DE102007006490A1 - Abtast- und Auswerteverfahren für einen Mehrwellenlängen-Interferometer - Google Patents

Abtast- und Auswerteverfahren für einen Mehrwellenlängen-Interferometer Download PDF

Info

Publication number
DE102007006490A1
DE102007006490A1 DE200710006490 DE102007006490A DE102007006490A1 DE 102007006490 A1 DE102007006490 A1 DE 102007006490A1 DE 200710006490 DE200710006490 DE 200710006490 DE 102007006490 A DE102007006490 A DE 102007006490A DE 102007006490 A1 DE102007006490 A1 DE 102007006490A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
sampling
frequency
scanning
evaluation methods
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE200710006490
Other languages
English (en)
Inventor
Stefan Trittler
Matthias Wieler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE200710006490 priority Critical patent/DE102007006490A1/de
Publication of DE102007006490A1 publication Critical patent/DE102007006490A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/02083Interferometers characterised by particular signal processing and presentation
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/02001Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties
    • G01B9/02002Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties using two or more frequencies
    • G01B9/02004Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties using two or more frequencies using frequency scans

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abtast- und Auswerteverfahren für einen Mehrwellenlängen-Interferometer, bei dem zur Vermessung einer Objektoberfläche ein Bild des Objektes in einer Interferometeranordnung mit einem Referenzbild zur Interferenz gebracht und die Objektoberfläche nacheinander mit verschiedenen Frequenzen abgetastet wird, wobei zur Abtastung mehrere Blöcke von Abtastpunkten, den Abtastfrequenzen, verwendet werden, die ungleiche Frequenzabstände aufweisen, und die resultierenden Signalfrequenzhöhenwerte in einem mehrstufigen Verfahren ermittelt werden. Mit diesem Verfahren und den Verfahrensvarianten kann durch Optimierung der Abtastung und eine daran angepasste Signalauswertung bei diesem frequenzscannenden Interferometer eine genaue und robuste Höhenabtastung realisiert werden, die zudem im Vergleich zum Stand der Technik einen deutlichen Geschwindigkeitsvorteil bietet.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Abtast- und Auswerteverfahren für einen Mehrwellenlängen-Interferometer, bei dem zur Vermessung einer Objektoberfläche ein Bild des Objektes in einer Interferometeranordnung mit einem Referenzbild zur Interferenz gebracht und die Objektoberfläche nacheinander mit verschiedenen Frequenzen abgetastet wird.
  • Interferometrische Messsysteme können hochgenau Oberflächen vermessen. Sofern eine schmalbandige Lichtquelle, wie beispielsweise ein Laser, eingesetzt wird, sind die Ergebnisse nicht eindeutig, sondern das Signal wiederholt sich nach einer halben Wellenlänge des verwendeten Lichtes, wie dies z. B. bei phasenschiebender Interferometrie der Fall ist. Solange die Oberfläche des abzutastenden Objektes glatt ist, lässt sich dies durch so genanntes räumliches „Unwrapping" lösen, was aber nicht auf rauen Oberflächen oder bei Stufen funktioniert. Beim „Unwrapping" wird versucht, die Mehrdeutigkeit der gemessenen Phase aufzulösen und eine tatsächliche Phase zu bestimmen.
  • Eine Lösung bietet der Einsatz breitbandiger Lichtquellen, wie dies bei der Weißlichtinterferometrie der Fall ist. Ebenso können auch mehrere schmalbandige Quellen Verwendung finden, wobei derartige schmalbandige Quellen nacheinander – in der frequenzscannenden Interferometrie – oder zeitgleich arbeiten. Den zeitgleichen Einsatz findet man beispielsweise bei Heterodyninterferometern. Die Eindeutigkeit steigt dann bis zu einer synthetischen Wellenlänge, die im Fall von zwei Wellenlängen der Schwebungsfrequenz entspricht. Diese liegt typischerweise im Bereich von einigen μm bis mm.
  • Frequenzscannende Interferometer und das zugehörige Auswerteverfahren sind in verschiedenen Patenten beschrieben. Beispiele finden sich in den Schriften US 20030231691 , US 20030234936 , US 5880841 , US 5926277 , WO 03/103105 so wie in der Schrift WO 2004/001330 .
  • Das Funktionsprinzip besteht darin, dass durch Durchstimmen des Lasers in äquidistanten Intervallen ein sinusförmiges Signal an der Kamera aufgenommen wird, dessen Frequenz proportional zur Entfernung des Punktes von der Referenzfläche ist. Das Auswerteverfahren bestimmt dann diese Frequenz für jeden Bildpunkt, und ermittelt somit die Höhenkarte. Mit einem Abtastpunkt ist im Folgenden ein Interferenzbild bei einer bestimmten Frequenz gemeint.
  • Die bisher verwendeten Verfahren sind dabei in mehrerlei Hinsicht problematisch. Eine äquidistante Abtastung erfordert bei realistischem Signal- zu Rauschverhältnis schon aufgrund der theoretischen Genauigkeitsgrenzen entweder eine erhebliche Anzahl von Abtastpunkten oder hat einen sehr kleinen Eindeutigkeitsbereich, wobei die Eindeutigkeit sich umgekehrt proportional zur Schrittweite verhält und die Genauigkeit mit zunehmender Bandbreite, d. h. dem Gesamtbereich der Messpunkte, steigt. Die bisher beschriebenen Auswerteverfahren erreichen die theoretisch mögliche Genauigkeit nicht (beispielsweise das in der Schrift WO 2004/001330 beschriebene Verfahren) und/oder sind langsamer (z. B. das beschriebene Verfahren aus der Schrift US 5926277 ). Weiterhin muss für die verwendeten Auswerteverfahren die Abtastung genau äquidistant sein, da sonst erhebliche Fehler und Artefakte im Ergebnis auftreten.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Abtast- und Auswerteverfahren insbesondere für ein frequenzscannendes Mehrwellenlängen-Interferometer bereitzustellen, welches die zuvor beschriebenen Probleme vermindert bzw. komplett löst.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zur Abtastung mehrere Blöcke von Abtastpunkten, den Abtastfrequenzen, verwendet werden, die ungleiche Frequenzabstände aufweisen, und die resultierenden Signalfrequenzhöhenwerte in einem mehrstufigen Verfahren ermittelt werden. Mit diesem Verfahren wird einerseits eine Abtastung ermöglicht, die dicht an der theoretischen besten Abtastung für die gegebene Aufgabenstellung liegt. Zugleich wird damit ein schnelles Auswerteverfahren realisiert, welches die theoretisch mögliche Genauigkeit erreicht. Weiterhin bietet dieses Verfahren die Möglichkeit, Unregelmäßigkeiten in der Abtastung zu detektieren, und in der Auswertung zu berücksichtigen, ohne dass dadurch die Auswertedauer ansteigt.
  • Als besonders bevorzugte Verfahrensvariante sieht das Abtast- und Auswerteverfahren dabei vor, dass das Verfahren mit mindestens einem der Teilschritte
    • – Auswahl Abtastpunkte
    • – Frequenzschätzung
    • – Phasenschätzung
    • – Bestimmung Abtastpunkte
    • – Frequenzbestimmung durch Phasenkopplung
    • – Absolute Phasenbestimmung bei bekannter Oberfläche
    durchgeführt wird. Dabei spielt die Genauigkeit der Frequenzschätzung der einzelnen Blöcke keine Rolle, diese muss nur gut genug sein, um Eindeutigkeit herzustellen. Die Genauigkeit des Ergebnisses ergibt sich aus der Genauigkeit einer Phasenschätzung für die einzelnen Blöcke. Bei dieser Phasenschätzung kann auch eine nicht-äquidistante Abtastung berücksichtigt werden, sofern diese durch eine Überwachungsmöglichkeit ermittelt wird. Bei gleicher Anzahl an Abtastpunkten ist die Geschwindigkeit dieser Auswertung schneller als die Auswertung eines einzelnen Blockes mit allen Abtastpunkten.
  • Wird die Auswahl der Abtastpunkte unter Berücksichtigung mindestens einer der Parameter Anzahl der Abtastblöcke, Anzahl der Abtastpunkte pro Block, Abstand der Abtastblöcke und/oder Abstand der Abtastpunkte innerhalb eines Blockes durchgeführt, können damit der Eindeutigkeitsbereich sowie die Genauigkeit der Messung positiv beeinflusst werden.
  • Dabei können in vorteilhafter Weise die Parameter für die Auswahl der Abtastpunkte abhängig von der Hardware des Messsystems und von den Eigenschaften des Messobjektes ausgewählt werden.
  • Besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Wahl der richtigen Abtastfrequenzen hat sich herausgestellt, wenn die Werte für die Abtastpunkte durch Simulation und Modellierung oder empirisch aus einer Auswertung der Frequenzbestimmung durch Phasenkopplung ermittelt werden.
  • In der Praxis hat sich für die frequenzscannende Interferometrie die Wahl von zwei Abtastblöcken mit 8 bis 32 Abtastpunkte pro Block herausgestellt. Damit kann einerseits eine ausreichend hohe Genauigkeit und andererseits eine schnelle Auswertung realisiert werden. Eine Auswertung für 1 Million Bildpunkte und 32 Laserfrequenzen (= Abtastpunkten) ist beispielsweise auf einem Rechner, der auf einem INTEL® CoreTM 2 Duo E 6600 μ-Prozessor basiert, in wenigen Sekunden möglich. Die Genauigkeit ist – gleiche Anforderungen an den Eindeutigkeitsbereich etc. vorausgesetzt – um ca. den Faktor 10 besser als mit den im Stand der Technik erwähnten schnellen Verfahren, die eine vergleichbare Anzahl äquidistanter Frequenzen wählen und direkt die Fouriertransformation auswerten.
  • Zur Auswahl der Abtastpunkte ist es im Hinblick auf die Genauigkeit der Abtastpunkte von besonderem Vorteil, wenn diese überwacht werden. Dazu werden in einer bevorzugten Verfahrensvariante mindestens ein Teilbereich des Bildfeldes als Referenzfläche oder mindestens eine separate Referenzfläche, die in das Mehrwellenlängen-Interferometer eingebaut ist, genutzt.
  • In einer anderen ebenfalls vorteilhaften Variante werden zur Überwachung der Genauigkeit der Abtastpunkte Interferenzmuster an den Referenzflächen ausgewertet und/oder ein Vergleich dieser Interferenzmuster mit einer Referenzlichtquelle mit bekannter Frequenz durchgeführt.
  • In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird die Frequenzschätzung in einem ersten Schritt für mindestens einen Abtastblock und in einem darauf folgenden Schritt die Phasenschätzung durchgeführt, wobei zunächst hinsichtlich der Frequenzschätzung ein Mittelwert der Abtastfrequenzen der verschiedenen Abtastblöcke verwendet wird. Dies stellt ein einfaches Verfahren zur Generierung eines Startwertes dar. Ansonsten sind in umfassenden Literaturstellen Verfahren zur Frequenzschätzung bei einem sinusförmigen Signal mit unbekannter Amplitude, Modulation und Offset beschrieben. In einer parallel laufenden Anmeldung der Anmelderin wird zudem ein Verfahren zur schnellen Frequenzschätzung für kurze Blöcke äquidistanter Daten vorgestellt.
  • Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn zunächst eine grobe Schätzung verwendet wird und anschließend die Frequenzschätzung mit neuen, aus dem Schritt Frequenzbestimmung durch Phasenkopplung ermittelten Frequenzwerten wiederholt wird. Dabei ist es möglich, die tatsächliche Abtastung korrekt zu berücksichtigen, sofern entsprechende Messdaten vorliegen. Dies führt zu einer weiteren, erheblichen Verbesserung der Genauigkeit. Eine schnelle Implementierung eines solchen Verfahrens speziell für diesen Fall ist in einer ebenfalls parallel laufenden Anmeldung der Anmelderin beschrieben.
  • Kennzeichnend für eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante ist, dass im Schritt Frequenzbestimmung durch Phasenkopplung die Abtastfrequenzen von zwei Abtastblöcken miteinander hinsichtlich der Phase verknüpft und mittels eines Iterationsverfahrens neue Frequenzwerte ermittelt werden. Durch die Implementierung dieses Algorithmus kann insbesondere bei steigendem Rauschen die Auswertegüte deutlich verbessert werden. Dabei kann als erste Schätzung für die Frequenz der Mittelwert der Frequenzen der einzelnen Abtastblöcke verwendet werden.
  • Bin bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass im Schritt absolute Phasenbestimmung bei bekannter Oberfläche die Verfahrensschritte gemäß den vorhergehenden Ansprüchen angewendet werden, wobei bei einer glatten Oberfläche mit bekannten Eigenschaften ein bekannter Phasensprung berücksichtigt und das Verfahren nur auf einem Abtastblock angewandt wird. Damit können die zuvor ermittelten Abtastfrequenzen hinsichtlich ihrer Genauigkeit kalibriert werden, wobei eine neue Frequenzschätzung ermittelt wird, welche von der Präzision der Phasenschätzung abhängt. Bei diesem Vorgehen ergibt sich ein Ergebnis, das für glatte Oberflächen identisch mit einer durch räumliches Unwrapping gewonnen Phasenauswertung ist, wie dies beispielsweise bei der phasenschiebenden Interferometrie der Fall ist. Der entscheidende Vorteil ist, dass ein Unwrapping hier nicht erforderlich ist, und mit entsprechend hoher Genauigkeit auch Stufen und Entfernungen vermessen werden können.
  • Eine bevorzugte Anwendung des zuvor beschriebenen Abtast- und Auswerteverfahren sieht die Verwendung bei der beidseitigen Vermessung von Bauteilen mit zwei Messköpfen vor. Dies ist besonders von Vorteil, da sich die Messköpfe in diesem Fall gegenseitig sehen können. Da die optischen Eigenschaften der als Abdeckung der Austrittsöffnungen verwendeten Glasplatten bekannt sind, kann mit dem beschriebenen Verfahren die Lage der Messköpfe zueinander hochgenau bestimmt werden. Sofern das Messobjekt nicht das gesamte Bildfeld ausfüllt, kann diese Referenzierung automatisch bei jeder Messung erfolgen. Damit ist es möglich, die Dicke und Parallelität von Bauteilen mit höchster Genauigkeit zu bestimmen, da keine Normale oder ver gleichbare Hilfsmittel zur Ausrichtung der Messköpfe mehr erforderlich sind, und dadurch der Fehler deutlich reduziert werden kann.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 das Verfahren in einem schematischen Ablaufdiagramm.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Beim Abtast- und Auswerteverfahren 1 in 1 erfolgt zunächst die Auswahl der Abtastpunkte 10. Anhand der damit ermittelten Rohdaten 20 wird anhand einer Überprüfung 30 entschieden, ob die zunächst anfänglichen Abtastpunkte hinsichtlich der Genauigkeit, der Messobjekteigenschaften und des Eindeutigkeitsbereichs ausreichend gut sind. Ist dies der Fall, erfolgt der Schritt Blockweise Schätzung 50, in dem Blockweise die Frequenz, die Phase und/oder die Modulation geschätzt wird. In einem Folgeschritt wird in einer Blockübergreifenden Schätzung 60 die Genauigkeit verbessert. In einer weiteren Überprüfung 70 wird anhand des Messergebnisses entschieden, ob eine Karte 110 für die zu vermessende Objektoberfläche erstellt werden kann, in der Informationen zum Höhenprofil, zur Phasenlage und/oder zur Modulation enthalten sind. Optional kann anhand einer Präzisions-Phasenschätzung 80 und einer Kopplung 90 über mehrere Blöcke die Frequenz des Signals und damit die Höhenkarte weiter optimiert werden. Mit einer weiteren Überprüfung 100 können diese beiden Schritte erneut durchgeführt werden, bis eine optimale Höhenkarte der Objektoberfläche zur Verfügung steht.
  • Im Wesentlichen sind bei dem Ablauf sechs Teilschritte beteiligt. Diese sind
    • a) Auswahl der Abtastpunkte (Soll-Vorgabe),
    • b) Frequenzschätzung,
    • c) Phasenschätzung,
    • d) Bestimmung der Abtastpunkte (Ist-Werte),
    • e) Frequenzbestimmung durch Phasenkopplung und
    • f) Absolute Phasenbestimmung bei bekannter Oberfläche.
  • Der erste Schritt – a) Auswahl der Abtastpunkte – beschränkt sich bei diesem Verfahren auf die Wahl von vier Parametern:
    • • Anzahl Abtastblöcken,
    • • Anzahl der Abtastpunkte pro Block,
    • • Abstand der Abtastblöcke und
    • • Abstand der Abtastpunkte innerhalb eines Blockes
  • Die optimale Lösung ist dabei abhängig von der Hardware des Messsystems und von den Eigenschaften des Messobjektes.
  • Der Abstand der Abtastpunkte innerhalb eines Blockes beeinflusst den Eindeutigkeitsbereich der Messung. Die möglichen Werte sind durch Modensprünge und Bandbreite des verwendeten Lasers begrenzt, wobei die Modensprünge hierbei nützlich sein können, um einen sehr stabilen Frequenzabstand zu erhalten.
  • Der optimale Abstand der Abtastblöcke, die Anzahl der Abtastpunkte pro Block und die Anzahl an Abtastblöcken sind abhängig vom Signal- zu Rauschverhältnis, von der Genauigkeit, mit der die Abtastung eingehalten werden kann, von der Speckle-Größe (bei rauen Messobjekten), von der geforderten Größe des Messbereiches, d. h. in wie weit „blinde Bereiche" des Messgerätes akzeptabel sind und von der zulässigen Messdauer.
  • In der Regel sind zwei Abtastblöcke die sinnvollste Lösung. Die typische Anzahl von Abtastpunkten pro Block liegt für praktische Anwendungen in der frequenzscannenden Interferometrie zwischen 8 und 32. Diese Werte können durch Simulation und Modellierung bestimmt werden, aber auch empirisch auf Basis der Ergebnisse der Auswertung nach e) angepasst werden.
  • Bei der Bestimmung der tatsächlichen Abtastpunkte (d)) spielt die Genauigkeit der Abtastpunkte eine wichtige Rolle für das Ergebnis. Daher ist es in der Regel sinnvoll, sie zu überwachen. Dazu kann entweder ein Teilbereich des Bildfeldes genutzt werden, oder eine eigene Referenzfläche eingebaut werden. Es gibt auch kommerzielle verfügbare Systeme, die eine ausreichende Genauigkeit der Frequenzbestimmung bieten. Diese Systeme arbeiten in der Regel mit der Auswertung von Interferenzmustern, entweder an, durch Reflexion des Lichtes an mehreren Schichten bekannter Dicke, eventuell auch durch Vergleich dieser Interferenzmuster mit Referenzlasern bekannter Frequenz.
  • Eine besonders elegante Lösung ist es, einen Teil des Bildfeldes als Referenzfläche zu nutzen. Eine leicht schräg gestellte Glasplatte am Rande des Bildfeldes ermöglicht es, Frequenzdifferenzen über die Phasenverschiebung des entstehenden sinusförmigen Musters hochgenau zu bestimmen.
  • Bei der Frequenzschätzung (b)) muss in einem ersten Schritt die Frequenz für mindestens einen Abtastblock bestimmt werden. In der Regel ist es sinnvoll, diesen Wert für alle Blöcke zu bestimmen und dann zu mitteln. Zur Frequenzschätzung bei einem sinusförmigen Signal mit unbekannter Amplitude, Modulation und Offset gibt es umfassende Literatur. In der Regel ist das Optimierungsziel dabei jedoch leicht abweichend zum hier gewünschten Ziel. Zur optimalen Fehlergewichtung für diese Anwendung kann dafür insbesondere der Schritt Frequenzbestimmung durch Phasenkopplung (e)) eingesetzt werden.
  • Anschließend muss die Phasenschätzung (c)) erfolgen. Dies kann bereits als Teil der Frequenzschätzung (b)) erfolgen. Es gibt jedoch genauere Verfahren, die auch hinreichend schnell sind. Diese Verfahren benötigen die Signalfrequenzen. Dazu kann zunächst der Mittelwert der Frequenzen der verschiedenen Blöcke verwendet werden. Es dürfte oft sinnvoll sein, zuerst eine grobe Schätzung zu verwenden, sofern die Bedingungen im Schritt Frequenzbestimmung durch Phasenkopplung (e)) eingehalten werden, und nach Schritt e) mit einer genaueren Frequenzschätzungen und einem genaueren Verfahren eine erneute, bessere Phasenschätzung durchzuführen, und Schritt e) zu wiederholen, wie dies in 1 dargestellt ist.
  • Dabei ist es möglich, die tatsächlichen Laserfrequenzen korrekt zu berücksichtigen, sofern entsprechende Messdaten (d)) vorliegen. Dies führt zu einer weiteren, erheblichen Verbesserung der Genauigkeit.
  • Die Frequenzbestimmung durch Phasenkopplung (e)) ist der entscheidende Schritt zur hochgenauen Bestimmung der Frequenz:
  • Das Signal sei I(t) = A cos(ωt + φ) + C (1)wobei bedeutet:
  • I(t)
    = gemessene Intensität
    t
    = Abtastpunkt (Laserfrequenz bei der frequenzscannenden Interferometrie)
    A
    = Signalamplitude
    ω
    = Signalfrequenz des mit der Kamera erfassten Signals, welches proportional zur Entfernung/Höhe des Objektpunktes auf der Oberfläche ist
    C
    = Offset aufgrund von Streulicht
    φ
    = Phasensprung an der Oberfläche des Messobjektes
  • Gegeben sind zwei abgetastete Datenblöcke zentriert um t1 bzw. t2. Für jeden Block können nun ω und φ bestimmt werden. Dann muss gelten: 2πK = ωt1 + φ1 – (ωt2 + φ2), K ∊ N (2)
  • Hier gibt es keine eindeutige Lösung. K ist im Moment unbekannt. Als erste Schätzung für die Frequenz kann der Mittelwert der Frequenzen der einzelnen Blöcke verwendet werden: ωinit = (ω1 + ω2)/2 (3)
  • K wird derart gewählt, dass der Fehler minimiert wird. Dies funktioniert, solange der Fehler nicht dazu führt, dass ein falsches K gewählt wird. Damit können Uneindeutigkeiten aufgelöst werden. → Min(K)[ωinitt1 + φ1 – (ωinitt2 + φ2) – 2πK] (4)
  • Anschließend kann eine verbesserte Frequenzschätzung ermittelt werden, deren Genauigkeit nur von der Präzision der Phasenschätzung abhängt: ωnew = (φ1 – φ2 + 2πK)/(t1 – t2) (5)
  • Dies bedeutet, dass durch die Phasenschätzung ein Gitter möglicher Frequenzen gegeben ist, und die erste grobe Frequenzschätzung auf den nächstgelegenen Wert dieses Gitters abgebildet wird. Der Fehler des Gitters hängt nur von der Genauigkeit der Phasenschätzung ab. Solange der Fehler der Frequenzschätzung kleiner als der halbe Gitterabstand ist, spielt dieser keine Rolle.
  • Das ist auch das Kriterium für die Optimierung der Frequenzschätzung und unterscheidet sich insoweit von den üblichen Fehlerkriterien. Sollte der Fehler zu groß sein, so muss die Anzahl der Abtastpunkte pro Block erhöht werden oder der Abstand der Blöcke verringert werden. Zu bedenken ist dabei allerdings, dass eine Erhöhung der Anzahl der Abtastpunkte die Mess- und Auswertezeit verlängert, und eine Verringerung des Blockabstandes verringert die erreichbare Genauigkeit.
  • Der Schritt f) kann wie folgt beschrieben werden: Bei glatten Oberflächen mit bekannten Eigenschaften, d. h. bekannter Phasensprung φ0 an der Oberfläche, kann das Verfahren analog mit nur einem Messdatenblock angewandt werden, wenn von diesem die Frequenz ω, die Phase φ und der zugehörige Abtastpunkt (= Laserfrequenz) t bekannt sind. Dieser Datenblock kann seinerseits aus mehreren Blöcken bestehen, und die Frequenz ω und die Phase φ können z. B. mit Hilfe des Vorgehens nach e) ermittelt worden sein.
  • Das Signal sei wieder I(t) = Acos(ωt + φ) + C (6)
  • Dann muss gelten: 2πK = φ0 – (ωt + φ), K ∊ N (7)
  • Hier gibt es keine eindeutige Lösung. K ist wieder unbekannt. K kann nun so gewählt werden, dass der Fehler minimiert wird. Dies funktioniert wieder, solange der Fehler nicht dazu führt, dass ein falsches K gewählt wird. Damit können Uneindeutigkeiten aufgelöst werden. → Min(K)[φ0 – (ωt + φ) – 2πK] (8)
  • Anschließend kann eine verbesserte Frequenzschätzung ermittelt werden, deren Genauigkeit nur von der Präzision der Phasenschätzung abhängt: ωnew = (φ – φ0 + 2πK)/t (9)
  • Dies bedeutet, dass durch die Phasenschätzung ein Gitter möglicher Frequenzen gegeben ist, und die erste, grobe Frequenzschätzung auf den nächstgelegenen Wert dieses Gitters abgebildet wird. Der Fehler des Gitters hängt nur von der Genauigkeit der Phasenschätzung ab, und solange der Fehler der Frequenzschätzung kleiner als der halbe Gitterabstand ist, spielt er keine Rolle.
  • In diesem Fall ist es in der Regel nicht möglich, den Abstand der Blöcke zu verringern, weil sich der Frequenzbereich des Lasers nicht einfach ändern lässt. Da das Gitter bei diesem Ansatz in der Regel sehr eng ist (t ist in der Regel sehr viel größer als t1 – t2), ist eine sehr genaue Frequenzschätzung für den Datenblock erforderlich. Eine Möglichkeit dazu stellt die Vorgehensweise nach e) dar.
  • Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren und den aufgezeigten Verfahrensvarianten kann durch Optimierung der Abtastung und eine daran angepasste Signalauswertung bei frequenzscannenden Interferometern eine genaue und robuste Höhenabtastung realisiert werden, die zudem im Vergleich zum Stand der Technik einen deutlichen Geschwindigkeitsvorteil bietet. Zudem können die Lage von Ausreißern leicht erkannt werden, was die Zuverlässigkeit steigert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 20030231691 [0004]
    • - US 20030234936 [0004]
    • - US 5880841 [0004]
    • - US 5926277 [0004, 0006]
    • - WO 03/103105 [0004]
    • - WO 2004/001330 [0004, 0006]

Claims (16)

  1. Abtast- und Auswerteverfahren (1) für einen Mehrwellenlängen-Interferometer, bei dem zur Vermessung einer Objektoberfläche ein Bild des Objektes in einer Interferometeranordnung mit einem Referenzbild zur Interferenz gebracht und die Objektoberfläche nacheinander mit verschiedenen Frequenzen abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abtastung mehrere Blöcke von Abtastpunkten, den Abtastfrequenzen, verwendet werden, die ungleiche Frequenzabstände aufweisen, und die resultierenden Signalfrequenzhöhenwerte in einem mehrstufigen Verfahren ermittelt werden.
  2. Abtast- und Auswerteverfahren (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit mindestens einem der Teilschritte – Auswahl Abtastpunkte – Frequenzschätzung – Phasenschätzung – Bestimmung Abtastpunkte – Frequenzbestimmung durch Phasenkopplung – Absolute Phasenbestimmung bei bekannter Oberfläche durchgeführt wird.
  3. Abtast- und Auswerteverfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl Abtastpunkte unter Berücksichtigung mindestens einer der Parameter Anzahl der Abtastblöcke, Anzahl der Abtastpunkte pro Block, Abstand der Abtastblöcke und/oder Abstand der Abtastpunkte innerhalb eines Blockes durchgeführt wird.
  4. Abtast- und Auswerteverfahren (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter für die Auswahl Abtastpunkte abhängig von der Hardware des Messsystems und von den Eigenschaften des Messobjektes ausgewählt werden.
  5. Abtast- und Auswerteverfahren (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für die Abtastpunkte durch Simulation und Modellierung oder empirisch aus einer Auswertung der Frequenzbestimmung durch Phasenkopplung ermittelt werden.
  6. Abtast- und Auswerteverfahren (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Abtastblöcke mit 8 bis 32 Abtastpunkte pro Block gewählt werden.
  7. Abtast- und Auswerteverfahren (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswahl Abtastpunkte mindestens ein Teilbereich des Bildfeldes als Referenzfläche oder mindestens eine separate Referenzfläche, die in das Mehrfrequenz-Interferometer eingebaut ist, genutzt werden.
  8. Abtast- und Auswerteverfahren (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Interferenzmuster an den Referenzflächen ausgewertet und/oder ein Vergleich dieser Interferenzmuster mit einer Referenzlichtquelle mit bekannter Frequenz durchgeführt werden.
  9. Abtast- und Auswerteverfahren (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzschätzung in einem ersten Schritt für mindestens einen Abtastblock und in einem darauf folgenden Schritt die Phasenschätzung durchgeführt wird.
  10. Abtast- und Auswerteverfahren (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst hinsichtlich der Frequenzschätzung ein Mittelwert der Abtastfrequenzen der verschiedenen Abtastblöcke verwendet werden.
  11. Abtast- und Auswerteverfahren (1) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzschätzung mit neuen, aus dem Schritt Frequenzbestimmung durch Phasenkopplung ermittelten Frequenzwerten wiederholt wird.
  12. Abtast- und Auswerteverfahren (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt Frequenzbestimmung durch Phasenkopplung die Abtastfrequenzen von zwei Abtastblöcken miteinander hinsichtlich der Phase verknüpft und mittels eines Iterationsverfahrens neue Frequenzwerte ermittelt werden.
  13. Abtast- und Auswerteverfahren (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Schätzung für die Frequenz der Mittelwert der Frequenzen der einzelnen Abtastblöcke verwendet wird.
  14. Abtast- und Auswerteverfahren (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt absolute Phasenbestimmung bei bekannter Oberfläche die Verfahrensschritte gemäß den vorhergehenden Ansprüchen angewendet werden, wobei bei einer glatten Oberfläche mit bekannten Eigenschaften ein bekannter Phasensprung berücksichtigt und das Verfahren nur auf einem Abtastblock angewandt wird.
  15. Abtast- und Auswerteverfahren (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Verfahrensschritt gemäß Anspruch 14 eine neue Frequenzschätzung ermittelt wird, welche von der Präzision der Phasenschätzung abhängt.
  16. Anwendung des Abtast- und Auswerteverfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 bei der beidseitigen Vermessung von Bauteilen mit zwei Messköpfen.
DE200710006490 2007-02-09 2007-02-09 Abtast- und Auswerteverfahren für einen Mehrwellenlängen-Interferometer Withdrawn DE102007006490A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200710006490 DE102007006490A1 (de) 2007-02-09 2007-02-09 Abtast- und Auswerteverfahren für einen Mehrwellenlängen-Interferometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200710006490 DE102007006490A1 (de) 2007-02-09 2007-02-09 Abtast- und Auswerteverfahren für einen Mehrwellenlängen-Interferometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102007006490A1 true DE102007006490A1 (de) 2008-08-14

Family

ID=39597507

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE200710006490 Withdrawn DE102007006490A1 (de) 2007-02-09 2007-02-09 Abtast- und Auswerteverfahren für einen Mehrwellenlängen-Interferometer

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102007006490A1 (de)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5880841A (en) 1997-09-08 1999-03-09 Erim International, Inc. Method and apparatus for three-dimensional imaging using laser illumination interferometry
US5926277A (en) 1987-09-08 1999-07-20 Erim International, Inc. Method and apparatus for three-dimensional imaging using laser illumination interferometry
WO2003103105A2 (en) 2002-05-02 2003-12-11 Lightgage, Inc. Tunable laser system having an adjustable external cavity
US20030234936A1 (en) 2002-06-24 2003-12-25 Marron Joseph C. Common-path frequency-scanning interferometer
WO2004001330A2 (en) 2002-06-24 2003-12-31 Lightgage, Inc. Multi-stage data processing for frequency-scanning interferometer

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5926277A (en) 1987-09-08 1999-07-20 Erim International, Inc. Method and apparatus for three-dimensional imaging using laser illumination interferometry
US5880841A (en) 1997-09-08 1999-03-09 Erim International, Inc. Method and apparatus for three-dimensional imaging using laser illumination interferometry
WO2003103105A2 (en) 2002-05-02 2003-12-11 Lightgage, Inc. Tunable laser system having an adjustable external cavity
US20030231691A1 (en) 2002-05-29 2003-12-18 Marron Joseph C. Tunable laser system having an adjustable external cavity
US20030234936A1 (en) 2002-06-24 2003-12-25 Marron Joseph C. Common-path frequency-scanning interferometer
WO2004001330A2 (en) 2002-06-24 2003-12-31 Lightgage, Inc. Multi-stage data processing for frequency-scanning interferometer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112019002028T5 (de) Lidar-erfassungsanordnungen
EP2920544A1 (de) Optische messverfahren und messvorrichtung mit einem messkopf zum erfassen einer oberflachentopographie mittels kalibrierung der orientierung des messkopfs
DE10392881B4 (de) Frequenzabtast-Interferometer mit diffus-reflektierender Referenzoberfläche
DE10163027A1 (de) Objektlageermittlungsverfahren und eine dieses Verfahren verwendende Vorrichtung
EP0561015A1 (de) Interferometrische Phasenmessung
EP2194356B1 (de) Optisches Messgerät
WO2014016200A1 (de) Interferometrische entfernungsmessanordnung und ebensolches verfahren
WO2015169730A1 (de) Verfahren und sensor zur bestimmung der oberfläche eines objekts mittels deflektometrie
DE112018002147T5 (de) Krümmungsradiusmessung durch spektral gesteuerte Interferometrie
DE112018007955T5 (de) Vorrichtung zur Messung der Position eines beweglichen Spiegels eines Interferometers und Fouriertransform-Infrarotspektrometer
WO2005116578A2 (de) Messverfahren zur formmessung
EP0626563B1 (de) Positionsmesseinrichtung mit Hologramm-Masstab
DE4426424C2 (de) Vorrichtung zur rasterstereografischen Vermessung von Körperoberflächen
DE102010037207B3 (de) Rauheits-Messvorrichtung und -Messverfahren
EP0491749A1 (de) Vorrichtung zur absoluten zweidimensionalen positionsmessung.
DE102010062842B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der absoluten Position eines Objekts
DE102007006490A1 (de) Abtast- und Auswerteverfahren für einen Mehrwellenlängen-Interferometer
EP3719539A1 (de) Vorrichtung und verfahren zum dreidimensionalen erfassen wenigstens eines objekts
DE102018115673A1 (de) Verfahren und Vorrichtungen zur Musterprojektion
DE102012018534A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Ebenheit und/oder Parallelität zweier einander zugewandter Flächen
EP1843132B1 (de) Verfahren zum Initialisieren eines Positionsmesssystems
DE102010056122B3 (de) Verfahren zur robusten, insbesondere weitskaligen Interferometrie
DE102020113675B4 (de) Autokollimator und Oberflächen-Messsystem
DE102022202893A1 (de) Messverfahren und Messvorrichtung zur Messung der Rauheit einer Oberfläche
EP3581879B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur interferometrischen vermessung einer oberfläche eines bewegten prüflings

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed

Effective date: 20131007

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20140902