DE10321886A1

DE10321886A1 - Robuster interferometrischer Sensor und Verfahren zur Objektabtastung

Info

Publication number: DE10321886A1
Application number: DE2003121886
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Körner
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2004-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen robusten, interferometrischen Sensor mit verringerter Tiefenempfindlichkeit zur Bestimmung der 3-D-Punktwolke der Oberfläche eines Messobjektes in einem großen Tiefenbereich. Der Sensor arbeitet auf der Grundlage der Interferenz von zwei Lichtbündeln, wobei eine Lichtquelle, ein Strahlteilersystem zur Erzeugung von zwei kohärenten Teilbündeln mit Lateral-Shear, ein Prüfobjektiv, ein Messobjekt, ein rechnergesteuerter z-Schlitten, ein Strahlvereinigungssystem zur Reduzierung der Lateral-Shear, ein Bildaufnahme-Objektiv und eine Bildaufnahmeeinheit angeordnet sind. Dabei ist das Strahlteilersystem entweder als Dreieck-Interferometer mit einem abhängig vom Einfallswinkel des eintretenden Bündels teilenden Strahlteiler-Schichtsystem oder als Planplattenteiler oder auch als lichtbeugendes Phasengitter in der Brennebene eines Objektivs ausgebildet.

Description

In der Patentschrift DE 44 13 758 C2 wird in der 4 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Prüfung der Oberflächengestalt eines zu vermessenden Objektes beschrieben. Dabei wird ein Lichtstrahlenbündel mit einem Strahlteilersystem mindestens einmal so geteilt, dass zwei Teilbündel (C, D) entstehen, die zueinander eine Lateral-Shear aufweisen. Anschließend werden beide Teilbündel mit einem Prüfobjektiv auf die zu prüfende Oberfläche fokussiert (C', D') und gehen dort durch Reflexion an dieser in die zwei Teilbündel (C'', D'') über. Nach dem zweiten Durchlaufen des Prüfobjektivs und eines Strahlvereinigungssystems werden die zwei Teilbündel (C'', D'') derart zusammengeführt, dass ihre Lateral-Shear reduziert oder eliminiert ist. Ein Bildaufnahme-Objektiv fokussiert die lateral zusammengeführten Teilbündel auf eine Bildaufnahmeeinheit, wo diese Teilbündel zur Interferenz gelangen. Im Messvorgang wird eine Relativbewegung zwischen der Vorrichtung und dem zu vermessenden Körper durchgeführt. Durch die Auswertung der Phase und des Kontrastverlaufs der Interferenzsignale kann die Gestalt der Oberfläche des Objektes bestimmt werden.

Die in den 4 bis 7 der Patentschrift DE 44 13 758 C2 dargestellten Strahlteiler- und Strahlvereinigungs-Baugruppen sind recht großvolumig. Die großen optischen Wege können bei divergenten Strahlenbündeln, die zur Ausleuchtung eines flächenhaften Messfeldes in der Fokalebene des Prüfobjektivs benötigt werden, Probleme bei der Strahlführung verursachen.

Die bildauswertende Weißlicht-Interferometrie für die Bestimmung der Gestalt einer Oberfläche erfordert in der Regel eine sehr feine Abtastung in der Tiefe, d. h. pro Bildaufnahme wird ein Schritt im Submikrometerbereich durchgeführt. Das führt bei komplexen Oberflächen mit einer großen Tiefenausdehnung beispielsweise im Bereich von 10 Millimetern zur Aufnahme von extrem vielen Bildern.

In der Fachzeitschrift Optical Engineering, Vol. 36 vom 12. Dezember 1997, S. 3372–3377 wurde im Fachartikel "Three-dimensional topometry with stereo microscopes" ein Stereomikroskop mit Zoom-Funktion für die Messung der 3D-Topografie mittels Streifenprojektion beschrieben, bei dem sich die Tiefenempfindlichkeit in Abhängigkeit vom Zoom-Faktor ändert und sich bei einem kleineren Zoomfaktor verringert. Dies kann bei hochgenauen Formmessungen an vergleichsweise großen Messobjekten, bei denen mit einem geringen Zoom-Faktor gearbeitet werden muss, um das gesamte Objekt zu erfassen, von Nachteil sein.

Beschreibung der Erfindung

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen. Das Ziel wird erreicht mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.

Für ein Messobjekt soll die Bestimmung der 3D-Punktwolke mit großer Genauigkeit und in einem großen Tiefenbereich auf der Grundlage der Interferenz von zwei Lichtbündeln und der Aufnahme von mehreren Bildern durchgeführt werden, wobei der Begriff "Licht" hier stets im Sinne elektromagnetischer Strahlung verwendet wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Mikro profil, die Mikroform, die Welligkeit und die Form der Oberfläche eines Messobjekts bzw. einer Mikro-Szene zu erfassen, auch wenn die Objektoberfläche selbst eine Abbildung der auftreffenden Lichtbündel bewirkt. Auch das Mikroprofil auf geneigten oder gekrümmten Oberflächen soll gemessen werden können. Dabei soll die effektive Wellenlänge und damit auch die Schrittweite in der Tiefe pro Bildaufnahme gegenüber der Weißlicht-Interferometrie deutlich vergrößert werden. Dies führt auch zu einer Erhöhung der Robustheit im Vergleich zur Weißlicht-Interferometrie. Es werden für einen vergleichbaren Tiefenbereich sehr viel weniger Bilder benötigt als bei der Weißlicht-Interferometrie. Die Aufgabe kann aber auch darin bestehen, die Verformung eines Objektes zu messen.

Für einen robusten interferometrischen Sensor zur Objektabtastung soll eine volumenminimierte Strahlteiler- und Strahlvereinigungs-Baugruppe eingesetzt werden. Die Tiefenempfindlichkeit des Sensors soll den Messaufgaben beispielsweise aus dem Maschinenbau, der Feinwerktechnik sowie der Optik- und Elektronikfertigung optimal angepasst werden, so dass sich bei einer Messung besonders kurze Messzeiten für einen vergleichsweise großen Tiefenbereich, beispielsweise von 10 mm ergeben. Der Einsatz dieses erfinderischen, interferometrischen Sensors in einer 3D-Koordinatenmessmaschine kann deren Messproduktivität stark erhöhen.

Die Lichtquelle zur Beleuchtung des Messobjektes kann vorzugsweise als Laserlichtquelle mit einer rotierenden Mattscheibe mit einem nachgeordneten Kollimator ausgeführt sein. Die Lichtquelle kann aber auch als ein flächenhaftes Laserdioden-Array oder eine flächenhaft leuchtende, quasi-monochromatische Luminiszensdiode mit einem nachgeordneten Kollimator ausgebildet sein. Das Laserdioden-Array kann dabei auch Laserdioden aufweisen, die jeweils Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen emittieren. Der Lichtquelle kann wellenlängendurchstimmbar oder auch gepulst sein. Weiterhin ist es möglich, dass die Lichtquelle als zumindest näherungsweise punktförmig leuchtend ausgebildet ist. Dieser Lichtquelle kann ein optisches System zur Wellenfrontformung nachgeordnet sein.

Auch die Anwendung einer Weißlichtquelle mit oder auch ohne Kollimator ist grundsätzlich möglich. Die spektrale Bandbreite dieser Lichtquelle erhöht jedoch die Forderungen hinsichtlich der Farbkorrektur des verwendeten Prüfobjektivs und des Schichtaufbaus bei einem Strahlteilersystem in der Regel ganz wesentlich. Als optimal für viele Messaufgaben wird deshalb eine Lichtquelle mit einer spektralen Halbwertsbreite von maximal bis zu 50 nm beispielsweise in der Mitte des visuellen Bereiches angesehen. Deshalb wird vorgeschlagen, bei Weißlichtquellen vorzugsweise ein Bandpassfilter von maximal 50 nm, besser 20 nm Halbwertsbreite nachzuordnen. Der Lichtquelle kann eine Kreisblende mit dem Durchmesser 2r_E zugeordnet sein.

Zur Gewinnung einer 3D-Punktwolke von einem Messobjekt wird also ein interferometrischer Sensor zur Objektabtastung auf der Grundlage der Interferenz von zwei Lichtbündeln vorgeschlagen, wobei im Messvorgang eine Relativbewegung zwischen dem optischen Sensor und dem Messobjekt erfolgt. Dieser Sensor besteht aus mindestens einer Lichtquelle und mindestens einem durch die Lichtquelle beleuchtetem Strahlteilersystem, welches der Lichtquelle nachgeordnet ist. Das Strahlteilersystem teilt ein Lichtbündel der Lichtquelle so, dass zwei Teilbündel C und D entstehen, die zueinander eine Lateral-Shear aufweisen. Das Strahlteilersystem ist erfindungsgemäß als Dreieck-Interferometer – auch als zyklisches Interferometer bekannt – mit einem vorzugsweise polarisierenden Strahlteiler-Schichtsystem ausgebildet. Erfindungsgemäß erfolgt der Aufbau des Dreieck-Interferometers vorzugsweise mit zwei einander zugewandten Halbpentaprismen, die vorzugsweise aus optischem Glas gefertigt sind, wobei die beiden langen Flächen der Halbpentaprismen dann innen und einander zugekehrt liegen. Diese Flächen sind vorzugsweise parallel zueinander. Dabei trägt ein Halbpentaprisma auf einer Innenfläche das Strahlteiler-Schichtsystem. Die durch die Strahlteilung am Ausgang des Dreieck-Interferometers entstehenden beiden Teilbündel C und D mit der Lateral-Shear 2q₀, wobei ein Teilbündel eine parallele (C) und das andere (D) eine senkrechte Polarisationsrichtung aufweist, werden mittels Prüfobjektiv mit der Brennweite f_P in die Brennebene des Prüfobjektivs fokussiert. Dabei entstehen die fokussierten Teilbündel (C') und (D'). Die Brennebene des Prüfobjektivs durchsetzt durch die Relativbewegung zwischen dem interferometrischen Sensor und dem Messobjekt nach und nach den Raum, in dem sich das Messobjekt befindet. Dabei sind die Schwerstrahlen der beiden Teilbündel C' und D' zur optischen Achse des Prüfobjektivs stets unterschiedlich geneigt, beispielsweise um die Winkel α₁ und α₂, wobei der Winkel α₂ auch null sein kann. Das so mit zwei Teilbündeln C' und D' beleuchtete Messobjekt wird mittels Prüfobjektiv über ein Strahlvereinigungssystem, welches die Lateral-Shear zwischen den Strahlenbündeln C'' und D'' reduziert oder vorzugsweise eliminiert, und danach mit einem Bildaufnahme-Objektiv auf eine nachgeordnete Bildaufnahmeeinheit abgebildet. Dem Bildaufnahme-Objektiv ist vorzugsweise eine kreisförmige Austrittsblende mit dem Blendendurchmesser 2r_A zugeordnet. Dem Strahlvereinigungssystem ist vorzugsweise ein Linear-Polarisator unter 45° nachgeordnet. Nach dem Passieren des Linear-Polarisators gelangen die beiden Teilbündel zur Interferenz. Dabei ergibt sich der Interferenzkontrast und daraus abgeleitet die Modulation im periodischen Signal eines jeden Pixels j der Bildaufnahmeeinheit bei der Relativbewegung zwischen dem Sensor und dem Objekt in der Tiefe in Abhängigkeit von der Entfernung z des vom Pixel erfassten Objektpunktes von der objektseitigen Brennebene des Prüfobjektivs als eine Einhüllende. Die Phase im periodischen Signal ändert sich entsprechend der effektiven Wellenlänge, wobei letztere hierbei in der Regel um deutlich mehr als eine Größenordnung gegenüber der mittleren Lichtwellenlänge λ_m vergrößert ist. Die effektive Wellenlänge wird hier als Sensor-Wellenlänge λ_S bezeichnet.

Dem Messobjekt oder dem Sensor ist vorzugsweise ein rechnergesteuerter Schlitten zur Änderung des Abstandes zwischen Objekt und Sensor fest zugeordnet. Bei der Bewegung des Schlittens werden – wie bereits ausgeführt – in den Pixeln der Bildaufnahmeeinheit periodische Signale mit einer Einhüllenden detektiert. Dabei ergibt sich in einem Pixel j jeweils das Maximum der Einhüllenden, welches dem Kontrastmaximum der Interferenz entspricht, wenn sich der zum Pixel j optisch konjugierte Objektpunkt in der Brennebene des Prüfobjektivs mit der Brennweite f_P befindet, also die Entfernung dieses Objektpunktes von der Brennebene z = 0 ist. Dann ist auch die laterale Shear 2q zwischen den interferierenden Teilbündeln

gleich null. Für eine kreisförmige Austrittsblende mit dem Durchmesser 2r_A, kann die Modulationsfunktion m_S in der bekannten Signalform für ein moduliertes periodisches Interferenzsignal mit

beschrieben werden, wobei J₁ die bekannte Besselfunktion erster Ordnung erster Art und ρ_L die Streifenzahl mit

darstellen. λ_m ist die mittlere Lichtwellenlänge. Die erste Nullstelle der Modulationsfunktion ms ergibt sich bekannterweise bei ρ_L = 1,22. So kann die Modulationsfunktion ms als Funktion über z angegeben werden. In der Regel ist bei dem interferometrischen Sensor – wie in der Mikroskopie üblich – die Beleuchtungsapertur größer als die Abbildungsapertur gemacht. Im interferometrischen Sensor können auch spaltförmige Blenden verwendet werden. Bei deren Verwendung ergibt sich für die Modulationsfunktion ms die bekannte sinc-Funktion. Die spektrale Bandbreite der Lichtquelle erzeugt ebenfalls eine Modulation über z, die durch die Modulationsfunktion m_λ beschrieben werden kann. Zur Bestimmung der resultierenden Modulationsfunktion können die beiden Modulationsfunktionen ms und m_λ mit guter Näherung multiplikativ verknüpft werden, wobei im monochromatischen Fall die Modulationsfunktion m_λ sich dem Wert eins annähert. Das modulierte periodische Interferenzsignal I_j(z) in einem Pixel j ergibt sich dann zu

Dabei stellt φ₀ die Anfangsphase und I_0j die mittlere Intensität im Pixel j dar. Die Sensor-Wellenlänge λ_S ergibt sich dann aus der mittleren Lichtwellenlänge λ_m zu

mit den Neigungswinkeln α₁ und α₂ der Schwerstrahlen der beiden Teilbündel C' und D' zur optischen Achse des Prüfobjektivs. Nicht nur das Strahlteilersystem zur Erzeugung von zwei Teilbündeln mit Lateral-Shear, sondern auch das Strahlvereinigungssystem, welches zur Verringerung oder Eliminierung der Lateral-Shear zwischen den zwei Teilbündeln dient, kann als Dreieck-Interferometer mit einem vorzugsweise polarisierenden Strahlteiler-Schichtsystem ausgebildet sein. Der Aufbau des Dreieck-Interferometers für die Strahlvereinigung erfolgt vorzugsweise ebenfalls mit zwei einander zugewandten Halbpentaprismen, wobei die langen Flächen der Halbpentaprismen dann ebenfalls die Innenflächen darstellen. Auch diese liegen vorzugsweise parallel. Dabei können die zwei einander zugewandten Halbpentaprismen zum einen fixiert sein, beispielsweise auch miteinander verkittet sein. Es ist aber andererseits auch möglich, die beiden Halbpentaprismen zueinander verschiebbar anzuordnen, beispielsweise mittels einer Ölimmersionsschicht. Je ein Halbpentaprisma des Strahlteilersystems und des Strahlvereinigungssystems kann mit einem eigenen oder auch einem gemeinsamen Justierschlitten verbunden sein, mit welchem die Lateral-Shear und damit die Tiefenempfindlichkeit des Sensors zwischen null und einem Maximalwert eingestellt werden kann. Durch die präzise Verschiebung eines Halbpentaprismas kann die laterale Shear im Sensor zu null kompensiert werden, so dass der optische Gangunterschied auch im gesamten Messfeld zu null wird.

Die Halbpentaprismen einer Strahlteiler- oder einer Strahlvereinigungs-Baugruppe können baugleich ausgebildet sein. Jedoch werden diese Halbpentaprismen dann gegeneinander lateral so verschoben, dass die 45°-Ecken der beiden Halbpentaprismen so ebenfalls zueinander versetzt sind. Andererseits ist es auch möglich, dass die Höhe der beiden Halbpentaprismen einer Baugruppe jeweils unterschiedlich ausgeführt ist. In diesem Fall können die 45°-Ecken der beiden Halbpentaprismen genau zusammenfallen.

Das Strahlteiler-Schichtsystem im Strahlteilersystem und das im Strahlvereinigungssystem sind vorzugsweise gleich ausgebildet. Dabei wird vorzugsweise die folgende Eigenschaft für das Strahlteiler-Schichtsystem realisiert: Es stellt für einen mittleren Einfallswinkel eines Lichtbündels von 45° und zumindest für einen begrenzten Wellenlängenbereich ein polarisierendes Strahlteiler-Schichtsystem dar. Jedoch unter dem Einfallswinkel für ein Lichtbündel von null Grad ist dieses unter 45° polarisierende Strahlteiler-Schichtsystem zumindest für einen begrenzten Wellenlängenbereich vorzugsweise optisch weitgehend unwirksam, also für das Lichtbündel nahezu transparent.

Dabei kann dem Prüfobjektiv noch ein weiteres Strahlteilersystem zugeordnet sein. Dieses kann als Teilerwürfel mit einer nichtpolarisierenden Teilerschicht ausgebildet sein und dient zur Ein- und Auskopplung des Lichtes in den Strahlengang.

Im wird Messvorgang, also während der Aufnahme von Bildern, eine schrittweise oder eine zumindest quasi-kontinuierliche Bewegung entweder des Messobjektes oder des Sensors mit mindestens einer Komponente in Richtung der optischen Achse des Prüfobjektivs oder in Ausbreitungsrichtung des Schwerstrahls des Beobachtungsbündels – also in der Tiefe – für das Messobjekt durchgeführt. Diese Bewegung erfolgt vorzugsweise mittels eines rechnergesteuerten Schlittens, der vorzugsweise als z- Schlitten ausgeführt ist. Eine Kippung dieses Schlittens, so dass die Schlittenachse zumindest näherungsweise parallel zur Ausbreitungsrichtung des Schwerstrahls des Beobachtungsbündels steht, ist von Vorteil, da sich dann keine Verschiebung des Bildes des Objektes auf dem Bildempfänger bei der Bewegung im Messvorgang ergibt.

Der Schlitten ist vorzugsweise mit einem linearen Präzisionsantrieb ausgebildet. Die Relativbewegung zwischen Messobjekt und Sensor erfolgt dabei so, dass in den Elementen der Bildaufnahmeeinheit periodische Signale mit einer Einhüllenden entstehen. Dabei werden die Signale vorzugsweise stets so aufgenommenen, dass die jeweilige Einhüllende des Signalverlaufs, deren Lage sich jeweils aus der Position des zugehörigen Objektpunktes ableitet, im Bereich um das absolute Maximum der Einhüllenden also zwischen den unmittelbar angrenzenden Minima derselben erfasst wird.

Für die Bildaufnahmeeinheit kann ein flächenhaftes Detektorarray, beispielsweise eine CCD- oder eine CMOS-Kamera mit linearer oder auch nichtlinearer Kennlinie, eingesetzt werden. Für Oberflächen mit großen Reflexionsgradunterschieden ist eine Kamera mit nichtlinearer Kennlinie oder auch eine Kamera mit mindestens 10 bit Graustufenauflösung von großem Vorteil. Weiterhin ist der Einsatz einer Hochgeschwindigkeitskamera zur Reduzierung der Aufnahmezeit von großem Vorteil.

Erfindungsgemäß wird bei der Relativbewegung zwischen dem Messobjekt und dem interferometrischen Sensor eine Serie von mindestens fünf Bildern mit der Bildaufnahmeeinheit, aufgenommen. Es können aber auch 256 Bilder, oder auch noch mehr, aufgenommen werden. Dabei sollte in jedem aufgenommenen Signalverlauf die Anzahl der Extrema unter der Einhüllenden, die je eine Amplitude von mindestens 50% der Maximalamplitude aufweisen, in der Regel mindestens zwei betragen.

Wie bereits bekannt geworden, kann die Schrittweite des Schlittens zur Änderung des Abstandes zwischen Objekt und Sensor, wenn dessen Bewegungsachse parallel zur Achse des Prüfobjektivs steht, vorteilhafterweise so gewählt werden, dass das Bild auf der Bildaufnahmeeinheit sich im Scan bei einem z-Schritt jeweils um den Wert eines Pixel-Pitches oder eines ganzzahligen Vielfaches lateral verschiebt.

Weiterhin wird bei einem interfometrischen Sensor zur Gewinnung einer 3D-Punktwolke eine laterale Separierung 2q₀ der kohärenten Teilbündel so ausgeführt, dass deren Abstand vorzugsweise mindestens einem Hundertstel des Durchmessers 2r_E der Kreisblende im Eingangsstrahlengang entspricht.

Weiterhin kann der interfometrische Sensor zur Objektabtastung auch mit einem einzigen Frontobjektiv als Prüfobjektiv, vorzugsweise als Stereo-Mikroskop, ausgebildet sein. Dabei kann mit Vorteil einer der beiden optischen Strahlengänge des Stereo-Mikroskops für die Beleuchtung und einer der beiden Strahlengänge zur Abbildung des Messobjekts verwendet werden. Das Strahlteilersystem und das Strahlvereinigungssystem bilden dabei vorzugsweise eine Baugruppe, die dem Frontobjektiv des Stereomikroskops direkt zugeordnet ist. Dabei ist das Strahlteilersystem einem Strahlengang für die Beleuchtung und das Strahlvereinigungssystem einem Strahlengang für die Abbildung zugeordnet. Ein gegebenenfalls vorhandenes Zoom-System kann wiederum der Strahlvereinigungs-Baugruppe zugeordnet sein, die sich dann zwischen dem Frontobjektiv und dem Zoom-System befindet. So ist bei dem erfinderischen interferometrischen Sensor die Tiefenempfindlichkeit vorteilhafterweise völlig unabhängig von der am Zoom-System eingestellten Vergrößerung.

Der interfometrische Sensor zur Objektabtastung kann auch für makroskopische Felder mit einem Felddurchmesser deutlich größer als 10 mm ausgebildet sein. Dabei kann dieser interfometrische Sensor mit einem einzigen Prüfobjektiv ausgebildet sein. Bei entsprechend großen Prüfobjektiven sind auch Felddurchmesser von mehr als 50 mm realisierbar.

Weiterhin kann ein rechnersteuerbarer Präzisions-z-Lineartisch nicht nur dem interfometrischen Sensor, sondern alternativ auch dem Messobjekt zugeordnet sein und die Relativbewegung zwischen dem interfometrischen Sensor und dem Messobjekt allein durch die Bewegung des Messobjekts auf dem rechnersteuerbaren Präzisions-z-Lineartisch realisiert sein. In diesem Fall kann die Achse des z-Lineartisches ebenfalls parallel zur Beobachtungsrichtung ausgerichtet sein, um eine Verschiebung des Bildes auf der Bildaufnahmeeinheit bei der Aufnahme zu vermeiden.

Weiterhin ist es möglich, dass das Strahlteilersystem zur Erzeugung von zwei Teilbündeln mit Lateral-Shear und das Strahlvereinigungssystem sich auf einer gemeinsamen Glasplatte befinden, die vorzugsweise sowohl das Schichtsystem für das Strahlteiler-system als auch das Schichtsystem für das Strahlvereinigungssystem auf der gleichen Seite dieser Glasplatte trägt. Diese Platte weist außerdem zur Reflexion eines Teilbündels eine Spiegelschicht auf, so dass zwei parallele Bündel mit linearer Polarisation entstehen, wobei die Polarisationsrichtung der beiden Teilbündel um 90° zueinander gedreht ist. Dieser Glasplatte ist weiterhin ein Strahlteiler zugeordnet, der sowohl zur Einkopplung des Lichtes in das Prüfobjektiv als auch zum Durchlass des Lichtes in Richtung Bildaufnahme-Objektiv dient. Mittels einer λ/4-Platte nach dem Strahlteiler wird aus linear polarisiertem Licht zirkular polarisiertes Licht erzeugt. Nach Reflexion am Prüfling entsteht aus dem zirkular polarisierten Licht wieder linear polarisiertes Licht, jedoch nun mit jeweils um 90° gedrehter Polarisationsrichtung. So kann das Teilbündel, welches zuerst am Strahlteilersystem der Glasplatte reflektiert wurde, nun in die Glasplatte eintreten und das Teilbündel, welches zuerst durch die Glasplatte ging, wird nun reflektiert. Für Objektpunkte in der Ebene des Prüfobjektivs ist der optische Gangunterschied zwischen den Teilbündeln zumindest näherungsweise null, so dass diese Anordnung grundsätzlich auch mit einer nicht monochromatischen Lichtquelle betrieben werden kann. Jedoch ist diese vergleichsweise einfache Anordnung mehr für kleine Objektfelder optimal, da die effektive Sensorwellenlänge feldabhängig ist. Die Ursache liegt in den unterschiedlich langen geometrisch-optische Weglängen der beiden Teilbündel mit Lateral-Shear, wodurch sich in der Objektebene gekrümmte Streifen ergeben.

Weiterhin kann das Strahlteilersystem zur Erzeugung von zwei Teilbündeln mit Lateral-Shear sich auf einer ersten planparallelen Glasplatte befinden, wobei sich auf einer Seite dieser Glasplatte ein Schichtsystem für das Strahlteilersystem und auf der gegenüberliegenden eine Reflexionsschicht befinden. Dieser ersten planparallelen Glasplatte ist eine zweite mit vorzugsweise zumindest näherungsweise gleicher Dicke und gleichem Glaswerkstoff so zugeordnet, dass diese beiden Glasplatten den Buchstaben "V" bilden, wobei die Symmetrieachse dieser "V-Formation" mit der der optischen Achse des Prüfobjektivs zumindest näherungsweise übereinstimmt und diese "V-Formation" dem Prüfobjektiv direkt vorgeordnet ist. Die zweite planparallele Glasplatte trägt ebenfalls auf der einen Seite ein Schichtsystem für das Strahlvereinigungssystem und auf der anderen Seite eine Reflexionsschicht. Der Winkel zwischen diesen beiden planparallelen Glasplatten beträgt vorzugsweise 90°. Dabei können beide Reflexionsschichten auf der Außenseite dieser "V-Formation" oder auf der Innenseite dieser "V-Formation" angeordnet sein. Zum Abgleich der optischen Weglängen im Interferometer kann die gesamte "V-Formation" drehbar ausgebildet sein. Auch diese vergleichsweise einfache Anordnung ist mehr für kleine Objektfelder optimal, da auch hier die effektive Sensorwellenlänge feldabhängig ist.

Weiterhin kann ein interferometrischer Sensor zur Objektabtastung mit mindestens einer durchstimmbaren monochromatischen Lichtquelle mit einer dieser nachgeordneten rotierenden Mattscheibe, auf der ein ausgedehnter Bereich mittels Laserlicht beleuchtet ist, aufgebaut sein. Der Mattscheibe ist ein Kollimator, sowie ein Strahlteilersystem zur Erzeugung von zwei Teilbündeln mit einer Lateral-Shear, ein Prüfobjektiv, ein Messobjekt, ein Strahlvereinigungssystem zur Reduzierung der Lateral-Shear zwischen den beiden Teilbündeln, ein Bildaufnahme-Objektiv und eine Bildaufnahmeeinheit nachgeordnet. Dem Sensor ist ein Schlitten zur Änderung des Abstandes zwischen Objekt und Sensor zugeordnet. Dabei ist die durchstimmbare monochromatische Lichtquelle beispielsweise als Halbleiter-Laser mit der mittleren Lichtwellenlänge λ_m ausgebildet, wobei der Halbleiter-Laser beispielsweise um den Wellenlängenbereich Δλ mit Δλ = 0,1 nm durchstimmbar gemacht ist. Im Messvorgang – also bei der Bewegung in der Tiefe – wird mit der Bildaufnahmeeinheit eine Bildserie aufgenommen. Die Baugruppen Strahlteilersystem, Prüfobjektiv, Messobjekt und Strahlvereinigungssystem bilden zusammen ein Interferometer-System, welches hierbei mindestens einen optischen Gangunterschied von Δx = λ_m ²/Δλ aufweist, so dass die Phase φ durch den Wellenlängen-Scan von Δλ mindestens um 2π im Interferenz-Signal verändert werden kann. Dabei kann der benötigte optische Gangunterschied Δx bei einer Laser-Wellenlänge von λ_m = 550 nm und Δλ = 0,1 nm im Interferometer-System Δx = 3 mm betragen. Sowohl das Strahlteilersystem als auch das Strahlvereinigungssystem können als monolithischer Prismenblock ausgebildet sein. Dabei ist der optische Gangunterschied zwischen den interferierenden Teilbündeln im Interferometer-System stets von null verschiedenen.

Im Messvorgang wird wie folgt vorgegangen: Zwischen dem Sensor und dem Messobjekt wird eine Relativbewegung mit mindestens einer Komponente in z-Richtung – also in der Tiefe – durchgeführt. Diese findet in Schritten von Δz statt. Durch jeden Δz-Schritt ergibt sich eine Veränderung des optischen Gangunterschiedes im Interferometer-System, wobei die Veränderung jedoch einem Phasenwert Δφ_z vorzugsweise kleiner als 180° entsprechen soll, beispielsweise hierbei 30°. Zeitgleich zum Δz -Schritt erfolgt ein Wellenlängen-Scan um den Betrag Δλ, der zu einer zusätzlichen Änderung der Phase Δφ_λ um beispielsweise Δφ_λ = 60° im aufgenommenen Signal führen soll. So ergibt sich hier eine Vergrößerung der resultierenden Phasenänderung jeweils um 90° und dadurch kann die Anzahl der Perioden unter der Einhüllenden im Signalverlauf wesentlich vergrößert werden. Vorteilhafterweise ist, wenn sich etwa zwei bis zehn Perioden mit Maxima von mindestens 50% der Maximalamplitude unter dieser Einhüllenden ergeben. Die Strahlteilereinheit kann dabei als monolithischer Prismenblock mit einer durchgehenden polarisierenden Teilerschicht und zwei miteinander verkitteten Parallelstücken mit unterschiedlichen Brechungsindizes n₁ und n₂ aufgebaut sein, wobei die Parallelstücken auf den Außenflächen verspiegelt sind. So kann sowohl der jeweils benötigte optische Gangunterschied Δx als auch die benötigte Lateral-Shear 2q₀ in weiten Grenzen durch die geometrische Dicke der Parallelstücke als auch durch die Wahl der Brechungsindizes n₁ und n₂ derselben variiert werden. Die Strahlvereinigungseinheit wird spiegelbildlich zur Achse des Prüfobjektivs aufgebaut und angeordnet.

Die Auswertung der modulierten, periodischen Signale kann bei den hier beschriebenen Anordnungen und Verfahren im allgemeinen so erfolgen wie es bereits im Aufsatz „Signalverarbeitung bei tiefenscannenden 3D-Sensoren für neue industrielle Anwendungen" in der Fachzeitschrift tm- Technisches Messen 69 (2002) 5, S. 251–257 beschrieben wurde. Die pixelweise Auswertung ermittelt für jeden Objektpunkt das Maximum des Streifenkontrastes und die Phase am Maximum des Streifenkontrastes. So kann in bekannter Weise aus der bekannten Geometrie der Anordnung die 3D-Punktwolke des Messobjektes errechnet werden.

Es ist aber bei der Durchführung von schnellen Überblicksmessungen auch möglich, dass aus dem in einem Bildpunkt der Bildaufnahmeeinheit gewonnenen periodischen Signalverlauf mit einer Einhüllenden nur die z-Position des Kontrast- bzw. Modulationsmaximums bestimmt wird, wobei diese z-Position jeweils der Lage des zugehörigen Objektpunktes entspricht. Ausgehend von diesen Daten und der Kenntnis der Geometrie des interferometrischen Sensors wird die 3D-Punktwolke des Messobjekts in diesem Fall nur mit reduzierter Genauigkeit bestimmt.

Es können grundsätzlich auch CMOS-Kameras mit intelligence-on-chip-Eigenschaften eingesetzt werden, welche die numerischen Operationen zur Bestimmung der 3D-Punktwolke des Messobjekts pixelweise ausführen.

Zur Vergrößerung des Tiefenmessbereiches des interfometrischen Sensors zur Objektabtastung ist es auch möglich, dass zwischen dem bisher als Prüfobjektiv bezeichneten Objektiv und dem Messobjekt noch ein weiteres optisches Abbildungssystem angeordnet ist. Dabei kann es sich um ein einstufiges System oder auch zweistufiges System, beispielsweise ein Teleskop handeln, bei welchem die inneren Brennebenen zusammenfallen. Es können dabei auch mehrstufige optische Systeme zum Einsatz kommen.

Es wird außerdem ein interferometrisches Verfahren zur Objektabtastung mit Durchfokussierung ohne mechanische Bewegung vorgeschlagen, bei dem ein Lichtstrahlenbündel einer durchstimmbaren Lichtquelle mit einem Strahlteilersystem mindestens einmal geteilt wird, so dass zwei kohärente Teilbündel (C, D) entstehen, die gegenseitig eine Lateral-Shear aufweisen. Anschließend werden beide Teilbündel mit einem Prüfobjektiv auf die zu prüfende Oberfläche fokussiert (C', D') und gehen dort durch Reflexion an dieser in die zwei Teilbündel (C'', D'') über. Nach dem zweiten Durchgang durch das Prüfobjektiv und dem Passierens eines nachgeordneten Strahlvereinigungssystems werden die zwei Teilbündel (C'', D'') derart zusammengeführt, dass ihre Lateral-Shear reduziert oder eliminiert ist. Ein Bildaufnahme-Objektiv fokussiert die lateral zusammengeführten Teilbündel auf eine Bildaufnahmeeinheit, wo diese Teilbündel zur Interferenz gelangen. Dabei ist die Lichtquelle um einen größeren Wellenlängenbereich durchstimmbar gemacht, beispielsweise kann eine rechnersteuerbare Laserlichtquelle mit externer Kavität mit 25 nm Durchstimmbereich verwendet werden. Eine derartige Lichtquelle wurde bereits 1997 im Journal of Modern Optics, Vol. 44, No. 8, S. 1485 bis 1496 dargestellt.

Das bisher als Prüfobjektiv bezeichnete Objektiv ist vorzugsweise im Durchstimmbereich der Lichtquelle stark chromatisch ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Brennweite und demzufolge auch die axiale Lage der Brennebene des Prüfobjektivs besonders stark von der Wellenlänge abhängig sind. Beim Wellenlängen-Scan verändert sich auf diese Weise auch der Abstand zwischen dem Messobjekt und der Brennebene, welche hier die Messebene darstellt. Das Wellenlängen-Scannen führt zu einem Durchfokussieren und so entstehen in den Elementen der Bildaufnahmeeinheit jeweils periodische Signale mit einer Einhüllenden. Gleichzeitig kann durch das Wellenlängen-Scannen auch im Interferometer-System der optische Gangunterschied noch zusätzlich verändert werden, so dass sich in diesem Fall bei der Aufnahme in den Elementen der Bildaufnahmeeinheit ein periodisches Signal mit einer vergrößerten Signalfrequenz ergibt.

Es ist aber auch möglich, dass im interferometrischen Sensor ein optischer Gangunterschied ungleich null besteht, beispielsweise 1 mm, und sich beim Wellenlängen-Scan parallel zum Durchfokussieren deshalb auch noch zusätzlich die Phase in den periodischen Signalen mit der Einhüllenden ändert. Dieses Verfahren mit dem Durchstimmen der Wellenlänge vermeidet vorteilhafterweise die Verwendung von beweglichen Komponenten für das Durchfokussieren und das Phasenstellen. Dadurch kann eine besonders hohe Messgeschwindigkeit erreicht werden. In diesem Fall ist das Prüfobjektiv vorzugsweise ebenfalls stark chromatisch ausgebildet. Die bisher dargestellten Merkmale sind den Ansprüchen 1 bis 14 zugeordnet.

Die nun folgenden Merkmale sind den Ansprüchen 15, 16, 17, 20 und 21 zugeordnet. Es ist aber auch möglich einen interferometrischen Sensor zur Objektabtastung mit mindestens einer Lichtquelle, einem Strahlteilersystem, einem Prüfobjektiv mit einem Beleuchtungsstrahlengang und einem Beobachtungsstrahlengang, einem Messobjekt, einem rechnergesteuerten Schlitten zur Änderung des Abstandes zwischen Objekt und interfometrischen Sensor, einem Strahlvereinigungssystem, einem Bildaufnahme-Objektiv und einer Bildaufnahmeeinheit, der eine zweite Abbildungsstufe vorgeordnet ist, aufzubauen. Das Strahlteilersystem teilt ein Lichtbündel der Lichtquelle so, dass zwei Teilbündel C und D entstehen, die zueinander eine Lateral-Shear aufweisen. Das Strahlvereinigungssystem eliminiert oder reduziert die Lateral-Shear zwischen den Teilbündeln C³ und D³. Dabei ist sowohl das Strahlteilersystem als auch das Strahlvereinigungssystem mit einem Phasengitter und mit einem, dem Phasengitter zugeordneten, ersten Objektiv (OG1)ausgebildet. Das Objektiv OG1 kann dabei von gleicher Bauart wie das Prüfobjektiv sein und die gleichen Parameter aufweisen. Das Phasengitter befindet sich zumindest näherungsweise in der Brennebene des Objektivs OG1. Das Prüfobjektiv ist in einer ersten Abbildungsstufe angeordnet, die als afokale Anordnung aufgebaut ist, wobei das dem Phasengitter zugeordnete erste Objektiv OG1 das zweite Objektiv dieser afokalen Anordnung darstellt. Das monochromatische Lichtbündel, welches das Phasengitter passiert, wird in zwei kohärente Teilbündel aufgespaltet, welche über das Prüfobjektiv auf die Objektoberfläche gelangen, dort reflektiert werden und wieder über das Prüfobjektiv auf vorzugsweise dasselbe Phasengitter gelangen und dort eine Strahlvereinigung erfahren. Es erfolgt die Strahlteilung und die Strahlvereinigung also vorzugsweise an ein und demselben Phasengitter. Es besteht erfindungsgemäß ein schleifenförmiger Strahlverlauf vom beleuchteten Phasengitter über die Objektoberfläche zurück auf das Phasengitter. Dabei ist mindestens ein einfallendes Teilbündel zur optischen Achse des Prüfobjektivs zumindest um einen kleinen Winkel geneigt. Durch den schleifenförmigen Strahlverlauf wird geometrisch-optisch jeder Punkt des Phasengitters wieder auf sich selbst abgebildet.

Dem Phasengitter ist ein zweites Objektiv (OG2) mit einer Lochblende in dessen Brennebene zugeordnet. Diese Anordnung ist so gestaltet, dass das von der Objektoberfläche kommende Licht das Prüfobjektiv, das Objektiv OG1, das Phasengitter in der nullten Beugungsordnung, das Objektiv OG2 und die Lochblende in der Brennebene des Objektivs OG2 passiert. Die Lochblende bewirkt eine Raumfilterung, so dass sich in jedem Fall nur wenige Interferenzstreifen auf dem Sensorchip einer nachgeordneten Kamera ergeben. Der Interferenzstreifenabstand entspricht einem Höhenunterschied auf dem Objekt von der halben effektiven Wellenlänge, die beispielsweise einem Zwanzugstel bis einem Zweihundertstel der Wellenlänge des verwendeten Lichtes entsprechen kann.

Zur Verbesserung des Kontrastes bei lichtstreuenden Objektoberflächen ist in der inneren Fokalebene dieser ersten afokalen Abbildungsstufe, die aus dem Objektiv OG1 und dem Prüfobjektiv besteht, vor zugsweise mindestens eine außeraxiale Doppelabschattblende im Beobachtungsstrahlengang angeordnet. Außerdem ist auch eine zweite außeraxiale Doppelabschattblende im Beobachtungsstrahlengang angeordnet, so dass in der Regel insgesamt vier außeraxiale Blendenöffnungen bestehen. Es ist auch möglich, dass die innenliegenden Öffnungen der beiden Doppelabschattblenden eine gemeinsame Öffnung bilden, so dass dann im Minimum drei Blendenöffnungen bestehen. Dann ist vorzugsweise anstelle von zwei Doppelabschattblenden also eine Dreifachabschattblende angeordnet, von denen sich die mittlere Öffnung vorzugsweise zumindest näherungsweise zentrisch auf der optischen Achse der ersten Abbildungsstufe befindet.

Dabei ist außerdem jeder Blendenöffnung ein Polarisator zugeordnet, wobei die Durchlassrichtung der Polarisatoren einer jeden Doppelabschattblende um 90° zueinander gedreht ist. Dabei sind vorzugsweise die Durchlassrichtungen der beiden nebeneinander angeordneten, also der innen liegenden Polarisatoren gleich. Der Doppelabschattblende ist im nachfolgenden Beobachtungsstrahlengang ein weiterer Polarisator nachgeordnet, so dass durch das Passieren desselben zwei Bündel gebildet werden, deren Polarisationszustand übereinstimmt. So können diese Bündel in der Ebene des Bildempfängers zur Interferenz gelangen. In der zweiten Abbildungsstufe, die aus dem Prüfobjektiv und dem Objektiv OG2 besteht, sind Mittel zur Bündelbegrenzung, beispielsweise eine Lochblende angeordnet, damit durch Beugung am Phasengitter und Abschattung mittels Lochblende nur ein einziges Bündelpaar zur Interferenz kommt und weitere, durch Beugung am Phasengitter gegebenenfalls entstehende Bündelpaare abgeschattet werden.

Das Licht der Lichtquelle beleuchtet also das Phasengitter, so dass zwei kohärente Teilbündel durch Lichtbeugung in der Beugungsordnung +1 und –1 entstehen. Diese beiden kohärenten Teilbündel treten in die erste Abbildungsstufe ein, die also aus dem Prüfobjektiv und dem Objektiv OG1 besteht, und werden in die innenliegende gemeinsame Brennebene fokussiert, wo sich die Doppelabschattblende des Beleuchtungsstrahlenganges mit je einem zugeordneten Polarisator befindet, so dass jedem gebeugten Teilbündel ein Polarisator zugeordnet ist. Die beiden Polarisatoren weisen eine Durchlassrichtung auf, die um 90° zueinander gedreht ist. Dadurch entstehen nach dem Passieren derselben und nach dem Passieren des Prüfobjektivs auf der Objektoberfläche aus den beiden gebeugten Teilbündeln nun zwei Bündel mit unterschiedlichem Polarisationszustand. Nach der Reflexion an der Objektoberfläche, wobei diese Reflexion auch diffus erfolgen kann, treten die reflektierten Bündel wieder in den Beobachtungsstrahlengang ein. Jedoch kann jedes reflektierte Bündel im wesentlichen die Abbildungsstufe nur auf einem Pfad im Beobachtungsstrahlengang passieren, in welchem der Polarisator vor den Öffnungen der Doppelabschattblende die für das Bündel geeignete Durchlassrichtung aufweist. So wird erreicht, dass beim Auftreffen der reflektierten Bündel auf das Phasengitter jedes Bündel so gebeugt wird, dass aus jedem an der Objektoberfläche reflektierten Bündel in der Regel zwei gebeugte Teilbündel entstehen, wobei von den vier gebeugten Teilbündeln zwei der gebeugten Teilbündel zumindest näherungsweise die gleiche Ausbreitungsrichtung aufweisen. Da der Polarisationszustand der beiden gebeugten Teilbündel, die mittels Phasengitter im wesentlichen in die gleiche Richtung gebeugt werden, nicht übereinstimmt, kann hier noch kein Interferenzmuster beobachtet werden. Deshalb ist im weiteren Strahlengang auf dem Weg zum Bildempfänger noch ein weiterer Polarisator mit einer Durchlassrichtung von 45° zu den Polarisationsrichtungen der beiden Teilbündel angeordnet. Außerdem ist eine Abschattblende zur Sperrung der Teilbündel, die sich nicht in einer vorgegebenen Richtung und gemeinsam ausbreiten, angeordnet. Diese Anordnung stellt ein Moiré-Interferometer dar. Die Fläche des Phasengitters wird durch eine zweite Abbildungsstufe, die dem Bildempfänger vorgeordnet ist, scharf auf den Bildempfänger abgebildet. Durch die Wirkung des Moiré-Interferometers entsteht in der Regel ein niederfrequentes Interferenzbild, welches die Information über die Objektoberfläche als Phaseninformation enthält. Beim Ändern des Abstandes des Objektes zum Sensor mittels Schlitten kann in jedem Pixel des Bildempfängers ein kurzkohärentes Signal beobachtet werden. Die effektiv wirksame Wellenlänge kann typischerweise um den Faktor 20 bis 200 gedehnt sein, so dass sich für die Messung der Topografie technischer Oberflächen optimale Bedingungen ergeben.

In jedem Fall passiert also ein Teilbündel in Richtung auf das Objekt, welches am Phasengitter in einer positiven Beugungsordnung gebeugt wurde, einen ersten Polarisator mit einer bestimmten Durchlassrichtung und ein Teilbündel, welches an diesem Phasengitter in einer negativen Beugungsordnung gebeugt wurde, passiert einen zweiten Polarisator, dessen Durchlassrichtung um 90° zu der des ersten Polarisators gedreht ist. Dabei befinden sich die Polarisatoren vorzugsweise zumindest näherungsweise in der inneren Brennebene der ersten Abbildungsstufe.

Vorzugsweise ist das Phasengitter als Transmissions-Phasengitter ausgebildet, welches zumindest näherungsweise für eine Wellenlänge die nullte Beugungsordnung unterdrückt. Vorzugsweise ist das Transmissions-Phasengitter so angeordnet, dass es sowohl zur Strahlteilung als auch zur Strahlvereinigung verwendet werden kann. So ergibt sich ein kompakter Strahlengang und die Justierung der Anordnung kann sich vereinfachen.

Es ist aber auch grundsätzlich möglich, dass das Phasengitter als Reflexions-Phasengitter ausgebildet ist, welches zumindest näherungsweise für eine Wellenlänge die nullte Beugungsordnung unterdrückt. Dabei kann das Transmissions-Phasengitter so angeordnet sein, dass es sowohl zur Strahlteilung als auch zur Strahlvereinigung verwendbar ist.

Der nachfolgende Ansatz wird durch die Ansprüche 18 und 19 fixiert. Es wird vorgeschlagen, einen interferometrischen Sensor zur Objektabtastung mit mindestens einer Lichtquelle, einem Strahlteilersystem zur Erzeugung von zwei Teilbündeln mit Lateral-Shear, einem Prüfobjektiv mit einem Beleuchtungsstrahlengang und einem Beobachtungsstrahlengang, einem Messobjekt, einem Strahlvereinigungssystem zur Verringerung der Lateral-Shear zwischen den beiden Teilbündeln, einem Bildaufnahme-Objektiv und einer Bildaufnahmeeinheit, der eine zweite Abbildungsstufe vorgeordnet ist, aufzubauen. Dabei ist Komponenten des Strahlvereinigungssystems ein rechnergesteuerter Schlitten zur Änderung der axialen Position derselben zugeordnet. Damit kann der Ort der Strahlteilung in der Tiefe verschoben werden, also zumindest mit einer Komponente parallel zur optischen Achse der ersten Abbildungsstufe. Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, sowohl das Strahlteilersystem als auch das Strahlvereinigungssystem als ein gemeinsames Phasengitter mit einem dem Phasengitter zugeordneten Objektiv OG1 auszubilden, so dass der Ort der Strahlteilung und der Ort der Strahlvereinigung auf dem Phasengitter zusammenfallen. Der rechnergesteuerte Schlitten zur Änderung der axialen Position ist diesem Phasengitter zugeordnet. Dabei befindet sich das Phasengitter stets in der Umgebung der Brennebene des Objektivs OG1. Weiterhin ist das Prüfobjektiv in einer ersten Abbildungsstufe angeordnet, die als afokale Anordnung aufgebaut ist.

In der inneren Fokalebene der afokalen Anordnung ist vorzugsweise mindestens eine erste Doppelabschattblende im Beleuchtungsstrahlengang und mindestens eine zweite Doppelabschattblende im Beobachtungsstrahlengang angeordnet und jeder Blendenöffnung vorzugsweise ein Polarisator zugeordnet ist. Die Durchlassrichtung der Polarisatoren einer jeden Doppelabschattblende ist um 90° zueinander gedreht, um jeweils genau die reflektierten Bündel zu selektieren, welche die Information über die Oberflächentopographie tragen. Der rechnergesteuerte Schlitten bewegt also das Phasengitter in axialer Richtung in Bezug auf das Prüfobjektiv.

Es ist auch möglich, dass die innenliegenden Durchlassbereiche der beiden Doppelabschattblenden einen gemeinsamen Bereich bilden. Dann ist vorzugsweise anstelle von zwei Doppelabschattblenden eine Dreifachabschattblende angeordnet, die also drei Öffnungen aufweist, von denen die mittlere Öffnung sich zumindest näherungsweise zentrisch auf der optischen Achse der ersten Abbildungsstufe befindet.

Bei der Anordnung von zwei Doppelabschattblenden wird die folgende Anordnung vorgeschlagen: Der Doppelabschattblende im Beobachtungsstrahlengang ist ein Polarisator nachgeordnet, um Interferenz zu ermöglichen. In der zweiten, dem Polarisator nachgeordneten Abbildungsstufe sind Mittel zur Bündelbegrenzung angeordnet, um unerwünschte Beugungsordnungen zu sperren, so dass mit den passierenden Teilbündeln zumindest näherungsweise ein Nullstreifenfeld entstehen kann. So ist möglich, durch die Bewegung des Phasengitters in axialer Richtung kurzkohärente Signale in den Pixeln des Bildempfängers zu erzeugen. Die Bewegung des in der Regel vergleichsweise massearmen Phasengitters ist besonders dann von Vorteil, wenn in einem vergleichsweise kleinen Tiefenmessbereich eine besonders hohe Messgeschwindigkeit erreicht werden soll, da nur das Phasengitter in z-Richtung bewegt werden muss. Jedoch müssen in diesem Fall die Objektive im gesamten Strahlengang auch in der Tiefe hinreichend gut korrigiert sein.

Für die optische Abtastung von Objekten mit größerer Tiefe ist es dabei von besonderem Vorteil, neben dem Phasengitter auch noch die Kamera oder zumindest deren Kamera-Chip in axialer Richtung mitzubewegen, wobei hierbei vom Phasengitter auf die Kamera vorzugsweise eine 1:1-Abbildung mit einer 4f-Anordnung erfolgen sollte. Dann erfolgt stets eine scharfe Abbildung auch auf die Kamera.

Für alle dargestellten Verfahren und Anordnungen können Auswerteverfahren eingesetzt werden, die für kurzkohärente Interferogramme, also Weißlicht-Interferogramme, einsetzbar sind.

Die Erfindung wird im folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die 1 bis 9 beschrie- ben. In 1 ist ein Sensor zur dreidimensionalen Objektabtastung, der auch für größere Objekte eingesetzt werden kann, dargestellt. Einer quasi-monochromatischen Lichtquelle 1 ist eine Kreisblende 2 mit einem Durchmesser 2r_E von beispielsweise etwa 5 mm nachgeordnet, die im Fokus F1 eines Prüfobjektivs 31 positioniert ist. Die Lichtquelle 1 ist als Laser mit einer rotierenden Mattscheibe ausgebildet. Das durch die Kreisblende 2 hindurchtretende Bündel passiert einen zur Zeichenebene unter 45° ausgerichteten Polarisator 3, wodurch sich eine Komponente mit senkrechter und eine mit paralleler Polarisation ergibt. Dieses Bündel tritt in das Strahlteilersystem 11 ein, welches aus einem ersten Halbpentaprisma 12 mit einem polarisierenden Strahlteiler-Schichtsystem 13, einer Spiegelschicht 15 und einem zweiten Halbpentaprisma 14 mit einer Spiegelschicht 16 gebildet ist. Von Vorteil ist hier, dass das unter 45° polarisierende Strahlteiler-Schichtsystem 13, KORN31 der Firma Layertec, beim Winkel von 0° für die Wellenlänge 550 nm nahezu transparent ist. Dabei ist das zweite Halbpentaprisma 14 gegenüber dem ersten Halbpentaprisma 12 verschoben. Dadurch entstehen am Ausgang des Strahlteilersystems 11 zwei kohärente Teilbündel mit einer Lateral-Shear 2q₀. Die Lateral-Shear zwischen den kohärenten Teilbündeln beträgt etwa 11 mm. Nach Reflexion dieser beiden Bündel an der Teilerschicht 22 des Strahlteilersystems 21 passieren diese kohärenten Teilbündel C und D das Prüfobjektiv 31 und werden auf die Oberfläche des Messobjektes 32 fokussiert. Dabei fällt der Schwerstrahl des Teilbündels D zumindest näherungsweise mit der Achse des Prüfobjektivs 31 zusammen, d. h. der Winkel α₂ ist null. Das rückgestreute Licht passiert wieder das Prüfobjektiv 31 und das Strahlteilersystem 21 und gelangt in das Strahlvereinigungssystem 41 mit den beiden Halbpentaprismen 42 und 44 und einem polarisierenden Strahlteiler-Schichtsystem 43 sowie den Spiegelschichten 45 und 46. Hier ist ebenfalls durch die Verwendung des Schichtsystems KORN31 gewährleistet, dass das unter 45° polarisierende Strahlteiler-Schichtsystem 43 beim Winkel von 0° für die Wellenlänge 550 nm nahezu transparent ist. Die Transmission ist besser als 98%. Die Lateral-Shear wird durch das Passieren des Strahlvereinigungssystems 41 eliminiert und tritt durch einen unter 45° zur Zeichenebene ausgerichteten Polarisator 51, wodurch sich unter 45° linear polarisiertes Licht ergibt, so dass die beiden Bündel interferenzfähig werden. In der gemeinsamen Brennebene des Prüfobjektivs und des Bildaufnahme-Objektivs 53 ist eine kreisförmige Austrittsblende 52 mit dem Durchmesser 2r_A von einigen Millimetern angeordnet, welche die interferierenden Teilbündel begrenzt und jeweils deren Schwerstrahl definiert. Die Interferenz findet in der Ebene der Bildaufnahmeeinheit 54 statt, wobei die Lateral-Shear durch die Geometrie des Strahlvereinigungs systems eliminiert ist. Im Messvorgang findet eine Relativbewegung statt, wobei im Fall A der Sensor zum Messobjekt und im Fall B das Messobjekt zum Sensor bewegt wird, und es wird eine Bildserie von beispielsweise 64 Bildern aufgenommen. Die Sensor-Wellenlänge λ_S ergibt sich entsprechend der Gleichung (5) aus der mittleren Lichtwellenlänge λ_m, die hier 550 nm betragen soll. Dabei ist in 1 der Winkel α₂ mit α₂ = 0 dargestellt. Wegen der im allgemeinen relativ kleinen Werte für α₁ ist die Sensor-Wellenlänge λ_S hier gegenüber der Lichtwellenlänge λ_m stark vergrößert. Beispielsweise etwa um den Faktor 1000, so dass sich beispielsweise eine Sensor-Wellenlänge λ_S von etwa 550 μm ergibt, so dass sich für 2π eine z-Verschiebung von 275 μm ergibt. So kann an kooperativen Oberflächen mit dem Phasen-Auswerte-Verfahren eine Auflösung und Messgenauigkeit im Mikrometerbereich erreicht werden. Das Prüfobjektiv 31 sollte auf der Objektseite zumindest näherungsweise telezentrisch sein. Als Prüfobjektiv kann beispielsweise ein Projektionsobjektiv 10 × mit der Brennweite von etwa 250 mm verwendet werden. Von besonderem Vorteil ist bei einem so dimensionierten interferometrischen Sensor, dass die Abschattung auf dem Objekt wegen dem vergleichsweise kleinen Winkel α₁ von typischerweise unter 3° sehr gering ist.
Die 2 zeigt eine Anordnung, bei der das Strahlteiler- 11 und das Strahlvereinigungssystem 41 wie auch in 1 mit je zwei Halbpentaprismen 12, 14 bzw. 42, 44 aufgebaut sind. Die Lage der Teilbündel ist dem Pupillenabstand von 24 mm des Stereo-Mikroskops MZ12 der Firma Leica angepasst. Die Sensor-Wellenlänge λ_S, die sich aus der mittleren Lichtwellenlänge λ_m, die hier ebenfalls 550 nm betragen soll, entsprechend Gleichung (5) ergibt, ist hier gegenüber der mittleren Lichtwellenlänge λ_m ebenfalls stark vergrößert. Beispielsweise um den Faktor 200, so dass sich beispielsweise eine Sensor-Wellenlänge λ_S von 110 μm ergibt. Das Messfeld kann einen Durchmesser von 10 mm aufweisen. Durch die mechanische Verbindung des Stereomikroskops mit einem rechnergesteuerten Präzisions-z-Lineartisch wird im Messvorgang eine kontinuierliche Bewegung des Stereomikroskops durchgeführt. Dabei wird das Messobjekt 32 über einen vom Beleuchtungsstrahlengang verschiedenen Bereich des Prüfobjektivs 31 abgebildet. Der Messvorgang startet in einer Position des Stereomikroskops, in welcher sich alle Objektpunkte des zu vermessenden Messobjekts 32, hier ein metallisches Objekt, beispielsweise ein Präzisions-Presswerkzeug, oberhalb oder unterhalb der Brennebene des Prüfobjektivs 31 im Objektraum, befinden. Durch die Bewegung des Stereomikroskops in Richtung des Messobjekts 32, welche rechnergesteuert erfolgt, werden nach und nach die Objektpunkte des Messobjekts 32 von der Brennebene des Prüfobjektivs 31 erfasst. Im Bewegungsvorgang werden dabei so lange nacheinander Bilder aufgenommen, bis alle interessierenden Objektpunkte des Messobjekts 32 zumindest einmal scharf aufgenommen sind, wobei die Aufnahme der Objektpunkte etwas über den Schärfebereich hinaus fortgesetzt wird. Wie bereits bekannt, ergibt die pixelweise Auswertung für jeden Objektpunkt das Maximum des Kontrastes und die Phase am Maximum des Kontrastes. Aus diesen beiden Komponenten kann in bekannter Weise über die Geometrie des Strahlengangs die 3D-Punktwolke des Messobjektes 32 errechnet werden.
3 zeigt eine besonders einfache Sensoranordnung für sehr kleine Objektfelder mit einer gemeinsamen Glasplatte 101, die sowohl das Schichtsystem für das Strahlteilersystem 103 als auch das Schichtsystem 106 für das Strahlvereinigungssystem auf der gleichen Seite trägt. Diese Glasplatte 101 weist außerdem zur Reflexion zwei Spiegelschichten 105 und 107 auf. Das kollimierte Licht einer quasi-monochromatischen Lichtquelle gelangt über die Kreisblende 2 und den Polarisator 3 auf die Glasplatte 101. Es entstehen zwei Teilbündel, die in einen Teilerwürfel 21 mit einer nichtpolarisierenden Teilerschicht 22 eintreten und über das Prüfobjektiv 31 auf das Messobjekt 32 gelangen, dort reflektiert werden und schließlich in der bereits beschriebenen Weise in der Ebene der Bildaufnahmeeinheit 54 zur Interferenz gelangen.
4 stellt einen ebenfalls sehr kompakten Sensor für besonders kleine Objektfelder dar. Das Strahlteilersystem und das Strahlvereinigungssystem bilden eine V-Formation. Dabei befindet sich das Strahlteilersystem auf einer ersten planparallelen Glasplatte 201, wobei sich auf einer Seite dieser Glasplatte 201 ein Schichtsystem 202 für das Strahlteilersystem und auf der gegenüberliegenden eine Reflexionsschicht 203 befinden. Dieser ersten planparallelen Glasplatte 201 ist als Strahlvereinigungssystem eine zweite Glasplatte 204 mit vorzugsweise zumindest näherungsweise gleicher Dicke und gleichem Glaswerkstoff so zugeordnet, dass diese beiden Glasplatten 201 und 204 den Buchstaben "V" bilden, wobei die Symmetrieachse dieser "V-Formation" mit der der optischen Achse des Prüfobjektivs 31 zumindest näherungsweise übereinstimmt und diese "V-Formation" dem Prüfobjektiv 31 direkt vorgeordnet ist. Dabei trägt die zweite planparallele Glasplatte 204 ebenfalls auf einer Seite ein Schichtsystem 205 für das Strahlvereinigungssystem und auf der anderen eine Reflexionsschicht 206. Als Lichtquelle dient ein Laser mit einer rotierenden Mattscheibe und einem Kollimator. Aus dem kollimierten Licht entstehen durch das Strahlteilersystem zwei Teilbündel, die über das Prüfobjektiv 31 auf das Messobjekt 32 gelangen, reflektiert werden und schließlich in der bereits beschriebenen Weise in der Ebene der Bildaufnahmeeinheit 54 zur Interferenz gelangen. Wegen des von null verschiedenen optischen Gangunterschiedes im Sensor wird hier ein frequenzstabiler Laser als Lichtquelle verwendet. Wenn bei Messobjekten mittlerer Genauigkeitsanforderung auf die höhere Genauigkeit der Phasenauswertung verzichtet werden kann, wird nur das Kontrastmaximum des Signals ausgewertet. Vorteilhafterweise hat die Wellenlängenstabilität des Lasers in diesem Fall keinen oder keinen sehr großen Einfluss auf die Genauigkeit dieser Auswertung. Jedoch muss der Laser stets eine größere Kohärenzlänge als der optische Gangunterschied im Sensor besitzen. Bei Anwendung eines rechnergesteuerten, durchstimmbaren Halbleiter-Lasers besteht bei dieser Anordnung nach 4 mit einem von null verschiedenen optischen Gangunterschied grundsätzlich auch die Möglichkeit, mittels Wellenlängendurchstimmen die Phase zu stellen, um ein Phasenauswerte-Verfahren nutzen zu können.
5 stellt ein Strahlteilungssystem zur Erzeugung von zwei Teilbündeln mit Lateral-Shear für einen interferometrischen Sensor zur Objektabtastung dar. Dieses ist aus der Planparallelplatte 302 mit einem Brechungsindex n₁ und der Planparallelplatte 304 mit einem Brechungsindex n₂ aufgebaut.
Dabei soll hier n₁ > n₂ gelten. In jedem Fall sind die Brechungsindizes n₁ und n₂ verschieden gemacht. Das aus einem rechnergesteuert durchstimmbaren Halbleiter-Laser mit nachgeordneter rotierender Mattscheibe, Kollimator und Kreisblende austretende Lichtbündel gelangt in das Strahlteilungssystem 301. Das Lichtbündel wird an der polarisierenden Strahlteilerschicht 303 geteilt, wobei das erste Teilbündel reflektiert wird und senkrecht polarisiert ist. Das zweite, hindurchtretende Teilbündel besitzt eine parallele Polarisation. Die beiden Teilbündel werden jeweils an den zugehörigen Außenverspiegelungen 305 und 306 reflektiert, gelangen erneut auf die polarisierende Strahlteilerschicht 303. Dabei wird das Teilbündel mit senkrechter Polarisation an der polarisierenden Strahlteilerschicht 303 ein zweites Mal reflektiert und das mit paralleler Polarisation tritt ein zweites Mal durch diese hindurch. Die beiden am Ausgang des Strahlteilungssystems 301 entstehenden Teilbündel C und D weisen eine Lateral-Shear von 2q₀ auf und breiten sich parallel zur Achse des hier nicht dargestellten Prüfobjektivs 31 aus. Durch die unterschiedlichen Brechungsindizes n₁ und n₂ ist auch der optische Gangunterschied der beiden Teilbündel C und D von null verschieden. Das Strahlvereinigungssystem ist spiegelbildlich aufgebaut und spiegelbildlich zur Achse des Prüfobjektivs 31 angeordnet. Das Strahlteilungssystem 301 zur Strahlteilung, das Prüfobjektiv 31, das Messobjekt 32, sowie das nicht dargestellte System zur Strahlvereinigung zur Verringerung der Lateral-Shear von zwei Teilbündeln bilden ein Interferometer-System. Dabei ist der optische Gangunterschied Δx im Interferometer-System so gewählt, beispielsweise Δx = 3 mm, dass sich beim rechnergesteuerten Durchstimmen des Halbleiter-Lasers mit einer mittleren Laserwellenlänge von λ_m = 550 nm um den Betrag Δλ = 0,1 nm dadurch mindestens eine Phasenverschiebung von 2π im Interferenzsignal ergibt. Besser für die Genauigkeit der Signalauswertung ist jedoch, eine Phasenverschiebung von etwa 10π bis 20π zu erzeugen. Dies kann entweder durch einen 5 bis 10fach größeren Durchstimmbereich der Lichtquelle oder durch einen 5 bis 10fach größeren optischen Gangunterschied im Sensor realisiert werden.
6 stellt eine Anordnung mit einem Moiré-Interferometer dar. Auch hierbei wird die effektive Wellenlänge gegenüber der Lichtwellenlänge gedehnt. Das von einer Lichtquelle 1 mit einem eingegrenzten Spektralbereich von beispielsweise 50nm ausgehende kollimierte Licht beleuchtet ein Transmissions-Phasengitter 2 mit einer Gitterkonstante von 5μm. Es entstehen zwei gebeugte Lichtbündel, die auf das erste Objektiv, das Gitterobjektiv 53, einer ersten, afokal ausgebildeten Abbildungsstufe gelangen und die Bündel C und D bilden. So entstehen nach der Abbildung durch das Prüfobjektiv 31 zwei Bündel C' und D', die den Winkel α1 und α2 mit der optischen Achse des Objektivs 321 einschließen. Nach der Reflexion am Messobjekt 32 entstehen die Bündel C'' und D''. Die beiden Bündel C3 und D3 passieren das Gitterobjektiv 53 und gelangen wieder auf das Transmissions-Phasengitter 2. Es entstehen zwei in die gleiche Richtung gebeugte Bündel C⁴ und D⁴, welche über eine afokale Abbildungsstufe, die aus den Objektiven 131 und 132 besteht auf den Bildempfänger 54 gelangt. Die afokale Abbildungsstufe enthält außerdem eine Abschattblende 182 zur Raumfrequenzfilterung. Es kommt in der Ebene des Bildempfängers zur Zweistrahl-Interferenz. Beim Ändern des Abstandes des Objektes zum Sensor mittels Schlitten kann in jedem Pixel des Bildempfängers ein kurzkohärentes Signal detektiert werden, welches in bekannter Art ausgewertet wird.
7 stellt eine Anordnung mit einem Moiré-Interferometer dar. Auch hierbei wird die effektive Wellenlänge gegenüber der Lichtwellenlänge gedehnt. Das von einer Lichtquelle 1 mit einem eingegrenzten Spektralbereich von beispielsweise 50nm ausgehende kollimierte Licht passiert einen Polarisator 171, dessen Durchlassrichtung zur Zeichenebene 45° beträgt, und beleuchtet ein Transmissions-Phasengitter 2 mit einer Gitterkonstante von 5μm. Es entstehen zwei gebeugte Lichtbündel, die auf das erste Objektiv, das Gitterobjektiv 53, einer ersten, afokal ausgebildeten Abbildungsstufe gelangen und die Bündel C und D bilden. In der gemeinsamen inneren Brennebene der afokal ausgebildeten Abbildungsstufe befindet sich eine erste Doppelabschattblende 161. Das ist die Doppelabschattblende 161 des Beleuchtungsstrahlenganges mit je einem zugeordneten Polarisator 151 und 152, wobei die Durchlassrichtung des ersten Polarisators 151 senkrecht und die Durchlassrichtung des zweiten Polarisators 152 parallel zur Zeichenebene ist. So entstehen nach der Abbildung durch das Prüfobjektiv 31 zwei Bündel C' und D', die den Winkel α1 und α2 mit der optischen Achse des Objektivs 321 einschließen. Nach der Reflexion am Messobjekt 32 entstehen die Bündel C'' und D'', die nach dem Passieren des Prüfobjektivs 31 die Doppelabschattblende 162 passieren. Jeder Öffnung der Doppelabschattblende 162 ist dabei ein Polarisator zugeordnet, dessen Durchlassrichtung so bestimmt ist, dass jeweils genau das Bündel passieren kann, das bei gerichteter Reflexion an einer achssenkrechten Fläche des Messobjektes 32 entsteht. Die beiden Bündel C³ und D³ weisen eine um 90° zueinander unterschiedliche Polarisation auf, passieren das Gitterobjektiv 53 und gelangen wieder auf das Transmissions-Phasengitter 2. Es entstehen zwei in die gleiche Richtung gebeugte Bündel C⁴ und D⁴, welche über eine afokale Abbildungsstufe, die aus den Objektiven 131 und 132 besteht auf den Bildempfänger 54 gelangt. Die afokale Abbildungsstufe enthält außerdem eine Abschattblende 182 zur Raumfrequenzfilterung und einen um – 45° zur Zeichenebene gedrehten Polarisator 172. So entstehen auf dem Bildempfänger 54 zwei interferenzfähige Bündel. Es kommt in der Ebene des Bildempfängers zur Zweistrahl-Interferenz. Die Ausrichtung des Polarisators 172 erfolgt dabei so, dass die von der Lichtquelle 1 unerwünschterweise direkt am Transmissions-Phasengitter 2 reflektierten Bündel gesperrt werden. Beim Ändern des Abstandes des Objektes zum Sensor mittels Schlitten kann in jedem Pixel des Bildempfängers ein kurzkohärentes Signal detektiert werden, welches in bekannter Art ausgewertet wird.
8 stellt ebenfalls eine Anordnung mit einem Moiré-Interferometer dar, die vergleichsweise kostengünstig ist. Hierbei ist die zweite Abbildungsstufe mit einem so langbrennweitigen Objektiv 231 ausgeführt, welches eine so kleine Blendenöffnung aufweist, die als Abschattblende 182 ausgebildet ist, dass die unerwünschten Bündel, die durch Beugung am Transmissions-Phasengitter 2 entstehen und sich nicht in der vorbestimmten Richtung ausbreiten, gesperrt werden. Es kommt in der Ebene des Bildempfängers zur Zweistrahl-Interferenz. Der Polarisator dient dabei wieder der Erzeugung von Interferenzbündeln mit einem übereinstimmenden Polarisationszustand und zur Sperrung der direkt von der Lichtquelle 1 reflektierten Bündel.
Die 9 zeigt für den interferometrischen Sensor eine Realisierungsmöglichkeit, durch Bewegung des Transmissions-Phasengitters 2 mit einem hier nicht dargestellten rechnergesteuerten Schlitten in axialer Richtung kurzkohärente Signale in den Pixeln zu erzeugen. Dies ist von Vorteil, wenn nur ein vergleichsweise kleiner Tiefenmessbereich erforderlich ist und außerdem eine besonders hohe Messgeschwindigkeit erreicht werden soll. Jedoch müssen die Objektive 132, 131, 53 und 31 auch in der Tiefe gut korrigiert sein. Hierbei wird der Bildempfänger 54 mit dem hier nicht dargestellten rechnergesteuerten Schlitten mitbewegt, so dass der Bildempfänger 54 stets ein scharfes Bild aufnimmt. Die Polarisatoren 152 und 153 können dabei auch zu einem einzigen zusammengefasst sein. Beispielsweise, wenn der Winkel α2 praktisch null ist. Ein derartiger Sensor kann für eine Erfassung der 3D-Form von Zähnen in der Zahnmedizin eingesetzt werden, wobei dazu die Zähne am besten mit einem opaken Überzug versehen sind. Dabei sind die Winkel α1 und α2 besonders klein gewählt, beispielsweise sind α1 und α2 deutlich kleiner als 5°.
Für alle dargestellten Verfahren und Anordnungen nach 1 bis 9 können Auswerteverfahren eingesetzt werden, die für kurzkohärente Interferogramme, also Weißlicht-Interferogramme, einsetzbar sind.

Claims

Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung, mit mindestens einer Lichtquelle (1), einem Strahlteilersystem (11), das ein Lichtbündel der Lichtquelle so teilt, dass zwei Teilbündel C und D entstehen, die zueinander eine Lateral-Shear aufweisen, einem Prüfobjektiv (31), einem Messobjekt (32), einem rechnergesteuerten Schlitten zur Änderung des Abstandes zwischen Objekt und Sensor, einem Strahlvereinigungssystem (41), das die Lateral-Shear zwischen den Teilbündeln C'' und D'' eliminiert oder reduziert, einem Bildaufnahme-Objektiv (53) und einer Bildaufnahmeeinheit (54), dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteilersystem (11) als Dreieck-Interferometer mit einem Strahlteiler-Schichtsystem (13) ausgebildet ist.
Interferometrischer Sensor zur Obj ektabtastung, mit mindestens einer Lichtquelle (1), einem Strahlteilersystem (11), das ein Lichtbündel der Lichtquelle so teilt, dass zwei Teilbündel C und D entstehen, die zueinander eine Lateral-Shear aufweisen, einem Prüfobjektiv (31), einem Messobjekt (32), einem rechnergesteuerten Schlitten zur Änderung des Abstandes zwischen Objekt und Sensor, einem Strahlvereinigungssystem (41), das die Lateral-Shear zwischen den Teilbündeln C'' und D'' eliminiert oder reduziert, einem Bildaufnahme-Objektiv (53) und einer Bildaufnahmeeinheit (54), dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlvereinigungssystem (41) als Dreieck-Interferometer mit einem Strahlteiler-Schichtsystem (43) ausgebildet ist.
Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung nach mindestens einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteilersystem (11) und das Strahlvereinigungssystem (41) mit je zwei Halbpentaprismen (12, 14, bzw. 42, 44) und je einem Strahlteiler-Schichtsystem (13, 43) ausgebildet sind.
Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung nach mindestens einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteiler-Schichtsystem (13, 43) zumindest bei einem Winkel unter 45° und zumindest für eine einzige Wellenlänge ein polarisierendes Strahlteiler-Schichtsystem darstellt.
Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung nach mindestens einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das unter 45° polarisierende Strahlteiler-Schichtsystem (13, 43) zumindest bei einem Einfallswinkel von 0° und zumindest für eine einzige Lichtwellenlänge zumindest näherungsweise transparent ist.
Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung nach mindestens einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Halbpentaprismen (12, 14, bzw. 42, 44) miteinander verkittet sind.
Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung nach mindestens einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Halbpentaprismen (12, 14) des Strahlteilersystems (11) und die Halbpentaprismen (42, 44) des Strahlvereinigungssystems (41) zueinander verschiebbar angeordnet sind.
Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung nach mindestens einem der Ansprüche 1–5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Halbpentaprismen (12, 14) des Strahlteilersystems (11), bzw. eines der Halbpentaprismen (42, 44) des Strahlvereinigungssystems (41) mit einem Justierschlitten verbunden sind.
Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung, mit mindestens einer Lichtquelle (1), einem Strahlteilersystem zur Erzeugung von zwei Teilbündeln mit einer Lateral-Shear, einem Prüfobjektiv (31), einem Messobjekt (32), einem rechnergesteuerten Schlitten zur Änderung des Abstandes zwischen Objekt und Sensor, einem Strahlvereinigungssystem zur Verringerung der Lateral-Shear zwischen den Teilbündeln und einem Bildaufnahme-Objektiv (53) und einer Bildaufnahmeeinheit (54), dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteilersystem und das Strahlvereinigungssystem sich auf einer gemeinsamen Glasplatte (101) befinden, die sowohl das Schichtsystem für das Strahlteilersystem (103) als auch das Schichtsystem (106) auf einer Seite dieser Glasplatte (101) für das Strahlvereinigungssystem trägt und diese Glasplatte (101) außerdem zur Reflexion mindestens eine Spiegelschicht (105, 107) aufweist.
Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung, mindestens mit einer Lichtquelle (1), einem Strahlteilersystem zur Erzeugung von zwei Teilbündeln mit einer Lateral-Shear, einem Prüfobjektiv (31) einem Messobjekt (32), einem rechnergesteuerten Schlitten zur Änderung des Abstandes zwischen Objekt und Sensor, einem Strahlvereinigungssystem zur Verringerung der Lateral-Shear zwischen den Teilbündeln, einem Bildaufnahme-Objektiv (53) und einer Bildaufnahmeeinheit (54), dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteilersystem sich auf einer ersten planparallelen Glasplatte 201 befindet, wobei sich auf einer Seite dieser Glasplatte 201 ein Schichtsystem 202 für das Strahlteilersystem und auf der gegenüberliegenden eine Reflexionsschicht 203 befindet und dieser ersten planparallelen Glasplatte 201 als Strahlvereinigungssystem eine zweite Glasplatte 204 mit vorzugsweise zumindest näherungsweise gleicher Dicke und gleichem Glaswerkstoff so zugeordnet ist, und dass diese beiden Glasplatten 201 und 204 den Buchstaben "V" bilden, wobei die Symmetrieachse dieser "V-Formation" mit der der optischen Achse des Prüfobjektivs (31) zumindest näherungsweise übereinstimmt und diese "V-Formation" dem Prüfobjektiv (31) direkt vorgeordnet ist, wobei die zweite planparallelen Glasplatte 204 ebenfalls auf einer Seite ein Schichtsystem 205 für das Strahlvereinigungssystem und auf der anderen eine Reflexionsschicht 206 trägt.
Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung, mit mindestens einer Lichtquelle (1), einem Prüfobjektiv (31), einem Strahlteilersystem zur Erzeugung von zwei Teilbündeln mit einer Lateral-Shear, einem Messobjekt (32), einem rechnergesteuerten Schlitten zur Änderung des Abstandes zwischen Objekt und Sensor, einem Strahlvereinigungssystem zur Verringerung der Lateral-Shear zwischen den Teilbündeln, einem Bildaufnahme-Objektiv (53) und einer Bildaufnahmeeinheit (54), dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteilersystem (301) und das Strahlvereinigungssystem mit jeweils einem polarisierenden Schicht-System (303) und mittels je zwei miteinander verkitteten Planparallelplatten (302, 304) und mit jeweils einer Außenverspiegelung (305, 306) aufgebaut sind und die beiden Systeme im Sensor spiegelbildlich zueinander angeordnet sind und die beiden Systeme jeweils einen optischen Gangunterschied von mindestens 0,1 mm aufweisen und jeweils eine Lateral-Shear von mindestens 0,1 mm erzeugen, wobei die monochromatische Lichtquelle rechnergesteuert durchstimmbar gemacht ist.
Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungsindizes der beiden Planparallelplatten (302, 304), die jeweils miteinander verkittetet sind, unterschiedlich gemacht sind.
Interferometrisches Verfahren zur Objektabtastung, bei dem mindestens ein monochromatisches Lichtstrahlenbündel der Wellenlänge λ erzeugt wird, mit einem Strahlteilersystem mindestens einmal geteilt wird, so dass zwei kohärente Teilbündel (C, D) entstehen, die gegenseitig eine Lateral-Shear aufweisen und die beiden Teilbündel anschließend mit einem Prüfobjektiv (31) auf das Messobjekt (32) fokussiert (C', D') werden und dort durch Reflexion an dieser in die zwei Teilbündel (C'', D'') übergehen und nach dem zweiten Durchlaufen des Prüfobjektivs (31) und eines Strahlvereinigungssystems die zwei Teilbündel (C'', D'') derart zusammengeführt werden, dass ihre Lateral-Shear reduziert ist und mittels eines Bildaufnahme-Objektivs (53) die zusammengeführten Teilbündel auf eine Bildaufnahmeeinheit (54) fokussiert werden, wo diese Teilbündel zur Interferenz gelangen, wobei im Messvorgang eine Relativbewegung zwischen dem Aufnahmesystem und auf dem Messobjekt (32) durchgeführt wird und eine Bildserie aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass Licht der mittleren Wellenlänge λm des monochromatischen Lichtstrahlenbündels im Messvorgang um einen Wellenlängenbereich Δλ durchstimmbar gemacht ist und die Baugruppen Strahlteilersystem, Prüfobjektiv (31), Messobjekt (32) und Strahlvereinigungssystem ein Interferometer-System bilden, welches mindestens einen optischen Gangunterschied von Δx = λm2/Δλ aufweist.
Interferometrisches Verfahren zur Objektabtastung, bei dem mindestens ein monochromatisches Lichtstrahlenbündel von einer Lichtquelle (1) der Wellenlänge λ erzeugt wird und das Lichtstrahlenbündel mit einem Strahlteilersystem mindestens einmal geteilt wird, so dass zwei kohärente Teilbündel (C, D) entstehen, die gegenseitig eine Lateral-Shear aufweisen und die beiden Teilbündel anschließend mit einem Prüfobjektiv (31) auf das Messobjekt (32) fokussiert (C', D') werden und dort durch Reflexion an dieser in die zwei Teilbündel (C'', D'') übergehen und nach dem zweiten Durchlaufen des Prüfobjektivs (31) und eines Strahlvereinigungssystems die zwei Teilbündel (C'', D'') derart zusammengeführt werden, dass ihre Lateral-Shear reduziert ist und mittels eines Bildaufnahme-Objektivs (53) die zusammengeführten Teilbündel auf eine Bildaufnahmeeinheit (54) fokussiert werden, wo diese Teilbündel zur Interferenz gelangen, wobei im Messvorgang mit der Bildaufnahmeeinheit stets eine Bildserie aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle um einen Wellenlängenbereich durchstimmbar gemacht ist und das Prüfobjektiv (31) im Durchstimmbereich der Lichtquelle (1) chromatisch ausgebildet ist.
Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung, mit mindestens einer Lichtquelle (1), einem Strahlteilersystem zur Erzeugung von zwei Teilbündel mit Lateral-Shear, einem Prüfobjektiv (31) mit einem Beleuchtungsstrahlengang und einem Beobachtungsstrahlengang, einem Messobjekt (32), einem rechnergesteuerten Schlitten zur Änderung des Abstandes zwischen Objekt und Sensor, einem Strahlvereinigungssystem zur Verringerung der Lateral-Shear zwischen den Teilbündeln, einem Gitterobjektiv (53) und einer Bildaufnahmeeinheit (54), der eine zweite Abbildungsstufe vorgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Strahlteilersystem als auch das Strahlvereinigungssystem als Phasengitter mit einem Gitterobjektiv ausgebildet sind und dass das Prüfobjektiv (31) in einer ersten Abbildungsstufe angeordnet ist, die mit dem Gitterobjektiv (53) als afokale Anordnung (31, 53) aufgebaut ist und ein schleifenförmiger Strahlverlauf vom beleuchteten Phasengitter über die Objektoberfläche, wobei mindestens ein einfallendes Teilbündel zur optischen Achse des Prüfobjektivs (31) geneigt ist, zurück auf das Phasengitter besteht und dem Phasengitter ein zweites Gitterobjektiv (131) mit einer Lochblende (182) in der Brennebene desselben zugeordnet ist.
Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der inneren Fokalebene der ersten Abbildungsstufe mindestens eine erste Doppelabschattblende (161) im Beleuchtungsstrahlengang und mindestens eine zweite Doppelabschattblende (162) im Beobachtungsstrahlengang angeordnet ist und jeder Blendenöffnung ein Polarisator (151, 152, 153, 154) zugeordnet ist, wobei die Durchlassrichtung der Polarisatoren (151, 152, 153, 154) einer jeden Doppelabschattblende (161, 162) um 90° zueinander gedreht ist und der Doppelabschattblende (162) im Beobachtungsstrahlengang ein Polarisator (172) nachgeordnet ist und in der zweiten Abbildungsstufe (131, 132, 231) Mittel zur Bündelbegrenzung (182) angeordnet sind.
Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung nach mindestens einem der Ansprüche 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasengitter sowohl zur Strahlteilung als auch zur Strahlvereinigung verwendbar ist.
Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung, mit mindestens einer Lichtquelle (1), einem Strahlteilersystem, das ein Lichtbündel der Lichtquelle so teilt, dass zwei Teilbündel C und D entstehen, die zueinander eine Lateral-Shear aufweisen, einem Prüfobjektiv (31) mit einem Beleuchtungsstrahlengang und einem Beobachtungsstrahlengang, einem Messobjekt (32), einem Strahlvereinigungssystem, das die Lateral-Shear zwischen den Teilbündeln C³ und D³ eliminiert oder reduziert, einem rechnergesteuerten Schlitten zur Änderung der axialen Position mindestens einer Komponente des Strahlteilersystems, einem Bildaufnahme-Objektiv (53) und einer Bildaufnahmeeinheit (54), der eine zweite Abbildungsstufe vorgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Strahlteilersystem als auch das Strahlvereinigungssystem als ein Phasengitter (2) mit einem Objektiv OG1 (53) ausgebildet sind, wobei sich das Phasengitter (2) in der Umgebung der Brennebene des Objektivs OG1 (53) befindet und diesem Phasengitter (2) der rechnergesteuerte Schlitten zugeordnet ist, und dass das Prüfobjektiv (31) in einer ersten Abbildungsstufe angeordnet ist, die mit dem Objektiv OG1 (53) als afokale Anordnung (31, 53) aufgebaut ist und dem Phasengitter ein zweites Objektiv OG2 (131) mit einer Lochblende (182) in dessen Brennebene zugeordnet ist.
Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in der inneren Fokalebene der ersten Abbildungsstufe mindestens eine erste außeraxiale Doppelabschattblende (161) im Beleuchtungsstrahlengang und mindestens eine zweite außeraxiale Doppelabschattblende (162) im Beobachtungsstrahlengang angeordnet ist und jeder Blendenöffnung ein Polarisator (151, 152, 153, 154) zugeordnet ist, wobei die Durchlassrichtung der Polarisatoren (151, 152, 153, 154) einer jeden Doppelabschattblende (161, 162) um 90° zueinander gedreht ist und der Doppelabschattblende (162) im Beobachtungsstrahlengang ein Polarisator (172) nachgeordnet ist und in der zweiten Abbildungsstufe (131, 132, 231) Mittel zur Bündelbegrenzung (182) angeordnet sind.
Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasengitter (2) als Transmissions-Phasengitter ausgebildet ist, welches für eine Wellenlänge die nullte Beugungsordnung zumindest näherungsweise unterdrückt.
Interferometrischer Sensor zur Objektabtastung mindestens einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasengitter (2) als Reflexions-Phasengitter ausgebildet ist, welches für eine Wellenlänge die nullte Beugungsordnung zumindest näherungsweise unterdrückt.