DE102005023212B4

DE102005023212B4 - Verfahren und Vorrichtung zur schnellen und genauen Weisslichtinterferometrie

Info

Publication number: DE102005023212B4
Application number: DE200510023212
Authority: DE
Inventors: Gerd Haeusler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-05-16
Filing date: 2005-05-16
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2025-05-17
Also published as: DE102005023212A1

Abstract

Verfahren zur Steigerung der Messgeschwindigkeit und der Messgenauigkeit bei der interferometrischen Vermessung eines Objektes, das sich im Objektarm eines interterometrischen Messkopfes befindet, und bei dem sich die optische Weglänge des Objektarms zeitlich ändert, durch Aufnahme und Auswertung eines oder mehrere Interferenzbilder, dadurch gekennzeichnet, dass während der Belichtung des jeweiligen Interferenzbildes eine zeitlich angepasste Änderung der optischen Weglänge des Referenz- oder Objektarmes erzeugt wird, sodass die Änderung der optischen Weglängendifferenz zwischen Objekt und Referenz während der Belichtungszeit T so verringert wird, dass die jeweiligen Interferenzbilder I_k während der Belichtungszeit T annähernd unverändert bleiben, und bei dem zwischen den Belichtungen eine wählbare optische Wegdifferenz erzeugt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur schnellen und genauen Weisslichtinterferometrie
Im Folgenden wird beschrieben, wie man Objektoberflächen mit interferometrischer Genauigkeit schnell und mit höherer Genauigkeit vermessen kann. Ebenso wird beschrieben, wie bewegte Objekte interferometrisch vermessen werden können. Die Erfindung überwindet die Probleme, die sich aus einer Bewegung des Interferometers oder des Objektes ergeben, sowie Probleme, die sich aus der Speckle-Statistik ergeben. Die Kombination von schneller Messung und Genauigkeitssteigerung überwindet zwei Kernbeschränkungen der Weisslichtinterferometrie.

Die Weisslichtinterferometrie ist ein etabliertes Verfahren zur Vermessung von Objekten [Haeusler91]. Bei diesen Verfahren wird das so genannte Korrelogramm abgetastet, das heißt, dass z.B. das Objekt oder das gesamte Interferometer (der „Messkopf") entlang der Interferometerachse in z-Richtung mit der Geschwindigkeit v_A kontinuierlich verfahren wird. Es ist auch möglich, die Referenzfläche im Interferometer zur Abtastung zu verschieben. Dabei wird eine Serie von Interferenzbildern I_k mit der Abtastperiode δz_A aufgenommen. Wenn man genügend langsam verfährt und damit Interferenzbilder I_k höchstens mit der Abtastperiode λ/4 aufnimmt, so erhält man ein genügend fein abgetastetes Korrelogramm, welches das Abtasttheorem erfüllt. Hierbei bezeichnet λ die mittlere Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle. Man bestimmt den Ort des Maximums dieses Korrelogramms oder die Phase der Modulation des Korrelogramms und kann damit den jeweiligen Abstand des betrachteten Objektpunktes ermitteln [Schraud00].

Das Verfahren ist dem Wesen nach seriell in z-Richtung, d.h., es müssen – abhängig vom Tiefenmessbereich – mehr oder weniger viele Bilder aufgenommen werden. Der dafür nötige Zeitaufwand ist in der industriellen Praxis oft hinderlich. Um den Zeitaufwand für die Abtastung des Korrelogramms gering zu halten, wird man die Abtastgeschwindigkeit v_A so groß wie möglich wählen. Die Intensität im Interferenzbild ändert sich aber während des Verfahrens mit einer Periode von z_p = λ/2. Dies bedeutet, dass während der Belichtungszeit T eines Aufnahmesystems, das die Bilder I_k aufnimmt, die Weglängenänderung deutlich kleiner als λ/4 sein soll. In der Praxis zeigt sich, daß δz_A geringer als 100 nm sein sollte, weil sonst der aufgenommene Interferenzkontrast deutlich abnimmt, und damit das Signal/Rauschverhältnis geringer wird, was die Messunsicherheit erhöht oder zu Ausreißern führt.

Um trotzdem schnellere Abtastung ohne starken Kontrastverlust zu erreichen, sind einige Lösungen bekannt.

Ideal wäre ein stufenweises Abtasten, d.h., das z.B. der Messkopf sehr schnell schrittweise verfahren wird, danach während der Belichtungszeit T steht, und dann wieder einen Schritt macht, usf. Ein solches schrittweises Verfahren erfordert hohe Beschleunigungen der bewegten Massen, was die Geschwindigkeit begrenzt.

In [Blossey96] wird eine Möglichkeit beschrieben auch oberhalb der von Nyquist angegebenen Mindest-Abtastperiode abzutasten, ohne den Kontrast des Interferenzbildes deutlich zu verringern. Dies wird erreicht, durch eine mit dem Korrelogramm synchrone Modulation der Lichtquellenintensität und Quadratur-Demodulation.

Ein alternatives Verfahren, das die Lichtquellensynchronisation vermeidet, wird in [Bohn2000] beschrieben. Bei dem so genannten Shutter-gesteuerten Kohärenzradar wird die Erhöhung der Geschwindigkeit mittels Kurzzeitbelichtung ermöglicht. Belichtet wird nur zu Beginn eines Bildes bis der Motor λ/6 verfahren ist. Die restliche Zeit bleibt die Lichtquelle dunkel. Dieses Verfahren ist robust gegenüber Schwankungen in der Abtastfrequenz. Durch die kurze Belichtungszeit wird die aufgenommene Bildenergie aber reduziert. Da ohnehin oft nicht genügend Licht zur Verfügung steht, ist dies ein schwerwiegender Nachteil.

Auch an die Verwendung von Kameras mit sehr hoher Bildfrequenz kann gedacht werden. Neben den hohen Kosten für solche Kameras ist die ebenfalls kurze Belichtungszeit ein großes Problem.

Erfindungsgemäß sollen diese Nachteile überwunden werden. Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem man trotz hoher Abtastgeschwindigkeit mit langer Belichtungszeit das Korrelogramm ohne Lichtverlust und weitgehend ohne Kontrastverlust aufnehmen kann. Das Verfahren beruht darauf, daß während der Belichtung die optische Weglängendifferenz zwischen Objektarm und Referenzarm durch geeignete kombinierte Änderungen der optischen Weglänge von Objektarm und Referenzarm annähernd konstant gehalten wird. Dies bedeutet, dass sich die optische Weglängendifferenz während der Belichtung um weniger als 3·λ ändert, wobei λ die Wellenlänge des verwendeten Lichtes ist. Damit vermeidet man eine Verringerung des Kontrastes in den Interferenzbildern. Durch geeignete Bewegungen kann man auch erreichen, daß immanente Bewegungen des Objektes, z.B. durch Erschütterungen aber auch bei der Bearbeitung auf Werkzeugmaschinen weitgehend kompensiert werden können, und das Objekt trotzdem vermessen werden kann.

Das Verfahren wird anhand von 1 erklärt. Eine Beleuchtungsanordnung 1 beleuchtet über einen Strahlteiler 4 die Referenz 2 und das Objekt 3. Die Referenz 2 bildet im Objektarm eine virtuelle Referenzfläche 6. Das von der Referenz 2 und vom Objekt 3 reflektierte Licht wird über den Teiler 4 mit Hilfe einer Abbildungsanordnung 7 und eines Aufnahmegerätes 8 detektiert. Das Aufnahmegerät 8 liefert die Interferenzbilder I_k. Die Interferenzbilder werden mit Hilfe einer Auswerteeinheit 10 ausgewertet. Das Objekt wird abgetastet, indem entweder der Messkopf, bestehend aus 1, 2, 4, 8, 7, 8, 11 mit Hilfe einer Bewegungseinheit 9 bewegt wird, so wie es z.B. aus der Patentschrift [Häusler 91] bekannt ist.
Erfindungsgemäß werden zusätzlich weitere Einheiten zur Änderung der optischen Weglänge von Objektarm und Referenzarm eingebracht. Diese Einheiten können die optische Weglänge mechanisch oder optisch verändern. Dies kann durch ein Verschieben von Objekt oder Referenzfläche geschehen. Aber auch eine Einführen eines optischen Keils oder anderer optischer Komponenten ist vorstellbar. Zudem kann durch Variation der Lufttemperatur, des Luftdruckes oder durch Einbringung anderer Gase, die optische Weglänge verändert werden.
Die erfindungsgemäße Idee wird an einer beispielhaften Ausprägung erklärt:
Zur Abtastung des Objektes wird der Messkopf mit der Geschwindigkeit v_A in z-Richtung verfahren. Dadurch wird erreicht, dass die virtuelle Referenzfläche durch das Objekt gefahren wird.
Erfindungsgemäß wird während der Belichtungszeit T eines Bildes I_k die Referenz 2 ebenfalls etwa mit der Geschwindigkeit v_A in die gleiche Richtung, relativ zum Objekt verfahren, wie der Messkopf. Diese Bewegung wird von der Bewegungseinheit 5 bewerkstelligt, auf der die Referenzfläche montiert ist. Hierdurch wird die Bewegung des Messkopfes ausgeglichen, und die optische Weglängendifferenz zwischen Objekt- und Referenzarm ändert sich annähernd nicht. Dadurch bleibt das Interferenzbild während der Belichtung nahezu konstant. Zwischen der Aufnahme zweier Bilder, z.B. in der Austastlücke, springt die Bewegungseinheit 5 und somit die Referenz 2 wieder in die Ausgangsposition zurück.
Die Referenz 2 beschreibt somit etwa eine Sägezahnbewegung die mit der Belichtung der Kamera synchronisiert wird. Diese Verfahrweise wird in 2 dargestellt.
Die Bewegung der Referenz hat den Vorteil, daß sie im Messkopf integriert ist, und unabhängig vom jeweils zu messenden Objekt, insbesondere von dessen Größe und Gewicht ist. Eine leichte Referenz kann einfacher schnell bewegt werden, als ein i.a. schweres Objekt.
Aber auch eine Bewegung des Objektes mit einer Bewegungseinheit 5a ist möglich und in manchen Fällen vorteilhaft, z. B., wenn die Belichtungszeit T so groß ist, daß während der Belichtung die Bewegung des Messkopfes größer als die Schärfentiefe der abbildenden Optik ist. Dann läuft mit einer Bewegung des Objektes durch 5a die Referenz nicht aus dem Schärfentiefebereich.
Die zusätzliche Möglichkeit, die optische Weglänge von Objektarm und Referenzarm variabel zu ändern hat weitere erfindungsgemäße Vorteile: Wenn z.B. durch Erschütterungen Relativbewegungen zwischen Objekt und Messkopf auftreten, dann kann während der Belichtungszeit eine der Bewegungseinheiten 5 oder 5a diese Relativbewegung kompensieren. Dies lässt sich z.B. realisieren, indem die Intensität im Interferenzbild gemessen wird, und aus der Veränderung des Intensitätsbildes ein Regelsignal für die Bewegungseinheit abgeleitet wird. Für das Regelsignal genügt die Messung eines oder weniger Punkte im Interferenzbild, z.B. mit Hilfe eines Photoempfängers 11.
Aber auch andere Verfahren zur Messung der Eigenbewegung des Objektes sind vorstellbar. Hierzu muss man die Bewegung und damit den zeitlichen Verlauf des Abstandes des Objektes relativ zu einem Fixpunkt mit einem Sensor 12 messen. Abstandsmessungen können mit einer Vielzahl von Sensoren durchgeführt werden. Lasertriangulationssensoren, Interferometer, induktive Wegaufnehmer, Ultraschall-Messköpfe, kapazitive Wegmesssysteme oder konfokale Wegsensoren sind nur eine Auswahl an Möglichkeiten.
Wenn das Objekt z.B. während der Bearbeitung auf einer Werkzeugmaschine, bei der es sich i.a. bewegt, oder während einer sonstigen Bewegung mit der Geschwindigkeit v_B gemessen werden soll, kann man das oben beschriebene Verfahren sinngemäß anwenden. So kann man z.B. die Referenz sägezahnförmig kompensatorisch bewegen. Aber es ist auch möglich, den Messkopf mit einer Geschwindigkeit v_A so zu bewegen, daß die Differenzgeschwindigkeit |v_B-v_A| das Samplingtheorem nicht verletzt. Damit lassen sich auch hohe Objektgeschwindigkeiten kompensieren und es ist eine Messung von bewegten Objekten möglich.
Die so gewonnen Daten werden mittels einer Rechnereinheit ausgewertet. Zwei Verfahren zur Auswertung unterabgetasteter Korrelogramme werden vorgeschlagen. Das eine ist aus der klassischen Mechanik als Massen-Schwerpunkts-Berechnung bekannt.
Das zweite vorgeschlagene Verfahren ist eine Korrelationsmethode. Die Grundidee ist, das gemessene Signal in jedem Pixel mit einem simulierten Interferogramm zu korrelieren. Das Ergebnis dieser Korrelation wird anschließend ausgewertet.
Die schnelle Messung mit Hilfe der Bewegungskompensation führt, abhängig von der Geschwindigkeit, auf eine Unterabtastung des Korrelogramms, und damit zu erhöhter Rauschanfälligkeit. Die Messung von rauen Objekten leidet aber ohnehin unter der Tatsache, daß in einzelnen Speckles der Interferenzkontrast oft gering ist, weil dunkle Speckles sehr häufig vorkommen [Dainty75]. Das führt zu erhöhter Messunsicherheit oder sogar zu Ausreißern. Eine vorteilhafte Erweiterung der Erfindung umgeht diese Probleme. Die Lösung kann auch ohne die Bewegungskompensation vorteilhaft sein, auch wenn der Vorteil der Geschwindigkeitserhöhung dann nicht zum Tragen kommt.
Eine verringerte Messunsicherheit ist möglich, indem dem Aufnahmegerät 8, 3, weitgehend unabhängige Specklemuster M(1), M(2), ...M(n), dargeboten werden, deren Interferenzbild-Serien I_k(1), I_k(2), ...I_k(n) wie oben beschrieben gespeichert werden. Bei der Auswertung werden aus den verschiedenen Serien I_k(1), I_k(2), ... jeweils ortsabhängig die Speckle ausgewählt, wo z.B. der Interferenzkontrast am höchsten ist. Wenn z. B. für ein Kamerapixel am Ort x₁, y₁ die Interferenzbild-Serie I_k(1) den höchsten Interferenzkontrast aufweist, so wird diese Serie standardmäßig wie vorne beschrieben ausgewertet, um die Höhe z am Ort x₁, y₁ zu errechnen. Ist an einem anderen Ort x₂, y₂ der Interferenzkontrast einer anderen Interferenzbild-Serie, z.B. von I_k(n) höher, so wird diese ausgewertet. Auf diese Weise vermeidet man weitgehend die Auswertung der dunklen Speckles. Bereits für zwei unabhängig angebotene Specklemuster M(1), M(2) ist die Wahrscheinlichkeit, daß beide ein sehr dunkles Speckle am gleichen Ort x, y haben, nahezu Null. Bei der Auswahl aus 3 oder mehr Specklemustern M wird die Wahrscheinlichkeit, daß ein sehr helles Speckle dabei ist, sehr hoch.
Bei der Auswertung hat man neben der Möglichkeit, die Interferenzbild-Serie mit dem höchsten Interferenzkontrast oder mit der höchsten Speckle-Helligkeit auszuwerten, noch die Möglichkeit, mehrere oder alle Interferenzbild-Serien auszuwerten und das Endergebnis für die Höhe am gegebenen Ort als gewichtetes Mittel der Einzelauswertungen zu errechnen. Der Gewichtsfaktor ist jeweils umso höher, je höher der Specklekontrast der jeweiligen Interferenzbild-Serie ist.
Die Erzeugung der möglichst unabhängigen Specklemuster kann über die Ausnutzung der zeitlichen oder der räumlichen Kohärenz, oder der Polarisation geschehen, oder auch in Kombination der Merkmale.
Einfach zu verstehen ist, wenn eine Lichtquelle L(n) mit umschaltbarer (zentraler) Wellenlänge benutzt wird. Es wird zunächst eine Interferenzbild-serie I_k(1) mit der zentralen Wellenlänge λ₁ aufgenommen, und danach eine oder mehrere weitere Interferenzbild-Serien I_k(n) mit der zentralen Wellenlänge λ₂, .... λ_n. Wenn die Wellenlängendifferenz groß genug ist, dekorrelieren die subjektiven Speckles im beobachteten Bild der Objektoberfläche und die oben beschriebene Auswahl des jeweils hellsten Speckles in den Interferenzbild-Serien I_k(1), I_k(2), ...I_k(n) ist möglich. Allerdings ist die Dekorrelation für wenig raue Objekte gering, sodass man eine sehr große Wellenlängenvariation für unabhängige Specklebilder benötigt. Man kann auch die Polarisation der Beleuchtung variieren, und erzeugt so unterschiedliche Specklefelder. Letztere Methode ist auf metallischen Oberflächen weniger gut geeignet.
Effektiver ist es, mehrere Lichtquellen zu verwenden. Eine vorteilhafte Ausprägung der Vorrichtung ist in 3 dargestellt.
Anstelle der Lichtquelle 1 in 1 sind nun mehrere Lichtquellen L(1), L(2), ... L(n) vorhanden. Die Lichtquellen können die gleiche zentrale Wellenlänge aufweisen, oder auch verschiedene Wellenlängen, auch umschaltbar, haben. Sie können räumlich sehr eng, z. B. in einem Gehäuse angeordnet sein, oder auch deutlich räumlich nebeneinander liegen. Die Lichtquellen können gesteuert getrennt voneinander mit Hilfe eines Steuergerätes S ein- und ausgeschaltet werden.
Aufnahme und Auswertung werden z.B. wie folgt durchgeführt:
Zunächst wird die Lichtquelle L(1) eingeschaltet, und es wird eine Abtastung des Objektes wie oben beschrieben durchgeführt, und es wird eine Interferenzbild-Serie I_k(1) aufgenommen und gespeichert. Danach wird L(1) vorzugsweise ausgeschaltet, und die Lichtquelle L(2) eingeschaltet. Alternativ, oder zusätzlich, kann auch die zentrale Wellenlänge von L(1) oder L(2) umgeschaltet werden. Es wird die Abtastung wiederholt und eine weitere Interferenzbild-Serie I_k(2) aufgenommen und gespeichert. Dieser Vorgang kann mit anderen Lichtquellen L(n) und/oder anderen Wellenlängen wiederholt werden.
Aus den verschiedenen Interferenzbild-Serien wird nun wie oben beschrieben, mit Hilfe der Auswerteeinheit in jedem Pixel x, y das am besten geeignete Interferenzsignal gesucht und die Höhe ermittelt. Am beste geeignet heißt, daß man vorzugsweise die Interferenzbild-Serie auswählt, die am Ort x, y das beste Signal-Rauschverhältnis aufweist. Das ist in vielen praktischen Fällen die Serie mit der höchsten Modulation.
Man kann vorteilhaft auch eine andere Aufnahmefolge der Interferenzbildserien wählen, die eine Mehrfachabtastung erspart. In diesem Fall wird für jeweils eine Position der Bewegungseinheit 9 nacheinander die Lichtquelle L(1), L(2), ....L(n) eingeschaltet und eine Sequenz I₁(1), I₁(2), ...I₁(n) aufgenommen. Nachdem die Bewegungseinheit weiter verfahren wurde, wird eine neue Sequenz I₂(1), I₂(2), ... aufgenommen, usf. Nach der Aufnahme der vollständigen Interferenzbild-Serien wird wieder die am besten geeignete Serie wie oben beschrieben, ausgewählt und ausgewertet.
Die im vorigen Absatz beschriebene Methode der Aufnahme erfordert prinzipiell ein schrittweises Verfahren. Mit der Bewegungskompensation durch die Bewegungseinheit 5, bzw. 5a ist aber eine kontinuierliche Bewegung möglich. Dazu muß die Bewegungseinheit so bewegt werden, wie in 4 dargestellt.
Prinzipiell kann man auch die Lichtquellen im Aufnahmetakt umschalten, während sich die Bewegungseinheit kontinuierlich bewegt. Dadurch werden die Interferenzbild-Serien ineinandergeschachtelt. Wenn man z.B. mit 2 Lichtquellen L(1) und L(2) arbeitet, dann enthalten die aufgenommen Videobilder I₁, I₃, I₅, ... die Interferenzbildserie für ein Speckle, erzeugt durch L(1), und die Videobilder I₂, I₄, I₆, ... die Interferenzbildserie für ein anderes Speckle, erzeugt durch L(2).
Die Lichtquellen sollten erfindungsgemäß so angeordnet sein, daß möglichst unabhängige Specklemuster erzeugt werden. Eine Lichtquelle erzeugt ein bestimmtes subjektive Specklebild im Aufnahmegerät 8, und ein objektives Specklemuster in der Eintritspupille 7a der Abbildungsanordnung 7 (3). Bewegt man die Lichtquelle senkrecht zur optischen Achse OA, so verschiebt sich das objektive Specklemuster über die Eintrittspupille der Abbildungsanordnung 7. Verschiebt sich das objektive Specklemuster um eine Entfernung gleich dem Durchmesser der Eintrittspupille, so ist das subjektive Specklebild, das das Aufnahmegerät speichert, vollständig dekorreliert. So ist es vorteilhaft, wenn auch nicht zwingend, die Lichtquellen L(1), ...L(n) so anzuordnen, daß ihre Bilder L'(1), L'(2), ... am Rand der Eintrittspupille der Abbildunganordnung liegen, wie in 5 gezeigt. In der Praxis zeigt sich, daß bereits 2 Lichtquellen eine erhebliche Verbesserung der Meßunsicherheit bewirken.
Es sei noch angemerkt, anstelle mehrere Lichtquellen kann man auch eine Lichtquelle verwenden, die mechanisch verschoben wird. Eine technisch vorteilhaftere Ausprägung lässt sich durch eine virtuelle Verschiebung mit Hilfe einer optischen Vorrichtung V (s. 3) erreichen. V kann z.B. durch eine bewegte, etwa rotierende Keilplatte zwischen Lichtquelle und Objekt realisiert werden. Die virtuelle Verschiebung kann auch durch optoakustische oder optoelektronische, polarisationsoptische Bauelemente erreicht werden.
Referenzen:

[Haeusler91] G. Häusler, „Verfahren und Einrichtung zur berührungslosen Erfassung der Oberflächengestalt von diffus streuenden Objekten", Deutsche Patentschrift DE 41 08 944 , Anmeldung 19.03.1991
[Schraud00] J. Schraud, „Optimierung und Vergleich der Datenaufnahme und -auswertung am optischen 3D – Sensor Kohärenzradar", Diplomarbeit, Lehrstuhl für Optik, Universität Erlangen, 2000
[Blossey96] S. Blossey, „Das dynamische Kohärenzradar – ein schneller, hochgenauer optischer 3D Sensor, Dissertation, Lehrstuhl für Optik, Universität Erlangen, 1996
[Bohn00] G. Bohn, „Hardware-Implementierte Algorithmen zur Optimierung des Messprinzips Kohärenzradar", Dissertation, Lehrstuhl für Optik, Universität Erlangen, 2000
[Dainty75] J.C. Dainty, ed., "Laser speckle and related phenomena", Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1975

Claims

Verfahren zur Steigerung der Messgeschwindigkeit und der Messgenauigkeit bei der interferometrischen Vermessung eines Objektes, das sich im Objektarm eines interterometrischen Messkopfes befindet, und bei dem sich die optische Weglänge des Objektarms zeitlich ändert, durch Aufnahme und Auswertung eines oder mehrere Interferenzbilder, dadurch gekennzeichnet, dass während der Belichtung des jeweiligen Interferenzbildes eine zeitlich angepasste Änderung der optischen Weglänge des Referenz- oder Objektarmes erzeugt wird, sodass die Änderung der optischen Weglängendifferenz zwischen Objekt und Referenz während der Belichtungszeit T so verringert wird, dass die jeweiligen Interferenzbilder I_k während der Belichtungszeit T annähernd unverändert bleiben, und bei dem zwischen den Belichtungen eine wählbare optische Wegdifferenz erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt oder der Messkopf mit der Geschwindigkeit v_A bewegt wird, und die Referenz jeweils während der Belichtungszeit T des Aufnahmegerätes mit der Geschwindigkeit v_comp so bewegt wird, dass während dieser Zeit die optische Weglängendifferenz zwischen Objekt und Referenz zeitlich annähernd so konstant bleibt, dass sich das Interferenzbild nur geringfügig ändert, und dass zwischen den Belichtungen der Bilder I_k der durch die zusätzliche Bewegung erzeugte Weg s = v_comp·T der Referenz – vorzugsweise in einer schnellen Bewegung, sägezahnförmig – wieder rückgängig gemacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf mit der Geschwindigkeit v_A bewegt wird, und das Objekt während der Belichtungszeit T des Aufnahmegerätes mit der Geschwindigkeit v_comp so bewegt wird, dass während dieser Belichtungszeit die optische Weglängendifferenz zwischen Objekt und Referenz zeitlich annähernd so konstant bleibt, dass sich das Interferenzbild nur geringfügig ändert, und dass zwischen den Belichtungen der Interferenzbilder I_k der durch die zusätzliche Bewegung erzeugte Weg s = v_comp·T des Objektes – vorzugsweise in einer schnellen Bewegung, sägezahnförmig – wieder rückgängig gemacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eigenbewegung des Objektes durch eine geeignete Weglängenänderung im Interferometer teilweise so kompensiert wird, dass die optische Weglängenänderung zeitlich annähernd konstant ist, wobei während der Belichtung die Weglängenänderung kleiner als das dreifache der verwendeten Wellenlänge ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer auch zeitlich variierenden Eigenbewegung des Objektes eine Weglängendifferenz so erzeugt wird, dass während der Belichtung der Interferenzbilder die optische Wegdifferenz annähernd konstant bleibt, und dass zwischen den Belichtungen der Sensorkopf oder die Referenz oder beide kombiniert, eine gewählte Weglängendifferenz erzeugen.
Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die notwendige optische Weglängenänderung durch einen Sensor, der die Relativbewegung zwischen Sensorkopf und Objekt misst, bereitgestellt wird.
Vorrichtung zur schnellen interferometrischen Vermessung von Objekten mit einem Interferometer, das ein Interferenzbild erzeugt, bei dem eine Referenz mit dem Objekt überlagert wird, einer optischen oder mechanischen Vorrichtung, hier Bewegungseinheit genannt, die eine Änderung der optischen Weglängendifferenz zwischen Objekt und Referenz erzeugt, einem Bildaufnahmegerät, das jeweils mit einer Belichtungszeit T Interferenzbilder I_k aufzeichnet, einer Auswerteeinheit, die die Interferenzbilder auswertet, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinheit derart ausgebildet ist, dass sie die optische Weglänge während der Belichtung der jeweiligen Interferenzbilder annähernd konstant hält und zwischen den Belichtungen der Interferenzbilder eine vorgebbare Weglänge einstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zur Messung der Relativbewegung zwischen Sensorkopf und Objekt eingesetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Interferometerkopf als räumlich vom Objekt getrennter Messkopf ausgeformt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinheit weiterhin so ausgebildet ist, dass sie die Referenz jeweils während der Belichtungszeit T des Aufnahmegerätes mit der Geschwindigkeit v_comp so bewegt, dass während dieser Zeit die optische Weglängendifferenz zwischen Objekt und Referenz zeitlich annähernd so konstant bleibt, dass sich das Interferenzbild nur geringfügig ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinheit einen piezoelektrischen Kristall zur Ausführung dieser Bewegung – aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinheit ferner derart ausgebildet ist, dass sie den zwischen den Belichtungen der Bilder I_k durch die zusätzliche Bewegung erzeugten Weg s = v_comp·T der Referenz zumindest teilweise wieder rückgängig macht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinheit derart ausgebildet ist, dass sie die Referenz in eine Sägezahnbewegung versetzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinheit ferner derart ausgebildet ist, dass sie die Sägezahnbewegung mit der Bildaufnahme des Aufnahmegerätes synchronisiert.
Verfahren zur Verringerung der Messunsicherheit bei der Weisslichtinterferometrie, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt durch mehrere schaltbare Lichtquellen L(n) so beleuchtet wird, dass eine Beobachtungseinheit mehrere Interferenzbildserien I_k(n) mit unterschiedlichen subjektiven Specklebildern M(n) aufnimmt, und diese Interferenzbildserien so ausgewählt werden, dass ortsabhängig jeweils die Interferenz- bildserien ausgewertet werden, die am betrachteten Ort die besten Signal-Rauschverhältnisse zeigen.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen L(n) an verschiedenen Orten so angeordnet sind, dass ihre Bilder L'(n) an verschiedenen Positionen in der Eintrittspupille der Beobachtungseinheit liegen.
Verfahren nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellenbilder L'(n) am Rand der Eintrittspupille der Beobachtungseinheit liegen.
Verfahren nach Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtquellen verschiedener Wellenlängen benutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen gesteuert im Takt der Bildaufnahme umgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 9 und einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungskompensation nach einem der Ansprüche 1-9 über mehrere Bildaufnahmetakte 1-n erfolgt, sodass während jeden Taktes ein anderes Specklemuster M₁ bis M_n erzeugt werden kann, ohne dass sich die Weglängendifferenz zwischen Objekt und Referenz ändert.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der Specklemuster ohne die Bewegungskompensation benutzt wird.
Vorrichtung zur Verringerung der Messunsicherheit bei der Weisslichtinterferometrie, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere räumlich gegeneinander versetzte Lichtquellen und ein Steuergerät, das mit den Lichtquellen zur zeitlich nacheinander erfolgenden Ansteuerung der Lichtquellen verbunden ist, vorgesehen sind, wobei die Lichtquellen derart angeordnet sind, dass das Objekt aus mehreren Richtungen sequentiell beleuchtet werden kann, und eine Aufnahme- und Auswerteeinheit vorgesehen ist, die ausgebildet ist, Interferenzbild-Serien aufzunehmen und aus diesen Interferenzbild-Serien jeweils ortsabhängig die Serie mit dem besten Signal-Rauschverhältnis zur Auswertung auszuwählen.