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Die
Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Messvorrichtung
zur Formvermessung insbesondere rauher Oberflächen eines Messobjekts mit
einer eine kurzkohärente
Strahlung abgebenden Strahlungserzeugungseinheit, einem Strahlteiler
zum Bilden eines ersten und eines zweiten Teilstrahls, von denen
der erste über
einen Objektlichtweg zu dem Messobjekt und der zweite über einen
Referenzlichtweg zu einer reflektierenden Referenzebene gerichtet
ist, mit einem Überlagerungselement,
an dem die von dem Messobjekt und der Referenzebene kommende Strahlung
zur Überlagerung
gebracht werden, und einem Bildwandler, der die überlagerte Strahlung aufnimmt
und entsprechende Signale einer Einrichtung zur Auswertung zuführt, wobei
zur Messung die optische Weglänge
des Objektlichtweges relativ zur optischen Weglänge des Referenzlichtweges
geändert
wird.
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Eine
derartige inferferometrische Messvorrichtung ist in der
DE 197 21 842 C2 angegeben.
Bei dieser bekannten Messvorrichtung gibt eine Strahlungserzeugungseinheit,
beispielsweise eine Leuchtdiode oder Superlumineszenzdiode, eine
kurzkohärente
Strahlung ab, die über
einen Strahlteiler in einen ersten, über einen Objektlichtweg geführten Teilstrahl
und einen zweiten, über
einen Referenzlichtweg geführten
Teilstrahl aufgeteilt wird. Der Referenzlichtweg wird mittels zweier
Deflektorelemente und eines dahinter angeordneten, feststehenden Beugungsgitters
durch Ansteuern der Deflektorelemente periodisch geändert, um
die Objektoberfläche in
Tiefenrichtung abzutasten. Wenn der Objektlichtweg und der Referenzlichtweg übereinstimmen,
ergibt sich ein Maximum des Interferenzkontrasts, der mittels einer
der Photodetektoreinrichtung nachgeschalteten Auswerteeinrichtung
erkannt wird.
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Eine
vom Messprinzip (Weisslichtinterferometrie oder Kurzkohärenzinterferometrie)
her entsprechende interferometrische Messvorrichtung ist auch in
der
DE 41 08 944 A1 angegeben.
Hierbei wird zur Änderung
des Lichtwegs in dem Referenzstrahlengang jedoch ein bewegter Spiegel
verwendet. Bei diesem Verfahren wird die Oberfläche des Objektes auf die Fotodetektoreinrichtung
mittels eines optischen Systems abgebildet, wobei es jedoch schwierig
ist, in Hohlräumen
Messungen vorzunehmen.
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In
der
DE 91 01 682 U1 ist
eine interferometrische Messvorrichtung zur Messung von Objektoberflächen mit
kohärenter
Strahlung angegeben, wobei eine Zwischenbildebene erzeugt wird,
um Streustrahlen in ein paralleles Strahlenbündelumzuwandeln, das einer
Kamera zugeführt
wird. Das Messprinzip basiert hierbei nicht auf der Kurzkohärenz- bzw.
Weißlichtinterferometrie.
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Zu
weiteren derartigen interferometrischen Messvorrichtungen bzw. interferometrischen
Messverfahren auf der Basis der Weißlichtinterferometrie wird
auf P. de Groot, L. Deck, "Surface
profiling by analysis of white-light interferograms in the spatial frequency
domain" J. Mod.
Opt., Vol. 42, No. 2, 389-401, 1995 und T. Maack, G. Notni, W. Schreiber, W.-D.
Prenzel, "Endoskopisches
3-D-Formmesssystem", in Jahrbuch für Optik
und Feinmechanik, Ed. W.-D. Prenzel, Verlag Schiele und Schoen,
Berlin, 231-240, 1998 verwiesen.
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Bei
den genannten interferometrischen Messvorrichtungen bzw. Messverfahren
besteht eine Schwierigkeit darin, Messungen in tiefen Hohlräumen bzw.
engen Kanälen
vorzunehmen. Ein Vorschlag für
eine Messvorrichtung, in der mittels Weißlichtinterferometrie auch
in Hohlräumen
Messungen vorgenommen werden können,
ist in der
DE 197
21 843 C1 gezeigt. Hierbei ist vorgeschlagen, einen ersten
Teilstrahl weiter in einen Referenz-Teilstrahl und mindestens einen
Mess-Teilstrahl
zu trennen, wobei ein weiterer Strahlteiler und der Referenzspiegel
in einer gemeinsamen Messsonde angeordnet sind. Eine derartige Messsonde
kann zwar in Hohlräume eingeführt werden,
jedoch kann mit dieser Vorrichtung pro Messung im Wesentlichen nur
eine kleine, punktartige Stelle der Oberfläche abgetastet werden. Um mehr
Stellen der Oberfläche
in Tiefenrichtung zu vermessen, ist eine Relativbewegung zwischen Messobjekt
und Messsonde erforderlich, wobei aber eine exakte laterale Zuordnung
aufwendig und schwierig ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Messvorrichtung
der eingangs erwähnten
Art bereitzustellen, mit der insbesondere in tiefen Hohlräumen vereinfachte
Messungen mit hoher Genauigkeit ermöglicht werden.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hiernach
ist vorgesehen, dass in dem Objektlichtweg eine optische Sonde mit
einer optischen Anordnung zum Erzeugen mindestens einer optischen
Zwischenabbildung vorgesehen ist.
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Durch
die Zwischenabbildungen mittels der optischen Anordnung wird es, ähnlich einem
Endoskop oder Boreskop möglich,
die betrachtete Oberfläche
außer
mit hoher longitudinaler Auflösung
auch mit einer hohen lateralen Auflösung über eine Strecke abzubilden,
die groß ist
gegenüber
dem Durchmesser der abbildenden Optik. Die optische Sonde kann beispielsweise
in Bohrungen von Ventilsitzen oder in Gefäße von Organismen für medizinische Messzwecke
eingeführt
werden. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Endoskop wird nun
quantitative Tiefeninformation gewonnen. Eine vorteilhafte Ausführung besteht
dabei darin, dass die mindestens eine Zwischenabbildung im Objektlichtweg
erzeugt wird. Dabei wird dieselbe optische Anordnung zum Beleuchten
der Messstelle auf dem Messobjekt und zum Übertragen der von dem Messobjekt
kommenden Strahlung zu der Photodetektoreinrichtung genutzt, wenn
vorgesehen ist, dass durch die optische Sonde sowohl die zu dem
Messobjekt hinführende als
auch die von ihm zurückkommende
Strahlung verlaufen.
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Die
optische Abbildung auf die Photodetektoreinrichtung kann dadurch
verbessert werden, dass in dem Referenzlichtweg zum Kompensieren
eines in der optischen Sonde vorhandenen Glasanteils hinsichtlich
der Elemente für
die Zwischenabbildungen) eine gleiche weitere optische Sonde oder
zumindest eine Glasanordnung vorgesehen ist.
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Ein
für die
Handhabung günstiger
Aufbau besteht darin, dass der optische Gangunterschied zwischen
dem ersten und zweiten Arm größer ist
als die Kohärenzlänge der
Strahlung, dass die von dem ersten Spiegel und dem reflektierenden
Element kommende Strahlung mittels eines weiteren Strahlteils durch
eine gemeinsame optische Sonde geleitet sind (common path), dass
in der optischen Sonde ein Referenzspiegel in einer solchen Entfernung
von dem Messobjekt angeordnet ist, dass der Gangunterschied zwischen
dem ersten Spiegel und dem reflektierenden Element aufgehoben ist,
und dass ein Teil der auf den Referenzspiegel auffallenden Strahlung zu
der Photodetektoreinrichtung reflektiert und ein Teil zu dem Messobjekt
durchgelassen und von dort zu der Photodetektoreinrichtung reflektiert
wird. Ein weiterer Vorteil besteht bei diesem Aufbau darin, dass
Objekt- und Referenzwelle nahezu die identische Optik durchlaufen,
wodurch sich Aberrationen weitgehend kompensieren. Außerdem ist
diese Anordnung robust gegen mechanische Erschütterungen. Zwei Ausführungsmöglichkeiten
bestehen dabei darin, dass der Referenzspiegel auf einer Planplatte oder
einem Prisma vorgesehen ist.
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Die
Handhabung kann dabei weiterhin dadurch erleichtert werden, dass
zwischen dem Strahlteiler und dem weiteren Strahlteiler eine Faseroptik
angeordnet ist.
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Auch
bei diesem Aufbau ist eine Trennung im Wesentlichen in einen Sondenteil
und einen Teil mit Modulationsanordnung verwirklicht, wobei die
Handhabung ebenfalls begünstigt
wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer interferometrischen Messvorrichtung mit einer optischen Sonde
in einem Messlichtweg,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel,
bei dem sowohl im Messlichtweg als auch im Referenzlichtweg eine
optische Sonde vorgesehen sind,
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3 einen
Aufbau der interferometrischen Messvorrichtung mit einem gemeinsamen
Referenz- und Messlichtweg,
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem gegenüber
dem Aufbau nach 3 zwischen einem ersten und
einem weiteren Strahlteiler eine Faseroptik vorgesehen ist und
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5 ein
weiteres Aufbaubeispiel der interferometrischen Messvorrichtung.
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1 zeigt
eine interferometrische Messvorrichtung mit einer eine kurzkohärente Strahlung
abgebenden Strahlungserzeugungseinheit SLD, wie z.B. einer Leuchtdiode
oder Superlumineszenzdiode, deren Strahlung mittels eines Strahlteilers
ST1 in einen ersten Teilstrahl T1 eines Messlichtwegs und einen
zweiten Teilstrahl T2 eines Referenzlichtwegs aufgeteilt wird. Der
Aufbau entspricht einem Michelson-Interferometer. In dem Referenzlichtweg
wird der zweite Teilstrahl von einer Referenzebene in Form eines
Referenzspiegels RSP reflektiert, wobei der Referenzlichtweg beispielsweise
durch Bewegen des Referenzspiegels RSP oder mittels akkustooptischer Deflektoren,
wie in der eingangs erwähnten
DE 197 21 842 C2 beschrieben,
periodisch geändert
wird. Wird die Änderung
des Lichtwegs mit zwei akusto-optischen Deflektoren vorgenommen,
so erübrigt sich
ein mechanisch bewegtes reflektierendes Element, sondern stattdessen
kann ein feststehendes Element, insbesondere ein Gitter, verwendet
werden. Mittels eines Glasblocks G kann bei Bedarf die Dispersion
einer in dem Objektlichtweg angeordneten optischen Sonde OSO korrigiert
werden.
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In
dem Objektlichtweg wird die Strahlung in die optische Sonde OSO
eingekoppelt, so dass die Strahlung eine zu vermessende Oberfläche eines Messobjekts
O beleuchtet. Die Objektoberfläche
wird durch die optische Sonde OSO über eine oder mehrere Zwischenabbildungen
auf eine Photodetektoreinrichtung in Form eines Bildwandlers bzw.
Bildsensors BS, beispielsweise eine CCD-Kamera abgebildet. Das Bild
des Messobjekts O auf dem Bildsensor BS wird mit der Referenzwelle
des zweiten Teilstrahls überlagert.
Im Bild des Messobjekts O tritt hoher Interferenzkontrast dann auf,
wenn ein Gangunterschied in dem Referenzlichtweg und dem Messlichtweg
kleiner als die Kohärenzlänge ist.
Das Messprinzip beruht dabei auf Weißlichtinterferometrie (Kurzkohärenzinterferometrie),
wie sie in den eingangs erwähnten
Druckschriften näher
beschrieben ist. Die Länge
des Referenzlichtwegs wird über
den gesamten Messbereich zum Abtasten in Tiefenrichtung der zu vermessenden
Oberfläche
variiert, wobei für
jeden Messpunkt die Länge
des Referenzlichtwegs detektiert wird, bei welchem der höchste Interferenzkontrast
auftritt. Durch die Zwischenabbildungen wird es ermöglicht,
die Oberfläche
des Messobjekts mit einer hohen lateralen Auflösung über eine Strecke abzubilden,
die groß ist
gegenüber
dem Durchmesser der abbildenden Optik. Die optische Sonde OSO ähnelt einem
Endoskop bzw. Boreskop, wobei jedoch die Beleuchtung und die Rückführung der
von der Messoberfläche
kommende Strahlung über
dieselbe optische Anordnung über
zumindest eine Zwischenabbildung erfolgen. In 1 sind
als weitere Abbildungselemente schematisch einige Linsen L dargestellt.
Die eigentlichen Zwischenabbildungen werden in der optischen Sonde
OSO erzeugt.
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Für Anwendungen,
in welchen eine genaue Kompensation des Einflusses der abbildenden
Linsen der optischen Sonde OSO notwendig ist, wird auch in dem Referenzlichtweg
bzw. Referenzarm zwischen dem Strahlteiler ST1 und dem Referenzspiegel
RSP die gleiche optische Sonde OSR integriert, wie in dem Objektlichtweg
zwischen dem Strahlteiler ST1 und dem Messobjekt O, wie in 2 dargestellt.
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In
einem abgewandelten Aufbau gemäß 3 lässt sich
die interferometrische Messvorrichtung auch als Anordnung mit einem
gemeinsamen Referenz- und Messarm (Common Path-Anordnung) verwirklichen.
Die interferometrische Messvorrichtung wird wieder mit einer kurzkohärenten (breitbandigen)
Strahlungserzeugungseinheit beleuchtet. Der Strahlteiler ST1 teilt
das Licht in zwei Armen in den ersten Teilstrahl T1 und den zweiten
Teilstrahl T2, wobei der erste Teilstrahl T1 auf einen ersten, feststehenden
Spiegel SP1 und der zweite Teilstrahl T2 auf das reflektierende
Element RSP in Form des Referenzspiegels fällt.
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Der
optische Gangunterschied zwischen den so gebildeten Armen ist größer als
die Kohärenzlänge der
von der Strahlungserzeugungseinheit SLD erzeugten Strahlung. Von
den beiden Spiegeln SP1 und RSP aus wird die reflektierte Strahlung über den Strahlteiler
ST1 und einen weiteren Strahlteiler ST2 in die optische Sonde OS
eingespeist. Die Besonderheit dieses Aufbaus ist, dass sich ein
Referenzspiegel RSP2 in der optischen Sonde OS selbst befindet.
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Ein
Teil der Strahlung wird an diesem Referenzspiegel RSP2 reflektiert,
während
der andere Teil der Strahlung die zu vermessende Oberfläche beleuchtet.
Der Referenzspiegel RSP2 kann auf einer Planplatte aufgebracht sein
oder auf einem Prisma. Durch die Verwendung eines Prismas kann die Wellenfront
der die Objektoberfläche
beleuchtenden Strahlung, d.h. der Objektwelle an die Geometrie (z.B.
Neigung) der zu vermessenden Oberfläche angepasst werden. Das Messobjekt
O wird mittels der optischen Sonde OS wiederum über eine oder mehrere Zwischenabbildungen
auf den Bildsensor BS abgebildet und mit der Referenzwelle überlagert.
Zur Gewinnung der Höheninformation
wird das reflektierende Element RSP über den Messbereich verfahren oder
die Änderung
des Lichtwegs wie vorstehend beschrieben vorgenommen. In dem Bild
des Messobjekts O tritt hoher Interferenzkontrast dann auf, wenn der
Gangunterschied zwischen dem feststehenden Spiegel SP1 und dem reflektierenden
Element RSP bzw. der Lichtwege der beiden Arme genau dem optischen
Gangunterschied zwischen dem Referenzspiegel RSP2 und dem Messobjekt
O ist. Zur Gewinnung des Höhenprofils
werden bekannte Verfahren zur Detektion des höchsten Interferenzkontrastes
in jedem Bildpunkt (Pixel) verwendet. Dieser Aufbau hat den Vorteil,
dass Objekt- und Referenzwelle nahezu die identische Optik durchlaufen,
wodurch sich Aberrationen weitgehend kompensieren. Außerdem ist
diese Anordnung robuster gegen mechanische Erschütterungen.
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Für eine noch
einfachere Handhabung der Messvorrichtung kann die Strahlung des
Strahlteilers ST1 auch mittels einer Faseroptik LF zu dem weiteren
Strahlteiler ST1 übertragen
werden, wie in 4 dargestellt.
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Ein
weiterer alternativer Aufbau ist in 5 dargestellt.
Alternativ zu dem Aufbau mit dem gemeinsamen Referenz- und Messlichtweg
gemäß den 3 und 4 ist
eine kombinierte Mach-Zehnder-Michelson-Anordnung vorgesehen. Wieder
wird eine breitbandige Strahlungserzeugungseinheit SLD verwendet,
deren Strahlung in eine Faseroptik eingekoppelt wird. Der erste
Strahlteiler ST1 teilt die Strahlung in einen Objektarm OA und Referenzarm
RA auf. In dem Objektarm OA wird der erste Teilstrahl T1 aus der
entsprechenden Lichtleitfaser ausgekoppelt und über den weiteren Strahlteiler
ST2 in die optische Sonde OSO eingekoppelt, so dass die zu vermessende
Oberfläche
des Messobjekts O beleuchtet wird. Die Objektoberfläche wird
durch die optische Sonde OSO über
eine oder mehrere Zwischenabbildungen auf dem Bildsensor BS abgebildet.
In dem Referenzarm RA wird das Licht aus der entsprechenden Lichtleitfaser
ausgekoppelt, durchläuft
dann, wenn nötig,
die gleiche optische Sonde OSR wie sie in dem Objektarm OA eingesetzt
ist und wird an einem zweiten Faserkoppler R2 wieder in eine dort
angeordnete Lichtleitfaser eingekoppelt. Über die Lichtleitfaser gelangt
die Referenzwelle bis zu dem weiteren Strahlteiler ST2. Dort wird
sie ausgekoppelt und über
den weiteren Strahlteiler ST2 auf dem Bildsensor BS mit der Objektwelle überlagert.
In beiden Armen müssen
die optischen Wege in der Luft, den optischen Sonden OSO bzw. OSR
sowie in den Lichtleitfasern abgeglichen sein. Die Durchstimmung
der Weglänge
im Referenzarm RA erfolgt hier z.B. durch Verschiebung des zweiten
Faserkopplers R2, so dass sich der optische Luftweg im Referenzarm ändert.