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Vorrichtung zur Messung von Oberflächenkonturen Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Messung der Oberflächenkonturen geringer Abmessung eines Objekts
und zum Vergleich einer Objektfläche mit einer Normbezugsfläche durch Echtzeit-Hologramminterferometrie
Bei der Erfindung gelangen einige der Maßnahmen zur Anwendung, wie sie in der deutschen
Patentanmeldung P 20 42 307.8 anhand von abgetasteten Holographiesystemen mit zeitlicher
Modulation sowie in der gleichzeitig ein gereichten deutschen Patentanmeldung......
(unser Zei chen: 1114 - I - 7690), beschrieben sind.
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Bei einem holographischen System wird von einem Objekt gebeugtes oder
reflektiertes Licht zusammen mit einer Bezugswelle verwendet, um ein komplexes Lichtinterferenz
muster zu erzeugen, das eine Information sowohl über die
Amplitude
als auch die Phase des von dem Objekt gebeugten oder reflektierten Lichts enthält.
Das Interferenzmuster kann z.B. auf einem photographischen Film aufgezeichnet werden,
der nur auf die Intensität anspricht; das aufgezeichnete Interferenzmuster wird
als Hologramm bezeichnet, Richtet man Licht mit einem Frequenzumfang im wesentlichen
gleich dem des von dem ursprünglichen Objekt gebeugten oder reflektierten Lichts
durch das aufgezeichnete Interferenzmuster, so kann ein Bild des ursprünglichen
Objekts erhalten werden.
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Die ersten Vorrichtungen zur Aufzeichnung und Wiedergabe von Hologramnien
wurden als sogenannte gleichachsige Systeme bezeichnet und hatten den Vorteil, dass
der photographische Film, der zur Aufzeichnung der Information iiber die Amplitude
llnd Phase der gebeugten Wellen verwendet wurde, ein Film mit geringer Auflösung
sein konnte. Diese ersten Systeme hatten jedoch den Nachteil, dass es sehr schwer
war, das gewünschte Bild von dem interferenzlicht und anderen Bildern in der wiedergegebenen
Welle zu trennen.
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Um die wichtigen Bilder von Hintergrundstörungen in einem holographischen
System zu trennen, wurde ein achsenungleiches System entwickelt. Bei diesem System
erhält die Aufzeichnungsebene Licht von dem Objekt und den Bezugswellen von unterschiedlichen
Stellen aus. Die Frequenz der Interferenzstreifen, die in dem Hologramm aufgezeich
net werden muss, wird als Funktion des Winkels zwischen den Interferenzwellen erhöht,
Dadurch ist es notwendig, ein Aufzeichnungsmediun (z.B. einen photographischen Film)
zu
verwenden, der eine viel höhere Auflösung hat als die, die zur gleichen Aufzeichnung
bei Verwendung eines achsengleichen holographischen Systems erferderlich isto Diese
Art der Holographie gelangte bei der Hologramminterferometrie zur Messung kleiner
Abmessungsänderungen in einem Objekt zur Anwendung Dies geschieht i zur Untersuchung
von Fehlern in Automobilreifen. Ein ersters Hologramm wird von dem Objekt, z.B.
dem reifen, erzeugt. Das Objekt wird dann verändert bzw. in einer bestimmten Weise
beansprucht, zeBe durch Erhöhung des Reifendrucks. Ein zweites Hologramm wird dann
vo des Objekt in dem beanspruchten Zustand hergestellt, und das erste und das zweite
Hologramm werden einander überlagert. Die Interferenzsvreifen in dem so gebildeten
Hologramm zeigen die Grösse der Bewegung en, die in jedem Bereich stattgefunden
hat. Im Falle des Reifens zeigen übermässig viele Streifen in einem bestimmten Bereich
eine schadhafte Stelle an. Diese Methode der Hologramminterferometrie erfordert
jedoch die umständliche Nassbehandlung des photographischen Films. Ausserdem sind
Emulsionen mit sehr hoher Auficsung erforderlich, da wie bei der üblichen Holographie
der Bezugslichtstrahl unter einem Winkel eingebrachs wird, um unerwünschte Komponenten
zu beseitigen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
Messung von Oberflächenhöhenänderungen bzw. -konturen geringer Abmessung eines Objekts
durch Eciitzeit-Hologramminterfercmetrie zu schaffen, so dass eine Echtzeitanzeige
möglicher Fehler eines unter Beanspruchung stehenden Objekts ermöglicht wurde
Gelöst
wird diese Aufgabe gemäss der Erfindung durch eine Einrichtung zur Beleuchtung einer
Normbezugsfläche, um einen ersten gestreuten.und reflektierten Lichtstrahl zu erzeugen,
eine Einrichtung zur Erzeugung eines Bezugslichtstrahls, eine Fernsehkameraröhre
mit einem optischen Eingang und einem elektrischen Ausgang, eine Einrichtung zur
Kombination des ersten, von der Bezugsfläche gestreuten und reflektierten ersten
Objektstrahls mit dem Bezugslichtstrahl, um ein erstes Interferenzmuster zu bilden,
das von der Fernsehkameraröhre als optisches Eingangssignal empfangen wird, eine
Einrichtung zur Speicherung des ersten elektrischen Ausgangssignals der Fernsehkameraröhre
entsprechend dem ersten Interferenzmuster, eine Einrichtung zur Beleuchtung des
Objekts, um einen zweiten gestreuten und reflektierten Objektstrahl zu bilden, eine
Einrichtung zur Kombination des zweiten gestreuten und reflektierten Objektstrahis
mit dem Bezugslichtstrahl, um ein zweites Interferenzmuster zu bilden, das von der
Fernsehkameraröhre als optisches Eingangssignal empfangen wird, eine Einrichtung
zur Kombination des zweiten elektrischen Ausgangssignals der Fernsehkameraröhre
entsprechend dem zweiten Interferenzmuster mit dem gespeicherten elektrischen Ausgangssignal
der Ferneehkameraröhre entsprechend dem ersten Interferenzmuster, um ein Signal
zu bilden, das eine Information über die Oberflächenhöhe des Objekts gegenüber der
Bezugsfläche enthält, und eine Einrichtung zur Auswertung des die Höheninformation
enthaltenden Signals.
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Durch die Erfindung wird demgemäas eine Echtzeit-Interferometrie dadurch
erreicht, dase zwei Interferenzmuster, eines des Objekts und eines einer Bezugsehene
bzw. einer Normfläche auf einer Fornsehlkamera abdgehildet werden. Die Ausgangesignale
der Fermsehkamera für die beiden Imterferenzmuster werden kombiniert, um eine Anzeige
der Höhenänderung in der Objektfläche in Richtung längs der optischen Achse zu erzeugen.
Da ein, Bildhelegramm anstelle eines Fresnel-ador Feurier-Umwandlungehologramms
verwendet wird, ist zur Bildung einer Anzeige keine Transparenz erforderlich.
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Ausführungsbeispiele dar Erfindung werden nachstehend anhand der Figuren
1 bis 7 erläutert. Es zeigt: Fig.1 eine schematiche Darstellung einer Ausführungsform
eines Echtzeit-Hologramminterferometers gemäss der Erfindung mit zeitlich versetzter
Holographie, Fig. 2 eine Fig. 1 ähnliche Darstellung einen Interferemeters, bei
dem die reellan und Ammaginäres Teile eines Signals gesondert vorerbeitei werden.
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Fig.3a und 3b andere Anzeigevorrichtungen für dio Interferometer der
Fig. 1 und 2, Fig. 4 ein Interferometer mit einer Speicherfernsehkamera und räumlicher
Vershzung eines Begmusstrahls mit interner Speicherung in der Kamera der beiden
Interferenzmuster von der Abtastung,
Fig. 5 eine Filz 4 ähnliche
Darstellung, wobei jedoch jedes der beiden Interferenzmuster an der Kamera abgetastet
wird und die Speicherung und Verarbeitung ausserhalb der Kamera erfolgt, Fig. 6
ein Interferometer, das keine zeitliche oder räumliche Versetzung des Bezugsstrahls
erfordert, das Jedoch nur eine Höhendifferenzinformation anzeigt, und Fig. 7 ein
Interferometer, bei dem das Interferenzmuster statt an einer Fernsehkamera auf dem
Objekt selbst erzeugt wird.
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Fig9 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Grundprizipien
der Holographie mit zeitlicher Versetzung zur Anwendung gelangen, wie sie in der
deutschen Patentanmeldung P 20 42 307.8 ("Abgetastete Holographiesvstch e mit zeitlicher
Modulation") beschrieben sind. In Fig. @ wird Licht von einem kontinuierlichen Laser
10 von einem halbdurchlässigen Spiegel 11 in einen Objektstrahl 13 und einen Bezugzstrahls
12 gespalten. Der Objektstrahl 13 beleuchtet ein Objekt 14, das untersucht wird
und das Objekt 14 streut und reflektiert den ObJektstrahl 13 zur Bildung eines gebeugten
Objektstrahls 15.
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Der gebeugte Objektstrahl 15 wird von einer Linse 16 durch einen halbdurchlässigen
Spiegel 17 auf die Oberfläche eines Bildzerlegers 18 fokussiert.
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Um eine zyklische zeitliche Versetzung zwischen dem Bezugs-und dem
Objektstrahl zu erzeugen, ist ein Lichtfrequenzmodulator 19 in den Wg des Bezugsstrahls
12 eingesetzt.
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In diesem Falle bildet der Frequenzwandler 19 einen Einseitenbandmodulator,
der
die Frequenz des Bezugstrahls 12 um einen Wert wo verscheibt. Der modulierte Bezugsstrahl
20 wird durch eine Anordnung von Spielgen wieder mit dem Licht des gestreuten und
reflektierten Objektstrahls 15 vereinigt. Hierzu ist ein Spiegel 21 in dem Weg des
modulierten Bezugsstrahls 20 unter einem Winkel von 450 relativ zu dessen Achse
angeordnet (parallel zut der Ebene des Spiegels 11J und reflektiert der modulierten
Bezugsstrahl 20 unter einem Winkel von 90° fir. der Zeichnung nach oben) zu dem
unter einem Winkel von 45° zu dem Weg des modulierten Bezugsstrahls 20 (parallel
zu den beiden Spiegeln 11 und 21) angeordnet Spiegel 17 derart, dass er den modulierten
Bezugsstrahl 20 und den gestreuten und reflektierten Objektstrahl 15 vereinigt.
Bei dieser Ausführungsform ist dor letzte Spiegel zum Kombinieren der beiden Strahlen
ein Strahlspalter, da der modulierte Bezugsstrahl 20 zu der Oberfläche des Bildzerlegers
18 achsergleich mit dez Mitte des gestreuten und reflektierten Objektstrahle 13
gebracht werden muss, um das gewünschte Interferenzmuster zu bilden. Die achsengleiche
Anordnung vermindert wirksam Raumfrequenzen an der Interferenzebene oder der Oberfläche
des Bildzerlegers 18.
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Der Interferenzstrahl zwischen dem gestreuten und reflektierten Objektstrahl
15 und dem moduliertez Bezugstrahl 20 (eJ ot) wird auf den Bildzerleger 18 gegeben,
der bei der Abtastung die momentane Intensität misst. Um die Kontur der Oberflichenhöhenänderungen
des Obiekts in Richtung der optischen Achse der Linse 16 aufzunehmen, wird zunächst
eine Normbezugsebene, z033. eine ebeneveise Fläche 9 (in gestrichelten Linien gezeigt)
benutzt. Die
ebene Bezugsfläche 9 wird von dem Objektstrahl 13 beleuchtet
um den reflektierten Objektstrahl 15 zu bilden.
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Die Intensität des gestreuten Lichts der Normbezugsebene ist gegeben
durch: U = e s##1(x,y) und die Intensität der Bezugswelle kann ausgedrUckt werden
durch: R = ejwot Die unveränderliche Amplitude wird als Eins angenommen.
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Dadurch ist die Summe der beiden Strahlen in dem Interferenzmuster
an der Oberfläche des Bildzerlegers 18 gegeben durch:
Das Ausgangssignal e(t) des Bildzerlegers 18 ist proportional der Intensität Il.
Das Ausgangssignal e(t) wird durch ein Bandpassfilter 22 gefilter, so dass das Ausgangssignal
des Bandpassfilters 22 nur das sich zeitlich ändernde Signal mit einer Amplitude
von 1 enthält.
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Das Signal e1 (t) wird durch einen Schalter 23, der zu diesem Zeitpunkt
in der gestrichelt angegebenen Stellung ist, zu einem Videorskorder 24 geleitet,
wo es aufgezeichnet wird.
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Bei einer zweiten Blichtung wird das Objekt 14 verwendet. Auf dem
Bildzerleger 18 wird ein sweiten Bild mit einer zugehörigen Intensität I2 erzergt.
Die Synchronisation zwischen dem gespeicherten Blid, das auf die erste Belichtung
bzw. Abtastung zurückgeht, die in dem Videorekorder gespeichert ist, und der zweiten
Belichtung oder Abtastung muss sorgfältig aufrechterhaltern werden. Eine Methode,
um eine solche Synchronisation sicherzustellen, besteht darin, bei der zweiten Abstastung
die Kamerasynchtonisiereigrale von dem in dem Videorekorder während der ersten Abtashung
aufgezeichneten Synchrenisiersignal abzuleiten. Dier ist in Fig. 1 durch eine Verbindung
25 zwischen der Videorekorder 24 und dem Bildzenieger 13 dargestellt. Es ist auch
möglich, ein Synchronisiersignal auf der gesenderten Spur des Videorekorders 24
denzuzen@@@@@ und dieses Synchronisiersignal für die eines und zweite Anbastung
zu benutzen. Mit einer dieses beiden Lösungen wird die Synchronisation zwischen
der en ber und zweiter Abtastung aufrechterhalten und für die zweite Abtastung ist
das Ausgangssignal des Bandpassfiltern 22 gegeben darebt
Der Schalter 23 wird während der zweiten Abtastung in die durch
die ausgezogene Linie gezeigte Stellung gebracht und das Signal e2(t) wird auf eine
Additionsschaltung 26 gegeben. Zugleich wird auch das Signal el(t), das während
der ersten Abtastung in dem Videorekorder 24 aufgezeichnet wurde, während der Zeit
der zweiten Abtastung auf die Additionsschaltung 26 gegeben, so dass e1(t) und e2(t)
von der Additionsschaltung 26 addiert werden. Das Ausgangssignal der Additionsschaltung
26 wird von einem Hüllkurvendetektor 27 verarbeitet, die kennzeichende Änderung
tritt auf, wenn # # = wobei # z die Differenz in der z-Stellung des Objektes und
der Bezugs ebene und k die Wellenzahl 2 ##ist.Die resultierende Hüllkurve der Summe
ergibt sich durch: HUR lkurve
Diese Signal wie ur einer Kathodenstrahlröhre 28 dargestelle, die das Originalbild
a(x,y), moduliert durch ein Interferenzsignal infelge der Difforenz in der axialen
Stellung z zwischen der Oberfläche der Bezugs ebene und des Objekts 14 zeigt. Es
ist ZU banchten, dass keine Raumfrequenzen grösser als d;tt des Bildes von dem Bildzerleger
18 oder der Kathodenstrahlröhre 28 verarbeitet werden müssen. Diesses System kann
zur Fliessbandüberprüfung einer grossen Vielzahl von Produkten verwendet werden.
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Eine andere Demodulationsmethode als die Ermittlung der Hüllkurve
der Summe besteht darin, das Produkt der beiden Signale e1(t) und e2(t) zu bilden,
wobei e1<t) x e2(t) = a cos(#1-#2) ist. ln diesem Falle ist der Multiplizierschaltung
ein Tiefpassfilter nachgeschaltet.
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Eine der Schwierigkeiten des soeben anhand der Fig.
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beschriebenen Systems besteht darin, dass der Videorekorder die versetzte
Trägerfrequenz wo mit guter Phasengenauigkeit speichern und wiedergeben muss. Dies
erfordert nicht nur einen erhöhten Übertragungsfrequenzgang des Videorekorders,
sondern macht es auch erforder licht, die Gleichlaufschwankung unter den normalerweise
erforderlichen Wert zu vemindern. Diese Forderung kann durch die in Fig. 2 gezeigte
Anordnung beseitigt werden, bei der die reellen und imaginären Teile des Signals
auf zwei gesonderten Spuren des Videorekorders ge speichert werden, statt das Trägersignal
selbst zwei speichern.
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In Fig. 2 sind nur die elektronischen Elemente dieses Systems dargestelle,
wobei gleiche Bezugezeichen für die Elemente verwendet sind, die mit denen der Anordnung
der Fig. 1 übereinstimmen. Die optische Amordnung zur Erzeugung eines Interferenzmusters
auf dem Bildzerleger 18 ist die gleiche wie die in Fig. 1 gezeigte und ist daher
in Fig. 2 nicht gezeigt. In Fig. 2 arbeiten ein Bildzerleger 18 und ein Bandpassfilter
22 in der gleichen Weise wie anhand der Fig. 1 erläutert wurde, um ein Signal e1(t)
während einer ersten Abtastung der Bezugsebene und ein Signal e2(t) während einer
zweiten abtastung des Objekts zu erzeugen. Während der ersten Abtastung wird das
Signal e1(t) = a1 cos [#1 - wot] des Bandpassfilters 22 auf Synchrondetektoren 29
und 30 gegeben. Wie bei dem vorherigen Beispiel ist die Amplitude 1, die hiermit
q bezeichnet ist. Der Synchrondetektoren 29 multipliziert e1(t) mit sin wot und
der Synchrondetektoren 30 muultipliziert el(t) mit cos wot. Die Signale sin wOt
t cos wo t können
in irgendeiner geeigneten Weise erhalten werden.
In Fig. 2 werden sie von zuvor aufgezeichneten Spuren eines Videorekcrders 24 erhalten.
Das Ausgangssignal des Synchrondetektors 30 ist gegeben durch: (cos wot) (a1 cos
[#1 - wot] ) = a1 (cos #1 cos² wot + sin #1 sin wot cos wot) = al fcos #1(1/2 +
cos 2 wot) + sin #1 (sin 2 wot wobei die Amplitude a1 gleich 1 ist.
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Das Signal wird dann von einem Tiefpassfilter 31 gefiltert, das die
zweite Harmonische von wo ausfiltert. Das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 31
ergibt sich dann als 1/2 al cos Ql.
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In gleicher Weise wird das Signal el(t) in dem Synchrondetektor 29
mit sin wot multipliziert und durch ein Tiefpassfilter 32 gefildert. Das Ausgangssignal
des Tiefpaß filters 32 lässt sich durch 1/2 al sin #1 ausdrücken.
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Die Signale 1/2 al cos ei und 1/2 al sin #1 werden durch einen Schalter
33 auf den Videorekorder 24 gegeben, wo sie gespeichert werden.
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Während der zweiten Abtastung, während der das zu untersuchende Objekt
abgetastet wird, wie zuvor anhand der Fig. 1 erläutert wurde, werden die gleichen
Synchrondetektoren 29 und 30 und die Tiefpassfilter 31 und 32 zur Erzeugung von
a2 cos @2 und a2 sin #2 verwendet. Bei der Anordnung
der Fig.
2 werden die Bildzerleger-Synchronisiersignale in der gleichen Weise erzeugt, wie
anhand dor Fig. 1 erläutert wurde, d.h. entweder die erste und die zweite Abtastung
werden auf ein Synchronisiersignal synchronisiert, das in dem Videorekorder 24 aufgezeichnet
wird, oder die zweite Abtastung wird auf ein Synchronisiersignal synchronisiert,
das während der ersten Ab tastung in dem Videorekorder 22! aufgezeichnet,wird, Die
einzige kennzeichnende Änderung tritt auf, wenn #e = k # z ist, wobei # z die Änderung
in der z-Stellung des Objekts und k die Wellenzahl 2 #/# ist. Zur mathema tischen
Vereifachung kann gesagt werden, dass a1 = 1 und a2 = a ist, Die während der ersten
Abtastung gespeicherten Signale cos#1 und sin#1 werden mit den Signalen a cos #2
und a sin #2 während der Zeit der zweiten Abtastung durch Multiplizierschaltungen
34 und 35 kombiniert, die irgendwelche bekannten Einrichtungen zur Multiplikation
zweier Signale sein können. Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 34 ist
sin #1 a sin #2. Diese beiden Ausgengesignale werden in einer Additionsschaltung
36 addiert, um das Signal cos #1 a cos #2 + sin #1 a sin #2 = a cos( zu erhalten.
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Dieses Signal kann direkt auf eine Kathedenstrahlsühre 28 gegeben
werden, wie in Fig. 2 gezeigt ist, um die Höhenkontur der Objektoberfläche relativ
zu der Normbezugsfläche, in diesem Falle eine Ebene, direkt anzuzeigen.
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Eine weitere Möglichkeit der Echtzeit-Interferometrie gemss der Erfindung
ist in Fig, 3 gezeigt. In Fig. 3 wird eine Bezugsebene 41 von einem Laser 42 beleuchtet
und das gebeugte und reflektierte Licht der Bezugsebene 41 wird auf der Oberfläche
einer Speicherkameraröhre 43 durch eine Linse 44 abgebildet. Eine Speicherkameraröhre
hat eine wesentlich bessere Lichtempfindlichkeit als eine Bildzerlegerröhre.
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Die Speicherkameraröhre 43 kann irgendeine Speicherfernsehröhre sein,
z.B. ein Vidikon oder ein Orthikon.
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Da diese Röhren nicht auf sich schnell ändernde Intensitäten ansprechen
können,wird eine räumliche Versetzung angewandt, wobei ein Bezugsstrahl 45 des Lasers
42 auf die Spoicherkamera 43 unter einem bestimmten Winkel α gegenüber der
optischen Achse der Speicherkamera auftriftt und ß ist gleich sin α. . die
Intensität auf der Oberfläche der Speicherkamera 43 ist gegeben durch: I1 = | U1
(x,y) + ejkßy| 2 wobei U1 (x,y) die Intensität des gebeugten und reflektierten Lichts
des Objekts 41 ist, die gegeben ist durch: Ul = Damit I1 = 1 + |U1| 2 + U1 e-jkßy
+ U1*ejkßy, wobei "konjugiert" bedeute . Da U1 = ejwl(x,y) ist, gilt I1 = 2 + 2
cos [#1-
Wie im Falle der Interferometeranordnungen der Fig. 1
und 2 wird von dem Objekt 41a ein Bild aufgenommen, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Hierbei
gilt:
Keine Abtastung findet statt, während die aufeinander folgenden Bilder so angewandt
werden, dass die Intensität I1 und 12 in der Speicherröhre43 gespeichert eine Es
wird angenommen, dass die Speicherröhre 43 eine Vidikonkamera ist und dass für eine
Vidikoncamera der Ausgangsstrom i der Kamera gegeben ist durch:
Wenn die räumliche Frequenz kß für das Vidikon zur Auslösung zu gross ist, wie dies
bei irgendeinem zweckmässigen Wert des Winkel; g der Fall ist, gibt das Kameraausgangssignal
nur die unteren Frequenzen dieses Signal wieder.
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Es wird somit eine relativ grosse räumliche Versetzung au gewandt,
um viele der unerwünschten Muster zu bese-itigen, und das Muster der niedrigen Raumfrequenz
entsprechend der gewünschten Höhenkonturinformation cos (#1 - #2) aufrecht zuerhalten.
Die Speicherfläche der Kamerarolare muss In der Lage sein, die hohe Raumfrequenz
kß infolge der Versetzung aufzulösen. Der Lesestrahl der Kameraröhre, der normalerweise
die Auflösung begrenzt, muss jedoch diese hohe Raumfrequenz nicht auflösen können.
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Ein höherer Streifenkontrast könnte durch Anwendung grösserer Nichtlinearitäten
erzielt werden. Zum Beispiel könnte das Vidikon 43 mit einem nicht ausreichenden
Strahlstrom abgetastet werden, wodurch die Bereiche höherer Intensitäten abgeschnitten
werden. Dieser Abschneideeffekt der Nichtlinearität wäre eine wirksame Methode zur
Erzeugung des gewünschten Mischeffekts.
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Ausserdem könnte der "Knick" eines Superorthikons ausgenutzt werden,
wenn ein Superorthikon für die Speicherkamera 43 verwendet wird. Es ist zu beachten,
dass nur Nichtlinearitäten an der Speicherfläche selbst verwendet werden können0
Nichtlinearitäten des elektrischen Signals rufen nicht den gewünschten Effekt hervor,
da die hochfrequenten Signale an dieser Stelle nicht vorhanden sind.
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Eine weitere Möglichkeit der Echtzeit-Interferometrie unter Verwendung
einer Speicherkamera ist schematisch in Fig. 5 gezeigt. Die Anordnung der Fig. 5
ist der der Fig. 4 ähnlich und gleiche Bezugsziffern sind für einander entsprechende
Elemente in beiden Figuren verwendet. Wie zuvor werden eine Bezugsebene 41 und dann
ein Objekt 41a mit Licht eines Lasers 42 beleuchtet und das gestreute und reflektierte
Licht wird durch eine Linse 44 auf der Fläche einer Speicherkamera 43 abgebildet.
Ein gesteuerter Phasenschieber 47 wird im Weg eines Bezugsstrahls 45 des Lasers
42 angeordnet, der auf die Speicherkamera 43 mit einem Winkel « (ß = sin) mit der
optischen Achse der Speicherkamera 43 auftrifft. Im Betrieb wird der Winkel ct,
den der Bezugsstrahl mit der optischen Achse der Speicherkamera 43 einschliesst,
damit die räumliche Frequenz 2 Tkß bzw. sin btx innerhalb des Auflösungsvermögens
der Speicherkamera liegt ausreichend klein gemacht.
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Während der ersten Abtastung der Bezugsebene 41 ist das resultierende
Interferenzmuster auf der Speicherkamera 43 gegeben durch: I1 = 2 + 2 cos [#1 -
kßy] und wird durch einen Schalter 45 (der zu diesem Zeitpunkt in der durch den
gestrichelten Pfeil angegebenen Stellung ist) auf eine Videorekorder 49 gekoppelt,
wo es aufgezeichnet wird. Danach wird das Objekt 41averwendet und ein weiteres Interferenzmuster
wird auf der Fläche der Speicherkamera 43 erzeugt. Hierbei ist es erwünscht, dass
der Laser 42 ein Impuls laser ist, um sicherzustollen, dass keine unerwünschte Vibration
das Interferenzmuster stört. Das Ausgangssignal der Speicherkamera 43 ist gegeben
durch: I2 = 1 + a² +2a cos [#2 - kßy] zu diesem Zeitpunkt ist der Schalter 48 in
der durch den durchgehenden Pfeil angegebenen Stellung und I2 und I1 (die zuvor
in dem Videorekorder 49 aufgezeichnet wurden) werden in einer Subtraktionsschaltung
50 kombiniert. Die Subtraktionsschaltung 50 subtrahiert I2 von I1, um ein Signal
eout zu erzeugen? das sich ausdrückon 1 läsat durch:
für den Fall eines gleichinässig beleuchteten Objekts, wobei a # 1 ist. Durch einen
Hüllkurvendetektor 51 wird die Hüllkurve des Signals e out ermittelt. Das Signal
eout kann
ausgedrückt werden durch: eout = 2 [cos #1 cos kßy +
sin #1 sin kßy + cos #2 cos kßy + sin Q2 sin kßy3.
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Hüllkurve e out = [(cos #1 + cos #2)² +(sin#1=sin#2)²] 1/2 = [2 +
2 cos #1cos#2+sin#1 sin #2] 1/2 = #2 [(1 + cos (#1 - #2)] 1/2.
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Lässt man die Konstanten weg, so ergibt sich: Hüllkurve eout = [1+
cos (#1 -#2)] 1/2 Die Signale I1 und I2 können auch auf eine Multiplizierschaltung
gegeben werden, der ein Tiefpassfilter nachgeschaltet ist, um das Signal 1 + a²
+ a cos (#1 - #2) zu erzeugen. Dieses Signal wird auf eine Anzeigevorrichtung 52
gegeben. Die Hüllkurve dieses Signals e out ist das ursprüngliche Bild "a", moduliert
durch das Interferenzmuster infolge der Höhenkonturen der Objektoberfläche.
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Die Anzeigevorrichtung 52 kann eine Kathodenstrahlröhre sein, die
von einer Bedienungsperson beobachtet wird. Das Signal out kann auch begrenzt werden,
um die Bildinformation zu entfernen und nur das Interferenzmuster zu erzeugen.
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Bei der Vorrichtung der Fig. 5 ist es erwünscht, die Interferenzfrequenz
sin α am Rand der Speicher kameraauflösung so zu bestimmen, dass die Videobandbreite
der Hüllkurve für eine maximale Auflösung so breit wie möglich gemacht werden kann.
Der Hüllkurvendetektor kann dadurch unterstützt werden, dass das Signal erst einer
hohen Frequenz verlagert und dann ein Seitenband ausgefiltert wird. Auf diese Weise
sind die Ausgangsfrequenzen des Hüllkurvendetektors viel kleiner als die Eingangsfrequenzen,
so dass die Filter anforderungen für eine gute Auflösung vermindert werden; Der
Zweck der geringen Winlcelversetzungsfrequenz innerhalb des Auflösungsvermögens
der Speicherröhre besteht darin, einen Träger zu erzeugen, der /nit der Amplitude
des Lichts des Objekts amplitudenmoduliert und mit der Phase des Lichts des Objekts
phasenmoduliert ist. Dieser Träger ermöglicht ed dann, anschliessend die Hüllkurve
zu ermitteln.
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Die Anordnung der Fig. 5 erzeugt ein Ausgangssignal, das das ursprüngliche
Bild "a", moduliert durch das Interferenzmuster infolge der Phasenänderung der ObJetoberfläche
zeigt. Es reicht machmal aus, nur ein Ausgangssignal zu erzeugen, das nur das Interferenzmuster
infolge der Phasenänderung zeigt, Die Anordnung der Fig. 6 eignet sich dazu, ein
solches Ausgangasignal zu erzeugen. in Fig. 6 ist eine Anordnung gezeigt, die keine
räumliche Versetzung des Bezugsstrahls erfordert. Eine Bezugsfläche 53 und dann
ein Objekt 53a werden mit Licht eines Lasers 54 beleuchtet. Das gestreute und reflektierte
Licht
der Bezugs fläche 53 wird durch eine Linse 55 durch einen
Strahlspalter (halbdurchlässiger Spiegel) 56 auf der Fläche der Speicherkamera 57
abgebildet. Ein Teil des Lichts des Lasers 54 wird durch einen Strahlspalter 58
abgespalten, um einen Bezugsstrahl zu bilden, der durch.
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einen Spiegel 59 und einen Strahlspalter 56 reflektiert wird, so dass
er auf der Speicherkamera 57 angelangt.
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Da keine räumliche Versetzung des Bezugsstrahls auftritt, ist das
Ausgangssignal der Speicherkamera 57 gegeben durch: I1 = 2 + 2 cos Dieses Signal
wird durch einen Schalter 60, der zu diesem Zeitpunkt in der durch den gestrichelten
Pfeil in Fig. 6 angegebenen Stellung ist, auf einen Videorekorder 61 gekoppelt,
wo es aufgezeichnet wird. Danach wird das Objekt 53a wie zuvor erläutert abgetastet
und ein zweites Ausgangssignal der Speicherkamera 57 ist gegeben durch: 2 I2 = 1
+ a + 2a cos #2.
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Zu diesem Zeitpunkt ist der Schalter in der durch den durchgehenden
Pfeil in Fig. 6 angegebenen Stellung und I2 wird auf eine Subtraktionsschaltung
62 zusammen mit 11 des Videorekorders 61 gekoppelt. Die Subtraktionsschaltung 62
subtrahiert I2 von I1, um das Signal 11 ~ 12 = 2 Fos il - cos für a - 1 zu erhalten.
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Das Ausgangssignal wird auf eine Anzeigevorrichtung 63 gegeben, die
eine Kathodenstrahlrhre sein kann, die von einer Bedienungsperson beobachtet wird0
Bei allen beschriebenen Lösungsmöglichkeiten, nämlich denen, die Bildzerleger und
denen, die Speicherröhren verwenden, können die beiden zu vergleichenden Signale
(die durchgehend mit I1 und I2 bezeichnet wurden) zuerst auf Frequenzvervielfacher
gegeben werden, um die Empfindlichkeit des Systems zu erhöhen. Wenn so die Frequenz
des Trägers eines jeden verglichenen Signals mit n multipliziert wird, würde die
Streifendichte infolge der Interferenz um n erhöht werden.
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Bei allen soweit beschriebenen Interferometriesystemen wurde das Interferenzmuster
an dem reellen Bild durch Anwendung einer Bezugswelle an der Kamerafrontplatte erzeugt.
In Fig. 7 ist ein Echtzeit-Interferometriesystem gezeigt, bei dem das Interferenzmuster
an dem Objekt selbst durch Bele.uchtung mit zwei ebenen Wellen mit unterschiedlichen
Winkeln erzeugt wird. Die Vorteile eines solchen Systems sind die einfache Geometrie,
die erhöhte Modulation des Streifenmusters und eine Steuerung der Streifendichte
gegenüber der Verschiebung. Wie Fig0 7 zeigt, werden eine Normbezugsfläche (nicht
gezeigt) und dann ein Objekt 64 von zwei ebenen Wellen 65 und 66 beleuchtet, die
mit einem Winkel Gl 1 bzw. 92 mit der optischen Achse einer Speicherkamera 67 auftreffen.
Um eine ausreichend niedrige Raumfrequenz zu erhalten und damit die Kamera ausreichend
auflöst, kommen in der Praxis.beide ebenen Wellen von der gleichen Seite der optischen
Achse. Dies ändert die folgende mathematische Analyse nicht, sondern bewirkt nur,
dass Q2
negativ wird. Die beiden ebenen Wellen 65 und 66 sind gegeben
durch: Ebene Welle 65 = ejk [sin #1y + cos#1z¹] Ebene Welle 66 = ejk [-sin #2y +
cos#2z¹] Die Gröse z , die in Fig. 7 gezeigt ist, bezieht sich auf den Abstand der
Oberfläche des Objekts 64 von einer willkürlichen Linie RR, die durch das Objekt
64 gezogen ist, d.h. z stellt die Oberfläche z(x,y) des Objekts 64 oder der Normalbezugsoberfläche
je nach der Abtastung dar. Die Amplituden des reflektierten Lichtes der Oberfläche
und einer Normalbezugsebene (nicht gezeigt), wie sie bisher beschrieben wurden,
infolge der beiden ebenen Wellen1 sind gegeben durch: U1 = ejk [sin #1y + cos #1
z¹] U2 = ejk [-sin #2y + cos #2 z¹].
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Die sich ergebende Intensität 11 (x,y) auf der Bezugsfläche ist gegeben
durch: I1 (x,y) = U1 + U2 ² = 2 + 2 cos k[αy + ßz1¹] wobei α = (sin
el + sin 82 92) 13 = (cos #1 - cos #2) und z1 ist der Ebenenflächenzustand während
der ersten Abtastung.
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Diese Intensität I1(x,y) wird durch eine Linse 68 auf der Fläche der
Speicherkamera 67 abgebildet. Das Ausgangssignal
der Speicherkamera
67 wird durch einen Schalter 69, der zu diesem Zeitpunkt in der durch den gestrichelten
Pfeil in Fig. 7 angegebenen Stellung ist, zu einem Videorekorder 70 geleitet, der
I1 speichert. Danach wird das Objekt 64 durch die ebenen Wellen 65 und 66 der Laser
71 bzw. 72 beleuchtet. Die Intensität des Objekts 64 und das Ausgangssignal der
Speicherkamera 67 sind dann gegeben durch:
Zu diesem Zeitpunkt ist der Schalter 69 in der durch den durchgehenden Pfeil in
Figo 7 angegebenen Stellung und 12 wird mit dem zuvor aufgezeichneten Signal 11
in einer Subtraktionsschaltung 74 kombiniert. Die Subtraktionsschaltung 74 subtrahiert
I2 von Il, so dass sich (für a = 1) ergibt:
wobei z2 der Oberflächenzustand des Objekts ist.
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Der räumliche Träger k « wird tatsächlich zu einem elektrischen Träger
kg v, wenn mit der Speicherkamera 67 mit der Geschwindigkeit v abgetastet wird0
Die Hüllkurve des sich ergebenden elektrischen Signals auf einem Träger wird durch
einen Hüllkurvendetektor 75 ermittelt, der folgendes Signal erzeugt: Hüllkurve =
wobei ß z die Oberflächenhöheninformation für das Objekt gegenüber
der Bezugs fläche ist. Die Signale I1 und 12 können auch auf eine Multiplizierschaltung
gegeben werden, um ein Signal I1 x I2 = a El + 1/2 cos kß # z¹] zu erzeugen.
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Dieses Signal wird auf einer geeigneten Anzeigevorrichtung 76 angezeigt,
die eine Kathodenstrahlröhre oder ein anderes bekanntes Anzeigegerät sein kann.
Es ist zu ersehen, dass die Empfindlichkeit dieses Systems leicht durch ß gesteuert
werden kann, das die Differenz der Kosinus der Winkel der ebenen Wellen 65 und 66
ist.
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Dieser Parameter kann zwischen 0 und 1 geändert werden und kann somit
die Empfindlichkeit des Konturaufnahmesystems in Form der Anzahl der Streifen pro
Höhendifferenzeinheit zwischen dem Objekt und der Bezugs fläche steuern.
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Diese Methode der Erzeugung des Interferenzmusters auf dem Objekt
selbst kann auch zusammen mit den Bildzerlegeranordnungen verwendet werden, die
in Fig. 1 und 2 gezeigt sind. In diesem Falle wird in der gleichen Weise ein Frequenzmodulator
wie in Fig. 1 (Frequenzmodulator 19) verwendet. Die gesamte Kamera und die nachfolgende
Einrichtung zur Signalverarbeitung entsprechend Fig. 7 können durch die der Fig.
1 und 2 ersetzt werden. Hierbei wäre wiederum der Vorteil dieser letzteren Methode
die Steuerung der Empfindlichkeit des sich aufgrund der Höhenkontur ergebenden Streifenmusters.
Die Verwendung des im Vergleich zu der Speicherkameraröhre relativ lichtunempfindlichen
Bildzerlegers würde jedoch die Verwendung wesentlich stärkerer Lichtquellen erforderlich
machen.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle einer ebenen Bezugsfläche
eine glatte gekrümmte Fläche oder eine Bezugsfläche mit irgendeiner Normform zu
verwenden. Die Erfindung ist auch ausser auf die Konturermittlung auf den Vergleich
einer Objektoberfläche mit einer Bezugsfläche irgendeiner Form anwendbar, um das
Ausmass der Abweichung der Objektoberfläche von der Bezugsfläche zu bestimmen. Im
Hinblick hierauf ist somit die rfindung auch auf die Kontrolle von Objektoberflächen
gegenüber Bezugs oberflächen bei der Qualitätskontrolle anwendbar