Polarisationsfilter enthaelt. Bei Verwendung eines Lasers als Lichtquelle ist weiterhin zur Zerstoerung der raeumlichen Kohaerenz ein Element (rotierende Mattscheibe) vorgesehen, das eine Unterdrueckung parasitaerer Interferenzen (Speckles) garantiert.{Formmessung; Objekte, diffus streuend; Interferenzfeld, projizierbar; Interferenzfeld, specklefrei; /2-Platte-Wollaston-Prisma; Polarisationsfilter}

Description

, , · Mx) - I₂(x)

φ(χ) = arcsm " *

dargestellt wird.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Interferenzmuster auf eine Empfängerzeile bzw. Empfängermatrix abgebildet und der Verlauf der Phase als Funktion der Koordinate durch den angeschlossenen Computer ermittel'c wird.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erf ir dung betrifft eine Anordnung zur berührungslosen Messung der Form diffus streuender Objekte. Sie ist also z. B. anwendbar zur Prüfung der Ebenheit rauher Objekte oder deren Form. Dabei ist die Größe des Objektes lediglich durch die Art der verwendeten Aufweitungsoptik und deren Fehlerfreiheit bestimmt, sie kann zwischen einigen cm bis zu etwa ?.0cm betragen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Anordnungen zur Bestimmung der Form von Objekten sind bekannt. In der einfachsten Art enthalten sie Mittel zur Projektion eines Gitters auf die Oberfläche eines Objektes und Mittel zur Beobachtung und/oder Registrierung des durch die Oberfläche des Objektes deformierten Bildes dieses Gitters. Das Gitter kann z.B. aus den mit Hilfe eines Lasers erzeugten Interferenzstreifen bestehen, die auf die Oberfläche des Objektes gelegt werden.

In einer Anordnung zur Profilometrie von 30 Objekten mit diffuser Oberfläche (Appl. Opt.; Vol.23, No. 18 (1984) p. 3105-8) wird z.B. ein Sinusgitter auf die Oberfläche des Objektes projiziert und die Deformation des Gitterbildes durch die nichtebene Oberfläche des Objektes aus der Messung der Phasenverteilung entlang dieses Gitterbildes festgestellt. Als Lichtquelle dient ein Laser.

Durch die Verwendung eines Lasers ist jedoch auf Grund dar Kohärenzeigenschaften dieser Lichtquelle die Entstehung parasitärer Interferenzen bzw, Speckies bei Bestrahlung einer rauhen Oberfläche nicht zu vermeiden, eine Tatsache, die sich auf den Meßvorgang nicht nur störend, sondern auch begrenzend im Hinblick auf die zu erreichende Genauigkeit auswirkt.

Ziel der Erlindung

Ziel der Erfindung ist eine Anordnung zur berührungslosen Messung der Form diffus streuender Objekte mit hoher Genauigkeit der Bestimmung von Profilen in der Größenordnung der Rauhigkeit.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Anordnung zu schaffen, die die Begrenzung der Genauigkeit durch Specklebildung vermeidet.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer Anordnung zur berührungslosen Messung der Form diffus streuender Objekte erfindungsgemäß dadurch, daß sie zur Erzeugung eines auf die Oberfläche des Objektes projizierbaren Interferenzfeldes eine Lichtquelle, ein Element zur Drehung der Polarisationsebene (λ/2-Platte), einen Polarisationsteiler (Wollaston-Prisma) und ein

Polarisationsfilter enthält. Vorteilhaft ist es, daß bei Verwendung eines Lasers als Lichtquelle zur Erzeugung eines störungsfreien Interferenzfeldes (frei von parasitären Interferenzen bzw. Speckies) ein Element zur Zerstörung der räumlichen Kohärenz (rotierende Mattscheibe) enthalten ist. Für die Projektion des Interferenzfeldes auf die Oberfläche des Objektes ist eine Zylinderlinse vorgesehen. Es ist weiterhin vorteilhaft, daß zur Erhöhung der Meßgenauigkeit zwei Intorferenzsysteme I₁(X) und I₂Ix) mit einem Phasenunterschied von 180" erzeugt werden und die Änderung der Phase auf dem Objekt als

φ(χ) = arc sin

dargestellt wird.

Das erzeugte Interferenzmuster kann auf eine Empfängerzeile bzw. Empfängermatrix abgebildet und der Verlauf der Phase als Funktion der Koordinate durch den angeschlossenen Computer ermittelt werden. Der Erfindung liegt die sogenannte phasestepping-Methode zugrunde. Dafür muß ein Interferenzsystem zur Verfügung gestellt werden, das zwischen zwei Aufnahmen die Phase ändert. Zur Erzeugung des Interferenzfeldes ist eine Strahlteilung vorzunehmen, diesem Zweck dient das in der Anordnung vorgesehene Wollaston-Prisma. Es entstehen zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen unterschiedlicher Ausbreitungsrichtungen, die zum Zwecke der Interferenz zusammengeführt werden müssen. Dazu ist ein Polarisationsfilter vorgesehen, das eine Vorzugsrichtung besitzt und die Komponenten aus den beiden Teilstrahlen in dieser Richtung zur Überlagerung bringt. Die Änderung der Phase des Interferenzfeldes wird mit Hilfe der λ/2-Platte bewerkstelligt. Die Auswertung geht folgendermaßen vor sich. Wird cias Interferenzsystem mit der Zylinderlinse auf das Objekt projiziert, kann ein Streifen mittels eines Detektors abgetastet werden, oder der Streifen wird auf einen linienförmigen Detektor projiziert und die eventuell vorhandene Änderung der Intensität registriert. Die Registrierung kann aber auch mit einer Empfängermatrix, deren Einzelelemente in Zeilen und Spalten angeordnet sind, erfolgen.

Wird ein einziges Interferenzsystem verwendet, hat die Genauigkeit der Messung jedoch Grenzen. Es wird deshalb jeder Punkt der Oberfläche zweimal, jedoch mit Interferenzfeldern unterschiedlicher Phase belegt. Dabei hat sich gezeigt, daß es günstig ist, nicht die Stellen größter oder kleinster Intensität im Interferenzfeld für die Messung zu benutzen, sondern die Intensitätsflanken, wo der Intensitätsgradient am größten ist. Der zu untersuchende Punkt auf der Oberfläche des Objektes wird also mit einer derartigen Flanke beleuchtet, danach die Phase des Lichtes um 180° geändert, das Licht an diesem Punkt rührt wiederum von einer Flanke her. Das Ergebnis ist also intensitätsunabhängig. Werden die gemessenen Intensitätswerte mit obenangefühnen Gleichung ausgewertet, dann geht eine fehlerhafte Drehung der λ/2-Platte allein als Kontraständerung ein. Eine Darstellung des Profils auf einem Bildschirm zeigt also nur die Unterschiede, die auf das zu bestimmende Profil zurückzuführen sind, aber nicht durch die Stellung der λ/2-Platte beeinflußt werden. Daraus geht hervor, daß diese Einstellung relativ unkritisch erfolgen kann. Diese Tatsache hebt die erfindungsgemäße Lösung vorteilhaft von bekannten ab, bei denen eine Phasenabweichung unter Umständen proportional als Fehler in das Meßergebnis eingeht.

Eine schädliche Beeinflussung der Meßgenauigkeit durch Specklebildung kann nicht erfolgen, da durch die rotierende Mattscheibe ständig Licht mit unterschiedlicher Phase auf die Oberfläche des Objektes gelangt.

Ausführungsbeispiel

Das Wesen der Erfindung soll an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Das Licht eines Lasers 1 wird direkt oder, wie in der Zeichnung dargestellt, über zwei Spiegel 2 und 3 auf die erfindungsgemäße Anordnung geführt. Für den Fall, daß die Strahlung des Lasers nicht polarisiert ist, muß ein Polarisator 4 vorgesehen werden. Er kann aber auch zur Einstellung einer Anfangspolarisation benutzt werden. Das polarisierte Licht wird auf ein erfindungsgemäß vorgesehenes Element zur Drehung der Polarisationsebene, im Beispiel eine λ/2-Platte 5 geführt. Zur Aufweitung des Strahles ist eine Zylinderlinse 6 in der Anordnung enthalten. Der aufgeweitete Strahl leuchtet eine rotierende Mattscheibe 7 aus. Diese leuchtende Mattscheibe wird mittels eines optischen Systems 8 auf ein Wollaston-Prisma 9 abgebildet. Mit einem Abbildungssystem 10, welches aus einem Polarisator und 2 Zylinderlinsen besteht, werden die beiden aus dem Wollaston-Prisma austretenden Teilstrahlen zur Interferenz gebracht und das entstehende Interferenzsystem über einen Spiegel 11, der bei anderer Anordnung des Objektes 12 entfallen kann, auf dessen Oberfläche geführt. Das durch die Struktur bzw. das Profil der Oberfläche des Objektes beeinflußte Interferenzsystem wird mit Hilfe eines optischen Systems 13 auf einen Empfänger, im vorliegenden Fall eine CCD-Zeile 14 abgebildet. An Stelle der Empfängerzelle kann auch eine aus zeilen- und spaltenförmig angeordneten Einzelempfängern bestehende Matrix vorgesehen werden.

Claims (4)

1. Anordnung zur berührungslosen Messung der Form diffus streuender Objekte, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Erzeugung eir.es auf die Oberfläche des Objektes projizierbaren Interferenzfeldes eine Lichtquelle, ein Element zur Drehung der Polarisationsebene (λ/2-Platte), einen Polarisationsteiler (Wollaston-Prisma) und ein Polarisationsfilter enthält.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Lasers als Lichtquelle zur Erzeugung eines .störungsfreien Intorferenzfeldes (frei von parasitären Interferenzen bzw. Speckies) bin Element zur Zerstörung der räumlichen Kohärenz (rotierende Mattscheibe) enthalten ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Projektion des Interferenzfeldes auf die Oberfläche des Objektes eine Zylinderlinse vorgesehen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Meßgenauigkeit zwei Interferenzsysteme I₁(X) und I₂M mit einem Phasenunterschied von 180° erzeugt werden und die Änderung der Phase auf dem Objekt als