DE102022121587A1 - Heterodyne lichtquelle zur verwendung in metrologiesystem - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Metrologiesystem mit einer heterodynen Lichtquelle bereitgestellt. Die heterodyne Lichtquelle enthält eine erste Lichtquelle, einen akusto-optischen Modulator und eine optische Quellenanordnung. Der akusto-optische Modulator nimmt mindestens einen Laserstrahl einer Wellenlänge von der ersten Lichtquelle auf und erzeugt mindestens einen entsprechenden frequenzverschobenen Laserstrahl (z. B. mit orthogonaler Polarisation). Die optische Quellenanordnung enthält einen optischen Aufnahmeelementabschnitt und einen doppelbrechenden optischen Elementabschnitt. Der optische Aufnahmeelementabschnitt nimmt den/die Laserstrahl(en) einer Wellenlänge und den/die entsprechenden frequenzverschobenen Laserstrahl(en) auf und leitet die Strahlen entlang eines optischen Pfads in Richtung des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts weiter. Der doppelbrechende optische Elementabschnitt kombiniert die Strahlen, um einen kombinierten Strahl auszugeben (der z. B. als Teil eines Messvorgangs verwendet werden kann, um mindestens einen Messabstand zu mindestens einem Oberflächenpunkt auf einem Werkstück usw. zu bestimmen).

Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Technisches Gebiet
  • Diese Offenbarung bezieht sich auf Präzisionsmetrologie und insbesondere auf Präzisionsgeräte und -systeme zum Messen von Werkstückoberflächen.
  • Beschreibung der verwandten Technik
  • Die Qualitätskontrolle von Objekten (z. B. Werkstücken), die spezifische Oberflächenprofile enthalten (z. B. hergestellt durch Formen und/oder maschinelle Bearbeitung oder dergleichen), in Bezug auf Durchsatz, Messauflösung und Genauigkeit wird immer anspruchsvoller. Diese Werkstücke können optische Komponenten, elektronische Komponenten, mechanische Miniaturkomponenten usw. umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein. Idealerweise sollten solche Werkstücke gemessen/geprüft werden, um die richtigen Abmessungen, Funktion usw. sicherzustellen. Allerdings können für bestimmte Anwendungen Messtoleranzen im Submikrometerbereich oder sogar im Subnanometerbereich erforderlich sein, um eine Werkstückoberfläche mit gewünschten Eigenschaften bereitzustellen.
  • Verschiedene Präzisionsmetrologiesysteme können für Messungen und Inspektionen von Werkstückoberflächen verwendet werden. Beispielsweise kann in einigen Fällen ein Metrologiesystem, das diese Vorgänge durchführt, digitale Holographie verwenden (z. B. wobei eine Kamera verwendet werden kann, um Hologramme zu erfassen, die verarbeitet werden, um Messungen zu bestimmen usw.). Ein wichtiger Teil dieser Systeme und/oder anderer vergleichbarer Messsysteme ist eine Lichtquelle, die verwendet wird, um ein Werkstück zu beleuchten, das gemessen wird (z. B. wobei eine ungenaue oder inkonsistente Lichtquelle zu ungenauen Messungen führen kann usw.). Das Signal-Rausch-Verhältnis dieser Systeme ist ebenfalls ein wichtiger Faktor (wobei z. B. niedrigere Verhältnisse zu weniger genauen Messungen führen können). Konfigurationen, die diese Metrologiesysteme (z. B. zum Messen und Inspizieren von Oberflächen von Werkstücken usw.) verstärken oder anderweitig verbessern können, wären wünschenswert.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Diese Kurzdarstellung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in einer vereinfachten Form einzuführen, die nachstehend in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese Kurzdarstellung soll weder Schlüsselmerkmale des beanspruchten Gegenstands identifizieren noch als Hilfe beim Bestimmen des Umfangs des beanspruchten Gegenstands dienen.
  • Es wird ein Metrologiesystem mit einer heterodynen Lichtquelle bereitgestellt. Die heterodyne Lichtquelle enthält eine erste Lichtquelle, einen akusto-optischen Modulator und eine optische Quellenanordnung. Die erste Lichtquelle stellt mindestens einen Laserstrahl mit einer ersten Wellenlänge bei einer ersten Frequenz bereit. Der akusto-optische Modulator ist dazu konfiguriert, den Laserstrahl der ersten Wellenlänge aufzunehmen und einen entsprechenden ersten frequenzverschobenen Laserstrahl mit einer Polarisation zu erzeugen, der relativ zu einer Polarisation des Laserstrahls der ersten Wellenlänge gedreht (z. B. orthogonal) ist. Die optische Quellenanordnung nimmt den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl von dem akusto-optischen Modulator auf und kombiniert diese und gibt einen entsprechenden ersten kombinierten Strahl aus. Die optische Quellenanordnung enthält einen optischen Aufnahmeelementabschnitt und einen doppelbrechenden optischen Elementabschnitt. Der optische Aufnahmeelementabschnitt ist so konfiguriert, dass er den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen entlang eines optischen Pfads in Richtung des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts leitet. Der doppelbrechende optische Elementabschnitt ist so konfiguriert, dass er den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen kombiniert, um den entsprechenden ersten kombinierten Strahl auszugeben.
  • In verschiedenen Implementierungen enthält das Metrologiesystem ferner einen Verarbeitungsabschnitt, wobei der erste kombinierte Strahl als Teil eines Messvorgangs verwendet wird, für den der Verarbeitungsabschnitt mindestens einen Messabstand zu mindestens einem Oberflächenpunkt auf einem Werkstück bestimmt. In verschiedenen Implementierungen enthält das Metrologiesystem ferner eine optische Messanordnung und eine Sensoranordnung. Die optische Messanordnung ist dazu konfiguriert, den ersten kombinierten Strahl aufzunehmen und den ersten kombinierten Strahl zu verwenden, um eine Ausgabe der optischen Anordnung bereitzustellen, die mit dem Abstand zu dem mindestens einen Oberflächenpunkt auf dem Werkstück in Beziehung steht. Die Sensoranordnung ist dazu konfiguriert, die Ausgabe der optischen Anordnung aufzunehmen und eine entsprechende Ausgabe der Sensoranordnung zu erzeugen. Der Verarbeitungsabschnitt nimmt die Sensoranordnungsausgabe auf und verwendet die Sensoranordnungsausgabe als Teil des Messvorgangs, um den mindestens einen Messabstand zu dem mindestens einen Oberflächenpunkt auf dem Werkstück zu bestimmen.
  • In verschiedenen Implementierungen ist die optische Quellenanordnung einschließlich des optischen Aufnahmeelementabschnitts und des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts als eine optische Inline-Anordnung angeordnet. Gemäß der optischen Inline-Anordnung laufen der Laserstrahl der ersten Wellenlänge und der erste frequenzverschobene Laserstrahl (z. B. die orthogonal polarisiert sind) jeweils durch denselben Satz von Komponenten in der heterodynen Lichtquelle. Beispielsweise kann der gleiche Satz von Komponenten in der optischen Inline-Anordnung ein gleiches optisches Aufnahmeelement des optischen Aufnahmeelementabschnitts und ein gleiches doppelbrechendes optisches Element des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts enthalten, wobei das doppelbrechende optische Element den orthogonal polarisierten Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl in den ersten kombinierten Strahl kombiniert.
  • In verschiedenen Implementierungen enthält der optische Aufnahmeelementabschnitt eine Abbildungslinse. Bei verschiedenen Implementierungen wird eine Objektebene in dem akusto-optischen Modulator durch die Abbildungslinse in den doppelbrechenden optischen Elementabschnitt mit einer Vergrößerung abgebildet, die an die Trennungswinkel sowohl des akusto-optischen Modulators als auch des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts angepasst ist.
  • In verschiedenen Implementierungen ist die erste Lichtquelle eine Mehrwellenlängen-Lichtquelle (z. B. eine Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle), die mindestens einen Laserstrahl einer zweiten Wellenlänge mit einer zweiten Frequenz bereitstellt. In einer solchen Implementierung kann der akusto-optische Modulator dazu konfiguriert sein, den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge aufzunehmen und einen entsprechenden zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl mit einer Polarisation zu erzeugen, der relativ zu einer Polarisation des Laserstrahls der zweiten Wellenlänge gedreht (z. B. orthogonal) ist. Die optische Quellenanordnung kann den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge und den zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl von dem akusto-optischen Modulator aufnehmen und kombinieren und kann einen entsprechenden zweiten kombinierten Strahl ausgeben. Der optische Aufnahmeelementabschnitt kann so konfiguriert sein, dass er den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge und den zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen entlang des optischen Pfads in Richtung des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts leitet. Der doppelbrechende optische Elementabschnitt kann dazu konfiguriert sein, den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge und den zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl aufzunehmen und die Strahlen zu kombinieren, um den entsprechenden zweiten kombinierten Strahl mit dem ersten kombinierten Strahl auszugeben (z. B. für den sich der erste und der zweite kombinierte Strahl gemeinsam ausbreiten und/oder ein Teil eines kombinierten Gesamtstrahls sein können, der von der heterodynen Lichtquelle bereitgestellt wird). In verschiedenen Implementierungen umfasst der optische Aufnahmeelementabschnitt mehrere Abbildungslinsen, die ein chromatisches Abbildungssystem ausbilden, wozu die Objektebene in dem akusto-optischen Modulator in den doppelbrechenden optischen Elementabschnitt mit einer Vergrößerung abgebildet wird, die an die Trennungswinkel sowohl des akusto-optischen Modulators als auch des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts für die erste und die zweite Wellenlänge des Laserstrahls mit der ersten bzw. des Laserstrahls mit der zweiten Wellenlänge angepasst ist.
  • In verschiedenen Implementierungen umfasst der optische Aufnahmeelementabschnitt ein Prisma. In verschiedenen Implementierungen umfasst der doppelbrechende optische Elementabschnitt einen doppelbrechenden Strahlversetzer, ein Wollaston-Prisma und/oder ein Rochon-Prisma.
  • Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Metrologiesystems mit einer heterodynen Lichtquelle bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Betreiben einer ersten Lichtquelle der heterodynen Lichtquelle, das Betreiben eines akusto-optischen Modulators der heterodynen Lichtquelle und das Bestimmen mindestens eines Messabstands zu mindestens einem Oberflächenpunkt auf einem Werkstück. Die erste Lichtquelle wird betrieben, um zumindest einen Laserstrahl mit einer ersten Wellenlänge bei einer ersten Frequenz bereitzustellen. Der akusto-optische Modulator wird dazu betrieben, den Laserstrahl der ersten Wellenlänge aufzunehmen und einen entsprechenden ersten frequenzverschobenen Laserstrahl mit einer Polarisation zu erzeugen, der relativ zu einer Polarisation des Laserstrahls der ersten Wellenlänge gedreht ist. Eine optische Quellenanordnung nimmt den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl von dem akusto-optischen Modulator auf und kombiniert diese und gibt einen entsprechenden ersten kombinierten Strahl aus. Die optische Quellenanordnung enthält einen optischen Aufnahmeelementabschnitt und einen doppelbrechenden optischen Elementabschnitt. Der optische Aufnahmeelementabschnitt nimmt den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl auf und leitet die Strahlen entlang eines optischen Pfads in Richtung des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts. Der doppelbrechende optische Elementabschnitt nimmt den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl auf und kombiniert die Strahlen, um den entsprechenden ersten kombinierten Strahl auszugeben. Das Bestimmen des mindestens einen Messabstands zu dem mindestens einen Oberflächenpunkt auf dem Werkstück basiert auf einem Messverfahren, das den ersten kombinierten Strahl verwendet.
  • In verschiedenen Implementierungen umfasst das Verfahren ferner das Betreiben einer Sensoranordnung, die dazu konfiguriert ist, die Ausgabe einer optischen Anordnung aufzunehmen und eine entsprechende Ausgabe der Sensoranordnung zu erzeugen. Die Ausgabe der optischen Anordnung wird von einer optischen Messanordnung bereitgestellt, die dazu konfiguriert ist, den ersten kombinierten Strahl aufzunehmen und den ersten kombinierten Strahl zu verwenden, um die Ausgabe der optischen Anordnung bereitzustellen, die mit dem Abstand zu dem mindestens einen Oberflächenpunkt auf dem Werkstück in Beziehung steht. Die Bestimmung des mindestens einen Messabstands zu dem mindestens einen Oberflächenpunkt basiert zumindest teilweise auf der Ausgabe der Sensoranordnung.
  • In verschiedenen Implementierungen enthält das Verfahren ferner das Betreiben der ersten Lichtquelle (z. B. einer Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle), um mindestens einen Laserstrahl einer zweiten Wellenlänge mit einer zweiten Frequenz bereitzustellen. In solchen Implementierungen kann der akusto-optische Modulator dazu betrieben werden, den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge aufzunehmen und einen entsprechenden zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl mit einer Polarisation zu erzeugen, der relativ zu einer Polarisation des Laserstrahls der zweiten Wellenlänge gedreht ist. Der optische Aufnahmeelementabschnitt kann den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge und den zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnehmen und kann die Strahlen entlang eines optischen Pfads in Richtung des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts leiten. Der doppelbrechende optische Elementabschnitt kann den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge und den zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnehmen und kann die Strahlen kombinieren, um einen entsprechenden zweiten kombinierten Strahl auszugeben (z. B. für den sich der erste und der zweite kombinierte Strahl gemeinsam ausbreiten und/oder ein Teil eines kombinierten Gesamtstrahls sein können, der von der heterodynen Lichtquelle bereitgestellt wird). Das Bestimmen des mindestens einen Messabstands zu dem mindestens einen Oberflächenpunkt auf dem Werkstück kann auf dem Messverfahren basieren, das sowohl den ersten kombinierten Strahl als auch den zweiten kombinierten Strahl verwendet.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Blockdiagramm, das verschiedene Komponenten eines Metrologiesystems zeigt, das eine heterodyne Lichtquelle enthält;
    • 2 ist ein Blockdiagramm eines digitalen Holographie-Metrologiesystems, das eine heterodyne Lichtquelle ähnlich der von 1 enthält;
    • 3A-3C sind Diagramme, die bestimmte Betriebsprinzipien eines digitalen Holographie-Metrologiesystems wie das von 2 veranschaulichen;
    • 4 ist ein Diagramm einer Nachschlagetabelle, die zur Phasenabwicklung als Teil des Betriebs eines digitalen Holographie-Metrologiesystems verwendet wird;
    • 5 ist ein Diagramm, das bestimmte Werte aus der Nachschlagetabelle von 4 graphisch darstellt;
    • 6A und 6B sind Diagramme, die verschiedene Betriebsmodi eines digitalen Holographie-Metrologiesystems veranschaulichen;
    • 7 ist ein Diagramm einer heterodynen Lichtquelle, die ein Abbildungssystem mit einer einzelnen Abbildungslinse und einem Wollaston-Prisma enthält;
    • 8 ist ein Diagramm einer heterodynen Lichtquelle, die ein Abbildungssystem mit zwei Abbildungslinsen und einem Wollaston-Prisma enthält;
    • 9 ist ein Diagramm einer heterodynen Lichtquelle, die eine Aufnahmelinse und einen doppelbrechenden Strahlversetzer enthält;
    • 10 ist ein Diagramm einer heterodynen Lichtquelle, die ein Aufnahmeprisma und einen doppelbrechenden Strahlversetzer enthält;
    • 11 ist ein Diagramm einer heterodynen Lichtquelle, die eine räumliche Filterkonfiguration und eine Kollimationslinse enthält;
    • 12 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Implementierung einer Routine zum Betreiben einer heterodynen Lichtquelle darstellt; und
    • 13 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Implementierung einer Routine zum Betreiben eines digitalen Holographie-Metrologiesystems darstellt, das eine heterodyne Lichtquelle umfasst.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das verschiedene Komponenten einer Implementierung eines Metrologiesystems 100 zeigt. Wie in 1 gezeigt, beinhaltet das Metrologiesystem 100 eine heterodyne Lichtquelle 110, eine optische Anordnung 120, eine Sensoranordnung 130, einen Zeitgeber 140 und einen Verarbeitungsabschnitt 150. In verschiedenen Implementierungen kann die heterodyne Lichtquelle 110 eine Lichtquelle, einen akusto-optischen Modulator und eine optische Quellenanordnung umfassen (z. B. wie nachfolgend ausführlicher mit Bezug auf die Beispiele von 7-11 beschrieben wird). Kurz gesagt, kann der akusto-optische Modulator dazu konfiguriert sein, einen oder mehrere Laserstrahlen mit Eingangswellenlänge von der Lichtquelle aufzunehmen und einen oder mehrere entsprechende frequenzverschobene Laserstrahlen (die z. B. orthogonal polarisiert sein können) zu erzeugen. Die optische Quellenanordnung kann die orthogonal polarisierten Laserstrahlen von dem akusto-optischen Modulator aufnehmen und kombinieren und entsprechende kombinierte Laserstrahlen ausgeben.
  • Die optische Anordnung 120 (die z. B. eine optische Messanordnung sein kann) nimmt die kombinierten Ausgangsstrahlen von der heterodynen Lichtquelle 110 auf. Die optische Anordnung 120 verwendet (z. B. leitet) die kombinierten Strahlen als Teil eines Messvorgangs (z. B. für den ein oder mehrere Strahlen als Teil eines Vorgangs zum Messen/Bestimmen zumindest eines Messabstands zu mindestens einem Oberflächenpunkt auf der Werkstückoberfläche 192 auf zumindest eine Oberfläche 192 eines Werkstücks 190 gerichtet werden können). Beispielsweise kann die optische Messanordnung 120 in manchen Implementierungen (z. B. wie nachfolgend in Bezug auf 2 ausführlicher beschrieben wird) eine interferometrische optische Anordnung sein, die die kombinierten Strahlen von der heterodynen Lichtquelle 110 aufnimmt und die kombinierten Strahlen zum Bereitstellen einer Ausgabe zum Abbilden der Werkstückoberfläche 192 (z. B. auf eine Bildebene) als Teil eines Messvorgangs verwendet.
  • Die Sensoranordnung 130 nimmt die Ausgaben von der optischen Messanordnung 120 auf und umfasst einen oder mehrere Sensoren zum Erfassen der Ausgaben und zum Bereitstellen entsprechender Ausgabesignale. Der Zeitgeber 140 stellt Zeitsteuerungssignale (z. B. Taktsignale) bereit, die zum Steuern der Zeitsteuerung usw. sowohl des akusto-optischen Modulators der heterodynen Lichtquelle 110 als auch der Sensoren der Sensoranordnung 130 verwendet werden. Der Verarbeitungsabschnitt 150 (der z. B. einen oder mehrere Prozessoren 152 enthält) nimmt die Ausgaben von der Sensoranordnung 130 auf und verwendet die Ausgaben (z. B. um Messabstände zu Oberflächenpunkten auf der Oberfläche 192 des Werkstücks 190 zu bestimmen).
  • Fachleute erkennen, dass der Verarbeitungsabschnitt 150 (z. B. einschließlich eines Rechensystems oder darin implementiert usw.) und/oder andere Verarbeitungs- und/oder Steuersysteme, die mit den hierin beschriebenen Elementen und Verfahren beschrieben oder verwendbar sind, im Allgemeinen unter Verwendung eines geeigneten Rechensystems oder einer geeigneten Vorrichtung implementiert werden können, einschließlich verteilter oder vernetzter Rechenumgebungen und dergleichen. Solche Systeme oder -vorrichtungen können einen oder mehrere Allzweck- oder Spezialprozessoren (z. B. nicht benutzerdefinierte oder benutzerdefinierte Vorrichtungen) beinhalten, die Software ausführen, um die hierin beschriebenen Funktionen durchzuführen. Software kann in einem Speicher gespeichert sein, wie einem Direktzugriffsspeicher (RAM), einem Nurlesespeicher (ROM), einem Flash-Speicher oder dergleichen oder einer Kombination solcher Komponenten. Software kann ebenso in einer oder mehreren Speichervorrichtungen gespeichert werden, wie optischen Datenträgern, Flash-Speichervorrichtungen oder einem anderen nichtflüchtigen Speichermedium zum Speichern von Daten. Software kann ein oder mehrere Programmmodule beinhalten, die Prozesse, Routinen, Programme, Objekte, Komponenten, Datenstrukturen und so weiter beinhalten, die bestimmte Aufgaben durchführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. In verteilten Computerumgebungen kann die Funktionalität der Programmmodule kombiniert oder auf mehrere Rechensysteme oder -vorrichtungen verteilt werden und es kann über Serviceabrufe entweder in einer drahtgebundenen oder einer drahtlosen Konfiguration darauf zugegriffen werden.
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines digitalen Holographie-Metrologiesystems 200 mit einer heterodynen Lichtquelle 210, die in verschiedenen Implementierungen bestimmte Funktionen ähnlich dem Metrologiesystem von 1 ausführen kann. Es versteht sich, dass bestimmte nummerierte Komponenten 2XX von 2 den ähnlich nummerierten Gegenkomponenten 1XX von 1 entsprechen und, falls nicht anderweitig beschrieben, analog dazu verstanden werden können. Dieses Nummerierungsschema zum Angeben von Elementen mit analoger Auslegung und/oder Funktion (d. h. sofern nicht anderweitig dargestellt und/oder beschrieben) wird auch auf die übrigen Figuren hierin angewendet. Wie in 2 gezeigt, beinhaltet das digitale Holographie-Metrologiesystem 200 eine heterodyne Lichtquelle 210, eine interferometrische optische Anordnung 220, eine Sensoranordnung 230, einen Zeitgeber 240 und einen Verarbeitungsabschnitt 250. In verschiedenen Implementierungen kann das digitale Holographie-Metrologiesystem 200 als heterodynes Bildgebungsinterferometer betrieben werden.
  • In verschiedenen Implementierungen beinhaltet die heterodyne Lichtquelle 210 eine Mehrwellenlängen-Lichtquelle (z. B. eine Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle zum Bereitstellen von Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen), die mit einem akusto-optischen Modulator gekoppelt ist (z. B. für den bestimmte Beispiele nachfolgend in Bezug auf die 7-11 genauer beschrieben werden). In einer Implementierung kann die Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle einen Laserstrahl einer ersten Wellenlänge mit einer ersten Frequenz v1 bereitstellen, für den der akusto-optische Modulator den Laserstrahl der ersten Wellenlänge aufnimmt und einen entsprechenden ersten frequenzverschobenen Laserstrahl mit der Frequenz v1+Δv erzeugt, der mit dem Laserstrahl der ersten Wellenlänge als ein erster kombinierter Strahl kombiniert wird. In ähnlicher Weise kann die Laserlichtquelle mit mehreren Wellenlängen einen Laserstrahl mit einer zweiten Wellenlänge bei einer zweiten Frequenz v2 bereitstellen, die sich von der ersten Frequenz unterscheidet (d. h. und mit einer entsprechenden zweiten Wellenlänge, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet), wozu der akusto-optische Modulator den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge aufnimmt und einen entsprechenden zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl mit der Frequenz v2+Δv erzeugt, der mit dem Laserstrahl der zweiten Wellenlänge als ein zweiter kombinierter Strahl kombiniert wird. In ähnlicher Weise kann die Laserlichtquelle mit mehreren Wellenlängen einen Laserstrahl mit einer dritten Wellenlänge bei einer dritten Frequenz v3 bereitstellen, die sich von der ersten und der zweiten Frequenz unterscheidet (d. h. und mit einer entsprechenden dritten Wellenlänge, die sich von der ersten und der zweiten Wellenlänge unterscheidet), wozu der akusto-optische Modulator den Laserstrahl der dritten Wellenlänge aufnimmt und einen entsprechenden dritten frequenzverschobenen Laserstrahl mit der Frequenz v3+Δv erzeugt, der mit dem Laserstrahl der dritten Wellenlänge als ein dritter kombinierter Strahl kombiniert wird. In verschiedenen Implementierungen kann die Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle Laserstrahlen mit zusätzlichen Wellenlängen bereitstellen, wobei der akusto-optische Modulator entsprechende zusätzliche frequenzverschobene Laserstrahlen erzeugt. In verschiedenen Implementierungen können verschiedene Symbole hierin austauschbar verwendet werden, um die Frequenzen der Laserstrahlen darzustellen / diesen zu entsprechen (z. B. wie etwa v, f, ω usw.).
  • Der Zeitgeber 240 ist mit der heterodynen Lichtquelle 210 gekoppelt (z. B. über einen Treiber der heterodynen Lichtquelle mit dem akusto-optischen Modulator), um das Referenztaktsignal bereitzustellen, auf dessen Grundlage die Modulationsfrequenz Δv erzeugt wird. Bei verschiedenen Implementierungen wird das Taktsignal mit der Modulationsfrequenz Δv bereitgestellt (z. B. bei bestimmten Implementierungen in einem Bereich von 40-100 MHz). In verschiedenen Implementierungen kann das verteilte Taktsignal äquivalent zu der Frequenz der akustischen Welle in dem akusto-optischen Modulator und äquivalent zu der Frequenzverschiebung Δv des optischen Strahls (z. B. Photonenfrequenz plus ein akustisches Phonon) sein. In verschiedenen alternativen Implementierungen kann das verteilte Taktsignal jede andere Frequenz sein, die mit zusätzlichen elektronischen Komponenten auf die gewünschte Zielfrequenz multipliziert/dividiert wird.
  • Die interferometrische optische Anordnung 220 (die z. B. auch als optische Messanordnung bezeichnet werden kann) enthält einen Strahlteiler 221, Viertelwellenplatten 223 und 226, einen Referenzspiegel 224 (der hier z. B. auch als Referenzoberfläche 224 bezeichnet werden kann), einen Abbildungslinsenabschnitt 227 (z. B. einschließlich einer Abbildungslinse wie etwa einer Kameralinse) und einen Polarisator 228. In verschiedenen Implementierungen bildet die interferometrische optische Anordnung 220 ein Zweiwege-Interferometer aus und/oder wird als solches betrieben. Der Abbildungslinsenabschnitt 227 (der z. B. in einigen Implementierungen mehrere Linsen umfassen und in einer telezentrischen Anordnung vorliegen kann) wird bereitgestellt, um eine Oberfläche 192 des Werkstücks 190 (das z. B. gemessen und/oder anderweitig inspiziert wird usw.) auf einer Bildebene abzubilden. In verschiedenen Implementierungen kann die Bildebene vor, auf oder nach den Sensoren (z. B. Sensor TOF-1, Sensor TOF-2 usw.) der Sensoranordnung 230 liegen (z. B. für die in verschiedenen Implementierungen die Sensoren räumlich so angeordnet sein können, dass die optische Weglänge von dem Abbildungslinsenabschnitt 227 zu jedem Sensor ungefähr gleich sein kann). Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, kann in verschiedenen Implementierungen jeder Sensor TOF ein optisches Schwebungssignal bei einer Differenzfrequenz Δv detektieren und auf einer Basis je Pixel demodulieren. Bei verschiedenen Implementierungen kann ein Tiefenrahmen aus vier Phasenmessungen bestehen. Die aufgezeichneten Hologramme können numerisch auf der Bildebene ausgebreitet werden, wo die Höhenkarte (z. B. die Messungen für Oberflächenpunkte auf der vergrößerten Werkstückoberfläche 192 des Werkstücks 190 angibt) extrahiert wird (z. B. nach der Phasenabwicklung).
  • Der Strahlteiler 221 ist entlang einer Achse 222 optisch an dem Referenzspiegel 224 ausgerichtet. Der Strahlteiler 221 ist auch optisch an der Werkstückoberfläche 192 entlang einer Achse 225 ausgerichtet, die im Wesentlichen senkrecht zu der Achse 222 verläuft. Die Viertelwellenplatte 226 wird zwischen dem Strahlteiler 221 und der Werkstückoberfläche 192 bereitgestellt, während die Viertelwellenplatte 223 zwischen dem Strahlteiler 221 und dem Referenzspiegel 224 bereitgestellt wird, und der Abbildungslinsenabschnitt 227 und der Polarisator 228 zwischen dem Strahlteiler 221 und der Sensoranordnung 230 entlang der Achse 225 bereitgestellt werden. Der Abbildungslinsenabschnitt 227 und der Polarisator 228 sind optisch zwischen dem Strahlteiler 221 und der Sensoranordnung 230 ausgerichtet.
  • Das zu prüfende/messende Werkstück 190 wird in Bezug auf das digitale Holographie-Metrologiesystem 200 so positioniert, dass die Werkstückoberfläche 192 durch den Abbildungslinsenabschnitt 227 abgebildet wird. Bei bestimmten Implementierungen kann die Werkstückoberfläche 192 auf die Sensoren (z. B. Sensor TOF-1, Sensor TOF-2 usw.) der Sensoranordnung 230 abgebildet werden, obwohl zu beachten ist, dass dies bei einem digitalen Holographie-Metrologiesystem nicht erforderlich ist (z. B. kann in verschiedenen Implementierungen die Werkstückoberfläche 192, einschließlich jeweiliger Oberflächenpunkte darauf, auf eine Bildebene abgebildet werden, die sich vor oder hinter den Sensoren TOF der Sensoranordnung 230 befindet).
  • In einem digitalen Holographie-Metrologiesystem wie dem hierin offenbarten können, können, wo immer die Sensoren TOF relativ zur Bildebene angeordnet sind, die Messungen der Laserstrahlen durch die Sensoren TOF numerisch auf die Bildebene ausgebreitet werden, um die Werte zu bestimmen, die an der Bildebene auftreten würden, und die für die hierin beschriebenen Messvorgänge verwendet werden können. Als ein Beispiel einer solchen numerischen Ausbreitung, wenn Amplitude und Phase eines Laserstrahls an einer Messebene (z. B. an einem Sensor TOF) gemessen/bestimmt wird, aufgrund der Kenntnis darüber, wie Amplitude und Phase des Laserstrahls über Zeit und Abstand variieren, können die entsprechenden Werte numerisch ausgebreitet (z. B. berechnet) werden, wie sie in der Bildebene auftreten würden (z. B. für die der relative Ort/Abstand der Bildebene gemäß den Eigenschaften der Abbildungslinse usw. bekannt sein kann). Diese Merkmale können besonders nützlich sein, um bestimmte Werkstücke/Werkstückmerkmale zu messen (z. B. bei denen Höhenvariationen auf der Werkstückoberfläche groß genug sein können, dass die gesamte Werkstückoberfläche möglicherweise nicht in einen einzelnen Messbereich bestimmter Systeme passt, bei denen jedoch ein digitales Holographie-Metrologiesystem, wie das hierin offenbarte, sich alternativ numerisch zu der Bildebene ausbreiten kann, um die benötigten Werte für die Messungen zu erhalten / zu bestimmen usw.).
  • In dem Beispiel von 2 wird jeder frequenzverschobene Laserstrahl durch akusto-optische Modulation eines Laserstrahls entsprechender Wellenlänge (d. h. in der heterodynen Lichtquelle 210) erhalten. Es versteht sich jedoch, dass in anderen Implementierungen jeder frequenzverschobene Laserstrahl unter Verwendung anderer Techniken erhalten werden kann. Beispielsweise kann der Laser für jedes wellenlängen-/frequenzverschobene Laserstrahlpaar ein Zeeman-Laser mit einem Lasermedium sein, das in einem starken axialen Magnetfeld bereitgestellt wird, um zwei Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen/Frequenzen zu erzeugen. In Übereinstimmung mit der hier verwendeten Terminologie können in einigen Fällen Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen/Frequenzen selbst dann, wenn ein gemeinsamer Strahlengang vorliegt, jeweils als einzelner Laserstrahl bezeichnet werden. Wenn sich Laserstrahlen einen Strahlengang teilen und/oder sich gemeinsam ausbreiten usw., kann die Kombination dieser Laserstrahlen in einigen Fällen als ein kombinierter Strahl bezeichnet werden.
  • Im Betrieb stellt der Zeitgeber 240 das Takt- oder Referenzsignal an die Sensoranordnung 230 und an einen Treiber der Überlagerungslichtquelle 210 bereit. Der akusto-optische Modulator der heterodynen Lichtquelle 210 wird durch den Treiber mit der Modulationsfrequenz Δv angesteuert. Wie zuvor beschrieben, erzeugt eine Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle der heterodynen Lichtquelle 210 Laserstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen. Beispielsweise kann, wie zuvor erwähnt, die Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle einen Laserstrahl einer ersten Wellenlänge mit einer ersten Frequenz v1 bereitstellen. Der akusto-optische Modulator nimmt den eingegebenen Laserstrahl der ersten Wellenlänge auf und erzeugt/generiert einen entsprechenden ersten frequenzverschobenen Laserstrahl mit der Frequenz v1+Δv, der sich entlang des Laserstrahls der ersten Wellenlänge ausbreitet. Als Ergebnis ist in Bezug auf den Laserstrahl der ersten Wellenlänge die Ausgabe der heterodynen Lichtquelle 210 ein erster kombinierter Strahl. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, kann der erste kombinierte Strahl von der Sensoranordnung 230 mit einer Hüllkurve erfasst werden, die mit der Differenzfrequenz Δv moduliert ist.
  • In ähnlicher Weise kann die Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle der heterodynen Lichtquelle 210 einen Laserstrahl einer zweiten Wellenlänge mit einer zweiten Frequenz v2 bereitstellen, für den der akusto-optische Modulator den eingegebenen Laserstrahl der zweiten Wellenlänge aufnimmt und einen Laserstrahl einer entsprechenden verschobenen zweiten Frequenz mit der Frequenz v2+Δv erzeugt/generiert, der sich entlang des Laserstrahls der zweiten Wellenlänge ausbreitet, für den die entsprechende Ausgabe der heterodynen Lichtquelle 210 ein zweiter kombinierter Strahl ist. In ähnlicher Weise kann die Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle einen Laserstrahl einer dritten Wellenlänge mit einer dritten Frequenz v3 bereitstellen, für den der akusto-optische Modulator den eingegebenen Laserstrahl der dritten Wellenlänge aufnimmt und einen Laserstrahl einer entsprechenden verschobenen dritten Frequenz mit der Frequenz v3+Δv erzeugt/generiert, der sich entlang des Laserstrahls der dritten Wellenlänge ausbreitet, für den die entsprechende Ausgabe der heterodynen Lichtquelle 210 ein dritter kombinierter Strahl ist. Es versteht sich, dass die Gesamtausgabe der heterodynen Lichtquelle 210 somit einen gesamten kombinierten Strahl umfassen kann (der z. B. den ersten, den zweiten und den dritten kombinierten Strahl usw. umfassen kann). In verschiedenen Implementierungen kann die Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle der heterodynen Lichtquelle 210 Laserstrahlen mit zusätzlichen Wellenlängen bereitstellen, wobei der akusto-optische Modulator entsprechende zusätzliche frequenzverschobene Laserstrahlen zum Ausbilden entsprechender zusätzlicher kombinierter Strahlen erzeugt, die auch im gesamten kombinierten Strahl als Ausgabe von der heterodynen Lichtquelle 210 enthalten sein können.
  • In verschiedenen Implementierungen kann eine Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle der heterodynen Lichtquelle 210 in einigen Fällen einzelne Laserlichtquellen zum Bereitstellen der Laserstrahlen mit den unterschiedlichen Wellenlängen enthalten. Bei verschiedenen Implementierungen kann es wünschenswert sein, dass diese einzelnen Laserlichtquellen (z. B. Laserdioden) eine niedrige Temperaturempfindlichkeit aufweisen. In verschiedenen Implementierungen, die einzelne Laserlichtquellen verwenden (d. h. Laserlichtquellen mit entsprechenden Wellenlängen), kann die Wellenlänge jeder Laserlichtquelle aufgrund von Temperaturänderungen usw. in dieselbe Richtung driften, für die ein Verhältnis zwischen den Wellenlängen relativ stabil bleiben kann, was somit zu einer relativ stabilen Messgenauigkeit des Systems führen kann. In verschiedenen Implementierungen kann eine Temperaturempfindlichkeit jeder einzelnen Lichtquelle dazu konfiguriert werden, dass sie mit der entsprechenden Wellenlänge, für die jegliche Abweichung von Wellenlängenverhältnissen aufgrund der Temperatur reduziert oder eliminiert werden kann, übereinstimmt. Beim Konfigurieren einer heterodynen Lichtquelle 210, wie der hier offenbarten, können in verschiedenen Implementierungen einzelne Laserlichtquellen (z. B. die aufgrund von Herstellungstoleranzen usw. unterschiedliche Werte haben können) getestet und eine Kombination von Laserlichtquellen kann ausgewählt/verwendet werden, die gewünschte Verhältnisse zwischen den Wellenlängen bereitstellt.
  • Somit können in verschiedenen Implementierungen unterschiedliche Laserlichtquellen enthalten sein, die eine gewünschte Kombination von Wellenlängenverhältnissen bereitstellen (z. B. in einer spezifischen beispielhaften Implementierung Wellenlängen bereitstellen, wie etwa 633 nm, 687 nm und 767 nm). In einer Implementierung kann eine erste Laserlichtquelle, die in der Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle enthalten ist, einen Laserstrahl mit einer ersten Wellenlänge bereitstellen (z. B. in einer spezifischen beispielhaften Implementierung mit einer Nennwellenlänge bei 633 nm). Die heterodyne Lichtquelle 210 kann dementsprechend einen ersten kombinierten Strahl, wie zuvor beschrieben erzeugen, der einen Laserstrahl einer ersten Wellenlänge mit einer ersten Wellenlänge λS1 (z.B. 633 nm) mit einer vertikalen Polarisation und einen ersten frequenzverschobenen Laserstrahl mit einer Wellenlänge λFS1 mit einer horizontale Polarisation (z.B. jeweils mit einer linearen Polarisation) enthält. Der Zeitgeber 240 erzeugt ein Taktsignal (z.B. bei 40 MHz), das die Ansteuerfrequenz des akusto-optischen Modulators der heterodynen Lichtquelle 210 einstellt. Als Ergebnis führt der erste kombinierte Strahl zu einem detektierten Schwebungssignal (z. B. von 40 MHz).
  • In ähnlicher Weise kann eine zweite Laserlichtquelle, die in der Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle der heterodynen Lichtquelle 210 enthalten ist, einen Laserstrahl mit einer zweiten Wellenlänge bereitstellen (z. B. in einer spezifischen beispielhaften Implementierung mit einer Nennwellenlänge bei 687 nm). Die heterodyne Lichtquelle 210 kann dementsprechend einen zweiten kombinierten Strahl, wie zuvor beschrieben erzeugen, der einen Laserstrahl einer zweiten Wellenlänge mit einer zweiten Wellenlänge λS2 (z. B. 687 nm) mit einer vertikalen Polarisation und einen zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl mit einer Wellenlänge λFS2 mit einer horizontale Polarisation enthält. In ähnlicher Weise kann eine dritte Laserlichtquelle, die in der Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle enthalten ist, einen Laserstrahl einer dritten Wellenlänge bereitstellen (z. B. in einer spezifischen beispielhaften Implementierung mit einer Nennwellenlänge bei 767 nm). Die heterodyne Lichtquelle 210 kann entsprechend einen dritten kombinierten Strahl erzeugen, wie zuvor beschrieben, der einen Laserstrahl einer dritten Wellenlänge mit einer dritten Wellenlänge λS3 (z.B. 767 nm) mit einer vertikalen Polarisation und einen dritten frequenzverschobenen Laserstrahl mit einer Wellenlänge λFS3 mit einer horizontalen Polarisation enthält. Wie zuvor angemerkt, kann der Zeitgeber 240 ein Taktsignal (z.B. bei 40 MHz) erzeugen, das die Ansteuerfrequenz des akusto-optischen Modulators der heterodynen Lichtquelle 210 einstellt. Als Ergebnis erzeugt jeder des zweiten und des dritten kombinierten Strahls ein detektiertes Schwebungssignal mit der Modulationsfrequenz (z. B. von 40 MHz).
  • Wie zuvor angemerkt, gibt die heterodyne Lichtquelle 210 während des Betriebs des digitalen Holographie-Metrologiesystems 200 den gesamten kombinierten Strahl einschließlich der kombinierten Strahlen an die interferometrische optische Anordnung 220 aus. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, verwendet die interferometrische optische Anordnung 220 die kombinierten Strahlen zum Bereitstellen einer Ausgabe zum Abbilden der Oberfläche 192 des Werkstücks 190 (z. B. auf eine Bildebene). Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, kann beispielsweise in einer beispielhaften Implementierung, in der drei Wellenlängen verwendet werden, die Ausgabe der interferometrischen optischen Anordnung 220 einen ersten, einen zweiten und einen dritten Interferenzstrahl enthalten. In verschiedenen Implementierungen wird der erste Interferenzstrahl basierend auf dem ersten kombinierten Strahl von der heterodynen Lichtquelle erzeugt, der zweite Interferenzstrahl wird basierend auf dem zweiten kombinierten Strahl von der heterodynen Lichtquelle erzeugt und der dritte Interferenzstrahl wird basierend auf dem dritten kombinierten Strahl von der heterodynen Lichtquelle erzeugt.
  • Unter weiterer Bezugnahme auf die obigen Beispiele breitet sich beim Einfallen des ersten kombinierten Strahls auf den Strahlteiler 221 (z. B. auf einen polarisierenden Strahlteiler) der interferometrischen optischen Anordnung 220 der erste Referenzstrahl mit der Frequenz v1 und vertikaler Polarisation entlang der Achse 222 in Richtung des Referenzspiegels 224 aus, während sich der erste Signalstrahl mit der Frequenz v1+Δv und horizontaler Polarisation entlang der Achse 225 ausbreitet, um einen Abschnitt der Werkstückoberfläche 192 zu beleuchten. Der erste reflektierte Referenzstrahl (d. h. von dem Referenzspiegel 224) und der erste reflektierte Signalstrahl (d. h. von der Werkstückoberfläche 192) werden dann durch den Strahlteiler 221 kombiniert, wodurch ein erster reflektierter kombinierter Strahl ausgebildet wird, der sich entlang der Achse 222 über den Abbildungslinsenabschnitt 227 zu der Sensoranordnung 230 ausbreitet. Die Viertelwellenplatte 226 wird verwendet, um die Polarisation des ersten einfallenden Strahls bei der Frequenz v1+Δv von horizontal auf kreisförmig umzuwandeln und um die Polarisation des ersten reflektierten Signalstrahls von kreisförmig auf vertikal umzuwandeln. In ähnlicher Weise wird die Viertelwellenplatte 223 verwendet, um die Polarisation des ersten einfallenden Strahls bei der Frequenz v1 von vertikal auf kreisförmig umzuwandeln und um die Polarisation des ersten reflektierten Referenzstrahls von kreisförmig auf horizontal umzuwandeln. Als Ergebnis sind die Polarisation des ersten reflektierten Signalstrahls und des ersten reflektierten Referenzstrahls nach der ersten bzw. der zweiten Viertelwellenplatte orthogonal zueinander, wodurch eine Interferenz verhindert wird.
  • Die Werkstückoberfläche 192 wird über den Abbildungslinsenabschnitt 227 auf eine Bildebene abgebildet, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Der Polarisator 228 wird verwendet, um die Polarisation der ersten beiden reflektierten Strahlen zu steuern, was es ihnen ermöglicht, einen ersten Interferenzstrahl auszubilden. Eine erste dichroitische Komponente 231-1 (z. B. ein dichroitisches Filter, das verwendet wird, um einzelne Wellenlängen zu trennen) wirkt, um den ersten Interferenzstrahl IB-1 zu einem Sensor TOF-1 (z. B. einem Laufzeitsensor, der in verschiedenen Implementierungen eine Laufzeitkamera usw. sein kann) der Sensoranordnung 230 zu reflektieren. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, wirkt die erste dichroitische Komponente 231-1 auch, um andere Interferenzstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen zu übertragen/durchzulassen, um sich entlang der Achse 225 fortzusetzen, um von anderen dichroitischen Komponenten in Richtung anderer Sensoren der Sensoranordnung 230 reflektiert zu werden. In verschiedenen Implementierungen können die dichroitischen Komponenten, wie hierin definiert, jeweils eine beliebige optische Komponente oder Komponenten umfassen, die einen Lichtstrahl in zwei Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen teilen können. Wie zuvor angemerkt, wird die Werkstückoberfläche 192 über den Abbildungslinsenabschnitt 227 auf eine Bildebene abgebildet (z. B. für den die Bildebene vor, auf oder hinter dem Sensor TOF-1 sein kann).
  • Beim Einfallen des zweiten kombinierten Strahls auf den Strahlteiler 221 breitet sich der zweite Referenzstrahl mit der Frequenz v2 und vertikaler Polarisation entlang der Achse 222 in Richtung des Referenzspiegels 224 aus, während sich der zweite Signalstrahl mit der Frequenz v2+Δv und horizontaler Polarisation entlang der Achse 225 ausbreitet, um einen Abschnitt der Werkstückoberfläche 192 zu beleuchten. Der zweite reflektierte Referenzstrahl und der zweite reflektierte Signalstrahl werden dann durch den Strahlteiler 221 kombiniert, wodurch ein zweiter reflektierter kombinierter Strahl ausgebildet wird, der sich entlang der Achse 225 über den Abbildungslinsenabschnitt 227 zu der Sensoranordnung 230 ausbreitet. Die Viertelwellenplatte 226 wird verwendet, um die Polarisation des zweiten einfallenden Strahls bei der Frequenz v2+Δv von horizontal auf kreisförmig umzuwandeln und um die Polarisation des zweiten reflektierten Signalstrahls von kreisförmig auf vertikal umzuwandeln. In ähnlicher Weise wird die Viertelwellenplatte 223 verwendet, um die Polarisation des zweiten einfallenden Strahls bei der Frequenz v2 von vertikal auf kreisförmig umzuwandeln und um die Polarisation des zweiten reflektierten Referenzstrahls von kreisförmig auf horizontal umzuwandeln. Als Ergebnis sind die Polarisation des zweiten reflektierten Signalstrahls und des zweiten reflektierten Referenzstrahls nach der ersten bzw. der zweiten Viertelwellenplatte orthogonal zueinander, wodurch eine Interferenz verhindert wird.
  • Die Werkstückoberfläche 192 wird über den Abbildungslinsenabschnitt 227 auf eine Bildebene abgebildet, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Der Polarisator 228 wird verwendet, um die Polarisation der zweiten beiden reflektierten Strahlen zu steuern, was es ihnen ermöglicht, einen zweiten Interferenzstrahl auszubilden. Eine zweite dichroitische Komponente 231-2 wirkt, um den zweiten Interferenzstrahl IB-2 zu einem Sensor TOF-2 der Sensoranordnung 230 zu reflektieren. Die zweite dichroitische Komponente 231-2 wirkt ferner, um andere Interferenzstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen zu übertragen/durchzulassen, um entlang der Achse 225 fortzufahren, um von einer oder mehreren anderen dichroitischen Komponenten zu einem oder mehreren anderen Sensoren der Sensoranordnung 230 reflektiert zu werden, ähnlich wie die erste dichroitische Komponente 231-1 den ersten Interferenzstrahl IB-1 reflektiert, während sie den zweiten Interferenzstrahl IB-2 überträgt/durchlässt. Wie zuvor angemerkt, wird die Werkstückoberfläche 192 über den Abbildungslinsenabschnitt 227 auf eine Bildebene abgebildet (z. B. für den die Bildebene vor, auf oder hinter dem Sensor TOF-2 sein kann).
  • Es versteht sich, dass ähnliche Vorgänge für zusätzliche kombinierte Strahlen des Systems auftreten können. Beispielsweise kann ähnlich wie bei den zuvor beschriebenen Vorgängen ein endgültiger kombinierter Strahl vorliegen (z. B. als N-ter kombinierter Strahl nummeriert), für den ein entsprechender endgültiger Referenzstrahl mit einer Frequenz vN und vertikaler Polarisation und ein endgültiger Signalstrahl mit der Frequenz vN+Δv und horizontaler Polarisation vorliegen kann. Ein entsprechender endgültiger reflektierter Referenzstrahl und ein endgültiger reflektierter Signalstrahl können einen endgültigen reflektierten kombinierten Strahl ausbilden, aus dem ein endgültiger Interferenzstrahl ausgebildet werden kann. Die Werkstückoberfläche 192 kann über den Abbildungslinsenabschnitt 227 auf eine Bildebene abgebildet werden, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Eine abschließende dichroitische Komponente 231-N wirkt, um den endgültigen Interferenzstrahl IB-N auf den Sensor TOF-N zu reflektieren. Wie zuvor angemerkt, wird die Werkstückoberfläche 192 über den Abbildungslinsenabschnitt 227 auf eine Bildebene abgebildet (für den die Bildebene z. B. vor, auf oder hinter dem Sensor TOF-N liegen kann).
  • Es versteht sich, dass bei einer Implementierung, bei der N = 3 gilt, der endgültige kombinierte Strahl ein dritter kombinierter Strahl sein kann, oder bei einer Implementierung, bei der N größer als 3 ist, auch ein dritter kombinierter Strahl des Systems vorliegen kann. In jedem Fall kann ein entsprechender dritter Referenzstrahl mit einer Frequenz v3 und vertikaler Polarisation und ein dritter Signalstrahl mit der Frequenz v3+Δv und horizontaler Polarisation vorliegen. Ein entsprechender dritter reflektierter Referenzstrahl und ein dritter reflektierter Signalstrahl können einen dritten reflektierten kombinierten Strahl ausbilden, aus dem ein dritter Interferenzstrahl ausgebildet werden kann. Eine dritte dichroitische Komponente 231-3 kann betrieben werden, um den dritten Interferenzstrahl IB-3 zu dem Sensor TOF-3 zu reflektieren (d. h. Sensor TOF-N, wenn N = 3). Es versteht sich, dass die Verwendung der dichroitischen Komponenten die Verwendung von Laserstrahlen mit mehreren Wellenlängen in der heterodynen Lichtquelle 210 ermöglicht, für die die Strahlen in einem gemeinsamen Strahlengang kombiniert und dann durch die dichroitischen Komponenten geteilt werden, um von den Sensoren TOF aufgenommen zu werden (z. B. als Teil der zugehörigen Messfunktionen usw.).
  • Genauer gesagt ist, wie zuvor erwähnt, die erste dichroitische Komponente 231-1 dazu konfiguriert, den ersten Interferenzstrahl IB-1 von dem zweiten und dem dritten Interferenzstrahl IB-2 und IB-3 zu trennen, wozu der erste Interferenzstrahl IB-1 (z. B. durch die erste dichroitische Komponente 231-1) ausgerichtet wird, um von dem ersten Sensor TOF-1 (z. B. einem Laufzeitsensor) aufgenommen zu werden. Die zweite dichroitische Komponente 231-2 ist dazu konfiguriert, den zweiten Interferenzstrahl IB-2 von dem dritten Interferenzstrahl IB-3 zu trennen, wozu der zweite Interferenzstrahl IB-2 (z. B. durch die zweite dichroitische Komponente 231-2) so ausgerichtet wird, dass er von dem zweiten Sensor TOF-2 (z. B. einem Laufzeitsensor) aufgenommen wird. Der dritte Interferenzstrahl IB-3 wird (z. B. durch die dritte dichroitische Komponente 231-3) ausgerichtet, um von dem dritten Sensor TOF-3 (z. B. einem Laufzeitsensor) aufgenommen zu werden.
  • Wie zuvor angemerkt, kann die Gesamtausgabe der heterodynen Lichtquelle 210 ein kombinierter Gesamtstrahl sein (der z. B. den ersten, den zweiten und den dritten kombinierten Strahl umfassen kann, wie in dem obigen Beispiel, wo gilt N = 3). Gemäß den zuvor beschriebenen Vorgängen weist beim Einfallen des gesamten kombinierten Strahls von der heterodynen Lichtquelle 210 auf den Strahlteiler 221 der kombinierte Referenzstrahl, der den ersten, den zweiten und den dritten Referenzstrahl enthält, die jeweiligen Frequenzen v1, v2 und v3 und vertikale Polarisation auf, breitet sich entlang der Achse 222 zum Referenzspiegel 224 aus (z. B. wobei die Strahlkombination am Referenzspiegel 224 als Σvi dargestellt werden kann, was in diesem Beispiel angibt, dass der kombinierte Referenzstrahl die Referenzstrahlen mit den Frequenzen v1, v2 und v3 enthält). Ebenfalls gemäß den zuvor beschriebenen Betriebsvorgängen breitet sich beim Einfallen des gesamten kombinierten Strahls von der heterodynen Lichtquelle 210 auf den Strahlteiler 221 der kombinierte Signalstrahl mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Signalstrahl mit den jeweiligen Frequenzen v1+Δv, v2+Δv und v3+Δv und einer horizontale Polarisation entlang der Achse 225 aus, um einen Abschnitt der Werkstückoberfläche 192 zu beleuchten (z. B. für die die Strahlkombination an der Werkstückoberfläche 192 als Σvi+Δv dargestellt werden kann, was in diesem Beispiel anzeigt, dass der kombinierte Signalstrahl die Signalstrahlen mit den Frequenzen v1+Δv, v2+Δv und v3+Δv enthält).
  • In verschiedenen Implementierungen kann die Achse 225 einer Messachse des digitalen Holographie-Metrologiesystems 200 entsprechen oder als solche definiert sein, für die ein Messabstand einem Abstand von dem digitalen Holographie-Metrologiesystem 200 (z. B. von einer bestimmten Komponente oder einem Referenzpunkt des digitalen Holographie-Metrologiesystems 200, wie etwa nahe oder an der Viertelwellenplatte 226 oder nahe oder an einem Ende eines Gehäuses, das die interferometrische optische Anordnung 220 umschließt, usw.) zu einem Oberflächenpunkt auf der Werkstückoberfläche 192. In verschiedenen Implementierungen kann die Achse 225 auch oder alternativ einer z-Achse des digitalen Holographie-Metrologiesystems 200 entsprechen / als solche definiert sein, für die Messabstände als z-Abstände oder in Übereinstimmung mit z-Höhen bezeichnet werden können. In verschiedenen Implementierungen können unterschiedliche z-Höhen von Oberflächenpunkten auf der Werkstückoberfläche 192 (z. B. als Teil eines Gesamtoberflächenprofils oder auf andere Weise) in Bezug auf einen Referenzpunkt und/oder relativ zueinander in Übereinstimmung mit ihren relativen z-Höhen vorliegen, wie etwa relativ zu einem Referenzpunkt auf der Werkstückoberfläche, der als eine z-Höhe von z = 0 aufweisend bezeichnet werden kann. In verschiedenen Implementierungen kann eine z-Höhe jedes Oberflächenpunkts einem jeweiligen Messabstand/z-Abstand von dem digitalen Holographie-Metrologiesystem 200 zu dem Oberflächenpunkt entsprechen / als solcher bestimmt werden.
  • Bei Konfigurationen wie den hier offenbarten, bei denen dichroitische Komponenten verwendet werden, kann es bei verschiedenen Implementierungen wünschenswert sein, dass die Wellenlängen der Strahlen ausreichend getrennt sind, sodass die Strahlen effektiv durch die dichroitischen Elemente getrennt werden können. Im Gegensatz dazu haben bestimmte frühere Systeme Strahlen mit Wellenlängen verwendet, die sehr nahe beieinander liegen (z. B. mit weniger als 1 nm Abstand, wie etwa zum Erzielen kombinierter synthetischer Wellenlängen zum Erzielen langer absoluter Messbereiche usw.). In hierin offenbarten Konfigurationen kann es alternativ dazu vorteilhaft sein, Kombinationen von Wellenlängen mit relativ größeren Abständen zu verwenden (z. B. wie etwa einem Abstand von mindestens 2 % oder 5 % des Werts der kürzesten Wellenlänge oder einem Abstand von mindestens 10 nm oder 20 nm), sodass die dichroitischen Elemente, die basierend auf Wellenlängen trennen, die Strahlen effektiv trennen können. Eine spezifische beispielhafte Kombination von Wellenlängen, die diese Anforderungen erfüllt, ist λ1 = 633 nm, λ2 = 687 nm und λ3 = 767 nm (wobei z. B. 2 % der kürzesten Wellenlänge kleiner als 13 nm und 5 % kleiner als 32 nm sind, was jeweils kleiner als die Abstände zwischen der kürzesten und der längsten Wellenlänge oder zwischen jeglichen der Wellenlängen in diesem Beispiel ist, ebenso wie bei Abständen von 10 nm oder 20 nm).
  • Für jeden Sensor TOF (z. B. TOF-1, TOF-2, ... TOF-N) der Sensoranordnung 230 kann der Sensor TOF in verschiedenen Implementierungen ein Laufzeitsensor sein, der dazu konfiguriert ist, die Phasenbeziehung zwischen dem Modulationssignal und dem an jedem Pixel aufgenommenen Interferenzstrahl zu bestimmen. Der Sensor TOF gibt ein Signal aus, das die Phase der modulierten Intensität des auf jedes Pixel fallenden Lichtsignals mit einem elektrischen Referenzsignal bei der Modulationsfrequenz vergleicht, abgeleitet von dem Signal des Zeitgebers 240 (der z. B. als gemeinsame Taktquelle fungieren kann). In verschiedenen Implementierungen kann der Sensor TOF Quadratursignale (IQ) ausgeben, aus denen die Phase berechnet wird. In verschiedenen Implementierungen können diese Berechnungen auf dem Sensor selbst (z. B. auf einem Chip/Prozessor auf dem Sensor TOF) oder auf einem zugeordneten Prozessor/Chip (z. B. bereitgestellt in der Sensorelektronik 255 oder dem Hostcomputer 258 usw. des Verarbeitungsabschnitts 250) durchgeführt werden. Im Allgemeinen nimmt der Verarbeitungsabschnitt 250 die Ausgaben von den Sensoren TOF (z. B. TOF-1, TOF-2, ... TOF-N) der Sensoranordnung 230 auf und verwendet die Ausgaben (z. B. zum Bestimmen von Messabständen zu Oberflächenpunkten auf dem Oberfläche 192 des Werkstücks 190).
  • In verschiedenen Implementierungen kann der Zeitgeber 240 Teil von mindestens einem der Sensoren TOF (z. B. Sensor TOF-1) sein oder ein Zeitsteuerungssignal von diesem aufnehmen. Bei diesen Implementierungen können die Phase und die Frequenz des akusto-optischen Modulators der heterodynen Lichtquelle 210 effektiv durch den Sensor TOF (d. h. durch den Zeitgeber der Sensor TOF) gesteuert werden. In verschiedenen Implementierungen kann jeder Sensor TOF 4 Phasenmessungen mit einem Versatz von 90 Grad innerhalb eines Tiefenrahmens durchführen, um Amplitude und Phase zu messen. Jedes Pixel auf jedem Sensor TOF kann eine photonische Mischervorrichtung sein, die Detektion und Demodulation kombiniert. In verschiedenen Implementierungen kann der Sensor TOF nur für die Differenzfrequenz von dem Messsignal und dem Referenzarm (d. h. einschließlich des Referenzspiegels 224) empfindlich sein. Summenfrequenzterme können gemittelt und zusammen mit Gleichstrom(DC)-Termen durch korrelierte Doppelabtastung entfernt werden.
  • In verschiedenen Implementierungen wirkt das digitale Holographie-Metrologiesystem 200 als Phasenverschiebungs-Holographiesystem, das die Phasendifferenz zwischen der Werkstückwelle und der Referenzwelle (z. B. von dem jeweiligen reflektierten Signalstrahl und dem reflektierten Referenzstrahl) auf einer Basis je Pixel misst. Bestimmte frühere Systeme erforderten einen Berechnungsschritt, um ein Hologramm aus mindestens 3 Interferogrammen zu berechnen, wohingegen gemäß hierin offenbarten Prinzipien die Berechnung (z. B. auf dem Sensor TOF oder in einem Verarbeitungsabschnitt usw.) mindestens nahezu in Echtzeit ausgeführt werden kann. In verschiedenen Implementierungen breiten sich die gemessenen Hologramme numerisch auf die Bildebene aus, wo die Phaseninformationen von allen Wellenlängen unter Verwendung einer Phasenabwicklungsroutine kombiniert werden, um das Oberflächenprofil über einen relativ langen Eindeutigkeitsbereich (z. B. über einen absoluten Messbereich) zu rekonstruieren.
  • In Bezug auf die Sensoren TOF ist zu erkennen, dass Laufzeitsensoren, wie etwa Laufzeitkameras, in verschiedenen Implementierungen eine sehr gute Phasenauflösung haben können, die verwendet werden kann, um einen großen Eindeutigkeitsbereich (NAR) für die Messungen des Systems zu erreichen (z. B. zur Bestimmung absoluter Messabstände zu Oberflächenpunkten auf Werkstücken usw.). Im Allgemeinen gilt, je besser die Auflösung der Sensors TOF, desto länger der erreichbare Eindeutigkeitsbereich (z. B. als Pfad, der decodiert werden kann usw.). Wie hierin definiert, ist ein Laufzeitsensor ein beliebiger Sensor oder eine Konfiguration, die dazu konfiguriert ist, Werte zu erfassen, die Amplitude und Phase eines Laserstrahls angeben. Ein weiterer wichtiger Faktor im Hinblick auf die erreichbaren Eindeutigkeitsbereiche sind die Verhältnisse der verwendeten Wellenlängen. Somit ist es bei verschiedenen Implementierungen für ein bestimmtes System wünschenswert, Wellenlängenverhältnisse zu bestimmen / zu verwenden, die zu Signalen führen, welche auf eine solche Weise abgewickelt/decodiert werden können, dass ein großer Eindeutigkeitsbereich erzielt werden kann.
  • 3A-3C sind Diagramme, die bestimmte Betriebsprinzipien eines digitalen Holographie-Metrologiesystems 300 veranschaulichen, das dem digitalen Holographie-Metrologiesystem 200 aus 2 ähnlich ist. Der Einfachheit halber sind in 3A-3C nur bestimmte Teile des digitalen Holographie-Metrologiesystems 300 in Bezug auf die Beschreibung der relevanten Betriebsprinzipien dargestellt. Es versteht sich, dass bestimmte nummerierte Komponenten 3XX von 3A-3C den ähnlich nummerierten Gegenkomponenten 1XX von 1 oder 2XX von 2 entsprechen und, falls nicht anderweitig beschrieben, analog dazu verstanden werden können. Wie in 3A veranschaulicht, wird die Ausgabe einer heterodynen Lichtquelle 310 von einer interferometrischen optischen Anordnung 320 aufgenommen. Dementsprechend wird die Ausgabe der interferometrischen optischen Anordnung 320 von einer Sensoranordnung 330 aufgenommen.
  • Ähnlich zu den zuvor mit Bezug auf 2 beschriebenen Betriebsvorgängen kann die heterodyne Lichtquelle 330 eine Ausgabe liefern, die aus einem kollimierten Strahl mit mehreren Grundfrequenzen in einer Polarisation und allen frequenzverschobenen Komponenten in dem orthogonalen Polarisationszustand besteht (z. B. wie bereitgestellt als ein vollständig kombinierter kollimierter Strahl einschließlich eines ersten kombinierten Strahls, eines zweiten kombinierten Strahls, eines dritten kombinierten Strahls usw.). Beim Einfallen des ersten kombinierten Strahls auf einen Strahlteiler 321 (z. B. auf einen polarisierenden Strahlteiler) der interferometrischen optischen Anordnung 320 breitet sich der erste Signalstrahl mit der Frequenz f1 aus, um einen Abschnitt der Werkstückoberfläche 192 zu beleuchten, während der erste Referenzstrahl mit einer orthogonalen Polarisation und der Frequenz f1+Δf sich zu einer Referenzoberfläche 324 (z. B. einem Referenzspiegel) hin ausbreitet. Es versteht sich, dass die für den Signalstrahl und den Referenzstrahl in diesem Beispiel verwendeten Strahlen relativ zu den in dem zuvor mit Bezug auf 2 beschriebenen Beispiel verwendeten Strahlen umgeschaltet werden, für die beide Konfigurationen in verschiedenen Implementierungen verwendet werden können. Der erste reflektierte Signalstrahl und der erste reflektierte Referenzstrahl werden dann durch den Strahlteiler 321 kombiniert, wodurch ein erster reflektierter kombinierter Strahl ausgebildet wird, der sich in Richtung der Sensoranordnung 330 ausbreitet.
  • Beim Einfallen des zweiten kombinierten Strahls auf den Strahlteiler 321 breitet sich der zweite Signalstrahl mit der Frequenz f2 aus, um einen Abschnitt der Werkstückoberfläche 192 zu beleuchten, während der zweite Referenzstrahl mit einer orthogonalen Polarisation und der Frequenz f2+Δf sich zu der Referenzoberfläche 324 hin ausbreitet. Der zweite reflektierte Signalstrahl und der zweite reflektierte Referenzstrahl werden dann durch den Strahlteiler 321 kombiniert, wodurch ein zweiter reflektierter kombinierter Strahl ausgebildet wird, der sich in Richtung der Sensoranordnung 330 ausbreitet. Ein ähnlicher Vorgang findet beim Einfall des dritten kombinierten Strahls auf den Strahlteiler 321 usw. statt. In verschiedenen Implementierungen kann diese Art von Vorgang zum Messen eines Referenzpunkts RP auf der Werkstückoberfläche 192 durchgeführt werden (der z. B. als z = 0 oder als eine andere z-Höhe bezeichnet werden kann) und anschließend zum Messen anderer Oberflächenpunkte SP auf der Werkstückoberfläche, wie nachstehend mit Bezug auf 3B ausführlicher beschrieben wird.
  • Ähnlich wie bei den zuvor beschriebenen Vorgängen, kann die Gesamtausgabe der heterodynen Lichtquelle 310 ein kombinierter Gesamtstrahl sein (der z. B. den ersten, den zweiten und den dritten kombinierten Strahl umfassen kann, wie in einem Beispiel, wo gilt N = 3). Gemäß den zuvor beschriebenen Betriebsvorgängen breitet sich beim Einfallen des gesamten kombinierten Strahls von der heterodynen Lichtquelle 310 auf den Strahlteiler 321 der kombinierte Signalstrahl mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Signalstrahl mit den jeweiligen Frequenzen f1, f2 und f3 und einer vertikale Polarisation entlang einer Achse aus, um einen Abschnitt der Werkstückoberfläche 192 zu beleuchten (z. B. für die die Strahlkombination an der Werkstückoberfläche 192 als Σfi dargestellt werden kann, was in diesem Beispiel anzeigt, dass der kombinierte Signalstrahl die Signalstrahlen mit den Frequenzen f1, f2 und f3 enthält). Ebenfalls gemäß den zuvor beschriebenen Betriebsvorgängen breitet sich beim Einfallen des gesamten kombinierten Strahls von der heterodynen Lichtquelle 310 auf den Strahlteiler 321 der kombinierte Referenzstrahl mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Referenzstrahl mit den jeweiligen Frequenzen f1+Δf, f2+Δf und f3+Δf und einer horizontale Polarisation entlang einer Achse in Richtung der Referenzoberfläche 324 aus (z. B. für die die Strahlkombination an der Referenzoberfläche 324 als Σfi+Δf dargestellt werden kann, was in diesem Beispiel anzeigt, dass der kombinierte Referenzstrahl die Referenzstrahlen mit den Frequenzen f1+Δf, f2+Δf und f3+Δf enthält).
  • 3B veranschaulicht verschiedene Beispielsignale in Bezug auf die zuvor beschriebenen Vorgänge, einschließlich eines ersten Satzes von Beispielsignalen 380-1 und eines zweiten Satzes von Beispielsignalen 380-2. Der erste Satz von Beispielsignalen 380-1 enthält ein erstes Referenzstrahlsignal RB1 (z. B. mit einer Frequenz f1+Δf), ein erstes Signalstrahlsignal SB1 (z. B. mit einer Frequenz f1), ein erstes kombiniertes Strahlsignal CB1 (z. B. moduliert mit einer Schwebungsfrequenz Δf) und ein erstes kombiniertes phasenverschobenes Strahlsignal CBPS1 (z. B. moduliert mit einer Schwebungsfrequenz Δf mit einer zusätzlichen Phasenverschiebung, die aus einer Weglängendifferenz 2Δz resultiert). In verschiedenen Implementierungen kann das erste kombinierte Strahlsignal CB1 aus der Messung eines Referenzpunkts auf der Werkstückoberfläche resultieren (z. B. Referenzpunkt RP in 3A). Das erste kombinierte phasenverschobene Strahlsignal CBPS1 kann aus der nachfolgenden Messung eines anderen Oberflächenpunkts auf der Werkstückoberfläche resultieren (z. B. Oberflächenpunkt SP in 3A). Wie in 3B angegeben, entspricht eine Differenz zwischen den Signalen CB1 und BCPS1 einer ersten Phasenverschiebung φ1 = (f1)(2Δz)/c, wobei c der Lichtgeschwindigkeit entspricht.
  • Der zweite Satz von Beispielsignalen 380-2 enthält ein zweites Referenzstrahlsignal RB2 (z. B. mit einer Frequenz f2+Δf), ein zweites Signalstrahlsignal SB2 (z. B. mit einer Frequenz f2), ein zweites kombiniertes Strahlsignal CB2 (z. B. moduliert mit einer Schwebungsfrequenz Δf) und ein zweites kombiniertes phasenverschobenes Strahlsignal CBPS2 (z. B. moduliert mit einer Schwebungsfrequenz Δf mit einer zusätzlichen Phasenverschiebung, die aus der Weglängendifferenz 2Δz resultiert). In verschiedenen Implementierungen kann das zweite kombinierte Strahlsignal CB2 aus der Messung des Referenzpunkts auf der Werkstückoberfläche resultieren (z. B. Referenzpunkt RP in 3A). Das zweite kombinierte phasenverschobene Strahlsignal CBPS2 kann aus der nachfolgenden Messung eines Oberflächenpunkts auf der Werkstückoberfläche resultieren (z. B. Oberflächenpunkt SP in 3A). Wie in 3B angegeben, entspricht eine Differenz zwischen den Signalen CB2 und BCPS2 einer zweiten Phasenverschiebung φ2 = (f2)(2Δz)/c, wobei c der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Es versteht sich, dass ein ähnlicher Vorgang unter Verwendung eines dritten kombinierten Strahls zum Bestimmen einer dritten Phasenverschiebung φ3 usw. durchgeführt werden kann.
  • 3C veranschaulicht bestimmte Komponenten des digitalen Holographie-Metrologiesystems 300 in Bezug auf die Verarbeitung der in 3B angezeigten Phasenverschiebungen. Wie in 3C gezeigt, enthält die Sensoranordnung 330 die Sensoren TOF-1, TOF-2 und TOF-3, die jeweils ein entsprechendes Pixelarray 335-1, 335-2 und 335-3 enthalten. In jedem der Pixelarrays ist ein entsprechendes Pixel 336-1, 336-2 und 336-3 als zum Messen eines bestimmten Oberflächenpunkts auf der Werkstückoberfläche 192 (z. B. des Oberflächenpunkts SP, wie in 3A dargestellt) verwendet angegeben. In verschiedenen Implementierungen kann ein Verarbeitungsabschnitt 350 (z. B. an der Sensorelektronik 355) Daten (z. B. wie die zuvor beschriebenen) bezüglich der Phasenverschiebungen φ1, φ2, φ3 usw. aufnehmen. Der Verarbeitungsabschnitt 350 (z. B. unter Verwendung des Computers 358) kann dann eine Phasenabwicklung durchführen (z. B. um einen Wert für Δz basierend auf den Phasenverschiebungen φ1, φ2, φ3 usw. zu bestimmen). In verschiedenen Implementierungen entspricht das Bestimmen eines Werts für Δz dem Bestimmen eines Messabstands zum Oberflächenpunkt (z. B. Oberflächenpunkt SP) auf der Oberfläche 192 des Werkstücks 190. Ein vereinfachtes Beispiel zum Durchführen einer Phasenabwicklung (z. B. zum Bestimmen von Δz) unter Verwendung einer Nachschlagetabelle wird nachstehend mit Bezug auf 4 und 5 ausführlicher beschrieben.
  • 4 ist ein Diagramm einer Nachschlagetabelle 400, die zur Phasenabwicklung als Teil des Betriebs eines digitalen Holographie-Metrologiesystems verwendet wird. In dem Beispiel von 4 entspricht eine erste Spalte einem ersten Sensor TOF-1, der Signale aufnimmt, die einem Laserstrahl einer ersten Wellenlänge mit einer ersten Wellenlänge λ1 entsprechen (z. B. wobei gilt λ1 = 500 nm), wobei die erste Spalte Werte enthält, die verschiedenen möglichen Phasen φ1 entsprechen (z. B. für die die Phasen φ1, φ2, φ3 von 4 Phasenverschiebungen entsprechen können, wie zuvor mit Bezug auf 3A-3C beschrieben). In 4 entspricht eine zweite Spalte einem zweiten Sensor TOF-2, der Signale aufnimmt, die einem Laserstrahl einer zweiten Wellenlänge mit einer zweiten Wellenlänge λ2 (z.B. mit λ2 = 800 nm) entsprechen, für die die zweite Spalte verschiedenen möglichen Phasen φ2 entsprechende Werte enthält. Eine dritte Spalte entspricht einem dritten Sensor TOF-3, der Signale aufnimmt, die einem Laserstrahl einer dritten Wellenlänge mit einer dritten Wellenlänge λ3 (z.B. mit λ3 = 1000 nm) entsprechen, für die die dritte Spalte verschiedenen möglichen Phasen φ3 entsprechende Werte enthält. Als spezifisches Beispiel für die Verwendung der Nachschlagetabelle 400 können, wenn die Phasen φ1, φ2, φ3 Werte aufweisen, die 216 Grad, 90 Grad bzw. 288 Grad entsprechen, diese Werte als einer Oberflächenhöhe Δz für den gemessenen Oberflächenpunkt SP (z. B. relativ zu einer Höhe eines Bezugspunkts RP auf der Werkstückoberfläche, wie in 3A dargestellt) von Δz = 0,9 Mikrometer entsprechend angesehen werden. Die Werte in der vierten Spalte der Tabelle 400 erstrecken sich über einen Bereich von Oberflächenhöhe Δz = 0 bis Δz = 2,0 Mikrometer (für einen Gesamteindeutigkeitsbereich von 2,0 Mikrometer) in 0,1-Mikrometer-Schritten. Diese Beziehungen sind weiter in 5 dargestellt, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird.
  • 5 ist ein Diagramm, das bestimmte Werte aus der Nachschlagetabelle von 4 graphisch darstellt. 5 enthält drei Graphen 500A, 500B und 500C, wobei ein Zyklus von Phasenwerten auf der Y-Achse jedes Graphen angegeben ist und für die Werte relativ zu einer Oberflächenhöhenskala aufgetragen sind, die entlang einer X-Achse im oberen Teil des Graphen 500A enthalten ist (und für die Phasenwerte, die jeder angezeigten Oberflächenhöhe jeder 0,1-µm-Stufe entsprechen, auch auf einer unteren X-Achse jedes Graphen angezeigt sind). Wie in 5 gezeigt, veranschaulicht der Graph 500A die Werte für die erste Phase φ1, die dem Laserstrahl mit der ersten Wellenlänge λ1 entsprechen (d. h. wobei gilt λ1 = 500 nm), und für die gezeigt wird, dass die Werte 8 Perioden zyklisch durchlaufen. Der Graph 500B veranschaulicht die Werte für die zweite Phase φ2, die dem Laserstrahl mit der zweiten Wellenlänge λ2 entsprechen (d. h. wobei gilt λ2 = 800 nm), und für die gezeigt wird, dass die Werte 5 Perioden zyklisch durchlaufen. Der Graph 500C veranschaulicht die Werte für die dritte Phase φ3, die dem Laserstrahl mit der dritten Wellenlänge λ3 entsprechen (d. h. wobei gilt λ3 = 1000 nm), und für die gezeigt wird, dass die Werte 4 Perioden zyklisch durchlaufen.
  • Wie in 5 dargestellt, hängen die Δz-Werte der Oberflächenhöhe nicht nur von jedem Phasenwert ab, sondern auch von der Periode, in die jeder Phasenwert fällt. Beispielsweise ist für die Oberflächenhöhe Δz = 0,9 µm, wie zuvor erwähnt, die Phase φ1 = 216 Grad und fällt in die 4. Periode der entsprechenden Wellenform, die Phase φ2 = 90 Grad und fällt in die dritte Periode der entsprechende Wellenform, und die Phase φ3 = 288 Grad und fällt in die zweite Periode der entsprechenden Wellenform. Der Phasenabwicklungsvorgang bestimmt somit eine eindeutige Oberflächenhöhe Δz entsprechend der eindeutigen Kombination von Phasenwerten (d. h., die gemäß der grafischen Darstellung von 5 diejenigen Perioden angibt, in die jeder der Phasenwerte fällt).
  • In dem Beispiel von 4 und 5 sind die Wellenlängen λ1 = 500 nm, λ2 = 800 nm und λ3 = 1000 nm der Einfachheit halber gewählt, um die zuvor beschriebenen Betriebsprinzipien zu veranschaulichen, und sie führen in diesem Beispiel zu einem Eindeutigkeitsbereich von 2,0 µm. Gemäß den hierin offenbarten Prinzipien können andere Wellenlängenkombinationen ausgewählt und verwendet werden (die z. B. zu längeren Eindeutigkeitsbereichen führen können). Beispielsweise kann eine Kombination von Wellenlängen λ1 = 633 nm, λ2 = 687 nm und λ3 = 767 nm, die unter Verwendung bestimmter im Handel erhältlicher Laserlichtquellen erzielt werden kann, zu bestimmten Implementierungen in einem Eindeutigkeitsbereich von etwa 8,82 mm führen. In verschiedenen Implementierungen kann eine entsprechende Δz-Schrittgröße basierend darauf gewählt/verwendet werden, wie genau die Phasenmessung sein kann (z. B. in Bezug auf das Signal-Rausch-Verhältnis usw.).
  • In verschiedenen Implementierungen können verschiedene Typen von Phasenabwicklungsroutinen verwendet werden (z. B. zum Bestimmen des Werts der Oberflächenhöhe Δz basierend auf einer eindeutigen Kombination von Phasenwerten). Beispielsweise kann als Alternative oder zusätzlich zu einer Nachschlagetabelle, wie sie zuvor in Bezug auf die 4 und 5 beschrieben wurde, ein Maschinenlernvorgang für die Phasenabwicklung verwendet werden. Als Beispiel für eine solche Phasenabwicklung unter Verwendung von Maschinenlernen kann ein K-nächster-Nachbar(KNN)-Regressor mit Daten für das Maschinenlernen trainiert werden. Die Effektivität eines solchen Vorgangs wurde bestimmt, indem ein KNN-Regressor mit sauberen Daten ohne jegliches Rauschen trainiert und dann verwendet wurde, um die Phasenabwicklung zu demonstrieren, wie sie in Bezug auf relativ verrauschte Daten durchgeführt wird. Diese Tests haben bestätigt, dass diese Vorgänge (z. B. einschließlich der Verwendung von Maschinenlernen für die Phasenabwicklung, wie z. B. mit einem KNN-Modell) zu einem hohen Maß an Genauigkeit für die Bestimmung der Messungen führen.
  • Es versteht sich, dass ein digitales Holographie-Metrologiesystem wie das hierin offenbarte (z. B. mit heterodyner Erfassung unter Verwendung von Laufzeitkameras als Sensoren) verschiedene Vorteile gegenüber bestimmten früheren Metrologiesystemen aufweisen kann. Die verwendete heterodyne Detektion ermöglicht hohe Signal-Rausch-Abstände in der Holographie, die genutzt werden, um sowohl den Eindeutigkeitsbereich (NAR) als auch die Genauigkeit der durchgeführten Messungen zu erhöhen. Zusätzlich wird eine Phasenabwicklungsroutine verwendet, die nicht auf synthetische Wellenlängen angewiesen ist, um lange Eindeutigkeitsbereiche (z. B. absolute Messbereiche) zu ermöglichen. Es wird ein Wellenlängen-Multiplexing durchgeführt (z. B. wie es durch die Verwendung von dichroitischen Elementen ermöglicht werden kann, die im Handel zu relativ geringen Kosten erhältlich sein können und die verwendet werden können, um die Signalstrahlen mit den einzelnen Wellenlängen zu trennen). Wellenlängen-Multiplexing kann verwendet werden, um alle Phasen für alle Wellenlängen relativ simultan innerhalb eines Tiefenrahmens unter Verwendung mehrerer TOF-Kameras für eine erhöhte Umgebungsrobustheit zu erfassen.
  • Eine solche schnelle Erfassung der Messdaten trägt dazu bei, sicherzustellen, dass es zwischen dem Werkstück und dem System nur minimale oder keine Bewegung gibt, während die Messdaten erfasst werden (z. B. im Gegensatz zu früheren Systemen, bei denen Bilder und/oder Daten einzeln oder anderweitig nacheinander erfasst worden sind, wodurch mehr Zeit in Anspruch genommen wird und es möglicherweise ermöglicht wird, dass sich das Werkstück relativ zum System bewegt, beispielsweise aufgrund von Vibrationen, zufälliger Bewegung, normalem Fortschreiten eines Werkstücks entlang eines Förderbands usw.). Die Rechenarbeitslast wird im Vergleich zu früheren Systemen verringert, indem Phasen direkt gemessen werden, für die eine Phasenwiedergewinnungsroutine nicht erforderlich ist. Konfigurationen, wie sie hierin offenbart sind, können in einigen Implementierungen drei verschiedene Wellenlängen verwenden, um eine ähnliche Leistung wie existierende Mehrwellenlängensysteme zu erreichen, die sechs verschiedene Wellenlängen verwenden, was zu geringeren Kosten für eine ähnliche Leistung führen kann. In verschiedenen Implementierungen können Konfigurationen wie die hierin offenbarten für Anwendungen wie etwa Hochdurchsatz-Inline-Metrologie-Abtastung/Messung usw. verwendet werden.
  • 6A und 6B sind Diagramme, die verschiedene Betriebsmodi eines digitalen Holographie-Metrologiesystems 600 wie dem hierin offenbarten veranschaulichen. Das digitale Holographie-Metrologiesystem 600 ist den digitalen Holographie-Metrologiesystemen 200 und 300 von 2 und 3A-3C ähnlich, außer falls nachfolgend anders beschrieben. Der Einfachheit halber sind in 6A und 6B nur bestimmte Teile des digitalen Holographie-Metrologiesystems 600 in Bezug auf die Beschreibung der relevanten Betriebsprinzipien der verschiedenen Modi dargestellt. Wie in 6A und 6B veranschaulicht, beinhaltet das digitale Holographie-Metrologiesystem 600 eine heterodyne Lichtquelle 610, eine interferometrische optische Anordnung 620, eine Sensoranordnung 630, einen Zeitgeber 640 und einen Verarbeitungsabschnitt 650. Die heterodyne Lichtquelle 610 enthält eine Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle 611 und einen akusto-optischen Modulator (AOM) 612 (z. B. für den ähnliche Komponenten wie in der heterodynen Lichtquelle 210 von 2 enthalten beschrieben sind). Ein Unterschied zu dem digitalen Holographie-Metrologiesystem 200 von 2 besteht darin, dass das digitale Holographie-Metrologiesystem 600 einen Schalter 619 (z. B. in der Überlagerungslichtquelle 610 enthalten oder anderweitig) zum Umschalten zwischen den verschiedenen Modi enthält, wie nachfolgend näher beschrieben.
  • 6A stellt das digitale Holographie-Metrologiesystem 600 dar, das in einem Modus 601A mit amplitudenmodulierter Dauerwelle (AMCW) betrieben wird, während 6B das digitale Holographie-Metrologiesystem 600 darstellt, das in einem digitalen Holographiemodus 601 B betrieben wird (z. B. für den der Schalter 619 als Teil des Umschaltens zwischen den Modi verwendet wird). Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, kann der AMCW-Modus 601A dadurch gekennzeichnet sein, dass er eine Messung mit relativ grobem Maßstab bereitstellt (z. B. unter Verwendung eines oder mehrerer der Sensoren TOF, um bestimmte Laufzeitmessvorgängen durchzuführen), während der digitale Holographiemodus 601 B (der z. B. wie zuvor in Bezug auf die 2 und 3A-3C beschrieben betrieben werden kann) dadurch gekennzeichnet sein kann, dass er eine Messung mit relativ feinem Maßstab bereitstellt, für die die Messungen der beiden Modi kombiniert werden können, um Messungen mit hoher Genauigkeit über einen relativ großen Eindeutigkeitsbereich bereitzustellen.
  • Wie in 6A dargestellt, koppelt der Schalter 619 für den AMCW-Modus 601A den Zeitgeber 640 (der z. B. ein Taktsignal bereitstellt) mit der Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle 611 (z. B. gekoppelt mit einer Stromquelle der Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle 611), um die Intensität des Lichts zu modulieren. Der akusto-optische Modulator 612 nimmt das Taktsignal von dem Zeitgeber 640 nicht auf und bleibt in verschiedenen Implementierungen ausgeschaltet. Licht von der Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle 611 geht somit durch den akusto-optischen Modulator 612 (z. B. als Licht nullter Ordnung). Es versteht sich, dass gemäß den Betriebsvorgängen in diesem Beispiel keine Referenzstrahlen von einem Strahlteiler 621 zu einem Referenzspiegel 624 gelenkt werden. Stattdessen tritt das Licht nullter Ordnung, das durch den akusto-optischen Modulator 612 tritt, durch den Strahlteiler 621 und beleuchtet die Oberfläche 192 des Werkstücks 190, das gemäß dem reflektierten Licht durch die optische Anordnung 620 (z. B. in Richtung der Sensoranordnung 630, wie vom Strahlteiler 621 angewiesen) abgebildet wird. Einer oder mehrere der Sensoren TOF (z. B. siehe 2) der Sensoranordnung 630 messen Abstände/Oberflächenhöhen der Oberflächenpunkte auf der Werkstückoberfläche 192 über Homodyndetektion. In Übereinstimmung mit diesen Betriebsvorgängen von einem oder mehreren der Sensoren TOF kann ein relativ grober Messbereich erreicht werden (z. B. einschließlich eines Eindeutigkeitsbereichs von ungefähr 1,5 Metern in einer spezifischen Beispielimplementierung mit einem potenziellen Abstandsfehler von ungefähr 0,5 % bei Abständen, die etwa 7,5 mm entsprechen).
  • Diese Betriebsvorgänge des AMCW-Modus 601A stellen somit effektiv eine Grobskalenmessung bereit, für die der digitale Holographiemodus 601 B von 6B verwendet werden kann, um eine Feinskalenmessung bereitzustellen, die einen potenziellen Entfernungsfehler der Grobskalenmessung von 6A auflösen kann. wie etwa mit einem Eindeutigkeitsbereich, der größer ist als der potentielle Abstandsfehler (in diesem Beispiel z. B. ein Eindeutigkeitsbereich größer als 7,5 mm). Für den digitalen Holographiemodus 601 B koppelt der Schalter 619 den Zeitgeber 640 mit dem akusto-optischen Modulator 612, der eingeschaltet ist und für den das digitale Holographie-Metrologiesystem 600 wie zuvor mit Bezug auf die 2 und 3A-3C beschrieben wirkt. In verschiedenen Implementierungen kann das digitale Holographie-Metrologiesystem 600 zwischen den Modi 601A und 601 B Frame für Frame wechseln, um die gewünschten Messungen zu erreichen.
  • Wie zuvor angemerkt, führt in einer spezifischen beispielhaften Implementierung der Konfiguration von 2 (d. h. für die die Konfiguration von 6B ähnlich wirkt) die Nutzung einer Kombination von Wellenlängen λ1 = 633 nm, λ2 = 687 nm und λ3 = 767 nm, die unter Verwendung bestimmter im Handel erhältlicher Laserlichtquellen erzielt werden kann, zu bestimmten Implementierungen in einem Eindeutigkeitsbereich von etwa 8,82 mm. Es wird festgestellt, dass dies größer ist als der potenzielle Fehler von 7,5 mm der Grobskalenmessung im obigen Beispiel für den AMCW-Modus 601A. Die Messungen der zwei Modi in diesen Beispielen können somit kombiniert werden, um einen Gesamteindeutigkeitsbereich von ungefähr 1,5 Metern mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich zu erreichen. Es versteht sich, dass die Verwendung der beiden Modi 601A und 601B es ermöglicht, den gesamten Eindeutigkeitsbereich (z. B. auf 1,5 Meter) zu erweitern, ohne dass zusätzliche Laserlichtquellen hinzugefügt werden müssen. In einem spezifischen Beispiel könnten zum Erzielen einer ähnlichen Erhöhung des Eindeutigkeitsbereichs unter Verwendung nur eines digitalen Holographiemodus, wie etwa Modus 601 B, zusätzliche Laserlichtquellen erforderlich sein (z. B. wie das Hinzufügen von drei zusätzlichen Laserlichtquellen, wie z. B. für insgesamt sechs Laserlichtquellen für die Wellenlängen λ1, λ2, λ3, λ4, λ5 und λ6). Im Vergleich zu einer solchen alternativen Konfiguration kann die Verwendung der beiden Modi 601A und 601 B, wie in 6A und 6B dargestellt, zu einem weniger komplexen und kostengünstigeren System führen (z. B. als Verwendung und Implementierung von Messungen von nur drei Laserlichtquellen/Wellenlängen λ1, λ2, λ3 statt sechs usw.).
  • In verschiedenen Implementierungen können unterschiedliche Techniken zum Kombinieren der Messungen des AMCW-Modus 601A und des digitalen Holographiemodus 601 B verwendet werden. Wie zuvor angemerkt, stellt der AMCW-Modus 601A in verschiedenen Implementierungen Oberflächenhöhendaten in einem gröberen Maßstab bereit und kann in einigen Fällen hauptsächlich dazu verwendet werden, die Mehrdeutigkeiten beim Abwickeln über den ursprünglichen holographischen Bereich hinaus aufzulösen. In einer spezifischen Beispielimplementierung ist α = der Eindeutigkeitsbereich der Messungen im digitalen Holographiemodus 601B, während z_AMCW = die Oberflächenhöhenmessung des AMCW-Modus 601A ist, und z_Holo = die Holographie-z-Höhenmessung des digitalen Holographiemodus 601B ist. Ein Term I = floor(z_AMCW/α) liefert das ganzzahlige Vielfache des digitalen Holographie-Eindeutigkeitsbereichs des digitalen Holographiemodus 601B (z. B. für den es wünschenswert ist, dass die gemessene Höhe innerhalb des Eindeutigkeitsbereichs des AMCW-Modus 601A liegt). Wie zuvor angemerkt, kann in einer spezifischen beispielhaften Implementierung eine Modulationsfrequenz von 100 MHz einem AMCW-Eindeutigkeitsbereich von 1,5 Metern entsprechen, für den der Eindeutigkeitsbereich der digitalen Holographie größer sein kann als der potenzielle Abstandsfehler (in diesem Beispiel z. B. ein Eindeutigkeitsbereich größer als 7,5 mm). Die endgültige z-Höhe kann bestimmt werden über Δz=I·α+z_Holo. Gemäß dieser Gleichung stellt in einem Beispiel zum Bestimmen eines kombinierten Messabstands zu einem ersten Oberflächenpunkt auf einem Werkstück ein Messabstand des ersten AMCW-Modus ein ganzzahliges Vielfaches des digitalen Holographie-Eindeutigkeitsbereichs bereit, wozu das ganzzahlige Vielfache mit einem ersten digitalen Holographiemodus-Messabstand kombiniert wird, um den kombinierten Messabstand zu dem ersten Oberflächenpunkt auf dem Werkstück zu bestimmen.
  • 7-11 veranschaulichen verschiedene Implementierungen einer heterodynen Lichtquelle (die z. B. als die heterodyne Lichtquelle 110 von 1 und/oder als die heterodyne Lichtquelle 210 von 2 usw. verwendet werden kann). In verschiedenen Implementierungen kann jede der Konfigurationen von 7-10 als eine optische Inline-Anordnung zum gemeinsamen Ausbreiten und Kreuzpolarisieren von Strahlen (z. B. von einem akusto-optischen Modulator für heterodyne Interferometrie usw.) gekennzeichnet sein. Genauer gesagt kann jede dieser Implementierungen als optische Inline-Anordnung zum Zweck des Kombinierens orthogonal polarisierter Ausgabestrahlen (z. B. von einem akusto-optischen Modulator) zu einem einzigen Strahl gekennzeichnet sein, der als Ausgabe der heterodynen Lichtquelle verwendet wird. In den hierin offenbarten optischen Inline-Anordnungen laufen die orthogonal polarisierten Strahlen jeweils durch denselben Satz von Komponenten einer optischen Quellenanordnung, wobei ein doppelbrechender optischer Elementabschnitt (d. h. ein doppelbrechendes optisches Element enthaltend) die orthogonal polarisierten Ausgangsstrahlen als Teil eines einzelnen kombinierten Strahls in einen einzelnen Strahlengang kombiniert.
  • Es versteht sich, dass die nachfolgend beschriebenen Implementierungen Vorteile gegenüber bestimmten alternativen Implementierungen haben können. Beispielsweise kann in einer alternativen Implementierung eine Lichtleiterkopplung verwendet werden (z. B. wobei die Ausgabe des akusto-optischen Modulators durch eine Linse in eine optische Faser fokussiert werden kann, wie etwa in eine polarisationserhaltende optische Faser). Eine solche Konfiguration kann jedoch hohe Kopplungsverluste aufweisen aufgrund einer Kombination aus: einem Strahlversatz in einer Brennebene, der eine Begrenzung verursacht; Fehlanpassung von Strahlgröße/Modusfelddurchmesser; und/oder einer begrenzten numerischen Apertur (NA) am Lichtleitereingang. In einer anderen alternativen Implementierung können zwei polarisierende Strahlteiler und Reflektoren verwendet werden, wozu ein erster Strahl von dem akusto-optischen Modulator durch den ersten Strahlteiler nach oben gelenkt werden kann, um durch den ersten Reflektor zu dem zweiten Reflektor reflektiert zu werden, welcher den ersten Strahl zurück nach unten zum zweiten Strahlteiler reflektiert, der den ersten Strahl nach vorn leitet, und wozu ein zweiter Strahl von dem akusto-optischen Modulator direkt durch den ersten und den zweiten Strahlteiler verläuft, um sich gemeinsam mit dem ersten Strahl aus der Konfiguration heraus auszubreiten. Eine solche Konfiguration kann jedoch aufgrund ungleicher Weglängen (d. h. des ersten und des zweiten Strahls) sowie aufgrund des Fehlens eines gemeinsamen Strahlwegs (d. h. des Verlaufs durch verschiedene optische Komponenten) fehlangepasste Strahlparameter aufweisen, was zu mangelnder Robustheit führen kann. Es versteht sich, dass die nachfolgend in Bezug auf 7-11 beschriebenen Implementierungen bestimmte Vorteile gegenüber solchen Konfigurationen aufweisen.
  • 7 ist ein Diagramm einer heterodynen Lichtquelle 710 mit einer Laserlichtquelle 711, einem akusto-optischen Modulator 712, einem Treiber 713 und einer optischen Quellenanordnung 718 (d. h. die einen optischen Aufnahmeelementabschnitt 714p und einen doppelbrechenden optischen Elementabschnitt 715p enthält). Der optische Aufnahmeelementabschnitt 714p beinhaltet ein Abbildungssystem mit einer einzelnen Abbildungslinse 714. Der doppelbrechende optische Elementabschnitt 715p enthält ein Wollaston-Prisma 715.
  • Im Betrieb kann ein Zeitgeber (z. B. Zeitgeber 140, Zeitgeber 240 usw.) ein Zeitsteuerungssignal (z. B. ein Takt-/Referenzsignal) an den Treiber 713 liefern. Der akusto-optische Modulator 712 wird dann durch den Treiber 713 mit der Modulationsfrequenz Δω angesteuert. Die Laserlichtquelle 711 kann einen Laserstrahl einer ersten Wellenlänge mit einer ersten Frequenz ω1 (d. h. mit einer entsprechenden ersten Wellenlänge) bereitstellen. Der akusto-optische Modulator 712 (z. B. ein Scherwellen-AOM) nimmt den eingegebenen Laserstrahl der ersten Wellenlänge auf und erzeugt/generiert einen entsprechenden ersten frequenzverschobenen Laserstrahl mit einer Frequenz ω1+Δω, der relativ zum eingehenden Laserstrahl der ersten Wellenlänge orthogonal polarisiert ist. Eine Objektebene im akusto-optischen Modulator 712 wird in das Wollaston-Prisma 715 durch die Abbildungslinse 714 mit einer Vergrößerung M abgebildet, die sowohl auf den Trennwinkel α des akusto-optischen Modulators 712 als auch auf den Trennwinkel β des Wollaston-Prismas 715 abgestimmt ist, wobei gilt M = tan(α)/tan(β). Gemäß den Betriebseigenschaften des Wollaston-Prismas 715 ist die Ausgabe ein erster kombinierter Strahl, der den kombinierten Laserstrahl der ersten Wellenlänge mit der ersten Frequenz ω1 und den orthogonal polarisierten ersten frequenzverschobenen Laserstrahl mit der Frequenz ω1+Δω enthält.
  • Die Komponenten der heterodynen Lichtquelle 710 (z. B. einschließlich der Abbildungslinse 714 und des Wollaston-Prismas 715) können somit als eine optische Inline-Anordnung zum gemeinsamen Ausbreiten und Kreuzpolarisieren von Strahlen gekennzeichnet sein. Genauer gesagt können die Komponenten als optische Inline-Anordnung zum Zweck des Kombinierens orthogonal polarisierter Ausgangsstrahlen zu einem einzelnen Strahl gekennzeichnet sein, der von der heterodynen Lichtquelle ausgegeben wird. Wie in 7 angegeben, kann die Ausgabe der heterodynen Lichtquelle 710 an eine optische Messanordnung MOA (z. B. optische Messanordnung 120, 220 usw.) geliefert / von dieser aufgenommen werden, wie zum Beispiel zur Verwendung für Messvorgänge (z. B. zum Bestimmen mindestens eines Messabstands zu mindestens einem Oberflächenpunkt auf einem Werkstück basierend auf einem Messverfahren, das den ersten kombinierten Strahl verwendet).
  • 8 ist ein Diagramm einer heterodynen Lichtquelle 810 mit einer Laserlichtquelle 811, einem akusto-optischen Modulator 812, einem Treiber 813 und einer optischen Quellenanordnung 818 (d. h. die einen optischen Aufnahmeelementabschnitt 814p und einen doppelbrechenden optischen Elementabschnitt 815p enthält). Der optische Aufnahmeelementabschnitt 814p beinhaltet ein Abbildungssystem mit zwei Abbildungslinsen 814A und 814B. Der doppelbrechende optische Elementabschnitt 815p enthält ein Wollaston-Prisma 815. Für die heterodyne Lichtquelle 810 sowie die heterodynen Lichtquellen 910, 1010 und 1110 von 9, 10 und 11 wird angenommen, dass sie ähnlich wie die heterodyne Lichtquelle 710 der 7 wirken, außer falls nachfolgend anderweitig beschrieben. In Bezug auf die heterodyne Lichtquelle 710 von 7, die ein Abbildungssystem mit einer einzelnen Abbildungslinse 714 aufweist, besteht ein Hauptunterschied der heterodynen Lichtquelle 810 von 8 darin, dass das Abbildungssystem mit mehreren Linsen 814A und 814B enthalten ist, was bestimmte wünschenswerte Betriebscharakteristiken für einige Anwendungen bereitstellen kann, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
  • Bei Implementierungen, bei denen die Laserlichtquelle 811 eine Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle sein kann, kann der Beugungswinkel α des akusto-optischen Modulators 812 wellenlängenabhängig sein, wozu in einer Konfiguration wie der von 7 die Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen in manchen Implementierungen sich daher nicht gemeinsam ausbreiten (was z. B. später in der Konfiguration zu einer Strahlbegrenzung führen kann usw.). Um solche Probleme anzugehen, kann das Abbildungssystem (d. h. einschließlich der Linsen 814A und 814B) als ein chromatisches Abbildungssystem konfiguriert sein, für das die Vergrößerung wellenlängenabhängig sein kann und an den Beugungswinkel α (d. h. für jede Wellenlänge) des akusto-optischen Modulators 812 angepasst werden kann (z. B. so dass sich die Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen gemeinsam ausbreiten und/oder später in der Konfiguration keine Strahlbegrenzung erfahren usw.). Genauer gesagt wird gemäß dieser Konfiguration die Objektebene in dem akusto-optischen Modulator 812 durch das chromatische Abbildungssystem (d. h. einschließlich der Abbildungslinsen 814A und 814B) in das Wollaston-Prisma 815 mit einer Vergrößerung M abgebildet, die je nach Wellenlänge variiert und wird sowohl an den Trennwinkel α(ω) des akusto-optischen Modulators 812 als auch an den Trennwinkel β(ω) des Wollaston-Prismas 815 je nach Wellenlänge angepasst, wobei gilt M = tan(α(ω))/tan(β(ω)).
  • 9 ist ein Diagramm einer heterodynen Lichtquelle 910 mit einer Laserlichtquelle 911, einem akusto-optischen Modulator 912, einem Treiber 913 und einer optischen Quellenanordnung 918 (d. h. die einen optischen Aufnahmeelementabschnitt 914p und einen doppelbrechenden optischen Elementabschnitt 915p enthält). Der optische Aufnahmeelementabschnitt 914p beinhaltet eine Aufnahmelinse 914. Der doppelbrechende optische Elementabschnitt 915p beinhaltet einen doppelbrechenden Strahlversetzer 915.
  • Ähnlich wie bei den zuvor mit Bezug auf 7 beschriebenen Betriebsvorgängen nimmt der akusto-optische Modulator 912 (z. B. ein Scherwellen-AOM) einen eingegebenen Laserstrahl der ersten Wellenlänge auf und erzeugt/generiert einen entsprechenden ersten frequenzverschobenen Laserstrahl, der relativ zum eingehenden Laserstrahl der ersten Wellenlänge orthogonal polarisiert ist. Die Eingangslinse 914 wird (z. B. bei einer Brennweite f) in den akusto-optischen Modulator 912 fokussiert und bildet nach unendlich ab (d. h. wozu die einzelnen Strahlen kollimiert werden). Gemäß den Betriebseigenschaften des doppelbrechenden Strahlversetzers 915 geht der Laserstrahl der ersten Wellenlänge hindurch, während der erste frequenzverschobene Laserstrahl (d. h. der orthogonal polarisiert ist) effektiv verschoben wird, um mit dem Laserstrahl der ersten Wellenlänge ausgegeben zu werden. Die Ausgabe des doppelbrechenden Strahlversetzers 915 ist somit ein erster kombinierter Strahl, der den kombinierten Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den orthogonal polarisierten ersten frequenzverschobenen Laserstrahl enthält.
  • Die Komponenten der heterodynen Lichtquelle 910 (z. B. einschließlich der Abbildungslinse 914 und des doppelbrechenden Strahlversetzers 915) können somit als eine optische Inline-Anordnung zum gemeinsamen Ausbreiten und Kreuzpolarisieren von Strahlen gekennzeichnet sein. Genauer gesagt können die Komponenten als optische Inline-Anordnung zum Zweck des Kombinierens orthogonal polarisierter Ausgangsstrahlen zu einem einzelnen Strahl gekennzeichnet sein, der von der heterodynen Lichtquelle ausgegeben wird. Wie in 9 angegeben, kann die Ausgabe der heterodynen Lichtquelle 910 an eine optische Messanordnung MOA (z. B. optische Messanordnung 120, 220 usw.) geliefert / von dieser aufgenommen werden, wie zum Beispiel zur Verwendung für Messvorgänge (z. B. zum Bestimmen mindestens eines Messabstands zu mindestens einem Oberflächenpunkt auf einem Werkstück basierend auf einem Messverfahren, das den ersten kombinierten Strahl verwendet).
  • 10 ist ein Diagramm einer heterodynen Lichtquelle 1010 mit einer Laserlichtquelle 1011, einem akusto-optischen Modulator 1012, einem Treiber 1013 und einer optischen Quellenanordnung 1018 (d. h. die einen optischen Aufnahmeelementabschnitt 1014p und einen doppelbrechenden optischen Elementabschnitt 1015p enthält). Der optische Aufnahmeelementabschnitt 1014p beinhaltet ein Aufnahmeprisma 1014. Der doppelbrechende optische Elementabschnitt 1015p beinhaltet einen doppelbrechenden Strahlversetzer 1015. Für die heterodyne Lichtquelle 1010 wird angenommen, dass sie ähnlich wie die heterodyne Lichtquelle 910 der 9 wirken, außer falls nachfolgend anderweitig beschrieben. In Bezug auf die heterodyne Lichtquelle 910 von 9, die eine Aufnahmelinse 914 aufweist, ist ein Hauptunterschied der heterodynen Lichtquelle 1010 von 10 der alternative Einschluss eines Aufnahmeprismas 1014, für das die Strahlen entsprechend ohne Abbildung kombiniert werden können. In verschiedenen Implementierungen kann für das Aufnahmeprisma 1014 der Prismenspitzenwinkel (z. B., sowie in einigen Implementierungen die Anzahl der Scheitelpunkte) an den Trennungswinkel des akusto-optischen Modulators 1012 und des/der Laserstrahl(en) der Eingangswellenlänge angepasst werden.
  • Wie zuvor angemerkt, haben die Implementierungen von 7-10 bestimmte ähnliche Betriebseigenschaften. In jeder Konfiguration nimmt eine optische Quellenanordnung (z. B. die optische Quellenanordnung 718, 818, 918 oder 1018) mindestens einen Laserstrahl einer ersten Wellenlänge und einen ersten frequenzverschobenen Laserstrahl von dem akusto-optischen Modulator auf und kombiniert diese und gibt einen entsprechenden ersten kombinierten Strahl aus. In jeder Konfiguration umfasst die optische Quellenanordnung einen optischen Aufnahmeelementabschnitt (z. B. einschließlich mindestens eines optischen Aufnahmeelements, wie etwa die jeweiligen Linsen 714, 814A und 814B, 914 und das Prisma 1014) und einen doppelbrechenden optischen Elementabschnitt (z. B. einschließlich mindestens eines doppelbrechenden optischen Elements, wie z. B. der jeweiligen Wollaston-Prismen 715 und 815 und der jeweiligen doppelbrechenden Strahlversetzer 915 und 1015). Es versteht sich, dass in anderen Implementierungen alternative doppelbrechende optische Elemente verwendet werden können (z. B. ein Rochon-Prisma usw.). In jeder Konfiguration ist der optische Aufnahmeelementabschnitt so konfiguriert, dass er den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen entlang eines optischen Pfads in Richtung des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts leitet. Der doppelbrechende optische Elementabschnitt ist so konfiguriert, dass er den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen kombiniert, um den entsprechenden ersten kombinierten Strahl auszugeben.
  • Es versteht sich, dass das doppelbrechende optische Element jeder der Konfigurationen von 7-10 (z. B. einschließlich der jeweiligen Wollaston-Prismen 715 und 815 und der jeweiligen doppelbrechenden Strahlversetzer 915 und 1015) in verschiedenen Implementierungen jeweils als eines gekennzeichnet sein kann, das in einer umgekehrten/rückwärtigen Ausrichtung relativ zu bestimmten anderen Verwendungen dieser Komponenten verwendet wird. Genauer gesagt, diese doppelbrechenden optischen Elemente werden typischerweise verwendet, um einen Strahl und/oder sich gemeinsam ausbreitende Strahlen entlang eines optischen Wegs auf einer Seite aufzunehmen und dann die als Ausgaben bereitzustellenden Strahlen zu teilen. Im Gegensatz zu solchen früheren Verwendungen werden gemäß den Konfigurationen von 7-10 die jeweiligen doppelbrechenden optischen Elemente jeweils verwendet, um die unterschiedlichen Strahlen aufzunehmen und dann die Strahlen zu kombinieren, die als Teile eines einzigen kombinierten Strahls (z. B. einschließlich der sich gemeinsam ausbreitenden Strahlen) auszugeben sind. Wie zuvor angemerkt, sind die Implementierungen von 7-10 somit jeweils als optische Inline-Anordnung dazu konfiguriert, orthogonal polarisierte Ausgangsstrahlen zu einem einzelnen Strahl zu kombinieren, der von der heterodynen Lichtquelle ausgegeben wird. Wie in 7-10 angegeben, kann die Ausgabe jeder heterodynen Lichtquelle an eine optische Messanordnung MOA (z. B. optische Messanordnung 120, 220 usw.) geliefert / von dieser aufgenommen werden, wie zum Beispiel zur Verwendung für Messvorgänge (z. B. zum Bestimmen mindestens eines Messabstands zu mindestens einem Oberflächenpunkt auf einem Werkstück basierend auf einem Messverfahren, das den kombinierten Strahl verwendet).
  • 11 ist ein Diagramm einer heterodynen Lichtquelle 1110 mit einer Laserlichtquelle 1111, einem akusto-optischen Modulator 1112, einem Treiber 1113 und einer optischen Quellenanordnung 1118 (d. h. die eine räumliche Filterkonfiguration 1116 und eine Kollimationslinse 1117 enthält). In verschiedenen Implementierungen kann die Laserlichtquelle 1111 eine Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle sein (z. B. Laserstrahlen erster, zweiter, dritter usw. Wellenlänge bereitstellen), und der akusto-optische Modulator 1112 kann entsprechend kombinierte Strahlen erzeugen, wie hierin beschrieben. In verschiedenen Implementierungen können die kombinierten Strahlen (z. B. einschließlich des ersten, zweiten, dritten usw. kombinierten Strahls) von dem akusto-optischen Modulator 1112 durch die räumliche Filterkonfiguration 1116 und die Kollimationslinse 1117 auf einem Weg zu einer optischen Messanordnung MOA verlaufen. Gemäß Prinzipien der Impulserhaltung können verschiedene Wellenlängen durch den Betrieb des akusto-optischen Modulators 1112 in verschiedenen Winkeln gebeugt werden. In einer Implementierung kann die räumliche Filterkonfiguration 1116 eine Mikroskopobjektivlinse 1116A und ein Lochfilterelement 1116B enthalten, für die die kombinierten Strahlen von dem akusto-optischen Modulator 1112 durch die Objektivlinse 1116A auf das Lochfilterelement 1116B abgebildet werden können (z. B. eine 10-µm-Lochblende umfassend), sodass sich gebeugte und ungebeugte Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen überlappen, und das aus dem Lochfilterelement 1116B austretende Licht effektiv eine Punktquelle zum Bereitstellen der Strahlen für die Kollimationslinse 1117 ist (z. B. mit einem nutzbaren Überlappungsbereich UA, wie in 11 angegeben). Nachdem die kombinierten Strahlen (z. B. einschließlich des ersten, zweiten, dritten usw. kombinierten Strahls) die räumliche Filterkonfiguration 1116 durchlaufen haben, wirkt die Kollimationslinse 1117, um die kombinierten Strahlen zu kollimieren.
  • Im Allgemeinen kann eine Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle in verschiedenen Konfigurationen der Implementierungen von 7-11 verwendet werden (z. B. insbesondere wie zuvor in Bezug auf die 8 und 11 beschrieben, obwohl sie auch in anderen der Konfigurationen verwendet werden kann). Die folgende Beschreibung der Betriebsvorgänge einer Multiwellenlängen-Laserlichtquelle wird in Bezug auf die Multiwellenlängen-Laserlichtquelle 1111 von 11 bereitgestellt, obwohl zu erkennen ist, dass diese Beschreibung auch für jede der Konfigurationen von 7-10 gelten kann, wenn entsprechend eine Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle eingesetzt wird. In einer beispielhaften Implementierung kann die Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle 1111 einen Laserstrahl einer ersten Wellenlänge mit einer ersten Frequenz ω1 (d. h. mit einer entsprechenden ersten Wellenlänge) bereitstellen, für den der akusto-optische Modulator 1112 den Laserstrahl der ersten Wellenlänge aufnimmt und einen entsprechenden ersten frequenzverschobenen Laserstrahl mit der Frequenz ω1+Δω erzeugt. In ähnlicher Weise kann die Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle 1111 einen Laserstrahl einer zweiten Wellenlänge mit einer zweiten Frequenz ω2 (d. h. mit einer entsprechenden zweiten Wellenlänge) bereitstellen, für den der akusto-optische Modulator 1112 den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge aufnimmt und einen entsprechenden zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl mit der Frequenz ω2+Δω erzeugt. In ähnlicher Weise kann die Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle 1111 einen Laserstrahl einer dritten Wellenlänge mit einer dritten Frequenz ω3 (d. h. mit einer entsprechenden dritten Wellenlänge) bereitstellen, für den der akusto-optische Modulator 1112 den Laserstrahl der dritten Wellenlänge aufnimmt und einen entsprechenden dritten frequenzverschobenen Laserstrahl mit der Frequenz ω3+Δω erzeugt. In verschiedenen Implementierungen kann die Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle 1111 Laserstrahlen mit zusätzlichen oder weniger Wellenlängen bereitstellen (z. B. wobei der akusto-optische Modulator 1112 entsprechende zusätzliche oder weniger frequenzverschobene Laserstrahlen erzeugt). Allgemein ist für den Betrieb des akusto-optischen Modulators 1112 ersichtlich, dass die Phasenverschiebung Δω auf der akustischen Welle eine optische Phasenverschiebung auf allen Strahlen unabhängig von der Wellenlänge um den gleichen Betrag Δω erzeugt. Für diese Betriebsvorgänge kann es in verschiedenen Implementierungen wünschenswert sein, dass der Treiber 1113 ein phasengekoppelter Hochfrequenz(HF)-Treiber ist.
  • Wie zuvor erwähnt, ist ein Zeitgeber mit dem Treiber 1113 des akusto-optischen Modulators 1112 gekoppelt, um das Referenztaktsignal bereitzustellen, auf dessen Grundlage die Modulationsfrequenz Δω in dem Treiber 1113 erzeugt wird. Bei einer Implementierung wird das Taktsignal mit der Modulationsfrequenz Δω bereitgestellt (z. B. in einem Bereich von 40-100 MHz). Das verteilte Taktsignal kann äquivalent zu der Frequenz der akustischen Welle in dem akusto-optischen Modulator 1112 und äquivalent zu der Frequenzverschiebung Δω des optischen Strahls (z. B. Photonenfrequenz plus ein akustisches Phonon) sein. In verschiedenen alternativen Implementierungen kann das verteilte Taktsignal jede andere Frequenz sein und wird dann mit zusätzlichen elektronischen Komponenten auf die gewünschte Zielfrequenz multipliziert/dividiert.
  • In diesem Beispiel wird jeder frequenzverschobene Laserstrahl durch akusto-optische Modulation eines Laserstrahls entsprechender Wellenlänge erhalten. Zu bestimmten Vorteilen dieser Konfiguration zählen, dass mehrere Wellenlängen bereitgestellt werden können, alle mit der gleichen Frequenzverschiebung und die auch phasengekoppelt sein können und für die die Gesamtkonfiguration (z. B. bezogen auf bestimmte frühere Konfigurationen) relativ weniger komplex und kostengünstiger sein kann. In verschiedenen alternativen Konfigurationen kann jeder frequenzverschobene Laserstrahl unter Verwendung anderer Ansätze erhalten werden. Beispielsweise kann der Laser für jedes quellen-/frequenzverschobene Laserstrahlpaar ein Zeeman-Laser mit einem Lasermedium sein, das in einem starken axialen Magnetfeld bereitgestellt wird, um zwei Strahlen mit unterschiedlichen Frequenzen zu erzeugen. Bei verschiedenen anderen alternativen Implementierungen kann anstelle eines akusto-optischen Modulators ein elektro-optischer Modulator verwendet werden, oder es kann eine Kombination mehrerer Quellen mit zwei Wellenlängen (z. B. Laser, die gleichzeitig auf zwei Wellenlängen laufen) verwendet werden.
  • In verschiedenen Implementierungen kann die Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle 1111 in einigen Konfigurationen einzelne Laserlichtquellen zum Bereitstellen der Laserstrahlen mit den unterschiedlichen Wellenlängen enthalten. Beispielsweise können unterschiedliche Laserlichtquellen enthalten sein, die eine gewünschte Kombination von Wellenlängenverhältnissen bereitstellen (z. B. in einer spezifischen beispielhaften Implementierung Wellenlängen bereitstellen, wie etwa 633 nm, 687 nm und 767 nm). Beispielsweise kann in einer Implementierung eine erste Laserlichtquelle, die in der Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle 1111 enthalten ist, einen Laserstrahl mit einer ersten Wellenlänge bereitstellen (z. B. in einer spezifischen beispielhaften Implementierung mit einer Nennwellenlänge bei 633 nm). Die heterodyne Lichtquelle 1110 kann dementsprechend einen ersten kombinierten Strahl, wie zuvor beschrieben erzeugen, der einen Laserstrahl einer ersten Wellenlänge mit einer ersten Wellenlänge λS1 (z. B. 633 nm) mit einer vertikalen Polarisation und einen ersten frequenzverschobenen Laserstrahl mit einer Wellenlänge λFS1 mit einer horizontale Polarisation (z. B. jeweils mit linearer Polarisation) enthält. Der Zeitgeber erzeugt ein Taktsignal (z. B. bei 40 MHz), das die Ansteuerfrequenz (z. B. des Treibers 1113) des akusto-optischen Modulators 1112 einstellt. Als Ergebnis führt der erste kombinierte Strahl zu einem detektierten Schwebungssignal (z. B. von 40 MHz).
  • In ähnlicher Weise kann eine zweite Laserlichtquelle, die in der Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle 1111 enthalten ist, einen Laserstrahl mit einer zweiten Wellenlänge bereitstellen (z. B. in einer spezifischen beispielhaften Implementierung mit einer Nennwellenlänge bei 687 nm). Die heterodyne Lichtquelle 1110 kann dementsprechend einen zweiten kombinierten Strahl, wie zuvor beschrieben erzeugen, der einen Laserstrahl einer zweiten Wellenlänge mit einer zweiten Wellenlänge λS2 (z. B. 687 nm) mit einer vertikalen Polarisation und einen zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl mit einer Wellenlänge λFS2 mit einer horizontale Polarisation (z. B. jeweils mit linearer Polarisation) enthält. In ähnlicher Weise kann eine dritte Laserlichtquelle, die in der Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle 1111 enthalten ist, einen Laserstrahl einer dritten Wellenlänge bereitstellen (z. B. in einer spezifischen beispielhaften Implementierung mit einer Nennwellenlänge bei 767 nm). Die heterodyne Lichtquelle 1110 kann entsprechend einen dritten kombinierten Strahl erzeugen, wie zuvor beschrieben, der einen Laserstrahl einer dritten Wellenlänge mit einer dritten Wellenlänge λS3 (z. B. 767 nm) mit einer vertikalen Polarisation und einen dritten frequenzverschobenen Laserstrahl mit einer Wellenlänge λFS3 mit einer horizontalen Polarisation (z. B. jeweils mit linearer Polarisation) enthält. Wie zuvor erwähnt, kann der Zeitgeber ein Taktsignal (z. B. bei 40 MHz) erzeugen, das die Ansteuerfrequenz (z. B. des Treibers 1113) des akusto-optischen Modulators 1112 einstellt. Als Ergebnis erzeugt jeder des zweiten und des dritten kombinierten Strahls ein detektiertes Schwebungssignal mit der Modulationsfrequenz (z. B. von 40 MHz). Bei verschiedenen Implementierungen kann es wünschenswert sein, dass einzelne Laserlichtquellen, die verwendet werden, schmale Linienbreiten aufweisen (z. B. um lange Kohärenzlängen aufzuweisen).
  • 12 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Implementierung einer Routine 1200 zum Betreiben einer heterodynen Lichtquelle darstellt. Bei einem Block 1210 wird eine erste Lichtquelle einer heterodynen Lichtquelle betrieben, um zumindest einen Laserstrahl mit einer ersten Wellenlänge bereitzustellen. Bei einem Block 1220 wird ein akusto-optischer Modulator der heterodynen Lichtquelle betrieben, um den Laserstrahl der ersten Wellenlänge aufzunehmen und einen entsprechenden ersten frequenzverschobenen Laserstrahl zu erzeugen (der z. B. eine Polarisation aufweist, die orthogonal zu der Polarisation des Laserstrahls der ersten Wellenlänge ist). In verschiedenen Implementierungen nimmt eine optische Quellenanordnung den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl von dem akusto-optischen Modulator auf und kombiniert diese und gibt einen entsprechenden ersten kombinierten Strahl aus. Die optische Quellenanordnung enthält einen optischen Aufnahmeelementabschnitt und einen doppelbrechenden optischen Elementabschnitt. Der optische Aufnahmeelementabschnitt ist so konfiguriert, dass er den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen entlang eines optischen Pfads in Richtung des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts leitet. Der doppelbrechende optische Elementabschnitt ist so konfiguriert, dass er den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen kombiniert, um den entsprechenden ersten kombinierten Strahl auszugeben (z. B. an eine optische Messanordnung). Bei einem Block 1230 wird mindestens ein Messabstand zu mindestens einem Oberflächenpunkt auf einem Werkstück basierend auf einem Messverfahren bestimmt, das den ersten kombinierten Strahl verwendet.
  • 13 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Implementierung einer Routine 1300 zum Betreiben eines digitalen Holographie-Metrologiesystems darstellt, das eine heterodyne Lichtquelle enthält. Bei einem Block 1310 wird eine Mehrwellenlängen-Lichtquelle (z. B. eine Mehrwellenlängen-Laserlichtquelle) einer heterodynen Lichtquelle betrieben, um zumindest einen Laserstrahl mit einer ersten Wellenlänge und einen Laserstrahl mit einer zweiten Wellenlänge bereitzustellen. Bei einem Block 1320 wird ein akusto-optischer Modulator der heterodynen Lichtquelle betrieben, um: den Laserstrahl der ersten Wellenlänge aufzunehmen und einen entsprechenden ersten frequenzverschobenen Laserstrahl zu erzeugen, der mit dem Laserstrahl der ersten Wellenlänge als ein erster kombinierter Strahl kombiniert wird; und den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge aufzunehmen und einen entsprechenden zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl zu erzeugen, der mit dem Laserstrahl der zweiten Wellenlänge als ein zweiter kombinierter Strahl kombiniert wird. Eine interferometrische optische Anordnung nimmt die kombinierten Strahlen von der heterodynen Lichtquelle auf und verwendet die kombinierten Strahlen, um eine Ausgabe zum Abbilden eines Werkstücks bereitzustellen. Die Ausgabe umfasst mindestens: einen ersten Interferenzstrahl, der auf der Grundlage des ersten kombinierten Strahls von der heterodynen Lichtquelle erzeugt wird; und einen zweiten Interferenzstrahl, der auf der Grundlage des zweiten kombinierten Strahls von der heterodynen Lichtquelle erzeugt wird.
  • Bei einem Block 1330 wird die Sensoranordnung betrieben, um die Ausgabe von der interferometrischen optischen Anordnung aufzunehmen. Die Sensoranordnung umfasst mindestens einen ersten und einen zweiten Laufzeitsensor und eine erste dichroitische Komponente. Die erste dichroitische Komponente ist dazu konfiguriert, den ersten Interferenzstrahl von dem zweiten Interferenzstrahl zu trennen, wozu der erste Interferenzstrahl so ausgerichtet wird, dass er von dem ersten Laufzeitsensor aufgenommen wird, und der zweite Interferenzstrahl so ausgerichtet wird, dass er von dem zweiten Laufzeitsensor aufgenommen wird. Bei einem Block 1340 werden Ausgaben von dem ersten und dem zweiten Laufzeitsensor aufgenommen und eingesetzt, um mindestens einen Messabstand zu mindestens einem Oberflächenpunkt auf dem Werkstück zu bestimmen.
  • Während bevorzugte Implementierungen der vorliegenden Offenbarung dargestellt und beschrieben wurden, werden für den Fachmann basierend auf dieser Offenbarung zahlreiche Variationen in den dargestellten und beschriebenen Anordnungen von Merkmalen und Abfolgen von Vorgängen offensichtlich sein. Verschiedene alternative Formen können verwendet werden, um die hierin offenbarten Prinzipien zu implementieren. Zusätzlich können die verschiedenen vorstehend beschriebenen Implementierungen kombiniert werden, um weitere Implementierungen bereitzustellen. Alle in dieser Beschreibung genannten US-Patente und US-Patentanmeldungen sind hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen. Aspekte der Implementierungen können bei Bedarf modifiziert werden, um Konzepte der verschiedenen Patente und Anmeldungen dazu einzusetzen, noch weitere Implementierungen bereitzustellen.
  • Diese und andere Änderungen können an den Implementierungen unter Berücksichtigung der vorstehenden detaillierten Beschreibung vorgenommen werden. Im Allgemeinen sollten in den folgenden Ansprüchen die verwendeten Begriffe nicht so ausgelegt werden, dass sie die Ansprüche auf die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbarten spezifischen Implementierungen einschränken, sondern sie sollten so ausgelegt werden, dass sie alle möglichen Implementierungen zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten enthalten, zu denen derartige Ansprüche berechtigen.

Claims (20)

  1. Metrologiesystem, umfassend: eine heterodyne Lichtquelle, umfassend: eine erste Lichtquelle zum Bereitstellen mindestens eines Laserstrahls mit einer ersten Wellenlänge bei einer ersten Frequenz; einen akusto-optischen Modulator, der dazu konfiguriert ist, den Laserstrahl der ersten Wellenlänge aufzunehmen und einen entsprechenden ersten frequenzverschobenen Laserstrahl mit einer Polarisation zu erzeugen, der relativ zu einer Polarisation des Laserstrahls der ersten Wellenlänge gedreht ist; und eine optische Quellenanordnung, die den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl von dem akusto-optischen Modulator aufnimmt und diese kombiniert und einen entsprechenden ersten kombinierten Strahl ausgibt, wobei die optische Quellenanordnung einen optischen Aufnahmeelementabschnitt und einen doppelbrechenden optischen Elementabschnitt umfasst, wobei der optische Aufnahmeelementabschnitt so konfiguriert ist, dass er den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen entlang eines optischen Pfads in Richtung des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts leitet, wozu der doppelbrechende optische Elementabschnitt so konfiguriert ist, dass er den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen kombiniert, um den entsprechenden ersten kombinierten Strahl auszugeben.
  2. Metrologiesystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Verarbeitungsabschnitt, wobei der erste kombinierte Strahl als Teil eines Messvorgangs verwendet wird, für den der Verarbeitungsabschnitt mindestens einen Messabstand zu mindestens einem Oberflächenpunkt auf einem Werkstück bestimmt.
  3. Metrologiesystem nach Anspruch 2, ferner umfassend: eine optische Messanordnung, die dazu konfiguriert ist, den ersten kombinierten Strahl aufzunehmen und den ersten kombinierten Strahl zu verwenden, um eine Ausgabe der optischen Anordnung bereitzustellen, die mit dem Abstand zu dem mindestens einen Oberflächenpunkt auf dem Werkstück in Beziehung steht; und eine Sensoranordnung, die dazu konfiguriert ist, die Ausgabe der optischen Anordnung aufzunehmen und eine entsprechende Ausgabe der Sensoranordnung zu erzeugen, wobei der Verarbeitungsabschnitt die Sensoranordnungsausgabe aufnimmt und die Sensoranordnungsausgabe als Teil des Messvorgangs verwendet, um den mindestens einen Messabstand zu dem mindestens einen Oberflächenpunkt auf dem Werkstück zu bestimmen.
  4. Metrologiesystem nach Anspruch 1, wobei die optische Quellenanordnung einschließlich des optischen Aufnahmeelementabschnitts und des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts als eine optische Inline-Anordnung angeordnet ist, wozu der Laserstrahl der ersten Wellenlänge und der erste frequenzverschobene Laserstrahl orthogonal polarisiert sind und jeweils durch ein gleiches optisches Aufnahmeelement des optischen Aufnahmeelementabschnitts und ein gleiches doppelbrechendes optisches Element des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts verlaufen, wobei das doppelbrechende optische Element den orthogonal polarisierten Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl in den ersten kombinierten Strahl kombiniert.
  5. Metrologiesystem nach Anspruch 1, wobei der optische Aufnahmeelementabschnitt eine Abbildungslinse umfasst, wozu eine Objektebene in dem akusto-optischen Modulator in den doppelbrechenden optischen Elementabschnitt mit einer Vergrößerung abgebildet wird, die an Trennungswinkel sowohl des akusto-optischen Modulators als auch des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts angepasst ist.
  6. Metrologiesystem nach Anspruch 1, wobei: die erste Lichtquelle eine Mehrwellenlängen-Lichtquelle ist, die mindestens einen Laserstrahl einer zweiten Wellenlänge mit einer zweiten Frequenz bereitstellt; der akusto-optische Modulator dazu konfiguriert ist, den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge aufzunehmen und einen entsprechenden zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl mit einer Polarisation zu erzeugen, der relativ zu einer Polarisation des Laserstrahls der zweiten Wellenlänge gedreht ist; und die optische Quellenanordnung den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge und den zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl von dem akusto-optischen Modulator aufnimmt und kombiniert und einen entsprechenden zweiten kombinierten Strahl ausgibt, wobei der optische Aufnahmeelementabschnitt so konfiguriert ist, dass er den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge und den zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen entlang des optischen Pfads in Richtung des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts leitet, wozu der doppelbrechende optische Elementabschnitt so konfiguriert ist, dass er den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge und den zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen kombiniert, um den entsprechenden zweiten kombinierten Strahl mit dem ersten kombinierten Strahl auszugeben.
  7. Metrologiesystem nach Anspruch 6, wobei der optische Aufnahmeelementabschnitt mehrere Abbildungslinsen umfasst, die ein chromatisches Abbildungssystem ausbilden, wozu eine Objektebene in dem akusto-optischen Modulator in den doppelbrechenden optischen Elementabschnitt mit einer Vergrößerung abgebildet wird, die an Trennungswinkel sowohl des akusto-optischen Modulators als auch des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts für die erste und die zweite Wellenlänge des Laserstrahls mit der ersten bzw. des Laserstrahls mit der zweiten Wellenlänge angepasst ist.
  8. Metrologiesystem nach Anspruch 1, wobei der optische Aufnahmeelementabschnitt ein Prisma umfasst.
  9. Metrologiesystem nach Anspruch 1, wobei der doppelbrechende optische Elementabschnitt einen doppelbrechenden Strahlversetzer, ein Wollaston-Prisma und/oder ein Rochon-Prisma umfasst.
  10. Verfahren zum Betreiben eines Metrologiesystems mit einer heterodynen Lichtquelle, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Betreiben einer ersten Lichtquelle der heterodynen Lichtquelle, um zumindest einen Laserstrahl mit einer ersten Wellenlänge bei einer ersten Frequenz bereitzustellen; Betreiben eines akusto-optischen Modulators der heterodynen Lichtquelle, um den Laserstrahl der ersten Wellenlänge aufzunehmen und einen entsprechenden ersten frequenzverschobenen Laserstrahl mit einer Polarisation zu erzeugen, der relativ zu einer Polarisation des Laserstrahls der ersten Wellenlänge gedreht ist, wobei eine optische Quellenanordnung den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl von dem akusto-optischen Modulator aufnimmt und diese kombiniert und einen entsprechenden ersten kombinierten Strahl ausgibt, wobei die optische Quellenanordnung einen optischen Aufnahmeelementabschnitt und einen doppelbrechenden optischen Elementabschnitt umfasst, wobei der optische Aufnahmeelementabschnitt den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen entlang eines optischen Pfads in Richtung des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts leitet, wozu der doppelbrechende optische Elementabschnitt den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen kombiniert, um den entsprechenden ersten kombinierten Strahl auszugeben; und Bestimmen mindestens eines Messabstands zu mindestens einem Oberflächenpunkt auf einem Werkstück basierend auf einem Messverfahren, das den ersten kombinierten Strahl verwendet.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: Betreiben einer Sensoranordnung, die dazu konfiguriert ist, eine Ausgabe der optischen Anordnung aufzunehmen und eine entsprechende Ausgabe der Sensoranordnung zu erzeugen, wobei die Ausgabe der optischen Anordnung von einer optischen Messanordnung bereitgestellt wird, die dazu konfiguriert ist, den ersten kombinierten Strahl aufzunehmen und den ersten kombinierten Strahl zu verwenden, um die Ausgabe der optischen Anordnung bereitzustellen, die mit dem Abstand zu dem mindestens einen Oberflächenpunkt auf dem Werkstück in Beziehung steht, wobei die Bestimmung des mindestens einen Messabstands zu mindestens einem Oberflächenpunkt zumindest teilweise auf der Ausgabe der Sensoranordnung basiert.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der optische Aufnahmeelementabschnitt eine Abbildungslinse umfasst, wozu eine Objektebene in dem akusto-optischen Modulator in den doppelbrechenden optischen Elementabschnitt mit einer Vergrößerung abgebildet wird, die an Trennungswinkel sowohl des akusto-optischen Modulators als auch des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts angepasst ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: Betreiben der ersten Lichtquelle, um mindestens einen Laserstrahl mit einer zweiten Wellenlänge bei einer zweiten Frequenz bereitzustellen; und Betreiben des akusto-optischen Modulators, um den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge aufzunehmen und einen entsprechenden zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl mit einer Polarisation zu erzeugen, der relativ zu einer Polarisation des Laserstrahls der zweiten Wellenlänge gedreht ist, wobei die optische Quellenanordnung den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge und den zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl von dem akusto-optischen Modulator aufnimmt und kombiniert und einen entsprechenden zweiten kombinierten Strahl ausgibt, wobei der optische Aufnahmeelementabschnitt den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge und den zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen entlang eines optischen Pfads in Richtung des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts leitet, wozu der doppelbrechende optische Elementabschnitt den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge und den zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen kombiniert, um den entsprechenden zweiten kombinierten Strahl mit dem ersten kombinierten Strahl auszugeben, wobei das Bestimmen des mindestens einen Messabstands zu dem mindestens einen Oberflächenpunkt auf dem Werkstück auf dem Messverfahren basiert, das sowohl den ersten kombinierten Strahl als auch den zweiten kombinierten Strahl verwendet.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der optische Aufnahmeelementabschnitt mehrere Abbildungslinsen umfasst, die ein chromatisches Abbildungssystem ausbilden, wozu eine Objektebene in dem akusto-optischen Modulator in den doppelbrechenden optischen Elementabschnitt mit einer Vergrößerung abgebildet wird, die an Trennungswinkel sowohl des akusto-optischen Modulators als auch des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts für die erste und die zweite Wellenlänge des Laserstrahls mit der ersten bzw. des Laserstrahls mit der zweiten Wellenlänge angepasst ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der doppelbrechende optische Elementabschnitt einen doppelbrechenden Strahlversetzer, ein Wollaston-Prisma und/oder ein Rochon-Prisma umfasst.
  16. Heterodyne Lichtquelle zur Verwendung in einem Metrologiesystem, das Messabstände bestimmt, wobei die heterodyne Lichtquelle Folgendes umfasst: eine erste Lichtquelle zum Bereitstellen mindestens eines Laserstrahls mit einer ersten Wellenlänge bei einer ersten Frequenz; einen akusto-optischen Modulator, der dazu konfiguriert ist, den Laserstrahl der ersten Wellenlänge aufzunehmen und einen entsprechenden ersten frequenzverschobenen Laserstrahl mit einer Polarisation zu erzeugen, der relativ zu einer Polarisation des Laserstrahls der ersten Wellenlänge gedreht ist; und eine optische Quellenanordnung, die den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl von dem akusto-optischen Modulator aufnimmt und diese kombiniert und einen entsprechenden ersten kombinierten Strahl ausgibt, wobei die optische Quellenanordnung einen optischen Aufnahmeelementabschnitt und einen doppelbrechenden optischen Elementabschnitt umfasst, wobei der optische Aufnahmeelementabschnitt so konfiguriert ist, dass er den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen entlang eines optischen Pfads in Richtung des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts leitet, wozu der doppelbrechende optische Elementabschnitt so konfiguriert ist, dass er den Laserstrahl der ersten Wellenlänge und den ersten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen kombiniert, um den entsprechenden ersten kombinierten Strahl auszugeben, wobei der erste kombinierte Strahl als Teil eines Messvorgangs zum Bestimmen mindestens eines Messabstands zu mindestens einem Oberflächenpunkt auf einem Werkstück verwendet wird.
  17. Heterodyne Lichtquelle nach Anspruch 16, wobei der optische Aufnahmeelementabschnitt eine Abbildungslinse umfasst, wozu eine Objektebene in dem akusto-optischen Modulator in den doppelbrechenden optischen Elementabschnitt mit einer Vergrößerung abgebildet wird, die an Trennungswinkel sowohl des akusto-optischen Modulators als auch des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts angepasst ist.
  18. Heterodyne Lichtquelle nach Anspruch 16, wobei: die erste Lichtquelle eine Mehrwellenlängen-Lichtquelle ist, die mindestens einen Laserstrahl einer zweiten Wellenlänge mit einer zweiten Frequenz bereitstellt; der akusto-optische Modulator dazu konfiguriert ist, den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge aufzunehmen und einen entsprechenden zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl mit einer Polarisation zu erzeugen, der relativ zu einer Polarisation des Laserstrahls der zweiten Wellenlänge gedreht ist; und die optische Quellenanordnung den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge und den zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl von dem akusto-optischen Modulator aufnimmt und kombiniert und einen entsprechenden zweiten kombinierten Strahl ausgibt, wobei der optische Aufnahmeelementabschnitt so konfiguriert ist, dass er den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge und den zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen entlang eines optischen Pfads in Richtung des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts leitet, wozu der doppelbrechende optische Elementabschnitt so konfiguriert ist, dass er den Laserstrahl der zweiten Wellenlänge und den zweiten frequenzverschobenen Laserstrahl aufnimmt und die Strahlen kombiniert, um den entsprechenden zweiten kombinierten Strahl mit dem ersten kombinierten Strahl auszugeben.
  19. Heterodyne Lichtquelle nach Anspruch 18, wobei der optische Aufnahmeelementabschnitt mehrere Abbildungslinsen umfasst, die ein chromatisches Abbildungssystem ausbilden, wozu eine Objektebene in dem akusto-optischen Modulator in den doppelbrechenden optischen Elementabschnitt mit einer Vergrößerung abgebildet wird, die an Trennungswinkel sowohl des akusto-optischen Modulators als auch des doppelbrechenden optischen Elementabschnitts für die erste und die zweite Wellenlänge des Laserstrahls mit der ersten bzw. des Laserstrahls mit der zweiten Wellenlänge angepasst ist.
  20. Heterodyne Lichtquelle nach Anspruch 16, wobei der doppelbrechende optische Elementabschnitt einen doppelbrechenden Strahlversetzer, ein Wollaston-Prisma und/oder ein Rochon-Prisma umfasst.
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