DE10341714A1

DE10341714A1 - Optischer Sensor

Info

Publication number: DE10341714A1
Application number: DE2003141714
Authority: DE
Original assignee: NOVA WAVE LIGHT 01 GmbH
Current assignee: NOVA WAVE LIGHT 01 GmbH
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2005-05-25

Abstract

Interferometrischer Sensor zur Vermessung von Oberflächenverformungen oder Messung von dreidimensionalen Objekten,

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Kohärent-optische Messverfahren zur Erfassung der Oberflächenverformung und dreidimensionalen Geometrie von Bauteilen finden sowohl in der Forschung und Entwicklung wie beispielsweise in der Bauteiloptimierung als auch in der Produktion beispielsweise in der Qualitätskontrolle Anwendung.

Optische Verfahren, insbesondere interferometrische Verfahren sind seit mehr als 40 Jahren bekannt. Während Verfahren die auf holographischer Interferometrie basieren, meistens hochauflösendes Filmmaterial erforderlich machen und damit wenig geeignet in Produktionsumgebungen sind, sind in den letzten 20 Jahren elektronische Verfahren wie z.B. ESPI (electronic speckle pattern interferometry) und TV shearing in den Vordergrund des Interesses gerückt. Hierbei kann ein elektronisches Medium wie z.B. ein CCD Bildsensor zur Aufnahme eines Speckle-Bildes eingesetzt werden. Es werden im Falle von Verformungsmessungen zwei Bilder aufgenommen, eines vom verformten und eines vom unverformten Zustand des Messobjektes, wobei das Licht des Messobjekts mit einer Referenzwelle überlagert wird. Die beiden so entstandenen Bilder (Speckle Bilder) werden auf einem CCD Sensor abgebildet und in einem Computer weiterverarbeitet. Dabei wird der Verformungszustand indirekt als Korrelationsmuster („Streifenmuster") angezeigt. Während bis etwa 1985 aus solchen Bildern die tatsächliche Verformung manuell bestimmt wurde, sind in den letzten 15 Jahren Bildverarbeitungssysteme eingesetzt worden die eine teilweise automatisierte Auswertung der Streifenmuster erlaubt. Diese Automatisierung erfordert typischerweise drei oder vier Bilder eines Objektzustands, wobei die einzelnen Bilder jeweils definiert (optisch) phasenverschoben sind. Bis vor kurzen wurde diese Phasenverschiebung hauptsächlich mit einem Spiegel bewerkstelligt, der mittels eines piezoelektrischen Elements die Referenzwelle in der Phase verschoben hat. Dieses Verfahren wird in der Literatur mit temporal phase shifting bezeichnet da die phasenverschobenen Einzelbilder zeitlich nacheinander verarbeitet werden. Daneben wird seit einigen Jahren auch das sogenannte spatial phase shifting eingesetzt bei dem die phasenverschobenen Bilder zeitgleich vorliegen.

Trotz des Fortschritts in der interferometrischen Messtechnik bleiben die Einsatzgebiete weitgehend auf der Forschungs- und Entwicklungsbereich beschränkt. Dies liegt zum einen an den hohen Kosten die mit der Messtechnik verbunden ist, andererseits an der schwierigen Bedienbarkeit. In den überwiegenden Fällen sind komplizierte Aufbauen erforderlich, die nur von Spezialisten bedient werden können. Dementsprechend beschränkt sind die Einsatzfelder.

Gegenstand der Erfindung ist ein robuster miniaturisierter Sensor, der gekennzeichnet ist durch ein hohes Mass an hybrider Integration von optischen und elektronischen Komponenten kombiniert mit einem optischen Verfahren zur Erzeugung der phasenverschobenen Bilder.

Die Erfindung ermöglicht die Kombination aus niedrigen Herstellkosten, einfacher Handhabung, sehr kompakte Bauform und Echtzeit- oder Quasi-Echtzeitmessung.

Durch diese Merkmale wird die Messtechnik einem wesentlich breiteren Markt zugänglich gemacht, insbesondere lässt sich der Sensor als permanent eingebautes Instrument zur Überwachung kritischer mechanischer Bauteile verwenden. Einsatzbeispiele hierfür sind z.B. der Bereich der Luft-/ und Raumfahrt sowie im Automobilbau. Es ist davon auszugehen, dass der Sensor auch in der Qualitätskontrolle bei der Herstellung von mechanischen, optischen sowie Halbleiterkomponenten und mikromechanische Komponenten (MEMS) breite Anwendung finden wird.

Ausführungsbeispiele Alle Anordnungen haben folgende Prinzipien gemeinsam:

1. Das vom Messobjekt empfangene Licht wird mit einer Referenzwelle verglichen. Dies kann im Falle der Shearing Anordnungen (Ausführungsformen 1,2) das Licht vom Messobjekt sein, das gegen sich selbst geschert wird. Im Falle der Ausführungsformen 3-5 ist die Referenzwelle entweder eine glatte Bezugswelle oder ein Specklebezugsfeld.
2. Die Polarisationskomponenten von Objekt- und Bezugswelle werden so verändert dass sie bei Eintritt in das diffraktive optische Element 8 aufeinander senkrecht stehen.
3. Die vier zeitgleichen jeweils um 90° gegeneinander phasenverschobenen Bilder werden auf den Bildsensoren mit einer Viertelwellenplatte und linearen Polarisatoren erzeugt wie in 6b gezeigt.

Speckle Anordnungen
Shearing Sensor – Ausführung 1
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Sensors. Der gesamte Sensor 22 besteht aus den Teilen 3-17. Das Messobjekt 1 wird mit kohärentem Licht von einer Lichtquelle 16 beleuchtet. Die Lichtquelle kann im Dauerstrichbetrieb oder gepulst betrieben werden. Die Steuerung der Lichtquelle 16 erfolgt über die Elektronik 17. Das reflektierte Licht gelangt über das Objektiv 3 und Linse 4 (z.B. telezentrische Anordnung), in den Sensor wobei es mit dem Polarisator 14 linear polarisiert wird. Ein Teil des Lichts gelangt direkt durch den polarisierenden Strahlteiler 6 und über Linse 7 auf das diffraktive optische Element 8 („Objektstrahl"). Der andere Teil gelangt über den Strahlteiler 6 und die Viertelwellenplatte 15 auf den Spiegel 5 und wird von dort wieder über den polarisierenden Strahlteiler 6 auf den Spiegel 12 der um den Winkel α gedreht ist. Das Licht wird reflektiert und passiert erneut die Viertelwellenplatte 13 und somit ist die Polarisation nach dem Durchgang um 90 Grad gedreht. Dadurch wird das Licht am polarisierenden Strahlteiler ebenfalls in Richtung Linse 7 gelenkt und erreicht ebenfalls das diffraktive optische Element 8 („Referenzstrahl"). Somit unterscheiden sich die beiden Lichtanteile Objektstrahl und Referenzstrahl erstens dadurch dass die Polarisationskomponenten senkrecht aufeinander stehen und zweitens dass das Licht vom Spiegel kommend etwas geschert gegenüber dem direkten Anteil wurde. Das diffraktive optische Element 8 ist so ausgeprägt, dass es das einfallende Licht in vier Teilstrahlen zerlegt. Jedes der vier Teilbündel fällt jeweils auf einen dahinter angeordneten Bildsensor 11. Dies wird in 6 verdeutlicht. Vor jedem der Bildsensoren befindet sich eine Kombination aus unterschiedlich angeordneter Viertelwellenplatte und linearem Polarisator 10 (mit A-D in 6 gekennzeichnet) die die beiden aufeinander senkrecht stehenden Polarisationskomponenten von Referenz- und Objektstrahl so kombinieren dass auf den vier Bildsensoren 11 insgesamt vier jeweils um 90 Grad in der optischen Phase phasenverschobene Bilder entstehen. Die vier phasenverschobenen Bilder entstehen gleichzeitig und werden von der nachfolgenden Elektronik 17, beispielsweise einem digitalen Signalprozessor zu einem Phasenbild (modulo-2pi-Bild) verarbeitet und an einen Hostrechner 18 übergeben. Die Messung ist, im Gegensatz zum „temporal phase shifting" nur von der Bilderfassungsgeschwindigkeit der Sensoren sowie der nachgeschalteten Elektronik abhängig.
Shearing Sensor – Ausführung 2
In der in 2 gezeigten Anordnung wird auf den polarisierenden Strahlteiler verzichtet und das gescherte Bild mit dem diffraktiven optischen Element 19 erzeugt. Vor dem diffraktiven Element 8 befindet sich eine Platte 20 bestehend aus zwei Teilplatten 20a und 20b, gezeigt in 7, die die Polarisation von Objekt- und Referenzwelle Ob und Re so verändern dass sie aufeinander senkrecht stehen. Dies kann z.B. so erfolgen, dass die Teilplatte 20a die Polarisation unverändert lässt und die Teilplatte 20b aus einer Halbwellenplatte besteht. Die restliche Anordnung entspricht der von Ausführung 1.
ESPI Sensor – Ausführung 3
Die in 3 gezeigte Anordnung entspricht der Anordnung 1 mit folgenden Unterschieden: Erstens erfolgt die Beleuchtung des Objektes entlang der optischen Achse mit Hilfe der Lichtquelle 16 und zweitens entsteht die Referenzwelle nicht durch Bildscherung sondern durch eine glatte Referenzwelle die über den polarisierenden Strahlteiler 6 und den (nicht gekippten) Spiegel 5. Anstatt des Spiegels 5 kann auch eine diffus rückstreuende Fläche benutzt werden.
Zwei Wellenlängen contouring – Ausführung 4
Die in 5 gezeigte Anordnung entspricht der von Ausführung 3 (ESPI) mit der Ausnahme dass die Beleuchtung mit zwei Lichtquellen 16 unterschiedlicher Wellenlänge erfolgt. Dabei wird zur Erzeugung eines Ergebnisbildes eine Aufnahme des Messobjekts mit einer Wellenlänge vorgenommen, die zweite Aufnahme mit der zweiten Wellenlänge. Die Lichtquelle 16 kann z.B. aus zwei Diodenlasern mit Faserkopplung erzeugt werden.
Interferometrische Anordnungen
Bei interferometrischen Anordnungen stammt das Licht das in den Sensor fällt von Objekten die optisch glatt oder transparent sind. Somit entstehen im Gegensatz zu diffus reflektierenden Oberflächen keine Speckle Felder sondern einfacher strukturierte Objektwellenfelder.
Anordnung zur Messung von Schlieren – Ausführung 5
Die Anordnung entspricht Anordnung 3 (ESPI). Zusätzlich ist hinter dem Messfeld ein Spiegel 21 angeordnet der das Licht in den Sensor zurückreflektiert. Das Messobjekt 1 ist in diesem Fall ein Phasenobjekt.

Claims

Interferometrischer Sensor zur Vermessung von Oberflächenverformungen oder Messung von dreidimensionalen Objekten,
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsoptik und Elektronik in einem Sensorgehäuse hybrid integriert werden
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsoptik aus einer speziellen Anordnung von Polarisationsoptischen Komponenten und vier Bildsensoren besteht, auf die vier phasenverschobene Bilder abgebildet werden die von der nachgeschalteten Elektronik im Sensor mittels eines Signalprozessors zu einem modulo-2pi Bild weiterverarbeitet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die vier phasenverschobenen Bilder durch eine spezielle Anordnung polarisierender optischer Komponenten und eines oder mehrerer diffraktive optischer Elemente erzeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik die aufgenommenen Bilder digital im Sensor speichert und verarbeitet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik die Messergebnisse, d.h. das Ergebnisbild in Echtzeit oder Quasi-Echtzeit an den Host ausgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Messobjekt empfangene Licht mit Hilfe eines diffraktiven Objektes in zwei gegeneinander versetzte (gescherte) Teilbilder zerlegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in Anspruch 7 bezeichneten Teilbilder durch die Polarisationsoptik in der Bildebene so umgewandelt werden dass die Polarisationskomponenten der Teilbilder aufeinander senkrecht stehen.