DD291831A5

DD291831A5 - ARRANGEMENT FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF FORM DIFFUS SPREADING OBJECTS

Info

Publication number: DD291831A5
Application number: DD33734590A
Authority: DD
Inventors: Friedrich Zoellner; Tamara Guendel
Original assignee: Friedrich-Schiller-Universitaet,De
Priority date: 1990-01-26
Filing date: 1990-01-26
Publication date: 1991-07-11

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}Arrangement for non-contact measurement of the shape of diffusely scattering objects. The invention is suitable for determining profiles in the order of magnitude of the roughness in diffusely scattering surfaces. The arrangement contains a light source, a polarization plane rotation element *, a polarization splitter (Wollaston prism) and a polarization filter to produce an interference field that can be projected onto the surface of the object. If a laser is used as the light source, an element (rotating screen) is also provided to destroy the spatial coherence, which guarantees a suppression of parasitic interference (speckles). Objects, diffuse scattering; Interference field, projectable; Interference field, speckle-free; / 2 plate Wollaston prism; Polarizing filter}

Description

, , · Mx) - I₂(x), · Mx) - I ₂ (x)

φ(χ) = arcsm " *φ (χ) = arcsm "*

dargestellt wird.is pictured.

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.5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the generated interference pattern is mapped onto a receiver line or receiver matrix and the course of the phase is determined as a function of the coordinate by the connected computer.

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

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.The invention relates to an arrangement for non-contact measurement of the shape of diffusely scattering objects. So it is z. B. applicable to check the flatness of rough objects or their shape. The size of the object is determined only by the type of expansion optics used and their accuracy, it can be between a few cm up to about? .0cm.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

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.Arrangements for determining the shape of objects are known. In the simplest way, they include means for projecting a grating onto the surface of an object and means for observing and / or registering the image of that grating deformed by the surface of the object. The grid may e.g. consist of the generated by means of a laser interference fringes, which are placed on the surface of the object.

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.In an arrangement for the profilometry of 30 objects with a diffuse surface (Appl. Opt., Vol.23, No. 18 (1984) pp. 3105-8), e.g. a sine grid is projected onto the surface of the object and the deformation of the grating image by the non-planar surface of the object is determined from the measurement of the phase distribution along this grating image. The light source is a 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.Due to the use of a laser, however, due to the coherence properties of this light source, the formation of parasitic interferences or, speckles upon irradiation of a rough surface can not be avoided, a fact which not only disturbs the measuring process, but also limits it with respect to the one to be achieved Accuracy affects.

Ziel der ErlindungGoal of the learning

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.The aim of the invention is an arrangement for non-contact measurement of the shape of diffusely scattering objects with high accuracy of the determination of profiles in the order of magnitude of the roughness.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Anordnung zu schaffen, die die Begrenzung der Genauigkeit durch Specklebildung vermeidet.The invention has for its object to provide such an arrangement that avoids the limitation of accuracy by Specklebildung.

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 einThe solution of this object is achieved with an arrangement for non-contact measurement of the shape of diffusely scattering objects according to the invention in that they produce a producible on the surface of the object interference field, a light source, an element for rotation of the polarization plane (λ / 2 plate), a polarization splitter (Wollaston prism) and one

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 alsContains polarizing filter. It is advantageous that when using a laser as a light source for generating a trouble-free interference field (free of parasitic interference or speckles) an element for the destruction of the spatial coherence (rotating screen) is included. For the projection of the interference field on the surface of the object, a cylindrical lens is provided. It is also advantageous that to increase the accuracy of measurement two Intorferenzsysteme I ₁ (X) and I ₂ Ix) are generated with a phase difference of 180 "and the change of the phase on the object as

φ(χ) = arc sinφ (χ) = arc sin

dargestellt wird.is pictured.

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.The generated interference pattern can be mapped to a receiver line or receiver matrix and the course of the phase can be determined as a function of the coordinate by the connected computer. The invention is based on the so-called phasestepping method. For this purpose, an interference system must be provided which changes the phase between two recordings. To generate the interference field beam splitting is to make this purpose is provided in the arrangement provided Wollaston prism. This results in two mutually perpendicular polarized sub-beams of different propagation directions, which must be merged for the purpose of interference. For this purpose, a polarization filter is provided, which has a preferred direction and brings the components of the two partial beams in this direction to the superposition. The change of the phase of the interference field is accomplished by means of the λ / 2 plate. The evaluation is as follows. If the interference lens system is projected onto the object with the cylindrical lens, a strip can be scanned by means of a detector, or the strip is projected onto a linear detector and the possibly existing change in intensity is registered. The registration can also be done with a receiver matrix whose individual elements are arranged in rows and columns.

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.However, if a single interference system is used, the accuracy of the measurement is limited. Each point of the surface is therefore occupied twice but with different phase interference fields. It has been found that it is convenient not to use the places of greatest or smallest intensity in the interference field for the measurement, but the intensity edges, where the intensity gradient is greatest. The point to be examined on the surface of the object is thus illuminated with such a flank, then the phase of the light is changed by 180 °, the light at this point in turn stems from an edge. The result is therefore intensity independent. If the measured intensity values are evaluated with the above-mentioned equation, then erroneous rotation of the λ / 2 plate alone will be a contrast change. A representation of the profile on a screen thus shows only the differences that are due to the profile to be determined, but are not affected by the position of the λ / 2 plate. It follows that this adjustment can be made relatively uncritical. This fact advantageously removes the solution according to the invention from known ones in which a phase deviation may under certain circumstances be included as an error in the measurement result.

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.A detrimental influence on the accuracy of measurement due to speckle formation can not take place because light of different phase constantly passes through the rotating ground glass to the surface of the object.

Ausführungsbeispielembodiment

Das Wesen der Erfindung soll an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.The essence of the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment schematically illustrated in the drawing.

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.The light of a laser 1 is guided directly or, as shown in the drawing, over two mirrors 2 and 3 to the arrangement according to the invention. In the event that the radiation of the laser is not polarized, a polarizer 4 must be provided. It can also be used to set an initial polarization. The polarized light is guided on an element according to the invention for rotating the plane of polarization, in the example a λ / 2 plate 5. For widening the beam, a cylindrical lens 6 is included in the arrangement. The expanded beam illuminates a rotating screen 7. This luminous ground glass is imaged by means of an optical system 8 on a Wollaston prism 9. With an imaging system 10, which consists of a polarizer and 2 cylindrical lenses, the two emerging from the Wollaston prism partial beams are brought to the interference and the resulting interference system via a mirror 11, which may be omitted in a different arrangement of the object 12, on the surface , The interference system influenced by the structure or the profile of the surface of the object is imaged by means of an optical system 13 onto a receiver, in the present case a CCD line 14. Instead of the receiver cell, it is also possible to provide a matrix consisting of line and column-shaped individual receivers.

Claims

1. An arrangement for non-contact measurement of the shape of diffuse scattering objects, characterized in that they eir.es on the surface of the object projectable interference field, a light source, a polarization plane rotation element (λ / 2 plate), a polarization splitter (Wollaston Prism) and a polarizing filter.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that when using a laser as a light source for generating a .störungsfreien Intorferenzfeldes (free of parasitic interference or speckles) bin element to destroy the spatial coherence (rotating screen) is included.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that a cylindrical lens is provided for the projection of the interference field on the surface of the object.

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that to increase the measuring accuracy two interference systems I ₁ (X) and I ₂ M are generated with a phase difference of 180 ° and the change of the phase on the object as