DE19755820A1

DE19755820A1 - Hocheffizientes Beleuchtungssystem zur Projektion von sinus-förmigen Streifen mit hoher Tiefenschärfe

Info

Publication number: DE19755820A1
Application number: DE1997155820
Authority: DE
Inventors: Johannes Prof Dr Schwider
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-12-16
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 1999-06-17

Description

Ziel der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein möglichst sinusförmiges Streifenbild hoher Lichtstärke in einem möglichst ausgedehnten Raumbereich zu erzeugen, so daß die Oberfläche eines streuenden 3-dimensionaler Körper mit einem kontrastreichen Streifenbild überzogen werden kann.

Erfindungsgemäße Lösung

Für die Erreichung des Ziels bieten sich zwei Lösungen an, die sich hauptsächlich in der Art der zur Beleuchtung benutzen Maske unterscheiden. Ein sinusförmiges Streifenbild läßt sich einerseits durch die Abbildung eines sinusförmigen Intensitätsbildes erzeugen, welches sich in Form eines "geditherten" binären Musters realisieren läßt, wobei der optische Abbildungskanal wegen seiner Tiefpaßcharakteristik dafür sorgt, daß die hochfrequente "Ditherstruktur" unterdrückt wird. Andererseits läßt es sich durch die Abbildung eines Phasenobjektes gekoppelt mit gezielten Eingriffen in das Ortsfrequenzspektrum erzeugen. Dabei ist dieses Phasenobjekt wiederum vorzugsweise eine periodische binäre Reliefstruktur in einem transparenten Material.

Da lineare Grauton-Amplitudenmasken nicht so ohne weiteres hergestellt werden können, greift man meist auf sogenannte "geditherte" Binärstrukturen zurück, die mit Laserlithographie oder anderen Verfahren leichter herstellbar sind. Dabei wird die relativ grobe Sinus-Struktur in kleine Elementarzellen zerlegt und über die räumliche Dichte der opaken Subzellen wird die mittlere Transparenz gesteuert. Um periodische Fehler zu vermeiden, wird die Dichte stochastisch gesteuert und nur der Erwartungswert für die Transparenz im Mittel erreicht. Da meist die optischen Kanäle Tiefpässe darstellen, wird die Mikrostruktur bei der Abbildung unterdrückt.

Alternativ kann man die Sinus-Struktur aber auch über Zweistrahlinterferenz erzeugen. Nach der Abbe'schen Theorie ist das Bild eines Objekts als Interferenzerscheinung der komplexen Amplitude in der Austrittspupille eines optischen Systems aufzufassen. Sinusförmige Intensitätsverteilungen ergeben sich aber nur bei reiner Zweistrahlinterferenz. Demnach besteht die Aufgabe darin, durch ein Phasengitter einen hohen Anteil des zur Verfügung stehenden Lichtes möglichst in zwei Beugungsordnungen zu sammeln. Wesentlich dabei ist die Unterdrückung des ungebeugten Lichtes, da dieses bei diffraktiven Amplituden-Strukturen den Hauptanteil darstellt. Besonders geeignet erscheint deshalb ein Ronchi-Phasengitter. Bei diesem hat man es mit einer Mäander-Phasenreliefstruktur zu tun, wobei die erhabenen Bereiche lateral gleiche Ausdehnung wie die tieferliegenden Strukturen haben und um eine halbe Wellenlänge verzögernd auf eine einfallende und transmittierte Welle wirken. Folglich wird auf der optischen Achse das Licht durch Interferenz ausgelöscht, d. h. die nullte Beugungsordnung verschwindet. Wegen des Aspektverhältnisses von ½ fallen alle geraden Beugungsordnungen aus und es bleiben vor allem die beiden ersten Beugungsordnungen mit insgesamt 80% der einfallenden Lichtleistung übrig. Man hat damit ein hocheffizientes diffraktives Element zur Hand. Damit bei der optischen Abbildung ein Sinusgitter entsteht, muß man in der Austrittspupille des abbildenden Systems am Ort, des Zwischenbildes der stabförmigen Lichtquelle ein Ortsfrequenzfilter passender Breite anbringen, welches nur das Licht der beiden ersten Beugungsordnungen passieren läßt. Wegen der möglichen Fabrikationstoleranzen bei der Herstellung des diffraktiven Elements aber auch wegen der endlichen Bandbreite der verwendeten Lichtquelle, sind gewisse Reste von Licht in der nullten Beugungsordnung zu erwarten, weshalb man auch dieses Licht der nullten Ordnung blockieren sollte, um die Sinusform nicht zu gefährden.

Das Verfahren funktioniert sowohl mit kohärenter Laserstrahlung als auch mit spektral etwas eingeschränktem Licht einer stabförmigen inkohärenten Lichtquelle. Dabei ist darauf zu achten, daß die laterale Ausdehnung senkrecht zur Stabachse nicht größer als das in die Lichtquelle abgebildete Blendenbild ist. Die Breite der Spaltblenden hängt ganz wesentlich von der gewählten Periode der Ronchi-Maske, d. h. von den experimentellen Vorgaben, ab.

Die Beleuchtung mit inkohärentem Licht hat den Vorteil, daß die Interferenzstreifen in der Objektebene bei der nachfolgenden Abbildung nicht in so hohem Maße durch Speckle oder Granulation gestört werden. Selbstverständlich kann die inkohärente Lichtquelle auch durch Laserstrahlung, die an einer rotierenden Mattscheibe gestreut wird, simuliert werden. Ebenso ist wegen der eindimensionalen Geometrie auch der Einsatz von Halbleiterlaserzeilen hoher Leistung denkbar, wobei die einzelnen Laserbereiche unter sich inkohärent sind. Die Zeilengeometrie ist sehr gut kompatibel zur Streifengeometrie der Maske.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 dargestellt. Das Licht einer stabförmigen Lichtquelle wird von einem Kondensor kollimiert und beleuchtet das periodische Maskenobjekt. An diesem werden durch Beugung mehrere Wellen generiert, die im Bild der Maske auf dem Objekt zur Interferenz gelangen. Durch Ausfiltern der beiden ersten Beugungsordnungen am Ort des Zwischenbildes der Lichtquelle werden sinusförmige Interferenzstreifen auf der Oberfläche erzeugt, die sich durch eine große Schärfentiefe auszeichnen. Durch leichte Neigung der Maske kann man die sogenannte Scheimpflugbedingung einhalten, wodurch sich eine optimale kontrastreiche Streifenbeleuchtung auf der Oberfläche des Prüflings ergibt. Je nach Maskentyp, d. h., Amplitudenmaske oder Phasenmaske, wird man die erste Beugungsordnung dämpfen oder im letzteren Fall ganz blockieren.

Die Lichtquelle sollte bei einer Phasenmaske in ihrer spektralen Breite auf ± 50 nm eingeschränkt werden, um die Filterung zu erleichtern. Die laterale Ausdehnung der Lichtquelle sollte man so stark einschränken, daß die einzelnen Beugungsordnungen deutlich getrennt sind, um die eindeutige Filterung zu ermöglichen. Aus Gründen der Lichtstärke wird man jedoch möglichst ausgedehnte stabförmige Lichtquellen verwenden. Das gilt auch im Fall der Laserbeleuchtung, da die Größe des Zerstreuungsflecks auf der Mattscheibe optimal angepaßt werden sollte.

Als zusätzliche Maßnahme kann noch eine Strahlformung mit einem diffraktiven Element zwischen Kondensor und Maske vorgenommen werden. Dabei muß beim Design allerdings die partielle Kohärenz berücksichtigt werden.

Claims

1. Verfahren zur hocheffizienten Objektbeleuchtung mit sinusförmigen Intensitätsverteilungen dadurch gekennzeichnet, daß eine periodische Amplitudenstruktur oder eine periodische Phasenstruktur in Form einer Reliefstruktur in einem transparenten Material möglichst scharf auf die zu vermessende Körperoberfläche abgebildet wird, wobei durch geeignete Gestaltung der Lichtquellenstruktur in Kombination mit einer räumlichen Filterung im optischen Abbildungskanal für ausreichende Schärfentiefe und sinus-Formtreue gesorgt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Amplitudenstruktur eine "geditherte" binäre Maske ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Phasenstruktur eine sogenannte Ronchi-Struktur ist, das heißt, daß das Oberflächenprofil Mäandercharakter hat und daß die erhabenen Bereiche gleiche laterale Breite wie die tieferliegenden Bereiche haben und daß eine Planwelle geeigneter Wellenlänge beim Durchgang durch das Phasenobjekt in den erhabenen Bereichen um eine halbe Wellenlänge relativ zu den tieferliegenden Bereichen verzögert wird

4. Verfahren nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß im Abbildungskanal an der Stelle des Lichtquellenzwischenbildes eine Ortsfrequenzfilterung vorgenommen wird, die eine optimale sinus-Formtreue bei gutem Kontrast garantiert.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle stabförmig ausgelegt und ihre Längsachse parallel zu der Streifenlage des Objekts gewählt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5 dadurch gekennzeichnet, daß Leuchtdichteverteilung in der Maskenebene durch entsprechende Eingriffe an die Abbildungsgeometrie so angepaßt wird, daß in allen abgebildeten Objektoberflächenbereichen gleiche mittlere Bestrahlungsstärke herrscht.

7. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtdichteverteilung durch ein hocheffizientes diffraktives Phasenelement erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1-7 dadurch gekennzeichnet, daß zur Beleuchtung eine Laserzeile eingesetzt wird und daß die Laserleistung durch Steuerung des Zeitablaufs und des Diodenstromes an das Meßproblem angepaßt wird,

9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Kohärenz der Laserquelle durch Abbildung und Streuung an einer bewegten Mattscheibe weitgehend zerstört wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1-9 dadurch gekennzeichnet, daß die periodischen Maskenstrukturen an die jeweilige Objektoberfläche angepaßt werden, derart, daß nach Streuung am Objekt auf dem CCD-Kamera-array eine einfache Gitterstruktur erscheint, die sich durch Einbildverfahren auswerten läßt.