DE102006007573B4

DE102006007573B4 - Verfahren und Vorrichtung zur 3D-Geometrieerfassung von Objektoberflächen

Info

Publication number: DE102006007573B4
Application number: DE200610007573
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Lehmann
Original assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Current assignee: Carl Mahr Holding GmbH
Priority date: 2006-02-18
Filing date: 2006-02-18
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2026-02-19
Also published as: DE102006007573A1; JP5124485B2; JP2009526978A; WO2007093385A1

Abstract

Verfahren zur 3D-Geometrieerfassung von Objektoberflächen, bei dem
mit einer Lichtquelle für kurzkohärentes Licht ein Messlichtbündel (15) zur Beleuchtung der Objektoberfläche (2) sowie ein Referenzlichtbündel (16) erzeugt wird, das einen Referenzlichtweg durchläuft und dort reflektiert wird,
das von der Objektoberfläche und aus dem Referenzlichtweg reflektierte Licht überlagert wird,
das Referenzlichtbündel (16) und/oder das Messlichtbündel (15) in eine erste Komponente (s) und eine zweite Komponente (p) unterteilt ist oder wird,
der einen Komponente (s) eine andere Phasenänderung erteilt wird als der anderen Komponente (p) oder die eine Komponente (s) eine andere Weglänge durchläuft als die andere Komponente (p), so dass sich bei der Überlagerung des von der Objektoberfläche und aus dem Referenzlichtweg reflektierten Lichts das mit der ersten Komponente (s) erzeugte Interferenzbild von dem mit der zweiten Komponente (p) erzeugten Interferenzbild unterscheidet,
die beiden...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur 3D-Geometrieerfassung von Objektoberflächen sowie eine Vorrichtung dazu.
Die optische Präzisionsmesstechnik wird gern zur schnellen flächenhaften 3D-Geometrieerfassung eingesetzt. Dazu gehören Triangulationsverfahren, bei denen ein optisches Muster, beispielsweise ein Streifenmuster auf eine Objektoberfläche, projiziert wird und die Hell-Dunkel-Grenzen der Streifen durch Triangulation vermessen werden. Werden dabei höchste Ansprüche auf die Z-Auflösung (Z-Richtung ist in Richtung der optischen Achse des Messsystems) gestellt, werden bei Messfelddurchmessern von 10 mm und mehr nur noch Auflösungen im Mikrometerbereich erreicht. Dies gilt auch für die Verfahren der konfokalen Mikroskopie.
Interferometrische Messprinzipien liefern bessere Genauigkeiten. In der formmessenden Interferometrie wird im Allgemeinen mit kohärentem Licht und phasenschiebenden Verfahren gearbeitet. Ein Beispiel dazu ist der DE 102 56 273 B3 zu entnehmen. Dieses Verfahren ist jedoch auf spiegelnde Oberflächen und auf einfache Grundgeometrien, z. B. Planflächen oder sphärische Flächen, beschränkt, weil der Verlauf der Wellenfront, der auf das Messobjekt einfallenden elektromagnetischen Welle im Wesentlichen mit der Kontur des Messobjekts übereinstimmen muss. Weist die Objektoberfläche keine einfache Grundgeometrie auf, kann die Wellenfront, wenn die Objektoberfläche wenigstens spiegelnd ausgebildet ist, mittels eines holografisch-optischen Elements an die Objektkontur angepasst werden. Dazu muss allerdings die Form der Objektoberfläche zuvor bekannt sein.
Handelt es sich um ein Messobjekt mit einer optisch rauen Oberfläche, so bilden sich aufgrund der Kohärenz des eingestrahlten Lichts so genannte Speckle. Für diesen Fall wurde als Alternative, die sich insbesondere bei rauen Oberflächen verwenden lässt, das Kohärenzradar vorgeschlagen, das mit zeitlich kurz kohärentem Licht arbeitet. Dazu wird auf die DE 41 08 944 C2 verwiesen. Bei diesem Verfahren wird die Weglängendifferenz zwischen der Objekt- und der Referenzwelle kontinuierlich verändert. Für die Objektbereiche, für die die optische Weglängendifferenz zwischen der Objekt- und der Referenzwelle nahe Null ist, tritt in der Bildebene, in der sich im Allgemeinen eine Kamera befindet, ein Kontrastmaximum auf, das sich mittels digitaler Signalauswertung erfassen und der zugehörigen Objektposition zuordnen lässt.
Dieses Verfahren erfordert eine relativ große Messzeit, weil die Abtastschrittweite weniger als ein Viertel der verwendeten Lichtwellenlänge betragen muss, um das Abtasttheorem einzuhalten. Wird von einer maximalen Schrittweite zwischen zwei Bildaufnahmen von 100 nm und einer Kamerabildrate von 100 Bildern/Sekunde ausgegangen, ergibt sich eine maximale Messgeschwindigkeit von 10 μm/Sekunde.
Aus der US 2003/0053076 A1 ist eine interferenzoptische Messeinrichtung bekannt, die zur Bildaufnahme eine Hochgeschwindigkeitskamera nutzt. Die Bildaufnahme erfolgt, indem das Messobjekt in Zeitabständen mit einem Doppelblitz aus zwei Lichtquellen mit geringfügig unterschiedlicher Wellenlänge beleuchtet wird. Die Kamera nimmt bei jeder Doppelblitzbeleuchtung zwei aufeinanderfolgende Interferenzbilder auf. Wegen der unterschiedlichen Wellenlängen der beiden Lichtquellen haben die an verschiedenen Z-Positionen aufgenommenen Doppelbilder im Vergleich zueinander verschiedene Phasenlagen. Durch Auswertung dieser Phasenlagen lassen sich Höheninformationen aus denen aufgenommenen Bildern gewinnen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Messgeschwindigkeit zu erhöhen und dabei die Möglichkeit der Höhenauflösung im Submikrometerbereich zu schaffen.
Des Weiteren wird es begrüßt, wenn das zu schaffende Verfahren eine Höhenauflösung im Submikrometerbereich gestattet und unempfindlich gegenüber Umgebungsschwingungen ist. Außerdem wäre zu begrüßen, wenn die Abtastung bezüglich der Höhenrichtung (Z-Richtung) nicht auf äquidistante Abtastungen festgelegt ist.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren zur 3D-Geometrieerfassung nach Anspruch 1 sowie mit der Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst:
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Beleuchtung eines Ausschnitts der Objektoberfläche oder der gesamten Objektoberfläche mit kurzkohärentem Licht, wobei dieses mit einem Referenzlichtbündel zur Interferenz gebracht wird. In dem Messlichtbündel und/oder dem Referenzlichtbündel werden gegeneinander phasenverschobene Komponenten hergestellt, so dass zwei Interferenzbilder zu erhalten sind – ein erstes mit der ersten Komponente und ein zweites mit der zweiten Komponente. Die beiden Interferenzbilder werden getrennt aufgenommen und voneinander subtrahiert. Es entsteht ein Differenzbild mit einem sehr starken Kontrast im Interferenzbereich (wenn der Referenzlichtweg und der Messlichtweg um weniger als die Kohärenzlänge voneinander verschieden sind), wobei der Kontrastverlauf ein ausgesprochenes Maximum aufweist. Unter „Kontrast" wird hier das Ausmaß der Änderung der Pixelhelligkeit eines betrachteten Pixels bei einer Veränderung der Länge des Referenzlichtwegs und/oder des Messlichtwegs verstanden. Das Maximum dieses Kontrastverlaufs wird bestimmt und der zugeordnete Z-Wert gilt für den betreffenden Pixel des Differenzbildes als Z-Messwert.
Mit diesem Verfahren ist eine hohe Messgeschwindigkeit möglich. Durch die Bestimmung des Maximums einer Kurve, die den Intensitätsverlauf der Differenzbilder über der Z-Richtung abbildet, kann ein genauer Messwert auch dann gewonnen werden, wenn das Abtasttheorem verletzt, d. h. mit Unterabtastung gearbeitet wird. In diesem Fall können die in Z-Richtung gemessenen Abstände zwischen einzelnen Aufnahmepositionen für die Interferenzbilder größer als die halbe, auch größer als die ganze Lichtwellenlänge sein. Im Ausführungsbeispiel kann beispielsweise mit einer Schrittweite von 1 μm oder etwas mehr gearbeitet werden, obwohl die Lichtwellenlänge geringer als 1 μm sein kann. Es wird dennoch eine Messpräzision im Submikrometerbereich erreicht.
Durch die hohe Abtastschrittweite ist eine hohe Messgeschwindigkeit möglich.
Das Verfahren ist außerdem unempfindlich gegen nicht äquidistante Abtastschritte. Es ergibt sich daraus auch eine Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungsschwingungen. Somit wird ein sehr robustes Messverfahren erhalten, das schnell arbeitet und eine hohe Präzision gestattet. Wegen der Unempfindlichkeit gegen nichtäquidistante Abtastung kann die zur Messung erforderliche Längenänderung des Referenzlichtwegs und/oder des Messlichtwegs als Schwingung, z. B. als harmonische Schwingung ausgeführt werden.
Das Verfahren kann sowohl durchgeführt werden, indem der Abstand zwischen der Messvorrichtung und der Messobjektoberfläche verändert wird (Veränderung der Länge des Messlichtwegs) als auch indem der Referenzspiegel in Richtung des Messlichtbündels verstellt wird (Veränderung der Länge des Referenzlichtwegs). In beiden Fällen wird die Intensitätsänderung, d. h. die Änderung der Helligkeit eines Pixels des aufgenommenen Bilds in Abhängigkeit von der Z-Verstellung oder alternativ der Referenzspiegelverstellung durch eine glatte Kurve approximiert und deren lokales Maximum bestimmt. Die glatte zur Approximation herangezogene Kurve ist vorzugsweise eine Gaußsche Glockenkurve.
Dieses Verfahren wird parallel für alle Pixel des Differenzbilds durchgeführt, womit nach einem einzigen Z-Scandurchlaufs Messwerte für alle Pixel des Differenzbilds vorliegen.
Zur Erzeugung der beiden Komponenten in dem Messlichtbündel und/oder dem Referenzlichtbündel wird bevorzugt, mit polarisiertem Licht zu arbeiten. Beispielsweise kann eine Lichtquelle eingesetzt werden, die ein Polarisationsfilter enthält. Dieses Polarisationsfilter kann mit einer Lambda-Viertel-Platte (λ/4-Platte) zusammenwirken, die in dem Messlichtweg oder alternativ in dem Referenzlichtweg angeordnet ist. Die λ/4-Platte ist ein Beispiel für ein Element, das unterschiedlich polarisiertem Licht unterschiedliche Phasenverschiebungen erteilt. Beispielsweise kann die λ/4-Platte einem vertikal polarisiertem Licht keine und einem horizontal polarisiertem Licht eine Phasendrehung von 90° erteilen. Schräg (diagonal) polarisiertes Licht wird somit in eine erste Komponente (s-Komponente) ohne Phasenverschiebung und in eine zweite Komponente (p-Komponente) mit 90°-Phasenverschiebung aufgeteilt. Bei doppelter Passage der λ/4-Platte addiert sich die Phasenverschiebung. So kann die erste Komponente (s-Komponente) eine Phasenverschiebung von 0° und eine zweite Komponente (p-Komponente) eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen. Dies führt an den beiden Kameras zu 180° phasenversetzten Interferenzbildern. Das erhaltene Differenzbild ist frei von Umgebungslichteinflüssen. Die Helligkeit (synonym: Intensität) jedes Pixels ist außerhalb der auftretenden Interferenz im Wesentlichen Null. Nur wenn sich Messlichtweg und Referenzlichtweg um weniger als die Kohärenzlänge unterscheiden, tritt Interferenz auf, wobei die an dem betreffenden Pixel zu beobachtenden Helligkeitsänderungen sehr stark sind. Die Helligkeitsänderungen haben ihr Maximum, wenn Referenz- und Messlichtweg gleich sind. Dieses Maximum wird ermittelt und zur Bestimmung des Z-Messwerts genutzt. Dazu kann die Position der Messvorrichtung in Bezug auf das MEssobjekt durch einen Linearmaßstab bestimmt und dieser Messwert mit dem Von der Messvorrichtung gelieferten Z-Messwert verrechnet (subtrahiert) werden.
Entsprechende Vorteile liefert die Vorrichtung nach Anspruch 10. Als Lichtquelle wird vorzugsweise eine Leuchtdiode oder eine anderweitige Quelle für kurzkohärentes Licht verwendet. Im Interesse einer möglichst hohen Auflösung wird vorzugsweise eine Lichtquelle mit geringer Kohärenzlänge, vorzugsweise mit einer Kohärenzlänge von weniger als 50 μm verwendet.
Als Mittel zur Erzeugung der beiden gegeneinander phasenverschobenen Komponenten (s-Komponente, p-Komponente) in dem Referenzlichtbündel und/oder dem Messlichtbündel wird vorzugsweise eine polarisationsabhängige Phasenschiebereinrichtung, wie beispielsweise eine λ/4-Platte eingesetzt. Alternativ kann als Mittel zur Erzeugung der beiden Komponenten eine Lichtquelle verwendet werden, die ein zweifarbiges Licht mit geringem Frequenzunterschied abgibt. Die Aufteilung der beiden verschiedenen Komponenten auf die beiden Kameras kann dann beispielsweise durch dichroitische Spiegel erfolgen.
Die beiden verwendeten Kameras sind vorzugsweise CCD-Kameras, die einen flächenhaften Bildaufnahmebereich aufweisen. Vorzugsweise weisen beide Kameras übereinstimmende Pixelzahlen auf, wobei das Differenzbild pixelweise erzeugt wird.
Die Einrichtung zur Subtraktion der beiden erhaltenen Interferenzbilder zur Erzeugung eines Differenzbilds kann ein Computer oder eine entsprechende Hardware sein.
Das Mittel zur Veränderung der Länge des Messlichtwegs und/oder der Länge des Referenzlichtwegs ist vorzugsweise eine Stelleinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt. Die Relativbewegung kann eine schrittförmige Bewegung, eine kontinuierlich gleichförmige Bewegung oder eine Bewegung mit einem vorgegebenen Bewegungsprofil sein. Die gleichförmige Bewegung und die Bewegung mit vorgegebenem Bewegungsprofil gestatten die Ausführung der Verstellbewegung mit geringen Beschleunigungen.
Wird zur Erzeugung der Interferenzbilder der Referenzlichtweg verstellt, ist dies möglich, so lange die Schärfentiefe der verwendeten Objektive nicht verlassen wird.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen, der Zeichnung oder der Beschreibung.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
1 eine Messvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform in schematisierter Darstellung,
2 die Helligkeit eines Pixels im ersten und im zweiten Interferenzbild in Abhängigkeit von der Z-Verstellung,
3 die Helligkeit eines Pixels des Differenzbilds und die abgeleitete Gauß-Verteilungskurve,
4 eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung zur flächenhaften Profilerfassung und
5 eine weiter abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung zur flächenhaften Profilerfassung.
In 1 veranschaulicht eine Vorrichtung 1 zur flächenhaften 3D-Geometrieerfassung einer Objektoberfläche 2 eines Messobjekts 3. Zu der Vorrichtung 1 gehören eine Lichtquelle 4, ein Interferometer 5, ein selektiver Phasenschieber 6, ein Objektiv 7, ein Strahlteiler 8, eine erste Kamera 9, eine zweite Kamera 10 und eine Auswerteeinrichtung 11. Die Lichtquelle 4, die in der bevorzugten Ausführungsform eine Leuchtdiode 12 enthält, ist mit einem Kollimator 13 versehen, um ein im Wesentlichen paralleles Lichtbündel zu erzeugen. Außerdem kann ein Polarisationsfilter 14 im Lichtweg angeordnet sein, das beispielsweise eine 45°-Polarisation erzeugt.
Das Interferometer 5 ist beispielsweise ein Michelson-Interferometer. Es kann alternativ auch ein anderes Interferometer, wie beispielsweise ein Mirau-Interferometer vorgesehen werden. Es unterteilt das von der Lichtquelle 4 kommende Lichtbündel in ein Messlichtbündel 15 und ein Referenzlichtbündel 16, wozu beispielsweise ein halbdurchlässiger Spiegel 17 dient. Zu dem Interferometer 5 gehört außerdem ein Referenzspiegel 18. In dem Pfad des Messlichtbündels 15 ist vorzugsweise außerdem ein weiteres Polarisationsfilter 19 vorgesehen, dessen Polarisationsrichtung mit der des Polarisationsfilters 14 übereinstimmt.
Der Phasenschieber 16, beispielsweise in Form einer λ/4-Platte, erzeugt eine polarisationsabhängige Phasenverschiebung, die im Ausführungsbeispiel 90° beträgt. Der vertikal polarisierte Anteil des durch das 45°-Polarisationsfilter 14 durchgelassenen Lichts wird beispielsweise um 90° verzögert, während der horizontal polarisierte Anteil ohne Phasenverschiebung passiert. Genau genommen können beide Anteile eine Phasenverschiebung erfahren, wobei die Differenz jedoch 90° beträgt.
Der Spiegel 17 führt das Referenzlichtbündel 16 und das Messlichtbündel 15 wieder zusammen. Das Objektiv 7 bildet dann sowohl die Objektoberfläche 2 als auch den Referenzspiegel 18 auf die Kameras 9, 10 ab. Dabei sorgt der Strahlteiler 8 dafür, dass die horizontal polarisierte Komponente des schräg polarisierten Lichts auf die Kamera 9 und die vertikal polarisierte Komponente auf die Kamera 10 fällt. Nachdem der Referenzlichtstrahl 16 durch den Phasenschieber 6 eine erste, nicht phasenverschobene Komponente und eine zweite, phasenverschobene Komponente enthält, erhalten die Kameras 9, 10 somit unterschiedliche Interferenzbilder.
Die an die Kameras 9, 10 angeschlossene Auswerteeinrichtung 11 bildet aus den beiden Interferenzbildern ein Differenzbild und verfolgt die Helligkeit jedes Pixels desselben während der Abstand zwischen der Vorrichtung 1 und dem Messobjekt 3 in Z-Richtung, d. h. senkrecht zu der Objektoberfläche 2, oder mit anderen Worten parallel zur optischen Achse 20 der Vorrichtung 1, verstellt wird. Dabei nehmen die Kameras 9, 10 jeweils gleichzeitig in Z-Abständen Bilder auf, die größer als die Wellenlänge des Lichts der Leuchtdiode 12 ist. Unter „Wellenlänge" wird die Schwerpunktwellenlänge des von der Leuchtdiode abgegebenen nicht streng monochromatischen Lichts verstanden.
Die Vorrichtung 1 arbeitet wie folgt:
Zur Durchführung des Messvorgangs wird die Lichtquelle 4 beispielsweise in Dauerbetrieb oder auch stroboskopisch betrieben. Letzteres kann dazu genutzt werden, zur Aufnahme der Interferenzbilder mittels der Kameras 9, 10 höhere Lichtintensitäten zu ermöglichen. Die Lichtquelle 4 gibt entsprechend fortwährend oder in kurzen Zeitabständen jeweils kurzkohärentes Licht ab, wobei die Kohärenzlänge vorzugsweise im Bereich von 10 μm bis 50 μm liegt. Während des Betriebs der Lichtquelle 4 wird der Abstand zwischen der Vorrichtung 1 und der Objektoberfläche 2 in Richtung der optischen Achse 20 durch Bewegung der Vorrichtung 1 und/oder durch Bewegung des Messobjekts 3 verstellt. Dies ist in 1 durch einen Pfeil 21 angedeutet. Es werden nun mit den beiden Kameras 9, 10 synchron Interferenzbilder aufgenommen, die sich unterscheiden. Der Unterschied wird beispielsweise durch die unterschiedlichen Phasenlagen des zur Erzeugung des jeweiligen Interferenzbildes herangezogenen Referenzlichtbündels erzeugt.
Bei der in 1 veranschaulichten Vorrichtung trifft unter 45° linear polarisiertes Licht auf die Oberfläche des Messobjekts, wobei nur das mit gleicher Polarisation reflektierte Licht wieder aufgenommen wird. Dafür sorgt das Polarisationsfilter 19. Die λ/4-Platte (Phasenschieber 6) bewirkt, dass die Referenzwelle nach zweifachem Durchtritt eine p-Komponente und eine s-Komponente enthält, die gegeneinander um 180° phasenverschoben sind. Das Messlichtbündel und die beiden Komponenten des Referenzlichtbündels werden mit dem Spiegel 17 vereinigt und durch das Objektiv 7 in eine Bildebene abgebildet. Vor der Bildebene befindet sich der polarisierende Strahlteiler 8, der das interferierende Licht in zwei Teilstrahlen mit P-Polarisierung und mit s-Polarisierung aufteilt. Der Teilstrahl mit der p-Polarisierung enthält die P-Komponente des Referenzlichtbündels. Der s-Teilstrahl enthält die s-Komponente des Referenzlichtbündels 16. Folglich sind die zugehörigen Interferogramme, die auf den Kameras 9, 10 abgebildet werden, um 180° gegeneinander phasenverschoben.
Die Kameras 9, 10 zeichnen die Interferogramme zeitsynchron als Pixelbilder auf und liefern diese an die Auswerteeinrichtung 11. Diese subtrahiert die Interferenzbilder pi xelweise voneinander und erzeugt somit Differenzbilder. Dieser Vorgang wird vielfach wiederholt während sich der Abstand zwischen dem Messobjekt 3 und der Vorrichtung 1 vorzugsweise kontinuierlich verändert. Die Abstandsdifferenz zwischen zwei Bildaufnahmen liegt dabei typischerweise in der Größenordnung von 1 μm, d. h. bei einer verwendeten Lichtwellenlänge von < 4 μm wird das Abtasttheorem nicht eingehalten.
Die Differenzbilder werden pixelweise ausgewertet. Verfolgt man die Helligkeit eines Pixels des Differenzbilds über die Weglängendifferenz zwischen Messlichtweg und Referenzlichtweg, so ergeben sich systematische Streuungen der Helligkeit sobald die Weglängendifferenz geringer als die Kohärenzlänge der Lichtquelle ist. Die Signalauswertung wird von der Auswerteeinrichtung 11 durchgeführt, indem für eine bestimmte Anzahl von Helligkeitswerten ein und desselben Pixels aufeinander folgende Differenzbilder, die zu aufeinander folgenden Z-Positionen der Vorrichtung 1 gehören, die empirische Standardabweichung ermittelt wird. Die für jeden Abtastwert geltende Standardabweichung wird beispielsweise nach folgender Formel berechnet
wobei k die Nummer des Abtastschritts, n die Anzahl der in die Berechnung der Streuung einbezogenen Helligkeitswerte, i eine Zählvariable, x_i die Pixelhelligkeit für ein bestimmtes Differenzbild und x_m der laufende Helligkeitsmittelwert ist. In 2 sind mit den Kurven I und II die Helligkeitswerte eines Pixels über der Abstandsdifferenz aufgetragen. In 3 ist mit der Kurve III der Helligkeitswert desselben Pixels des Differenzbilds aufgetragen. Die Kurve IV gibt die nach obiger Formel berechnete Standardabweichung wieder. Diese zeigt in Abhängigkeit von dem zurückgelegten Scanweg näherungsweise den Verlauf einer Gaußschen Glockenkurve. Sie wird dementsprechend durch eine Gaußsche Glockenkurve approximiert, die in 3 als Kurve V eingetragen ist. Die Ermittlung des Z-Messwerts erfolgt, indem die Position des lokalen Maximums dieser Gaußkurve V ermittelt wird.
Auf diese Weise wird für jedes Pixel der beiden Kameras 9, 10 ein Differenzbildpixel berechnet und die vorbeschriebene gleitende Berechnung der Standardabweichung über eine festgelegte Anzahl aufeinander folgender Abtastwerte (beispielsweise 5) durchgeführt. Für jedes Differenzbildpixel entsteht somit eine resultierende geglättete Kurve, die anschließend durch die Gaußsche Glockenkurve approximiert wird, anhand derer der Z-Wert des betreffenden Pixels bestimmt wird.
Es wird dabei mit Unterabtastung gearbeitet, d. h. das Abtasttheorem wird verletzt. Dennoch wird eine Auflösung im Submikrometerbereich erhalten. Die Relativbewegung zwischen Vorrichtung 1 und Messobjekt 3 kann eine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit oder mit wechselnden Geschwindigkeiten sein. Die Z-Abstände der Bildaufnahmen können gleich bleiben oder variiert werden.
4 veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung 1. Mit Ausnahme der nachfolgend beschriebenen Einzelheiten gilt die vorige Beschreibung unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen entsprechend.
Der Phasenschieber 6 ist nicht im Referenzlichtbündel 16 sondern in dem Messlichtbündel 15 angeordnet. Somit werden die beiden Komponenten, die zur Bildung unterschiedlicher Interferenzbilder auf den Kameras 9, 10 herangezogen werden, nicht im Referenzlichtbündel 16 sondern in dem Messlichtbündel 15 erzeugt. Bei den Komponenten handelt es sich wiederum um unterschiedlich polarisierte und unterschiedlich phasenverschobene Anteile des Lichtbündels. Die Phasenverschiebung beträgt vorzugsweise 180°. Sie kann von dem Optimalwert 180° abweichen. Sie ist vorzugsweise > 90° und < 270°.
Die Vorrichtung 1 gemäß 4 kann im Ganzen wie vorbeschrieben zu dem Messobjekt relativ bewegt werden. Es ist jedoch auch möglich, an Stelle dessen den Abstand zwischen der Vorrichtung 1 und dem Messobjekt 3 konstant zu halten und den Referenzspiegel 18 zu bewegen, um eine Z-Abtastung durchzuführen. Dies ist auch dann möglich, wenn der Phasenschieber 6, wie in 1 dargestellt, im Referenzlichtbündel 16 angeordnet ist.
5 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Soweit Elemente vorhanden sind, die mit Elementen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen identisch oder funktionsgleich oder funktionsähnlich sind, wird unter Zugrundelegung der eingeführten Bezugszeichen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen. Die Vorrichtung nach 5 arbeitet mit einer Lichtquelle 4, die zwei Leuchtdioden 12a, 12b enthält, die unterschiedliche Schwerpunktwellenlängen aufweisen. Vorzugsweise liegen diese dicht beieinander. Das kleinste gemeinsame Vielfache der beiden Schwerpunktwellenlängen beträgt vorzugsweise mehr als das Dreifache einer der Schwerpunktwellenlängen. Der Spiegel 17 teilt die Lichtbündel der beiden Leuchtdioden jeweils in ein Referenzlichtbündel und ein Messlichtbündel. Im Referenzlichtweg ist ein weiterer Strahlteiler angeordnet, der wellenlängenabhängig das Licht der einen Leuchtdiode 12a zu einem Referenzspiegel 18a und das Licht der Leuchtiode 12b zu einem Referenzspiegel 18b leitet. Die Referenzspiegel 18a, 18b sind so angeordnet, dass sich für das Licht der beiden Leuchtdioden 12a, 12b an den Kameras 9, 10 ein Phasenversatz von etwa 180° ergibt. Die von den Leuchtdioden 12a, 12b abgegebenen Lichtbündel durchlaufen unterschiedlich lange Referenzlichtwege, die sich vorzugsweise um λ/4 der Schwerpunktwellenlänge eines des Spektren der beiden Leuchtdioden unterscheiden. Der Strahlteiler 8 ist wiederum frequenzselektiv. Er leitet das Licht der Leuchtdiode 12a zu der Kamera 9 und das Licht der Leuchtdiode 12b zu der Kamera 10. Bei dieser Ausführungsform bildet ds Licht der beiden Leuchtdioden 12a, 12b die beiden Komponenten („erste Komponente" und „zweite Komponente") der Lichtquelle 4. Die Auswertung der Kamerabilder geschieht wie oben im Zusammenhang mit den 1 bis 4 beschrieben.
Anstelle der Aufsplittung des Referenzlichtbündels auf zwei Spiegel 18a, 18b ist es auch möglich, im Referenzlichtweg mit einer Anordnung nach 1 zu arbeiten. Die Platte 6 ist dann eine planparallele Platte aus einem nicht doppelbrechendem Material. Aufgrund der Dispersion des Lichts der beiden unterschiedlichen Farben der beiden Leuchtdiode 12a und 12b ergibt sich zwischen beiden Lichtfarben bei jedem Durchgang wiederum der gewünschte Phasenversatz der beiden Komponenten gegeneinander von λ/4.
Bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren gelingt eine 3D-Geometrieerfassung von Objektoberflächen mit einer Unterabtastung (Verletzung des Abtasttheorems), indem zumindest eines der beiden in einem Interferometer 5 zur Überlagerung gebrachten Lichtbündel (Referenzlichtbündel 16 und Messlichtbündel 15) in zwei Komponenten S und P zerlegt wird, aufgrund deren an zwei Kameras 9, 10 unterschiedliche Interferenzbilder (S-Interferenzbild und P-Interferenzbild) erzeugt werden. Die S-Komponente und die P-Komponente sind gegeneinander vor zugsweise 180°-phasenversetzt. Aus den beiden Interferenzbildern der Kameras wird ein Differenzbild erzeugt. Bei Verwendung kurzkohärenten Lichts haben die Pixel des Differenzbildes nur in dem Z-Bereich eine von Null verschiedene Helligkeit, für den die Differenz zwischen Referenzlichtweg und Messlichtweg kleiner als die Kohärenzlänge ist. In Abhängigkeit von der Z-Koordinate weist das betrachtete Pixel des Differenzbildes einen stark schwankenden Helligkeitsverlauf auf, wobei die Hüllkurve oder auch die Standardabweichung einer Gaußschen Glockenkurve folgt. Der Helligkeitsverlauf wird durch diese approximiert. Das Kurvenmaximum legt den Z-Messwert für den Oberflächenpunkt fest, zu dem betrachteten Pixel des Differenzbilds gehört. Das Verfahren ist robust, schnell und genau.

Claims

Verfahren zur 3D-Geometrieerfassung von Objektoberflächen, bei dem mit einer Lichtquelle für kurzkohärentes Licht ein Messlichtbündel (15) zur Beleuchtung der Objektoberfläche (2) sowie ein Referenzlichtbündel (16) erzeugt wird, das einen Referenzlichtweg durchläuft und dort reflektiert wird, das von der Objektoberfläche und aus dem Referenzlichtweg reflektierte Licht überlagert wird, das Referenzlichtbündel (16) und/oder das Messlichtbündel (15) in eine erste Komponente (s) und eine zweite Komponente (p) unterteilt ist oder wird, der einen Komponente (s) eine andere Phasenänderung erteilt wird als der anderen Komponente (p) oder die eine Komponente (s) eine andere Weglänge durchläuft als die andere Komponente (p), so dass sich bei der Überlagerung des von der Objektoberfläche und aus dem Referenzlichtweg reflektierten Lichts das mit der ersten Komponente (s) erzeugte Interferenzbild von dem mit der zweiten Komponente (p) erzeugten Interferenzbild unterscheidet, die beiden Interferenzbilder jeweils aufgenommen und zur Erzeugung eines Differenzbildes voneinander subtrahiert werden, die Länge des Messlichtwegs (15) und/oder die Länge des Referenzlichtwegs (16) verändert wird und die obigen Schritte zur Erzeugung weiterer Differenzbilder wiederholt werden, aus den Differenzbildern die Koordinaten (z) der Oberflächenpunkte der Objektoberfläche (2) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Interferenzbildern die Helligkeitsänderung in Abhängigkeit von der Länge des veränderlichen Messlichtwegs (15) oder des veränderlichen Referenzlichtwegs (16) durch eine glatte Kurve (V) approximiert und deren lokales Maximum bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das lokale Maximum den gesuchten Höhenwert (z) jedes Punktes der Objektoberfläche (2) bestimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahme der Interferenzbilder zeitsynchron erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Länge des Referenzlichtwegs (16) oder des Messlichtwegs (15) zwischen den Aufnahmen zweier aufeinander folgender Interferenzbilder größer als ein Viertel der Schwerpunktwellenlänge des verwendeten Lichts ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Länge des Referenzlichtwegs (16) oder des Messlichtwegs (15) zwischen den Aufnahmen zweier aufeinander folgender Interferenzbilder größer als die Schwerpunktwellenlänge des verwendeten Lichts ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Messlichtbündels (15) und des Referenzlichtbündels (16) schräg polarisiertes Licht verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzlichtbündel (16) oder das Messlichtbündel (15) zur Erzeugung der gewünschten Phasenänderung zwischen den Komponenten durch einen Phasenschieber (6) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenänderung zwischen den Komponenten 180° beträgt.
Vorrichtung (1) zur 3D-Geometrieerfassung von Objektoberflächen, mit: einer Lichtquelle (4) für kurzkohärentes Licht, einem Strahlteiler (17) zur Erzeugung eines Messlichtbündels (15) zur Beleuchtung der Objektoberfläche (2) und zur Erzeugung eines Referenzlichtbündels (16), das einen Referenzlichtweg durchläuft, und zur Wiedervereinigung von Messlichtbündel (15) und Referenzlichtbündel (16), einem Mittel (6) zur Reflexion des Referenzlichtbündels im Referenzlichtweg, Mitteln zur Unterteilung des Referenzlichtbündels (16) und/oder des Messlichtbündels (15) in eine erste Komponente (s) und in eine zweite Komponente (p), Mitteln, um der einen Komponente (s) eine andere Phasenänderung zu erteilen als der anderen Komponente (p) oder um die eine Komponente (s) eine andere Weglänge durchlaufen zu lassen als die andere Komponente (p), so dass sich bei der Überlagerung des von der Objektoberfläche und aus dem Referenzlichtweg reflektierten Lichts das mit der ersten Komponente erzeugte Interferenzbild von dem mit der zweiten Komponente erzeugten Interferenzbild unterscheidet, einer ersten Kamera (9) zur Aufnahme des aus der Überlagerung des von der Objektoberfläche (2) und des aus dem Referenzlichtweg reflektierten Lichts mit der ersten Komponente (s) erzeugten Interferenzbildes, einer zweiten Kamera (10) zur Aufnahme des aus der Überlagerung des von der Objektoberfläche (2) und des aus dem Referenzlichtweg reflektierten Lichts mit der zweiten Komponente (p) erzeugten Interferenzbildes, einer Einrichtung (11) zur Subtraktion der beiden erhaltenen Interferenzbilder zur Erzeugung eines Differenzbildes, einem Mittel zur Veränderung der Länge des Messlichtwegs (15) und/oder der Länge des Referenzlichtwegs (16), mit einem Mittel (11) zur Bestimmung der Koordinaten der Oberflächenpunkte der Objektoberfläche (2) aus den Differenzbildern.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (4) eine Leuchtdiode (12) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (4) ein Mittel (14) zur Erzeugung einer Lichtpolarisation aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (14) zur Erzeugung einer Lichtpolarisation ein Polarisationsfilter ist, durch das das Licht der Lichtquelle (12) hindurchgeleitet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (6) zur Erzeugung der ersten Komponente (s) und der zweiten Komponente (p) ein in dem Referenzlichtweg angeordnetes Element (6) aus doppelbrechendem Material ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (6) zur Erzeugung der ersten Komponente (s) und der zweiten Komponente (p) ein in dem Messlichtweg angeordnetes Element aus doppelbrechendem Material ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (6) eine λ/4-Platte ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die λ/4-Platte gegen die Polarisation des Mess- oder Referenzlichtbündels (15, 16) jeweils um 45° gedreht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (6) zur Erzeugung der beiden Komponenten als erste Komponente ein Lichtbündel mit einem ersten spektralen Bereich sowie als zweite Komponente ein Lichtbündel mit einem zweiten spektralen Bereich erzeugt, der von dem ersten spektralen Bereich verschieden ist, wobei dem Referenzlicht oder dem Messlicht des ersten spektralen Bereichs im Vergleich zu dem Messlicht oder dem Referenzlicht des zweiten spektralen Bereichs bei abgeglichenem Interferometer ein Phasenunterschied von im Wesentlichen 180° aufgeprägt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Veränderung der Länge des Messlichtwegs eine Verstelleinrichtung zur Verstellung des Abstandes der Vorrichtung (1) von dem Messobjekt (3) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Veränderung der Länge des Referenzlichtwegs eine Verstelleinrichtung zur Verstellung eines Referenzspiegels (18) in der und gegen die Richtung des Referenzlichtwegs (16) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (11) zur Bestimmung der Koordinaten der Oberflächenpunkte der Objektoberfläche aus den Differenzbildern eine Recheneinrichtung ist, die für jedes Pixel des Differenzbildes den Helligkeitsverlauf in Abhängigkeit von der Verstellung des Referenzlichtwegs und/oder des Messlichtwegs verfolgt und daraus unter Zugrundelegung einer Gaußverteilung die Standardabweichung bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (11) aus der gewonnenen Standardabweichung eine Gaußsche Glockenkurve (V) approximiert, deren Maximum bestimmt und den z-Wert, der dem Maximum zugeordnet ist, den zugehörigen x- und y-Werten des Pixels als z-Messwert zuordnet.