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Die Erfindung bezieht sich auf die Messung der Oberflächentopographie eines insbesondere großen Objekts.
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Ein etabliertes Verfahren zur 3D-Vermessung der Oberflächengestalt von technischen Proben ist die digitale Holographie gemäß
DE 10 2008 020 584 A1 . Wie bei Topographieverfahren üblich kommt das Licht in einem Pixel aus einem definierten Abstand, nämlich von der Oberfläche des Messobjektes zurück. Zur Holographie werden mehrere Bilder aufgenommen, jedes bei einer anderen (festen) Wellenlänge. Üblich sind max. wenige hundert dedizierte Wellenlängen.
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In der
DE 10 2018 130 396 A1 ist ein Verfahren der optischen Kohärenztomographie beschrieben. Das beschriebene Verfahren wird für die Volumenbildgebung am menschlichen Auge angewendet. Anders als bei der 3D-Vermessung der Oberflächengestalt erfasst die Tomographie eine Volumenstreuung innerhalb der Probe tiefenaufgelöst, d. h. für ein Pixel wird Licht aus allen Tiefen des Objektes gleichzeitig zurückgestreut. Zur Tiefenauflösung wird daher wird bei Tomographieverfahren die Wellenlänge des Beleuchtungslichtes durchgestimmt. Währenddessen werden viele Aufnahmen der Probe realisiert. Die die Tiefengestalt der Probe wird durch eine Fouriertransformation über die reziproke Wellenlänge rekonstruiert. Um z. B. 10000 unterschiedliche Tiefen des Objektes unterscheiden zu können, werden in der Regel 20000 Aufnahmen aufgenommen und verrechnet. Dadurch ist die optische Kohärenztomographie i.d.R. langsamer als die digitale Holographie, erreicht aber eine Tiefenauflösung. Für reine Oberflächenobjekte wäre hingegen zu langsam.
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Die digitale Holographie ist wie die optische Kohärenztomographie darauf angewiesen, dass das Objekt mit einer räumlich voll kohärenten Welle beleuchtet wird. Dafür werden im Stand der Technik kollimierte oder kugelförmige TEM00-Moden eingestrahlt. Damit von dieser Beleuchtungswelle keine Gefährdung für die Augen menschlicher Beobachter ausgeht, werden diese Geräte entweder in unzugänglichen Messräumen verwendet oder es dürfen nur sehr geringe Beleuchtungsleistungen im Milliwattbereich eingesetzt werden. Die
DE 10 2018 130 396 A1 stahlt eine gestreuten, voll kohärente Beleuchtungswelle in das Auge ein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System und Verfahren zur Messung einer Topographie einer Oberfläche anzugeben, das mit Laserklasse 1 gemäß Norm EN 60825-1 in der am 1.1.2020 geltenden Fassung arbeitet, aber dennoch vergleichsweise höhere Leistungen im Bereich von 0,1 bis 10 W einsetzt, und dennoch große Objekte in Volumina mit bis zu 150 m3 in für Menschen zugänglichen Räumen ohne Bewegungsartefakte aufnehmen kann.
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Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen.
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Es ist ein digitales Mehrfrequenz-Holographiesystem und -verfahren vorgesehen, das eine voll kohärente, aber gestreuten Beleuchtungswelle verwendet. Zur Beleuchtung können die in
DE 10 2018 130 396 A1 beschrieben Möglichkeiten genutzt werden. Die Signalauswertung erfolgt analog zu
DE 10 2008 020 584 A1 .
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Im Verfahren zur Messung der Oberflächentopographie eines Objekts wird Quellstrahlung bereitgestellt und in Beleuchtungsstrahlung und Referenzstrahlung aufgeteilt. Die Oberfläche des Objekts wird mit der Beleuchtungsstrahlung in einem flächig ausgedehnten Beleuchtungsfeld beleuchtet. Dabei wird die Oberfläche gleichzeitig mit mehr als einer räumlichen Strahlungsmode beleuchtet. Die Strahlungsmoden der Beleuchtung sind räumlich und zeitlich kohärent, aber haben zueinander einen festen Phasenunterschied haben. An der Oberfläche des Objekts rückgestreute Beleuchtungsstrahlung wird von einem Detektor empfangen. Dabei wird sie mit der Referenzstrahlung überlagert. So wird ein Interferenzsignal der überlagerten Strahlungen mit dem Detektor erhalten. Dies wird für mindestens zwei verschiedene, feste Wellenlängen durchgeführt, so dass mittels digitaler Holographieauswertung die Oberflächentopographie des Objekts ermittelt wird.
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Weiter ist ein System zur Messung einer Oberflächentopographie eines Objektes, also ein Oberflächentopometer, vorgesehen, das zur Ausführung dieses Verfahrens ausgebildet ist. Es umfasst eine Beleuchtungseinrichtung zur Bereitstellung der Quellstrahlung bei mindestens zwei verschiedenen, festen Wellenlängen, ein Aufteilungselement zur Aufteilung der Quellstrahlung in Beleuchtungsstrahlung und Referenzstrahlung und ein Streuelement. Dieses konditioniert die Beleuchtungsstrahlung derart, dass die durch das Streuelement gelaufene Strahlung ein flächig ausgedehntes Beleuchtungsfeld zur Beleuchtung des Objekts bereitstellt, das mehr als eine räumliche Strahlungsmode aufweist, wobei die Strahlungsmoden zueinander räumlich und zeitlich kohärent sind, aber zueinander einen festen Phasenunterschied haben. Ein Detektor empfängt von der Oberfläche des Objekts rückgestreute Beleuchtungsstrahlung, die mit der Referenzstrahlung überlagert ist. Er erzeugt ein elektronisches Signal, das zum optischen Interferenzsignal der überlagerten Strahlungen korrespondiert, und leitet dieses an einen Prozessor. Der Prozessor ist konfiguriert, mittels digitaler Holographieverarbeitung die Oberflächentopographie des Objekts zu ermitteln.
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Es werden bestimmte zusätzliche technische Maßnahmen ergriffen, um das Verfahren speziell auf die Aufnahme großer Probenvolumina anzupassen. Diese Anpassungen sollen im Folgenden näher beschrieben werden.
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Man kann sehr viel höhere Lichtgrenzwerte anwenden, wenn der Lichtleitwert der Beleuchtung signifikant vergrößert wird. Das kann erreicht werden, indem man die Lichtwelle einer voll kohärenten TEM00-Mode mit einer zeitlich statischen Streuscheibe streut. Die vollständige räumliche Kohärenz der Quelle bleibt bei diesem Streuvorgang unverändert, da nur zeitlich variable Streuscheiben die räumliche Kohärenz beeinflussen würden. Aus diesem Grund erfolgt die voll kohärente Auswertung, wie sie auch für die digitale Holographie nötig ist, trotz Beleuchtung mit einer gestreuten Beleuchtungswelle. Zur Auswertung werden bekannte Verfahren der numerischen Lichtfeldpropagation, die im Stand der Technik zur Auswertung der vom Objekt zurückgestreuten Lichtwellen dienen, zusätzlich auf die Propagation der Lichtwelle von der Streuscheibe in die Objektebene angewendet.
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Für die Vermessung ausgedehnter Objekte werden heute sogenannte Tracking-Interferometer eingesetzt (z. B. Leica Lasertracker, Nikon Laser Radar, Etalon Lasertracker NG). Diese scannen das Objekt mit einer fokussierten Laserwelle mit Fokusgrößen von einigen bis einigen hudert µm Durchmesser ab. In diesen Systemen werden typischer Weise Laser mit einer Wellenlänge von ca. 1,5 µm eingesetzt und sie können einige tausend Messpunkte pro Sekunde einscannen. Alle Systeme sind als Laser Klasse 1 zertifiziert und halten daher den Laserleistungsgrenzwert für kontinuierliche Emission von 10 mW ein.
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Das hier beschriebene holographische System, das mit einem Parallelisierungsgrad von einigen 10 Megapixel arbeitet und mit einer gestreuten Welle beleuchtet wird, kann dagegen mit noch viel größeren optischen Leistungen von ca. 400 mW z. B. im 800 nm-Band kontinuierlich arbeiten, ohne für anwesende Personen Gefahren zu verursachen. Dabei wird eine mindestens 40-fach höhere Geschwindigkeit erreicht.
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Da eine Szene in bestimmten Anwendungen nicht lange mit interferometrischer Qualität unverändert bleibt, werden bevorzugt spezielle Maßnahmen getroffen, um die Aufnahmezeit für alle kohärent zu verrechnenden Daten zu minimieren. Zusätzlich sind Maßnahmen für eine Kompensation der restlichen Bewegungsartefakte möglich.
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Folgende Maßnahmen sind für eine schnelle holographische Aufnahme einzeln oder in Kombination besonders bevorzugt:
- Es werden interferometrische Aufnahmen des Objektes mit einer zweidimensional ortsauflösenden Kamera angefertigt. Um in jeder dieser Einzelaufnahmen die Phasenlage der Detektionswelle in jedem Probenpixel unabhängig bestimmen zu können, wird bevorzugt eine „off axis“-Detektion verwendet, wie sie im Stand der Technik anderweitig bekannt ist, z. B. aus DE 10 2018 130 396 A1 . Für die Messung einer absoluten Distanz zum Objekt werden mindestens zwei Bilder bei unterschiedlichen Wellenlängen aufgezeichnet. Die Wellenlängendifferenz der beiden Bilder erzeugt eine synthetische Wellenlänge. Die Phasendifferenz eines Pixels in diesen beiden Bildern liefert die Phasenlage dieser synthetischen Wellenlänge. Die Wellenlängen λ1 und λ2 werden so gewählt, dass der Eindeutigkeitsbereich der Messung größer gleich der zu messenden maximalen Weglänge entspricht. Wenn L der doppelte Abstand zur Oberfläche des Objektes ist, muss L < λ1* λ2/ |λ2 - λ1| sein. Je nach SNR (signal to noise ratio) der Messung erreicht man eine gewisse Phasenmessgenauigkeit und damit Längenauflösung. Es ist möglich, durch Mittelung über mehrere Aufnahmen das SNR zu erhöhen und damit die Messgenauigkeit zu vergrößern. Es ist aus physikalischen Gründen alternativ oder zusätzlich bevorzugt, zusätzliche Aufnahmen mit größeren Wellenlängendifferenzen aufzunehmen. Diese Messungen haben zwar einen entsprechend geringeren Eindeutigkeitsbereich in der Entfernungsmessung, aber dafür auch eine entsprechend höhere Entfernungsmessgenauigkeit. Die Wellenlängen der Aufnahmen werden dafür bevorzugt mit exponentiell steigenden Differenzen in den Beträgen der k-Vektoren (2π/λ) ausgewählt. Es ist auch bevorzugt, dass in einer solchen Wellenlängenstaffelung der Abstand jeder Wellenlänge zu jeder anderen Wellenlänge nur einmal vorkommt und die verschiedenen Abstände möglichst eine exponentiell verteilte Folge von Wellenzahlen (Beträge des k-Vektors) erzeugen.
- b) Es werden in der Auswertung nur Differenzphasenbilder ausgewertet. Um die Bewegungsartefakte weiter verringern zu können, werden die typischen Zeitkonstanten der Bewegungsartefakte bestimmt, indem mehrere Bilder mit gleicher Wellenlänge nacheinander aufgenommen und die Phasenwerte verglichen werden. Bei der Aufnahme der Wellenlängenfolge werden dann in Zeitabständen, die sich an diesen Bewegungsartefakten orientieren, Bilder mit der festen Referenzwellenlänge aufgenommen, die nur dazu dienen, die Bewegungsartefakte zu schätzen und zu korrigieren. Es ist speziell bevorzugt, Doppelbilder mit einer festen Vergleichswellenlänge und einer Wellenlänge aus der Wellenlängenliste aufzunehmen. Treten die Bewegungsartefakte schon innerhalb der typischen Integrationszeiten der Einzelbilder von ca. 10 ms auf, so können aus der Bildfolge der Vergleichsbilder mit fester Bezugswellenlänge die relativen Phasenlagen und ihre Änderungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Es ist dann bevorzugt, die Leistung der Laserquelle auf die Dopplerfrequenz dieser Phasengeschwindigkeiten zu modulieren, um in den Aufnahmen einen höheren Interferenzkontrast zu erzielen. Durch diese Maßnahme beleuchtet man ähnlich einer Stroboskopaufnahme immer nur einen Phasenzustand der Wellen. Bevorzugt sollen als Detektor sogenannte „global shutter“-Kameras verwendet werden. Bei diesen Kameras ist es möglich, Doppelaufnahmen mit sehr geringem Zeitabstand von wenigen 10 µs aufzunehmen. Dazu wird die Kamera auf die längste Integrationszeit eingestellt, die mit der maximalen Framerate aufgenommen werden kann. Beispielsweise bei 50 frames/s knapp unter 20 ms. Nach dem Abschluss einer Integrationszeit wird die Ladung jedes Pixels sehr schnell in einen Auslesekondensator übertragen. Während die Kamerapixel nach einer sehr kurzen Unterbrechung von etwa 5 0 µs die Signalintegration für den nächsten frame starten, kann das vorhergehende Bild zeitgleich ausgelesen werden. Wird jetzt innerhalb der aktiven Integrationszeit der ersten Aufnahme am Ende die Lichtquelle nur für eine kurze Zeit von z. B. einer Millisekunde angeschaltet und im nachfolgenden Frame nur für die erste Millisekunde, können zwei Bilder innerhalb von nur etwa 2,05 ms aufgenommen werden. Durch so eine gepulste Betriebsweise können einerseits die durch die Lasergrenzwerte zulässigen Spitzenleistungen weiter erhöht werden und andererseits auch Messgeschwindigkeiten erreicht werden, die deutlich höher sind als die nominellen Frameraten der Kamera. Durch die Kombination beider Maßnahmen können die Bewegungsartefakte signifikant verringert werden.
- c) Mit Bezug auf eine Erhöhung der Geschwindigkeit soll im Folgenden die minimale Anzahl von detektierten Photonen für die Erreichung einer gewissen Tiefenauflösung für die verschiedenen Verfahren verglichen werden. Bei den im Stand der Technik bekannten FMCW-Lidar-Verfahren wird eine Laserquelle in ihrer Wellenlänge kontinuierlich durchgestimmt und die Intensität der Überlagerung der Signalwelle mit einer Referenzwelle gemessen. Durch Auswerten dieser überlagerten Welle für die verschiedenen Wellenlängen durch eine schnelle Fouriertransformation kann die Tiefe des Objektes gemessen/rekonstruiert werden. Die Tiefenauflösung hängt von der Durchstimmbandbreite der Laser und vom SNR der Messung ab. Wird für eine gegebene Integrationszeit die Durchstimmbandbreite verdoppelt, so erreicht man die doppelte Tiefenauflösung (d.h. eine Halbierung der Standardabweichung des Distanzfehlers) in der gleichen Zeit, benötigt aber auch einen Laser mit der doppelten Durchstimmrate. Betreibt man den Laser auf der maximal möglichen Durchstimmrate, so benötigt man für die doppelte Durchstimmbandbreite die doppelte Zeit, erreicht aber sogar eine 2,8-fach bessere Tiefenauflösung.
- d) Nimmt man mehrere Aufnahmen oder entsprechend längere Aufnahmen mit einer bestimmten festen Durchstimmbandbreite auf und mittelt die Tiefenmesswerte, so skaliert die Tiefenauflösung linear zum SNR. Das bedeutet, dass man quadratisch längere (4-fache) Integrationszeiten aufwenden muss, um die Tiefenauflösung durch Mitteln zu verdoppeln. Bei der digitalen Mehrfrequenz-Holographie werden mehrere Aufnahmen mit exponentiell gestuften Wellenzahlen aufgenommen. Die Auflösung als Funktion der maximalen Wellenzahldifferenz ist die Gleiche wie beim FMCW-Verfahren als Funktion der Durchstimmbandbreite. Mit jeder zusätzlichen Aufnahme oder (bei nichtstatischen Systemen) mit jeder zusätzlichen Doppelaufnahme nimmt daher die Auflösung um einen gewissen Faktor von ca. 2 bis 10 zu. Aus diesem Grund skaliert bei der Mehrfrequenz-Holographie die erzielte Tiefenauflösung effektiv exponentiell mit der aufsummierten Integrationszeit.
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Das ist einer der Gründe, neben der höheren erlaubten Laserleistung durch die Streuung der Beleuchtungswelle, warum speziell für sehr hohe Tiefenauflösungen im Bereich von 1 bis 100 µm die Mehrfrequenz-Holographie eine deutlich effizientere und damit auch schnellere Detektion ermöglicht.
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Als Lichtquellen werden Laser mit Kohärenzlängen im Bereich von einigen 10 m und der Möglichkeit, die Laserfrequenz in gewissen Grenzen durchstimmen zu können, eingesetzt. Es sind z. B. ECDL (extended cavity diode laser), VCSEL, DFB oder DBR-Halbleiterlaser besonders bevorzugt.
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Es werden bevorzugt Laserwellenlängen eingesetzt, für die ortsaufgelöste Arraysensoren mit passender Auflösung verfügbar sind. Es ist im Gegensatz zu den kommerziell verfügbaren Tracking-Interferometern bevorzugt, Wellenlängen im Bereich von 600 bis 1000 nm zu verwenden, die von hochauflösenden Siliziumkameradetektoren registriert werden können, besonders bevorzugt im Bereich von 700 bis 900 nm.
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Die Laser lassen sich typischer Weise über den Betriebsstrom über einen Bereich von bis zu einem Nanometer sehr schnell (MHz) durchstimmen. Auch kann eine thermische Durchstimmung über bis zu etwa 7 nm mit Zeitkonstanten im Sekundenbereich durchgeführt werden.
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Wenn besonders hohe axiale Auflösungen im Bereich von einigen 10 µm erreicht werden sollen, ist bevorzugt, mehr als einen Laser zu verwenden, um die schnelle Durchstimmung innerhalb der Doppelbilder zu realisieren.
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Bei der Verwendung von zwei Lasern ist eine Polarisationszusammenkopplung, eine Intensitätsteilung, eine dichroitische Zusammenspiegelung oder eine schnell schaltbare Zusammenspiegelung über einen optischen Kreuzverteiler/optical switch bevorzugt. Speziell bei einer dichroitischen Zusammenkopplung ist bevorzugt, nur die eine Referenzwellenlänge von einem der Laser bereitzustellen, die den größten Wellenlängenabstand zu den anderen verwendeten Wellenlängen aufweist.
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Sollen mehr als ein Laser für die Beleuchtung eingesetzt werden, so können fasergekoppelte Laser eingesetzt und die Fasern nebeneinander hinter der Kollimatorasphäre angeordnet werden. Dadurch weicht das Beleuchtungsmuster hinter der Streuscheibe für die verschiedenen Laserquellen voneinander ab. Da das aber in einer definierten Weise passiert, kann es bei der Auswertung berücksichtigt werden.
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Für die digitale Mehrfrequenz-Holographie ist es wichtig, dass das Signallicht eines Pixels nur aus einer Tiefe zurückgestreut wird. Damit auch geneigte Objektflächen angemessen werden können, liegen bevorzugt die laterale und die axiale Auflösung in der gleichen Größenordnung. Dann hat jedes Objektpixel eine definierte, in erster Näherung von der Wellenzahl unabhängige Rückstreuphase.
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Sollen nur zwei Laser verwendet werden, ist es bevorzugt, die Laser über ein AWG (arrayed-waveguide grating) oder optischen Kreuzverteiler zusammenzuführen und dann über einen SOA (semiconductor optical amplifier)/tapered amplifier zu verstärken. In diesem Fall ist das Beleuchtungsmuster für die verschiedenen Wellenlängen im Zero-delay gleich und man benötigt nur einen SOA für die Verstärkung von zwei Lasern.
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Alternativ ist es bevorzugt, extended cavity Dioden-Laser in Kombination mit einem Festfrequenz-Laser (z. B. DFB-Laser) zu verwenden. Extended cavity Laser haben sehr große Kohärenzlängen und können über sehr breite Spektralbereiche durchgestimmt werden. Sie weisen aber typischer Weise Modensprünge beim Durchstimmen auf, die aber nicht stören, da nur bei festen Wellenlängen Bilder aufgenommen werden. Typische Durchstimmgeschwindigkeiten liegen im Bereich von 10 nm/s und sind damit deutlich langsamer als bei typischen DFB-Lasern. Diese Zeiten sind für einen vollständigen Sweep von bis zu 10 nm akzeptabel. Da aber Doppelbilder mit sehr kurzem zeitlichem Abstand von wenigen Millisekunden aufgenommen werden müssen, wird ein extended cavity Laser bevorzugt mit einem Festfrequenz-Laser kombiniert, um Doppelbilder in Zeiträumen von einigen Millisekunden aufnehmen zu können.
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Soweit in dieser Beschreibung auf ein System Bezug genommen wird, gelten die entsprechenden Ausführungen gleichermaßen für ein entsprechendes Verfahren und umgekehrt.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Von den Figuren zeigen:
- 1A und B Schemadarstellungen eines Systems zur Oberflächentopometrie
- 2 eine im System der 1A oder 1B vorgesehene Lichtquelleneinrichtung,
- 3 eine Abwandlung des Systems der 1A oder 1 B und
- 4-7 Ausführungsformen für eine im System vorgesehene Einheit zum Messen von Wellenzahlen (k-Werten).
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1A zeigt einen Freistrahlteil in einem schematischen System 2 ohne Linsen im Detektionsstrahlengang. Das Licht einer oder mehrerer dicht nebeneinander angeordneter Single-Mode-Glasfasern 4 wird mit einer Linse 6 kollimiert und beleuchtet eine Streuscheibe 8. Die Streuscheibe 8 kann als transmissive Streuscheibe ausgeführt werden. Da das Aufstreuen der Lichtwelle das zentrale sicherheitstechnische Konzept zur Nutzung hoher Ausgangsleistungen ist, könnte ein „Herausfallen“ aus dem Strahlengang das Gefährdungspotential stark erhöhen. Aus diesem Grund kann es technisch bevorzugt sein, die Streuscheibe 8 als reflektives Element auszuführen. Fällt in diesem Fall die Scheibe aus ihrer Halterung, so kann kein Licht mehr emittiert werden und das System ist inhärent sicher.
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Die Streuscheibe 8 ist so dimensioniert, dass sie als Lichtfeld 12 eine top-hat-förmige Einhüllende in der Fernfeldverteilung abstrahlt. Die Feldgröße ist an die beugungsbegrenzte Auflösung der Detektorpixel eines Detektors 10 angepasst, indem die vom Objekt zurückgestreute Lichtverteilung auf dem Detektor 10 Speckle erzeugt, die größer oder gleich der Pixelgröße sind. Von der Oberfläche des Objektes 18 rückreflektierte Strahlung 16 wird vom Detektor 10 erfasst. Dabei erfolgt eine off-Axis Detektion mit überlagerter Referenzwelle 22. Auf dem Detektor 10 werden Lichtwelle 1 b vom Objekt und Referenzwelle 22 unter einem Winkel 24 überlagert. In der Richtung auf dem Detektor 10, in der der Winkel 24 besteht, wird nur ein 3-fach kleineres Objektbildfeld ausgeleuchtet. Dadurch sind Speckle der vom Objekt zurückgestreuten Lichtverteilung in dieser Richtung mindestens 3-mal größer als die Detektorpixel. In einem linsenlosen System erfüllt das Fernfeld der Streuscheibe 8 eine virtuelle Feldblendenfunktionalität.
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Zwischen Beleuchtung und Detektion steht eine Teilerplatte 14, die die beiden Lichtfelder 12, 16 trennt. Es ist aus Effizienzgründen bevorzugt, eine Polarisationsteilung zu verwenden. Für diese wird objektseitig mit einer λ/4-Piatte hinter dem Teiler eine lineare Laserstrahlungspolarisation in eine zirkulare Polarisation geändert. Die an der Oberfläche des Objektes 18 zurückgestreuten Wellen (Lichtfeld 16) werden beim zweiten Durchgang wieder linear polarisiert, aber um 90° zur Laserstrahlungspolarisation gedreht, und werden daher mit hoher Effizienz vom Teiler 14 zum Detektor 10 reflektiert.
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Detektionsseitig wird mit einem zweiten, möglichst polarisationsunabhängigen Intensitätsteiler 20 die Referenzwelle 22 mit gleichem Polarisationszustand wie der der Signalwelle 16 unter einem off-Axis-Winkel 24 überlagert. Sie stammt auch aus einer Lichtleitfaser 5.
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Eine Steuerung- und Auswerteeinrichtung umfassend u.a. einen Prozessor
11 und einen Speicher liest u.a. die Signale des Detektors
10 und führt die Signalauswertung zur digitalen Holographie aus, z.B. gemäß
DE 10 2008 020 584 A1 .
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Zwischen Streuscheibe 8 und zu erfassender Oberfläche des Objekts 18 und/oder auch zwischen Oberfläche des Objekts 18 und Detektor 10 sind im Ausführungsbeispiel bevorzugt keine abbildenden Optiken, wie Linsen, angeordnet, die eine Abbildung realisieren würden. Die Abbildung des Objektes wird ausschließlich digital durch die Auswertung realisiert. Der Vorteil besteht darin, dass dieses System frei von optischen Aberrationen und Reflexen ist.
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Es können alternativ abbildenden Optiken im Detektions- und Beleuchtungsstrahlengang verwendet werden. Dann kann über die Brennweite eines zwischen Strahlteiler 14 und Objekt 18 angeordneten Objektivs die Größe des erfassten Bildfeldes und die damit erreichbare laterale Auflösung an verschiedene applikative Messaufgaben angepasst werden.
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Um auch in größeren Objektfeldern die Topographie messen zu können, ist bevorzugt der gesamte Messkopf 26 des Systems 2 über einen (nicht dargestellten) Antrieb motorisch schwenk- und neigbar (Pfeile 28, 29). Aus ortsaufgelösten Entfernungsmessdaten zusammen mit den sehr präzise bestimmbaren Schwenk- und Neigewinkel kann dann bis zu einem 360°-Winkel die Topographie einer Szene mit hoher Präzision aufgenommen werden.
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Die Abbildung der Streuscheibe 8 auf das Objekt 18 und des Objekts 18 auf den Detektor 10 sind vollständig symmetrisch. Bei linsenloser Beleuchtung und Detektion ist dies automatisch so. In Systemen mit Linsen werden bevorzugt gleichwirkende Abbildungssysteme in Beleuchtung und Detektion verwendet. Wird eine Detektionslinse so ausgeführt, dass sie auf die mittlere Objektentfernung motorisch nachfokussiert werden kann, so sollte die Beleuchtungsoptik auch in gleicher Weise nachfokussierbar sein. Bei Systemen mit Linsen kann es deshalb bevorzugt sein, dieselbe Optik im Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang einzusetzen. Unter diesen Umständen werden die Reflexe in der Optik so weit wie möglich reduziert werden, um die Auswertung nicht zu stören. Das kann z.B. dadurch erreicht werden, dass das λ/4-Plättchen erst hinter der letzten optischen Objektivfläche objektseitig realisiert wird, weil dadurch alle Reflexe aus dem Objektiv durch ihren Polarisationszustand für die Detektion unterdrückt werden. Wenn diese Polarisations-Reflexunterdrückung nicht ausreichende Unterdrückungsgrade ermöglicht, kann die Optik intern reflexfrei ausgeführt werden. Dazu können „reflexfreie“ Spiegeloptiken verwendet werden. Außerdem ist es möglich, refraktive oder diffraktive optische Elemente so verkippt im Strahlengang anzuordnen, dass ihre Rückreflexe geometrisch nicht auf den Sensor fallen können.
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Ein großer Vorteil gegenüber klassischen optischen Systemen ist die Möglichkeit, bekannte optische Aberrationen digital-optisch zu korrigieren. Dadurch können Optiken hier auf minimale Reflexe optimiert werden und eine hohe Bildqualität nachträglich durch die Auswertung erreicht werden.
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Es können aber auch separate, reflexbehaftete klassische Optiken für die Beleuchtung und Detektion verwendet werden und erst nach der letzten optischen Fläche die Strahlengänge zusammen gespiegelt werden.
- 1B zeigt die Variante mit Objektiv 23 und diesem zum Objekt 18 hin vorgeordneter λ/4-Platte 25, beide zur Reflexminderung verkippt angeordnet.
- 2 zeigt den Faserteil des Beleuchtungslasersystems 2 der 1A oder 1B mit zwei separaten Laserquellen 30, 32. Für den in 2 dargestellten Aufbau sind besonders fasergekoppelte DFB-Laser bevorzugt. Von den Strahlen der beiden Laser 30, 32 wird ein kleiner Teil der Intensität (z. B. 20 %) mit Teilern 34, 36 abgespalten und für eine sehr genaue Wellenlängencharakterisierung in einer k-clock-Einheit 38 verwendet, welche die Wellenzahlen (k-Werte) ermittelt.
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Werden DFB-Laser eingesetzt, so können z. B. beim Durchstimmen der Frequenz durch elektrooptische thermische Einschwingprozesse die Frequenz der Laserstrahlen driften und eine deutlich reduzierte Kohärenzlänge der emittierten Strahlung verursachen. Es ist daher bevorzugt, die Laserstrahlen genau zu charakterisieren und z. B. die thermischen Einschwingprozesse durch eine Nachregelung des Betriebstroms so gegenzukompensieren, dass während der Messzeit die Kohärenzlänge ausreichend lang ist und die Frequenz nicht driftet. Wenn diese Maßnahmen allein nicht ausreichen, ist es bevorzugt, wie in 2 dargestellt, die Laser dauerhaft emittieren zu lassen und über einen optischen Schalter 40 auf die Ausgangsfaser 42 umschalten zu können. In diesem Fall realisiert der Schalter 40 das Umschalten der Laserfrequenzen innerhalb eines Doppelbildes. Das Pulsen der Laser 30, 32 wird in diesem Fall durch einen optischen Nachverstärker 44 realisiert, der zusammen mit einem synchronisierten Detektor 10 das Timing innerhalb des Doppelbildes ermöglicht.
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Nach dem Verstärker 44 (wenn dieser verwendet wird) oder von der Faser 42 (ohne Verstärker) läuft die Strahlung in der Bauweise der 1A oder 1B in die Fasern 4 und 5 über einen geeigneten Splitter.
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Da das emittierte Lichtwellenfeld durch die Streuscheibe einen sehr großen Lichtleitwert hat, können vom System 2 in Abhängigkeit von der Bildfeldgröße optische Leistungen im Bereich von 100 mW bis 10 W sicher abgestrahlt werden (als Laser Klasse 1). Um die Leistung der Laser 30, 32 in diese Größenordnung zu verstärken, wird besonders bevorzugt ein tapered Amplifier als Verstärker 44 verwendet. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass die emittierte Leistung so groß ist, dass sie mitunter nicht mehr durch single mode Fasern geleitet werden kann. Daher ist es unter Umständen bevorzugt, im Freistrahlaufbau die Referenzwelle zwischen Kollimator und Streuscheibe abzuspalten, wie es in 3 dargestellt ist. Ansonsten entspricht das System 2 der 3 hinsichtlich Beleuchtung und Detektion dem der 1A oder 1B.
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Es ist für das Verfahren essenziell, dass die genauen Wellenlängen der Doppelbilder mit sehr hoher Präzision (bei 10 µm auf 10 m 1E-6) bekannt sind. Als Laserquellen 30, 32 werden bevorzugt DFB-Laser, die sich über den Betriebsstrom und die Chiptemperatur durchstimmen lassen, oder ECDL-Laser, die sich zusätzlich durch die Ausrichtung des externen Filtergitters tunen lassen, eingesetzt. Jeder Laser 30, 32 wird in einer Kalibrierung bei allen möglichen Betriebszuständen vermessen und, wenn möglich, parametrisiert in eine Lookup-Tabelle abgelegt. Damit ist es möglich, den Laser mit einer gewissen Genauigkeit in seiner Emissionswellenlänge anzugeben. Für die hier benötigten Genauigkeiten wird bevorzugt eine zusätzliche hochpräzise Wellenlängenmessung über die k-clock 38 eingesetzt. Dazu wird ein Teil der Intensität des Lasers abgespalten (34, 36) und in einem Faserinterferometer eine Zweistrahlinterferenz vermessen, hier k-clock 38 genannt. Die Länge der k-clock orientiert sich genau wie bei der eigentlichen Messung der Strecke an ihrem Eindeutigkeitsbereich für die Wellenlängenmessung, die von der Genauigkeit der Laserwellenlängenvorhersage mit der Kalibrierungs-Lookup-Tabelle bestimmt wird. Ist die Grundwellenlänge des Lasers nur sehr unzureichend bekannt und soll bei der Tiefenmessung gleichzeitig eine sehr hohe Tiefenauflösung erreicht werden, so ist bevorzugt mit mindestens zwei k-clock Interferometern unterschiedlicher Länge zu arbeiten. Die Längen der k-clock Interferometer werden so abgestimmt, dass die Messgenauigkeit der kurzen k-clock sicher kleiner ist als der Eindeutigkeitsbereich der nächst genaueren k-clock. Es ist bevorzugt, die Wellenlängen der beiden Laser 30, 32 kontinuierlich unabhängig vom Schalter 40 und Nachverstärker 44 zu vermessen.
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Als Faserinterferometer für die k-clock können, wie in 4 dargestellt, Michelson FaserInterferometer eingesetzt werden. Dieses Faserinterferometer koppelt über einen Strahlteiler 48, 50 Strahlung des Lasers 30 bzw. 32 ab und hat eine Referenzfaser 52, 54, die in einem Faserreflektor 56, 58 endet und so die Referenzstrahlung über den Strahlteiler 48, 50 zu einem Detektor 60, 62 leitet. Das vom Detektor 60, 62 abgegebene Signal, welches mit dem optischen Intensitätssignal korrespondiert, hängt von der Wellenlänge und damit der k-Zahl der vom Laser 30, 32 abgegebenen Strahlung ab, da jede k-clock 45, 46 zusätzlich noch über einen weiteren Messzweig 64, 66, der in einem Faserreflektor 68, 70 endet, aufweist. Es können aber auch, wie im Stand der Technik bekannt, Mach-Zehnder-Interferometer oder Fabry-Perot-Interferometer eingesetzt werden.
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Die genaue optische Weglänge innerhalb des k-clock Interferometers 45, 46 gibt die absolute Lage der Wellenlängen an. Durch thermische Ausdehnungen oder eine thermische Brechzahländerung innerhalb der k-clock-Fasern können Abweichungen zwischen der absoluten Lage der beiden Laserwellenlängen verursacht werden. Es ist daher bevorzugt, für die Erreichung sehr genauer Abstandsmessungen die k-clock-Fasern eng benachbart in einer temperierten Umgebung anzuordnen.
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Alternativ ist es auch möglich, eine gemeinsame Delayfaser 76 für beide k-clock Messungen zu verwenden, wie es in 5 beispielhaft dargestellt ist. Der Braggreflektor 72 ist so ausgelegt, dass er für die Wellenlänge des Lasers 30 etwa 10 % Reflektivität und für die Wellenlänge des Laers 32 100 % Reflektivität aufweist. Der Braggreflektor 74 hat 10 % Reflektivität für die Wellenlänge des Laers 32 und 100 % für die Wellenlänge des Lasers 30 (und umgekehrt). Dadurch wird sichergestellt, dass kein Licht des Lasers 30 auf die k-clock 46 fallen kann und die Messung der beiden Laserwellenlängen unabhängig voneinander ist.
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Für die Erreichung sehr hoher Messgenauigkeiten geht neben der Laserwellenlänge auch die Brechzahl der Messraumluft ein. Diese hängt zu einem gewissen Teil von der Temperatur, dem Luftdruck, der Luftfeuchtigkeit und eventuell weitere Spurengase, wie z. B. CO
2 ab. In Tracking-Interferometern nach dem Stand der Technik sind daher Messsensoren realisiert, die diese Parameter der Luft messen und bei der Auswertung der Längen berücksichtigen. Alternativ zu dieser Lösung ist es für sehr hohe Tiefenauflösungen bevorzugt, die eine (bevorzugt die längste) oder beide k-clock 45, 46 als Freistrahl-Cavity auszuführen, die sich in der gleichen Messraumluft (dem vom Abbildungsstrahlengang durchlaufenen Raumbereich) befindet. Die geometrische Länge der k-clock 45, 46 darf sich in diesem Fall möglichst wenig mit der Temperatur verändern, weshalb sie bevorzugt aus Materialien mit einem sehr geringen Ausdehnungskoeffizienten, wie Zerodur oder ULE-Glas, hergestellt wird. Designs für solche stark gefalteten Freistrahl-Cavities sind im Stand der Technik bekannt. Es wird auf
DE 19522263 A1 verwiesen.
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Um für die beiden Laserwellenlängen eng nebeneinander zwei Freistrahlstrahlengänge 78, 80 zu realisieren, kann man, wie in 6 gezeigt, von einer gemeinsamen Seite in eine Freistrahlverzögerungsstrecke 82 einstrahlen, die in einem Reflektor 84 für beide Freistrahlengänge 78, 80 endet. Es kann aus Baubarkeitsgründen aber bevorzugt sein, wie in 7 dargestellt, von beiden Seiten in eine Verzögerungsstrecke 82 einzustrahlen, die zwei Teilspiegel 86, 88 aufweist.
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Es ist mit dem dargestellten Aufbau auch möglich, mehrere Aufnahmestacks eines Bildfeldes aufzunehmen, wobei zwischen den Aufnahmen der Messkopf 26 das Bildfeld um einen sehr kleinen Winkel (z. B. ein Specklekorn) verschiebt. Auf diese Art und Weise können zwischen 4 und 100 Bilder des Bildfeldes aufgenommen werden. Durch die Verschiebung des Beleuchtungsfeldes um ein Specklekorn enthalten die Aufnahmen zusätzliche Informationen, die bei der Auswertung berücksichtigt werden können und spezielle Auswertemodi ermöglichen. Normalerweise sind Bilder, die mit einem digitalen Holographiesystem in Rückstreuung gemessen werden, immer voll verspeckelt. Durch diese Speckle gibt es immer Probenbereiche, die kein Signal zurückstreuen oder deren Signal so schwach ist, dass dort nur eine geringere Tiefenauflösung möglich ist, oder dass z. B. auch die Stufung der Wellenlängen zu Modulo-2pi-Fehlern führen könnte. Dieser Effekt kann prinzipiell durch ein Plausibilitätsvergleich mit benachbarten Pixeln reduziert werden, es gibt aber speziell an Objektkanten Probleme. Werden dagegen mehrere leicht versetzte Aufnahmen mit Streubeleuchtung angefertigt und gemittelt, so können die Aufnahmen „entspeckelt“ werden. Es ist für solche Bildaufnahmen bevorzugt, während einer kontinuierlichen Scan-Bewegung des Messkopfes 26 mehrere Bilder aufzunehmen und die Bewegung bei der digitalen Auswertung der Bilder zu berücksichtigen.
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Mit den aus der Mikroskopie bekannten Verfahren der strukturierten Beleuchtung können die Specklestrukturen der Streubeleuchtung als Strukturierung angesehen werden und die Bilder so verrechnet werden, dass die doppelte laterale Auflösung erreichbar ist. Die laterale Auflösung entsteht in diesem Fall nicht nur durch das Detektionswinkelspektrum, sondern in gleicher Weise durch das Beleuchtungswinkelspektrum.
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Bei bestimmten Proben kann es auch vorkommen, dass an geneigten Teilen der Oberfläche des Objekts
18 Licht so unter dem Glanzwinkel reflektiert wird, dass es andere Teile der Probe innerhalb des Bildfeldes zusätzlich beleuchtet und aufgrund der längeren durchlaufenen Weglängen das Entfernungsmesssignal dieser Bereiche verfälschen kann. Dieser Effekt wird in der OCT als Mehrfachstreuung bezeichnet und erzeugt Geisterbilder. Durch die strukturierte Beleuchtung mit der gestreuten Welle und der Kenntnis der komplexen Anregungsfeldstärke in jedem Objektpunkt ist es nun mit mehreren leicht verschobenen Aufnahmen möglich, zwischen einfach zurückgestreuten und mehrfachgestreuten Signalanteilen zu unterscheiden und so die Geisterbilder zu unterdrücken. Algorithmen für diese Auswertung sind im Stand der Technik, z. B.
DE 10 2018 130 396 A1 beschrieben.
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Teile können bevorzugt als Photonic Integrated Circuit (PIC) ausgeführt sein. Hierzu eignen sich insbesondere folgende Komponenten: Laser, Fotodioden, Verstärker, Strahlteiler, Strahlvereiniger, Delay-Strecken, (Bragg-)Reflektoren und Arrayed-Waveguide-Gratings (AWGs).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008020584 A1 [0002, 0007, 0034]
- DE 102018130396 A1 [0003, 0004, 0007, 0015, 0052]
- DE 102008020054 A1 [0026]
- DE 19522263 A1 [0048]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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