DE102010020860B4 - Mikroferoskop - Google Patents

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Abstract

Optisches Messsystem (10) zur Messung zumindest einer Komponente der Verformung und/oder der Dehnung eines Messobjekts (22) in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung mittels Laser Speckle Digital-Holographie, umfassend:eine Laser Speckle Digital-Holographie Vorrichtung (12, 12-1, 12-2, 12-3) zum Beleuchten eines Abtastbereichs des Messobjekts (22), welche eine out-of-plane und/oder eine in-plane Laser Speckle Digital-Holographie Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen aufweist, wobei die Laser Speckle Digital-Holographie Vorrichtung (12, 12-1, 12-2, 12-3) als ein Modul mit einem Gehäuse aufgebaut ist, undeine Strahlerzeugungsvorrichtung, welche ausgelegt ist, die zumindest zwei kohärenten Strahlen zu erzeugen; undeine Strahllenkungsvorrichtung, welche ausgelegt ist, die zumindest zwei kohärenten Strahlen umzulenken umfasst;ein Mikroskopobjektiv (24), dessen optische Achse im Wesentlichen parallel zu einer vertikalen Richtung ist und welches in dem optischen Pfad des zumindest einen Teils des vom Messobjekt (22) reflektierten Lichts angeordnet ist,wobei das optische Messsystem (10) dadurch gekennzeichnet ist, dass wenn gesehen in der vertikalen Richtung, die Laser Speckle Digital-Holographie Vorrichtung (12, 12-1, 12-2, 12-3) unterhalb oder oberhalb des Mikroskopobjektivs (24) und/oder eines Mikroskopgrundkörpers (26) angeordnet ist.Optical measuring system (10) for measuring at least one component of the deformation and / or the elongation of a measurement object (22) in at least one predetermined or predeterminable direction by means of laser speckle digital holography, comprising: a laser speckle digital holography device (12, 12- 1, 12-2, 12-3) for illuminating a scanning area of the measurement object (22), which has an out-of-plane and / or an in-plane laser speckle digital holography arrangement with at least two coherent beams, the laser Speckle digital holography device (12, 12-1, 12-2, 12-3) is constructed as a module with a housing, and a beam generating device which is designed to generate the at least two coherent beams; anda beam steering device configured to redirect the at least two coherent beams; a microscope objective (24) whose optical axis is substantially parallel to a vertical direction and which is in the optical path of the at least a portion of the light reflected by the measurement object (22) is arranged, the optical measuring system (10) being characterized in that, when viewed in the vertical direction, the laser speckle digital holography device (12, 12-1, 12-2, 12-3) below or above the microscope objective ( 24) and / or a microscope body (26) is arranged.

Description

Die Erfindung betrifft optische Messsysteme und optische Messverfahren basierend auf Digital-Holografie zur Messung von Verformungen und/oder Dehnungen an Objekten, insbesondere an Mikroobjekten. Die Mikroobjekte weisen vorzugsweise einen Querschnitt von weniger als 1 mm2 auf.The invention relates to optical measuring systems and optical measuring methods based on digital holography for measuring deformations and / or strains on objects, in particular on micro objects. The microobjects preferably have a cross section of less than 1 mm 2 .

In dem Gebiet der Festkörpermechanik finden Laser Speckle Methoden, insbesondere Digital-Holografie auch ESPI genannt (Englisch: Electronic Speckle Pattern Interferometry), auf den Gebieten der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, Bauteiloptimierung und der Verformungs- und Dehnungsmessung zunehmend breitere Anwendung. Sie weisen eine hohe Messgenauigkeit auf und benötigen gegenüber anderen Messverfahren einen geringeren Zeit- und Arbeitsaufwand zur Vorbereitung und Durchführung der verformungsanalytischen Untersuchungen.In the field of solid-state mechanics, laser speckle methods, in particular digital holography also called ESPI (English: Electronic Speckle Pattern Interferometry), are increasingly being used in the areas of non-destructive material testing, component optimization and deformation and strain measurement. They have a high measuring accuracy and, compared to other measuring methods, require less time and effort to prepare and carry out the deformation analysis tests.

Bei in-plane Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtungen wird das zu vermessende Objekt (Messobjekt) symmetrisch von zwei kohärenten Strahlen (Objektstrahlen) unter einem vorgegebenen Winkel beleuchtet. Das auf der Messobjektoberfläche überlagerte und interferierende Licht der beiden Objektstrahlen wird diffus reflektiert und auf einen zwei dimensionalen Detektor (in der Regel eine CCD-Kamera) fokussiert und aufgenommen.In in-plane digital holography (ESPI) devices, the object to be measured (measurement object) is illuminated symmetrically by two coherent beams (object beams) at a predetermined angle. The interfering light of the two object beams, which is superimposed and interfering on the measurement object surface, is diffusely reflected and focused and recorded on a two-dimensional detector (usually a CCD camera).

Bei out-of-plane Digital-Hologaphie (ESPI) Vorrichtungen wird das Messobjekt nur durch einen Objektstrahl beleuchtet. In dem Strahlengang des Detektors wird ein mit dem Objektstrahl kohärenter Referenzstrahl eingekoppelt. Das interferierende Licht des Objektstrahls und des Referenzstrahls wird auf den Detektor (in der Regel eine CCD-Kamera) fokussiert und aufgenommen.In out-of-plane digital holography (ESPI) devices, the measurement object is illuminated only by an object beam. A reference beam coherent with the object beam is coupled into the beam path of the detector. The interfering light of the object beam and the reference beam is focused and recorded on the detector (usually a CCD camera).

Üblicherweise wird je ein Bild vor und nach der Verformung des Messobjekts aufgenommen. Ebenfalls ist es möglich, ein Phasenschrittverfahren anzuwenden. Hierzu werden mehrere Speckle-Bilder des Messobjekts mit unterschiedlichen Phasenlagen einer der beiden Beleuchtungswellen aufgenommen. Durch Auswertung der aufgenommenen Speckle-Bilder kann mittels Bildverarbeitung die Komponente der Verformung oder Dehnung des Messobjekts in der Ebene der beiden Beleuchtungswellen (in-plane oder Objektebene) berechnet werden.Usually, an image is taken before and after the deformation of the measurement object. It is also possible to use a phase step method. For this purpose, several speckle images of the measurement object with different phase positions of one of the two illumination waves are recorded. By evaluating the recorded speckle images, the component of the deformation or elongation of the measurement object in the plane of the two illumination waves (in-plane or object plane) can be calculated using image processing.

Die Entgegenhaltungen US 2009 0 128 825 A1 , Xu, L. et al.: „Studies of digital microscopic holography wth applications to microstructure testing“, Applied Optics, Vol. 40, No. 28, Seiten 5046 bis 5051 , JP 2007240465 A und JP 2007113974 A , beschreiben jeweils optische holographische Messsysteme zur Messung von Verformungen und/oder Dehnungen eines Messobjekts.The citations US 2009 0 128 825 A1 . Xu, L. et al .: "Studies of digital microscopic holography wth applications to microstructure testing", Applied Optics, Vol. 40, No. 28, pages 5046 to 5051 . JP 2007240465 A and JP 2007113974 A , each describe optical holographic measuring systems for measuring deformations and / or strains of a measurement object.

Aufgabe der Erfindung ist ein verbessertes optisches Messsystem basierend auf Digital-Holographie (ESPI) und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, welche zur Messung von Verformungen und/oder Dehnungen an Objekten und insbesondere an Mikroobjekten geeignet sind.The object of the invention is to provide an improved optical measuring system based on digital holography (ESPI) and a corresponding method which are suitable for measuring deformations and / or strains on objects and in particular on micro-objects.

Diese Aufgabe wird durch ein optisches Messsystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 ein Verfahren zur Messung von Komponenten der Verformung- und/oder Dehnung von Objekten mit den Merkmalen gemäß Anspruch 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.This object is achieved by an optical measuring system with the features according to claim 1, a method for measuring components of the deformation and / or elongation of objects with the features according to claim 11. Preferred embodiments of the invention are defined in the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Messsystem zur Messung zumindest einer Komponente der Verformung und/oder der Dehnung eines Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung mittels Digital-Holographie, umfassend:

  • eine Laser Speckle Digital-Holographie Vorrichtung (nachfolgend Digital-Holographie oder ESPI Vorrichtung genannt) zum Beleuchten eines Abtastbereichs eines Messobjekts, welche eine out-of-plane und/oder eine in-plane Digital-Holographie Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen aufweist,
  • ein Mikroskopobjektiv dessen optische Achse im Wesentlichen parallel zu einer vertikalen Richtung ist und welches in dem optischen Pfad des zumindest einen Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts angeordnet ist,
  • wobei, wenn gesehen in der vertikalen Richtung, die Digital-Holographie Vorrichtung unterhalb oder oberhalb des Mikroskopobjektivs und/oder eines Mikroskopgrundkörpers angeordnet ist.
According to a first aspect of the invention, an optical measuring system for measuring at least one component of the deformation and / or the elongation of a measurement object in at least one predetermined or predeterminable direction by means of digital holography, comprising:
  • a laser speckle digital holography device (hereinafter referred to as digital holography or ESPI device) for illuminating a scanning area of a measurement object, which has an out-of-plane and / or an in-plane digital holography arrangement with at least two coherent beams,
  • a microscope objective whose optical axis is essentially parallel to a vertical direction and which is arranged in the optical path of the at least part of the light reflected by the measurement object,
  • wherein, when viewed in the vertical direction, the digital holography device is arranged below or above the microscope objective and / or a microscope body.

Die vertikale oder senkrechte Richtung ist die Richtung lotrecht oder rechtwinklig zur Erdoberfläche bzw. auf den Erdmittelpunkt gerichtet. Die zumindest zwei kohärenten Strahlen bei einer in-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung einen ersten Objektstrahl und einen zweiten Objektstrahl zum Beleuchten eines Abtastbereichs des Messobjekts unter zwei unterschiedlichen vorgegebenen oder vorgebbaren Winkeln. Die Beleuchtung erfolgt in der Regel symmetrisch, d.h. der erste und der zweite Winkel sind dem Betrag nach gleich, weisen jedoch unterschiedliche Vorzeichen auf. Bei einer out-of-plane Digital Holographie (ESPI) Anordnung umfassen die zwei kohärenten Strahlen einen ersten Objektstrahl zum Beleuchten eines Abtastbereichs des Messobjekts unter einen vorgegebenen oder vorgebbaren Winkel und einen Referenzstrahl zum Einkoppeln/Überlagern mit zumindest einen Teil des vom Objekt reflektierten Lichts.The vertical or vertical direction is the direction perpendicular or perpendicular to the surface of the earth or to the center of the earth. The at least two coherent beams in an in-plane digital holography (ESPI) arrangement include a first object beam and a second object beam for illuminating a scanning area of the measurement object at two different predetermined or predefinable angles. The lighting is usually symmetrical, i.e. the first and second angles are equal in magnitude, but have different signs. In an out-of-plane digital holography (ESPI) arrangement, the two coherent beams comprise a first object beam for illuminating a scanning area of the measurement object at a predetermined or predeterminable angle and a reference beam for coupling / superimposition with at least part of the light reflected by the object.

Digital-Holographie (ESPI) ist als ein Modul mit einem Gehäuse aufgebaut. Insbesondere umfasst die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung mit einer in-plane und/oder out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung:

  • eine Strahlerzeugungseinrichtung, welche ausgelegt ist, die zumindest zwei kohärenten Strahlen zu erzeugen, und
  • eine Strahllenkungseinrichtung, welche ausgelegt ist, die zumindest zwei kohärenten Strahlen umzulenken.
Digital holography (ESPI) is constructed as a module with a housing. In particular, the digital holography (ESPI) device with an in-plane and / or out-of-plane digital holography (ESPI) arrangement comprises:
  • a beam generating device, which is designed to generate the at least two coherent beams, and
  • a beam steering device which is designed to deflect the at least two coherent beams.

Bei einer Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung mit einer out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung ist die Strahlerzeugungseinrichtung derart ausgelegt, zumindest einen ersten Objektstrahl und zumindest einen Referenzstrahl zu erzeugen. Die Strahllenkungseinrichtung ist derart ausgelegt, den ersten Objektstrahl auf ein Messobjekt derart umzulenken, dass ein Abtastbereich des Messobjekts unter einem vorgegebenen oder vorgebbaren ersten Winkel vom ersten Objektstrahl beleuchtet wird, und den Referenzstrahl im optischen Pfad zumindest eines Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts des ersten Objektstrahls einzukoppeln. Bei einer Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung mit einer in-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung ist die Strahlerzeugungseinrichtung derart ausgelegt, zumindest einen ersten und einen zweiten Objektstrahl, welcher mit dem ersten Objektstrahl kohärent ist, zu erzeugen. Die Strahllenkungseinrichtung ist derart ausgelegt, den ersten und den zweiten Objektstrahl auf das Messobjekt derart umzulenken, dass der Abtastbereich des Messobjekts unter einem ersten vorgegebenen oder vorgebbaren Winkel vom ersten Objektstrahl beleuchtet wird und unter einem zweiten vorgegebenen oder vorgebbaren Winkel vom zweiten Objektstrahl beleuchtet wird.In a digital holography (ESPI) device with an out-of-plane digital holography (ESPI) arrangement, the beam generating device is designed to generate at least one first object beam and at least one reference beam. The beam steering device is designed to deflect the first object beam onto a measurement object in such a way that a scanning area of the measurement object is illuminated by the first object beam at a predetermined or predeterminable first angle, and the reference beam in the optical path of at least part of the light of the first object beam reflected by the measurement object couple. In a digital holography (ESPI) device with an in-plane digital holography (ESPI) arrangement, the beam generating device is designed to generate at least a first and a second object beam which is coherent with the first object beam. The beam steering device is designed such that the first and the second object beam are deflected onto the measurement object in such a way that the scanning area of the measurement object is illuminated by the first object beam at a first predetermined or predeterminable angle and is illuminated by the second object beam at a second predefined or predefinable angle.

Zur Realisierung einer out-of-plane und einer in-plane Digital Holographie (ESPI) Anordnung kann die Strahlerzeugungseinrichtung derart ausgelegt werden bzw. sein, zumindest einen ersten Objektstrahl, einen zweiten Objektstrahl und einen Referenzstrahl zu erzeugen. Die Strahlumlenkungsvorrichtung kann derart ausgelegt werden, den ersten Objektstrahl, den zweiten Objektstrahl und den Referenzstrahl wie oben beschrieben umzulenken.In order to implement an out-of-plane and an in-plane digital holography (ESPI) arrangement, the beam generating device can be designed or can be used to generate at least a first object beam, a second object beam and a reference beam. The beam deflection device can be designed to deflect the first object beam, the second object beam and the reference beam as described above.

Durch die Integration der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung mit einem Mikroskopobjektiv oder mit einem Mikroskop in einem gesamten optischen (mikroskopischen) Messsystem ist es möglich, eine berührungslose Verformungs- und/oder Dehnungsmessung von Mikroobjekten (z.B. Mikromembrane, Piezomotore, Y-Gabeln, usw.) mit einem Querschnitt von weniger als 1 mm2 durchzuführen. Somit können das optische Messsystem und das Messverfahren insbesondere in Bereichen eingesetzt werden, in welcher die Auflösung einer einfachen optischen Betrachtung kleiner Flächen, mangels Vergrößerung, nicht ausreicht. Eine Anwendung der Laser-Speckle Methoden auf Mikroobjekte oder Mikrobauelemente, welche einen Querschnitt von weniger als 1 mm2 aufweisen, wurde bisher kaum durchgeführt, obwohl der Trend in der Industrie zu immer kleineren Bauteilen geht. In Folge der Miniaturisierung wird es immer notwendiger, ein berührungsloses Messverfahren zu entwickeln, welches der Industrie die notwendigen Materialkennwerte liefern kann. Da es zur Zeit noch keine bzw. nur sehr wenige Untersuchungen über das Verformungsverhalten von Mikrobauteilen gibt, wäre das Verständnis über das Verhalten der Verformungen und/oder der daraus entstehenden Dehnungen für eine Optimierung solcher Bauteile von großem Nutzen. Die Anordnung der Digital-Holographie Vorrichtung in Bezug auf das Mikroskopobjektiv bzw. in Bezug auf den Mikroskopgrundkörper kann variieren. Vorzugsweise ist die Digital-Holographie Vorrichtung unterhalb des Mikroskopobjektivs und/oder des Mikroskopsgrundkörpers angeordnet. Durch die Anordnung der Digital-Holographie Vorrichtung unterhalb des Mikroskopobjektivs (d.h. zwischen dem Messobjekt und dem Mikroskopobjektiv) wird eine bessere Ausleuchtung des Messobjekts ermöglicht. Weitere Vorteile sind eine genauere in-plane Untersuchung des Messobjekts sowie die Möglichkeit, die Beleuchtungsarme und somit die Digital-Holographie Vorrichtung möglichst klein oder kompakt zu gestalten. Ferner ist eine Anordnung der Digital-Holographie Vorrichtung unterhalb des Mikroskopobjektivs vorteilhaft, da der Mikroskopgrundkörper sich oberhalb der Digital-Holographie Vorrichtung und des Mikroskopobjektiv befindet und somit den Einbau der Digital-Holographie Vorrichtung und/oder die Messung nicht behindert. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Digital-Holographie Vorrichtung oberhalb des Mikroskopobjektivs und/oder des Mikroskopgrundkörpers anzuordnen.By integrating the digital holography (ESPI) device with a microscope objective or with a microscope in an entire optical (microscopic) measuring system, it is possible to measure the contactless deformation and / or strain of micro objects (e.g. micro membrane, piezomotors, Y-forks, etc.) with a cross section of less than 1 mm 2 . Thus, the optical measuring system and the measuring method can be used in particular in areas in which the resolution of a simple optical observation of small areas, due to the lack of magnification, is not sufficient. The application of laser speckle methods to micro-objects or micro-components with a cross-section of less than 1 mm 2 has hardly been carried out so far, although the trend in industry is towards ever smaller components. As a result of miniaturization, it is becoming increasingly necessary to develop a non-contact measurement method that can provide the industry with the necessary material parameters. Since there are currently no or only very few studies on the deformation behavior of microcomponents, an understanding of the behavior of the deformations and / or the resulting strains would be of great benefit for the optimization of such components. The arrangement of the digital holography device with respect to the microscope objective or in relation to the microscope body can vary. The digital holography device is preferably arranged below the microscope objective and / or the base of the microscope. The arrangement of the digital holography device below the microscope objective (ie between the measurement object and the microscope objective) enables better illumination of the measurement object. Further advantages are a more precise in-plane examination of the measurement object and the possibility of making the lighting arms and thus the digital holography device as small or compact as possible. Furthermore, an arrangement of the digital holography device below the microscope objective is advantageous because the microscope base is located above the digital holography device and the microscope objective and thus does not impede the installation of the digital holography device and / or the measurement. However, it is also possible to arrange the digital holography device above the microscope objective and / or the microscope body.

Vorzugsweise weist die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung eine out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen auf, wobei die zumindest zwei kohärenten Strahlen einen ersten Objektstrahl zum Beleuchten eines Abtastbereichs eines Messobjekts unter einem vorgegebenen oder vorgebbaren ersten Winkel; und einen Referenzstrahl zum Einkoppeln im optischen Pfad zumindest eines Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts umfassen, und wobei im optischen Pfad des Referenzstrahls eine Referenzstrahlaufweitungsvorrichtung umfassend zumindest zwei (nach einander angeordneten) Diffusoren angeordnet ist.The digital holography (ESPI) device preferably has an out-of-plane digital holography (ESPI) arrangement with at least two coherent beams, the at least two coherent beams having a first object beam for illuminating a scanning area of a measurement object under a predetermined or predeterminable one first angle; and comprise a reference beam for coupling in the optical path of at least part of the light reflected by the measurement object, and wherein a reference beam expansion device comprising at least two (arranged one after the other) diffusers is arranged in the optical path of the reference beam.

In herkömmlichen out-of-plane Digital Holographie (ESPI) Vorrichtungen werden zur Aufweitung des Referenzstrahls unterschiedliche optische Elemente, wie z.B. Spiegel, Linsen, usw. eingesetzt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Justierung solcher Strahlaufweitungssysteme relativ aufwendig ist. Ferner weisen optische Elemente wie Linsen oder Spiegel schon bei geringer Verschmutzung, zum Beispiel durch Staub, eine ungenügende Qualität des Strahlprofils auf. Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird eine einfache Referenzstrahlaufweitungsvorrichtung vorgeschlagen, welche sich insbesondere für ein mikroskopisches Messsystem auf dem Prinzip der Digital-Holographie eignet. Die Referenzstrahlaufweitungsvorrichtung umfasst zumindest zwei Diffusoren, welche im optischen Pfad des Referenzstrahls nach einander, d.h. seriell, angeordnet sind. Diffusoren sind insbesondere diffus streuende, reflektierende, brechende oder beugende optische Elemente. Die beiden Diffusoren können jeweils im Wesentlichen plane Groundgläser sein, welche im Wesentlichen parallel zu einander angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Groundgläser jeweils im Wesentlichen senkrecht zu der Achse des Referenzstrahls angeordnet.In conventional out-of-plane digital holography (ESPI) devices, different optical elements, such as mirrors, lenses, etc., are used to expand the reference beam. However, this has the disadvantage that the adjustment of such beam expansion systems is relatively complex. Furthermore, optical elements such as lenses or mirrors have an insufficient quality of the beam profile even when they are only slightly contaminated, for example by dust. According to the first aspect of the invention, a simple reference beam expansion device is proposed, which is particularly suitable for a microscopic measuring system based on the principle of digital holography. The reference beam expansion device comprises at least two diffusers, which are arranged one after the other, ie in series, in the optical path of the reference beam. Diffusers are, in particular, diffusely scattering, reflecting, refractive or diffractive optical elements. The two diffusers can each be essentially flat ground glasses, which are arranged essentially parallel to one another. The ground glasses are preferably arranged essentially perpendicular to the axis of the reference beam.

Durch den Einsatz von zwei Diffusoren (z.B. von zwei Groundgläsern) kann der Referenzstrahl in einfacher Weise aufgeweitet werden. Die Qualität des Strahlprofils ist sehr gut und die resultierende Specklegröße des Referenzstrahls relativ klein. Dies kann insbesondere zum Einsatz in einem mikroskopischen Messsystem vorteilhaft sein. Die Referenzstrahlaufweitungsvorrichtung ist gut einstellbar und justierbar. Einer der beiden Diffusoren (z.B. Groundgläser) kann z.B. fest und der andere beweglich und/oder verschiebbar bzw. verlagerbar angeordnet werden. Durch die Verschiebung bzw. Verlagerung eines der beiden Diffusoren relativ zu dem anderen kann die Specklegröße in einfacher und effizienter Weise eingestellt werden.The reference beam can easily be expanded by using two diffusers (e.g. two ground glasses). The quality of the beam profile is very good and the resulting speckle size of the reference beam is relatively small. This can be particularly advantageous for use in a microscopic measuring system. The reference beam expansion device is easily adjustable and adjustable. One of the two diffusers (e.g. ground glasses) can e.g. fixed and the other movable and / or displaceable or displaceable. By moving one of the two diffusers relative to the other, the speckle size can be adjusted in a simple and efficient manner.

Vorzugsweise wird zwischen den beiden Diffusoren eine Intensitätseinstellungsvorrichtung angeordnet, wobei die Intensitätseinstellungsvorrichtung vorzugsweise einen verschiebbar angeordneten Graukeil umfasst (Doppeldiffusor- insbesondere Doppelgroundglasssystem mit integriertem Graukeil). Ein Graukeil wird in der Regel aus schwarz durchgefärbtem Neutralglas gefertigt. Zur Vermeidung des Strahlversatzes kann der Graukeil mit einem Ausgleichskeil verkittet werden. Der Graukeil kann beweglich oder verschiebbar angeordnet werden. Zum Beispiel kann die Position des Graukeils mit einem Verlagerungs- bzw. Schiebemechanismus, welcher z.B. durch eine Einstellschraube betätigt wird, variiert werden. Ein Vorteil der Intensitätseinstellung mittels eines Graukeils ist die neutrale, d.h. im Wesentlichen wellenlängen- und polarisationsunabhängige Änderung der Intensität. Ferner ist der Graukeil in kleinen Baugrößen verfügbar und kann einfach mit einem Schraube-Feder-System verstellt werden. Vorteile eines Doppeldiffusor-, insbesondere Doppelgroundglas-Systems mit integriertem Graukeil sind eine besonders günstige Aufweitung mit kleinen Specklen und eine bessere Dosierbarkeit der Intensität des Referenzstrahls.An intensity setting device is preferably arranged between the two diffusers, the intensity setting device preferably comprising a displaceably arranged gray wedge (double diffuser, in particular double ground glass system with integrated gray wedge). A gray wedge is usually made of black colored neutral glass. The gray wedge can be cemented with a compensating wedge to avoid blasting. The gray wedge can be arranged movably or displaceably. For example, the position of the gray wedge can be adjusted with a shifting mechanism which e.g. operated by an adjusting screw can be varied. An advantage of intensity adjustment using a gray wedge is the neutral, i.e. essentially change in intensity independent of wavelength and polarization. The gray wedge is also available in small sizes and can be easily adjusted using a screw and spring system. Advantages of a double diffuser, especially double ground glass system with an integrated gray wedge are a particularly favorable expansion with small speckles and a better dosing of the intensity of the reference beam.

Vorzugsweise weist die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung eine in-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen auf, wobei die zumindest zwei kohärenten Strahlen den ersten Objektstrahl und einen zweiten Objektstrahl zum Beleuchten des Abtastbereichs des Messobjekts unter einem vorgegebenen oder vorgebbaren zweiten Winkel umfassen. Insbesondere kann die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung ferner derart ausgelegt werden, neben einer out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung ebenfalls eine in-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung zu realisieren. Die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung ist vorzugsweise zwischen der out-of-plane Anordnung und der in-plane Anordnung umschaltbar. Vorzugsweise erfolgt die Umschaltung mittels einer Umschaltung zwischen dem zweiten Objektstrahl und dem Referenzstrahl. Vorzugsweise umfasst ferner das optische Messsystem eine Schaltervorrichtung, welche ausgelegt ist, zwischen dem zweiten Objektstrahl und dem Referenzstrahl umzuschalten. Die Schaltervorrichtung kann zumindest eine Verschlussvorrichtung und/oder eine optische Weiche umfassen.The digital holography (ESPI) device preferably has an in-plane digital holography (ESPI) arrangement with at least two coherent beams, the at least two coherent beams the first object beam and a second object beam for illuminating the scanning area of the measurement object under a predetermined one or predeterminable second angle. In particular, the digital holography (ESPI) device can also be designed such that, in addition to an out-of-plane digital holography (ESPI) arrangement, an in-plane digital holography (ESPI) arrangement is also realized. The digital holography (ESPI) device can preferably be switched between the out-of-plane arrangement and the in-plane arrangement. The switching is preferably carried out by switching between the second object beam and the reference beam. The optical measuring system preferably further comprises a switch device which is designed to switch between the second object beam and the reference beam. The switch device can comprise at least one closure device and / or an optical switch.

Die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung kann ferner eine Phasenschiebungseinrichtung umfassen, welche ausgelegt ist, beim Anlegen einer Spannung, eine Veränderung des optischen Wegs von zumindest einen der beiden kohärenten Strahlen zu bewirken.The digital holography (ESPI) device may further comprise a phase shifting device, which is designed, when a voltage is applied, to cause a change in the optical path of at least one of the two coherent beams.

Vorzugsweise weisen der Strahlengang des zweiten Objektstrahls und der Strahlengang des Referenzstrahls einen gemeinsamen Abschnitt auf, wobei die Phasenschiebungseinrichtung im gemeinsamen Abschnitt des zweiten Objektstrahls und des Referenzstrahls angeordnet ist. Somit wird durch eine Phasenschiebungseinrichtung eine Veränderung des optischen Wegs sowohl des Referenzstrahls als auch des zweiten Objektstrahls bewirkt bzw. realisiert. Die Anzahl der optischen Komponenten in der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung kann folglich reduziert werden.The beam path of the second object beam and the beam path of the reference beam preferably have a common section, the phase shifting device being arranged in the common section of the second object beam and the reference beam. Thus, a change in the optical path of both the reference beam and the second object beam is brought about or implemented by a phase shifting device. The number of optical components in the digital holography (ESPI) device can thus be reduced.

Die Phasenschiebungseinrichtung kann zum Beispiel zumindest einen mittels eines Piezoaktuators verschiebbaren bzw. verlagerbaren Spiegel umfassen. Vorzugsweise umfasst die Phasenschiebungseinrichtung einen Doppelspiegelphasenschieber (90° Doppelspiegelphasenschieber) mit zumindest zwei im Wesentlichen plane Spiegel, welche derart angeordnet sind, dass die Normalen zur Ebene des jeweiligen Spiegels einen Winkel von im Wesentlichen 90° einschließen; und einen Piezoaktuator zum Verschieben des Doppelspiegelphasenschiebers. Vorteile einer Phasenschiebungseinrichtung mit einem Doppelspiegelphasenschieber können das weitgehende Eliminieren der unerwünschten Winkelabhängigkeit des Verstellweges und der Verschiebung der optischen Achse sein.The phase shift device can, for example, comprise at least one mirror which can be displaced or displaced by means of a piezo actuator. The phase shifting device preferably comprises a double mirror phase shifter (90 ° double mirror phase shifter) with at least two essentially plane mirrors which are arranged such that the normals form an angle of essentially 90 ° to the plane of the respective mirror; and a piezo actuator for moving the Double mirror phase shifter. Advantages of a phase shift device with a double mirror phase shifter can be the extensive elimination of the undesired angle dependence of the adjustment path and the shift of the optical axis.

Das optische Messsystem kann ferner eine Steuerungsvorrichtung umfassen, welche ausgelegt ist, die Phasenschiebungseinrichtung zu steuern und/oder zu regeln. Die Steuerungsvorrichtung kann derart ausgelegt werden, ein automatisches Kalibrierungsverfahren der Phasenschiebungseinrichtung durchzuführen. Das automatische Kalibrierungsverfahren umfasst insbesondere die Schritte:

  • - Aufnehmen eines Referenzbilds beim Anlegen einer Anfangspannung an die Phasenschiebungseinrichtung;
  • - Schrittweise bzw. graduelles Erhöhen der Spannung an die Phasenschiebungseinrichtung und Aufnehmen eines Bilds nach jeder Erhöhung bzw. entsprechend der graduellen Erhöhung;
  • - Berechnen der Spannungen V1min und V2min , bei welchen die Abweichung der Intensität eines jeden Bilds von der Intensität des Referenzbilds als Funktion der angelegten Spannung die ersten zwei Minima aufweist;
  • - Zuordnen der Spannungsdifferenz ΔV = V2min - V1min einer Veränderung des optischen Wegs von Δλ (durch die Phasenschiebungseinrichtung), wobei λ die Wellenlänge der zumindest zwei kohärenten Strahlen ist.
The optical measuring system can further comprise a control device, which is designed to control and / or regulate the phase shifting device. The control device can be designed to carry out an automatic calibration process of the phase shifting device. The automatic calibration procedure includes the following steps:
  • Taking a reference image when an initial voltage is applied to the phase shifter;
  • - Gradually or gradually increasing the voltage to the phase shifter and taking an image after each increase or corresponding to the gradual increase;
  • - Calculate the stresses V 1min and V 2min in which the deviation of the intensity of each image from the intensity of the reference image as a function of the applied voltage has the first two minima;
  • - Assigning the voltage difference ΔV = V 2min - V 1min to a change in the optical path from Δλ (by the phase shifter) where λ is the wavelength of the at least two coherent rays.

Aus der berechneten Spannungsdifferenz ΔV können durch gleichmäßiges Einteilen, die (z.B. drei) benötigten Spannungsdifferenzen für die einzelnen Messaufnahmen automatisch berechnet werden. Durch die automatische Justierung/Kalibrierung der Phasenschiebungseinrichtung kann die Bedienbarkeit des optischen Messsystems erheblich vereinfacht werden. Ferner können die zufälligen Messabweichungen, wie sie z.B. bei einer manuellen Justierung entstehen, erheblich reduziert werden, was zu einer Erhöhung der Messgenauigkeit führt.From the calculated voltage difference .DELTA.V can be calculated automatically by evenly dividing the (for example three) voltage differences required for the individual measurements. The automatic adjustment / calibration of the phase shifting device can considerably simplify the operability of the optical measuring system. Furthermore, the random measurement deviations, such as those that occur during manual adjustment, can be considerably reduced, which leads to an increase in measurement accuracy.

Hierbei ist die Intensität (Gesamtintensität) eines Bilds die Summe der Intensitäten eines jeden Punkts des Bilds. Üblicherweise ist das aufgenommene Bild ein Pixelbild mit einer Mehrzahl von Pixel, wobei jedem Pixel jeweils einen Grauwert zugeordnet ist. Die Intensität (Gesamtintensität) des Bilds berechnet sich in diesem Fall als die Summe der Grauwerte aller Pixel im Bild.Here, the intensity (total intensity) of an image is the sum of the intensities of each point of the image. The recorded image is usually a pixel image with a plurality of pixels, with a gray value being assigned to each pixel. In this case, the intensity (total intensity) of the image is calculated as the sum of the gray values of all pixels in the image.

Die Kalibrierung kann sowohl im in-plane als auch im out-of-plane Messmodus durchgeführt werden. Die oben beschriebene Kalibrierung kann bei beliebigen in-plane, out-of-plane und zwischen in-plane und out-of-plane umschaltbaren Digital-Holographie (ESPI) Anordnungen, welche eine Phasenschiebung mittels auf Piezoaktuatoren angeordneten optischen Elementen einsetzen, angewendet werden.
Durch das automatische Piezokalibrierungsverfahren wird mittels der die Bedienbarkeit erheblich vereinfacht und zum Anderen werden die zufälligen Messabweichungen, wie sie bei der Justierung von Hand entstehen, reduziert.
The calibration can be carried out in in-plane as well as in out-of-plane measurement mode. The calibration described above can be used with any in-plane, out-of-plane and digital holography (ESPI) arrangements which can be switched between in-plane and out-of-plane and which use phase shifting by means of optical elements arranged on piezo actuators.
The automatic piezo calibration procedure considerably simplifies the usability and secondly reduces the random measurement errors that arise during manual adjustment.

Das optische Messsystem kann ferner eine Lichtquelle umfassen. Ebenfalls kann das optische Messsystem einen zwei-dimensionalen Detektor, welcher in dem optischen Pfad des zumindest einen Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts angeordnet ist, umfassen. Der Detektor (beispielsweise eine CCD-Kamera) ist insbesondere ausgelegt und angeordnet, bei einer in-plane Anordnung, ein Interferenzbild des vom Messobjekt reflektierten Lichts des ersten und des zweiten Objektstrahls (welches gegebenenfalls durch das Mikroskopobjektiv auf dem Detektor fokussiert wird) zu erfassen. Bei einer out-of-plane Anordnung ist der Detektor insbesondere derart ausgelegt und angeordnet, ein Interferenzbild des vom Messobjekt reflektierten Lichts des ersten Objektstrahls und des Referenzstrahls (welches gegebenenfalls durch das Mikroskopobjektiv auf dem Detektor fokussiert wird) zu erfassen.The optical measuring system can further comprise a light source. The optical measuring system can also comprise a two-dimensional detector, which is arranged in the optical path of the at least part of the light reflected by the measurement object. The detector (for example a CCD camera) is in particular designed and arranged, in the case of an in-plane arrangement, to record an interference image of the light of the first and second object beams reflected by the measurement object (which may be focused on the detector by the microscope objective). In the case of an out-of-plane arrangement, the detector is in particular designed and arranged in such a way that it records an interference image of the light of the first object beam and the reference beam reflected by the measurement object (which may be focused on the detector by the microscope objective).

Des Weiteren kann das optische Messsystem eine Bildauswertungsvorrichtung umfassen, welche ausgelegt ist, anhand der von einem Detektor aufgenommenen Bilder des Abtastbereichs des Messobjekts, die Komponente der Verformung und/oder Dehnung des Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung zu ermitteln oder zu berechnen..Furthermore, the optical measurement system can comprise an image evaluation device which is designed to determine or calculate the component of the deformation and / or elongation of the measurement object in at least one predetermined or predeterminable direction on the basis of the images of the scanning area of the measurement object recorded by a detector.

Die Bildauswertungsvorrichtung kann zumindest eine Recheneinheit umfassen, welche mittels geeigneter Bildauswertungssoftware ausgelegt oder programmiert wird bzw. ist, Informationen über die Komponente der Verformung und/oder Dehnung des Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung anhand der vom Detektor aufgenommenen Interferenzbilder zu ermitteln oder zu berechnen. Es können herkömmliche Verfahren zum Ermitteln der Komponenten der Verformung und/oder Dehnung eines Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung anhand von mittels Digitale-Holographie (ESPI) aufgenommenen Speckle-Interferenzbilder, insbesondere unter Anwendung eines Phasenschiebungsverfahrens, zur Anwendung kommen.The image evaluation device can comprise at least one computing unit, which is or is designed or programmed using suitable image evaluation software to determine or calculate information about the component of the deformation and / or elongation of the measurement object in at least one predetermined or predeterminable direction on the basis of the interference images recorded by the detector , Conventional methods for determining the components of the deformation and / or elongation of a measurement object in at least one predetermined or predeterminable direction can be used on the basis of speckle interference images recorded using digital holography (ESPI), in particular using a phase shift method.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung von zumindest einer Verformungs- und/oder Dehnungskomponente von Objekten in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung mittels eines optischen Messsystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte:

  • - Beleuchtung eines Abtastbereichs des Messobjekts mittels der Digital-Holographie Vorrichtung;
  • - Erfassen zumindest eines Interferenzbildes;
  • - Berechnen zumindest einer Komponente der Verformung und/oder der Dehnung des Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung anhand des zumindest einen vom Detektor erfassten Interferenzbildes.
According to a second aspect of the invention, a method for measuring at least one deformation and / or expansion component of objects in at least one predetermined or predefinable direction proposed by means of an optical measuring system according to a preferred embodiment of the invention. The process includes the steps:
  • - Illumination of a scanning area of the measurement object by means of the digital holography device;
  • - capturing at least one interference image;
  • - Calculating at least one component of the deformation and / or the elongation of the measurement object in at least one predetermined or predeterminable direction on the basis of the at least one interference image detected by the detector.

Vorzugsweise wird bei dem Verfahren zur Messung zumindest einer Komponente der Verformung und/oder Dehnung eines Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung eine Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung eingesetzt, welche eine Phasenschiebungseinrichtung aufweist. Die Phasenschiebungseinrichtung ist derart ausgelegt, beim Anlegen einer Spannung, eine Veränderung des optischen Wegs des zumindest einen der beiden kohärenten Strahlen zu bewirken, umfasst. Das Verfahren umfasst vorzugsweise eine automatische Kalibrierung der Phasenschiebungseinrichtung, umfassend die Schritte:

  • - Aufnehmen eines Referenzbilds beim Anlegen einer Anfangspannung an die Phasenschiebungseinrichtung;
  • - Schrittweise Erhöhen der Spannung an die Phasenschiebungseinrichtung und Aufnehmen eines Bilds nach jeder Erhöhung;
  • - Berechnen der Spannungen V1min und V2min , bei welchen die Abweichung der Intensität eines jeden Bilds von der Intensität des Referenzbilds als Funktion der angelegten Spannung die ersten zwei Minima aufweist;
  • - Zuordnen der Spannungsdifferenz ΔV = V2min - V1min eine Veränderung des optischen Wegs durch die Phasenschiebungseinrichtung von Δλ, wobei λ die Wellenlänge der zumindest zwei kohärenten Strahlen ist.
A digital holography (ESPI) device which has a phase shifting device is preferably used in the method for measuring at least one component of the deformation and / or elongation of a measurement object in at least one predetermined or predeterminable direction. The phase shifting device is designed such that when a voltage is applied, it causes a change in the optical path of the at least one of the two coherent beams. The method preferably comprises an automatic calibration of the phase shift device, comprising the steps:
  • Taking a reference image when an initial voltage is applied to the phase shifter;
  • Incrementally increasing the voltage to the phase shifter and taking an image after each increment;
  • - Calculate the stresses V 1min and V 2min in which the deviation of the intensity of each image from the intensity of the reference image as a function of the applied voltage has the first two minima;
  • - Assigning the voltage difference ΔV = V 2min - V 1min a change in the optical path through the phase shifting device from Δλ , in which λ is the wavelength of the at least two coherent rays.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Messsystem zur Messung zumindest einer Komponente der Verformung und/oder Dehnung eines Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung mittels Digital-Holographie (ESPI) vorgeschlagen, umfassend eine Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung, welche eine out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen aufweist, wobei die zumindest zwei kohärenten Strahlen einen ersten Objektstrahl zum Beleuchten eines Abtastbereichs eines Messobjekts unter einem vorgegebenen oder vorgebbaren ersten Winkel; und einen Referenzstrahl zum Einkoppeln im optischen Pfad zumindest eines Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts umfassen, und wobei im optischen Pfad des Referenzstrahls eine Referenzstrahlaufweitungsvorrichtung umfassend zumindest zwei (nach einander angeordneten) Diffusoren angeordnet ist.According to a third aspect of the invention, an optical measuring system for measuring at least one component of the deformation and / or elongation of a measurement object in at least one predetermined or predeterminable direction by means of digital holography (ESPI) is proposed, comprising a digital holography (ESPI) device which has an out-of-plane digital holography (ESPI) arrangement with at least two coherent beams, the at least two coherent beams having a first object beam for illuminating a scanning area of a measurement object at a predetermined or predeterminable first angle; and comprise a reference beam for coupling in the optical path of at least part of the light reflected by the measurement object, and wherein a reference beam expansion device comprising at least two (arranged one after the other) diffusers is arranged in the optical path of the reference beam.

Die Referenzstrahlaufweitungsvorrichtung umfasst zumindest zwei Diffusoren, welche im optischen Pfad des Referenzstrahls nach einander, d.h. seriell, angeordnet sind. Die beiden Diffusoren können jeweils im Wesentlichen plane Groundgläser sein, welche im Wesentlichen parallel zu einander angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Groundgläser jeweils im Wesentlichen senkrecht zu der Achse des Referenzstrahls angeordnet.The reference beam expansion device comprises at least two diffusers which are arranged one after the other in the optical path of the reference beam, i.e. are arranged in series. The two diffusers can each be essentially flat ground glasses, which are arranged essentially parallel to one another. The ground glasses are preferably arranged essentially perpendicular to the axis of the reference beam.

Wie bereits oben ausgeführt, kann durch den Einsatz von zwei Diffusoren (z.B. zwei von Groundgläsern) der Referenzstrahl in einfacher Weise aufgeweitet werden. Die Qualität des Strahlprofils ist sehr gut und die resultierende Specklegröße des Referenzstrahls relativ klein. Die Referenzstrahlaufweitungsvorrichtung ist gut einstellbar und justierbar. Einer der beiden Diffusoren (z.B. Groundgläser) kann z.B. fest und der andere beweglich und/oder verschiebbar bzw. verlagerbar angeordnet werden. Durch die Verschiebung bzw. Verlagerung eines der beiden Diffusoren relativ zu dem anderen kann die Specklegröße in einfacher und effizienter Weise eingestellt werden.As already explained above, the use of two diffusers (e.g. two of ground glasses) allows the reference beam to be expanded in a simple manner. The quality of the beam profile is very good and the resulting speckle size of the reference beam is relatively small. The reference beam expansion device is easily adjustable and adjustable. One of the two diffusers (e.g. ground glasses) can e.g. fixed and the other movable and / or displaceable or displaceable. By moving one of the two diffusers relative to the other, the speckle size can be adjusted in a simple and efficient manner.

Vorzugsweise wird zwischen den beiden Diffusoren eine Intensitätseinstellungsvorrichtung angeordnet, wobei die Intensitätseinstellungsvorrichtung vorzugsweise einen verschiebbar angeordneten Graukeil umfasst (Doppeldiffusor- insbesondere Doppelgroundglasssystem mit integriertem Graukeil).An intensity setting device is preferably arranged between the two diffusers, the intensity setting device preferably comprising a displaceably arranged gray wedge (double diffuser, in particular double ground glass system with integrated gray wedge).

Vorzugsweise weist die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung ferner eine in-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen auf, wobei die zumindest zwei kohärenten Strahlen den ersten Objektstrahl und einen zweiten Objektstrahl zum Beleuchten des Abtastbereichs des Messobjekts unter einem vorgegebenen oder vorgebbaren zweiten Winkel umfassen. Anders ausgedruckt ist die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung ferner derart ausgelegt, neben einer out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung ebenfalls eine in-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung zu realisieren.The digital holography (ESPI) device preferably also has an in-plane digital holography (ESPI) arrangement with at least two coherent beams, the at least two coherent beams the first object beam and a second object beam for illuminating the scanning area of the measurement object under one include predetermined or predeterminable second angle. In other words, the digital holography (ESPI) device is also designed to implement an in-plane digital holography (ESPI) arrangement in addition to an out-of-plane digital holography (ESPI) arrangement.

Die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung ist vorzugsweise zwischen der out-of-plane Anordnung und der in-plane Anordnung umschaltbar. Vorzugsweise erfolgt die Umschaltung mittels einer Umschaltung zwischen dem zweiten Objektstrahl und dem Referenzstrahl. Vorzugsweise umfasst ferner das optische Messsystem eine Schaltervorrichtung, welche ausgelegt ist, zwischen dem zweiten Objektstrahl und dem Referenzstrahl umzuschalten. Die Schaltervorrichtung kann zumindest eine Verschlussvorrichtung und/oder eine optische Weiche umfassen.The digital holography (ESPI) device can preferably be switched between the out-of-plane arrangement and the in-plane arrangement. The switching is preferably carried out by switching between the second object beam and the reference beam. This preferably further comprises optical measuring system a switch device which is designed to switch between the second object beam and the reference beam. The switch device can comprise at least one closure device and / or an optical switch.

Die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung kann ferner eine Phasenschiebungseinrichtung umfassen, welche ausgelegt ist, beim Anlegen einer Spannung, eine Veränderung des optischen Wegs von zumindest einen der beiden kohärenten Strahlen zu bewirken.The digital holography (ESPI) device may further comprise a phase shifting device, which is designed, when a voltage is applied, to cause a change in the optical path of at least one of the two coherent beams.

Vorzugsweise weisen der Strahlengang des zweiten Objektstrahls und der Strahlengang des Referenzstrahls einen gemeinsamen Abschnitt auf, wobei die Phasenschiebungseinrichtung im gemeinsamen Abschnitt des zweiten Objektstrahls und des Referenzstrahls angeordnet ist. Somit wird durch eine Phasenschiebungseinrichtung eine Veränderung des optischen Wegs sowohl des Referenzstrahls als auch des zweiten Objektstrahls bewirkt bzw. realisiert. Die Anzahl der optischen Komponenten in der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung kann folglich reduziert werden.The beam path of the second object beam and the beam path of the reference beam preferably have a common section, the phase shifting device being arranged in the common section of the second object beam and the reference beam. Thus, a change in the optical path of both the reference beam and the second object beam is brought about or implemented by a phase shifting device. The number of optical components in the digital holography (ESPI) device can thus be reduced.

Die Phasenschiebungseinrichtung kann zum Beispiel zumindest einen mittels eines Piezoaktuators verschiebbaren bzw. verlagerbaren Spiegel umfassen. Vorzugsweise umfasst die Phasenschiebungseinrichtung einen Doppelspiegelphasenschieber (90° Doppelspiegelphasenschieber) mit zumindest zwei im Wesentlichen plane Spiegel, welche derart angeordnet sind, dass die Normalen zur Ebene des jeweiligen Spiegels einen Winkel von im Wesentlichen 90° einschließen; und einen Piezoaktuator zum Verschieben des Doppelspiegelphasenschiebers. Vorteile einer Phasenschiebungseinrichtung mit einem Doppelspiegelphasenschieber können das weitgehende Eliminieren der unerwünschten Winkelabhängigkeit des Verstellweges und der Verschiebung der optischen Achse sein.The phase shift device can, for example, comprise at least one mirror which can be displaced or displaced by means of a piezo actuator. The phase shifting device preferably comprises a double mirror phase shifter (90 ° double mirror phase shifter) with at least two essentially plane mirrors which are arranged such that the normals form an angle of essentially 90 ° to the plane of the respective mirror; and a piezo actuator for shifting the double mirror phase shifter. Advantages of a phase shift device with a double mirror phase shifter can be the extensive elimination of the undesired angle dependence of the adjustment path and the shift of the optical axis.

Das optische Messsystem gemäß dem dritten Aspekt kann ferner eine Steuerungsvorrichtung umfassen, welche ausgelegt ist, die Phasenschiebungseinrichtung zu steuern und/oder zu regeln. Die Steuerungsvorrichtung kann derart ausgelegt werden, ein automatisches Kalibrierungsverfahren der Phasenschiebungseinrichtung durchzuführen. Das automatische Kalibrierungsverfahren umfasst insbesondere die Schritte:

  • - Aufnehmen eines Referenzbilds beim Anlegen einer Anfangspannung an die Phasenschiebungseinrichtung;
  • - Schrittweise bzw. graduelles Erhöhen der Spannung an die Phasenschiebungseinrichtung und Aufnehmen eines Bilds nach jeder Erhöhung bzw. entsprechend der graduellen Erhöhung;
  • - Berechnen der Spannungen V1min und V2min , bei welchen die Abweichung der Intensität eines jeden Bilds von der Intensität des Referenzbilds als Funktion der angelegten Spannung die ersten zwei Minima aufweist;
  • - Zuordnen der Spannungsdifferenz ΔV = V2min - V1min einer Veränderung des optischen Wegs von Δλ (durch die Phasenschiebungseinrichtung), wobei λ die Wellenlänge der zumindest zwei kohärenten Strahlen ist.
The optical measuring system according to the third aspect can further comprise a control device, which is designed to control and / or regulate the phase shifting device. The control device can be designed to carry out an automatic calibration process of the phase shifting device. The automatic calibration procedure includes the following steps:
  • Taking a reference image when an initial voltage is applied to the phase shifter;
  • - Gradually or gradually increasing the voltage to the phase shifter and taking an image after each increase or corresponding to the gradual increase;
  • - Calculate the stresses V 1min and V 2min in which the deviation of the intensity of each image from the intensity of the reference image as a function of the applied voltage has the first two minima;
  • - Assigning the voltage difference ΔV = V 2min - V 1min to a change in the optical path from Δλ (by the phase shifter) where λ is the wavelength of the at least two coherent rays.

Die Kalibrierung kann sowohl im in-plane als auch im out-of-plane Messmodus durchgeführt werden. Die Kalibrierung kann bei beliebigen in-plane, out-of-plane und zwischen in-plane und out-of-plane umschaltbaren Digital-Holographie (ESPI) Anordnungen, welche eine Phasenschiebung mittels auf Piezoaktuatoren angeordneten optischen Elementen einsetzen, angewendet werden.The calibration can be carried out in in-plane as well as in out-of-plane measurement mode. The calibration can be used with any in-plane, out-of-plane and digital holography (ESPI) arrangements which can be switched between in-plane and out-of-plane and which use phase shifting by means of optical elements arranged on piezo actuators.

Das optische Messsystem gemäß dem dritten Aspekt kann ferner ein Mikroskopobjektiv, welches in dem optischen Pfad des zumindest einen Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts angeordnet ist, umfassen. Somit können das optische Messsystem und das Messverfahren insbesondere in Bereichen eingesetzt werden, in welcher die Auflösung einer einfachen optischen Betrachtung kleiner Flächen, mangels Vergrößerung, nicht ausreicht.The optical measurement system according to the third aspect can further comprise a microscope objective, which is arranged in the optical path of the at least part of the light reflected by the measurement object. Thus, the optical measuring system and the measuring method can be used in particular in areas in which the resolution of a simple optical observation of small areas is not sufficient due to the lack of magnification.

Das optische Messsystem gemäß dem dritten Aspekt kann ferner eine Lichtquelle umfassen. Ebenfalls kann das optische Messsystem einen zwei-dimensionalen Detektor, welcher in dem optischen Pfad des zumindest einen Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts angeordnet ist, umfassen. Des Weiteren kann das optische Messsystem eine Bildauswertungsvorrichtung umfassen, welche ausgelegt ist, anhand der von einem Detektor aufgenommenen Bilder des Abtastbereichs des Messobjekts, die Komponente der Verformung und/oder Dehnung des Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung zu ermitteln oder zu berechnen.The optical measurement system according to the third aspect can further comprise a light source. The optical measuring system can also comprise a two-dimensional detector, which is arranged in the optical path of the at least part of the light reflected by the measurement object. Furthermore, the optical measuring system can comprise an image evaluation device which is designed to determine or calculate the component of the deformation and / or elongation of the measuring object in at least one predetermined or predeterminable direction on the basis of the images of the scanning region of the measuring object recorded by a detector.

Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung von zumindest einer Verformungs- und/oder Dehnungskomponente von Objekten in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung mittels eines optischen Messsystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte:

  • - Beleuchtung eines Abtastbereichs des Messobjekts mit dem ersten Objektstrahl unter einem vorgegebenen oder vorgebbaren ersten Winkel;
  • - Erfassen zumindest eines Interferenzbildes des vom Messobjekt reflektierten Lichts und des Referenzstrahls mittels eines Detektors;
  • - Berechnen zumindest einer Komponente der Verformung und/oder der Dehnung des Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung anhand des zumindest einen vom Detektor erfassten Bildes.
According to a fourth aspect of the invention, a method for measuring at least one deformation and / or strain component of objects in at least one predetermined or predeterminable direction by means of an optical measuring system according to a preferred embodiment of the invention is proposed. The process includes the steps:
  • - Illumination of a scanning area of the measurement object with the first object beam at a predetermined or predeterminable first angle;
  • - Detecting at least one interference image of the light reflected by the measurement object and the reference beam by means of a detector;
  • - Calculating at least one component of the deformation and / or the elongation of the measurement object in at least one predetermined or predeterminable direction on the basis of the at least one image captured by the detector.

Ebenfalls wird gemäß eines fünften Aspekts der Erfindung ein optisches Messsystem zur Messung von Komponenten der Verformung und/oder der Dehnung von Objekten in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung mittels Digital-Holographie vorgeschlagen, umfassend eine Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung, welche eine out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung und/oder eine in-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen aufweist. Die Digital-Holographie Vorrichtung umfasst eine Phasenschiebungseinrichtung, welche ausgelegt ist beim Anlegen einer Spannung, eine Veränderung des optischen Wegs des zumindest eines der beiden kohärenten Strahlen zu bewirken; und eine Steuerungsvorrichtung, welche ausgelegt ist, die Phasenschiebungseinrichtung zu steuern und/oder regeln. Die Steuerungsvorrichtung ist ausgelegt, ein automatisches Kalibrierungsverfahren der Phasenschiebungseinrichtung mit den Schritten:

  • - Aufnehmen eines Referenzbilds bei einer Anfangspannung an die Phasenschiebungseinrichtung;
  • - Schrittweises bzw. graduelles Erhöhen der Spannung an die Phasenschiebungseinrichtung und Aufnehmen eines Bilds nach jeder Erhöhung bzw. in entsprechenden Intervallen;
  • - Berechnen der Spannungen V1min und V2min , bei welchen die Abweichung der Intensität eines jeden Bilds von der Intensität des Referenzbilds als Funktion der angelegten Spannung die ersten zwei Minima aufweist;
  • - Zuordnen der Spannungsdifferenz ΔV = V2min - V1min einer Veränderung des optischen Wegs (durch die Phasenschiebungseinrichtung) von Δλ,
wobei λ die Wellenlänge der zumindest zwei kohärenten Strahlen ist durchzuführen.Likewise, according to a fifth aspect of the invention, an optical measuring system for measuring components of the deformation and / or the stretching of objects in at least one predetermined or predeterminable direction by means of digital holography is proposed, comprising a digital holography (ESPI) device which has an out -of-plane digital holography (ESPI) arrangement and / or an in-plane digital holography (ESPI) arrangement with at least two coherent beams. The digital holography device comprises a phase shifting device which, when a voltage is applied, is designed to effect a change in the optical path of the at least one of the two coherent beams; and a control device that is configured to control and / or regulate the phase shifting device. The control device is designed to be an automatic calibration method of the phase shift device with the steps:
  • Capturing a reference image at an initial voltage to the phase shifter;
  • - Gradually or gradually increasing the voltage to the phase shifter and taking an image after each increase or at corresponding intervals;
  • - Calculate the stresses V 1min and V 2min in which the deviation of the intensity of each image from the intensity of the reference image as a function of the applied voltage has the first two minima;
  • - Assigning the voltage difference ΔV = V 2min - V 1min to a change in the optical path (through the phase shifting device ) of Δλ .
where λ is the wavelength of the at least two coherent beams.

Durch das automatische Piezokalibrierungsverfahren wird mittels der die Bedienbarkeit erheblich vereinfacht und zum Anderen werden die zufälligen Messabweichungen, wie sie bei der Justierung von Hand entstehen, reduziert.The automatic piezo calibration procedure considerably simplifies the usability and secondly reduces the random measurement errors that arise during manual adjustment.

Das optische Messsystem gemäß dem fünften Aspekt kann ferner - wie oben beschrieben - ein Mikroskopobjektiv, welches in dem optischen Pfad des zumindest einen Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts angeordnet ist, umfassen. Des Weiteren kann das optische Messsystem ferner eine Lichtquelle; und/oder einen zwei dimensionalen Detektor, welcher in dem optischen Pfad des zumindest einen Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts angeordnet ist; und/oder eine Bildauswertungsvorrichtung, welche ausgelegt ist, anhand der von einem Detektor aufgenommenen Bilder des Abtastbereichs des Messobjekts Informationen über die zumindest eine Komponente der Verformung und/oder der Dehnung des Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung zu ermitteln oder berechnen, umfassen.As described above, the optical measurement system according to the fifth aspect can furthermore comprise a microscope objective which is arranged in the optical path of the at least part of the light reflected by the measurement object. Furthermore, the optical measuring system can also be a light source; and / or a two-dimensional detector which is arranged in the optical path of the at least part of the light reflected by the measurement object; and / or an image evaluation device which is designed to determine or calculate information on the at least one component of the deformation and / or the elongation of the measurement object in at least one predetermined or predeterminable direction based on the images of the scanning region of the measurement object recorded by a detector.

Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung zumindest einer Komponente der Verformung und/oder Dehnung eines Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung mittels einer Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung vorgeschlagen. Die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung weist eine out-of-plane und/oder eine in-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen auf, wobei die zumindest zwei kohärenten Strahlen einen (ersten) Objektstrahl und einen zweiten Objektstrahl oder einen Referenzstrahl umfassen, wobei die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung eine Phasenschiebungseinrichtung, welche ausgelegt ist, beim Anlegen einer Spannung, eine Veränderung des optischen Wegs des zumindest einen der beiden kohärenten Strahlen zu bewirken, umfasst. Das Verfahren umfasst eine automatische Kalibrierung der Phasenschiebungseinrichtung, welche die Schritte umfasst:

  • - Aufnehmen eines Referenzbilds beim Anlegen einer Anfangspannung an die Phasenschiebungseinrichtung;
  • - Schrittweise Erhöhen der Spannung an die Phasenschiebungseinrichtung und Aufnehmen eines Bilds nach jeder Erhöhung;
  • - Berechnen der Spannungen V1min und V2min , bei welchen die Abweichung der Intensität eines jeden Bilds von der Intensität des Referenzbilds als Funktion der angelegten Spannung die ersten zwei Minima aufweist;
  • - Zuordnen der Spannungsdifferenz ΔV = V2min - V1min eine Veränderung des optischen Wegs durch die Phasenschiebungseinrichtung von Δλ, wobei λ die Wellenlänge der zumindest zwei kohärenten Strahlen ist.
According to a sixth aspect of the invention, a method for measuring at least one component of the deformation and / or elongation of a measurement object in at least one predetermined or predeterminable direction by means of a digital holography (ESPI) device is proposed. The digital holography (ESPI) device has an out-of-plane and / or an in-plane digital holography (ESPI) arrangement with at least two coherent beams, the at least two coherent beams having a (first) object beam and a second Object beam or a reference beam, wherein the digital holography (ESPI) device comprises a phase shifting device, which is designed, upon application of a voltage, to cause a change in the optical path of the at least one of the two coherent beams. The method comprises an automatic calibration of the phase shift device, which comprises the steps:
  • Taking a reference image when an initial voltage is applied to the phase shifter;
  • Incrementally increasing the voltage to the phase shifter and taking an image after each increment;
  • - Calculate the stresses V 1min and V 2min in which the deviation of the intensity of each image from the intensity of the reference image as a function of the applied voltage has the first two minima;
  • - Assigning the voltage difference ΔV = V 2min - V 1min a change in the optical path through the phase shifting device from Δλ , in which λ is the wavelength of the at least two coherent rays.

Die optischen Messsysteme gemäß Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere zur Verformungs- und/oder Dehnungsmessung insbesondere im Mikrobereich in der Ebene (in-plane) und/oder senkrecht zur Ebene (out-of-plane) des Messobjekts geeignet. Vorteile dieser Systeme sind insbesondere die hohe Stabilität und Zuverlässigkeit der Messdaten, der sehr gute Streifendenkontrast der Phasenbilder bei vorzugsweise mikroskopischer Auflösung.The optical measuring systems according to embodiments of the invention are in particular for measuring deformation and / or strain Particularly suitable in the micro range in the plane (in-plane) and / or perpendicular to the plane (out-of-plane) of the measurement object. The advantages of these systems are, in particular, the high stability and reliability of the measurement data, the very good contrast of the phase images with preferably microscopic resolution.

Weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich aus einer detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen, in welchen:

  • 1 den prinzipiellen Aufbau eines optischen Messsystems für in-plane Messungen mittels Digital-Holographie (ESPI);
  • 2 den prinzipiellen Aufbau eines optischen Messsystems für out-of-plane Messungen mittels Digital-Holographie (ESPI);
  • 3 den prinzipiellen Aufbau eines optischen Messsystems für in-plane und out-of-plane Messungen mittels Digital-Holographie (ESPI);
  • 4 eine schematische Darstellung eines optischen (mikroskopischen) Messsystems;
  • 5 das Prinzip der Phasenschiebung mittels Variation des optischen Wegunterschiedes zweier Strahlen;
  • 6 ein Beispiel einer Phasenschiebungseinrichtung mit einem Spiegel;
  • 7 ein Beispiel einer Phasenschiebungseinrichtung mit einem Doppelspiegelphasenschieber;
  • 8 ein Beispiel einer Strahlerzeugungsvorrichtung umfassend zwei Strahlteiler und eine Lichtfalle;
  • 9 ein Beispiel einer Strahlaufweitung des Objektstrahls mit einem Konkavspiegel;
  • 10 die Topologie des Strahlengangs in einer Digital-Holographie Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
  • 11 die Topologie des Strahlengangs in einer Digital-Holographie Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
  • 12 die Topologie des Strahlengangs in einer Digital-Holographie Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
  • 13 die Topologie des Strahlengangs in einer Digital-Holographie Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform;
  • 14 die Topologie des Strahlengangs in einer Digital-Holographie Vorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform;
  • 15 einen Ausschnitt (Befehls-Subfenster) aus einem Bildschirmfenster bzw. graphischen Benutzeroberfläche der Steuerungs- und Auswertungssoftware;
  • 16 die Abhängigkeit der Intensitätsabweichung des jeweiligen Phasenbilds zum Referenzbild;
  • 17 ein beispielhaftes Pixelbild
zeigen. In den Figuren werden die gleichen Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente oder Komponenten verwendet. Einzelne Merkmale einzelner Ausführungsformen können zu weiteren Ausführungsformen kombiniert werden.Further objects, features and advantages of the present invention will become apparent from a detailed description of preferred embodiments of the present invention with reference to the drawings, in which:
  • 1 the basic structure of an optical measuring system for in-plane measurements using digital holography (ESPI);
  • 2 the basic structure of an optical measurement system for out-of-plane measurements using digital holography (ESPI);
  • 3 the basic structure of an optical measuring system for in-plane and out-of-plane measurements using digital holography (ESPI);
  • 4 a schematic representation of an optical (microscopic) measuring system;
  • 5 the principle of phase shifting by varying the optical path difference between two beams;
  • 6 an example of a phase shifter with a mirror;
  • 7 an example of a phase shifter with a double mirror phase shifter;
  • 8th an example of a beam generating device comprising two beam splitters and a light trap;
  • 9 an example of a beam expansion of the object beam with a concave mirror;
  • 10 the topology of the beam path in a digital holography device according to a first embodiment;
  • 11 the topology of the beam path in a digital holography device according to a second embodiment;
  • 12 the topology of the beam path in a digital holography device according to a third embodiment;
  • 13 the topology of the beam path in a digital holography device according to a fourth embodiment;
  • 14 the topology of the beam path in a digital holography device according to a fifth embodiment;
  • 15 a section (command subwindow) from a screen window or graphical user interface of the control and evaluation software;
  • 16 the dependence of the intensity deviation of the respective phase image on the reference image;
  • 17 an exemplary pixel image
demonstrate. In the figures, the same reference symbols are used for the same or similar elements or components. Individual features of individual embodiments can be combined to form further embodiments.

1 bis 3 zeigen jeweils den prinzipiellen Aufbau unterschiedlicher Ausführungsformen eines optischen (mikroskopischen) Messsystems 10 für Verformungs- und/oder Dehnungsmessungen mittels Digital-Holographie (ESPI). 1 to 3 each show the basic structure of different embodiments of an optical (microscopic) measuring system 10 for deformation and / or strain measurements using digital holography (ESPI).

Das optische (mikroskopische) Messsystem 10 umfasst eine Digital-Holographie Vorrichtung 12-i (i = 1 bis 3); ein Mikroskopobjektiv 30; einen zwei-dimensionalen Detektor 30, vorzugsweise eine CCD-Kamera, mit welchem Interferenzbilder (Phasenbilder) des Abtastbereichs des Messobjekts aufgenommen werden können; sowie eine optional eine Lichtquelle 14. Das Mikroskopobjektiv 24 ist im optischen Pfad zwischen dem Detektor 30 und dem Messobjekt 22 angeordnet, um die gewünschte Vergrößerung zu realisieren. Im optischen Pfad zwischen dem Detektor 30 und dem Messobjekt 22 können sich ebenfalls weitere Elemente befinden, wie zum Beispiel der Grundkörper des Mikroskops 26 und/oder ein Kameraadapter 28.The optical (microscopic) measuring system 10 includes a digital holography device 12-i (i = 1 to 3); a microscope lens 30 ; a two-dimensional detector 30 , preferably a CCD camera, with which interference images (phase images) of the scanning area of the measurement object can be recorded; as well as an optional light source 14 , The microscope lens 24 is in the optical path between the detector 30 and the measurement object 22 arranged to realize the desired enlargement. In the optical path between the detector 30 and the measurement object 22 there may also be other elements, such as the base of the microscope 26 and / or a camera adapter 28 ,

Des Weiteren kann das optische (mikroskopische) Messsystem 10 eine Bildauswertungsvorrichtung 32 umfassen, welche ausgelegt ist, Informationen über zumindest eine Komponente der Verformung und/oder der Dehnung des Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung anhand der vom Detektor 30 aufgenommenen Interferenzbilder zu ermitteln. Verfahren zum Auswerten von Interferenzbildern, welche mittels Digital-Holographie (ESPI) (insbesondere unter Verwendung von Phasenverschiebung) aufgenommen worden sind, um Informationen über in-plane und/oder out-of-plane Komponenten der Verformung und/oder Dehnungen von Objekten zu ermitteln, sind an sich bekannt und werden nicht näher erläutert.Furthermore, the optical (microscopic) measuring system 10 an image evaluation device 32 which is designed to provide information about at least one component of the deformation and / or the elongation of the measurement object in at least one predetermined or predeterminable direction on the basis of that from the detector 30 to determine recorded interference images. Method for evaluating interference images which have been recorded by means of digital holography (ESPI) (in particular using phase shift) in order to determine information about in-plane and / or out-of-plane components of the deformation and / or expansion of objects , are known per se and are not explained in detail.

Ebenfalls kann das optische (mikroskopische) Messsystem 10 eine Steuerungsvorrichtung (nicht in den 1 bis 3 gezeigt) umfassen, welche ausgelegt ist, die Bildaufnahme durch den Detektor 30, vorzugsweise in Echtzeit, und/oder die Phasenverschiebung, und/oder die Verschlussbetätigung zu steuern bzw. zu regeln.The optical (microscopic) measuring system can also be used 10 a control device (not in the 1 to 3 shown), which is designed, the image acquisition by the detector 30 , preferably in real time, and / or the Phase shift, and / or to control or regulate the shutter actuation.

1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines optischen Messsystems 10 mit einer in-plane Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung 12-1 oder anders ausgedruckt mit einer Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung, welche eine in-plane Anordnung aufweist. 1 shows the basic structure of an optical measuring system 10 with an in-plane digital holography (ESPI) device 12-1 or expressed differently with a digital holography (ESPI) device which has an in-plane arrangement.

Die in-plane Digital-Holgraphie (ESPI) Vorrichtung 12-1 umfasst eine Strahlerzeugungseinrichtung (nicht in 1 gezeigt), welche ausgelegt ist, zumindest zwei kohärente Strahlen, umfassend einen ersten Objektstrahl O1 und einen zweiten Objektstrahl 02, zu erzeugen. Die (aufgeweiteten) Objektstrahlen 01 und 02 werden derart mittels einer Strahllenkungsvorrichtung umgelenkt, einen Abstastbereich des zu vermessenden Objekts (Messobjekts) 22 aus unterschiedlichen Richtungen zu beleuchten. In der Regel wird das Messobjekt 22 im Wesentlichen symmetrisch beleuchtet, wobei die Einfallswinkel der beiden Objektstrahlen auf die Oberfläche des Messobjekts 22 dem Betrag nach im Wesentlich gleich sind.The in-plane digital holography (ESPI) device 12-1 comprises a beam generating device (not in 1 shown), which is designed to comprise at least two coherent beams, comprising a first object beam O1 and a second object beam 02 , to create. The (widened) object rays 01 and 02 are deflected in this way by means of a beam steering device, a scanning area of the object to be measured (measurement object) 22 to illuminate from different directions. Usually the measurement object 22 essentially illuminated symmetrically, the angle of incidence of the two object beams on the surface of the measurement object 22 are essentially the same in amount.

Die Objektstrahlen werden durch eine Teilung des von der Lichtquelle 14 kommenden Strahls (in der Regel eines Laserstrahls) in zwei kohärente Teilstrahlen erzeugt. Die beiden Teilstrahlen (Objektstrahlen 01 und 01) werden anschließend mittels geeigneter Strahlaufweitungsvorrichtungen 16, 18 aufgeweitet und mittels zumindest einer geeigneten Strahllenkvorrichtung auf das Messobjekt 22 gerichtet. Im optischen Pfad eines der beiden Objektstrahlen ist eine Phasenschiebungseinrichtung 20 angeordnet.The object rays are separated by a split from the light source 14 coming beam (usually a laser beam) generated in two coherent partial beams. The two partial beams (object beams 01 and 01 ) are then by means of suitable beam expansion devices 16 . 18 expanded and by means of at least one suitable beam steering device onto the measurement object 22 directed. A phase shift device is in the optical path of one of the two object beams 20 arranged.

Das auf der Messobjektoberfläche überlagerte und/oder interferierende Licht der beiden Objektstrahlen wird diffus reflektiert, durch das Mikroskopobjektiv 24 auf den CCD-Chip der CCD-Kamera 30 fokussiert und aufgenommen bzw. erfasst. Durch Auswertung der aufgenommenen Speckle-Bilder mit der Bildauswertungsvorrichtung 32 können die Komponenten der Verformung und/oder der Dehnung des Messobjekts in der Ebene der beiden Beleuchtungswellen bzw. in der Ebene des Messobjekts (in-plane Komponenten) berechnet bzw. ermittelt werden.The light of the two object beams superimposed and / or interfering on the surface of the measurement object is reflected diffusely by the microscope objective 24 on the CCD chip of the CCD camera 30 focused and recorded. By evaluating the recorded speckle images with the image evaluation device 32 the components of the deformation and / or the elongation of the measurement object can be calculated or ascertained in the plane of the two illumination waves or in the plane of the measurement object (in-plane components).

2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines optischen (mikroskopischen) Messsystems 10 mit einer out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung 12-2 oder anders ausgedruckt mit einer Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung, welche eine out-of-plane Anordnung aufweist. 2 shows the basic structure of an optical (microscopic) measuring system 10 with an out-of-plane digital holography (ESPI) device 12-2 or expressed differently with a digital holography (ESPI) device which has an out-of-plane arrangement.

Die out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung 12-2 umfasst eine Strahlerzeugungseinrichtung (nicht in 2 gezeigt), welche ausgelegt ist, zumindest zwei kohärente Strahlen (umfassend einen ersten Objektstrahl 01 und einen Referenzstrahl R) zu erzeugen. Ähnlich bzw. gleich zu dem in-plane-Aufbau, werden der Objektstrahl 01 und der Referenzstrahl R durch Teilung eines von der Lichtquelle 14 kommenden Strahls (in der Regel eines Laserstrahls) in zwei kohärente Teilstrahlen erzeugt. Die beiden Teilstrahlen (Objektstrahl und Referenzstrahl) werden anschließend mittels geeigneter Strahlaufweitungsvorrichtungen 16 und 17 aufgeweitet. Der aufgeweitete Objektstrahl O1 wird mittels einer Strahllenkvorrichtung auf das Messobjekt gerichtet. Der aufgeweitete Referenzstrahl R wird mittels der Strahllenkungsvorrichtung im Strahlengang der CCD-Kamera 30 eingekoppelt. Um das Intensitätsverhältnis zwischen dem Objektstrahl und dem Referenzstrahl abzugleichen, kann im optischen Pfad des Referenzstrahls R (Referenzstrahlpfad) eine Intensitätseinstellungseinrichtung 34 angeordnet werden.The out-of-plane digital holography (ESPI) device 12-2 comprises a beam generating device (not in 2 shown), which is designed to have at least two coherent beams (comprising a first object beam 01 and a reference beam R ) to create. The object beam is similar to the in-plane structure 01 and the reference beam R by dividing one from the light source 14 coming beam (usually a laser beam) generated in two coherent partial beams. The two partial beams (object beam and reference beam) are then made using suitable beam expansion devices 16 and 17 widened. The expanded object beam O1 is directed onto the measurement object by means of a beam steering device. The expanded reference beam R is by means of the beam steering device in the beam path of the CCD camera 30 coupled. To adjust the intensity ratio between the object beam and the reference beam, the optical path of the reference beam can R (Reference beam path) an intensity setting device 34 to be ordered.

Die Phasenschiebungseinrichtung 20 kann sowohl im optischen Pfad des Objektstrahls O1 als auch im optischen Pfad des Referenzstrahls R angeordnet werden. Vorzugsweise ist jedoch die Phasenschiebungseinrichtung 20 in dem optischen Pfad des Referenzstrahls R angeordnet. Es hat sich erwiesen, dass dadurch die Genauigkeit des mikroskopischen Messsystems erhöht wird.The phase shifter 20 can both in the optical path of the object beam O1 as well as in the optical path of the reference beam R to be ordered. However, the phase shift device is preferred 20 in the optical path of the reference beam R arranged. It has been shown that this increases the accuracy of the microscopic measuring system.

Der Referenzstrahl R kann an unterschiedlichen Stellen im mikroskopischen out-of-plane (moop) Messsystem eingekoppelt werden. Die möglichen Referenzstrahl-Einkopplungsstellen sind in 2 als Knotenpunkte R1, R2, R3, R4 dargestellt. Insbesondere kann der Referenzstrahl sowohl vor als auch nach dem Mikroskopobjektiv 24 eingekoppelt werden. Jedoch eignet sich eine Schnittstelle, welche als Knotenpunkt R3 in 2 dargestellt ist, besonders gut für die Einkopplung des Referenzstrahls R. An dieser Stelle ist der Strahlengang des Mikroskops im Wesentlichen parallel. Dies ermöglicht eine qualitativ hochwertige Einkopplung mit homogenem Intensitätsprofil. Zudem ist an dieser Stelle die Strahlengangverlängerung des Mikroskops möglich, welche durch die Bauhöhe des Einkopplungsmoduls notwendig wird. Darüber hinaus erfüllt diese Stelle die Anforderung, das okularseitige Kupplungssystem eines herkömmlichen Mikroskops zu nutzen bzw. einsetzen zu können.The reference beam R can be coupled into the microscopic out-of-plane (moop) measuring system at different points. The possible reference beam coupling points are in 2 as nodes R1 . R2 . R3 . R4 shown. In particular, the reference beam can be both before and after the microscope objective 24 be coupled. However, an interface is suitable, which serves as a node R3 in 2 is shown, particularly good for the coupling of the reference beam R , At this point the microscope's beam path is essentially parallel. This enables a high quality coupling with a homogeneous intensity profile. In addition, the beam path extension of the microscope is possible at this point, which is necessary due to the height of the coupling module. In addition, this location fulfills the requirement to be able to use the eyepiece-side coupling system of a conventional microscope.

Das interferierende Licht des Referenzstrahls R und des vom Messobjekt reflektierten Lichts des ersten Objektstrahls 01 wird vom Detektor 30 detektiert und an einer Bildauswertungsvorrichtung 32 übermittelt.The interfering light of the reference beam R and the light of the first object beam reflected by the measurement object 01 is from the detector 30 detected and on an image evaluation device 32 transmitted.

3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines optischen (mikroskopischen) Messsystems mit einer Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung 12-3, welche zwischen einem in-plane Messmodus (oder einer in-plane Anordnung) und einem out-of-plane Messmodus (oder out-of-plane Anordnung) umgeschaltet bzw. variiert werden kann. Die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung 12-3 ist derart ausgelegt, mindestens drei kohärente Strahlen zu erzeugen, umfassend einen ersten Objektstrahl O1, einen zweiten Objektstrahl 02 und einen Referenzstrahl R. Die beiden Objektstrahlen O1 und 02, werden mittels einer Strahlumlenkungsvorrichtung auf einen Abtastbereich des Messobjekts 22 gerichtet. Der Abtastbereich des Messobjekts 22 wird von den Objektstrahlen 01 und 02 aus unterschiedlichen Richtungen, bevorzugt im Wesentlich symmetrisch beleuchtet. Der Referenzstrahl R wird im optischen Pfad des vom Messobjekt 22 reflektierten Lichts eingekoppelt. 3 shows the basic structure of an optical (microscopic) measuring system with a digital holography (ESPI) device 12-3 which is between an in-plane measuring mode (or a in-plane arrangement) and an out-of-plane measurement mode (or out-of-plane arrangement) can be switched or varied. The digital holography (ESPI) device 12-3 is designed to generate at least three coherent beams, comprising a first object beam O1 , a second object beam 02 and a reference beam R , The two object rays O1 and 02 , are directed to a scanning area of the measurement object by means of a beam deflection device 22 directed. The scanning area of the measurement object 22 is from the object rays 01 and 02 from different directions, preferably illuminated essentially symmetrically. The reference beam R is in the optical path of the target 22 reflected light.

Im in-plane Messmodus (oder bei einer in-plane Anordnung) werden - wie in Zusammenhang mit 1 beschrieben - die beiden Objektstrahlen O1 und 02 mittels entsprechenden Strahlaufweitungsvorrichtungen 16 und 18 und/oder Strahllenkvorrichtungen aufgeweitet und auf das Messobjekt 22 gerichtet. Dabei wird der Referenzstrahl R mittels der Schaltervorrichtung 36, ausgeschaltet. Im out-of-plane Messmodus wird - wie in Zusammenhang mit 2 beschrieben - das Messobjekt 22 lediglich von einem der beiden Objektstrahlen 01 oder 02 beleuchtet und der Referenzstrahl R im Strahlengang der Kamera eingekoppelt. Der andere Objektstrahl wird mittels der Schaltervorrichtung 36 ausgeschaltet.In in-plane measurement mode (or with an in-plane arrangement) - as in connection with 1 described - the two object beams O1 and 02 by means of appropriate beam expansion devices 16 and 18 and / or beam steering devices expanded and onto the measurement object 22 directed. The reference beam R by means of the switch device 36 , switched off. In out-of-plane measurement mode - as in connection with 2 described - the measurement object 22 only from one of the two object beams 01 or 02 illuminated and the reference beam R coupled in the beam path of the camera. The other object beam is switched on 36 switched off.

Die Umschaltung zwischen dem in-plane Messmodus und dem out-of-plane Messmodus erfolgt dementsprechend durch die Umschaltung zwischen dem zweiten Objektstrahl 02 und dem Referenzstrahl R. Im out-of-plane Messmodus, in welchem der erste Objektstrahl O1 und der Referenzstrahl R verwendet werden, wird der Referenzstrahlpfad zugeschaltet. Im in-plane Messmodus, in welchem die beiden Objektstrahlen 01 und 02 verwendet werden, wird zum ersten Objektstrahl O1 der Objektstrahl 02 zugeschaltet.The switch between the in-plane measurement mode and the out-of-plane measurement mode is accordingly carried out by switching between the second object beam 02 and the reference beam R , In the out-of-plane measuring mode, in which the first object beam O1 and the reference beam R are used, the reference beam path is switched on. In the in-plane measuring mode, in which the two object beams 01 and 02 used, becomes the first object beam O1 the object beam 02 switched on.

Die Vereinigung der in-plane und out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Prinzipien in der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform basiert auf der Gemeinsamkeit, dass sowohl in-plane als auch out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Messverfahren mindestens einen Objektstrahl nutzen. Bei der in 3 gezeigten drei-dimensionalen Digital-Holgraphie (ESPI) Vorrichtung 12-3 ist der erste Objektstrahl O1 der gemeinsam genutzte Objektstrahl. Er kann auch als gemeinsamer optischer Pfad der in-plane und der out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtungen bezeichnet werden.The union of the in-plane and out-of-plane digital holography (ESPI) principles in the digital holography (ESPI) device according to this embodiment is based on the commonality that both in-plane and out-of-plane digital Holography (ESPI) measurement method use at least one object beam. At the in 3 shown three-dimensional digital holography (ESPI) device 12-3 is the first object beam O1 the shared object beam. It can also be referred to as the common optical path of the in-plane and out-of-plane digital holography (ESPI) devices.

Ferner ist es aus regel- bzw. steuerungstechnischen- und/oder softwarebedingten Gründen vorteilhaft, eine gemeinsame Phasenschiebeeinrichtung 20 für beide Messmoden zu verwenden. Dadurch können ebenfalls Bauraum, Komponenten (z.B. Stecker) und Kosten für eine zweite Phasenschiebungseinrichtung gespart werden. Die Phasenschiebungseinrichtung 20 kann sowohl im optischen Pfad des gemeinsam in den beiden Messmoden genutzten ersten Objektstrahls 01 als auch in dem optischen Pfad des Referenzstrahls R angeordnet werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Genauigkeit der out-of-plane-Messung höher ist, wenn eine Phasenschiebung des Referenzstrahls R durchgeführt wird.Furthermore, for reasons related to control or control technology and / or software, it is advantageous to have a common phase shifting device 20 to be used for both measuring modes. This also saves installation space, components (for example connectors) and costs for a second phase shifting device. The phase shifter 20 can both in the optical path of the first object beam used jointly in the two measurement modes 01 as well as in the optical path of the reference beam R to be ordered. However, it has been found that the accuracy of the out-of-plane measurement is higher when there is a phase shift of the reference beam R is carried out.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden durch Teilung des von der Lichtquelle 14 kommenden Strahls zunächst zwei Teilstrahlen erzeugt. Der erste Teilstrahl wird als Objektstrahl O1 verwendet. Im optischen Pfad des zweiten Teilstrahls wird die Phasenschiebungseinrichtung 20 angeordnet. Der zweite Teilstrahl wird in zwei weitere Teilstrahlen aufgeteilt, welche den zweiten Objektstrahl O2 und den Referenzstrahl R bilden. Die Umschaltung zwischen dem zweiten Objektstrahl 02 und dem Referenzstrahl R erfolgt durch die Schaltervorrichtung 36. Die Schaltervorrichtung 36 umfasst einen ersten 38 und einen zweiten 40 optischen Verschluss (Shutter) und optional zumindest eine optische Weiche 42.In a preferred embodiment, by dividing the light source 14 coming beam initially produces two partial beams. The first sub-beam is called an object beam O1 used. The phase shift device is in the optical path of the second partial beam 20 arranged. The second sub-beam is divided into two further sub-beams, which are the second object beam O2 and the reference beam R form. Switching between the second object beam 02 and the reference beam R done by the switch device 36 , The switch device 36 comprises a first 38 and a second 40 optical shutter (shutter) and optionally at least one optical switch 42 ,

Es ist ferner vorteilhaft, wenn alle Strahlen (d.h. der Objektstrahl 01, der Objektstrahl 02 und der Referenzstrahl R) getrennt von einander geschaltet werden können. Somit kann z.B. eine separate Piezojustierung durchgeführt werden. Deshalb kann optional auch im optischen Pfad des ersten Objektstrahls O1 ebenfalls eine zweite Schaltervorrichtung 44, umfassend zumindest einen optischen Verschluss, angeordnet werden.It is also advantageous if all beams (ie the object beam 01 , the object beam 02 and the reference beam R ) can be switched separately from each other. A separate piezo adjustment can thus be carried out, for example. For this reason, the optical path of the first object beam can optionally be used O1 also a second switch device 44 comprising at least one optical shutter.

Um das Intensitätsverhältnis zwischen dem ersten Objektstrahl O1 und dem Referenzstrahl R abzugleichen, ist im Referenzstrahlpfad bevorzugt eine Intensitätseinstellungseinrichtung 34 angeordnet.The intensity ratio between the first object beam O1 and the reference beam R an intensity setting device is preferred in the reference beam path 34 arranged.

Die in 1 bis 3 dargestellten optischen Messsysteme können modular aufgebaut werden, wobei die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung als ein eigenständiges Modul (nachfolgend auch Interferometriemodul oder „Mikroferoskop“ genannt) ausgebildet werden kann. Das Interferometriemodul kann passend zum okularseitigen Kupplungssystem eines Mikroskops, vorzugsweise eines Stereomikroskops (z.B. Leica Mz16), aufgebaut werden. Somit kann das Interferometriemodul ohne großen Montageaufwand an einem Mikroskop (z.B. einem Stereomikroskop) montiert werden. Vorzugsweise weist das Mikroskop, in welchem das Interferometriemodul integriert wird, einen modularen Aufbau auf, was eine große Variabilität durch die mögliche Verwendung unterschiedlicher Module und deren verschiedenartige Kombination ermöglicht. Zudem ermöglicht diese Bauweise die nachträgliche Integration verschiedenster optischer Komponenten, wie zum Beispiel von Strahlteilern, Filtern oder Faserkoppler.In the 1 to 3 The optical measuring systems shown can be constructed in a modular manner, the digital holography (ESPI) device being able to be designed as an independent module (hereinafter also referred to as an interferometry module or “microferoscope”). The interferometry module can be set up to match the coupling system on the eyepiece side of a microscope, preferably a stereomicroscope (eg Leica Mz16). The interferometry module can thus be mounted on a microscope (eg a stereomicroscope) without great effort. The microscope in which the interferometry module is integrated preferably has a modular structure, which is highly variable due to the possible use of different modules and their allows different combinations. In addition, this design enables the subsequent integration of a wide variety of optical components, such as beam splitters, filters or fiber couplers.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines optischen (mikroskopischen) Messsystems 10. Die modular aufgebaute Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung 12 ist unterhalb des Mikroskops 23 bzw. der Mikroskopoptik (umfassend das Mikroskopobjektiv) angeordnet. Die optische Achse des Mikroskops bzw. des Mikroskopobjektivs ist im Wesentlichen parallel zu der vertikalen Richtung z. Die in 4 dargestellte Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung weist eine in-plane Digital-Holographie Anordnung auf, wobei das Messobjekt von zwei kohärenten Objektstrahlen O1 und O2 beleuchtet wird. Vorteile einer Anordnung der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung unterhalb des Mikroskopobjektivs (bzw. unterhalb der Mikroskopoptik) können insbesondere eine verbesserte Ausleuchtung des Messobjekts, eine höhere Genauigkeit der Untersuchung oder Messung, insbesondere bei einer in-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung, einen kleineren bzw. kompakteren Bau der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung (insbesondere der Beleuchtungsarme), sowie eine einfachere Integration der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung mit einem Mikroskop sein. 4 shows a schematic representation of an optical (microscopic) measuring system 10 , The modular digital holography (ESPI) device 12 is below the microscope 23 or the microscope optics (comprising the microscope objective). The optical axis of the microscope or microscope objective is essentially parallel to the vertical direction z. In the 4 The digital holography (ESPI) device shown has an in-plane digital holography arrangement, the measurement object being composed of two coherent object beams O1 and O2 is illuminated. Advantages of arranging the digital holography (ESPI) device below the microscope objective (or below the microscope optics) can in particular be improved illumination of the measurement object, greater accuracy of the examination or measurement, in particular with an in-plane digital holography (ESPI) arrangement , a smaller or more compact construction of the digital holography (ESPI) device (in particular the lighting arms), and a simpler integration of the digital holography (ESPI) device with a microscope.

Eine Erweiterungsmöglichkeit zum gleichzeitigen Messen der in-plane-Verformungen in zwei Richtungen (x-x und y-y), ist bevorzugt durch den Aufbau eines zweiten, baugleichen Interferometriemoduls (gegebenenfalls ohne Referenzstrahleinkopplung) realisierbar. Insbesondere kann das mikroskopische Messsystem zwei Interometriemodule umfassen, welche im Wesentlichen 90° zueinander und 45° zur Hochebene des Säulensystems stehen bzw. angeordnet sind.An expansion option for simultaneous measurement of the in-plane deformations in two directions (x-x and y-y) can preferably be implemented by constructing a second, structurally identical interferometry module (possibly without reference beam coupling). In particular, the microscopic measuring system can comprise two interometry modules, which are or are arranged essentially at 90 ° to one another and 45 ° to the plateau of the column system.

Bevorzugte Ausführungsformen des optischen Messsystems 10, umfassend eine Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung und optional ein Mikroskopobjektiv werden nachfolgend in mehr Detail beschrieben:Preferred embodiments of the optical measuring system 10 comprising a digital holography (ESPI) device and optionally a microscope objective are described in more detail below:

Lichtquellelight source

Die Lichtquelle kann extern zu der Digtial-Holgraphie (ESPI) Vorrichtung bzw. zum Interferrometriemodul sein. Die Einkopplung des von der Lichtquelle generierten Strahls in die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung kann zum Beispiel mittels zumindest einen Glasfaserkabel und zumindest einen Kollimator realisiert werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Lichtquelle in der Digtial-Holgraphie (ESPI) Vorrichtung fest integriert ist. Die Vorteile einer internen Lichtquelle sind insbesondere, dass die Einstellung der Einkopplung entfällt und auf die teuren und empfindlichen Glasfaserkabel verzichtet werden kann. Vorzugsweise weist die Lichtquelle einen Laser oder eine Laserdiode auf. Alternativ können jedoch auch andere Lichtquellen eingesetzt werden, wie z.B. Leuchtstoffröhren in Kombination mit entsprechenden Filtern.The light source can be external to the digital holography (ESPI) device or to the interferometry module. The coupling of the beam generated by the light source into the digital holography (ESPI) device can be implemented, for example, by means of at least one glass fiber cable and at least one collimator. However, it is also possible for the light source to be firmly integrated in the digital holography (ESPI) device. The advantages of an internal light source are in particular that there is no need to set the coupling and the expensive and sensitive fiber optic cables can be dispensed with. The light source preferably has a laser or a laser diode. Alternatively, however, other light sources can also be used, e.g. Fluorescent tubes in combination with appropriate filters.

StrahllenkungsvorrichtungBeam steering device

Die Strahllenkungsvorrichtung umfasst zumindest ein optisches Element, wie z.B. einen Spiegel, einen Strahlteilerwürfel, usw. Insbesondere können zur Strahllenkung bzw. Strahlablenkung neben Spiegel, auch Strahlteilerwürfel als strahllenkende Elemente eingesetzt werden, wobei der reflektierte Strahl meist senkrecht zur optischen Achse des Strahleingangs beziehungsweise des transmittierten Strahls austritt und somit umgelenkt wird. Es können ferner ein oder mehrere Spiegel, vorzugsweise Planspiegel mit jeweils einem verstellbaren Spiegeltisch eingesetzt werden. Die Spiegel weisen vorzugsweise eine Beschichtung auf, welche bevorzugt im Bereich der vorgesehenen Laserwellenlängen einen sehr guten und nahezu konstanten Reflektionsgrad aufweist.The beam steering device comprises at least one optical element, e.g. a mirror, a beam splitter cube, etc. In particular, for beam steering or beam deflection, in addition to mirrors, beam splitter cubes can also be used as beam-guiding elements, the reflected beam usually emerging perpendicularly to the optical axis of the beam input or of the transmitted beam and thus being deflected. One or more mirrors, preferably plane mirrors, each with an adjustable mirror table, can also be used. The mirrors preferably have a coating which preferably has a very good and almost constant degree of reflection in the range of the laser wavelengths provided.

Schaltervorrichtungswitch device

Das Zusammenführen der in-plane und out-of-plane Digitale-Holgraphie (ESPI) Vorrichtungen zu einem gesamten drei-dimensionalen System erfordert eine Umschaltung zwischen zwei Strahlpfaden. Hierzu können z.B. optischen Weichen (Strahlweichen) und/oder Verschlussvorrichtungen (Shuttervorrichtungen) eingesetzt werden. Eine optische Weiche ist ausgelegt, im Wesentlichen 100% des einfallenden Lichts in die gestellte bzw. vorgegebene Richtung abzulenken. Die optische Weiche kann z.B. zumindest einen Spiegel auf einem servo-verstellbaren Drehtisch umfassen. Eine Verschlussvorrichtung ist ausgelegt, das einfallende Licht in zumindest zwei Teilstrahlen zu teilen, den Verschluss der zu stellenden Richtung zu öffnen und den Verschluss der zweiten Richtung zu schließen. Eine beispielhafte Verschlussvorrichtung kann einen Strahlteiler und zwei Verschlussblenden umfassen.The merging of the in-plane and out-of-plane digital holography (ESPI) devices into an entire three-dimensional system requires a switchover between two beam paths. For this, e.g. optical switches (beam switches) and / or closure devices (shutter devices) are used. An optical switch is designed to deflect essentially 100% of the incident light in the set or predetermined direction. The optical switch can e.g. include at least one mirror on a servo-adjustable turntable. A closure device is designed to split the incident light into at least two partial beams, to open the closure in the direction to be set and to close the closure in the second direction. An exemplary shutter device may include a beam splitter and two shutter panels.

Wie bereits vorangehend ausgeführt ist es vorteilhaft, wenn alle Strahlen (d.h. der Objektstrahl O1, der Objektstrahl O2 und der Referenzstrahl R) getrennt von einander geschaltet werden können. Die Verwendung einer optischen Weiche hat zur Folge, dass mindestens ein weiterer Verschluss verbaut werden muss oder eine exakte Mittelstellung (beide Strahlenpfade verschlossen) einzurichten ist. Darüber hinaus ist die Reproduzierbarkeit der absoluten Servostellwinkel des servoverstellbaren Drehtisches, auf dem der Weichenspiegel angeordnet ist, mit herkömmlichen Servoeinrichtungen nicht immer gewährleistet. Um während derselben Belastung des Objekts (d.h. in einem Schritt) in-plane und out-of-plane- Verformungen messen zu können, wird jedoch während einer Messung zweimal umgeschaltet werden. Steht der Weichenspiegel nach den Umschaltungen nicht mehr in der gleichen Position wie bei der Aufnahme der Referenzbilder, werden die Normalbilder mit einem zu den Referenzbildern verschobenem Specklemuster aufgenommen. Dadurch werden die Phasenbilder und damit die Messung verfälscht.As already explained above, it is advantageous if all beams (ie the object beam O1 , the object beam O2 and the reference beam R ) can be switched separately from each other. The result of using an optical switch is that at least one additional shutter must be installed or an exact middle position (both beam paths closed) must be set up. In addition, the reproducibility of the absolute servo positioning angles of the servo-adjustable turntable on which the turnout mirror is arranged is not always guaranteed with conventional servo devices. However, in order to be able to measure in-plane and out-of-plane deformations during the same load on the object (ie in one step), can be switched twice during a measurement. If after switching the switch mirror is no longer in the same position as when the reference pictures were taken, the normal pictures are taken with a speckle pattern shifted to the reference pictures. This falsifies the phase images and thus the measurement.

Der Nachteil des verlorenen Lichtstromes am geschlossenen Verschluss (Shutter) kann jedoch vernachlässigt werden, da die Lichtquellen (insbesondere Laserquellen) in der Regel über genügend Leistungsreserven verfügen. Das Verschlusssystem hat sich daher als vorteilhaft erwiesen.The disadvantage of the lost luminous flux at the closed shutter (shutter) can, however, be neglected, since the light sources (especially laser sources) generally have sufficient power reserves. The locking system has therefore proven to be advantageous.

PhasenschiebungseinrichtungPhase shift means

Die Phasenschiebung kann mittels Variation des optischen Wegunterschiedes zweier Teilstrahlen (Strahl 1, Strahl2) realisiert werden, wie in 5 schematisch dargestellt. Diese Variation des optischen Wegunterschieds kann zum Beispiel durch Verschiebung eines Spiegels mittels eines piezoelektrischen Aktuators (Piezoaktuator) erfolgen, wie in 6 schematisch dargestellt. Insbesondere kann die optische Wegänderung durch einen 90°- Umlenkspiegel M1, welcher senkrecht zur Spiegelfläche verschoben wird realisiert werden. Diese Vorgehensweise hat jedoch den Nachteil, dass eine Abhängigkeit des Verstellweges von der Gleichung 2·cos 45° und eine Verschiebung der optischen Achse des Ausgangsstrahles um Δl · cos 45° besteht. Zum Vergleich ist der Ausgangsstrahl gestrichelt dargestellt.The phase shift can be determined by varying the optical path difference between two partial beams (beam 1 , Beam 2 ) can be realized as in 5 shown schematically. This variation of the optical path difference can take place, for example, by moving a mirror by means of a piezoelectric actuator (piezo actuator), as in 6 shown schematically. In particular, the optical path change can be done by a 90 ° deflection mirror M1 , which is moved perpendicular to the mirror surface. However, this procedure has the disadvantage that the adjustment path is dependent on the equation 2 · cos 45 ° and there is a shift in the optical axis of the output beam by Δl · cos 45 °. For comparison, the output beam is shown in dashed lines.

Es wird daher eine bevorzugte alternative Realisierung der optischen Wegänderung vorgeschlagen, durch welche die unerwünschte Abhängigkeit des Verstellweges und die Verschiebung der optischen Achse weitgehend eliminiert werden kann. Die optische Wegänderung und somit die Phasenverschiebung erfolgt durch zwei gegenüberliegende (180°) Spiegel. Einer der beiden Spiegel kann mittels eines Piezoelements oder Piezoaktuators verschoben werden. Dies führt zu einer Veränderung des optischen Wegs und somit zu einer Phasenverschiebung. Wenn die Versatzwinkel sehr klein sind, sind die Einflüsse auf die Strahlgeometrie bei der Verschiebung eines der beiden Spiegel ebenfalls klein.A preferred alternative realization of the optical path change is therefore proposed, by means of which the undesired dependence of the adjustment path and the displacement of the optical axis can be largely eliminated. The optical path change and thus the phase shift takes place through two opposite (180 °) mirrors. One of the two mirrors can be moved by means of a piezo element or piezo actuator. This leads to a change in the optical path and thus to a phase shift. If the offset angles are very small, the influences on the beam geometry when one of the two mirrors are displaced are also small.

Eine andere Realisierung der optischen Wegänderung kann mittels eines 90°-Doppelspiegelphasenschiebers 45 nach dem Retroreflektor-Prinzip erfolgen, wie in 7 schematisch dargestellt. Der Laserstrahl wird über zwei Rechteckspiegel M1, M2 geführt. Diese werden miteinander parallel verschoben. Der 90°- Doppelspiegelphasenschieber eliminiert die beschriebenen Probleme im Wesentlichen vollständig. Neben dem geraden Wegfaktor (2Δl) ist vorteilhaft auch die Bedingung erfüllt, dass die Strahlwegänderung koaxial erfolgt. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Phasenschiebung (Δl) dieser Phasenschiebe-Vorrichtung die gleiche Abhängigkeit von der Piezospannung aufweist wie in vorhandenen Shearografiesensoren und im Michelsonaufbau (zur „klassischen“ Piezojustierung).Another realization of the optical path change can take place by means of a 90 ° double mirror phase shifter 45 according to the retroreflector principle, as in FIG 7 shown schematically. The laser beam is over two rectangular mirrors M1 . M2 guided. These are shifted in parallel with each other. The 90 ° double mirror phase shifter essentially completely eliminates the problems described. In addition to the straight path factor ( 2Δl ) the condition is advantageously met that the beam path change takes place coaxially. Another advantage is that the phase shift ( .DELTA.l ) this phase shifting device has the same dependence on the piezo voltage as in existing shearography sensors and in the Michelson design (for "classic" piezo adjustment).

StrahlerzeugungsvorrichtungRay generating device

Die Strahlerzeugungsvorrichtung ist ausgelegt, zumindest zwei kohärente Strahlen zu erzeugen. Vorzugsweise werden die zumindest zwei kohärenten Strahlen durch Teilung des Strahls der Lichtquelle (z.B. eines Laserstrahls) in Teilstrahlen erzeugt. Die Strahlteilung kann zum Beispiel durch Strahlteilerwürfel erfolgen. Vorzugsweise weisen die beiden Objektstrahlen die gleichen Intensitäten auf. Für den Referenzstrahl genügt in der Regel eine geringere Intensität.The beam generating device is designed to generate at least two coherent beams. Preferably, the at least two coherent beams are generated by dividing the beam from the light source (e.g. a laser beam) into partial beams. The beam can be split, for example, using beam splitter cubes. The two object beams preferably have the same intensities. A lower intensity is usually sufficient for the reference beam.

Die Aufteilung des in der drei-dimensionalen Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung eingehenden Strahls der Lichtquelle in drei Teilstrahlen kann zum Beispiel mit zwei hintereinandergeschalteten Strahlteilerwürfeln erfolgen, welche jeweils ein Teilerverhältnis R/T = 50/50 aufweisen. Hierdurch wird der aus der Lichtquelle kommende Strahl mit einer Intensität I in zwei Teilstrahlen mit gleicher Intensität I/4 und ein Teilstrahl mit einer Intensität I/2 aufgespaltet. Sollen gleiche Teilungsverhältnisse eingesetzt werden, um gleich große Strahlintensitäten zu erhalten, kann die Intensität eines Teilstrahls, zum Beispiel durch den Einsatz eines Filters reduziert werden. Diese Lösung hat jedoch die Folge, dass ein zusätzliches Dämpfungsglied in der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung eingeführt wird. In der kohärenten Optik wird jedoch generell bevorzugt, möglichst wenige Dämpfungsglieder in der Teilungsstrecke zu verbauen, um das Auftreten von störenden Interferenzeffekten zu verringern. Ursachen für diese Interferenzeffekte können Reflektionen im Filter und/oder an der Filteroberfläche auftretendes Streulicht, sowie der große Gradient des starken Intensitätsgefälles auf kurzer Strecke sein.The beam of the light source arriving in the three-dimensional digital holography (ESPI) device can be divided into three partial beams, for example with two beam splitter cubes connected in series, each of which has a splitting ratio R / T = 50/50. As a result, the beam coming from the light source with an intensity I is split into two partial beams with the same intensity I / 4 and one partial beam with an intensity I / 2. If the same division ratios are to be used in order to obtain equally high beam intensities, the intensity of a partial beam can be reduced, for example by using a filter. However, this solution has the consequence that an additional attenuator is introduced in the digital holography (ESPI) device. In the coherent optics, however, it is generally preferred to install as few attenuators as possible in the division path in order to reduce the occurrence of interfering interference effects. The causes of these interference effects can be reflections in the filter and / or scattered light occurring on the filter surface, as well as the large gradient of the strong intensity gradient over a short distance.

Ferner können zum Strahlaufteilung nacheinander geschaltete Strahlteilerwürfel mit ungleichem Teilerverhältnis verwendet werden. Der erste Strahlteilerwürfel kann z.B. ein Teilerverhältnis von 67/33 und der zweite Strahlteilerwürfel ein Teilerverhältnis von 50/50 aufweisen. Alle Teilstrahlen weisen dann die gleiche Intensität, nämlich ein Drittel der Intensität des aus der Lichtquelle stammenden Strahls. Das System ist somit vorteilhaft weitgehend verlustfrei (ausgenommen Bauteilwirkungsgrade). Jedoch werden hierfür Strahlteilerwürfel mit einem gebrochenen Teilerverhältnis benötigt. Strahlteilerwürfel mit gebrochenen Teilerverhältnissen stellen in der Regel Sonderanfertigungen dar, was die Kosten des gesamten Systems erhöhen kann.Furthermore, beam splitter cubes connected in series with an unequal splitter ratio can be used for beam splitting. The first beam splitter cube can e.g. have a division ratio of 67/33 and the second beam splitter cube have a division ratio of 50/50. All partial beams then have the same intensity, namely one third of the intensity of the beam originating from the light source. The system is therefore advantageously largely loss-free (except for component efficiencies). However, beam splitter cubes with a broken splitter ratio are required for this. Beam splitter cubes with broken splitter ratios are usually custom-made, which can increase the cost of the entire system.

Eine andere Möglichkeit, gleiche Teilungsverhältnisse zu erhalten, ist den aus der Lichtquelle kommenden Strahl in vier Teilstrahlen zu teilen, von denen jeder ein Viertel der Gesamtintensität aufweist. Da nur drei Teilstrahlen benötigt werden, wird ein Teilstrahl aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung abgeleitet oder z.B. in einer Lichtfalle absorbiert, wie in 8 schematisch dargestellt. Die Strahlteilungsvorrichtung umfasst dementsprechend drei Strahlteilerwürfel BS1, BS2, BS3 und eine Lichtfalle LF. Another way of obtaining equal division ratios is to divide the beam coming from the light source into four partial beams, each of which has a quarter of the total intensity. Since only three partial beams are required, one partial beam is derived from the digital holography (ESPI) device or, for example, absorbed in a light trap, as in 8th shown schematically. The beam splitting device accordingly comprises three beam splitter cubes BS1 . BS2 . BS3 and a light trap LF ,

Das Funktionsprinzip einer Lichtfalle besteht darin, dass der einfallende Lichtstrahl möglichst oft in einer Hohlkugel reflektiert wird. Die stark absorbierende Oberfläche absorbiert bei jeder Reflektion einen Großteil des Lichtstromes. Auf diese Weise wird der Strahl mit jeder Reflektion schwächer, er „verläuft sich“.The principle of operation of a light trap is that the incident light beam is reflected as often as possible in a hollow sphere. The highly absorbent surface absorbs a large part of the luminous flux with every reflection. In this way, the beam becomes weaker with every reflection, it "runs".

Vorteil dieses System ist, dass die Lichtfalle kostengünstig hergestellt werden kann, z.B. mit Hilfe eines 3D-Druckers. Insbesondere kann die Lichtfalle in matt-schwarz in einem rapidprototyping-Verfahren gedruckt werden. Die raue Oberfläche dieser Lichtfalle verstärkt die Lichtabsorption. Der Nachteil des verlorenen Lichtstromes im Lichtfallenzweig kann in der Regel vernachlässigt werden, da die einzusetzenden Lichtquellen, insbesondere Laserquellen, über genügend Leistungsreserven verfügen.The advantage of this system is that the light trap can be manufactured inexpensively, e.g. with the help of a 3D printer. In particular, the light trap can be printed in matt black using a rapid prototyping process. The rough surface of this light trap increases light absorption. The disadvantage of the lost luminous flux in the light trap branch can generally be neglected, since the light sources to be used, in particular laser sources, have sufficient power reserves.

Strahlaufweitungbeam expansion

Die durch Teilung eines von der Lichtquelle kommenden Strahls erzeugten Objekt- und Referenzstrahlen werden in der Regel aufgeweitet. Dies kann z.B. mittels einer oder mehreren Linsen (Linsensystem) erfolgen. Vorteil einer Strahlaufweitung mittels einer Linse ist, dass die Linse relativ einfach eingebaut und ausgetauscht werden kann (um zum Beispiel eine andere Brennweite einzustellen). Ferner hat eine einzelne Linse einen relativ geringen Bauraumbedarf. Nachteile der Strahlaufweitung mittels einer Linse ist Neigung zu nicht homogenen Strahlprofilen und Fehlern schon bei geringer Verschmutzung, zum Beispiel durch Staub. Ebenfalls ist die Einstellung der Beleuchtungsfeldposition relativ aufwändig.The object and reference beams generated by splitting a beam coming from the light source are usually expanded. This can e.g. by means of one or more lenses (lens system). The advantage of beam expansion using a lens is that the lens can be installed and exchanged relatively easily (for example, to set a different focal length). Furthermore, a single lens requires a relatively small amount of space. Disadvantages of beam expansion by means of a lens are the tendency towards non-homogeneous beam profiles and errors even with little contamination, for example due to dust. The setting of the illumination field position is also relatively complex.

Des Weiteren kann zur Strahlaufweitung ein Mikroskopobjektiv verwendet werden. Das Mikroskopobjektiv ist relativ einfach einzubauen und leicht austauschbar. Ebenfalls sind verschiedene Brennweiten möglich. Das Strahlprofil ist besser als das Strahlprofil einer einfachen Linse. Ein Mikroskopobjektiv ist jedoch in der Regel schwer zu justieren, da der Strahl genau koaxial eintreten muss. Ferner ist die Einstellung der Beleuchtungsfeldposition relativ aufwendig. Des Weiteren ist die Intensität des aufgeweiteten Strahls relativ gering und der Wirkungsgrad relativ niedrig.A microscope objective can also be used for beam expansion. The microscope objective is relatively easy to install and easy to replace. Different focal lengths are also possible. The beam profile is better than the beam profile of a simple lens. However, a microscope objective is usually difficult to adjust because the beam has to enter exactly coaxially. Furthermore, the setting of the illumination field position is relatively complex. Furthermore, the intensity of the expanded beam is relatively low and the efficiency is relatively low.

Die Strahlaufweitung kann ebenfalls mittels eines oder mehrerer Diffusoren, z.B. Groundgläser, erfolgen. Vorteile der Strahlaufweitung mittels eines oder mehreren Diffusoren (insbesondere Groundgläser) ist, dass diese einfach eingebaut und justiert werden können. Ebenfalls weist das Strahlprofil eine gute Qualität auf. Das System ist ferner gut einstellbar, da es zum Beispiel ausreicht, lediglich einen Spiegel hinter einem fest montierten Diffusor (z.B. einem Groundglass) beweglich bzw. verstellbar zu montieren. Ferner kann ein Groundglass gleichzeitig als Gehäusefenster dienen, welches das Gehäuse der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung vor Staubeintritt schützt.The beam expansion can also be done by means of one or more diffusers, e.g. Ground glasses. Advantages of beam expansion using one or more diffusers (especially ground glasses) is that they can be easily installed and adjusted. The beam profile is also of good quality. The system is also easy to adjust, since it is sufficient, for example, to mount a mirror behind a fixed diffuser (e.g. a ground glass) so that it can move or adjust. Furthermore, a ground glass can simultaneously serve as a housing window, which protects the housing of the digital holography (ESPI) device from dust ingress.

Mit einem Diffusor (z.B. mit einem Groundglass) können Speckles üblicher Größe erhalten werden, wogegen durch den Einsatz eines zweiten Groundglases oder weiterer Groundgläser möglich ist, die Specklegröße zu verringern. Dies kann insbesondere für den Einsatz in einem mikroskopischen Messsystem vorteilhaft sein. Vorzugsweise wird einer der beiden Diffusoren (z.B. Groundgläser) beweglich oder verstellbar (z.B. in einem Halter) angeordnet. Durch Verschieben dieses Diffusors kann die Specklegröße in gewissem Umfang eingestellt werden. Der zweite Diffusor (z.B. das zweite Groundglas) kann fest montiert werden, vorzugsweise an einer Stelle, and der dieser im optischen Messsystem eine günstige Specklegröße liefert.With a diffuser (e.g. with a ground glass), normal size speckles can be obtained, whereas the use of a second ground glass or additional ground glasses makes it possible to reduce the speckle size. This can be particularly advantageous for use in a microscopic measuring system. One of the two diffusers (e.g. ground glasses) is preferably arranged to be movable or adjustable (e.g. in a holder). The speckle size can be adjusted to a certain extent by moving this diffuser. The second diffuser (e.g. the second ground glass) can be permanently installed, preferably at a location where it provides an inexpensive speckle size in the optical measuring system.

Ferner kann optional eine Doppelirisblende eingesetzt werden, um die Specklegröße auf dem Chip der CCD-Kamera einzustellen. Eine Blende geringen Durchmessers führt zu großen Speckles und umgekehrt. Die Specklegröße des Objektbildes wird ferner durch die Aperturblende des Mikroskops beeinflusst. Durch die Referenzstrahlaufweitung mittels zwei Diffusoren (z.B. zwei Groundgläser) kann eine geeignete Specklegröße vorgegeben werden. Mit der Aperturblende des Mikroskops kann das Specklebild des Objekts dem des Referenzstrahles angepasst werden.Furthermore, a double iris diaphragm can optionally be used to set the speckle size on the chip of the CCD camera. A small diameter aperture leads to large speckles and vice versa. The speckle size of the object image is also influenced by the aperture diaphragm of the microscope. A suitable speckle size can be specified by the reference beam expansion using two diffusers (e.g. two ground glasses). The speckle image of the object can be adapted to that of the reference beam using the aperture diaphragm of the microscope.

Es ist daher vorteilhaft, bei einer out-of-plane Anordnung zumindest den Referenzstrahl mit einer Strahlaufweitungsvorrichtung, welche zwei nach einander angeordneten Diffusoren (z.B. Groundgläser) umfasst, aufzuweiten.It is therefore advantageous, in an out-of-plane arrangement, to expand at least the reference beam with a beam expansion device which comprises two diffusers (e.g. ground glasses) arranged one after the other.

Nachteile einer Strahlaufweitung mittels eines oder mehreren Diffusoren (z.B. Groundgläser) können eine starke Strahlaufweitung auf kurzer Distanz und ein begrenzt variabler Aufweitungsgrad sein. Es ist ferner in der Regel erforderlich, den Diffusor (z.B. das Groundglas) relativ nah am Messobjekt zu platzieren, um einen kleinen Fleck bzw. Abtastbereich entsprechend hell zu beleuchten. In diesem Fall kann jedoch ein helleres Zentrum im Strahlprofil entstehen.Disadvantages of a beam expansion using one or more diffusers (eg ground glasses) can be a strong beam expansion at a short distance and a limited variable degree of expansion. It is also usually necessary to place the diffuser (e.g. the ground glass) relatively close to the measurement object in order to avoid a small spot or Illuminate the scanning area accordingly bright. In this case, however, a lighter center can arise in the beam profile.

Der Objektstrahl/Objektstrahlen kann/können daher mittels anderer Strahlaufweitungsvorrichtungen aufgeweitet werden, zum Beispiel durch den Einsatz von zumindest einem Konkavspiegel 46, wie in 9 schematisch dargestellt. Die Geometrie der Strahlaufweitung wird durch den Laserstrahldurchmesser d, den Spiegelfokus f und den Abstand zum Objekt s bestimmt. Vorteile einer Strahlaufweitung mit einem Konkavspiegel sind eine einfache Justierung und ein sehr gutes Strahlprofil. Durch auswechselbare Konkavspiegel können verschiedene Aufweitungsgrade und/oder Beleuchtungsfelddurchmesser realisiert werden. Das System ist gut einstellbar, da ein Spiegel auf einem verstellbaren Spiegeltisch montiert, und damit die Beleuchtungsfeldposition eingestellt werden kann. Ferner kann gegebenenfalls ein Umlenkspiegel gespart werden. Um auf lange Zeit gute Strahlprofile zu gewährleisten, muss das System jedoch vor Staub geschützt werden. So kann der Konkavspiegel hinter einem Floatglasfenster in dem Gehäuse der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung, welches die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung vor Staubeintritt schützt, positioniert werden. Ein Nachteil der Strahlaufweitung mittels eines Konkavspiegels ist jedoch, dass ein elliptisches Strahlprofil erzeugt wird, wenn Ein- und Ausgangsstrahlen nicht koaxial sind.The object beam / object beams can therefore be expanded by means of other beam expansion devices, for example by using at least one concave mirror 46 , as in 9 shown schematically. The geometry of the beam expansion is determined by the laser beam diameter d, the mirror focus f and the distance from the object s. Advantages of beam expansion with a concave mirror are simple adjustment and a very good beam profile. Exchangeable concave mirrors can be used to achieve different degrees of expansion and / or illumination field diameter. The system is easily adjustable, as a mirror is mounted on an adjustable mirror table, and the lighting field position can be adjusted. Furthermore, a deflecting mirror can optionally be saved. To ensure good beam profiles for a long time, the system must be protected from dust. The concave mirror can thus be positioned behind a float glass window in the housing of the digital holography (ESPI) device, which protects the digital holography (ESPI) device from dust ingress. A disadvantage of the beam expansion by means of a concave mirror, however, is that an elliptical beam profile is generated when the input and output beams are not coaxial.

Einkoppeln des Referenzstrahls und Intensitätseinsteitungsvorrichtung)Coupling of the reference beam and intensity introduction device)

Bei der out-of-plane Anordnung bzw. in dem out-of-plane Messmodus erfolgt vorzugsweise die Referenzstrahleinkopplung derart, dass der Mikroskopstrahlengang nicht versetzt wird. Somit können die Richtung und die Lage der Achse bis zum Kameratubus erhalten bleiben. Deshalb ist der Einsatz strahlversetzender Bauteile, wie zum Beispiel einer Strahlteilerplatte weniger vorteilhaft. Bevorzugt werden zur Einkopplung des Referenzstrahles in den Mirkroskopstrahlengang stattdessen Strahlteilerwürfel eingesetzt. Der Eingangs- und der Ausgangsstrahl können somit koaxial zueinander sein. Ein Strahlteiler mit einem Teilungsverhältnis T/R = 90/10 liefert ein gutes Grundverhältnis zwischen der Objektbild- und der Referenzstrahlintensität auf dem Chip der CCD-Kamera. Der Feinabgleich kann mit einer vorgeschalteten Intensitätseinstellungseinrichtung durchgeführt werden.In the out-of-plane arrangement or in the out-of-plane measurement mode, the reference beam is preferably coupled in such a way that the microscope beam path is not offset. This means that the direction and position of the axis up to the camera tube can be retained. Therefore, the use of beam-displacing components, such as a beam splitter plate, is less advantageous. Beam splitter cubes are preferably used instead for coupling the reference beam into the microscope beam path. The input and output beams can thus be coaxial with one another. A beam splitter with a splitting ratio T / R = 90/10 provides a good basic ratio between the object image and the reference beam intensity on the chip of the CCD camera. The fine adjustment can be carried out with an upstream intensity setting device.

Insbesondere kann im optischen Pfad des Referenzstrahls eine Intensitätseinstellungsvorrichtung angeordnet werden, um das Intensitätsverhältnis zwischen dem Objektstrahl und dem Referenzstrahl abzugleichen. Die Intensität kann zum Beispiel mit einem zirkularen Polarisationsfilterpaar eingestellt werden. Im Messbetrieb kann es jedoch schwierig sein, die Intensität des Referenzstrahls mit einem zirkularen Polarisationsfilterpaar einzustellen, da hierzu das Gehäuse der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung in der Regel geöffnet werden muss. Ferner treten je nach Polarisationsrichtung des eingekoppelten Lasers bis zu vier unterschiedlich große Maxima über 360° auf. Die Zuordnung von „0%“- und „100%“-Intensität ist jedoch schwierig. Ebenfalls ist es schwierig, die Intensitätsänderung einer bestimmten Drehrichtung zuzuordnen. Des Weiteren wird durch das Polarisationsfilterpaar viel Streulicht im Gehäuse erzeugt.In particular, an intensity setting device can be arranged in the optical path of the reference beam in order to adjust the intensity ratio between the object beam and the reference beam. The intensity can be set, for example, with a pair of circular polarization filters. In measurement mode, however, it can be difficult to adjust the intensity of the reference beam with a pair of circular polarization filters, since the housing of the digital holography (ESPI) device usually has to be opened for this. Furthermore, depending on the direction of polarization of the coupled laser, up to four differently sized maxima occur over 360 °. The assignment of "0%" and "100%" intensity is difficult. It is also difficult to assign the change in intensity to a specific direction of rotation. Furthermore, a lot of stray light is generated in the housing by the pair of polarization filters.

Um eine Einstellbarkeit von der Gehäuseaußenseite und insbesondere eine eindeutige Zuordnung der Verstellrichtung zur Intensitätsänderung zu erreichen, wird vorzugsweise ein lineares System, wie zum Beispiel ein Graukeil, eingesetzt. Der Graukeil ist in der Regel aus schwarz durchgefärbtem Neutralglas gefertigt. Zur Vermeidung des Strahlversatzes kann der Graukeil mit einem Ausgleichskeil verkittet bzw. verbunden werden. Der Graukeil kann beweglich oder verschiebbar angeordnet werden. Zum Beispiel kann die Position des Graukeils mit einem Schiebemechanismus, welcher durch eine Einstellschraube betätigt wird, variiert werden.In order to achieve adjustability from the outside of the housing and in particular a clear assignment of the adjustment direction to the change in intensity, a linear system, such as a gray wedge, is preferably used. The gray wedge is usually made of black colored neutral glass. To avoid the beam offset, the gray wedge can be cemented or connected with a compensation wedge. The gray wedge can be arranged movably or displaceably. For example, the position of the gray wedge can be varied with a sliding mechanism, which is actuated by an adjusting screw.

Ein Vorteil des Graukeils ist die neutrale, d.h. im Wesentlichen wellenlängen- und polarisationsunabhängige Änderung der Intensität. Ferner ist der Graukeil in kleinen Baugrößen verfügbar und kann bevorzugt mit einem Schraube-Feder-System verstellt werden.One advantage of the gray wedge is the neutral, i.e. essentially change in intensity independent of wavelength and polarization. The gray wedge is also available in small sizes and can preferably be adjusted using a screw and spring system.

Der Graukeil kann zwischen den beiden Diffusoren (z.B. Groundgläser) angeordnet werden. So kann eines der Groundgläser vor und eines hinter dem Graukeil angeordnet werden (Doppelgroundglasssystem mit integriertem Graukeil). Die Vorteile dieses Systems sind eine besonders günstige Aufweitung mit kleinen Speckles und eine bessere Dosierbarkeit der Intensität. Ein weiterer Vorteil ist die kompakte Bauweise.The gray wedge can be arranged between the two diffusers (e.g. ground glasses). One of the ground glasses can be arranged in front of and one behind the gray wedge (double ground glass system with integrated gray wedge). The advantages of this system are a particularly favorable expansion with small speckles and a better dosage of the intensity. Another advantage is the compact design.

Das Groundglass vor dem Strahlteilerwürfel kann als ein Kameraschirm fest montiert werden. So kann das Groundglass vor dem Graukeil bei Bedarf an der Stelle eingeklebt werden, an der es in diesem System eine günstige Specklegröße liefert. Das zweite Groundglass kann in einem Halter montiert werden.The ground glass in front of the beam splitter cube can be permanently installed as a camera screen. If necessary, the ground glass can be glued in front of the gray wedge at the point at which it delivers an inexpensive speckle size in this system. The second ground glass can be mounted in a holder.

RaumlichtfilterSpatial filter

Ferner kann das mikroskopische Messsystem ein Raumlichtfilter umfassen, z.B. einen kurz- oder einen Langpassfilter. Das Filter ist vorzugsweise so ausgewählt, dass die eingesetzte Wellenlänge im Bereich des Transmissionsmaximums des Filters liegt. Um den Messbetrieb bei Raumlichtbeleuchtung (Leuchtstoffröhren) zu ermöglichen, kann z.B. ein Langpassfilterglas (z.B. Langpassfilterglas Schott „OG590“ = Oranges Glas mit Kantenwellenlänge λc = 590 nm) eingesetzt werden, da dieses einen Großteil des Leuchtstoffröhrenlichtes aussperrt bzw. absorbiert. Das Filterglas kann in einem Objektivring montiert werden, wobei dieser Ring kann bei Bedarf an das Objektiv geschraubt werden.Furthermore, the microscopic measuring system can comprise a spatial light filter, for example a short or a long pass filter. The filter is preferably selected such that the wavelength used is in the range of the transmission maximum of the Filters lies. In order to enable measurement operation with room lighting (fluorescent tubes), a long pass filter glass (eg long pass filter glass Schott "OG590" = orange glass with edge wavelength λ c = 590 nm) can be used, since this blocks out or absorbs a large part of the fluorescent tube light. The filter glass can be mounted in a lens ring, which ring can be screwed onto the lens if necessary.

Topologie des StrahlengangsTopology of the beam path

Der Strahlengang in der Digital-Holographie Vorrichtung kann unterschiedliche Konfigurationen annehmen. Vorzugsweise wird die Topologie des Strahlengangs nach einem oder mehreren der folgenden Gesichtspunkte konzipiert:

  • - die als ein Interferometriemodul aufgebaute Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung kann mit dem Kupplungssystem eines Mikroskops zwischen Mikroskopgrundkörper und Kameratubus montiert werden;
  • - geringe Bauhöhe, um die Strahlengangverlängerung des Mikroskops möglichst kurz zu halten;
  • - Vermeidung von Strahlkreuzungen, um z.B. eine Strahlführung in einem Kanal zu ermöglichen;
  • - Strahlführung in einer Ebene, um eine Erweiterung der Optik der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung für eine weitere in-plane-Messrichtung in eine zweite Eben zu ermöglichen. Eine Strahlführung in einer Ebene hat insbesondere den Vorteil, dass eine separate Laserquelle zur unabhängigen Leistungsregelung der beiden in-plane-Richtungen verwendet werden kann, ohne dass eine gegenseitige Beeinflussung stattfindet;
  • - Die Strahleinkopplung erfolgt vorzugsweise auf der Geräterückseite, gegebenenfalls mit Bauraum für eine Laserdiode;
  • - Das Bauelementverhältnis B = B a u l e m e n t e P f a d O 1 B a u l e m e n t e P f a d O 2 ,
    Figure DE102010020860B4_0001
    definiert als das Verhältnis zwischen der Summe der Bauelemente entlang des optischen Pfad des ersten Objektstrahls und der Summe der Bauelemente entlang des optischen Pfads des zweiten Objektstrahls, beträgt vorzugweise ungefähr 1, um die gleiche Intensität beider Objektstrahlen zu gewährleisten. Dabei werden Spiegel und Strahlteiler gleich bewertet, da deren Wirkungsgrade ähnlich sind.
The beam path in the digital holography device can have different configurations. The topology of the beam path is preferably designed according to one or more of the following aspects:
  • - The digital holography (ESPI) device, constructed as an interferometry module, can be mounted with the coupling system of a microscope between the microscope base body and the camera tube;
  • - Low overall height in order to keep the beam path extension of the microscope as short as possible;
  • - Avoiding beam crossings, for example to enable beam guidance in a channel;
  • - Beam guidance in one plane in order to enable an expansion of the optics of the digital holography (ESPI) device for a further in-plane measurement direction in a second plane. Beam guidance in one plane has the particular advantage that a separate laser source can be used for independent power control of the two in-plane directions, without mutual interference taking place;
  • - The beam coupling is preferably carried out on the back of the device, if necessary with space for a laser diode;
  • - The component ratio B = Σ B a u l e m e n t e P f a d O 1 Σ B a u l e m e n t e P f a d O 2 .
    Figure DE102010020860B4_0001
    defined as the ratio between the sum of the components along the optical path of the first object beam and the sum of the components along the optical path of the second object beam, is preferably approximately 1 in order to ensure the same intensity of both object beams. The mirrors and beam splitters are rated equally because their efficiencies are similar.

10 zeigt die Strahlentopologie gemäß einer ersten Ausführungsform. Der von der Lichtquelle 14 kommende Strahl wird durch einen ersten Strahlteilerwürfel BS1 in einen ersten und einem zweiten Teilstrahl geteilt. Der erste Teilstrahl wird mittels eines zweiten Strahlteilerwürfels BS2 in einen dritten und einen vierten Teilstrahl geteilt. Der dritte Teilstrahl tritt nach einer Umlenkung durch den Spiegel M7 als zweiter Objektstrahl aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der vierte Teilstrahl wird von einer Lichtfalle LF absorbiert. 10 shows the beam topology according to a first embodiment. The one from the light source 14 coming beam is through a first beam splitter cube BS1 divided into a first and a second partial beam. The first partial beam is divided into a third and a fourth partial beam by means of a second beam splitter cube BS2. The third sub-beam passes through the mirror after being deflected M7 as a second object beam from the digital holography (ESPI) device. The fourth beam is from a light trap LF absorbed.

Der zweite Teilstrahl wird mittels eines dritten Strahlteilerwürfel BS3 in zwei weitere (fünfte und sechste) Teilstrahlen aufgeteilt. Der fünfte Teilstrahl tritt nach einer Umlenkung durch den Spiegel M5 und M6 als erster Objektstrahl 01 aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der sechste Teilstrahl tritt als Referenzstrahl aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus.The second beam is created using a third beam splitter cube BS3 divided into two further (fifth and sixth) partial beams. The fifth partial beam passes through the mirror after being deflected M5 and M6 as the first object beam 01 from the digital holography (ESPI) device. The sixth sub-beam emerges as a reference beam from the digital holography (ESPI) device.

Im optischen Pfad des zweiten Teilstrahls zwischen dem ersten Strahlteilerwürfel BS1 und dem dritten Strahlteilerwürfel BS2 ist eine Phasenschiebungseinrichtung angeordnet. Die Phasenschiebungseinrichtung umfasst einen 90° Doppelspiegelphasenschieber 45 nach dem Retroreflektorprinzip mit zwei Spiegel M1 und M2. Der Doppelspiegelphasenschieber kann mittels eines Piezoaktuators PA verschoben werden. Ferner umfasst die Phasenschiebungseinrichtung den Spiegel M3 und den Spiegel M4, welche vorzugsweise derart angeordnet sind, dass die optische Achse des ersten Teilstrahls nach dem Durchlauf durch den Doppelspiegelphasenschieber nicht versetzt wird.In the optical path of the second partial beam between the first beam splitter cube BS1 and the third beam splitter cube BS2 is arranged a phase shift device. The phase shifter comprises a 90 ° double mirror phase shifter 45 according to the retroreflector principle with two mirrors M1 and M2 , The double mirror phase shifter can be operated using a piezo actuator PA be moved. Furthermore, the phase shift device comprises the mirror M3 and the mirror M4 , which are preferably arranged such that the optical axis of the first partial beam is not offset after passing through the double mirror phase shifter.

11 zeigt die Strahlentopologie gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der von der Lichtquelle 14 kommende Strahl wird durch einen ersten Strahlteilerwürfel BS1 in einen ersten und einen zweiten Teilstrahl geteilt. Der erste Teilstrahl wird mittels eines zweiten Strahlteilerwürfels BS2 in einen dritten und einen vierten Teilstrahl geteilt. Der dritte Teilstrahl tritt als erster Objektstrahl O1 aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der vierte Teilstrahl wird von einer Lichtfalle LF absorbiert. Der zweite Teilstrahl wird mittels eines dritten Strahlteilerwürfels BS3 in zwei weitere (fünfte und sechste) Teilstrahlen aufgeteilt. Der fünfte Teilstrahl tritt als zweiter Objektstrahl O2 aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der sechste Teilstrahl wird durch den Spiegel M4 und M5 umgelenkt und tritt als Referenzstrahl aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. 11 shows the radiation topology according to a second embodiment. The one from the light source 14 coming beam is through a first beam splitter cube BS1 divided into a first and a second partial beam. The first partial beam is divided into a third and a fourth partial beam by means of a second beam splitter cube BS2. The third sub-beam occurs as the first object beam O1 from the digital holography (ESPI) device. The fourth beam is from a light trap LF absorbed. The second sub-beam is generated using a third beam splitter cube BS3 divided into two further (fifth and sixth) partial beams. The fifth sub-beam occurs as the second object beam O2 from the digital holography (ESPI) device. The sixth sub-beam is through the mirror M4 and M5 deflected and emerges as a reference beam from the digital holography (ESPI) device.

Im optischen Pfad des zweiten Teilstrahls zwischen dem ersten BS1 und dem dritten Strahlteilerwürfel BS3 ist eine Phasenschiebungseinrichtung angeordnet. Die Phasenschiebungseinrichtung umfasst einen 90° Doppelspiegelphasenschieber 45 nach dem Retroreflektorprinzip mit zwei Spiegeln M1 und M2. Der Doppelspiegelphasenschieber 45 kann mittels eines Piezoaktuators PA verschoben bzw. verlagert werden. Ferner umfasst die Phasenschiebungseinrichtung einen dritten Spiegel M3.In the optical path of the second partial beam between the first BS1 and the third beam splitter cube BS3 a phase shifter is arranged. The phase shifter comprises a 90 ° double mirror phase shifter 45 according to the retroreflector principle with two mirrors M1 and M2 , The double mirror phase shifter 45 can by means of a piezo actuator PA be moved or relocated. Furthermore, the phase shift device comprises a third mirror M3 ,

12 zeigt die Strahlentopologie gemäß einer dritten Ausführungsform. Der von der Lichtquelle 14 kommende Strahl wird durch einen ersten Strahlteilerwürfel BS1 in einen ersten und einen zweiten Teilstrahl geteilt. Der erste Teilstrahl wird mittels eines zweiten Strahlteilerwürfels BS2 in einen dritten und einen vierten Teilstrahl geteilt. Der dritte Teilstrahl wird durch einen Spiegel M6 abgelenkt und tritt als erster Objektstrahl aus Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der vierte Teilstrahl wird von einer Lichtfalle LF absorbiert. Der zweite Teilstrahl wird mittels eines dritten Strahlteilerwürfels BS3 in zwei weitere (fünfte und sechste) Teilstrahlen aufgeteilt. Der fünfte Teilstrahl tritt als zweiter Objektstrahl 02 aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der sechste Teilstrahl wird durch den Spiegel M4 und M5 umgelenkt und tritt als Referenzstrahl R aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. 12 shows the beam topology according to a third embodiment. The one from the light source 14 coming beam is through a first beam splitter cube BS1 divided into a first and a second partial beam. The first partial beam is generated by means of a second beam splitter cube BS2 divided into a third and a fourth partial beam. The third beam is through a mirror M6 deflected and emerges as the first object beam from digital holography (ESPI) device. The fourth beam is from a light trap LF absorbed. The second sub-beam is generated using a third beam splitter cube BS3 divided into two further (fifth and sixth) partial beams. The fifth sub-beam occurs as the second object beam 02 from the digital holography (ESPI) device. The sixth sub-beam is through the mirror M4 and M5 deflected and occurs as a reference beam R from the digital holography (ESPI) device.

Im optischen Pfad des zweiten Teilstrahls zwischen dem ersten BS1 und dem dritten Strahlteilerwürfel BS2 ist eine Phasenschiebungseinrichtung angeordnet. Die Phasenschiebungseinrichtung umfasst einen 90° Doppelspiegelphasenschieber 45 nach dem Retroreflektorprinzip mit zwei Spiegeln M1 und M1. Der Doppelspiegelphasenschieber kann mittels eines Piezoaktuators PA verschoben bzw. verlagert werden. Ferner umfasst die Phasenschiebungseinrichtung einen weiteren Spiegel M3. Der Spiegel M3 und der dritte Strahlteilerwürfel BS1 können eine Einheit bilden.In the optical path of the second partial beam between the first BS1 and the third beam splitter cube BS2 is arranged a phase shift device. The phase shifter comprises a 90 ° double mirror phase shifter 45 according to the retroreflector principle with two mirrors M1 and M1 , The double mirror phase shifter can be operated using a piezo actuator PA be moved or relocated. Furthermore, the phase shift device comprises a further mirror M3 , The mirror M3 and the third beam splitter cube BS1 can form a unit.

13 zeigt die Strahlentopologie gemäß einer vierten Ausführungsform. Der von der Lichtquelle 14 kommende Strahl wird durch einen ersten Strahlteilerwürfel BS1 in einen ersten und einen zweiten Teilstrahl geteilt. Der erste Teilstrahl wird mittels eines zweiten Strahlteilerwürfels BS2 in einen dritten und einen vierten Teilstrahl geteilt. Der dritte Teilstrahl tritt nach einer Umlenkung durch den Spiegel M5 als erster Objektstrahl O1 aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der vierte Teilstrahl wird von einer Lichtfalle LF absorbiert. Der zweite Teilstrahl wird mittels eines dritten Strahlteilerwürfels BS3 in zwei weitere (fünfte und sechste) Teilstrahlen aufgeteilt. Der fünfte Teilstrahl tritt als zweiter Objektstrahl 02 aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der sechste Teilstrahl wird mittels zwei Spiegel M3 und M4 umgelenkt und tritt als Referenzstrahl R aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. 13 shows the radiation topology according to a fourth embodiment. The one from the light source 14 coming beam is through a first beam splitter cube BS1 divided into a first and a second partial beam. The first partial beam is generated by means of a second beam splitter cube BS2 divided into a third and a fourth partial beam. The third sub-beam passes through the mirror after being deflected M5 as the first object beam O1 from the digital holography (ESPI) device. The fourth beam is from a light trap LF absorbed. The second sub-beam is generated using a third beam splitter cube BS3 divided into two further (fifth and sixth) partial beams. The fifth sub-beam occurs as the second object beam 02 from the digital holography (ESPI) device. The sixth sub-beam is made using two mirrors M3 and M4 deflected and occurs as a reference beam R from the digital holography (ESPI) device.

Im optischen Pfad des zweiten Teilstrahls zwischen dem ersten Strahlteilerwürfel BS1 und dem dritten Strahlteilerwürfel BS2 ist eine Phasenschiebungseinrichtung angeordnet. Die Phasenschiebungseinrichtung umfasst einen Doppelspiegelphasenschieber 45 mit zwei Spiegeln M1 und M2. Der Doppelspiegelphasenschieber kann mittels eines Piezoaktuators PA verschoben bzw. verlagert werden.In the optical path of the second partial beam between the first beam splitter cube BS1 and the third beam splitter cube BS2 a phase shifter is arranged. The phase shifter comprises a double mirror phase shifter 45 with two mirrors M1 and M2 , The double mirror phase shifter can be operated using a piezo actuator PA be moved or relocated.

14 zeigt die Strahlentopologie gemäß einer fünften Ausführungsform. Der von der Lichtquelle kommende Strahl wird durch einen Spiegel M3 abgelenkt und anschließend durch einen ersten Strahlteilerwürfel BS1 in einen ersten und einen zweiten Teilstrahl geteilt. Der erste Teilstrahl wird mittels eines zweiten Strahlteilerwürfels BS2 in einen dritten und einen vierten Teilstrahl geteilt. Der dritte Teilstrahl wird durch den Spiegel M6 und M7 abgelenkt und tritt als erster Objektstrahl O1 aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der vierte Teilstrahl wird von einer Lichtfalle LF absorbiert. Der zweite Teilstrahl wird mittels eines dritten Strahlteilerwürfels BS3 in zwei weitere (fünfte und sechste) Teilstrahlen aufgeteilt. Der fünfte Teilstrahl tritt als zweiter Objektstrahl O2 aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der sechste Teilstrahl wird mittels zwei Spiegel M4 und M5 umgelenkt und tritt als Referenzstrahl aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. 14 shows the radiation topology according to a fifth embodiment. The beam coming from the light source is through a mirror M3 deflected and then by a first beam splitter cube BS1 divided into a first and a second partial beam. The first partial beam is generated by means of a second beam splitter cube BS2 divided into a third and a fourth partial beam. The third sub-beam is through the mirror M6 and M7 deflected and occurs as the first object beam O1 from the digital holography (ESPI) device. The fourth beam is from a light trap LF absorbed. The second sub-beam is generated using a third beam splitter cube BS3 divided into two further (fifth and sixth) partial beams. The fifth sub-beam occurs as the second object beam O2 from the digital holography (ESPI) device. The sixth sub-beam is made using two mirrors M4 and M5 deflected and emerges as a reference beam from the digital holography (ESPI) device.

Im optischen Pfad des zweiten Teilstrahls zwischen dem ersten BS1 und dem dritten Strahlteilerwürfel BS3 ist eine Phasenschiebungseinrichtung angeordnet. Die Phasenschiebungseinrichtung umfasst einen 90° Doppelspiegelphasenschieber 45 mit zwei Spiegeln M1 und M2. Der Doppelspiegelphasenschieber kann mittels eines Piezoaktuators verschoben bzw. verlagert werden. Der erste Strahlteilerwürfel BS1 und der dritte Strahlteilerwürfel BS2 können in einer Strahlteilerwürfeleinheit integriert werden.In the optical path of the second partial beam between the first BS1 and the third beam splitter cube BS3 a phase shifter is arranged. The phase shifter comprises a 90 ° double mirror phase shifter 45 with two mirrors M1 and M2 , The double mirror phase shifter can be shifted or shifted by means of a piezo actuator. The first beam splitter cube BS1 and the third beam splitter cube BS2 can be integrated in a beam splitter cube unit.

In allen Ausführungsformen ist die Strahlführung vorzugsweise in einer Ebene. Ferner können Verschlüsse zum Ein- und Ausschalten der einzelnen Strahlen eingebaut werden. Ferner werden vorzugsweise in allen Ausführungsformen Strahlaufweitungsvorrichtungen, welche jeweils ausgelegt sind, den ersten Objektstrahl O1, den zweiten Objektstrahl O2 und den Referenzstrahl R aufzuweiten, eingebaut bzw. vorgesehen.In all embodiments, the beam guidance is preferably in one plane. Furthermore, closures for switching the individual beams on and off can be installed. Furthermore, in all embodiments, beam expansion devices, which are each designed, preferably become the first object beam O1 , the second object beam O2 and the reference beam R expand, built or provided.

Detektordetector

Als ein zwei-dimensionaler Detektor kann eine CCD-Kamera, zum Beispiel eine FireWire CCD-Kamera, eingesetzt werden. Vorteil der FireWire CCD-Kamera ist, dass keine Framegrabber oder andere Zusatzgeräte benötigt werden, um die Kamera mit einem Rechner zu verbinden. Die CCD-Kamera kann eine Full-Frame-CCD-Kamera sein, in welcher durch einen mechanischen Verschluss verhindert wird, dass während des Auslesevorgangs Licht auf den CCD-Sensor fällt. Die CCD-Kamera kann ebenfalls eine Frame-Transfer-CCD-Kamera sein, in welcher die Ladungen nach der Belichtung sehr rasch in einen abgedunkelten Bereich des CCD-Chips verschoben werden. Anschließend kann das gespeicherte Bild während der nächsten Belichtungszeit, Ladungspaket für Ladungspaket, ausgelesen werden. Des Weiteren kann die CCD-Kamera eine Interline-Transfer CCD-Kamera sein, in welcher die Ladung jedes Pixels seitlich in eine abgedeckte Zwischenspeicherzelle übertragen wird. Diese Übertragung erfolgt für alle Pixel gleichzeitig. Erst dann werden die Ladungen zum Ausleseverstärker verschoben. Es ist kein mechanischer Verschluss nötig. Die Belichtungszeit kann elektronisch gesteuert werden, wodurch sehr kurze Belichtungszeiten möglich werden.A CCD camera, for example a FireWire CCD camera, can be used as a two-dimensional detector. The advantage of the FireWire CCD camera is that no frame grabbers or other additional devices are required to connect the camera to a computer. The CCD camera can be a full-frame CCD camera in which a mechanical lock prevents light from falling on the CCD sensor during the reading process. The CCD camera can also be a frame transfer CCD camera, in which the charges very quickly after exposure to a darkened area of the CCD chip be moved. The saved image can then be read out during the next exposure time, charge packet by charge packet. Furthermore, the CCD camera can be an interline transfer CCD camera, in which the charge of each pixel is transferred laterally into a covered buffer cell. This transfer takes place for all pixels at the same time. Only then are the loads moved to the readout amplifier. No mechanical lock is necessary. The exposure time can be controlled electronically, which enables very short exposure times.

Die konstruktionsbedingte kleinere lichtempfindliche Fläche (schlechtere Lichtempfindlichkeit) kann durch kleine Sammellinsen kompensiert werden. Diese liegen über jedem Pixel und fokussieren das Licht, wodurch die Lichtempfindlichkeit des Sensors wieder erhöht wird („lens-on-chip“-Technik).The design-related smaller light-sensitive area (poorer light sensitivity) can be compensated for by small converging lenses. These lie over each pixel and focus the light, which increases the sensor's sensitivity to light again ("lens-on-chip" technology).

BildauswertunasvorrichtunaBildauswertunasvorrichtuna

Die Bildauswertungsvorrichtung kann zumindest eine Recheneinheit umfassen, welche mittels geeigneter Bildauswertungssoftware ausgelegt bzw. programmiert wird, Informationen über Komponenten der Verformung und/oder der Dehnung des Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung anhand der vom Detektor aufgenommenen Interferenzbilder zu ermitteln.The image evaluation device can comprise at least one computing unit which is designed or programmed by means of suitable image evaluation software to determine information about components of the deformation and / or the elongation of the measurement object in at least one predetermined or predeterminable direction on the basis of the interference images recorded by the detector.

Das elektrische und/oder optische Rauschen eines jeden vom Detektor aufgenommenen Bildes kann vorteilhafterweise mit einem Phasenfilter weitgehend entfernt werden. Ferner kann mit einer Maske der interessierende Bereich des jeweiligen Phasenbildes ausgewählt und das Phasenbild mit einer Demodulationsroutine in eine kontinuierliche Kurve überführt bzw. umgewandelt werden. Durch die Eingabe der notwendigen Randparameter (wie Beleuchtungswinkel, Messabstand und Laserwellenlänge) ergibt sich das Ergebnis in Form eines so genannten „Falschfarbenbildes“ und/oder eines 3D-Bildes jeweils mit einer Werteskala. Zudem kann ein Profilschnitt des 3D-Bildes im 2D-System ausgegeben werden.The electrical and / or optical noise of each image recorded by the detector can advantageously be largely removed with a phase filter. Furthermore, the area of interest of the respective phase image can be selected with a mask and the phase image can be converted or converted into a continuous curve using a demodulation routine. By entering the necessary boundary parameters (such as illumination angle, measuring distance and laser wavelength), the result is in the form of a so-called “false color image” and / or a 3D image, each with a value scale. A profile section of the 3D image can also be output in the 2D system.

Die Qualität der Echtzeitaufnahmen kann durch die Integration eines „Difference Factors“ erhöht werden. Das vom Detektor (CCD-Kamera) erfasste Bild wird mit diesem Faktor multipliziert, um das Kontrast des erfassten Bilds zu erhöhen.The quality of the real-time recordings can be increased by integrating a "difference factor". The image captured by the detector (CCD camera) is multiplied by this factor in order to increase the contrast of the captured image.

Steuerungsvorrichtungcontrol device

Die Steuerungsvorrichtung kann zumindest eine Recheneinheit, umfassen, welche mittels geeigneter Steuerungssoftware derart ausgelegt oder programmiert wird, die Bildaufnahme, die Phasenverschiebung, und/oder die Verschlussbetätigung zu steuern bzw. zu regeln. Die Steuerungsvorrichtung steht dementsprechend in Signalverbindung mit der Kamera, und/oder die Phasenschiebungseinrichtung und/oder die Schaltervorrichtung. Die Bildauswertungssoftware und die Steuerungssoftware können in einem Steuerungs- und Auswertungssoftwarepacket integriert werden.The control device can comprise at least one computing unit, which is designed or programmed by means of suitable control software in such a way as to control or regulate the image recording, the phase shift, and / or the shutter actuation. The control device is accordingly in signal connection with the camera, and / or the phase shifting device and / or the switch device. The image evaluation software and the control software can be integrated in a control and evaluation software package.

15 zeigt einen Ausschnitt (Befehls-Subfenster) 50 aus einem Bildschirmfenster bzw. einer graphischen Benutzeroberfläche der Steuerungs- und Auswertungssoftware, welches einen Realtimemodus (I-I0), einen Delta-Modus (mit Phasenschiebung), eine Shutterbetätigung und eine Digitale Piezojustierung implementiert. Das Befehls-Subfenster kann mehrere Subfenster bzw. Eingabe/Ausgabe-Felder umfassen, wie zum Beispiel:

  • - Take Screenshot: Hiermit kann das momentan sichtbare Bild gespeichert werden;
  • - Take Reference Image: Hiermit wird ein Referenzbild für die Bildauswertung aufgenommen und gegebenenfalls live angezeigt;
  • - Take Delta Reference Image: Hiermit werden z.B. vier Bilder mit unterschiedlicher Phasenverschiebung aufgenommen.
  • - Calibrate Piezo: Hiermit wird eine digitale Piezokalibrierung (nachfolgend in Detail beschrieben) gestartet;
  • - Difference Factor: Mit diesem Faktor wird das aufgenommene Bild multipliziert, um den Kontrast zu erhöhen;
  • - Select Camera: Dieses Feld öffnet einen Dialog, in dem eine Kamera und die dazugehörige Auflösung auswählt werden können;
  • - Shutter, Gain, Brightness: Dies sind Parameter der Kamera, die eingestellt werden können;
  • - Connect: Hiermit wird die Verbindung zu einem Modul „Optotronik“ hergestellt;
  • - Piezo Voltage: Hiermit kann die Spannung der Piezoausgänge manuell eingestellt werden (zum Beispiel zu Testzwecken);
  • - Laser Power: Dient zur Einstellung der Laserleistung;
  • - Mode: In diesem Feld kann eine von z.B. vier, für die Messmodi voreingestellten, Verschlussstellungskombinationen ausgewählt oder zum Einstellen der einzelnen Strahlen eine manuelle Betätigung durchführt werden. Je nach Auswahl werden die Objektstrahlen und der Referenzstrahl ein- oder ausgeschaltet. Die Optionen können z.B. sein:
    • - „In Plane“: Die Objektstrahlen 1 und 2 sind an bzw. werden eingeschaltet.
    • - „Out Of Plane“: Der Objektstrahl 1 und der Referenzstrahl sind an bzw. werden eingeschaltet.
    • - „Manual“: Die Einstellungen werden durch die unteren Auswahlfelder getroffen.
    • - „All Off“ Alle Strahlen sind ausgeschaltet.
15 shows a section (command subwindow) 50 from a screen window or a graphical user interface of the control and evaluation software, which implements a real-time mode (I-I0), a delta mode (with phase shift), a shutter actuation and a digital piezo adjustment. The command subwindow can include several subwindows or input / output fields, such as:
  • - Take screenshot: This can save the currently visible image;
  • - Take Reference Image: This is used to record a reference image for image evaluation and, if necessary, to display it live;
  • - Take Delta Reference Image: For example, four images with different phase shifts are recorded.
  • - Calibrate Piezo: This starts a digital piezo calibration (described in detail below);
  • - Difference Factor: This factor is multiplied to increase the contrast;
  • - Select Camera: This field opens a dialog in which a camera and the associated resolution can be selected;
  • - Shutter, Gain, Brightness: These are parameters of the camera that can be adjusted;
  • - Connect: This establishes the connection to an "Optotronik"module;
  • - Piezo Voltage: With this the voltage of the piezo outputs can be set manually (for example for test purposes);
  • - Laser Power: used to set the laser power;
  • - Mode: In this field, one of, for example, four shutter position combinations preset for the measuring modes can be selected or a manual operation can be carried out to set the individual beams. Depending on the selection, the object beams and the reference beam are switched on or off. The options can be, for example:
    • - "In Plane": The object rays 1 and 2 are on or are switched on.
    • - "Out Of Plane": The object beam 1 and the reference beam are on or are switched on.
    • - "Manual": The settings are made through the lower selection fields.
    • - "All Off" All beams are switched off.

Ferner kann das mikroskopische Messsystem einen Optotronikmodul umfassen, welcher z.B. drei Sub-Module zum Steuern der Laserdioden, zum Ausgeben von Piezospannungen und/oder zum Steuern von den eingesetzten Servos umfasst. Das Optotronikmodul kann mit der Recheneinheit und der CCD-Kamera in Signalverbindung stehen.Furthermore, the microscopic measuring system can comprise an optotronic module, which e.g. comprises three sub-modules for controlling the laser diodes, for outputting piezo voltages and / or for controlling the servos used. The optotronic module can be in signal connection with the computing unit and the CCD camera.

Bevor eine Messung durchgeführt wird, ist es vorteilhaft, eine Justierung/Kalibrierung der für Phasenverschiebung eingesetzten Piezoaktuators (Piezojustierung/Piezokalibrierung) vorzunehmen, da es bei der Phasenschiebung auf eine sehr hohe Genauigkeit ankommt (sub-µm Bereich). Die benötigte Auslenkung oder Verschiebung des Piezoaktuators ist von einigen Faktoren abhängig, insbesondere vom optischen Aufbau, von der Wellenlänge des eingesetzten Lasers und der Piezo-Verstärkerkennline. Des Weiteren ist die benötigte Auslenkung oder Verschiebung des Piezoaktuators abhängig von der Kennlinie des Piezostacks, da Piezos bei angelegter Spannung [V] keine lineare Kennlinie im Bezug auf die Auslenkung [d] aufweisen. Um diese Fehlerquellen möglichst gut auszugleichen, ist es vorteilhaft, eine Justierung bzw. Kalibrierung des Piezoaktuators vorzunehmen.Before a measurement is carried out, it is advantageous to carry out an adjustment / calibration of the piezo actuators used for phase shifting (piezo adjustment / piezo calibration), since a very high degree of accuracy is important for the phase shifting (sub-µm range). The required deflection or displacement of the piezo actuator depends on several factors, in particular on the optical structure, on the wavelength of the laser used and on the piezo amplifier characteristic. Furthermore, the required deflection or displacement of the piezo actuator is dependent on the characteristic curve of the piezo stack, since when voltage [V] is applied, piezos have no linear characteristic curve with respect to deflection [d]. In order to compensate for these sources of error as well as possible, it is advantageous to carry out an adjustment or calibration of the piezo actuator.

Piezojustierung mit Michelson-Interferometer AufbauPiezo adjustment with Michelson interferometer setup

Eine erste Piezojustierung/Piezokalibrierung kann mit Hilfe eines Michelson- Aufbaus erfolgen. Dieser Aufbau hat einerseits den Vorteil, dass er dem endgültigen Gerät im Strahlengang sehr ähnelt. Andererseits ist es mit Hilfe eines Michelson- Aufbaus sehr einfach möglich, die Größe (Breite) der Streifen zu verändern.A first piezo adjustment / piezo calibration can be carried out with the help of a Michelson setup. On the one hand, this construction has the advantage that it is very similar to the final device in the beam path. On the other hand, with the help of a Michelson structure, it is very easy to change the size (width) of the strips.

Piezojustierung direkt in Digital-Holgraphie (ESPI) VorrichtungPiezo adjustment directly in digital holography (ESPI) device

Eine zusätzliche Piezojustierung/Piezokalibrierung direkt im Endgerät (d.h. direkt in dem optischen Messsystem) ist weiterhin vorteilhaft, um z.B. die durch die Montage entstehenden Ungenauigkeiten bzw. Winkelfehler auszugleichen. Hierdurch können die Montagekosten erheblich reduziert werden, da die einzelnen Spiegel und auch der Piezospiegel nicht mit einer engen Toleranz montiert werden müssen. Die Piezojustierung/Piezokalibrierung wird vorzugsweise wiederholt durchgeführt, da durch wechselnde Umgebungsbedingungen (Temperaturen, usw.), längeren Nichtgebrauch oder Erschütterungen es erforderlich sein könnte, eine neue Justierung oder Kalibrierung durchzuführen, um Messergebnis-Ungenauigkeiten zu reduzieren. Um ein möglichst gutes Messergebnis zu erhalten, ist es empfehlenswert vor jedem Messvorgang eine Piezojustierung/Piezokalibrierung zu durchzuführen. Vorzugsweise wird eine automatische, „digitale“ Piezojustierung/Piezokalibrierung durchgeführt.An additional piezo adjustment / piezo calibration directly in the end device (i.e. directly in the optical measuring system) is also advantageous to e.g. to compensate for the inaccuracies or angular errors caused by the assembly. As a result, the assembly costs can be reduced considerably, since the individual mirrors and also the piezo mirror do not have to be assembled with a close tolerance. The piezo adjustment / piezo calibration is preferably carried out repeatedly, since changing environmental conditions (temperatures, etc.), prolonged non-use or vibrations may make it necessary to carry out a new adjustment or calibration in order to reduce measurement result inaccuracies. In order to obtain the best possible measurement result, it is recommended to carry out a piezo adjustment / piezo calibration before each measurement process. An automatic, “digital” piezo adjustment / piezo calibration is preferably carried out.

Automatische Piezojustierung/PiezokalibrierungAutomatic piezo adjustment / piezo calibration

Der Piezoaktuator der Phasenschiebungseinheit kann in einem in-plane oder einem out-of-plane Aufbau kalibriert/justiert werden. Dazu wird bei einer Anfangsspannung am Piezoaktuator ein Referenzbild aufgenommen. Die Anfangspannung wird vorzugsweise derart festgelegt, dass der Piezoaktuator im Wesentlichen in dem linearen Bereich arbeitet. Danach wird die Spannung schrittweise oder graduell erhöht. Nach jeder Erhöhung wird ein Phasenbild bzw. während der Erhöhung werden (bevorzugt mit einer vorgegebenen bzw. vorgebbaren Taktung) entsprechende Phasenbilder aufgenommen. Durch die Spannungserhöhung ändert sich nur die Phase des einen Strahls, nicht jedoch die Phase des anderen Strahls. Durch die Addition der beiden Strahlen entsteht ein Interferenzmuster. Da die Addition zweier Sinuswellen gleicher Frequenz wieder eine Sinuswelle der gleichen Frequenz ergibt, ändert sich die Intensität an einem bestimmten Punkt des Interferenzmusters nach einer Sinusfunktion derart, dass bei einer Verkürzung des optischen Wegs um λ auch die Intensität genau eine Periode durchläuft.The piezo actuator of the phase shift unit can be calibrated / adjusted in an in-plane or an out-of-plane construction. For this purpose, a reference image is taken at an initial voltage on the piezo actuator. The initial voltage is preferably determined in such a way that the piezo actuator operates essentially in the linear range. Then the tension is increased gradually or gradually. After each increase, a phase image is taken, or during the increase, corresponding phase images are taken (preferably with a predetermined or predeterminable timing). The increase in voltage only changes the phase of one beam, but not the phase of the other beam. Adding the two beams creates an interference pattern. Since the addition of two sine waves of the same frequency again results in a sine wave of the same frequency, the intensity changes at a certain point in the interference pattern after a sine function in such a way that when the optical path is shortened by λ, the intensity also goes through exactly one period.

In anderen Worten, wenn keine Störfaktoren auftreten, ist das phasenverschobene Bild nach einer Veränderung des optischen Weges um λ wieder identisch zum Referenzbild. Da sich die Intensität nach einer Sinusfunktion ändert, und das Referenzbild konstant ist, ändert sich auch die Intensitätsabweichung vom Phasenbild zum Referenzbild nach einer Sinusfunktion. Diese Abweichung wird für alle Pixel eines jeden Bilds addiert. Da dies für alle Phasenbilder während der Kalibrierung vorgenommen wird, ergibt sich eine Funktion, welche von der Piezospannung auf die Intensitätsabweichung zum Referenzbild abbildet.In other words, if no interference factors occur, the phase-shifted image is again identical to the reference image after a change in the optical path by λ. Since the intensity changes after a sine function and the reference image is constant, the intensity deviation also changes from the phase image to the reference image after a sine function. This deviation is added for all pixels of each image. Since this is carried out for all phase images during the calibration, there is a function which maps the piezo voltage to the intensity deviation from the reference image.

In dieser Funktion befinden sich überall dort Minima, wo das jeweilige Phasenbild dem Referenzbild am ähnlichsten ist. Der Abstand zwischen diesen Minima entspricht der Spannungsdifferenz ΔV, bei der sich der optische Weg um Δλ verändert (verkürzt oder verlängert). Die ersten beiden Minima V1min und V2min können automatisch ermittelt werden. Aus der Spannungsdifferenz ΔV=V2min - V1min können durch gleichmäßiges Einteilen, die (z.B. drei) benötigten Spannungsdifferenzen für die einzelnen Aufnahmen errechnet werden.In this function there are minima wherever the respective phase image is most similar to the reference image. The distance between these minima corresponds to the voltage difference .DELTA.V , where the optical path is around Δλ changed (shortened or extended). The first two minima V 1min and V 2min can be determined automatically. From the voltage difference .DELTA.V = V 2min - V 1min , the (eg three) required can be divided evenly Voltage differences for the individual images can be calculated.

16 zeigt die Abhängigkeit der Intensitätsabweichung des jeweiligen Phasenbilds zum Referenzbild. Auf der Y-Achse ist die Intensitätsabweichung der einzelnen Phasenbilder aufgetragen. Auf der X-Achse ist die Piezospannung V aufgetragen. Zur Ermittlung der Intensität oder Gesamtintensität eines jeden Bildes werden alle Grauwerte, welche den einzelnen Pixel in dem jeweiligen Bild zugeordnet sind, addiert. 17 zeigt ein beispielhaftes Pixelbild, umfassend neun Pixel. Jedem Pixel wird einen Grauwert zugeordnet. 16 shows the dependence of the intensity deviation of the respective phase image on the reference image. The intensity deviation of the individual phase images is plotted on the Y axis. The piezo voltage V is plotted on the X axis. To determine the intensity or total intensity of each image, all gray values which are assigned to the individual pixels in the respective image are added. 17 shows an exemplary pixel image comprising nine pixels. A gray value is assigned to each pixel.

Zur Ermittlung der Gesamtintensität eines Bildes werden bevorzugt alle Grauwerte addiert. Die Intensität oder Gesamtintensität GW des in 17 gezeigten Pixelbilds wird wie folgt berechnet: GW = 255 + 204 + 178 + 153 + 127 + 102 + 76 + 51 + 0 = 1146.

Figure DE102010020860B4_0002
To determine the overall intensity of an image, all gray values are preferably added. The intensity or overall intensity GW of in 17 The pixel image shown is calculated as follows: GW = 255 + 204 + 178 + 153 + 127 + 102 + 76 + 51 + 0 = 1146th
Figure DE102010020860B4_0002

Die Abweichung der Intensität oder Gesamtintensität eines jeden Bilds von der Intensität oder Gesamtintensität des Referenzbilds wird auf die Y-Achse der in 17 dargestellten Grafik aufgetragen.The deviation of the intensity or total intensity of each image from the intensity or overall intensity of the reference image is on the Y axis of the in 17 shown graphic plotted.

Wie bereits oben beschrieben wird durch die automatische Kalibrierung der Phasenschiebungseinrichtung einserseits die Bedienbarkeit des optisches Messsystems erheblich vereinfacht und andererseits werden die zufälligen Messabweichungen, wie sie zum Beispiel bei einer manuellen Justierung entstehen, reduziert.As already described above, the automatic calibration of the phase shifting device on the one hand considerably simplifies the operability of the optical measuring system and, on the other hand, the random measurement deviations, such as those that occur during manual adjustment, are reduced.

Nachfolgend wird ein Beispiel eines mikroskopischen Messsystems beschrieben. Der Strahlengang im mikroskopischen Messsystem entspricht dem in 14 gezeigten Strahlengang. Dieser Strahlengang weist einerseits optische Vorteile auf und andererseits ist die Anordnung in Längsrichtung optimal, um in ein Grundgehäuse eingebaut zu werden. Die Anzahl der optischen Elemente, die der von der Lichtquelle (Laser) kommende Laserstrahl durchdringt, ist bei dem Objektstrahl 1 und dem Objektstrahl 2 gleich.An example of a microscopic measuring system is described below. The beam path in the microscopic measuring system corresponds to that in 14 shown beam path. This beam path has optical advantages on the one hand and on the other hand the arrangement in the longitudinal direction is optimal in order to be installed in a basic housing. The number of optical elements which the laser beam coming from the light source (laser) penetrates is the same for the object beam 1 and the object beam 2.

Zur Feineinstellung der Strahleinkopplung wird in diesem Beispiel einen einstellbaren Kollimatorhalter eingesetzt. Die optischen Elemente werden an bzw. auf Tellerpins angeordnet, so dass die einzelnen optischen Elemente oder Baugruppen leicht justiert werden können, einen kleinen Bauraum benötigen und sehr günstig sind. Die Strahlumschaltung erfolgt durch eine Schaltervorrichtung (Shuttervorrichtung) umfassend einen Objektstrahlverschluss (-shutter) und einen Referenzstrahlverschluss (-shutter). Die Steuerung der Schaltervorrichtung erfolgt über die Steuerungsvorrichtung. Die Phasenschiebung erfolgt durch einen 90° Doppelspiegelphasenschieber, da bei diesem System kein Winkelfehler auftreten kann.In this example, an adjustable collimator holder is used to fine-tune the beam coupling. The optical elements are arranged on or on plate pins so that the individual optical elements or assemblies can be easily adjusted, require a small installation space and are very cheap. The beam is switched by a switch device (shutter device) comprising an object beam shutter (shutter) and a reference beam shutter (shutter). The switch device is controlled via the control device. The phase shift is carried out by a 90 ° double mirror phase shifter, since no angle error can occur with this system.

Die Strahlaufteilung erfolgt durch nacheinander geschalteten Strahlteiler. Alle Strahlteiler weisen bevorzugt ein Strahlteilungsverhältnis 50:50 aus. Den Teilungsausgleich wird durch den Einsatz einer, im Rapid Prototyping-Verfahren hergestellten, Lichtfalle erreicht. Die Aufweitung der Objektstrahlen erfolgt durch einen Konkavspiegel. Mit diesem Spiegel lässt sich die Beleuchtungsposition insbesondere in X- und Y-Richtung einstellen. Des Weiteren lassen sich die Konkavspiegel relativ leicht austauschen. Durch den Einsatz von Spiegeln mit unterschiedlichen Brennweiten, lässt sich der Beleuchtungsdurchmesser dem Vergrößerungsmaßstab genau anpassen. Zudem bietet dieses System die Möglichkeit der Einstellung der Beleuchtungsposition in X- und Y-Richtung und der Anpassung des Beleuchtungsdurchmessers. Die Aufweitung des Referenzstrahls erfolgt mit zwei nach einander geschalteten Groundgläsern, Die Intensitätseinstellung des Referenzstrahls erfolgt bevorzugt mit einem Graukeil. Die Position des Graukeils ist mit einem Schiebemechanismus, welcher durch eine Einstellschraube betätigt wird, variierbar. Die Phasenschiebung erfolgt mittels eines 90° Doppelspiegelphasenschiebers. Dies hat den Vorteil, dass keine Winkelfehler auftreten.The beams are split by successively connected beam splitters. All beam splitters preferably have a beam splitting ratio of 50:50. The division compensation is achieved by using a light trap manufactured using the rapid prototyping process. The object beams are widened by a concave mirror. With this mirror, the lighting position can be adjusted, particularly in the X and Y directions. Furthermore, the concave mirrors are relatively easy to replace. By using mirrors with different focal lengths, the lighting diameter can be precisely adapted to the magnification scale. In addition, this system offers the possibility of adjusting the lighting position in the X and Y directions and adjusting the lighting diameter. The reference beam is expanded with two ground glasses connected in series. The intensity setting of the reference beam is preferably carried out with a gray wedge. The position of the gray wedge can be varied with a sliding mechanism, which is operated by an adjusting screw. The phase shift takes place by means of a 90 ° double mirror phase shifter. This has the advantage that no angular errors occur.

Die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung ist als ein eingeständiges Interferometriemodul aufgebaut. Das Gehäuse des Interferometriemoduls ist so ausgestaltet, dass es mit dem modularen System des eingesetzten Mikroskop (in dem konkreten Beispiel Leica MZ16) übereinstimmt. Dies bedeutet, dass sich das Modulgehäuse der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung auf ein Mikroskop montiert werden kann, ohne das Mikroskop im Wesentlichen modifizieren zu müssen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit das Interferometriemodul derart aufzubauen, dass es mit unterschiedlichen Mikroskopen verwendet werden kann. Hierzu können z.B. an das jeweilige Mikroskop angepasste Verbinder eingesetzt werden, welche das Grundgehäuse angeschraubt werden können.The digital holography (ESPI) device is constructed as a one-stop interferometry module. The housing of the interferometry module is designed so that it matches the modular system of the microscope used (Leica MZ16 in the specific example). This means that the module housing of the digital holography (ESPI) device can be mounted on a microscope without essentially having to modify the microscope. Furthermore, it is possible to set up the interferometry module in such a way that it can be used with different microscopes. For this, e.g. connectors adapted to the respective microscope can be used, which can be screwed onto the basic housing.

Vorzugsweise ist das Gehäuse als Frästeil konstruiert, so dass das System möglichst starr und somit schwingungsunanfällig ist. Im Gehäuse sind alle optischen Bauteile untergebracht. Es ist ebenfalls möglich das Gehäuse aus Feinguss zu fertigen.The housing is preferably constructed as a milled part, so that the system is as rigid as possible and therefore not susceptible to vibration. All optical components are housed in the housing. It is also possible to manufacture the housing from investment casting.

Um das Modul möglichst klein zu gestallten, ist es notwendig die optischen Elemente wie z.B. die Spiegel, sehr nah aneinander zu positionieren. Daher sind die optischen Elemente vorzugsweise in Kanälen des Gehäuses angeordnet, so dass sich die in den Kanälen verlaufenden Strahlen nicht gegenseitig beeinflussen können. Um Reflektionen im Inneren des Gehäuses noch weiter zu reduzieren, ist dieser Bereich mit schwarz mattem Strukturlack beschichtet.To make the module as small as possible, the optical elements such as to position the mirrors very close to each other. The optical elements are therefore preferably arranged in channels of the housing, so that the rays running in the channels cannot influence one another. In order to further reduce reflections inside the housing, this area is coated with matt black textured paint.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
optisches Messsystemoptical measuring system
12, 12-i, i = 1-312, 12-i, i = 1-3
Digital-Holographie (ESPI) VorrichtungDigital holography (ESPI) device
1414
Lichtquellelight source
16, 1816, 18
ObjekstrahlaufweitungsvorrichtungObjekstrahlaufweitungsvorrichtung
1717
ReferenzstrahlaufweitungsvorrichtungReference beam expander
2020
PhasenschiebungsvorrichtungPhase shift device
2222
Messobjektmeasurement object
2323
Mikroskopmicroscope
2424
Mikroskopobjektivmicroscope objective
2626
MikroskopgrundkörperMicroscope body
2828
Mikroskop-KameraadapterMicroscope Camera Adapter
3030
Detektor (CCD-Kamera)Detector (CCD camera)
3232
BildauswertungsvorrichtungImage evaluation device
3434
IntensitätseinstellungseinrichtungIntensity adjustment means
36, 4436, 44
Schaltervorrichtungswitch device
38, 4038, 40
optischer Verschluss (Shutter)optical shutter
4242
optische Weicheoptical switch
4545
DoppespiegelphasenschieberDoppespiegelphasenschieber
4646
Konkavspiegelconcave mirror
5050
Befehls-Subfenster der Steuerungs- und AuswertungssoftwareCommand subwindow of the control and evaluation software
O1, 0201/02
erster Objektstrahlfirst object beam
RR
Referenzstrahlreference beam
BS1- BS3BS1-BS3
Strahlteilerbeamsplitter
M1-M8M1-M8
Spiegelmirror
PAPA
Piezoaktuatorpiezo actuator
LFLF
Lichtfallelight trap

Claims (12)

Optisches Messsystem (10) zur Messung zumindest einer Komponente der Verformung und/oder der Dehnung eines Messobjekts (22) in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung mittels Laser Speckle Digital-Holographie, umfassend: eine Laser Speckle Digital-Holographie Vorrichtung (12, 12-1, 12-2, 12-3) zum Beleuchten eines Abtastbereichs des Messobjekts (22), welche eine out-of-plane und/oder eine in-plane Laser Speckle Digital-Holographie Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen aufweist, wobei die Laser Speckle Digital-Holographie Vorrichtung (12, 12-1, 12-2, 12-3) als ein Modul mit einem Gehäuse aufgebaut ist, und eine Strahlerzeugungsvorrichtung, welche ausgelegt ist, die zumindest zwei kohärenten Strahlen zu erzeugen; und eine Strahllenkungsvorrichtung, welche ausgelegt ist, die zumindest zwei kohärenten Strahlen umzulenken umfasst; ein Mikroskopobjektiv (24), dessen optische Achse im Wesentlichen parallel zu einer vertikalen Richtung ist und welches in dem optischen Pfad des zumindest einen Teils des vom Messobjekt (22) reflektierten Lichts angeordnet ist, wobei das optische Messsystem (10) dadurch gekennzeichnet ist, dass wenn gesehen in der vertikalen Richtung, die Laser Speckle Digital-Holographie Vorrichtung (12, 12-1, 12-2, 12-3) unterhalb oder oberhalb des Mikroskopobjektivs (24) und/oder eines Mikroskopgrundkörpers (26) angeordnet ist.Optical measuring system (10) for measuring at least one component of the deformation and / or the elongation of a measurement object (22) in at least one predetermined or predeterminable direction by means of laser speckle digital holography, comprising: a laser speckle digital holography device (12, 12- 1, 12-2, 12-3) for illuminating a scanning area of the measurement object (22), which has an out-of-plane and / or an in-plane laser speckle digital holography arrangement with at least two coherent beams, the laser Speckle digital holography device (12, 12-1, 12-2, 12-3) is constructed as a module with a housing, and a beam generating device, which is designed to generate the at least two coherent beams; and a beam steering device configured to deflect at least two coherent beams; a microscope objective (24), the optical axis of which is essentially parallel to a vertical direction and which is arranged in the optical path of the at least part of the light reflected by the measurement object (22), the optical measurement system (10) being characterized in that when viewed in the vertical direction, the laser speckle digital holography device (12, 12-1, 12-2, 12-3) is arranged below or above the microscope objective (24) and / or a microscope base body (26). Optisches Messsystem (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Laser Speckle Digital-Holographie Vorrichtung (12, 12-2, 12-3) eine Laser Speckle out-of-plane Laser Speckle Digital-Holographie Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen aufweist, wobei die zumindest zwei kohärenten Strahlen einen ersten Objektstrahl (01) zum Beleuchten eines Abtastbereichs des Messobjekts (22) unter einem vorgegebenen oder vorgebbaren ersten Winkel und einen Referenzstrahl (R) zum Einkoppeln in den optischen Pfad zumindest eines Teils des vom Messobjekt (22) reflektierten Lichts, und wobei im optischen Pfad des Referenzstrahls eine Referenzstrahlaufweitungsvorrichtung (17) umfassend zumindest zwei nach einander angeordneten Diffusoren angeordnet ist.Optical measuring system (10) according to Claim 1 , wherein the laser speckle digital holography device (12, 12-2, 12-3) has a laser speckle out-of-plane laser speckle digital holography arrangement with at least two coherent beams, the at least two coherent beams having a first object beam (01) for illuminating a scanning area of the measurement object (22) at a predetermined or predeterminable first angle and a reference beam (R) for coupling into the optical path of at least part of the light reflected by the measurement object (22), and in the optical path of the reference beam a reference beam expansion device (17) comprising at least two successively arranged diffusers is arranged. Optisches Messsystem (10) gemäß Anspruch 2, wobei die beiden Diffusoren jeweils im Wesentlichen plane Groundgläser sind, wobei die Groundgläser im Wesentlichen parallel zu einander angeordnet sind.Optical measuring system (10) according to Claim 2 , wherein the two diffusers are each essentially flat ground glasses, the ground glasses being arranged essentially parallel to one another. Optisches Messsystem (10) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten der beiden Diffusoren eine Intensitätseinstellungsvorrichtung angeordnet ist, wobei die Intensitätseinstellungsvorrichtung vorzugsweise einen verschiebbar angeordneten Graukeil umfasst.Optical measuring system (10) according to Claim 2 or 3 , an intensity setting device being arranged between the first and the second of the two diffusers, the Intensity setting device preferably comprises a slidably arranged gray wedge. Optisches Messsystem (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Laser Speckle Digital-Holographie Vorrichtung (12, 12-1, 12-3) eine in-plane Laser Speckle Digital-Holographie (ESPI) Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen aufweist, wobei die zumindest zwei kohärenten Strahlen den ersten Objektstrahl (O1) und einen zweiten Objektstrahl (02) zum Beleuchten des Abtastbereichs des Messobjekts unter einem vorgegebenen oder vorgebbaren zweiten Winkel umfassen.Optical measuring system (10) according to one of the preceding claims, wherein the laser speckle digital holography device (12, 12-1, 12-3) has an in-plane laser speckle digital holography (ESPI) arrangement with at least two coherent beams, wherein the at least two coherent beams comprise the first object beam (O1) and a second object beam (02) for illuminating the scanning area of the measurement object at a predetermined or predeterminable second angle. Optisches Messsystem (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Laser Speckle Digital-Holographie Vorrichtung (12, 12-1, 12-2, 12-3) ferner eine Phasenschiebungseinrichtung (20) umfasst, welche ausgelegt ist, beim Anlegen einer Spannung, eine Veränderung des optischen Wegs des zumindest eines der beiden kohärenten Strahlen (O1, R) zu bewirken.Optical measuring system (10) according to one of the preceding claims, wherein the laser speckle digital holography device (12, 12-1, 12-2, 12-3) further comprises a phase shifting device (20) which is designed when a voltage is applied to cause a change in the optical path of the at least one of the two coherent beams (O1, R). Optisches Messsystem (10) gemäß Anspruch 6, wobei die Phasenschiebungseinrichtung (20) umfasst: einen Doppelspiegelphasenschieber (45) umfassend zwei im Wesentlichen plane Spiegel (M1, M2), welche derart angeordnet sind, dass die Normalen zur Ebene des jeweiligen Spiegels einen Winkel von im Wesentlichen 90° einschließen, und einen Piezoaktuator (PA) zum Verschieben des Doppelspiegelphasenschiebers.Optical measuring system (10) according to Claim 6 , wherein the phase shifting device (20) comprises: a double mirror phase shifter (45) comprising two essentially plane mirrors (M1, M2) which are arranged such that the normal to the plane of the respective mirror enclose an angle of essentially 90 °, and one Piezo actuator (PA) for moving the double mirror phase shifter. Optisches Messsystem (10) gemäß Anspruch 6 oder 7, umfassend ferner eine Steuerungsvorrichtung, welche ausgelegt ist, die Phasenschiebungseinrichtung (20) zu steuern und/oder zu regeln, wobei die Steuerungsvorrichtung ausgelegt ist, ein automatisches Kalibrierungsverfahren der Phasenschiebungseinrichtung (20) durchzuführen, umfassend: - Aufnehmen eines Referenzbildes beim Anlegen einer Anfangsspannung an die Phasenschiebungseinrichtung (20); - Schrittweises Erhöhen der Spannung an die Phasenschiebungseinrichtung (20) und Aufnehmen eines Bilds nach jeder Erhöhung; - Berechnen der Spannungen V1min und V2min, bei welchen die Abweichung der Intensität eines jeden Bilds von der Intensität des Referenzbilds als Funktion der angelegten Spannung die ersten zwei Minima aufweist; - Zuordnen der Spannungsdifferenz ΔV = V2min - V1min einer Veränderung des optischen Wegs von Δλ, wobei λ die Wellenlänge der zumindest zwei kohärenten Strahlen ist.Optical measuring system (10) according to Claim 6 or 7 , further comprising a control device which is designed to control and / or regulate the phase shifting device (20), wherein the control device is designed to carry out an automatic calibration method of the phase shifting device (20), comprising: taking a reference image when applying an initial voltage the phase shifter (20); - incrementally increasing the voltage to the phase shifter (20) and taking an image after each increase; Calculating the voltages V 1min and V 2min at which the deviation of the intensity of each image from the intensity of the reference image as a function of the applied voltage has the first two minima; Assigning the voltage difference ΔV = V 2min - V 1min to a change in the optical path of Δλ, where λ is the wavelength of the at least two coherent beams. Optisches Messsystem (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüchen umfassend ferner einen zwei-dimensionalen Detektor (30), welcher in dem optischen Pfad des zumindest einen Teils des vom Messobjekt (22) reflektierten Lichts angeordnet ist.Optical measuring system (10) according to one of the preceding claims further comprising a two-dimensional detector (30) which is arranged in the optical path of the at least part of the light reflected by the measurement object (22). Optisches Messsystem (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüchen umfassend ferner eine Bildauswertungsvorrichtung (32), welche ausgelegt ist, anhand der von einem Detektor (30) aufgenommenen Bilder des Abtastbereichs des Messobjekts (22), die zumindest eine Komponente der Verformung und/oder der Dehnung des Messobjekts (22) in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung zu ermitteln.Optical measuring system (10) according to one of the preceding claims further comprising an image evaluation device (32) which is designed on the basis of the images of the scanning area of the measurement object (22) recorded by a detector (30), which at least one component of the deformation and / or the To determine the elongation of the measurement object (22) in at least one predetermined or predeterminable direction. Verfahren zur Messung zumindest einer Komponente der Verformung und/oder Dehnung eines Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung mittels eines optischen Messsystems (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend die Schritte: - Bereitstellen des optischen Messsystems (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche; - Beleuchtung eines Abtastbereichs des Messobjekts (22) mittels der Laser Speckle Digital-Holographie Vorrichtung (12, 12-1, 12-2, 12-3) des optischen Messsystems (10); - Erfassen zumindest eines Interferenzbildes; - Berechnen der zumindest einen Komponente der Verformung und/oder der Dehnung des Messobjekts (22) in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung anhand des zumindest einen vom Detektor (30) erfassten Interferenzbildes.Method for measuring at least one component of the deformation and / or elongation of a measurement object in at least one predetermined or predeterminable direction by means of an optical measurement system (10) according to one of the preceding claims, comprising the steps: - Providing the optical measuring system (10) according to one of the preceding claims; - Illumination of a scanning area of the measurement object (22) by means of the laser speckle digital holography device (12, 12-1, 12-2, 12-3) of the optical measurement system (10); - capturing at least one interference image; - Calculating the at least one component of the deformation and / or the elongation of the measurement object (22) in at least one predetermined or predeterminable direction using the at least one interference image detected by the detector (30). Verfahren zur Messung zumindest einer Komponente der Verformung und/oder Dehnung eines Messobjekts gemäß Anspruch 11, wobei die Laser Speckle Digital-Holographie Vorrichtung (12, 12-1, 12-2, 12-3) eine Phasenschiebungseinrichtung (20) umfasst, welche ausgelegt ist, beim Anlegen einer Spannung eine Veränderung des optischen Wegs des zumindest einen der beiden kohärenten Strahlen (O1, 02, R) zu bewirken, und wobei das Verfahren eine automatische Kalibrierung der Phasenschiebungseinrichtung (20) mit folgenden Schritten umfasst: - Aufnehmen eines Referenzbilds beim Anlegen einer Anfangsspannung an die Phasenschiebungseinrichtung (20); - Schrittweises bzw. graduelles Erhöhen der Spannung an die Phasenschiebungseinrichtung (20) und Aufnehmen eines Bilds nach jeder Erhöhung; - Berechnen der Spannungen V1min und V2min, bei welchen die Abweichung der Intensität eines jeden Bildes von der Intensität des Referenzbilds als Funktion der angelegten Spannung die ersten zwei Minima aufweist; und - Zuordnen der Spannungsdifferenz ΔV = V2min - V1min einer Veränderung des optischen Wegs von Δλ, wobei λ die Wellenlänge der zumindest zwei kohärenten Strahlen ist.Method for measuring at least one component according to the deformation and / or elongation of a measurement object Claim 11 , wherein the laser speckle digital holography device (12, 12-1, 12-2, 12-3) comprises a phase shifting device (20), which is designed, when a voltage is applied, to change the optical path of the at least one of the two coherent To effect rays (O1, 02, R), and wherein the method comprises an automatic calibration of the phase shifter (20) with the following steps: - taking a reference image when an initial voltage is applied to the phase shifter (20); - Gradually increasing the voltage to the phase shifter (20) and taking an image after each increase; Calculating the voltages V 1min and V 2min at which the deviation of the intensity of each image from the intensity of the reference image as a function of the applied voltage has the first two minima; and - assigning the voltage difference ΔV = V 2min - V 1min to a change in the optical path of Δλ, where λ is the wavelength of the at least two coherent beams.
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