DE19513233A1 - Determination of phases and phase differences of light reflecting from specular or diffusely reflecting, or transparent surface of object - Google Patents

Determination of phases and phase differences of light reflecting from specular or diffusely reflecting, or transparent surface of object

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DE19513233A1 DE1995113233 DE19513233A DE19513233A1 DE 19513233 A1 DE19513233 A1 DE 19513233A1 DE 1995113233 DE1995113233 DE 1995113233 DE 19513233 A DE19513233 A DE 19513233A DE 19513233 A1 DE19513233 A1 DE 19513233A1
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Abstract

The method uses light or infrared radiation with rays reflected in a shifting or distorted condition, either from an object with a diffusely reflecting surface, from a transparent object or from the surface of a mirror. The object (10) is irradiated by a coherent beam (11) of known frequency. The reflected rays (12) pass through an imager (13) to a sensor (15). The sensor is composed of many regularly arranged pixels (16). A superimposed reference ray (14) of equal frequency and defined phase produces an speckle interference pattern (17). The intensity values of the pattern are processed to give the calculated phase difference.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Phasen und Phasendifferenzen von Strahlung, insbesondere von Licht­ strahlung und Infrarot-Strahlung, die von einem Objekt diffus reflektiert, transmittiert sowie glatt reflektiert wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.The invention relates to a method for determining phases and phase differences of radiation, especially of light Radiation and infrared radiation diffused by an object reflected, transmitted and smoothly reflected, as well a device for performing such a method.

Die Bestimmung von Phasen und Phasendifferenzen ist Grundlage der in der optischen Meßtechnik verwendeten Verfahren, wie holo­ graphische Interferometrie, Interferometrie, Speckle-Meßverfah­ ren, Shearographie, Streifenprojektionsverfahren, Moire-Verfah­ ren und dergleichen. Dabei werden die Phasenbeziehungen in Form von Streifenmustern dargestellt, die sich entweder aus der Ver­ knüpfung von in zwei Zuständen aufgenommenen Bildern ergeben oder die direkt durch die Überlagerung zweier Wellenfronten entstehen.The determination of phases and phase differences is the basis the methods used in optical measurement technology, such as holo graphic interferometry, interferometry, speckle measurement ren, shearography, fringe projection method, Moire method ren and the like. The phase relationships are in shape represented by stripe patterns, which either derive from Ver linkage of images taken in two states or that directly through the superposition of two wave fronts arise.

Für die automatische Auswertung der entstehenden Bilder hat sich als besonders leistungsfähig das sogenannte Phasenshift-Verfah­ ren bewährt, das von den Streifenbildern ausgeht und diese Streifenbilder in einer Art manipuliert, die eine punktweise mathematische Analyse durch einen Rechner erlaubt. Hierzu wird die an einem beliebigen Punkt eines aufgenommenen Bildes zu messende Intensität durch folgende Gleichung beschrieben:For the automatic evaluation of the resulting images the so-called phase shift process is particularly efficient proven that emanates from the stripes and these Strip images manipulated in a way that a point by point mathematical analysis allowed by a computer. To do this the at any point of a captured image measuring intensity described by the following equation:

I = a(x)(1 + m (x) cos ϕ)I = a (x) (1 + m (x) cos ϕ)

wobei I die Lichtintensität in dem betreffenden Zustand des Objekts, a die Hintergrundhelligkeit, m der Kontrast und ϕ die Phasenlage in dem betreffenden Zustand bedeutet. Zur Berechnung der interessierenden Meßgröße, die Phase ϕ, wird beim Phasen­ shift-Verfahren eine bekannte Zusatzphase θ eingeführt:where I is the light intensity in the relevant state of the Object, a the background brightness, m the contrast and ϕ the Phase position in the relevant state means. For calculating the parameter of interest, the phase ϕ, is in the phase shift procedure introduced a known additional phase θ:

I = a(x)(1 + m (x) cos (ϕ+ θ))I = a (x) (1 + m (x) cos (ϕ + θ))

Nimmt man ein dreimaliges Verschieben dieser Zusatzphase θ und jeweils eine Bestimmung der Intensität I vor, ergibt sich ein Gleichungssystem mit 3 Unbekannten, aus dem die gesuchte Phase ϕ berechnet werden kann.If you take this additional phase θ and A determination of the intensity I before results in a System of equations with 3 unknowns, from which the searched phase ϕ can be calculated.

Offenbart ist dieses Phasenshift-Verfahren zur Ausbildung von Linienbildern aller Art beispielsweise in der DE-OS 37 23 555. Die hier beschriebene Vorgehensweise entspricht der klassischen Entwicklung der interferometrischen Meßtechnik, bei der zunächst die Phasenbeziehung zwischen zwei Lichtstrahlen durch die o.a. Gleichung beschrieben wird, und der holographischen Interferome­ trie, bei der ebenfalls direkt Interferenzstreifen entstehen, die analog weiter verrechnet werden. Als nachteilig ist dabei anzusehen, daß die Notwendigkeit besteht, für jeden Objektzu­ stand mindestens drei phasenverschobene Bilder aufzunehmen, daraus jeweils die Phase zu berechnen und anschließend durch Subtraktion die Veränderung des Objektes zwischen zwei Zuständen zu bestimmen. Dieses Vorgehen gestaltet das Verfahren recht zeitaufwendig. Hinzu kommt, daß die Bilder in jedem Zustand nacheinander eingelesen werden, was voraussetzt, daß sich das Objekt während dieser Einlesezeit in Ruhe befindet. Außerdem muß auch der Meßaufbau für die Dauer des zeitaufwendigen Bildauf­ nehmens und Auswertens in Ruhe sein. Das Phasenshift-Verfahren ist daher nur für langsam ablaufende Vorgänge einsetzbar und außerordentlich störungsanfällig durch Einflüsse aus der Umge­ bung. This phase shift method for the formation of is disclosed Line images of all kinds, for example in DE-OS 37 23 555. The procedure described here corresponds to the classic one Development of the interferometric measuring technique, in which initially the phase relationship between two light beams by the above Equation is described, and the holographic interferome trie, which also produce interference fringes directly, which are charged analogously. The disadvantage is consider that there is a need to stood to take at least three phase-shifted images, to calculate the phase and then by Subtract the change of the object between two states to determine. This procedure shapes the procedure quite well time consuming. Add to that the pictures in every condition be read one after the other, which presupposes that the Object is at rest during this reading time. In addition, must also the measurement setup for the duration of the time-consuming image take and evaluate in peace. The phase shift process can therefore only be used for slow processes and extremely susceptible to interference due to influences from the surrounding area exercise.  

Ein anderes Verfahren zur Durchführung des Phasenschiebeverfah­ rens ist in der EP 0 419 936 B1 offenbart. Hierzu wird das Ob­ jekt in mindestens zwei Zuständen mit kohärenter oder teilkohä­ renter Strahlung einer vorbestimmten Frequenz bestrahlt, und in jedem von mindestens zwei veränderten Zuständen wird die reflek­ tierte bzw. durchlaufene Strahlung von einer Abbildungsoptik in eine Bildebene abgebildet, in der sich ein Sensor mit einer Vielzahl von vorzugsweise regelmäßig angeordneten Sensorelemen­ ten bzw. -pixeln befindet. Auf diesem Sensor wird eine Referenz­ strahlung mit einer bestimmten vorzugsweise gleichen Frequenz mit definierter Phasenlage überlagert, und aus den Intensitäts­ signalen der Sensorelemente bzw. -pixel wird die Phasendifferenz der Strahlung von dem Objekt bzw. durch das Objekt zwischen den beiden Zuständen bestimmt. Dabei werden zur Bestimmung der Phase ebenfalls nach obigen Gleichungen drei oder mehr benachbarte Sensorelemente eines bildaufnehmenden Sensors zusammengefaßt, um pro Zustand nur mit einer Aufnahme des Bildes auszukommen und auch bewegte Vorgänge untersuchen zu können. Bei der Untersu­ chung optisch rauher Oberflächen werden dazu die Speckles so vergrößert, daß sie jeweils mindestens drei Sensorelemente über­ decken.Another method of performing the phase shifting process rens is disclosed in EP 0 419 936 B1. For this, the Ob project in at least two states with coherent or partially coherent irradiated radiation of a predetermined frequency, and in each of at least two changed states is the reflec radiated or traversed radiation from an imaging optics in depicted an image plane in which a sensor with a A large number of preferably regularly arranged sensor elements ten or pixels. On this sensor is a reference radiation with a certain preferably the same frequency superimposed with a defined phase position, and from the intensity The phase difference becomes signals from the sensor elements or pixels the radiation from the object or through the object between the determined in both states. This will help determine the phase also three or more neighboring ones according to the above equations Sensor elements of an image-recording sensor summarized to per condition only with one picture and to also be able to examine moving processes. At the Untersu This is how the speckles become optically rough surfaces magnified that they each have at least three sensor elements cover.

Als Nachteil ist dabei jedoch anzusehen, daß durch die Zusammen­ fassung dreier Sensorelemente eine Reduzierung der Ortsauflösung auf ein Drittel gegenüber dem zeitlichen Phasenschieben erfolgt. Da aber die Bildauflösung in der Ganzfeldmeßtechnik stets die limitierende Größe ist, ist die praktische Einsetzbarkeit dieses aus der EP 0 419 936 bekannten Verfahrens sehr eingeschränkt. Da weiterhin bei der Aufnahme die Speckles so groß gemacht werden müssen, daß sie mindestens drei Sensorelemente überdecken, und hierzu eine Verkleinerung der Blendenöffnung dient, tritt auch ein erheblicher Lichtverlust auf. Hinzu kommt ferner, daß bei diesem vorbekannten Verfahren für jeden Zustand des Objekts ein Gleichungssystem mit mindestens drei Gleichungen aufgestellt und gelöst werden muß, was zu einem nicht unerheblichen Rechenauf­ wand sowie Speicherbedarf führt.As a disadvantage, however, is to be seen that through the together three sensor elements to reduce the spatial resolution to a third compared to the temporal phase shift. But since the image resolution in full-field measurement technology is always the is limited size, the practicality is this method known from EP 0 419 936 is very limited. There continue to make the speckles so big when shooting must cover at least three sensor elements, and this serves to reduce the aperture, also occurs a significant loss of light. In addition, that this known method for each state of the object Equation system with at least three equations and  must be solved, which leads to a not inconsiderable calculation wall and storage requirements.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bin Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung derart weiterzubil­ den, daß bei einer Bildaufnahme pro Objektzustand eine hohe Bildauflösung erreicht wird.The invention is based, task and a method To continue device of the type mentioned in the beginning that a high image per object state Image resolution is achieved.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe verfahrensseitig durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale und vorrichtungsseitig durch die im Patentanspruch 12 genannten Merkmale gelöst. Bevorzugte Merkmale, die das Verfahren bzw. die Vorrichtung günstig weiter­ bilden, sind in den jeweils nachgeordneten Patentansprüchen ge­ nannt.According to the invention, this task is carried out on the process side by the Features mentioned claim and device side by solved the features mentioned in claim 12. Preferred Features that further favor the method or the device form, are ge in the respective subordinate claims called.

Erfindungsgemäß wird beispielsweise ein Objekt, das eine diffus reflektierende Oberfläche besitzt, mit kohärenter oder teilkohä­ renter Strahlung beliebiger Polarisationsrichtung bestrahlt, und das reflektierte Licht wird mit einer Abbildungsoptik in eine Bildebene abgebildet, in der sich ein lichtempfindlicher Sensor bzw. eine Mehrchipkamera mit einer Vielzahl von Sensorelementen bzw. -pixel befindet. Bei einem analogen Sensor, wie Röhrenkame­ ra, Diode, entspricht ein Sensorelement der Auflösung. Gleich­ zeitig wird der Sensor mit weiterem Licht, vorzugsweise gleicher Frequenz und definierter Phasenlage, derart beleuchtet, daß ein Interferenzmuster auf dem Sensor entsteht. Objekt- und Referenz­ strahl werden dabei so eingestellt, daß sie ein Interferenzmu­ ster mit vorzugsweise konstanter räumlicher Trägerfrequenz er­ zeugen, wobei die Abbildungsoptik derart ausgebildet und einge­ stellt wird, daß bei Entstehung von Speckles das Bild eines durch die Strahlung erzeugten Speckles in der Bildebene nur zwei Sensorelemente bzw. -pixel überdeckt, und wobei die für jeden Zustand aufgenommenen jeweiligen Intensitätswerte von jeweils nur zwei Sensorelementen bzw. -pixeln für die Phasendifferenzbe­ stimmung wechselseitig bzw. kreuzweise berücksichtigt werden. According to the invention, for example, an object that is diffuse has reflective surface, with coherent or partially coherent renter radiation irradiated in any polarization direction, and the reflected light is converted into an optical system Image plane depicted in which there is a light-sensitive sensor or a multi-chip camera with a variety of sensor elements or pixel. With an analog sensor, such as Röhrenenkame ra, diode, corresponds to a sensor element of the resolution. Soon the sensor is timed with further light, preferably the same Frequency and defined phase position, illuminated in such a way that a Interference pattern on the sensor arises. Object and reference beam are adjusted so that they have an interference mu ster with preferably constant spatial carrier frequency testify, the imaging optics being designed and inserted in this way is that when speckles develop, the image of a only two speckles generated by the radiation in the image plane Sensor elements or pixels covered, and which for each Condition recorded respective intensity values of each only two sensor elements or pixels for the phase difference mutually or crosswise.  

Außer der Phasendifferenz können aus mindestens zwei dieser Aufnahmen auch die Phase, der Kontrast und die Hintergrundhel­ ligkeit berechnet werden.In addition to the phase difference, at least two of these can Recordings also the phase, the contrast and the background hel be calculated.

Falls es sich bei dem untersuchten Objekt nicht um einen Körper mit diffus reflektierender Oberfläche handelt, sondern um ein transparentes Medium oder eine spiegelnde Fläche, treten keine Speckles auf. In diesen Fällen wird das Interferenzfeld der vom Objekt kommenden und der Referenzstrahlung ebenfalls nur durch die Verwendung zweier Sensorelemente bzw. -pixel in zwei Zustän­ den bestimmt.If the examined object is not a body deals with a diffusely reflecting surface, but a transparent medium or a reflective surface, do not occur Speckles on. In these cases the interference field will be that of Object coming and the reference radiation also only through the use of two sensor elements or pixels in two states that determines.

Im Gegensatz zu dem oben diskutierten Phasenshift-Verfahren werden bei dem erfindungsgemäßen vorgeschlagenen Verfahren nicht für jeden Zustand direkt die Phasen ermittelt, sondern die auf­ genommenen Intensitätwerte wechselseitig bzw. kreuzweise kom­ biniert bzw. verrechnet. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, mit zwei Informationen in jedem Zustand auszukommen, um ein lösbares Gleichungssystem aus vier Gleichungen mit insgesamt 4 Unbekannten (a, m, ϕ, Δϕ) zu lösen.In contrast to the phase shift method discussed above are not in the proposed method according to the invention The phases are determined directly for each state, but the phases intensity values taken alternately or crosswise com trimmed or offset. This advantageously makes it possible to get by with two pieces of information in each state Solvable system of equations consisting of four equations with a total of 4 To solve unknowns (a, m, ϕ, Δϕ).

Erfindungsgemäß wird somit ein völlig neuer Weg beschritten, bei dem der herkömmliche, aus der Interferometrie entwickelte Denk­ ansatz, sinusförmige Streifen analysieren zu müssen, verlassen wurde. Um einen Sinusstreifen zu analysieren, werden mindestens drei Stützstellen benötigt. Bei der Erfindung wird jedoch auf die Analyse von Streifen verzichtet, und es werden lediglich die im Bild vorhandenen Informationen direkt zur Bestimmung der Phase und, bei Bedarf, auch anderer Kenngrößen verwendet.According to the invention, a completely new path is thus followed that of conventional thinking developed from interferometry approach to having to analyze sinusoidal stripes has been. To analyze a sinus strip, at least three support points needed. In the invention, however, is based on the strip analysis is omitted, and only the information available in the image directly for determining the Phase and, if necessary, other parameters.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die Abbildung des Objekts in den verschiedenen Zuständen gleichzei­ tig auf verschiedenen Bildebenen vorgenommen, wobei Sensorele­ mente bzw. -pixel auf zwei verschiedenen Sensoren bzw. Mehrchip­ kameras verwendet werden. Dabei ist vorgesehen, daß jeweils korrespondierende Sensorelemente bzw. -pixel in zwei oder mehr Bildebenen zur Phasenabbildung verwendet werden oder in jeder Bildebene wellenselektiv registriert wird. Bei der zweiten Al­ ternative können gleichzeitig mehrere Beleuchtungsstrahlen und mehrere korrespondierende Referenzstrahlen unterschiedlicher Frequenzen verwendet werden, wobei die Möglichkeit besteht, mit unterschiedlichen Beleuchtungsstrahlen und Referenzstrahlen unterschiedliche Meßrichtungen aufzuspannen, aus denen die mehr­ dimensionale Phasendifferenz ermittelbar ist.According to a preferred development of the invention, the Representation of the object in the different states at the same time tig on different image levels, with Sensorele elements or pixels on two different sensors or multi-chip cameras are used. It is provided that in each case  corresponding sensor elements or pixels in two or more Image planes can be used for phase mapping or in each Image plane is registered in a wave-selective manner. In the second Al ternative can simultaneously use multiple lighting beams and several corresponding reference beams of different Frequencies are used, with the possibility of using different illuminating beams and reference beams different measuring directions, from which the more dimensional phase difference can be determined.

Vorteilhaft wird erfindungsgemäß gegenüber dem Stand der Technik eine um ein Drittel verbesserte Bildauflösung erzielt, der Bild­ speicherbedarf um ein Drittel reduziert, der Rechenaufwand ver­ ringert und die Rechengeschwindigkeit somit erhöht. Hinzu kommt, daß das optische System wesentlich einfacher eingestellt werden kann, und daß eine etwa um den Faktor 3 erhöhte Lichtausbeute erzielt wird.According to the invention, it is advantageous over the prior art image resolution improved by a third, the image memory requirements reduced by a third, the computational effort ver reduces and thus increases the computing speed. Come in addition, that the optical system can be set much easier can, and that about a factor of 3 increased light output is achieved.

Die auf nur ca. zwei Sensorelemente bzw. -pixel vorgesehene Abbildung eines Speckles kann nach einer bevorzugten Ausgestal­ tung der Erfindung auch auf verschiedene Bereiche eines einzigen Sensors bzw. einer einzigen Mehrchipkamera vorgenommen werden.The provided on only about two sensor elements or pixels Illustration of a speckle can be made according to a preferred embodiment device of the invention also in different areas of a single Sensor or a single multi-chip camera can be made.

Weiterhin kann die Referenzstrahlung aus der Objektstrahlung nach dem Shearing-Verfahren oder durch zweifache gleichzeitige Beleuchtung des Objektes mit kohärentem und teilkohärentem Licht erzeugt werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß mehre­ re Referenzstrahlungen mit gleicher oder unterschiedlicher Pha­ senlage überlagert werden.Furthermore, the reference radiation from the object radiation according to the shearing procedure or by double simultaneous Illumination of the object with coherent and partially coherent light be generated. Alternatively, it can also be provided that more re reference radiation with the same or different Pha layer overlay.

Von Vorteil ist ferner, wenn in dem abbildenden Strahlengang eine Zwischenabbildung erzeugt wird, um vorteilhaft unterschied­ liche Objektive (Wechselobjektive und Zoomobjektive) verwenden zu können. It is also advantageous if in the imaging beam path an intermediate image is generated to differentiate advantageously Use lenses (interchangeable lenses and zoom lenses) to be able to.  

Die Sensorelemente sind vorzugsweise entlang paralleler Linien ausgerichtet. Alternativ kann auch eine Mehrchipkamera verwendet werden, bei der die Phasenlage zwischen den beiden Kamerachips definiert ist, wobei dann die korrespondierenden Pixel für die Phasendifferenzbestimmung verwendet werden.The sensor elements are preferably along parallel lines aligned. Alternatively, a multi-chip camera can also be used the phase position between the two camera chips is defined, where then the corresponding pixels for the Phase difference determination can be used.

Das Referenzlicht wird vorteilhaft durch einen Lichtwellenlei­ ter, ein optisches Gitter, einen Strahlteiler oder dergleichen auf den Sensor bzw. die Mehrchipkamera gelenkt. Andererseits kann die Referenzstrahlung aber auch, wie bereits erwähnt, aus dem vom Objekt reflektierten Licht gewonnen werden, beispiels­ weise durch Anordnung eines Keils, eines Prismas, eines Kipp­ spiegels, eines Michelson-Interferometers und dergleichen, wel­ che in, vor oder hinter der Abbildungsoptik angeordnet sind.The reference light is advantageously made by an optical waveguide ter, an optical grating, a beam splitter or the like directed to the sensor or the multi-chip camera. On the other hand the reference radiation can also, as already mentioned, from the light reflected from the object can be obtained, for example wise by arranging a wedge, a prism, a tilt mirror, a Michelson interferometer and the like, wel are arranged in, in front of or behind the imaging optics.

Bei der Beleuchtung des Objekts mit zwei Lichtbündeln und die Abbildung des daraus entstehenden Interferenzmusters in der Bildebene, dient als Variante die eine Beleuchtung zusammen als Referenzstrahlung für die andere und umgekehrt.When illuminating the object with two light beams and the Illustration of the resulting interference pattern in the Image plane, serves as a variant that lighting together as Reference radiation for the other and vice versa.

Gemäß einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die räumliche Trägerfrequenz durch eine optisch wirksame Beeinflussung der Objekt- und/oder Referenzstrahlung definiert, beispielsweise durch Verkippung, Einbringen eines optischen Keils, eines optisch aktiven Mediums mit veränderlicher Brech­ zahl, eines holographisch optischen Elements oder dergleichen.According to a preferred further embodiment of the invention is the spatial carrier frequency by an optically effective Influencing the object and / or reference radiation defined, for example by tilting, introducing an optical Keils, an optically active medium with variable refraction number, a holographic optical element or the like.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch zur Simultanermitt­ lung der Phasendifferenzen in unterschiedlichen Raumrichtungen verwendet werden, indem das Objekt mit zwei oder drei Strahlun­ gen unterschiedlicher Frequenzen beleuchtet wird, das Bild auf zwei oder drei Bildebenen gleichzeitig abgebildet wird und zwei oder drei Referenzstrahlen ebenfalls unterschiedlicher Wellen­ längen, vorzugsweise entsprechend den Beleuchtungswellenlängen, in die drei Bildebenen abgebildet werden. Die Registrierung erfolgt dann vorteilhaft wellenlängenselektiv derart, daß je­ weils korrespondierende Referenzstrahlungen und Objektstrahlun­ gen sich in einer Bildebene überlagern, wobei als Registrie­ rungsmedium vorzugsweise eine Mehrchip-Farbkamera eingesetzt werden kann. Dabei wird die Beleuchtungsanordnung vorzugsweise derart gewählt, daß eine zwei- oder dreidimensionale Erfassung der Phasendifferenzen ermöglicht wird.The device according to the invention can also be used for simultaneous detection development of the phase differences in different spatial directions be used by the object with two or three radiation is illuminated against different frequencies two or three image planes are mapped simultaneously and two or three reference beams also of different waves lengths, preferably according to the illumination wavelengths, are mapped in the three image planes. The registration  is then carried out advantageously wavelength-selective such that because corresponding reference radiation and object radiation gen overlap in an image plane, whereby as registration medium preferably used a multi-chip color camera can be. The lighting arrangement is preferred chosen such that a two- or three-dimensional detection the phase differences is made possible.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beige­ fügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the beige added drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1 ein Fließdiagramm zur Erläuterung des Ablaufes bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit räumlichen Phasen­ schieben; Figure 1 push a flow chart to explain the sequence in the inventive method with spatial phases.

Fig. 2 eine schematisierte Darstellung des Verfahrens; Fig. 2 is a schematic representation of the method;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Sensorelemente eines Sensors; Fig. 3 is a schematic representation of the sensor elements of a sensor;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Verfahrens mit Ab­ bildung in zwei verschiedenen Bildebenen; Fig. 4 is a schematic representation of the method with education from two different image planes;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Verfahrens, wobei die Abbildung auf zwei verschiedene Bereiche eines einzigen Sensors erfolgt; FIG. 5 shows a schematic representation of the method, the mapping being carried out on two different areas of a single sensor; FIG.

Fig. 6 eine schematisierte Darstellung, die die Gewinnung der Referenzstrahlung aus der Objektstrahlung nach dem Shearing-Verfahren zeigt; FIG. 6 is a schematic illustration showing the extraction of the reference radiation from the object radiation by the shearing method;

Fig. 7 eine schematische Darstellung, die die Erzeugung der Referenzstrahlung durch zweifache gleichzeitige Be­ leuchtung des Objekts mit kohärentem oder teilkohären­ tem Licht darstellt; Fig. 7 is a schematic representation illustrating the generation of the reference radiation by double simultaneous illumination of the object with coherent or partially coherent light;

Fig. 8 eine schematische Darstellung des Verfahrens, bei dem mehrere Referenzstrahlungen mit gleicher oder unter­ schiedlicher Phasenlage überlagert werden; Is a schematic representation of the method, are superimposed in which several reference radiations with the same or below schiedlicher phase position. 8;

Fig. 9 eine schematische Darstellung des abbildenden Strah­ lengangs mit einer Zwischenabbildung; Fig. 9 is a schematic representation of the imaging Strah lengangs with an intermediate image;

Fig. 10 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die räumliche Trägerfrequenz durch Beeinflussung eines zweiten Beleuchtungsstrahls durch Einbringen eines optischen Keils erzeugt wird; und Fig. 10 is a schematic representation of the method according to the invention, wherein the spatial carrier frequency is generated by influencing a second illumination beam by introducing an optical wedge; and

Fig. 11 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Referenzstrahlung aus der Objektstrahlung nach dem Shearing-Verfahren gewonnen wird, wobei die räumliche Trägerfrequenz durch Ein­ bringen eines optischen Keils in die Referenzstrahlung erzeugt wird. Fig. Is a schematic representation of the method according to the invention, wherein the reference radiation from the object radiation after the shearing method is obtained, wherein the spatial carrier frequency by a take is generated an optical wedge in the reference beam 11.

In Fig. 1 ist der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens grob schematisiert in Form eines Ablaufdiagramms dargestellt. Danach wird in einem ersten Zustand des Objektes eine Bildaufnahme gemacht bzw. ein einziges Bild eingelesen, der Aufbau verändert bzw. das Objekt belastet, verschoben oder verformt und anschlie­ ßend in dem dann erreichten zweiten Zustand ein weiteres ein­ ziges Bild aufgenommen bzw. eingelesen.In Fig. 1, the sequence of the method according to the invention is shown roughly schematically in the form of a flow chart. Then, in a first state of the object, an image is taken or a single image is read in, the structure is changed or the object is loaded, moved or deformed, and then another image is taken or read in the second state that is then reached.

Als nächstes kann eine Entscheidung darüber getroffen werden, ob eine Auswertung der Bilder erfolgen soll oder nicht. Falls nicht, erfolgt entweder ein Abbruch des Verfahrens oder das Verfahren beginnt mit dem Einlesen eines neuen Bildes für einen gegebenenfalls neuen zweiten Zustand des Objekts. Falls anderer­ seits eine Auswertung erfolgen soll, werden die in jedem Zustand aufgenommenen jeweiligen Intensitätswerte der Sensorelemente bzw. -pixel für die Phasendifferenzbestimmung wechselseitig bzw. kreuzweise verarbeitet, um dann die Phasendifferenz zu berechnen und das Ergebnis dann für Darstellungs- und/oder Steuerzwecke weiter zu verarbeiten.Next, a decision can be made as to whether the images should be evaluated or not. If not, either the process is terminated or the The process begins with reading a new image for one possibly new, second state of the object. If others On the one hand, an evaluation is to be carried out in any condition recorded respective intensity values of the sensor elements or pixels for the phase difference determination alternately or  processed crosswise in order to then calculate the phase difference and then the result for illustration and / or control purposes to process further.

In Fig. 2 ist schematisiert ein einfacher Aufbau zur Durchfüh­ rung des Verfahrens zur Bestimmung von Phasendifferenzen und Strahlung für den Fall eines Objektes 10 mit diffus reflektie­ render Oberfläche gezeigt. Das Objekt 10 wird in mindestens zwei unterschiedlichen Zuständen (Verformung, Verlagerung oder der­ gleichen) mit kohärenter oder teilkohärenter Strahlung 11 einer vorbestimmten Frequenz bestrahlt. In jedem Zustand des Objektes 10 wird eine reflektierte Strahlung 12 von einer Abbildungsoptik 13 in eine Bildebene abgebildet, in der sich ein Sensor 15 be­ findet, der gemäß Fig. 3 eine Vielzahl von regelmäßig angeord­ neten Sensorelementen 16 besitzt. Auf dem Sensor 15 wird eine Differenzstrahlung 14 mit einer bestimmten, vorzugsweise kon­ stanten Frequenz mit definierter Phasenlage, die in einem Winkel zu der vom Objekt reflektierten Strahlung 12 verläuft, über­ lagert, wobei Speckles entstehen. Das Bild eines durch die Strahlung erzeugten Speckles 17 wird durch die Abbildungsoptik 13 erfindungsgemäß so eingestellt, daß in der Bildebene zwei Sensorelemente 16 überdeckt werden. Zur Ermittlung der Phasen­ differenz ist es dann nur noch nötig, die für jeden Zustand aus einer Bildaufnahme aufgenommenen jeweiligen Intensitätswerte der Sensorelemente 16 wechselseitig bzw. kreuzweise zu berücksichti­ gen, wozu in nicht dargestellter Weise ein Rechner eingesetzt wird.In FIG. 2, a simple construction is shown schematically for imple out the method for determining phase differences and radiation for the case of an object 10 with diffuse reflec render surface shown. The object 10 is irradiated in at least two different states (deformation, displacement or the same) with coherent or partially coherent radiation 11 of a predetermined frequency. In each state of the object 10 , reflected radiation 12 is imaged by imaging optics 13 into an image plane in which there is a sensor 15 which, according to FIG. 3, has a plurality of regularly arranged sensor elements 16 . On the sensor 15 , a differential radiation 14 with a specific, preferably constant frequency with a defined phase position, which is at an angle to the radiation 12 reflected by the object, is superimposed, whereby speckles occur. The image of a speckle 17 generated by the radiation is adjusted according to the invention by the imaging optics 13 such that two sensor elements 16 are covered in the image plane. To determine the phase difference, it is then only necessary to take into account the respective intensity values of the sensor elements 16 taken from an image acquisition for each state alternately or crosswise, for which purpose a computer is used, not shown.

Fig. 4 zeigt schematisiert eine teilweise Abwandlung einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung, bei der die durch die Abbildungs­ optik 13 tretende Objektstrahlung 12 mittels eines Doppelprismas 18 in zwei orthogonal zueinander verlaufende Bildebenen 19 und 20 vorgenommen wird. Fig. 4 shows schematically a partial modification of a device according to the invention, in which the object radiation 12 passing through the imaging optics 13 is performed by means of a double prism 18 in two orthogonal image planes 19 and 20 .

In Fig. 5 ist schematisiert eine andere Abbildungsvariante dar­ gestellt, bei der die Abbildung auf verschiedene Bereiche eines einzigen Sensors 21 über ein der Abbildungsoptik nachgeordnetes optisches Element 22, z. B. Gitter, Prisma oder dergleichen, vorgenommen wird.In Fig. 5, another imaging variant is shown schematically, in which the imaging on different areas of a single sensor 21 via an optical element 22 downstream of the imaging optics, z. B. grid, prism or the like, is made.

Fig. 6 zeigt die Gewinnung der Referenzstrahlung aus der Objekt­ strahlung 12 nach dem bekannten Shearing-Verfahren als Alterna­ tive zu der Darstellung gemäß Fig. 2, während Fig. 7 die Erzeu­ gung der Referenzstrahlung durch zweifache gleichzeitige Be­ leuchtung des Objekts 10 mit kohärentem oder teilkohärentem Licht 11, 11′ veranschaulicht. Fig. 6 shows the extraction of the reference radiation from the object radiation 12 according to the known shearing method as an alternative to the representation according to FIG. 2, while Fig. 7 shows the generation of the reference radiation by double simultaneous illumination of the object 10 with coherent or partially coherent light 11 , 11 'illustrated.

Die Überlagerung mehrerer Referenzstrahlungen 14 und 14′ als Variante zu Fig. 2 ist in Fig. 8 gezeigt.The superimposition of several reference radiations 14 and 14 'as a variant of Fig. 2 is shown in Fig. 8.

In einigen Fällen kann die Erzeugung einer Zwischenabbildung in dem abbildenden Strahlengang 12 günstig sein, um unterschiedli­ che Objektive verwenden zu können. Fig. 9 zeigt schematisiert den Verlauf des abbildenden Strahlengangs von einem Objekt 10′ durch zwei modifizierte Abbildungslinsen 13′ zu der Abbildungs­ ebene, in der der Sensor 15 angeordnet ist. Eine Zwischenbild­ ebene 23 befindet sich zwischen den Linsen 13′ der modifizierten Abbildungsoptik.In some cases, the generation of an intermediate image in the imaging beam path 12 can be favorable in order to be able to use different lenses. Fig. 9 shows schematically the course of the imaging beam path from an object 10 'through two modified imaging lenses 13 ' to the imaging plane in which the sensor 15 is arranged. An intermediate image plane 23 is located between the lenses 13 'of the modified imaging optics.

In Fig. 10 ist schematisch dargestellt, wie bei der gemäß Fig. 7 bereits erläuterten Erzeugung der Referenzstrahlung durch zweifache gleichzeitige Beleuchtung des Objekts 10 mit kohären­ tem oder teilkohärentem Licht 11, 11′ eine definierte Träger­ frequenz durch Beeinflussung des Referenzstrahls 11′ durch Ein­ bringen eines optischen Keils 23 erzeugt wird. In Fig. 10 is schematically shown how in the generation of the reference radiation already explained according to FIG. 7 by double simultaneous illumination of the object 10 with coherent tem or partially coherent light 11 , 11 'bring a defined carrier frequency by influencing the reference beam 11 ' by a an optical wedge 23 is generated.

Fig. 11 veranschaulicht schematisch die Erzeugung einer defi­ nierten Trägerfrequenz durch Beeinflussung des Referenzstrahls 11 mittels Einbringen eines optischen Keils 23 für das in Fig. 6 bereits gezeigte Shearing-Verfahren. Fig. 11 illustrates the generation schematically a defi ned carrier frequency by controlling the reference beam 11 by means of introducing an optical wedge 23 for the in Fig. Shearing method already shown. 6

Claims (18)

1. Verfahren zur Bestimmung von Phasen und Phasendifferenzen von Strahlung, insbesondere von Lichtstrahlung und Infra­ rot-Strahlung, die entweder von einem Objekt mit diffus reflektierender Oberfläche in mindestens zwei verlagerten oder verformten Zuständen re­ flektiert wird, oder ein transparentes Objekt in mindestens zwei veränderten Zu­ ständen durchläuft oder von einer spiegelnden Oberfläche eines Objektes in minde­ stens zwei verlagerten oder verformten Zuständen reflek­ tiert wird, bestehend aus den folgenden Verfahrensschritten:
  • - das Objekt wird in mindestens zwei Zuständen mit kohä­ renter oder teilkohärenter Strahlung einer vorbestimm­ ten Frequenz bestrahlt;
  • - in jedem Zustand wird die reflektierte bzw. durchlau­ fende Strahlung von einer Abbildungsoptik in eine Bildebene abgebildet, in der sich ein Sensor mit einer Vielzahl von vorzugsweise regelmäßig angeordneten Sensorelementen bzw. -pixeln befindet;
  • - auf dem Sensor wird eine Referenzstrahlung mit einer bestimmten, vorzugsweise gleichen Frequenz mit defi­ nierter Phasenlage überlagert; und
  • - aus den Intensitätssignalen der Sensorelemente bzw. -pixel wird die Phasendifferenz der Strahlung von dem Objekt bzw. durch das Objekt zwischen den beiden Zu­ ständen bestimmt,
1. A method for determining phases and phase differences of radiation, in particular light radiation and infrared radiation, which is either reflected by an object with a diffusely reflecting surface in at least two displaced or deformed states, or a transparent object in at least two changed states stands or is reflected from a reflecting surface of an object in at least two displaced or deformed states, consisting of the following process steps:
  • - The object is irradiated in at least two states with coherent or partially coherent radiation of a predetermined frequency;
  • - In each state, the reflected or transmitted radiation is imaged by imaging optics in an image plane in which a sensor with a plurality of preferably regularly arranged sensor elements or pixels is located;
  • - On the sensor, a reference radiation with a certain, preferably the same frequency with defined phase position is superimposed; and
  • the phase difference of the radiation from the object or through the object between the two states is determined from the intensity signals of the sensor elements or pixels,
wobei Objekt- und Referenzstrahl so eingestellt werden, daß sie ein Interferenzmuster mit vorzugsweise konstanter räum­ licher Trägerfrequenz erzeugen,
wobei die Abbildungsoptik derart ausgebildet und einge­ stellt wird, daß bei Entstehung von Speckles das Bild eines durch die Strahlung erzeugten Speckles in der Bildebene nur ca. zwei Sensorelemente bzw. -pixel über­ deckt, und
wobei die für jeden Zustand aufgenommenen jeweiligen Inten­ sitätswerte von jeweils nur ca. zwei Sensorelementen bzw. -pixeln für die Phasendifferenzbestimmung wechselseitig bzw. kreuzweise berücksichtigt werden.
the object and reference beam being set such that they generate an interference pattern with a preferably constant spatial carrier frequency,
wherein the imaging optics are designed and set in such a way that when speckles are formed, the image of a speckle generated by the radiation in the image plane only covers about two sensor elements or pixels, and
wherein the intensity values recorded for each state of only approx. two sensor elements or pixels are taken into account mutually or crosswise for the phase difference determination.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Sensorelement bzw. -pixel pro Speckle auf zwei oder mehr verschiedenen Sensoren verwendet wird, wobei jeweils korrespondierende Sensorelemente bzw. -pixel in zwei Bild­ ebenen zur Phasenbildung verwendet werden.2. The method according to claim 1, characterized in that only one sensor element or pixel per speckle on two or more different sensors are used, each one corresponding sensor elements or pixels in two images planes are used for phase formation. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung gleichzeitig auf verschiedene Bildebenen vorge­ nommen wird, und daß in jeder Bildebene wellenlängenselek­ tiv registriert wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the Image simultaneously on different image planes is taken, and that in each image plane wavelength selec tiv is registered. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mehrere Beleuchtungsstrahlen und mehrere kor­ respondierende Referenzstrahlen unterschiedlicher Frequen­ zen verwendet werden.4. The method according to claim 3, characterized in that several lighting beams and several cor responding reference beams of different frequencies zen can be used. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit unterschiedlichen Beleuchtungsstrahlen und Referenzstrahlen unterschiedliche Meßrichtungen aufgespannt werden, aus denen die mehrdimensionale Phasendifferenz ermittelbar ist.5. The method according to claim 4, characterized in that with different illuminating beams and reference beams different measuring directions are spanned from which the multidimensional phase difference can be determined. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung auf verschiedene Bereiche eines einzigen Sensors vorgenommen wird. 6. The method according to claim 1, characterized in that the Mapping to different areas of a single sensor is made.   7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstrahlung aus der Objektstrahlung nach dem Shea­ ring-Verfahren gewonnen wird.7. The method according to claim 1, characterized in that the Reference radiation from object radiation according to the Shea ring process is won. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstrahlung durch zweifache gleichzeitige Beleuchtung des Objektes mit kohärentem oder teilkohärentem Licht er­ zeugt wird.8. The method according to claim 1, characterized in that the Reference radiation through double simultaneous lighting of the object with coherent or partially coherent light is fathered. 9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Trägerfrequenz durch eine optisch wirksame Beeinflussung der Objekt- und/oder Refe­ renzstrahlung definiert wird.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the spatial carrier frequency by a optically effective influencing of the object and / or ref limiting radiation is defined. 10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Referenzstrahlungen mit gleicher oder unterschied­ licher Phasenlage überlagert werden.10. The method according to claim 1, characterized in that several reference radiations with the same or different phase position are superimposed. 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem abbildenden Strahlengang eine Zwischenabbildung erzeugt wird.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that in the imaging beam path Intermediate image is generated. 12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus
wenigstens einer Strahlungsquelle (11), insbesondere Licht­ quelle, zur Abgabe von kohärenter oder teilkohärenter Strahlung vorbestimmter Frequenz auf ein Objekt (10) mit diffus oder glatt reflektierender oder transmittierender Oberfläche,
wenigstens einer einstellbaren Optik (13) zum Abbilden der von dem Objekt (10) reflektierten bzw. das Objekt (10) durchlaufenden Strahlung (12) in einer zugeordneten Bild­ ebene;
einem in jeder Bildebene angeordneten Sensor (15) mit einer Vielzahl von vorzugsweise regelmäßig angeordneten Sensor­ elementen (16) bzw. -pixeln;
wenigstens einer Referenzstrahlungsquelle zur Überlagerung des oder der Sensoren (15) mit Referenzstrahlung (14) mit zur jeweiligen Beleuchtungsstrahlung (11) vorzugsweise gleichen Frequenzen und definierten Phasenlagen derart, daß durch die jeweiligen Überlagerungen jeweils vorzugsweise konstante räumliche Trägerfrequenzen entstehen;
wobei die Abbildungsoptik (13) so einstellbar ist, daß das Bild (17) eines durch die Strahlung auf das Objekt (10) entstehenden Speckles in der jeweiligen Bildebene nur ca. zwei Sensorelemente (16) bzw. -pixel überdeckt, und aus
einem Rechner, durch den aus den jeweiligen Intensitäts­ signalen der beiden Sensorelemente bzw. -pixel wechselsei­ tig bzw. kreuzweise in mindestens zwei Zuständen des Ob­ jekts die Phasendifferenz der Strahlung vom bzw. durch das Objekt bestimmbar ist.
12. The apparatus for performing the method according to claim 1, consisting of
at least one radiation source ( 11 ), in particular a light source, for emitting coherent or partially coherent radiation of a predetermined frequency onto an object ( 10 ) with a diffusely or smoothly reflecting or transmitting surface,
at least one adjustable optical system ( 13 ) for imaging the radiation ( 12 ) reflected by the object ( 10 ) or passing through the object ( 10 ) in an assigned image plane;
a sensor ( 15 ) arranged in each image plane with a plurality of preferably regularly arranged sensor elements ( 16 ) or pixels;
at least one reference radiation source for superimposing the sensor or sensors ( 15 ) with reference radiation ( 14 ) with frequencies which are preferably the same as the respective illuminating radiation ( 11 ) and defined phase positions such that the respective superimposition preferably results in constant spatial carrier frequencies;
the imaging optics ( 13 ) being adjustable so that the image ( 17 ) of a speckle formed by the radiation onto the object ( 10 ) covers only about two sensor elements ( 16 ) or pixels in the respective image plane, and off
a computer by means of which the phase difference of the radiation from or through the object can be determined from the respective intensity signals of the two sensor elements or pixels alternately or crosswise in at least two states of the object.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (16) bzw. -pixel jedes Sensors entlang paralleler Linien ausgerichtet sind.13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the sensor elements ( 16 ) or pixels of each sensor are aligned along parallel lines. 14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeich­ net, daß für das Lenken der Referenzstrahlung (14) auf den Sensor (15) ein optischer Wellenleiter, ein optisches Git­ ter oder ein Strahlteiler vorgesehen ist.14. The apparatus according to claim 12 or 13, characterized in that an optical waveguide, an optical grating ter or a beam splitter is provided for directing the reference radiation ( 14 ) onto the sensor ( 15 ). 15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Referenzstrahlung aus vom Objekt (10) reflek­ tierten oder das Objekt durchlaufenden Lichts durch Anord­ nen eines Keils, eines Prismas, eines gekippten Spiegels oder eines Michelson-Interferometers in, vor oder hinter der Abbildungsoptik (13) gewinnbar ist. 15. The apparatus according to claim 12 or 13, characterized in that the reference radiation from the object ( 10 ) reflected or the object passing light by arranging a wedge, a prism, a tilted mirror or a Michelson interferometer in, before or behind the imaging optics ( 13 ) can be obtained. 16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstrahlung durch eine zweite Beleuchtung des Objekts (10) mit kohärentem oder teilkohärentem Licht (11′) erzeugbar ist.16. The apparatus according to claim 12, characterized in that the reference radiation can be generated by a second illumination of the object ( 10 ) with coherent or partially coherent light ( 11 '). 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß für eine wellenlängenselektive Regi­ strierung von Abbildungen in einer Bildebene eine Mehrchip-Farbkamera vorgesehen ist.17. The device according to one of claims 12 to 16, characterized characterized in that for a wavelength-selective regi a multi-chip color camera is provided.
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