DE19516842C2 - Bestimmung mechanischer Spannungs- oder Verschiebungsfelder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßvorrichtung zur Ermittlung von mechanischen Verschiebungsfeldern und daraus abgeleiteter Größen an diffus streuenden Festkörpern mikroskopischer Dimension gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 oder Anspruchs 10.

Der Oberbegriff des Anspruchs 1 ist abgeleitet aus der Schrift Praxis der Holografie, Grundlagen, Standard- und Spezialverfahren, Ehningen bei Böblingen, Expert Verlag, 1990, Seiten 177 bis 179, 202, 210 bis 223, 279 und 281. Dort wird auf Seite 178 bei der holografischen Interferometrie beschrieben, zwei Verformungszustände eines Objektes miteinander zu vergleichen; auf Seiten 279 bis 281 wird an einem Kraftfahrzeugmotor mit einem Zwei-Differenzstrahl-Modul und einer optischen Bank eine rechnergestützte Hologrammauswertung nach dem Phase-Shift-Verfahren mit abgeänderter Differenzstrahlführung gezeigt. Dazu werdem über zwei elektrooptische Schalter verschiedene Referenzstrahlen für einen Puls I und einen Puls II des Lasers erzeugt. Aus der Schrift FMC-Series, Akademie der Wissenschaften der DDR, Institut für Mechanik, Band 26 (1987), Seiten 190 bis 197, sind Untersuchungen zur hologramminterferometrischen Auflichtmikroskopie veröffentlicht. In dem dortigen Bild 4 ist ein Auflichtmikroskop gezeigt, das mit einem Referenzstrahl arbeitet und dem Oberbegriff des Anspruchs 10 entspricht. Erläutert wird in dieser Schrift dazu, daß die Untersuchungen zeigen, daß das Hologramm am Ort oder besser in der Nähe des reellen Zwischenbildes zu registrieren ist. Zur Rekonstruktion wird das Hologramm wieder in den dort vorgesehenen Halter eingesetzt und je nach gewünschter Vergrößerung die Okulare zur Beobachtung gewählt. Bei dieser Vorgehensweise ergibt sich eine Betrachtung des in der Zwischenbildebene des Mikroskops liegenden, vom Hologramm rekonstruierten virtuellen Bildes.

Es ist Aufgabe der Erfindung das oberbegriffliche Verfahren und die oberbegriffliche Anordnung so zu verbessern, daß mechanische Verschiebungsfelder an diffus streuenden Festkörpern mikroskopischer Dimension mit höherer Qualität und Genauigkeit bestimmt werden können, um aus den erhaltenen Meßwerten das Verschiebungs- oder Spannungsfeld des Meßobjektes (infolge konstanter Belastung) ermitteln zu können. Spannungen können dabei sowohl auf mechanischer Ursache oder auf thermischer Ursache (bei fest angeordneten Meßobjekten) beruhen. Thermische Beanspruchung bei mechanisch nicht verrückbaren oder keine Ausdehnung erlaubenden Meßobjekten (beispielsweise Verbindungsstege oder Bonding-Anordnungen) führen zwangsläufig zu den - zu erfassenden - mechanischen Spannungen.

Die Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 oder 10 gelöst.

Mit Kenntnis des Spannungsfeldes sind Aussagen über die Zuverlässigkeit oder Belastung der Meßobjekte möglich.

Erfindungsgemäß wird das zunächst (mechanisch) unbelastete Meßobjekt über ein Auflichtsystem (Planglasilluminator und Mikroskopobjektiv) mit kohärentem Laserlicht bestrahlt und das vom Meßobjekt reflektierte Licht, welches die Information über das Objekt enthält, durch die Abbildungsoptik des Auflichtmikroskops auf eine in der Zwischenbildebene stehende Hologrammplatte vergrößert abgebildet, dort mit dem Referenzstrahl I des holographischen 2-Referenzstrahlmoduls interferiert, und das entstehende Interferenzmuster auf der Hologrammplatte gespeichert. Diese enthält als Hologramm die vollständige optische Information über das mechanisch unbelastete Meßobjekt.

Danach wird das Meßobjekt mechanisch belastet, und der Vorgang wiederholt, wobei das vom belasteten Objekt kommende Licht diesmal mit dem Referenzstrahl II interferiert, und das Interferenzmuster auf derselben Hologrammplatte gespeichert wird.

Nach der Entwicklung der Hologrammplatte - moderne Hologrammplatten sind auch ohne Entwicklung stabilisierbar - wird diese wieder an dieselbe Stelle wie bei der Aufnahme gesetzt und das Hologramm mit zwei Referenzwellen zugleich rekonstruiert.

Die dabei entstehenden Wellenfelder, die sich durch die Out-of Plane Verschiebung des Objektes voneinander unterscheiden, treten dabei zueinander in Interferenz und es entsteht das vergrößerte dreidimensionale Bild des Meßobjektes, überzogen mit einem Interferenzstreifenmuster, das ausgewertet wird. Durch einen in einem Referenzzweig eingebauten computergesteuerten Piezospiegel kann sehr präzise die Phase eines Referenzstrahles linear geschoben werden, was sich in einer Veränderung des Interferenzmusters auf dem Interferogramm des Meßobjektes äußert. Das wird durch das Phasenshiftverfahren ausgenutzt.

Über eine Videokamera können drei holographische Interferogramme des Meßobjektes bei drei unterschiedlichen relativen Phasen in den Bildspeicher eines Bildverarbeitungssystems (BVS) gelesen werden und mit einfachen Algorithmen wird durch das am BVS angeschlossenen Rechnersystem mit geeigneter Software die Interferenzphase des holographischen Interferogramms und daraus das mechanische Verschiebungsfeld des Meßobjektes mit hoher Genauigkeit berechnet.

Im Versuch wurden Spannungsfelder simuliert, durch Aufbringen rein mechanischer Spannungen, die im tatsächlichen Anwendungsbereich der Mikrosystemtechnik aber auch thermische Ursachen haben können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert und ergänzt.

Fig. 1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel mit dem die mechanischen Verschiebungsfelder eines Meßobjektes 1 erfaßt werden können. Eine Hologrammplatte 6 wird einerseits beleuchtet bzw. belichtet (4, 5, 14) und andererseits (7, 8, 10) abgetastet bzw. ausgewertet. Das BVS ist durch zwei Sichtschirme 10 repräsentiert.

Das diffus streuende Meßobjekt 1, das mit Hilfe einer Belastungsvorrichtung 2 unter eine definierte mechanische Belastung gesetzt werden kann, wird über einen Planglasilluminator 4 (halbdurchlässiger Spiegel) und durch das Mikroskopobjektiv 3 beleuchtet. Dies entspricht dem in der konventionellen Auflichtmikroskopie bekannten Prinzip der Objektauflichtbeleuchtung.

Als Lichtquelle dient ein leistungsstarker Nd:YAG-Laserkopf 20 mit großer Kohärenzlänge. Um ein paralleles Lichtbündel hoher Reinheit zu erhalten, wird der Objektstrahl durch einen Kollimator 13 geleitet, der sekundäre Interferenzerscheinungen, die z. B. an Spiegeln 14, Linsen 14a oder Prismen 14b durch Mehrfachreflektion des Laserstrahles entstehen können, unterdrückt. Dieser von Raumfrequenzen freie Laserstrahl wird über eine stufenlos verstellbare Blende 12 dem bildseitigen Linsendurchmesser des Mikroskopobjektiv 3 angepaßt, um Rückreflektionen vom Mikroskopobjektiv 3, die sich im Hologramm störend bemerkbar machen zu unterdrücken.

Das vom Objekt 1 diffus gestreute und reflektierte Licht, wird vom Auflichtmikroskop-Objektiv 3 in ein paralleles Lichtbündel gewandelt und trifft auf die Tubuslinse 5, die es wieder in ein divergentes Lichtbündel wandelt.

Das Verfahren des bildseitig parallelen Strahlengangs hat den Vorteil, daß man diverse optische Elemente (z. B. Planglasilluminator 4, Filter o. ä.) in den bildseitigen Strahlengang setzen kann, ohne das die Qualität des Zwischenbildes nachhaltig beeinträchtigt wird; der Abstand von Mikroskopobjektiv 3 und Hologrammplatte 6 ist so in gewissen Grenzen frei wählbar.

Durch die Tubuslinse 5 wird das Bildfeld vergrößert, was einer Erhöhung der Auflösung gleichkommt, da das Auflösungsvermögen eines Hologramms nur von der Anzahl der Linien, die an der Speicherung der Objektinformation beteiligt sind, abhängt.

Die Hologrammplatte 6 befindet sich an der Stelle, wo das reelle vergrößerte Zwischenbild des zunächst mechanisch unbelasteten Meßobjektes 1 entsteht. Dieses Zwischenbild wird holographisch aufgezeichnet, indem die vom Objekt 1 kommenden Lichtstrahlen mit dem Referenzstrahl I interferieren, und das dabei entstehende Interferenzmuster auf der Hologrammplatte 6 gespeichert wird.

Für die holographische Interferometrie nutzt man, auf der Hologrammplatte 6 zwei und mehr Hologramme zu speichern, die sich - wenn sie im gleichen Winkel aufgenommen wurden - bei der Rekonstruktion überlagern.

Dementsprechend wird eine zweite holographische Aufnahme des reellen vergrößerten Zwischenbildes von dem nun definiert belasteten Objekt 1 auf derselben Hologrammplatte 6 gespeichert, diesmal aber in Interferenz mit einem zweiten Referenzstrahl II. Beide Referenzstrahlen strahlen unter 45° auf die Hologrammplatte 6 ein.

Die Hologrammplatte 6 wird z. B. auf photochemischen Wege entwickelt und zur Rekonstruktion wieder an die gleiche Position (x, y) wie zur Aufnahme (der zwei Interferenzbilder) gesetzt. Die Rekonstruktion erfolgt mit beiden Referenzwellen zugleich.

Bei der Rekonstruktion treten die beiden gespeicherten Hologramme, die sich durch das mechanische Verschiebungsfeld unterscheiden, in Interferenz zueinander und das entstehende Interferogramm wird mit der Videokamera 8 aufgenommen und in den Bildspeicher eines Bildverarbeitungssystems 10 gelesen.

In dem Referenz-Strahlenweg (I oder II) wird ein Phasenschieber (als Piezospiegel 11) angeordnet. Er wird über eine Steuereinrichtung 9 angesteuert, die von dem Bildverarbeitungssystem (BVS) 10 oder dem Programm gesteuert werden kann, das die rechnerische Auswertung der mehrfach belichteten Hologrammplatte 6 übernimmt.

Durch eine - z. B. über die Auswertesoftware des Rechners definierte - Ansteuerung des Piezospiegels 11 werden in einem der Referenzzweige definierte Phasenschiebungen durchgeführt. Diese bewirken eine Veränderung des Interferenzmusters, das vom Bildverarbeitungssystem (BVS) erfaßt wird.

In das Bildverarbeitungssystem 10 werden drei Bilder als jeweils unterschiedliche Interferogramme eingelesen und zur Auswertung herangezogen. Mit einfachen Algorithmen wird die Interferenzphase und das mechanische Verschiebungsfeld bestimmt und kann als 3-D-Plot dargestellt werden, wobei die Genauigkeit optimal 1/200 der zur Aufnahme verwendeten Lichtwellenlänge beträgt. Durch die einfachen Algorithmen läßt sich außerdem eine hohe Geschwindigkeit bei der Auswertung erreichen. Die gesamte Auswertung inklusive der Entwicklung der Hologrammplatte kann in einer halben Stunde erfolgen.

Besonders eignet sich die berührungslose Messung der Objektveränderungen unterhalb der Lichtwellenlänge für die Mikro-Systemtechnik, z. B. die Verbindungstechniken (Bonding), die Mikromechanik, die Mikroelektronik. Mechanische Verschiebungen und thermisch verursachte Dehungen können bei geringem Zeitaufwand - heute schon ohne die Zwischenschaltung einer Entwicklung der Hologrammplatte 6 - mit großer Genauigkeit bestimmt werden, gegebenenfalls auch sichtbar gemacht werden.

Mit einer Verbesserung der Auflösung kann gerechnet werden, wenn eine aktive Streifenstabilisierung - zur Kompensation der Phasenvariationen durch Luftturbulenzen - eingesetzt wird.

Claims (11)

1. Verfahren zur berührungslosen Bestimmung mechanischer Verschiebungs- oder Spannungsfelder an diffus streuenden Meßobjekten (1) mikroskopischer Dimension, bei dem

• a) auf einer Hologrammplatte (6) die vollständige erste optische Information über das unbelastete Meßobjekt (1) aufgezeichnet wird;
• b) das Meßobjekt (1) mit einer Belastungseinrichtung (2) belastet (F) wird oder aufgrund von mechanischer oder thermischer Beanspruchung belastet wird und die vollständige zweite optische Information auf derselben Hologrammplatte (6) aufgezeichnet wird;

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die im Bild stabilisierte Hologrammplatte (6) - insbesondere nach Entwicklung - an der Stelle der Aufzeichnung gleichzeitig mit einem ersten und einem zweiten Referenzstrahl (I, II) bestrahlt wird und mit einem Bildverarbeitungs-System (10) die sich durch Interferenz bildenden holografischen Interferenz- Streifenmuster einer, das mechanische Verschiebungs- bzw. Spannungsfeld darstellenden 3-D-Abbildung des Meßobjektes (1) zur Auswertung aufgezeichnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem einer der beiden Referenzstrahlen (I, II) bei der Aufzeichnung mit dem Bildverarbeitungs-System (10) in seiner Phasenlage verändert wird (11), um die Interferenz-Streifenmuster zu verändern.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die vollständige erste optische Information das Interferenz- Streifenmuster aus dem vom Meßobjekt (1) - bei Bestrahlen mit kohärentem Licht - reflektierten Licht und dem ersten Referenzstrahl (I) ist, wobei die Interferenz in der Zwischenbildebene einer Abbildungsoptik (5) einer Bestrahlungseinrichtung (3, 4) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die vollständige zweite optische Information das Interferenz- Streifenmuster aus dem vom Meßobjekt (1) - bei Bestrahlen mit kohärentem Licht - reflektierten Licht und dem zweiten Referenzstrahl (II) ist, wobei die Interferenz in der Zwischenbildebene einer Abbildungsoptik einer bzw. der Bestrahlungseinrichtung (3, 4) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem mehrere, insbesondere drei, Interferenz-Streifenmuster bei verschiedenen Phasenlagen des einen (I) der Referenzstrahlen (I, II) relativ zum anderen (II) der Referenzstrahlen (I, II) im Bildverarbeitungs-System (10) aufgezeichnet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die verschiedenen Phasenlagen äquidistant im 2π-Intervall (pi-Intervall) der Lichtwellenlänge liegen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die von dem belasteten oder unbelasteten Meßobjekt (1) kommenden Strahlen in einer - einer Mikroskop-Optik (3) nachgeschalteten - Tubuslinse (5) in ein divergentes Lichtbündel gewandelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem aus den insbesondere mehreren aufgezeichneten Interferenz-Streifenmustern im Bildverarbeitungs-System (10) das mechanische Spannungsfeld über ein mechanisches Verschiebungsfeld des Meßobjektes (1) im belasteten Zustand gegenüber dem (thermisch oder mechanisch) unbelasteten Zustand bestimmt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die beiden Referenzstrahlen (I, II) unter denselben Winkeln, aber nicht in derselben Richtung auf die Hologrammplatte (6) einstrahlen.

10. Messvorrichtung zur berührungslosen Bestimmung mechanischer Verschiebungs- oder Spannungsfelder an diffus streuenden Meßobjekten (1) mikroskopischer Dimension mit einem zur holographischen Interferometrie angepaßten Auflichtmikroskop (3, 4, 12, 13), gekennzeichnet durch

• a) eine Belastungseinrichtung (F, 2) mit der das Meßobjekt (1) unter eine definierte mechanische Spannung setzbar ist oder entlastbar ist;
• b) ein 2-Referenzstrahl-Modul (14, 14b, 11, 9, 14a), um einem von zwei gleichzeitig unter denselben Winkeln aber von verschiedenen Seiten (14a, 14b) auf eine doppelte belichtete Hologrammplatte (6) einstrahlenden Referenzstrahlen (I, II) eine definierte Phasenverschiebung gegenüber dem anderen Referenzstrahl zu geben;
• c) ein Bildverarbeitungs-System (10) zur Aufnahme und Auswertung der Interferenzbilder der mit zwei holographischen Interferenzbildern doppelt belichteten Hologrammplatte (6).

11. Messvorrichtung nach Anspruch 10, bei der die mechanische Verschiebung oder Spannung die Folge einer thermisch oder mechanisch das Meßobjekt (1) belastenden Belastungseinrichtung (2, F) ist.