DE60016573T2

DE60016573T2 - Kombination von interferenzlinienbildern zu einem moire bild

Info

Publication number: DE60016573T2
Application number: DE60016573T
Authority: DE
Inventors: Colin Forno; Maurice Whelan
Original assignee: EUROP COMMUNITY BRUESSEL BRUXE; European Community EC Belgium
Current assignee: EUROP COMMUNITY BRUESSEL BRUXE; European Community EC Belgium
Priority date: 1999-02-17
Filing date: 2000-01-27
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2020-01-28
Also published as: WO2000049364A1; DE60016573D1; CA2336942C; JP2002537550A; NO20006355D0; EP1153263A1; GB9903638D0; ATE284527T1; US6744517B1; NO20006355L; EP1153263B1; CA2336942A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Messverfahren und eine Messvorrichtung, bei der ein Interferometer verwendet wird, das zur Bildung von Interferenzstreifenmustern angeordnet ist.
Interferometer sind gut bekannt, und die Prüfung und Messung optischer Komponenten von einfachen Brillengläsern bis hin zu astronomischen Teleskopen erfordert ein Interferometersystem bestimmten Typs. Interferometer werden mittlerweile auch routinemäßig in der Technik zur Messung des mechanischen und thermischen Verhaltens von Werkstoffen und Komponenten eingesetzt.
Diese Interferometersysteme werden für exakteste Messungen üblicherweise aus hochwertigen optischen Bauteilen konstruiert und enthalten Feinregler zur präzisen Ausrichtung. Der Bedarf an hochwertigen, präzisen Komponenten macht Interferometersysteme teuer und ist mit praktischen Einschränkungen für die Apertur des Instruments verbunden. Normalerweise werden die Regler so eingestellt, dass die Anzahl von im Sichtfeld des Betrachters gebildeten Interferenzstreifen reduziert wird, bevor die Prüfung oder Messung bis zu einem Minimum und idealerweise Null durchgeführt wird. Anschließend wird ein zu prüfendes Objekt in einen Interferometerarm eingeführt oder das Interferometer auf andere Weise gestört (verändert). Falls das Interferometer anfangs auf die Bildung eines streifenfreien Feldes eingestellt wurde, werden alle im Prüfinterferogramm erscheinenden Interferenzstreifen gestört.
Bei herkömmlichen Interferometer-Messanwendungen kann man einige Streifen im ersten Interferogramm (d.h. Referenzinterferogramm) tolerieren, wenn aus der Prüf-/Messstörung ein Interferenzmuster mit einer großen Streifenanzahl resultiert. Die grundsätzlichen Mängel im ungestörten Interferometer können ignoriert werden.
Wenn die Prüf-/Messstörung selbst jedoch nur eine geringe Anzahl von Streifen verursacht, können die grundsätzlichen Mängel nicht einfach ignoriert werden.
Es sind Methoden bekannt, mit denen die Effekte der Aberrationen im Referenzinterferogramm entfernt werden, um so ein Bild von einer Prüfkomponente anzuzeigen, das frei von unerwünschten Streifen ist, die durch ein unvollkommenes optisches System erzeugt wurden. Das Verfahren zur Anwendung der Korrektur ist allerdings kompliziert und langsam. Aus einem oder mehreren Interferogrammen des Referenz- und Prüfobjekts werden die Phasenverteilungen errechnet. Das Verfahren erfordert im Allgemeinen die Umwandlung von mindestens drei Prüf-Interferenzstreifenmustern (Interferogrammen) und mindestens drei Referenzinterferogrammen in digitale Bilder, um die Verarbeitung zu erleichtern. Die drei oder mehr Referenz- und Prüfinterferogramme werden um vorbestimmte Maße zueinander in der Phase verschoben (versetzt). Diese phasenverschobenen Muster werden aufeinander folgend durch die geeignete Phasenverschiebung von Streifen erzeugt, beispielsweise mit einem durch einen piezoelektrischen Messwandler (PZT) gesteuerten Spiegel oder durch Wellenlängenmodulation.
Sobald die Phasenverschiebungen (Phasenbilder) errechnet wurden, werden die Phasenbilder einem Phase-Unwrapping-Verfahren (Auflösung von Mehrdeutigkeiten der interferometrischen Phase) unterzogen. Da die Prüfphasenbilder auch die Referenzinformationen enthalten, führt die Subtraktion des Referenzbilds vom Prüfbild nur zur Darstellung der Prüfinformationen. Infolge der Verzögerung wird die Substraktion offline oder nach dem Betrieb durchgeführt. Darüber hinaus kann der Ansatz fehlschlagen, weil die Verfahren der Phasenberechnung und des Phase-Unwrappings keine Interferogramme mit zu vielen nah beabstandeten Streifen oder mit verzerrten Streifen tolerieren.
Bekannterweise wird auch ein genaues Phasenbild der von einer Prüfkomponente bewirkten Lichtwegstörung abgeleitet, indem man absichtlich Trägerstreifen (eine räumliche Trägerwelle) in das Prüfinterferogramm einbringt, wobei beispielsweise ein Spiegel im Interferometer gekippt und ein Analyseverfahren mit Fourier-Transformation durchgeführt wird. Statt der mindestens drei benötigten Referenzinterferogramme reicht beim Fourier-Transformations-Verfahren nur ein Streifenmuster mit einer räumlichen Trägerwelle für die Analyse aus. Für die Fourier-Transformation sind jedoch mehr Berechnungen erforderlich, und die Filterung kann nicht in Echtzeit durchgeführt werden. Es war daher nicht einfach, die Streifenanalyse für schnelle Anwendungen wie beispielsweise die Rückkopplungsregelung optischer Instrumente und die Echtzeit-Überwachung dynamischer Phänomene zu beschleunigen.
Das Dokument „Video-rate fringe analyzer based on phase-shifting electronic moiré patterns", Kato et al., Applied Optics, 10. November 1997, Band 36, Nr. 32, S. 8403, beschreibt ein Streifen-Analysegerät, das in Videogeschwindigkeit die Phasenverteilung von einem Streifenmuster überträgt, das eine räumliche Trägerwelle enthält. Es basiert auf einer Parallelerzeugung von drei phasenverschobenen Moirémustern durch elektronische Multiplikation mit computergenerierten Referenzgittern und Tiefpassfilterung. Die Phasenverteilung wird durch die anschließende Parallelverarbeitung dieser Muster auf der Grundlage eines Drei-Schritt-Phasenschiebe-Algorithmus abgeleitet.
Die Bildverarbeitung mit digitaler Subtraktion von Bildern ist in der digitalen Specklemuster-Interferometrie (beschrieben beispielsweise in „Speckle Metrology", Herausgeber: R.S. Sirohi, Marcel Dekker, Inc., New York, 1993, S. 125) und in der Analyse von Dokumenten [beschrieben beispielsweise in „A new method for displaying indented and other markings on documents", C. Forno, Science and Justice, 1995, 35(1), S. 45–51; sowie in „Moiré technique by means of digital image processing", K.J. Gasvik, Applied Optics, 1983, 22 (23), S. 3543–3548] bekannt.
Die Erzeugung von Moiréstreifen ist ein bekanntes Verfahren, mit dem die Intensitätsverteilungen von zwei verschiedenen Gittermustern beispielsweise durch Überlagerung kombiniert werden, wie es in Kapitel 6 des „Handbook of Experimental Mechanics", Society for Experimental Mechanics Inc., Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey 07632, USA, 1987, ISBN: 0- 3-377706-5, beschrieben wird. Durch Überlagern der unterschiedlichen Gitter wird ein Moirestreifienmuster erzeugt, das die lokalen Differenzen zwischen den Raumfrequenzen der Gitter darstellt. Im Dokument US-A-5 243 542 wird ein Interferenzstreifenmuster mit einem Referenzstreifenmuster kombiniert. Die vorliegende Erfindung wird in den unabhängigen Ansprüchen 1, 18, 23 definiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Messverfahren vorgesehen, das folgende Schritte umfasst:
Anordnen eines Interferometers, um ein erstes Interferenzstreifenmuster zu bilden, das mindestens zehn Interferenzstreifen umfasst;
Aufzeichnen eines Bilds des ersten Interferenzstreifenmusters;
Stören eines Lichtwegs im Interferometer, um ein zweites Interferenzstreifenmuster zu bilden, das mindestens zehn Interferenzstreifen umfasst; und
Kombinieren eines Bilds des zweiten Interferenzstreifenmusters mit dem aufgezeichneten Bild des ersten Interferenzstreifenmusters, um ein weiteres Bild zu erstellen, das ein Moirestreifenmuster umfasst, das aus einer Differenz oder Differenzen zwischen dem ersten und zweiten Interferenzstreifenmuster entsteht.
Es ist also nicht mehr erforderlich, das Interferometer mit großer Präzision auszurichten, um ein im Wesentlichen streifenfreies Referenz-Interferenzstreifenmuster (d.h. erstes Interferenzstreifenmuster) zu erstellen, bevor die Prüfung oder Messung durchgeführt wird (d.h. bevor das Interferometer gestört/verändert wird).
Das Moirestreifenmuster, das durch Kombinieren des ersten und zweiten Interferenzstreifenmusters entsteht, wird durch die Störung selbst und nicht durch die grundsätzlichen Mängel und Fehlausrichtungen des ungestörten Interferometers bestimmt.
Bei diesem neuen Ansatz werden alle Fehler eines minderwertigen, falsch ausgerichteten Systems akzeptiert und anschließend durch den Kombinationsvorgang eliminiert, wobei ein Moirestreifenmuster erzeugt wird. Das Verfahren ermöglicht optische Systeme mit sehr großen Aperturen für herkömmliche und technische Interferometer, die aus preiswerten Standardkomponenten zu konstruieren sind.
Ein herkömmliches hochwertiges Interferometer für optische Messungen umfasst normalerweise optische Komponenten mit Oberflächen, die auf Toleranzen von besser als λ/10 oder sogar λ/100 gefertigt sind, wobei λ die Wellenlänge des ins Interferometer eingeführten Lichts ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können Mängel in optischen Komponenten mit bis zu 100 λ oder größer toleriert werden.
Das in der vorliegenden Erfindung eingesetzte Interferometer kann ein optisches Interferometer oder alternativ ein Interferometer sein, das zur Bildung eines Interferenzmusters aus einfallenden elektromagnetischen Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge angeordnet ist.
Das Verfahren kann in einer Grundform realisiert werden, indem das erste Bild beispielsweise auf Fotofilm aufgezeichnet wird. Das nachfolgende Interferenzstreifenmuster, das durch Stören des Interferometersystems erstellt wurde, kann dann auf das aufgezeichnete Bild projiziert werden, so dass das daraus resultierende Moirestreifenmuster betrachtet werden kann.
Alternativ kann man das aufgezeichnete Bild mit einer Kamera wie beispielsweise einer hoch auflösenden elektronischen Kamera aufnehmen, bei der das Bild des Interferenzmusters auf ein CCD-Sensorelement (Charge Coupled Device) fokussiert wird.
Die Bilder, die zum Erstellen des Moirestreifenmusters kombiniert werden, können digitale Bilder sein, die die Verarbeitung erleichtern und den Einsatz vieler Kombinationsmethoden wie beispielsweise Subtraktion, Multiplikation, Addition und/oder Überlagerung ermöglichen.
Demzufolge kann der Kombinationsschritt einen oder mehrere Schritte des Addierens, Subtrahierens, Filterns, Überlagerns oder Multiplizierens der Bilder umfassen.
Vorteilhafterweise kann man die Bilder des ersten und zweiten Interferenzstreifenmusters durch einen Prozess digitaler Subtraktion kambinieren.
Zum Erstellen von Moiréstreifenmustern muss jedes erste und zweite Interferenzstreifenmuster offensichtlich eine Anzahl von Streifen umfassen. Zehn ist eine praktische Untergrenze, doch bessere (d.h. detailliertere) Moirestreifenmuster lassen sich durch Erhöhung der Streifenanzahl im ersten und zweiten Muster erzielen.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren deshalb den Schritt zum Kippen einer reflektierenden Oberfläche des Interferometers einschließen, um die Anzahl von Interferenzstreifen zu erhöhen.
Wenn die Komponenten des Interferometers ausreichend unregelmäßig sind oder die Ausrichtung bereits ausreichend schlecht ist, muss möglicherweise keine weitere Einstellung vorgenommen werden, um ein Interferenzstreifenmuster zu erhalten, das viele Streifen umfasst.
Das erste Interferenzstreifenmuster kann vorteilhafterweise mindestens 50 und vorzugsweise mindestens 100 Streifen enthalten.
Die Raumfrequenz der Streifen im ersten Interferenzmuster (Referenzmuster) sollte vorzugsweise höher sein als die Raumfrequenz von Streifen, die durch die Mess-/Prüfstörung eingebracht würden, wenn das Interferometer zum Erzeugen eines ersten streifenfreies Feldes eingerichtet wäre, d.h., dass die Raumfrequenz der Trägerstreifen höher als die Raumfrequenz der zu messenden Phasenverteilung sein sollte.
Die Streifenanzahl im ersten Interferenzstreifenmuster kann größer oder kleiner als die Anzahl im zweiten Muster sein oder dieser gleichen.
Die Störung kann dazu führen, dass im zweiten Interferenzstreifenmuster weniger Streifen als im ersten Muster auftreten, doch idealerweise sollte das Interferometer so angeordnet sein, dass die Anzahl der Streifen im durch das Interferometer erzeugten Interferenzstreifenmuster durch die Störung erhöht wird, d.h., dass das zweite Muster mehr Streifen umfasst als das erste. Beispielsweise kann man ein detailliertes Moirestreifenmuster erhalten, indem man ein erstes Bild von 100 Streifen mit einem zweiten Bild von 150 Streifen kombiniert.
Die Störung des Interferometersystems kann in verschiedener Weise erfolgen. Der Schritt zur Störung kann beispielsweise den Schritt zum Einführen eines durchsichtigen Prüfobjekts in den Lichtweg umfassen (z.B. wird der Gegenstand in einen Arm des Interferometers eingeführt).
Der Schritt zur Störung kann die Verzerrung, Drehung und/oder Translation einer reflektierenden Oberfläche oder eines durchsichtigen Gegenstands im Lichtweg umfassen.
Der Schritt zur Störung kann den Schritt zum Austauschen eines Referenzobjekts durch ein Prüfobjekt umfassen, und das erste Interferenzstreifenmuster kann mit dem positionierten Referenzobjekt aufgezeichnet worden sein.
Der Schritt zur Störung kann alternativ oder zusätzlich den Schritt zur Störung eines Gases und/oder Störung eines Gasstroms im Lichtweg umfassen.
Das Bild des zweiten Interferenzstreifenmusters kann ferner ein aufgezeichnetes Bild oder alternativ eine Live-Bildausgabe durch eine Kamera sein.
Vorteilhafterweise können entweder das aufgezeichnete Bild des ersten Interferenzstreifenmusters oder das Bild des zweiten Interferenzstreifenmusters oder beide die Bilder sein, die aus einer aufgezeichneten Folge von Bildern des durch das Interferometer erzeugten Interferenzstreifenmusters ausgewählt werden.
Das aufgezeichente Bild des ersten Interferenzstreifenmusters und das Bild des zweiten Interferenzstreifenmusters können vorteilhafterweise digitale Bilder sein.
Vorzugsweise umfasst der Schritt zum Kombinieren den Schritt zum Subtrahieren eines der digitalen Bilder von dem anderen. Die Subtraktionsberechnung ist vorteilhafterweise mit moderner Bildverarbeitungs-Software einfach und durchführbar, und das Ergebnis (das weitere Bild) wird fast kontinuierlich in Echtzeit angezeigt.
Indem man die Moire-Prinzipien in digitaler Form auf die Interferometrie anwendet, kann man folglich optische Aberrationen unauffällig machen; abgesehen von der Zeit, die für die Durchführung einer einfachen Bildsubtraktion zwischen Referenz- und Objektbildern erforderlich ist, ergeben sich keine weiteren Verzögerungen bei der Darstellung des korrigierten Interferogramms. Darüber hinaus kann das Verfahren besser mit groben Aberrationen umgehen, so dass sich die Möglichkeit bietet, Systeme aus kostengünstigen Komponenten minderwertiger optischer Qualität zu konstruieren. Das Interferometer muss nicht präzise ausgerichtet werden, und somit kann man bei der Qualität der mechanischen Einstellungen sparen, Vorteilhafterweise kann der Schritt zum Kombinieren den Schritt zum Umwandeln von beim Subtraktionsvorgang erhaltenen negativen Werten in positive Werte einschließen. Das aus der Substraktion resultierende Bild kann daher korrigiert werden, was den Vorteil bietet, dass die Frequenz des korrigierten Musters doppelt so hoch wie die der Trägerwelle ist (d.h. der Raumfrequenz des ersten Interferenzstreifenmusters). Diese Eigenschaft verbessert im Vergleich zu alternativen Verarbeitungsverfahren wie beispielsweise der Addition, bei der die Trägerfrequenz erhalten bleibt, die Unterscheidung des Moirestreifenmusters gegenüber der Trägerwelle. Das weitere Bild enthält im Allgemeinen natürlich das Moirestreifenmuster und ein feineres Muster bei oder nahe der Trägerfrequenz.
Das Verfahren kann ferner folgende Schritte umfassen:
Anordnen des Interferometers, um ein drittes Interferenzstreifenmuster zu bilden;
Aufzeichnen eines Bilds des dritten Interferenzstreifenmusters;
Anordnen des Interferometers, um ein viertes Interferenzstreifenmuster zu bilden;
Aufzeichnen eines Bilds des vierten Interferenzstreifenmusters, wobei das erste, dritte und vierte Interferenzstreifenmuster um ein vorbestimmtes Maß zueinander phasenverschoben sind;
Kombinieren des Bilds des zweiten Interferenzstreifenmusters mit jedem der aufgezeichneten Bilder des ersten, dritten und vierten Interferenzstreifenmusters, um die jeweiligen weiteren Bilder zu erstellen; und
Verarbeiten der weiteren Bilder, um ein Phasenbild der Störung des Lichtwegs zu erstellen.
Demzufolge können mindestens drei phasenverschobene „Referenz"-Interferogramme erzeugt, aufgezeichnet und mit dem zweiten Interferenzstreifenmuster (d.h. dem Prüfinterferogramm) kombiniert werden, um jeweils weitere Bilder zu erstellen.
Die Phasenverschiebung (Phasenversatz) lässt sich mit herkömmlichen Mitteln erzielen (beispielsweise durch Einsatz von Spiegeln, die durch einen piezoelektrischen Messwandler gesteuert werden).
Das Bild des zweiten Interferenzstreifenmusters (Prüf-Interferenzstreifenmusters) kann ein Bild sein, das aus einer aufgezeichneten Folge von Bildern des durch das Interferometer gebildeten Interferenzmusters ausgewählt wird.
Das während einer Prüfung sich ändernde Interferenzmuster kann demnach in Echtzeit aufgezeichnet und später durch Verarbeitung der mindestens drei phasenverschobenen Referenzbilder analysiert werden, um zu irgendeinem bestimmten Zeitpunkt des Messverfahrens ein vollständiges Phasenbild der Störung zu erstellen.
Vorteilhafterweise können die Bilder des ersten und zweiten Musters Bilder sein, die aus einer aufgezeichneten Folge von Bildern des durch das Interferometer erzeugten Interferenzmusters ausgewählt werden. Das daraus resultierende Moirestreifenmuster im weiteren Bild zeigt folglich nur die Veränderungen in der Interferometer-Anordnung zwischen zwei ausgewählten Zeitpunkten an.
Man kann irgendwelche zwei Bilder (d.h. Interferogramme) aus einer aufgezeichneten Folge auswählen und kombinieren (beispielsweise digital verarbeiten), um daraus ein Bild zu erstellen, das ein Moirestreifenmuster umfasst, das die Veränderung des Interferometers zwischen den Zeitpunkten anzeigt, an denen die ausgewählten Bilder aufgezeichnet wurden.
Die durch das Interferometer erzeugten Bilder der Interferenzstreifenmuster können von einer elektronischen Kamera aufgenommen und als kontinuierlicher Strom oder Folge ausgegeben werden. Jedes Bild kann mit dem gespeicherten ersten Bild kombiniert werden, um jeweils ein weiteres Bild und ein jeweiliges Moirestreifenmuster zu erstellen, die in Echtzeit – beispielsweise in Videogeschwindigkeit – angezeigt werden können.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Messvorrichtung vorgesehen, die Folgendes umfasst:
ein Interferometer, das angeordnet ist, um Interferenzstreifenmuster zu bilden, die mindestens zehn Interferenzstreifen umfassen;
eine Kamera, die angeordnet ist, um Bilder der Interferenzstreifenmuster aufzunehmen;
einen Bildspeicher, der angeordnet ist, um eines von der Kamera zu einem ausgewählten Zeitpunkt aufgenommenes Bild des Interferenzstreifenmusters zu speichern; und
ein Bildverarbeitungssystem, das angeordnet ist, um das gespeicherte Bild mit einem von der Kamera zu einem verschiedenen Zeitpunkt aufgenommenen Bild des Interferenzstreifenmusters zu kombinieren, um ein weiteres Bild zu erstellen, das ein Moirestreifenmuster umfasst, das aus einer Differenz oder Differenzen zwischen den Interferenzstreifenmustern zum ausgewählten und zum verschiedenen Zeitpunkt entsteht.
Das Interferometer kann beispielsweise ein Michelson-Interferometer oder ein Mach-Zehnder-Interferometer (in 10 dargestellt) sein oder auf einer angepassten optischen „Schlieren"-Anordnung basieren.
Das Interferometer kann zur Bildung von Interferenzstreifenmustern angeordnet sein, die mindestens 50 Interferenzstreifen umfassen; die Bilder können dabei digitale Bilder sein.
Das Bildverarbeitungssystem kann so angeordnet sein, dass das weitere Bild durch ein Verfahren erzeugt wird, das zumindest die Substraktion eines der digitalen Bilder von dem anderen umfasst.
An den Bildern kann eine zusätzliche Verarbeitung wie beispielsweise eine Filterung oder Normalisierung von Intensitätsverteilungen vorgenommen werden. Diese weitere Verarbeitung der Bilder kann vor, während oder nach deren Kombination durchgeführt werden, um das weitere Bild einschließlich eines Moirestreifenmusters zu erstellen.
Das bzw. die weiteren Bilder können beispielsweise auch durch Filterung verarbeitet werden, um das grundsätzliche Trägerstreifenmuster zu entfernen und so nur das Moirestreifenmuster übrig zu lassen.
Das Bildverarbeitungssystem kann so angeordnet sein, dass das weitere Bild durch ein Verfahren erzeugt wird, das die Umwandlung der im Substraktionsvorgang erhaltenen negativen Werte in positive Wert umfasst, d.h., dass das Verarbeitungssystem zur Korrektur der durch Subtraktion berechneten Intensitätsverteilung angeordnet werden kann.
Das Interferometer kann Mittel umfassen, die die Phasen der Interferenzstreifenmuster um ein vorbestimmtes Maß verschieben; der Bildspeicher kann so angeordnet sein, dass er Bilder der Interferenzstreifenmuster speichert, die von der Kamera zu mindestens drei verschiedenen ausgewählten Zeitpunkten aufgenommen wurden; das Bildverarbeitungssystem kann so angeordnet sein, dass jedes gespeicherte Bild mit dem zu einem verschiedenen Zeitpunkt aufgenommenen Bild kombiniert wird, um jeweils ein weiteres Bild zu erstellen, das jeweils ein Moirestreifenmuster umfasst; und das Bildverarbeitungssystem kann ferner so angeordnet sein, dass es die weiteren Bilder zur Erstellung ein Phasenbilds verarbeitet. Dieses Phasenbild kann die Störung des Interferometers zwischen dem verschiedenen Zeitpunkt und dem Zeitpunkt der Aufnahme eines der gespeicherten Bilder anzeigen.
Die Kamera kann so angeordnet sein, dass eine kontinuierliche Folge aufgenommener Bilder des Interferenzstreifenmusters ausgegeben wird, und das Bildverarbeitungssystem kann so angeordnet sein, dass das bzw. eines der gespeicherten Bilder mit jeder Folge aufgenommener Bilder kombiniert wird und jeweils ein weiteres Bild erstellt wird, das gespeichert werden kann. Die Vorrichtung kann ferner eine Anzeige zur Darstellung der Folge weiterer Bilder umfassen, und jedes weitere Bild kann im Wesentlichen zum Zeitpunkt seiner Erzeugung angezeigt werden. Die Folge weiterer Bilder kann in der gleichen Geschwindigkeit angezeigt und/oder gespeichert werden wie die Aufnahme der Bilder durch die Kamera erfolgt.
Die Messvorrichtung kann ferner umfassen: Ein Bildaufzeichnungsgerät, um die von der Kamera aufgenommenen Bilder aufzuzeichnen; und einen Bildwähler zur Auswahl eines der aufgezeichneten Bilder, das als das gespeicherte Bild zu verwenden ist, oder des Bilds, das mit dem gespeicherten Bild zu kombinieren ist. Alternativ kann man beide Bilder aus einer Folge aufgezeichneter Bilder auswählen.
Die Kamera kann eine CCD-Kamera sein, um für hohe Auflösung und schnelles Ansprechen zu sorgen.
Vorteilhafterweise kann das Interferometer eine Apertur von mindestens 10 cm aufweisen. Die Apertur kann bis zu 1 m groß oder sogar noch größer sein, da das weitere Bilderstellungsverfahren selbst die grundsätzlichen Mängel in den Komponenten des Interferometers ausschließt.
Der Vorteil beim Subtrahieren eines Bilds von einem anderen (d.h., dass eine Intensitätsverteilung von einer anderen subtrahiert wird) besteht darin, dass überall dort, wo die Bilder (d.h. die Intensitäten) gleich sind, das resultierende Bild einen dunklen Bereich zeigt.
Im Allgemeinen wird durch eine Erhöhung der Streifenanzahl im ersten Interferenzstreifenmuster (d.h. im Referenzinterferogramm) die Detaildarstellung im resultierenden Moirestreifenmuster gesteigert und die Auflösung der Störung des Interferometers verbessert. Allerdings ergibt sich eine Obergenze für die Streifendichte [d.h. die maximale Raumfrequenz der Streifen im aufgezeichneten Bild entweder des ersten Interferenzstreifenmusters oder des zweiten Musters (Prüfmusters)] durch die Auflösung des Mittels, das zur Aufzeichnung des Bilds eingesetzt wurde – beispielsweise die Auflösung oder Pixeldichte der zur Aufnahme des Bilds benutzten Kamera und die Kapazität des zum Speichern des aufgezeichneten Bilds verwendeten Bildspeichers.
Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, mit einem integrierten Michelson-Interferometer;
2a: ein Bild eines Interferenzstreifenmusters (Interferogramms), das mit der Messvorrichtung von 1 gebildet wurde;
2b: eine Darstellung eines weiteren Bilds, das mit der Vorrichtung von 1 erhalten wurde und ein Moiréstreifenmuster umfasst;
3a: ein digital subtrahiertes Moiré-Interferogramm von Gas, das aus einem Butanfeuerzeug ausströmt, wobei das Bild mit einer Vorrichtung erstellt wurde, die der in 1 dargestellten Ausführung ähnelt;
3b: ein digital subtrahiertes Moiré-Interferogramm einer Gasflamme, das mit einer Vorrichtung gemäß der in 1 dargestellten Ausführung erstellt wurde;
4a: ein DMS-Interferogramm, das durch Gitter-Interferometrie entstand, die auf eine gekerbte Probe angewandt wurde, wobei einem stark verformten Zustand eine kleine Verformung hinzugefügt wurde (ein Streifen = 0,42 μm X-Verschiebung);
4b: ein geschertes DMS-Bild der Probe von 4a, das Dehnungskonturen in Intervallen von ungefähr 0,05% darstellt;
5: eine schematische Darstellung eines Interferometers, das eine große Apertur und einfache, unbeschichtete optische Komponenten aufweist sowie für Verfahren geeignet ist, die die vorliegende Erfindung verkörpern;
6a: ein DMS-Interferogramm von dem Fresnellinsen-Interferometer von 5 bei gekippter Platte P2;
6b: ein DMS-Interferogramm von dem Fresnellinsen-Interferometer von 5 mit Darstellung eines heißen Luftstroms über einem Lötkolben;
7: ein Interferenzstreifenmuster, das von einem Gitter-Interferometer mit einer gut korrigierten Sammellinse stammt;
8: ein Interferenzstreifenmuster, das den Effekt darstellt, der durch Einbringen einer minderwertigen optischen Komponente in das Gitter-Interferometer entsteht, das zur Erstellung des Musters von 7 verwendet wurde;
9: eine X-Dehnungskonturen-Bild eines gescherten und digital subtrahierten Gitter-Interferometrie-Bilds, das mit einem Verfahren gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung erstellt wurde; und
10: eine schematische Darstellung eines Mach-Zehnder-Interferometers, das zur Verwendung in Ausführungen der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
Ein Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Methode, die als digitale Moiré-Subtraktion (DMS; Digital Moiré Subtraction) bezeichnet wird. Das Interferometer ist mit einem Mittel zum Einbringen von Trägerstreifen oder von durch Kippen bedingten Streifen in das Interferogramm konfiguriert, wobei die Anzahl der Streifen quer über das Feld variabel ist, aber innerhalb der Auflösung der Bildkamera und des Vollbildspeschers liegt. Dies lässt sich üblicherweise durch manuelle Einstellung eines Spiegels erreichen. Das Bild wird aufgenommen, digital gespeichert und als Referenz verwendet. Nachfolgend erfasste Bilder werden dann vom Referenzbild subtrahiert, und die Differenz wird angezeigt.
Sowohl das Referenzbild als auch alle folgenden Bilder bestehen aus feinen, quasi gleichmäßigen Streifenmustern, die durch die kombinierten optischen Aberrationen aller Interferometer-Komponenten gleich verzerrt sind. Wenn die Muster identisch sind, ergibt sich bei der Substraktion der zwei digitalisierten Intensitätsverteilungen ein dunkles, streifenfreies Feld. Wird ein Bild durch Veränderungen der Lichtweglänge eines Interferometerarms modifiziert, die durch die Bildung einer Prüfkomponente, Störungen oder andere optische Effekte verursacht werden, entstehen Streifen, die lediglich die Änderungen wiedergeben. Am Moiré-Interferogramm kann direkt eine detaillierte Analyse des Streifenmusters durchgeführt werden, beispielsweise durch Phasenverschiebung, Phase-Unwrapping und Ableitung. Ein wichtiges Merkmal dieser Analyse besteht darin, dass sie an einem einzelnen Interferogramm des Prüffelds vorgenommen wird.
In dem Verfahren, bei dem die räumlichen Trägermuster von zwei Interferogrammen mit einer geringen Verschiebung in der Phase zwischen ihnen subtrahiert werden, werden die resultierenden Absolutwerte der Intensität um Null herum schwanken. Nach der Korrektur ist die Frequenz des Musters doppelt so hoch wie die der Trägerwelle. Diese Eigenschaft verbessert im Vergleich zu alternativen Verarbeitungsverfahren wie beispielsweise der Addition, bei der die Trägerfrequenz erhalten bleibt, die Unterscheidung des Moirestreifenmusters gegenüber der Trägerwelle.
Die Möglichkeit zur Online-Bildsubtraktion ist bei den meisten Bildverarbeitungs-Softwares ein Standardmerkmal. Die Subtraktionsberechnung kann wegen ihrer Einfachheit durchgeführt werden und man kann sich das Ergebnis fast kontinuierlich in Echtzeit anzeigen lassen.
Der DMS-Ansatz wurde an verschiedenen optischen Systemen zum Zwecke der Demonstration seines Potentials bewertet. Wendet man die Ausführungen des Verfahrens der Erfindung auf die herkömmliche Michelson-Interferometrie (siehe z.B. Born, M., und Wolf, E., Principles of Optics, Pergamon Press, Oxford, 6. Ausgabe, S. 300–302) und deren Abkömmlinge an, wird der Vorteil der Verwendung minderwertiger Komponenten und unpräziser Stellregler deutlich. Diese Vorteile können in der Gitter-Interferometrie (siehe z.B. Post, D., et al., High sensivity moiré, experimental analysis for mechanics and materials, Springer-Verlag, New York, 1994) genutzt werden, und es gibt noch andere Merkmale, die den Bereich der Messungen verbessern.
In 1 ist eine Messvorrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Die Vorrichtung, in die ein Michelson-Interferometer 1 integriert ist, umfasst bei einer Apertur von 60 × 60 mm: Zwei plankonvexe Borosilikat-Kronglaslinsen (L1, L2), einen halb durchsichtigen Strahlteiler (BS) und zwei voll reflektierende Spiegel (M1, M2). Die Spiegel sind Oberflächenspiegel, aber beschichtet auf 2-mm-Floatglas mit Standardqualität. Die zahlreichen eigenen Streifen, die durch Reflexionen an der vorderen und hinteren Oberfläche des Strahlteilers entstehen, wurden eliminiert, indem dieser in ein kleinwinkliges Hohlprisma umgewandelt wurde – mit einer Scheibe aus unbeschichtetem Glas für das gegenüberliegende Fenster und wobei das Prisma mit flüssigem Paraffin befüllt ist.
Die Beleuchtung erfolgt mit einem He-Ne-Laser 9, der mit einem Streulinsenobjektiv in einem der Brennweite der Interferometer-Sammellinse (L1) angenäherten Abstand ausgerüstet ist. Die zweite Linse am Ausgang des Systems wirkt als Feldlinse für die CCD-Kamera, die zur Aufnahme und Aufzeichnung der Interferogramme dient. Die Vorrichtung ist so angeordnet, dass die vom Interferometer 1 erzeugten interferenzstreifenmuster auf das CCD-Sensorelement der Kamera fokussiert werden. Die Kamera gibt einen kontinuierlichen Strom aufgenommener digitaler Bilder I(t) aus; außerdem ist ein Bildspeicher 3 angeordnet, um ein zu einem ausgewählten Zeitpunkt aufgenommenes Bild zu speichern. Die Vorrichtung umfasst ein Bildaufzeichnungsgerät, das zur Aufzeichnung der Folge aufgenommener Bilder angeordnet ist und auch die Bilder zum Bildverarbeitungssystem 4 zurückspielen kann. Das Bildverarbeitungssystem 4 kombiniert das gespeicherte Bild I(t₁) mit dem Live-Bild oder dem vom Aufzeichnungsgerät 7 abgerufenen Bild, um ein weiteres Bild FI einschließlich eines Moirestreifenmusters zu erstellen. Die weiteren Bilder werden auf einer Anzeige 5 in Echtzeit (in Videogeschwindigkeit) dargestellt und/oder können von dem oder einem anderen Aufzeichnungsgerät 6 aufgezeichnet werden. Kurz gesagt: Der Mechanismus zur Erzeugung von Interferenzstreifen ergibt sich aus der Interferenz zwischen den zwei reflektierten Strahlen M1 und M2, die durch BS hinzugefügt werden. Jedwede Störung eines Strahls, die aus dem Einführen einer optischen Komponente resultiert oder durch eine Änderung der Brechzahl (beispielsweise durch kanvektive Strömung) verursacht wird, stört die Wellenfront dieses Strahls und erzeugt Interferenzstreifen.
2(a) zeigt die Verteilung von Interferenzstreifen 11, die allein durch die kombinierten Fehler in optischen Komponenten des Interferometers erzeugt wurden. Es sind derart viele Streifen vorhanden, dass es unmöglich ist, die Ausrichtung des Systems zu optimieren. Darüber hinaus sind die Streifen so nahe beabstandet und verzerrt, dass sie die Anwendung von automatischen Streifenanalyse-Verfahren verhindern. Man könnte durchaus davon ausgehen, dass ein Interferometer mit solchen groben Aberrationen wenig oder überhaupt nicht als Messinstrument geeignet wäre.
Ein Spiegel wurde gekippt, um ein noch feineres Muster zu erzeugen, das größtenteils frei von breit beabstandeten Streifen ist. In einem Verfahren, das die vorliegende Erfindung verkörpert, wird dieses Bild aufgenommen und anschließend digital vom Live-Bild subtrahiert. Die optischen Fehler im Interferometer werden folglich entfernt und machen es nur für die durch die Prüfkomponente hervorgerufenen Fehler empfindlich. Zur Prüfung wurde durch ein weiteres geringfügiges Kippen (d.h. ein Kippen zusätzlich zu dem Kippvorgang, der zur Erzeugung des noch feineren Musters durchgeführt wurde) eines Spiegels das subtrahierte Moiré-Interferogramm von 2(b) erstellt. Solche geraden und gleichmäßig beabstandeten Moiréstreifen 12 erwartet man normalerweise nur bei einem Interferometer mit besonders ausgeprägter optischer Korrektur.
Die leichte Krümmung der Moiréstreifen an den Rändern des Felds ist durch die geometrische Verzerrung bedingt, die durch die Linse der CCD-Kamera und L2 verursacht wird. Dies lässt sich optisch ausgleichen, indem man eine besser korrigierte Linsenkombination wählt, oder mathematisch kompensieren, indem man in einer Tabelle der Feldverzerrung nachsieht.
3(a) zeigt eine DMS-Anwendung, um die herbeigeführte Brechzahlverteilung von nicht entzündetem Gas darzustellen, das aus einem Butanfeuerzeug strömt; 3(b) zeigt das Interferogramm, das bei entzündetem Gas entsteht. Ohne digitale Moiré-Subtraktion wären die feinen Einflüsse des Gases und der Flamme bei der Überlagerung des unbehandelten Interferogramms nicht aufgefallen. Das Verfahren der Erfindung kann an einem Mach-Zehnder-Interferometer-System (siehe z.B. Born, M., und Wolf, E., Principles of Optics, Pergamon Press, Oxford, 6. Ausgabe, S. 312–314) in dem Bereich konvektiver Strömung verwendet werden. Ein Beispiel für ein Mach-Zehnder-Interferometer, auf das das Verfahren der Erfindung angewendet werden kann, ist in 10 dargestellt.
Normalerweise hat dieses Interferometer symmetrische optische Arme. Mit DMS kann man einfache und weniger optische Komponenten verwenden und das System unsymmetrisch machen, woraus sich Vorteile in Bezug auf die Kompaktheit und weniger umgebungsbedingte Störeffekte für den Referenzstrahl ergeben.
Jedes der Moiré-Interferogramme von 3(a) und 3(b) umfasst ein Muster von Moiréstreifen 12, die über den Träger-Interferenzstreifen sichtbar sind (bei höherer Raumfrequenz). Die Moiréstreifen werden nicht durch das Interferometer gebildet, sondern statt dessen durch die Kombination von durch das Interferometer 1 erzeugten direkten Interferenzstreifenmustern.
Ausführungen der vorliegenden Erfindung eignen sich zur Messung von optischer Ebenheit und Linsenfehlern.
Der digitale Moiré-Ansatz hat potentielle Anwendungsmöglichkeiten bei der Konstruktion von Interferometern mit großen Aperturen. Bei einem Fizeau-System (siehe z.B. Born, M., und Wolf, E., Principles of Optics, Pergamon Press, Oxford, 6. Ausgabe, S. 286–291) zur Messung optisch ebener Oberflächen ist die Hauptkomponente eine stabile, hochwertige Referenzplanfläche, mit der eine zweite Oberfläche verglichen werden kann. Setzt man die langfristige Stabilität der optischen Anordnung voraus, bietet DMS eine Möglichkeit, die Toleranzen der Planflächen-Kennwerte sowie der zusätzlichen Komponenten einschließlich des Strahlteiler-Elements großzügiger auszulegen.
In einer Ausführung des Verfahrens der Erfindung wird ein nichtoptimiertes Fizeau-Interferometer zuerst mit einer Referenzplanfläche in der Messposition kalibriert. Durch Kippen werden Streifen in das Interferogramm eingebracht, das dann aufgenommen und gespeichert wird. Ohne weitere Justierung wird die Referenzplanfläche entfernt und durch die Prüfkomponente ersetzt. Das Bild der Referenzplanfläche wird subtrahiert, und das Ergebnis (d.h, das weitere Bild, das Moirestreifen umfasst) stellt die Höhenkonturen der Oberfläche der Komponente dar.
Auf diese Weise muss keine hochwertige Referenzoberfläche im System behalten werden; statt dessen kann man das erste Referenzinterferogramm dauerhaft speichern. Falls jedoch Zweifel an der Stabilität des Interferometers bestehen, empfiehlt es sich möglicherweise, das Moiré-Interferogramm der Referenzplanfläche zu aktualisieren, indem man die Kalibrierung von Zeit zu Zeit wiederholt. Man könnte auch erwägen, dass eine einzige Referenzplanfläche als internationaler Standard bei der Einstellung einzelner lokaler Fizeau-Systeme verwendet werden könnte.
Zur Messung von Linsenfehlern eignet sich ein Twyman-Green-System (siehe z.B. Born, M., und Wolf, E., Principles of Optics, Pergamon Press, Oxford, 6. Ausgabe, S. 302–305). Die symmetrischen und asymmetrischen Aberrationen können im resultierenden Interferogramm dargestellt werden, indem man die Linse im Interferometer translatorisch bewegt bzw. dreht.
Ein ähnlicher Ansatz zum Fizeau-Verfahren kann bei Linsenprüfungen durchgeführt werden, wobei das Referenz-Streifeninterferogramm einer gut korrigierten Linse dauerhaft gespeichert und mit der Prüflinse verglichen wird.
Andere optische Systeme, die auf nicht-interferometrischen Prinzipien beruhen, können unter Verwendung des DMS-Verfahrens als Interferometer betrieben werden. Beispielsweise wird bei der Untersuchung von Luftströmungen und Stoßwellen in Windkanalanlagen eine als „Schlieren-System" bekannte optische Anordnung eingesetzt. Man kann diese Anordnung in Verbindung mit Laserbeleuchtung und DMS verwenden, um die gleichen Messungen durchzuführen, allerdings bei einer größeren, interferometrischen Empfindlichkeit.
Ausführungen des Verfahrens der Erfindung werden in der Moiré- und Gitter-Interferometrie eingesetzt.
Diese empfindliche und vielseitige Methode zur Messung der Verformung in gleicher Ebene basiert in ihrer einfachsten Form auf einem Spiegelsystem, das mit einem aufgeweiteten und gebündelten Laserstrahl beleuchtet wird. Bei der Bündelung wird üblicherweise eine gut korrigierte achromatische Linse benutzt, da sie eine sehr geringe sphärische Aberration aufweist und die Anzahl der anfänglichen Interferenzstreifen folglich reduziert wird. Bei einem System, das eine teure, hochwertige Sammellinse und ein nominell perfektes Gitter beim Probestück aufweist, birgt das restliche Streifenmuster eine potentielle Unsicherheit (sofern nicht ausgeglichen) von 25 microstrain, und diese Tatsache würde bei den meisten Anwendungen als vernachlässigbar angesehen und ignoriert. Ein solches „ideales" ungestörtes Interferenzstreifenmuster ist in 7 dargestellt.
Zur Prüfung des DMS-Ansatzes beim Ausgleich von Aberrationen in der Gitter-Interferometrie wurde statt einer Zerlegung des Systems und Installation minderwertiger Komponenten ein fehlerhaftes optisches Element in das System eingeführt, um so auf wirksame Weise die perfekte Wellenfront zu verschlechtern. Eine einfache Methode bestand darin, vor der Sammellinse den Polycarbonat-Kunststoffdeckel einer CD-Box einzuführen. Diese Deckel sind sichtbar von schlechter optischer Qualität und stellen in Verbindung mit der Sammellinse eine optische Komponente dar, die normalerweise zurückgewiesen würde.
Es wurden derselbe Spiegel und dieselbe Probe verwendet, wohingegen der Lichtstrahl durch den Deckel geführt wurde; die hierdurch eingebrachten Aberrationen verursachten mehrere fehlerhafte Wellenlängen, die einer Dehnung der Probe entsprachen, die höher als 0,02% war. Das daraus resultierende Interferenzstreifenmuster ist in 8 dargestellt.
Als der Kunststoffdeckel noch in der gleichen Position war, wurde DMS angewendet und eine gleichmäßige Belastung simuliert, woraus sich eine der 2(b) ähnliche Figur ergab. Die Gleichmäßigkeit der Abstände und Geradheit der Streifen zeigte wieder, dass das Interferometer gut korrigiert war und dass die Unsicherheit der Messung, die in der Größenordnung von ±0,1 einer Wellenlänge lag, wenigen microstrain entsprach – also einem praktisch dehnungsfreien Feld.
Bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden bei der Messung des mechanischen Verhaltens von Komponenten eingesetzt.
Bei Prüfungen von Komponenten, die starker Dehnung ausgesetzt sind, können Hunderte von Interferenzstreifen erzeugt werden, deren Ausrichtungen stark varieren. Dadurch ergeben sich Probleme bei der erfolgreichen Anwendung von automatischen Streifenanalysen nach dem herkömmlichen Ansatz. Mit DMS kann das Prüfinterferogramm des stark gedehnten Zustands als neue Referenz gespeichert werden, d.h., dass man zu einem bestimmten Zeitpunkt einen „Schnappschuss" des Interferenzstreifenmusters machen kann, der als Referenzbild dient. Das Interferometer wird dann in den Zustand mit null Streifen zurückgesetzt, so dass nachfolgende Änderungen des Dehnungsgrads als individuelle Moirestreifen erscheinen und nicht als feine Variation eines komplexen Musters. Dieses Verfahren hat bedeutende Auswirkungen auf die verbesserte Erkennung von besonderen Vorgängen bei Prüfungen, wie beispielsweise der Beginn einer Rissbildung und plastischen Verformung. Bei Prüfkomponenten, die wegen Fehlern beim Abstand oder bei der lokalen Ausrichtung ein unvollkommenes Oberflächenmuster aufweisen, können die Mängel zusammen mit anderen optischen Aberrationen eliminiert werden.
Es wurden andere Merkmale wie beispielsweise die Echtzeit-Darstellung einer Ganzfeld-Dehnungsverteilung erfolgreich getestet. 4 zeigt ein DMS-Interferogramm, bei dem Gitter-Interferometrie auf eine gekerbte Probe in starkem Verschiebungszustand angewandt wurde. Eine zusätzliche geringe Verformung der Verteilung – ungefähr 1 μm – ist über einer ungleichmäßigen Verformung dargestellt, die größer als 50 μm ist.
Das digitale Moiré-Interferogramm kann mit einem Verfahren analysiert werden, das Phasenverschiebung umfasst.
Je nach dem verwendeten Algorithmus waren bei zeitlichen Phasenverschiebungsmethoden für die automatische Analyse von Streifenmustern Aufnahmen von drei oder mehr Interferogrammen erforderlich, um die Phasenverteilung quer über das Bild zu berechnen (siehe z.B. Creath, K., Phase measurement interferometry techniques, Progress in optics, Herausgeber: Wolf, E., Kapitel 5, Elsevier Science, B.V., 1988). Das Verfahren wird in der Regel am Prüfinterferogramm durchgeführt, das in der Phase verschoben werden muss, indem die Weglänge in einem Interferometerarm schrittweise geändert wird. Während der Verschiebung wird die Komponente normalerweise in befestigtem Zustand gehalten.
Wendet man das Verfahren auf die Analyse von DMS-Bildern an, muss der Phasenverschiebungs-Vorgang nur am ersten Referenzbild durchgeführt werden. Die resultierenden Interferogramme der Verschiebung werden dann wiederum von einem einzigen Prüfinterferogramm subtrahiert, wobei eine Gruppe optisch korrigierter Bilder entsteht, aus denen sich die Phasenverteilung errechnen lässt. Dieses nützliche Merkmal eines einzigen Prüfbilds bietet die Möglichkeit, unter dynamischen Bedingungen zu messen. Dadurch, dass ein vollständiges Prüfprogramm auf Videoband oder anderen Mitteln aufgezeichnet wird, ist es ferner für den Bediener praktisch, mit diesem Verfahren ein bestimmtes Bild für die Detailanalyse auszuwählen.
Ausführungen der vorliegenden Erfindung finden auch Anwendung in der Interferometrie mit großen Aperturen.
Abgesehen von der Möglichkeit zur Verbesserung der Effekte grober Aberrationen der optischen Komponenten besteht ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der digitalen Moiré-Subtraktion darin, dass sie in der Interferometre mit großen Aperturen eingesetzt werden kann. In einer Vorabstudie wurde aus einfachen Komponenten ein auf der Fizeau-Konstruktion basierendes Interferometer gebaut.
5 zeigt, dass man zwei nominell ebene und parallele Glassscheiben (P1, P2) und eine Sammellinse zur Demonstration des Ansatzprinzips verwenden kann. Die Interferenz findet zwischen den Wellenfronten statt, die von der hinteren Oberfläche von P1 und der vorderen Oberfläche von P2 reflektiert werden. Die kombinierten Wellenfronten werden von der Sammellinse refokussiert und über die Strahlteiler-Glasplatte P3 zur CCD-Kamera 2 gelenkt. Alle Komponenten sind unbeschichtet; daher ist die Intensität des austretenden aufgenommenen Lichts niedrig, da sie durch die kombinierten Reflexionen von ungefähr 4% an jeder Grenzfläche von P1, P2 und P3 eingeschränkt wird. Außerdem hatten die Interferogramme und das folgende Moirébild wegen der eingeschränkten Kohärenzlänge des He-Ne-Lasers und der unterschiedlichen Lichtwege einen geringeren Kontrast. Ein Zwischenraum von ungefähr 100 mm zwischen P1 und P2 führte zu einer marginalen Verschlechterung des Streifenkontrasts.
Die Abmessungen der Sammellinse definieren die optische Apertur des Interferometers. Versuche mit einer plankonvexen Einzellinse mit 160 mm Durchmesser und 750 mm Brennweite zeigten, dass das anfängliche Streifenmuster etwa 100 stark verzerrte Streifen aufwies, die aus der Unebenheit der Platten und der sphärischen Aberration in der Linse resultierten. Demzufolge waren keine zusätzlichen Streifen durch Kippen erforderlich, bevor die Moiré-Subtraktion angewendet wurde. Die Ergebnisse beim Kippen von P2 und bei der Überwachung des Butangasstroms ähnelten denen von 3(a) und 3(b) und reichten fast über die gesamte 200-mm-Apertur.
Als alternative Sammellinse wurde eine Fresnellinse aus Kunststoff verwendet, die von einem Overheadprojektor stammte. Diese Linsen werden spritzgegossen und dienen nicht zur bildlichen Darstellung, sondern als Lichtsammler über extremen optischen Aperturen. Die untersuchte Linse bestand aus zwei nach innen gerichteten, 280 × 280 mm großen Fresnellinsen mit einer effektiven Brennweite von ungefähr 200 mm (f/0,7). Das Interferogramm konnte wegen des großen Feldwinkels nicht als Bild dargestellt werden. Nachdem die Doppellinse auseinander genommen war, wurde mit Silikongummi eine Linse mit der Linsenseite nach innen auf einer Glasplatte befestigt. Durch Befüllen des Zwischenraums mit Wasser stieg die Brennweite auf ungefähr 800 mm an.
Vorläufige Ergebnisse zeigten, dass die Bilddarstellung unsymmetrisch und schlecht aufgelöst war, doch mit einer Apertur von 220 mm Durchmesser waren der Streifenkontrast und die Auflösung akzeptabel (6). Die kreisförmige Struktur der Fresnellinse ist zwar im Bild sichtbar, aber nicht besonders auffällig.
Die Versuche zeigen, dass die Verwendung einer Fresnellinse in Ausführungen der vorliegenden Erfindung realisierbar ist, allerdings nur dort, wo schlechte Bildqualität toleriert werden kann.
Abschließend gesagt: Die digitale Moiré-Subtraktion ermöglicht die akkurate Messung verschiedener optischer Komponenten, des mechanischen und thermischen Verhaltens und anderer Parameter durch Verwendung optischer Interferometer, die selbst eine minderwertige optische Qualität haben. Das Verfahren bietet auch die Möglichkeit, aus preiswerten und unvollkommenen optischen Komponenten Interferometer mit sehr großen Aperturen zu bauen.

Claims

Messverfahren umfassend die Schritte zum: Anordnen eines Interferometers (1), um ein erstes Interferenzstreifenmuster zu bilden, das mindestens zehn Interferenzstreifen umfasst; Aufzeichnen eines Bilds des ersten Interferenzstreifenmusters; Stören eines Lichtwegs im Interferometer, um ein zweites Interferenzstreifenmuster zu bilden, das mindestens zehn Interferenzstreifen umfasst; und Kombinieren eines Bilds des zweiten Interferenzstreifenmusters mit dem aufgezeichneten Bild des ersten Interferenzstreifenmusters, um ein weiteres Bild zu erstellen, das ein Moirestreifenmuster umfasst, das aus einer Differenz oder Differenzen zwischen dem ersten und zweiten Interferenzstreifenmuster entsteht.
Messverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Anordnen den Schritt zum Kippen einer reflektierenden Oberfläche des Interferometers einschließt, um die Anzahl der Interferenzstreifen im ersten Interferenzstreifenmuster zu erhöhen.
Messverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Interferenzmuster mindestens fünfzig Interferenzstreifen umfasst.
Messverfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zweite Interferenzstreifenmuster eine größere Anzahl von Interferenzstreifen umfasst als das erste Interferenzstreifenmuster.
Messverfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt zur Störung den Schritt zum Einführen eines durchsichtigen Gegenstands in den Lichtweg einschließt.
Messverfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt zur Störung mindestens einen der Schritte zur Verzerrung, Drehung und Translation einer reflektierenden Oberfläche im Lichtweg einschließt.
Messverfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt zur Störung mindestens einen der Schritte zur Verzerrung, Drehung und Translation eines durchsichtigen Gegenstands im Lichtweg einschließt.
Messverfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt zur Störung den Schritt zum Ersetzen eines Referenzobjekts durch ein Prüfobjekt einschließt.
Messverfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt zur Störung mindestens einen der Schritte zur Störung eines Gases und Störung eines Gasstroms im Lichtweg einschließt.
Messverfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Bild des zweiten Interferenzstreifenmusters ein aufgezeichnetes Bild ist.
Messverfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eines von dem aufgezeichneten Bild des ersten Interferenzstreifenmusters und dem Bild des zweiten Interferenzmusters ein Bild ist, das aus einer aufgezeichneten Folge von Bildern des durch das Interferometer gebildeten Interferenzstreifenmusters ausgewählt wird.
Messverfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das aufgezeichnete Bild des ersten Interferenzstreifenmusters und das Bild des zweiten Interferenzstreifenmusters digitale Bilder sind.
Messverfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt zum Kombinieren den Schritt zum Subtrahieren eines der digitalen Bilder von dem anderen einschließt.
Messverfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt zum Kombinieren den Schritt zum Umwandeln von beim Subtraktionsschritt erhaltenen negativen Werten in positive Werte einschließt.
Messverfahren nach irgendeinem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die digitalen Bilder Bilder sind, die mit einer CCD-Kamera aufgenommen wurden.
Messverfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend die Schritte zum: Anordnen des Interferometers, um ein drittes Interferenzstreifenmuster zu bilden; Aufzeichnen eines Bilds des dritten Interferenzstreifenmusters; Anordnen des Interferometers, um ein viertes Interferenzstreifenmuster zu bilden; Aufzeichnen eines Bilds des vierten Interferenzstreifenmusters, wobei das erste, dritte und vierte Interferenzstreifenmuster um ein vorbestimmtes Maß zueinander phasenverschoben sind; und Kombinieren des Bilds des zweiten Interferenzstreifenmusters mit jedem der aufgezeichneten Bilder des ersten, dritten und vierten Interferenzstreifenmusters, um die jeweiligen weiteren Bilder zu erstellen; und Verarbeiten der weiteren Bilder, um ein Phasenbild der Störung des Lichtwegs zu erstellen.
Messverfahren nach Anspruch 16, wobei die Bilder des dritten und vierten Interferenzstreifenmusters digitale Bilder sind.
Messverfahren umfassend die Schritte zum: Anordnen eines Interferometers (1), um ein Interferenzstreifenmuster zu bilden, das mindestens zehn Interferenzstreifen umfasst; Aufzeichnen eines Bilds des Interferenzstreifenmusters zu einem ausgewählten Zeitpunkt; Stören eines Lichtwegs im Interferometer, um das Interferenzstreifenmuster zu verändern; und Kombinieren des aufgezeicheten Bilds mit jeder von einer Folge von Bildern des Interferenzstreifenmusters zu jeweils verschiedenen Zeitpunkten, um eine Folge von jeweiligen weiteren Bildern zu erstellen, von denen jedes ein Moirestreifenmuster umfasst, das aus einer Differenz zwischen dem aufgezeichneten Bild und der jeweiligen Folge von Bildern entsteht.
Messverfahren nach Anspruch 18, wobei das aufgezeichnete Bild und die Bilder der Folge digitale Bilder sind.
Messverfahren nach Anspruch 19, wobei der Schritt zum Kombinieren den Schritt zum Subtrahieren eines digitalen Bilds von einem anderen einschließt.
Messverfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend den Schritt zum Anzeigen der Folge von jeweiligen weiteren Bildern.
Messverfahren nach Anspruch 21, wobei die Folge von Bildern des Interferenzstreifenmusters von einer Kamera bei einer Geschwindigkeit aufgenommen wird, und wobei die Folge von jeweiligen weiteren Bildern bei oder im Wesentlichen bei dieser Geschwindigkeit angezeigt wird.
Messvorrichtung umfassend: ein Interferometer (1), das angeordnet ist, um Interferenzstreifenmuster zu bilden, die mindestens zehn Interferenzstreifen umfassen; eine Kamera (2), die angeordnet ist, um Bilder der Interferenzstreifenmuster aufzunehmen; einen Bildspeicher (3), der angeordnet ist, um eines von der Kamera zu einem ausgewählten Zeitpunkt aufgenommenes Bild des Interferenzstreifenmusters zu speichern; und ein Bildverarbeitungssystem (4), das angeordnet ist, um das gespeicherte Bild mit einem von der Kamera zu einem verschiedenen Zeitpunkt aufgenommenen Bild des Interferenzstreifenmusters zu kombinieren, um ein weiteres Bild zu erstellen, das ein Moirestreifenmuster umfasst, das aus einer Differenz oder Differenzen zwischen den Interferenzstreifenmustern zum ausgewählten und zum verschiedenen Zeitpunkt entsteht.
Messvorrichtung nach Anspruch 23, wobei das Interferometer angeordnet ist, um Interferenzstreifenmuster zu bilden, die mindestens fünfzig Interferenzstreifen umfassen.
Messvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 23 oder 24, wobei die Bilder digitale Bilder sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 25, wobei das Bildverarbeitungssystem angeordnet ist, um das weitere Bild durch ein Verfahren zu erstellen, das zumindest die Subtraktion eines der digitalen Bilder von dem anderen einschließt.
Messvorrichtung nach Anspruch 26, wobei das Bildverarbeitungssystem angeordnet ist, um das weitere Bild durch ein Verfahren zu erstellen, das die Umwandlung von bei der Subtraktion erhaltenen negativen Werten in positive Werte einschließt.
Messvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 23 bis 27, wobei das Interferometer Mittel einschließt, um die Phasen der Interferenzstreifenmuster um ein vorbestimmtes Maß zu verschieben, der Bildspeicher angeordnet ist, um Bilder der Interferenzstreifenmuster zu speichern, die von der Kamera zu mindestens drei verschiedenen ausgewählten Zeitpunkten aufgenommen wurden, das Bildverarbeitungssystem angeordnet ist, um jedes gespeicherte Bild mit dem zu einem verschiedenen Zeitpunkt aufgenommenen Bild zu kombinieren, um jeweils ein weiteres Bild zu erstellen, das ein jeweiliges Moirestreifenmuster umfasst, und das Bildverarbeitungssystem ferner angeordnet ist, um die weiteren Bilder zur Erstellung eines Phasenbilds zu verarbeiten.
Messvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 23 bis 28, wobei die Kamera angeordnet ist, um eine Folge der aufgenommenen Bilder auszugeben, das Bildverarbeitungssystem angeordnet ist, um das gespeicherte Bild oder eines der gespeicherten Bilder mit jeder der Folgen aufgenommener Bilder zu kombinieren, um wiederum jeweils ein weiteres Bild zu erstellen, die Vorrichtung ferner mindestens eines umfasst von: einer Anzeige, um die Folge weiterer Bilder darzustellen; und Mitteln zum Speichern der Folge weiterer Bilder.
Messvorrichtung nach Anspruch 29, wobei die Kamera angeordnet ist, um die Folge aufgenommener Bilder bei einer Geschwindigkeit auszugeben, und wobei die Vorrichtung ferner angeordnet ist, um die Folge weiterer Bilder bei dieser Geschwindigkeit anzuzeigen.
Messvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 23 bis 29, ferner umfassend ein Bildaufzeichnungsgerät, um die von der Kamera aufgenommenen Bilder aufzuzeichnen, und einen Bildwähler, um eines der aufgezeichneten Bilder als ein im Bildspeicher zu speicherndes Bild oder als ein mit einem gespeicherten Bild zu kombinierendes Bild auszuwählen.
Messvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 23 bis 31, wobei die Kamera eine CCD-Kamera ist.
Messvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 23 bis 32, wobei das Interferometer eine Apertur von mindestens 10 cm aufweist.