DE4108062A1

DE4108062A1 - Interferometric measurement arrangement for objects - contains optical system with beam divider cube and spherical mirror superimposing light scattered by object onto reference beam

Info

Publication number: DE4108062A1
Application number: DE19914108062
Authority: DE
Inventors: Ingo Dipl Ing Thomas
Original assignee: MAN Technologie AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1991-03-13
Filing date: 1991-03-13
Publication date: 1992-09-17

Abstract

The arrangement for the interferometric measurement of objects has a light source for object illumination and for at least one reference beam. It contains at least one detector with an associated objective for detecting the light scattered by the object. The scattered light (14, 16) is superimposed on the reference beam (15). The optical arrangement (4-6) for superimposing the scattered light on the reference beam is arranged between the detector (9) and the objective (8). It contains a beam divider cube and spherical mirror. ADVANTAGE - Enables simple, flexible handling of variations of the scattered light.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Objekten mit einer Strahlenquelle für die Objektbeleuchtung und minde stens einem Referenzstrahl, mindestens einem Detektor mit zugehörigem Objek tiv zur Aufnahme der vom Objekt gestreuten Strahlung sowie mit optischen Mit teln zur Überlagerung der Streustrahlen mit dem Referenzstrahl.The invention relates to a device for interferometric measurement of objects with a radiation source for object lighting and min at least one reference beam, at least one detector with associated object tiv for recording the radiation scattered by the object and with optical Mit for superimposing the scattered rays with the reference beam.

Unter Detektor ist jeder lichtempfindliche Empfänger zu verstehen, wie z. B. eine Bildkamera, elektronische Kameras (CCD) und andere Aufnahmeeinrichtungen mit oder ohne Lichtleiter, die geeignet sind, optische Signale in elektrische Signa le umzuwandeln.Detector is to be understood as any light-sensitive receiver, such as. Legs Image cameras, electronic cameras (CCD) and other recording devices with or without light guides that are suitable for converting optical signals into electrical signals convert le.

Bei Vorrichtungen der vorstehend genannten Art (DE-OS 26 58 399) werden übli cherweise die vom Objekt reflektierten Streustrahlen mit dem Referenzstrahl überlagert und anschließend durch das Objektiv zum Detektor geleitet. Dieses hat zur Folge, daß Veränderungen an den Streustrahlen, die durch Verstellen von optischen Bauelementen bewirkt werden, eine gleichzeitige Einwirkung auf den Referenzstrahl haben können.In devices of the type mentioned above (DE-OS 26 58 399) übli the scattered rays reflected from the object with the reference beam overlaid and then passed through the lens to the detector. This has the consequence that changes in the scattered radiation caused by adjustment of optical components are caused to act simultaneously on the Can have reference beam.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs ge nannten Art so zu gestalten, daß eine flexible und einfache Handhabung für Ver änderungsmöglichkeiten der Streustrahlen möglich ist.The invention has for its object a device of the beginning ge named type so that a flexible and easy handling for Ver possibilities of changing the scattered rays is possible.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.The object is achieved by the features of claim 1.

Damit sind Streu- und Referenzstrahlen unabhängig voneinander einstellbar oder veränderbar, was die Handhabung der Vorrichtung erleichtert und gegebe nenfalls Justiermittel einspart. Zwischen dem Objektiv und dem Objekt verbleibt mehr Freiraum, der die problemlose Anwendung von Vario- und anderen Objek tiven sowie anderen optischen Bauteilen ermöglicht, um z. B. den Schärfentiefe bereich der Objektkontur anzupassen. Es ist auch möglich, das Licht mittels eines Lichtwellenleiters zum Objektiv zu leiten. Scattering and reference beams can thus be set independently of one another or changeable, which facilitates and gives the handling of the device if necessary, adjustment means saved. Remains between the lens and the object more freedom, the problem-free use of vario and other objects tive and other optical components allows z. B. the depth of field adjust the area of the object contour. It is also possible to use a light To guide the optical fiber to the lens.

Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht darin, daß mit der erfindungsgemäßen An ordnung die Meßvorrichtung mit relativ kleinen Abmessungen realisierbar ist. Bei Verwendung eines Strahlteilerwürfels, durch den die Streustrahlung und der Re ferenzstrahl senkrecht zueinander durchtreten, und eines Kugelspiegels, der den Referenzstrahl aufweitet und zum Strahlteilerwürfel zurückspiegelt, kann die Meßvorrichtung ohne Objektiv eine sehr geringe Baugröße erhalten, etwa in der Ordnung von 10 · 10 · 5 cm³. Derartig kleine Abmessungen ermöglichen den Ein satz der Meßvorrichtung auch in unwegsamen Stellen, wie z. B. in der Medizin technik, etc.Another important advantage is that with the arrangement according to the invention the measuring device can be realized with relatively small dimensions. When using a beam splitter cube through which the scattered radiation and the reference beam pass perpendicular to each other, and a spherical mirror that expands the reference beam and reflects it back to the beam splitter cube, the measuring device without an objective can have a very small size, approximately in the order of 10 · 10 · 5 cm ³ . Such small dimensions allow the use of a measuring device even in difficult places, such as. B. in medical technology, etc.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung eignet sich für vielseitige interferometri sche eindimensionale und mehrdimensionale Meßanordnungen. Auch eine schwenkbare Anordnung zur seriellen Messung einzelner Verformungsparame ter ist aufgrund der geringen Baugröße einfacher durchzuführen als bei konven tionellen Vorrichtungen.The measuring device according to the invention is suitable for versatile interferometry cal one-dimensional and multi-dimensional measuring arrangements. Also one swiveling arrangement for serial measurement of individual deformation parameters Due to its small size, ter is easier to carry out than with konven tional devices.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung schema tisch dargestellt.In the drawing, two embodiments according to the invention are schematic represented table.

In Fig. 1 sind die Bauteile einer Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Objektoberflächen mit gestrichelten Linien eingerahmt. Die Bauteile bestehen in einer Lichtwellenleiter-Einkoppelung 1, einem Strahlteiler 2, einer Linse 3, für den Beleuchtungsstrahl 13. Für die Aufnahme der Objektstrahlen 14 hat die Meß vorrichtung ein Objektiv 8, einen zweiten Strahlteiler 4 mit zugehörigem Spiegel 5, einen Polfilter 22 sowie einem Detektor 9. Je nach Meßanwendung der Vorrichtung wird eine nicht dargestellte Strahlenquelle mit kohärenten Strahlen, teilkohärenten oder ähnlichen Strahlen verwendet, wobei die Strahlen über ei nen Lichtleiter 7, 1 in die Vorrichtung eingekoppelt werden. Mittels des Strahltei lers 2, der ein Prisma, eine Keilplatte oder ähnliches sein kann, wird der Eingangs strahl in den Beleuchtungsstrahl 13 und einen Referenzstrahl 15 aufgespalten. Für eine flächenmäßige Ausleuchtung eines Objektes 17 wird der Beleuchtungs strahl 13 über die Linse 3 oder Objektiv aufgeweitet. Die vom Objekt 17 reflek tierten Streustrahlen 14 treffen direkt auf das Objektiv 8 der Aufnahmeeinheit und werden erst nach dem Objektiv innerhalb der Meßvorrichtung dem Refe renzstrahl 15 überlagert. Hierzu ist der zweite Strahlteiler, beispielsweise ein Strahlteilerwürfel 4, in den Strahlengang 16 der Streustrahlen und gegenüber dem ersten Strahlteiler 2 so angeordnet, daß die Streustrahlen und der Referenz strahl 15 den Strahlteilerwürfel 4 senkrecht zueinander durchqueren. Der durch den Strahlteilerwürfel 4 durchgehende Referenzstrahl 15 wird an dem als Kugel spiegel ausgebildeten Spiegel 5 aufgeweitet und zum Strahlteilerwürfel 4 zurück gespiegelt, wodurch der Referenzstrahl schließlich in den Detektor 9 mündet. Der zwischengeschaltete Polfilter 22 dient zum Abgleich der Intensität zwischen Streu- und Referenzstrahl.In Fig. 1, the components of a device for interferometric measurement of object surfaces are framed with dashed lines. The components consist of an optical waveguide coupling 1 , a beam splitter 2 , a lens 3 , for the illuminating beam 13 . For the recording of the object beams 14 , the measuring device has a lens 8 , a second beam splitter 4 with associated mirror 5 , a polarizing filter 22 and a detector 9 . Depending on the measurement application of the device, a radiation source, not shown, with coherent rays, partially coherent or similar rays is used, the rays being coupled into the device via an optical fiber 7 , 1 . By means of the beam splitter 2 , which can be a prism, a wedge plate or the like, the input beam is split into the illuminating beam 13 and a reference beam 15 . For a surface illumination of an object 17 , the illuminating beam 13 is expanded via the lens 3 or lens. The scattered rays 14 reflected by the object 17 strike the lens 8 of the recording unit directly and are only superimposed on the reference beam 15 after the lens within the measuring device. For this purpose, the second beam splitter, for example a beam splitter cube 4 , is arranged in the beam path 16 of the scattered beams and with respect to the first beam splitter 2 so that the scattered beams and the reference beam 15 cross the beam splitter cube 4 perpendicularly to one another. The through the beam splitter cube 4 reference beam 15 is widened at the mirror 5 designed as a spherical mirror and reflected back to the beam splitter cube 4 , whereby the reference beam finally opens into the detector 9 . The interposed polarizing filter 22 is used to balance the intensity between the scattered and reference beams.

Mit dieser Anordnung wird ein Minimum an Bauteilen benötigt, die zudem sehr kompakt zueinander angeordnet werden können und damit eine komplette Meßvorrichtung sehr kleiner Dimension ermöglicht. Außerdem bleibt der Raum zwischen Objektiv 8 und dem Objekt 17 frei, so daß bei Bedarf die Verwendung von zusätzlichen optischen Einrichtungen sowie die Verwendung eines Vario- Objektives ohne weiteres möglich ist. Um die Phasenlage des Referenzstrahles 15 verschieben zu können, wird dem Kugelspiegel 5 sein Piezoaktor 6 zugeordnet.With this arrangement, a minimum of components is required which, moreover, can be arranged very compactly with respect to one another and thus enable a complete measuring device of very small dimensions. In addition, the space between the lens 8 and the object 17 remains free, so that the use of additional optical devices and the use of a zoom lens is readily possible if required. In order to be able to shift the phase position of the reference beam 15 , the spherical mirror 5 is assigned its piezo actuator 6 .

Die vorstehend beschriebene Meßvorrichtung eignet sich für unterschiedliche in terferometrische Meßverfahren. So ist in Fig. 1 beispielsweise eine Anordnung zur eindimensionalen Messung von Verformungen, Unregelmäßigkeiten, Ver schiebungen, in der out-of-plane-Richtung z gezeigt.The measuring device described above is suitable for different terferometric measuring methods. 1 as is shown in Fig. For example, an arrangement for one dimensional measurement of deformations irregularities Ver shifts shown for the out-of-plane direction.

In Fig. 2 ist eine Meßanordnung gezeigt, mit der in-plane- Verformungskomponenten x, y gemessen werden können. Unter Aufrechterhal tung der Aufnahmeeinheit 4-6, 8, 9 nach Fig. 1 ist in diesem Fall anstelle der Linse 3 ein dritter Strahlteiler 10 vorgesehen, mit dem der Beleuchtungsstrahl 13 in zwei Strahlengänge 18 und 19 aufgeteilt wird, die jeweils mittels zusätzlicher op tischer Mittel, wie Kugelspiegel 11, 11′ aufgeweitet und auf das Objekt 17 ge lenkt werden. Mit Klappen 21 oder dergleichen kann ein Strahl bei Bedarf jeweils abgedunkelt werden.In FIG. 2, a measuring arrangement is shown, x with the plane- in deformation components, y can be measured. Under upright sustainer of the receiving unit tung 4-6, 8, 9 according to Fig. 1 in this case, instead of the lens 3, a third beam splitter 10 is provided with which the illumination beam is divided 13 into two beam paths 18 and 19, each of which genetic means of additional op Means, such as spherical mirror 11 , 11 'expanded and directed to the object 17 ge. With flaps 21 or the like, a beam can be darkened if necessary.

Der in Fig. 2 gezeigte Aufbau dient zur Messung von Verschiebungen der in- plane-Komponente x. Für die y-Komponente wird entweder eine zweite Vorrich tung mit ähnlichem Aufbau, jedoch um 90° um die Beobachtungsrichtung 20 ge dreht, verwendet oder die gezeigte Vorrichtung um die Beobachtungsrich tung 20 drehbar gelagert. The structure shown in FIG. 2 is used to measure displacements of the in-plane component x. For the y component, either a second device with a similar structure but rotated 90 ° about the direction of observation 20 is used, or the device shown is rotatably supported about the direction of observation 20 .

Für die Strahlenquelle können auch unterschiedliche Ausführungen verwendet werden. Anstelle des über einen Lichtwellenleiter eingekoppelten Strahles kann in der Meßvorrichtung eine Laserdiode 12 installiert werden, wie in Fig. 2 gezeigt ist.Different designs can also be used for the radiation source. Instead of the beam coupled in via an optical waveguide, a laser diode 12 can be installed in the measuring device, as shown in FIG. 2.

Claims

1. Device for interferometric measurement of objects with a radiation source for object illumination and at least one reference beam, with at least one detector with associated lens for recording the radiation scattered by the object and with optical means for superimposing the scattered rays with the reference beam, characterized in that that the optical means ( 4-6 ) for superimposing the scattered rays ( 14 , 16 ) with the reference beam ( 15 ) between the detector ( 9 ) and the lens ( 8 ) of the detector are arranged.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the optical means consist of a beam splitter, in particular beam splitter cubes ( 4 ) for the superposition of the scattering and reference beams ( 16 , 15 ) and a spherical mirror ( 5 ) which widens the reference beam and reflects back to the beam splitter.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the ball mirror ( 5 ) is associated with a piezo actuator ( 16 ).