DE69733124T2

DE69733124T2 - Vorrichtung und verfahren zur messung der flächenkontur

Info

Publication number: DE69733124T2
Application number: DE69733124T
Authority: DE
Inventors: G. Lyle SHIRLEY; S. Michael MERMELSTEIN
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1996-02-12
Filing date: 1997-02-03
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2017-02-04
Also published as: EP1571414A2; DE69738493D1; EP0880676A1; DE69733124D1; EP1571414B1; WO1997029341A1; US5870191A; EP1571414A3; DE69738493T2; EP0880676B1

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Oberflächenmessung und spezieller das Gebiet der berührungslosen Oberflächenmessung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die dimensionale Meteorologie, die Messung der Größe und Form von Gegenständen ist in der heutigen Herstellungsumgebung wichtig, bei der Maschinen einen Großteil der Fabrikation und Montage komplizierter Gegenstände, die aus vielen Teilmontagen zusammengesetzt sind, leisten. Die Form und Größe einer jeden Komponente bei einer komplizierten Montage, wie z.B. eines Automobils, muss enge Toleranzen einhalten, um zu gewährleisten, dass die Komponenten richtig zusammen passen.
Idealerweise werden derartige Messungen der Form und Größe ohne physikalische Berührung erreicht, um bei der Durchführung der Messung Zeit zu sparen. Viele berührungslose Messmethoden machen von zur Verfügung stehenden automatischen Bilderkennungssystemen (machine vision systems) Gebrauch. Das Messen der Oberflächenumriss-Information ist ein besonders schwieriges Problem bei automatischen Bilderkennungssystemen, da die Tiefeninformation oftmals nicht zustande kommt oder schwierig zu interpretieren ist. Um den Verlust der Tiefeninformation und die Schwierigkeit beim Interpretieren der Information, die erhältlich ist, auszugleichen, benutzen viele automatische Bilderkennungssysteme Licht, um Moiré-Muster auf der Oberfläche des Gegenstandes zu bilden, um eine Umrissinformation zu erhalten.
Auch wurden interferometrische Verfahren benutzt, wenn detaillierte Messungen der Oberfläche notwendig sind. Obgleich interferometrische Systeme eine Oberflächenumriss-Information bereitstellen, sind sie jedoch gegenüber Vibrationen sowohl im Gegenstand, der gemessen wird, als auch in der Beleuchtungsquelle, die benutzt wird, empfindlich. Vorliegende Erfindung ist gegenüber dem Vibrationsproblem, welches die bisherigen Systeme beeinträchtigte, weniger empfindlich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Positionsinformation eines Punkts auf der Oberfläche eines Gegenstandes. Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zwei Strahlungsquellen, die so positioniert sind, dass sie den Punkt mit der Strahlung aus jeder der Quellen bestrahlen. Die Strahlung aus jeder dieser Quellen ist bezüglich der Strahlung aus der anderen Quelle kohärent. Bei einer Ausführungsform werden die beiden Strahlungsquellen durch Aufteilen eines kohärenten Strahlungsbündels, was unter Verwendung eines Strahlenaufteilungsgeräts oder eines optischen Faser-Aufteilungsgeräts erreicht werden kann.
Ein Steuersystem in Verbindung mit einer oder mehreren der Quellen verändert die Phase der Strahlung von einer der Quellen zur Phase der Strahlung von der anderen Quelle, gemessen am Punkt an der Oberfläche des Gegenstands. Bei einer Ausführungsform, bei der die Strahlungsquelle ein Frequenz abstimmbarer Laser ist, steuert das Steuerungssystem den abstimmbaren Laser, um eine kohärente Strahlung einer wechselnden Frequenz abzugeben. Bei einer anderen Ausführungsform, bei der eine oder mehrere der Strahlungsquellen beweglich ist, wird die Phase ihrer Strahlung bezüglich der Phase der Strahlung aus der anderen Quelle, gemessen am Punkt auf dem Gegenstand durch Bewegen einer oder mehrerer der Quellen verändert.
Ein Detektor, in Verbindung mit einem Prozessor, ist so positioniert, dass er einfallende, vom Punkt an der Oberfläche des Gegenstands gestreute Strahlung empfängt. Bei einer Ausführungsform ist der Detektor eine Anordnung einzelner Fotodetektorelemente. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Anordnung von Fotodetektorelementen eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Detektor und der Oberfläche des Gegenstands ein Fokussierungssystem positioniert, um das Bild der Oberfläche des Gegenstands auf der Bildebene des Detektors zu fokussieren. Ein Polarisationsfilter kann zwischen dem Fokussierungssystem und dem Detektor angebracht werden, wobei die optische Achse des Polarisators mit der Hauptachse der Polarisation der von den beiden Quellen abgegebenen Strahlung ausgefluchtet ist, um irgendwelches gestreutes Licht, das entpolarisiert und deshalb das Signal auf das Rauschverhältnis des Systems verschlechtern würde, zu entfernen.
Der Prozessor, der auch in Verbindung mit der Steuervorrichtung stehen kann, berechnet die Positionsinformation in Antwort auf die relative Phasenveränderung der Strahlung aus den beiden Quellen, wie durch das Steuerungssystem eingestellt, wobei die Einstellung Veränderungen der Intensität der von dem Punkt auf der Oberfläche des Gegenstands gestreuten Strahlung bewirkt, die durch den Detektor empfangen wird. Bei einer Ausführungsform ist der Prozessor ein einziger Prozessor, der am Detektor Outputsignale betätigt, die einem jeden der Photodetektorelemente der Detektoranordnung zugeordnet sind. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Prozessor ein Multiprozessor, wobei jedes Fotodetektorelement oder irgendein Modem (subset) von Elementen der Fotodetektoranordnung in Verbindung mit einem jeweiligen Prozessor oder irgendeinem Modem von Prozessoren des Multiprozessors steht. In noch einer anderen Ausführungsform, die eine CCD-Anordnung benutzt, steht eine Vielzahl von CCD-Elementen in Verbindung mit einem jeweiligen Prozessor des Multiprozessors. Die Verwendung von Multiprozessor-Anordnungen erhöht vorteilhafterweise die Signalverarbeitungsgeschwindigkeit.
Vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestimmung der Positionsinformation eines Punkts auf der Oberfläche eines Gegenstands. Das Verfahren umfasst die Stufen der Bereitstellung von zwei oder mehreren Strahlenquellen, die den zu messenden Punkt bestrahlen, das Verändern der Phase der Bestrahlung aus mindestens einer der Quellen bezüglich der Phase der Strahlung aus der anderen Quelle, gemessen an dem Punkt an der Oberfläche des Gegenstands, das Erkennen der durch den Punkt auf der Oberfläche des Gegenstands gestreuten Strahlung sowie das Berechnen der Positionsinformation aus den sich ergebenden Veränderungen der Intensität der durch den Punkt auf der Oberfläche des Gegenstands gestreuten Strahlung. Bei einer Ausführungsform wird die Veränderung in der Phase der Strahlung aus einer der Quellen bezüglich der Phase der Strahlung aus der anderen Quelle, gemessen am Punkt an dem Objekt, erreicht, indem man eine Frequenz abstimmbare Strahlungsquelle, wie z.B. einen abstimmbaren Laser, verwendet. Bei einer anderen Ausführungsform, bei der eine oder mehrere der Quellen beweglich sind, wird die relative Phase der Strahlung aus den beiden Quellen verändert, wie gemessen an dem Punkt am Objekt, indem man eine derartige Quelle oder derartige Quellen bewegt.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Bestimmung der Informationsposition eines Punkts auf der Oberfläche eines Gegenstands zwei Strahlungsquellen, die so positioniert sind, dass der Punkt auf dem Gegenstand, der zu messen ist, mit der Strahlung aus jeder der Quellen beleuchtet wird. Ein Steuersystem, in Verbindung mit mindestens einer der Strahlungsquellen, verändert die Phase der Strahlung aus einer Quelle bezüglich der Phase der Strahlung aus der anderen Quelle, gemessen am Punkt auf der Oberfläche des Gegenstands. Bei einer Ausführungsform wird die Phase der Strahlung aus einer der Quellen bezüglich der Phase der Strahlung der anderen Quelle, gemessen am Punkt auf dem Gegenstand, durch Einstellen eines frequenzabstimmbaren Lasers verändert. Bei einer anderen Ausführungsform wird die Phase der Strahlung aus einer der Quellen bezüglich der Phase der Strahlung aus der anderen Quelle, gemessen am Punkt auf dem Gegenstand, verändert, indem man eine oder mehrere bewegliche Laserquellen bewegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Vorliegende Erfindung ist in Einzelheiten in den Patentansprüchen dargelegt. Die obigen und weiteren Vorteile der Erfindung können unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, anhand der Zeichnungen besser verstanden werden, in denen:
1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung zur Durchführung von Oberflächenumriss-Messungen veranschaulicht ist;
2 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der beiden, in 1 gezeigten Strahlungsquellen ist;
2a ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform der beiden, in 1 gezeigten Strahlungsquellen ist;
2b ein Blockdiagramm einer noch anderen Ausführungsform der beiden, in 1 gezeigten Strahlungsquellen ist;
3 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Tragen der beiden Strahlungsquellen der 1 bei einem gegenseitig festgelegten Abstand ist;
4 eine andere Ausführungsform des Abbildungssystems in 1 ist;
5 ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform der Erfindung zur Durchführung von Oberflächenumriss-Messungen ist;
6 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform der durch den Prozessor der 1 und 5 bei Durchführung der Oberflächenumriss-Messungen angewandten Stufen ist;
6a eine Ausführungsform eines Teils des Fließdiagramms der 6 ist;
6b eine andere Ausführungsform eines Teils des Fließdiagramms der 6 ist;
6c noch eine andere Ausführungsform eines Teils des Fließdiagramms der 6 ist;
7 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Detektor- und Prozessoranordnung zur Verwendung mit den Systemen der 1 und 5 ist;
7a ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform einer Detektor- und Prozessoranordnung, einschließlich eines Multiprozessors zur Verwendung mit den Systemen der 1 und 5 ist; und
7b ein Blockdiagramm einer anderen alternativen Ausführungsform einer Detektor- und Prozessoranordnung zur Verwendung in den Systemen der 1 und 5 ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Beim Beschreiben der Ausführungsform der Erfindung wird auf „Quellen" und „Strahlungsquellen" Bezug genommen. Diese Begriffe sollen bedeuten, dass sie sich auf irgendeine Quelle einer Strahlung, einschließlich hoch lokalisierter Strahlungsquellen beziehen.
Unter Bezugnahme auf 1 und zu einer kurzen Übersicht werden zwei Strahlungsquellen P₁ und P₂ durch einen festgelegten Abstand D getrennt und haben Raumkoordinaten (x₁, y₁, z₁) bzw. (x₂, y₂, z₂). Die Strahlung von jeder der Quellen P₁ und P₂ ist kohärent bezüglich der Strahlung aus der anderen der Quellen. Jede Quelle, P₁ und P₂, richtet ihren jeweiligen divergenten Strahl der Strahlung 12 und 14 zu einem Punkt P₀ auf der Oberfläche eines Gegenstands 10. Der Abstand von jeder jeweiligen Strahlungsquelle, P₁ und P₂, zum Punkt an der Oberfläche P₀ ist durch R₁ bzw. R₂ angegeben. ψ ist der Winkel zwischen der Linie, die sich vom Ursprung zum Punkt P₀ und der Linie, die sich zwischen den Quellen P₁ und P₂ erstreckt, θ_s ist der Winkel zwischen der z-Achse und der Linie, welche sich zwischen den Quellen P₁ und P₂ erstreckt, und α ist der halbe Winkel, der gesehen von P₀ aus, durch die Punkte der Quellen begrenzt wird. Jeder Strahl 12, 14 ist, im Wesentlichen polarisiert in der gleichen Richtung, wie der andere Strahl 14, 12 und kann unabhängig abtastbar sein, um gleichzeitig unterschiedliche Bereiche auf dem Objekt 10 zu beleuchten. Alternativ kann das ganze Objekt 10 gleichzeitig beleuchtet werden.
Durch den Punkt P₀ gestreutes Licht 20 wird durch einen Fotodetektor 22 erfasst. Bei einer Ausführungsform umfasst der Fotodetektor 22 eine Anordnung von Fotodetektorelementen, welche ein zweidimensionales Bild des Gegenstands 10, der zu messen ist, bereitstellen. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Anordnung von Fotodetektorelementen eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD). Der Detektor 22 stellt ein Outputsignal 26, das ein oder mehrere individuelle Signale umfasst, zur Verfügung, wobei jedes einem entsprechenden der Fotodetektorelemente des Detektors 22 zugeordnet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Punkt P₀ auf der Oberfläche des Gegenstands 10 und des Fotodetektors 22 ein Fokussierungselement 24 positioniert, um dem beleuchteten Teil des Gegenstands, einschließlich des Punkts P₀, auf dem Detektor 22 abzubilden. Aufgrund der Rauheit der Oberfläche des Gegenstands und weil die Beleuchtungsstrahlung kohärent ist, ist das fokussierte Bild gesprenkelt. Das Outputsignal 26 aus dem Fotodetektor 22 ist das Inputsignal zu dem Prozessorgerät 28.
Bei einer Ausführungsform ist ein Polarisator 30 zwischen dem Fokussierungselement 24 und dem Detektor 22 angeordnet. Der Polarisator 30 ist in einer Richtung ausgerichtet, um seine Koinzidenz mit der Hauptpolarisationskomponente des gestreuten Lichts 20 zu maximieren, um so den Sprenkelungskontrast zu verbessern. Mit dieser Anordnung wird das Verhältnis Signal zu Rauschen, das dem von der Oberfläche des Gegenstands 10 gestreuten Licht zugeordnet ist, maximiert.
Bei einer Ausführungsform ist der Prozessor 28 ein einziger Prozessor, der an Detektor-Outputsignale 26 arbeitet, die einem jeden der Fotodetektorelemente der Detektoranordnung 22 zugeordnet sind. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Prozessor 28 ein Multiprozessor mit einer Vielzahl einzelner Prozessoren, und jedes Fotodetektorelement stellt ein Inputsignal einem jeweiligen Prozessor bereit. Bei noch einer anderen Ausführungsform, bei der der Detektor 22 eine CCD-Anordnung ist, stellt eine Vielzahl der CCD-Elemente ein Inputsignal einem jeweiligen Prozessor eines Multiprozessors zur Verfügung. Mit den Multiprozessoranordnungen verlaufen Verarbeitungen von Signalen aus einer Vielzahl von einzelnen Fotoelementen im wesentlichen gleichzeitig, wodurch die Signalverarbeitungsgeschwindigkeit erhöht wird.
Eine Steuereinheit 32 reguliert den Betrieb der Strahlungsquellen P₁ und P₂, so dass die Phase der Strahlung einer der Quellen bezüglich der Phase der Strahlung aus der anderen Quelle, gemessen am Punkt P₀ an der Oberfläche des Gegenstands 10, verändert wird. Der Prozessor 28 kann in Verbindung mit dem Steuergerät 32 über eine Signalleitung oder eine Sammelleitung 34 stehen. Beispielsweise kann es bei bestimmten Anwendungen erwünscht sein, dass der Prozessor 28 Signale aus dem Detektor 22 zu speziellen Zeiten bezüglich des Abtastens der Quellen P₁ und P₂ über der Oberfläche des Gegenstands 10 oder bezüglich der Rate, bei der die Frequenz der Strahlung aus den Quellen gewobbelt wird, zu verarbeiten. Da ein derartiges Abtasten und Frequenzwobbeln durch das Steuergerät 32 reguliert wird, ist unter diesen Umständen eine Verbindung zwischen dem Steuergerät 32 und dem Prozessor 28 erwünscht. Es wird gewürdigt werden, dass das Steuergerät 22 und der Prozessor 28 physikalisch getrennte Geräte sein können, oder alternativ durch ein einzelnes Verarbeitungssystem ausgeführt sein können.
Unter Bezugnahme auf 2 werden bei einer Ausführungsform die Strahlungsquellen P₁ und P₂ aus der von einem abstimmbaren Laser 40 abgegebenen Strahlung gebildet. Das Strahlungsbündel 44, das vom abstimmbaren Laser 40 abgegeben wird, wird durch einen Strahlenteiler 48 geteilt. Es wird bewirkt, dass das Strahlungsbündel 50, das vom Strahlenteiler 48 reflektiert wird, durch eine Linse 52 divergiert wird. Der divergente Strahl wird sodann durch einen beweglichen Zielspiegel 54 reflektiert. Der durch den Zielspiegel 54 reflektierte Strahlungsstrahl stellt eine der Quellen kohärenter Strahlung, P₁, bereit. Auf ähnliche Weise wird bewirkt, dass der Strahlungsstrahl 46, der den Strahlenteiler 48 durchläuft, durch eine Linse 58 divergiert, welche den divergenten Strahl zu einem zweiten beweglichen Zielspiegel 60 richtet. Der Strahlungsstrahl, der durch den Spiegel 60 reflektiert wurde, stellt die zweite Strahlungsquelle, P₂, bereit. Die Zielspiegel 54 und 62 können schwenkbar sein, um die Oberfläche des Gegenstands 10 selektiv zu beleuchten. Sie können auch beweglich sein, um die Stellungen der Quellen P₁ und P₂ zu variieren.
In 2a ist eine andere Ausführungsform der Strahlungsquellen P₁ und P₂ gezeigt, der eine abstimmbare Laserquelle 40, die einen Strahlungsstrahl 44 bereitstellt, umfasst. Der Strahlungsstrahl 44 durchläuft eine Linse 62, welche bewirkt, dass der Strahl divergiert, unter Bereitstellung eines divergenten Strahls 64. Der divergente Strahl 64 wird sodann durch den Strahlenteiler 48 unter Bereitstellung eines ersten Strahls 66 divergiert. Ein zweiter Strahl 68 durchläuft den Strahlenteiler 48, wie dargestellt. Bewegliche Zielspiegel 54 und 60 reflektieren die Strahlen 66 und 68, um Quellen P₁ bzw. P₂ bereitzustellen.
Unter Bezugnahme auf 2b: bei einer anderen Ausführungsform werden die Strahlungsquellen P₁ und P₂ von der von einem abstimmbaren Laser 40 abgegebenen Strahlung geteilt, unter Verwendung eines Faseroptik-Strahlenteilers 56. Fasern können an ihrem Ende strahlenbildende Elemente zur Steuerung oder Einstellung des Divergenzwinkels der beiden Strahlen besitzen, und bei einer Ausführungsform können die strahlenbildenden Elemente Linsen sein. Die Quellen P₁ und P₂ können alternativ aus einem Paar von abstimmbaren Lasern gebildet werden, welche zusammen frequenzsynchronisiert (frequency locked) sind. Andere geeignete Ausführungsformen von Strahlungsquellen umfassen beliebige Quellen, welche eine Welle erzeugen, die eine steuerbare Phase besitzt, wie z.B. Mikrowellen und Schallwellen.
Bei einer Ausführungsform werden die Strahlungsquellen P₁ und P₂ bei einem festgelegten Abstand D voneinander gehalten, indem man jede Quelle an einem Ende einer Schiene befestigt, die ein Material mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten umfasst. Bei einer anderen Ausführungsform werden die Strahlungsquellen P₁ und P₂ nicht bei einem festen Abstand gehalten, sondern anstelle dessen ist der Abstand zwischen ihnen, D, zu einem hohen Genauigkeitsgrad bekannt.
In 3 ist eine erläuternde Schiene 70 zum Stützen von Strahlungsquellen P₁ und P₂ bei einem festen Abstand D bezüglich einer anderen gezeigt. Eine Schiene 70 ist mit Sockeln 74 an ihren entgegengesetzten Enden versehen. Ein Kugelgelenk 76 ist, wie gezeigt, innerhalb eines jeden Sockels 74 schwenkbar gelagert. Jedes der Kugelgelenke 76 hat ein Ende einer Faser aus einem Faseroptik-Strahlenteiler 56 (gezeigt in 2b), der hierin positioniert ist, und eine Öffnung 80, durch die eine divergente Strahlung geht. An ihrem Ende können die Fasern strahlenbildende Elemente zur Steuerung oder Einstellung des Divergenzwinkels der beiden Strahlen aufweisen, und in einer Ausführungsform sind die den Strahl bildenden Elemente Linsen. Beim Betrieb sind die Kugelgelenke 76, wie durch die Pfeile 78 gezeigt, innerhalb des jeweiligen Sockels 74 schwenkbar und können unter der Regulierung des Steuergeräts 32 (in 1 gezeigt) sein. Mit dieser Anordnung kön nen die divergenten Strahlen 12 und 14, die durch die Quellen P₁ und P₂ bereitgestellt werden, an den Faserenden, wie erwünscht, ausgerichtet werden, um den ganzen Gegenstand 10, einschließlich des zu verarbeitenden Punkts P₀, oder einen Teil desselben zu beleuchten, während ein fester Trennabstand D eingehalten wird.
Die Koordinaten des Punkts P₀ an der Oberfläche des Gegenstands 10 sind (x, y, z). Obgleich die Koordinaten x und y von P₀ in der Regel direkt aus der Geometrie des Detektors 22 und des Gegenstands 10 bestimmbar sind, wobei irgendeine Vergrößerung durch Eingriff des Fokussierungselements 24 in Betracht gezogen wird, ist die Tiefenkoordinate z, wobei z-Achse definiert ist, dass sie parallel zur optischen Achse des abbildenden Systems verläuft, nicht direkt erhältlich. Die Tiefenkoordinate, z kann jedoch gemessen werden, indem man zuerst die Differenz der Bahnlänge S = R2 – R1 + S0 (1)von den Strahlungsquellen P₁ und P₂ zum Punkt P₀ an der Oberfläche des Objekts 10 in Betracht zieht. Die Größe S₀ ist einbezogen, um für irgendeine Bahnlängendifferenz in den Strahlen, welche eintreten kann, bevor sie die Punkte P₁ und P₂ erreichen, Rechenschaft abzulegen.
Wenn s nicht Null ist, dann führt die Veränderung der Frequenz der Strahlung, die von den Quellen P₁ und P₂ abgegeben wird, in der Phase der Strahlung von der anderen Quelle, gemessen am Punkt P₀, zur Veränderung bezüglich der anderen Quelle. Diese Phasenveränderung führt zu einer Modulation der Intensität der Strahlung am Punkt P₀. Die Frequenzveränderung, Δν, die zur Vervollständigung eines Zyklus einer Veränderung in der Intensität erforderlich ist, ist durch den Ausdruck:
gegeben, worin c die Lichtgeschwindigkeit ist. So kann durch Messen der Veränderung der Laserfrequenz, Δν, die zur Verursachung einer Schwankung der Intensität notwendig ist, die Bahndifferenz s bestimmt werden. Die Messung von z basiert sodann auf der Bestimmung des Werts von s für jeden Wert von x und y, wie nachfolgend diskutiert wird.
Eine verbesserte Genauigkeit bei der Bestimmung von s wird erhalten, indem man Δν über viele Schwankungszyklen hinweg misst. In der Praxis ist es zweckmäßig, in Form der Anzahl von Schwankungszyklen N (nicht notwendigerweise eine ganze Zahl) zu arbeiten, welche durch eine Gesamtveränderung der Frequenz B bewirkt werden.
N ist in Form von Δν und B gegeben als:
Die Eliminierung von Δν aus Gleichung (3) unter Verwendung der Gleichung (2) führt zu folgendem Ausdruck für s in Form von N:
Eine Unsicherheit ΔN bei der Messung von N entspricht einer Unsicherheit Δs in s von
Die Gleichung (5) zeigt, dass, wenn die Unsicherheit ΔN, zu der ein einziger Schwankungszyklus bestimmt werden kann, konstant bleibt, die Unsicherheit Δs in s durch einen Faktor verringert wird, der der Anzahl von Zyklen N, die gemessen werden, gleich ist. Es gibt zahlreiche Verfahren zur Bestimmung von N bei verschiedenen Auflösungspegeln ΔN, die dem Fachmann bekannt sind. Beispiele für Verfahren, die eine Auflösung von nahezu einer Schwankungszyklus-Zählung (ΔN = 1), führen, zum Beispiel eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) der Datensequenz durchzuführen oder die Null-Kreuzungen des Hochpass-Filtersignals zu zählen. Eine verbesserte Auflösung einer Fraktion einer Schwankungszyklus-Zählung (ΔN < 1) kann z.B. erreicht werden, indem man den Parameter der diskreten Fourier-Transformation (DFT) findet, wo die Größenordnung der DFT maximiert wird, oder durch Inspektion der Phase des Schwankungszyklus am Ende der Frequenzabtastung. Eine dem Fachmann bekannte Technik zur genauen Kontrolle der Phase, ist das Einfügen eines Phasenmodulators in einen Zweig der Strahlenbahn, d.h. zwischen dem Strahlenteiler oder Faseroptik-Teiler und eine der Quellen P₁ oder P₂ in 2, 2(a) und 2(b).
Wenn I₁, I₂ und I₃ Signalintensitäten sind, welche Phasenverschiebungen entsprechen, die durch den Phasenmodulator von –90°, 0° = bzw. 90° bewirkt werden, dann ist die Phase ϕ des Schwankungszyklus gegeben durch:
Für eine typische Frequenzabtastung von B = 15 THz für einen abstimmbaren Diodenlaser und für eine Unsicherheit von ΔN = 1 Zyklus, eine Unsicherheit von Δs = 20 μm wird bereitgestellt, eine Unsicherheit von ΔN = 0,1 Zyklus würde die Unsicherheit in s auf Δs = 2,0 μm, verbessern, vorausgesetzt, dass die Abweichung in s über die Seitenauflösung geringer als diese Größe ist. Wenn die Abweichung in s über die Seitenauflösung an der Oberfläche des Gegenstands größer als Δs ist, dann kann die verbesserte Auflösung bei der Messung von s noch zu einer verbesserten Abschätzung eines Durchschnitts oder eines repräsentativen Werts von s über die Seitenauflösung führen.
Ausgedrückt als Koordinatensystem:
Um die Berechnung einfacher zu machen, wird angenommen, dass die beiden Quellen P₁ und P₂ symmetrisch um den Ursprung bei (x₁, y₁, z₁) und (–x₁, –y₁, –z₁) liegen. Dann wird Gleichung (7), ausgedrückt als (x₁, y₁, z₁):
Beim Auflösen nach z wird Gleichung (8)
worin D der Abstand zwischen den beiden Quellen P₁ und P₂ ist. Somit ist z bestimmt, infolge der Existenz der positiven und negativen Wurzeln der Gleichung (9) innerhalb einer Zweideutigkeit zu liegen. Ein Weg, diese Zweideutigkeit zu vermeiden, besteht in der Beleuchtung des Objekts 10 auf diese Weise, dass die Linie s = 0 (in 1 für den Fall s₀ = 0 angegeben) nicht den Bereich des Gegenstands, der abzubilden ist, halbiert. Ein Weg der Bewegung der Linie s = 0 ist, in der Gleichung (1) s₀ zu variieren.
Die Empfindlichkeit des Systems gegenüber Veränderungen in s wird durch das Verhältnis Δs/Δz gezeigt, worin Δz die Unsicherheit in z ist, eingeführt durch eine Unsicherheit Δs im Wert von s. Dieses Verhältnis liegt im Bereich zwischen Null für ein System, dem jegliche praktische Bereichsempfindlichkeit fehlt, und zwei für ein theoretisch maximales System. Ein Wert von Zwei zu erreichen, ist unpraktisch, weil die Oberfläche des Gegenstands 10 zwischen den beiden Punktquellen P₁ und P₂ liegen soll, und lediglich eine Seite der Oberfläche von jedem Strahl beleuchtet werden kann. Das Verhältnis Δs/Δz berechnet, indem man das partielle Derivat von s bezüglich z nimmt, aus dem folgender Ausdruck für die Bereichsauflösung erhalten wird:
In der Gleichung (10) ist R₀ der Abstand vom Ursprung bis P₀ und, Ψ der Winkel zwischen der Linie, die sich vom Ursprung bis zum Punkt P₀ erstreckt, und der Linie, die sich vom Punkt P₁ bis zum Punkt P₂ erstreckt, wie in 1 gezeigt. Eine brauchbare Anordnung, welche eine gute Bereichsauflösung bereitstellt, ist die Einstellung von Ψ = 90°C für die sich der Ausdruck für Δz vereinfacht auf:
worin θ_s und α, wie in 1 gezeigt, sind. Ausgedrückt als R₀ und D: tanα = D/(2R₀). Die Gleichung (11) zeigt, dass sich die Bereichsauflösung verbessert, wenn der Winkel α größer, und der Winkel θ_s kleiner wird. Für Werte von Δs = 5 μm, α = 10° und θ_s = 45°, ist die Bereichsauflösung Δz = 20 μm.
Unsicherheiten (Δ_x, Δ_y) in der Seitenposition (x, y) des Beobachtungspunkts P beeinflussen auch die Bereichsauflösung Δz. Wenn die beiden Quellenpunkte in der Ebene x-z liegen, dann ist die Messung von z gegenüber der Unsicherheit Δy unempfindlich. Für Ψ = 90°, verursachen Unsicherheiten Δx in x eine Unsicherheit: Δz = Δxtanθs (12)bei der Messung von z. Deshalb bieten Winkel in Nähe von θ_s = 0° gegenüber Unsicherheit in der Seitenposition des Punkts P₀ die beste Immunität.
Weil die Tiefe des Brennpunkts abnimmt, wenn sich die Seitenauflösung des optischen Systems verbessert, gibt es einen Kompromiss zwischen der Seitenauflösung und der maximalen Tiefe des Gegenstands. Ein Verfahren zur Verringerung dieser Begrenzung der Gegenstandstiefe ist, nacheinander auf verschiedene Bereichsebenen zu fokussieren und lediglich diese Bildpunkte zu verwenden, die innerhalb der Tiefe des Brennpunkts liegen. Beispielsweise begrenzt eine Seitenauflösung von 100 μm die Feldtiefe auf die Größenordnung von 1 cm, und ein Gegenstand mit einem Bereich von 10 cm kann bei völliger Auflösung durch ein aufeinanderfolgendes Fokussieren bei 10 verschiedenen Bereichen abgebildet werden. Um die Wirkungen der Feldtiefe zu minimieren, kann die Achse z in einer Richtung festgelegt werden, die das Ausmaß des Bereichs, d.h. normal bis zur durchschnittlichen Ebene der Oberfläche des Gegenstands, minimiert. Zur Erhöhung der Seitenfläche, welche abgebildet werden kann, ohne eine Seitenauflösung zu verlieren, können mehrfache Kameras (d.h., Detektoranordnungen 22) benutzt werden, um die gesamte Fläche von Interesse des Objekts 10 abzudecken, oder einzelne Kameras können zur Überwachung von Bereichen von Interesse benutzt werden. Alternativ können fokale Ebenen einzelner Linsen mit einer Vielzahl von Detektoranordnungen besiedelt werden. Diese Anordnungen können unabhängig voneinander übertragen werden, um verschiedene Bereiche des Gegenstands mit hoher Auflösung zu überwachen. Die Übertragung einzelner Detektoranordnungen längs der Achse z oder ein Neigen der Detektoranordnungen kann eine gleichzeitige Fokussierung für Bereiche des Gegenstands bei unterschiedlichen Tiefen erreichen, um die zulässige Objekttiefe zu erhöhen.
Eine mögliche Schwierigkeit mit dem optischen Abbildungssystem in 1 ist, dass der bistatische Winkel zwischen den Quellen und dem Detektor Schattenbildungswirkungen einführen kann. Diese Wirkungen können verringert werden, indem man die Linse näher an die Quellen, wie in 4, bringt und die Linse in einer Anordnung weg von der Achse benutzt, wo der Detektor seitlich in der Bildebene verschoben ist. Wenn die Linse für diesen Zweck entworfen ist oder ein ausreichend großes Sichtfeld besitzt, dann können durch das Abbilden weg von der Achse sich ergebende Aberrationen minimiert werden.
Unter Bezugnahme auf 5 umfasst eine alternative Ausführungsform vorliegender Erfindung eine bewegliche Strahlungsquelle P₁ und eine stationäre Strahlungsquelle P₂, wobei jede einen divergenten Strahl 150 und 154 bereitstellt und eine als R₁ und R₂ bezeichnete Bahnlänge zwischen einer derartigen Strahlungsquelle bzw. einem Punkt P₀ an der Oberfläche eines Gegenstands 10 aufweist. Die Quelle P₁ und P₂ können durch eine beliebige geeignete Quelle kohärenter Strahlung, wie z.B. einen monochromatischen Laser, erzeugt werden, der aufgeteilt wird, um die beiden Punktquellen P₁ und P₂ bereitzustellen. Überdies sind zum Teilen der Strahlung aus der kohärenten Strahlungsquelle verschiedene Verfahren geeignet, beispielsweise mit den Ausführungsformen des Strahlenteilers der 2 und 2a und die Ausführungsform des faseroptischen Strahlungsteilers der 2b.
Die divergenten Strahlen 150 und 154 werden in Richtung einer Oberfläche eines Gegenstands 10 gerichtet, auf dem ein Punkt P₀ liegt, der eine Positionsinformation besitzt, welche zu messen ist. Durch die Oberfläche des Gegenstands 10 gestreute Beleuchtung wird durch ein Fokussierungselement fokussiert, oder durch eine Linse 158, um auf einer Detektoranordnung 22 aufzutreffen. Die Linse kann in einer Anordnung weg von der Achse benutzt werden, wie in 4 veranschaulicht, um Schattierungswirkungen infolge des bistatischen Winkels zu verringern. Ein wahlweiser Polarisator (nicht gezeigt) des zuvor im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Typs kann zwischen dem Fokussierungselement 158 und der Detektoranordnung 22 positioniert werden, um den Kontrast des gesprenkelten Bilds, das auf die Detektoranordnung 22 einfällt, zu verbessern.
Die Detektoranordnung 22 steht in Verbindung mit einem Prozessorgerät 28 zur Verarbeitung des auf dem Detektor einfallenden Bilds, wie im Folgenden beschrieben wird. Ein Steuergerät 32 steht in Verbindung zumindest der beweglichen Quelle P₁ zum Bewegen der Quelle P₁ längs einer Achse 160. Wie weiter oben vermerkt, können das Steuergerät 32 und das Prozessorgerät 28 durch getrennte Vorrichtungen ausgeführt sein oder sie können Teil eines einzigen Systems sein. Ferner können das Steuergerät 32 und das Prozessorgerät 28 aneinander angeschlossen sein, wie es bei bestimmten Anwendungen erwünscht sein kann. Wie weiter oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben, kann die Tiefenkoordinate z, die einem Punkt P₀ an der Oberfläche des Gegenstands 10 zugeordnet ist, als eine Funktion der Differenz R₂ – R₁ zwischen den Bahnlängen R₁ und R₂ der Strahlen 150 und 154 aus den Quellen P₁ bzw. P₂ zum Punkt P₀ bestimmt werden. Bei der Ausführungsform der 5 wird die Phase der Strahlung von der beweglichen Quelle P₁ durch Bewegen der Quelle P₁ längs der Achse 160 unter der Steuerung des Steuergeräts 32 verändert. Mit dieser Anordnung werden Schwankungen in der Intensität am Punkt P₁ erzeugt.
Die unmittelbaren Koordinaten der beweglichen Punktquelle P₁ sind x1 = als, y1 = ams, and z1 = ans (13)worin a die Größenordnung der Translation der Punktquelle P₁ und l_s, m_s und n_s Richtungskosinusse bedeuten, welche die Richtung der Translation bezüglich der Achsen x, y bzw. z wiedergeben. Die Phasendifferenz der Strahlung von den Quellen P₁ und P₂, gemessen nach Fortpflanzung zum Punkt P₀ ist gegeben durch die Gleichung:
worin ϕ₀ eine konstante Phasenverschiebung bedeutet, welche zwischen den beiden kohärenten Strahlungsquellen P₁ und P₂ auftreten kann. Wenn P₁ längs der Achse 160 translatiert, verändert sich der Wert von R₁, was bewirkt, dass sich ϕ als Funktion von a verändert. Die Anzahl von Intensitätsschwankungen, die am Punkt P₀ auftreten, wenn die Punktquelle P₁ sich vom Ursprung weg bewegt, ist gegeben durch:
worin R₀ der Abstand zwischen dem Punkt P₀ und dem Ursprung des Koordinatensystems ist, ϕ(a) der Winkel der bei a gemessenen Translation, und ϕ(0) der Winkel der bei Null gemessenen Translation ist. Das in-Betracht-Ziehen der Gleichung (15) enthüllt, dass die Anzahl von Intensitätsschwankungen, N, die aus der Bewegung der Quelle P₁ resultieren, von der Lage der stationären Quelle P₂ unab hängig ist. Diese Unabhängigkeit erlaubt die Positionierung der Quellen P₁ und P₂ in enger Nachbarschaft zueinander. Mit dieser Anordnung erfahren die divergenten Strahlen 150 und 154 aus den jeweiligen Quellen P₁ und P₂ übliche Störungen, wie z.B. Luftturbulenz und Vibrationen. Auf diesem Weg werden die Wirkungen derartiger Störungen auf ein Minimum herabgesetzt. Ferner erreichen die Strahlen 150 und 154 die Oberfläche des Gegenstands 10 mit einer im wesentlichen identischen Polarisation.
Da die Größenordnung der Translation a der Punktquelle P₁ im Vergleich zu den Werten von x, y und z verhältnismäßig gering ist, kann die Gleichung (15) der zweiten Ordnung in a/R₀ wie folgt genähert werden:
worin Ψ der Winkel zwischen der sich vom Ursprung bis zum Punkt P₀ erstreckenden Linie und der Linie ist, welche durch die Richtung der Translation von P₁ definiert ist, bedeutet.
Gleichung (16) zeigt, dass die Kenntnis von N bei der untersten Größenordnung von a/R₀ die Bestimmung des Winkels Ψ ermöglicht. Wenn die Kenntnis von Ψ aus drei oder mehreren Lagen gegeben ist, können die Koordinaten (x, y, z) von P₀ durch Triangulierung bestimmt werden. Im Folgenden ist nunmehr eine Ausführungsform, die der 1 entsprechenden ähnlich ist, beschrieben, bei der die Koordinaten x und y aus der Lage des Bildpunkts in der Detektoranordnung bestimmt werden.
Die Messung von z für eine gegebene (x, y)-Lage kann vorgenommen werden, entweder indem die Anzahl von Intensitätsschwankungs-Zyklen N, die auftreten, wenn sich P₁ über einen Abstand a bewegt, auszählt, oder durch Messen der Rate, bei der derartige Intensitätsschwankungen auftreten. Zuerst wird eine Messung von z auf Grundlage des Auszählens der Anzahl von Zyklen N in Betracht gezogen. Mit bekanntem N sind alle Variablen (15) bekannt, mit Ausnahme von z. Die Auflösung der Gleichung (15) für z führt zu folgendem Ausdruck:
worin
bedeuten.
Die Gleichung (19) definiert einen dimensionslosen Parameter mit einer Größenordnung im Bereich von Null und einer Einheit, welche die mittlere Modulationsrate der Sprenklungsintensität in Form von Schwankungszyklen N pro Wellenlängeneinheit, zurückgelegt von P₁, wiedergibt. Für Werte von a, welche sich Null nähern, kann Gleichung (17) wie folgt genähert werden:
Die Ausdrücke für z in den Gleichungen (17) und (20) können vereinfacht werden, indem man n_s = 0 festlegt, so dass die Translation der Quelle P₁ auf die Ebene x-y beschränkt ist. Diese Anordnung stellt eine gute praktische Wahl für die Translation der Quelle P₁, wie weiter unten beschrieben, dar. Der sich ergebende Ausdruck für z kann wie folgt beschrieben werden:
worin der Abstand R₀ vom Zerstreuungspunkt P₀ bis zum Ursprung des x, y-Koordinatensystems durch den exakten Ausdruck
gegeben ist.
Wenn a klein ist, kann R₀ genähert werden als:
Nunmehr wird die Messung von z auf Basis der Kenntnis der unmittelbaren Rate, bei der die Intensitätsschwankungen auftreten, in Betracht gezogen. Die unmittelbare Schwankungsrate p kann auf eine Weise ausgedrückt werden, die der mittleren Schwankungsrate in Gleichung (19) ähnlich ist, und zwar wie folgt:
Durch Einsetzen des Ausdrucks für die Anzahl von Intensitätsschwankungen, N, aus Gleichung (15) in die Gleichung (24) führt zu
worin die Beziehung ls 2 + ms 2 = ns 2 = 1 (26)zur Vereinfachung des Zählers benutzt wurde. Für kleine Werte von a kann p wie folgt genähert werden:
Eine Auflösung der Gleichung (25) für z führt zu:
worin O = [xls + yms + α(ρ2 – 1)ns (29)und
bedeuten.
Wenn n_s = 0 ist, kann die Gleichung (29) in Form der Gleichung (21) wie folgt geschrieben werden:
Für kleine Werte von a, können die Gleichungen (28) und (31) durch die Gleichungen (20) bzw. (23), wobei p (Strich drüberscannen) durch p ersetzt wird.
Zur Abschätzung der Bereichsauflösung wird die Unsicherheit Δz bei der Unsicherheit von z in Betracht gezogen, die durch eine Unsicherheit (ΔN oder Δp) in der Größe, die gemessen wird, eingeführt. Aus Gründen der Vereinfachung liegt dieser Berechnung der durch die Gleichung (16) gegebene Näherungsausdruck für N zugrunde. Um Δz zu finden, wird das partielle Derivat von N (oder p) bezüglich z genommen und dieses Derivat dem Verhältnis ΔN/Δz oder (Δp/Δz) gleich gesetzt, um
zu erhalten, worin
ein geometrischer Faktor ist, der die Richtung der Translation und die Richtung zum Streuungspunkt ausmacht. Bei der ersten Form für G sind l = x/R0, m = y/R0, and n = z/R0 (34)die Richtungskosinusse für den Punkt P₀. Bei der zweiten Form für G sind θ und ϕ die polaren bzw. azimuthalen Winkel, welche die Richtung vom Ursprung nach P₀ in einem sphärisch-polaren Koordinatensystem wiedergeben. Ebenfalls ist die Richtung der Translation des Quellenpunkts durch θ_s und ϕ_s gegeben.
Das in-Betracht-Ziehen der Gleichung (32) enthüllt, dass die Bereichauflösung mit zunehmendem Objektabstand R₀ sinkt, und sich mit zunehmender Größenordnung der Translation a der Quelle P₁ verbessert.
Das in-Betracht-Ziehen der Gleichung (33) enthüllt, dass der geometrische Faktor G im Bereich zwischen Eins (unity) und Unendlichkeit liegt, wobei Eins dem besten Auflösungsbereich, der erreichbar ist, entspricht.
Die beste Richtung der Translation der Quelle P₁ für eine gegebene Streuungspunktrichtung wird aus Gleichung (33) erhalten, indem l_s, m_s und n_s derart auswählt, dass G für die gegebenen Werte von l, m und n minimiert wird. Eine Anwendung dieser Beschränkung führt zu
die impliziert, dass die optimale Translationsrichtung orthogonal zur Linie verläuft, die sich vom Ursprung bis zum Streuungspunkt P₀ (ψ = 90°) erstreckt und in der Einfallsebene liegt, die durch diese Linie und der z-Achse (ϕ_s = ϕ) gebildet wird. Das Einsetzen der Werte in Gleichung (35) in die Gleichung (33) führt zu:
Aus der Gleichung (36) wird beobachtet, dass der beste erreichbare Wert G von Eins auftritt, wenn n = 0 ist (θ = 90°), was impliziert, dass der Streuungspunkt in der x-y-Ebene liegt. Es wird auch beobachtet, dass die Auflösung abfällt, so dass G Unendlichkeit erreicht für Streuungspunkte, die auf der z-Achse liegen. Beispielsweise ist G = 2 für θ = 30° und G = 5,76 für θ = 10°. Obgleich es nicht möglich ist, Gleichung (35) für jeden Punkt im Bild zu genügen, ohne die Translationsrichtung für jeden Punkt zu verändern, kann die Bedingung für eine optimale Auflösung angenähert werden, indem man der Gleichung (35) für einen repräsentativen Bildpunkt genügt.
Durch die Gleichungen (25) und (27) schwankt die unmittelbare Modulationsrate p als Funktion der Verschiebungsgrößenordnung a des Translationspunkts. Für Methoden auf Grundlage des Messens von p ist es erwünscht, dass p so gering wie möglich während der Abtastung schwankt, so dass zwischen den Werten von p und z eine nahezu Eins-zu-Eins-Übereinstimmung besteht. Dann können spektralanalytische Standardverfahren angewandt werden, um den Wert von p abzuschätzen und z zu bestimmen. Um den Grad der Uneinheitlichkeit von p, der während einer Abtastung auftritt, quantitativ zu bestimmen, definieren wir:
Das Einsetzen der Näherungsform für p aus Gleichung (27) in die Gleichung (37) und das Aufrechterhalten lediglich des untersten Ordnungsbegriffs, der a enthält, führt zu:
Gleichung (38) gibt an, dass die Modulationsungleichmäßigkeit sich linear im Verhältnis a/R₀ der Abtastlänge zum Objektabstand erhöht. Ferner verschwindet die Ungleichmäßigkeit, wenn ψ = 0° ist, und erhöht sich ohne Grenzen, wenn ψ = 90° ist. Wir beobachten jedoch, dass es keinen Auflösungsbereich gibt, wenn ψ = 0° ist, weil sämtliche Punkte auf der Linie ψ = 0° die gleiche Modulationsrate besitzen, ungeachtet des Bereichs, d.h., G in Gleichung (33) = ∞ ist. Deshalb gibt es einen Kompromiss zwischen der Minimierung der Ungleichmäßigkeit und dem Erhalten einer optimalen Bereichsauflösung.
Eine vernünftige Messanordnung, welche gleichzeitig eine gute Bereichsauflösung und eine verringerte Modulationsungleichmäßigkeit bereitstellt, ist, n_s auf Null einzustellen und ein optisches System weg von der Achse mit der Verschiebung in der ϕ_s-Richtung z verwenden, d.h., ϕ = ϕ_s. Sodann wird die Gleichung (33) für G auf
reduziert.
Als Veranschaulichungsbeispiel für das Messverfahren wird angenommen, dass es erwünscht ist, einen Gegenstand mit den Abmessungen 200 mm × 200 mm in der Ebene x-y von einem Abstand von R₀ = 1 m unter Verwendung eines Lasers der Wellenlänge λ = 0,7 μm abzubilden. Wenn n_s = 0, und der Mittelpunkt des Gegenstands bei θ = 30° und ϕ = ϕ_s sind, dann schwankt der geometrische Faktor G aufgrund Gleichung (39) zwischen 2,1 und 2,6 über das Sichtfeld. Gemäß Gleichung (32) bringt eine Translation von a = 5 mm einen Unsicherheitsbereich von Δz = 80 μm (in der Mitte des Bilds) in der Anzahl von Schwankungen von einer ¼-Zählung, d.h., ΔN = 0,25, hervor. Die Gesamtanzahl der Schwankungszählungen für die Gesamtabtastung ist gemäß Gleichung (16) N = 3600. Zur Abschätzung der Modulationsungleichmäßigkeit beim Mittelpunkt des Bilds setzen wir in Gleichung (38) für ψ = 60° ein und erhalten χ = 0,0075, so dass es eine Ungleichmäßigkeit von weniger als 1% über der Abtastung gibt. Diese Ungleichmäßigkeit kann weiter durch Einfüh rung geringer Veränderungen bei der Abtastungsrate während der Abtastung verringert werden, um irgendeine Frequenzveränderung während der Messung auszugleichen.
6 zeigt eine veranschaulichende Reihe von Stufen, die durch den Prozessor 28 der 1 und 5 durchzuführen sind, um die Tiefenkoordinate z an jedem Punkt (x, y) an dem Gegenstand zu bestimmen. Der Prozessor beginnt (Stufe 100) mit dem Messen eines Parameters der Intensität der von einer Vielzahl beleuchteter Punkte auf der Gegenstandsoberfläche gestreuten Strahlung (Stufe 108). Aus dieser Information wird die Koordinate z für jeden gemessenen Punkt berechnet (Stufe 112).
In der Stufe 116 kann wahlweise ein Filterverfahren durchgeführt werden. Geeignete, dem Fachmann auf dem Gebiet bekannte Filter umfassen, sind jedoch nicht hierauf beschränkt, Glättungsfilter, Medianfilter und Kurvenannäherungsfilter. Sodann können die abgebildeten Punkte auf irgendeine, dem Fachmann auf dem Gebiet bekannte Weise wiedergegeben oder abgegeben werden, wonach, wie gezeigt, in der Stufe 124 das Verfahren beendet wird. Bei einer anderen Ausführungsform werden die abgebildeten Punkte als eine Funktion der berechneten z-Information auf einem Maschendiagramm in der Stufe 120 aufgetragen.
Unter Bezugnahme auf 6a ist dort eine Ausführungsform von Stufen 108 und 112, die zur Verwendung in der Ausführungsform der 1 geeignet ist, gezeigt. In der Stufe 108' wird die Intensität der gestreuten Beleuchtung als Funktion der Laserfrequenzverschiebung gemessen, und N wird unter Verwendung einer der dem Fachmann auf dem Gebiet geläufigen Verfahren gemessen. Sodann wird s für jede Lage (x, y) in der Stufe 110' unter Verwendung der Gleichung (4) berechnet, während z für jede Lage (x, y) in der Stufe 112' unter Verwendung der Gleichung (9) berechnet wird.
Eine alternative Ausführungsform der Verfahrensstufen 108 und 112, die zusammen mit der Ausführungsform der 5 verwendet wird, ist in 6b dargestellt. In diesem Fall ist der in Stufe 108'' gemessene Parameter die wiederholten Male, N (nicht notwendigerweise eine ganze Zahl), die Anzahl der Intensitätszyklen, wenn die bewegliche Quelle P₁ (5) translatiert. Wenn N in Stufe 108'' durch eines der dem Fachmann auf dem Gebiet bekannten Verfahren bestimmt wurde, wird es durch die Gleichung (19) in der Stufe 110'' in ρ umgewandelt. Sodann wird in Stufe 112'' unter Verwendung der Gleichungen (17) und (18) z berechnet. Eine andere Ausführungsform der Verfahrensstufen 108 und 112 zur Verwendung zusammen mit der Ausführungsform der 5 ist in 6c gezeigt. Hier ist der in Stufe 108'' gemessene Parameter der Intensität die unmittelbare Schwankungsrate p, bei der Schwankungen auftreten, wenn der Quellenpunkt P₁ translatiert. p wird in der Stufe 112''' durch die Gleichungen (28) bis (30) in z umgewandelt.
Es sind verschiedene Anordnungen des Detektors 22 und Prozessors 28 möglich. Bei einer, in 7 gezeigten Ausführungsform werden die Fotodetektorelemente 22_1,1 bis 22_n,m der Detektoranordnung 22 seriell abgelesen. Die serielle Leistungsabgabe 36 der Detektoranordnung 22 stellt eine Eingabe zum Prozessor 28 bereit. Der Prozessor 28 kann einen einzigen Prozessor oder alternativ ein Multiprozessor sein, welcher eine Vielzahl von Prozessoren umfasst.
In 7a ist eine alternative Detektor- und Prozessoranordnung gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der Prozessor 28 ein Multiprozessor, der eine Vielzahl von Prozessoren 28_1,1 bis 28_n,m umfasst. Jedes der Fotodetektorelemente 22_1,1 bis 22_n,m der Detektoranordnung 22 stellt ein jeweiliges Abgabesignal 38 dem entsprechenden der Prozessoren 28_1,1 bis 28_n,m zur Verfügung. Mit dieser Anordnung ist jeder der Prozessoren 28_1,1 bis 28_n,m in der Lage, im wesentlichen gleichzeitig zu arbeiten, um wesentliche Leistungsvorteile bereitzustellen. Insbesondere ist jeder Prozessor 28_1,1 bis 28_n,m im Multiprozessorgerät 28 für die Berechnung der Koordinate z auf Basis der vom entsprechenden Element 22_1,1 bis 22_n,m der Foto detektoranordnung 22 empfangenen Daten verantwortlich. Deshalb kann die z-Koordinate für jede Lage der Oberfläche des Gegenstands 10 schnell bestimmt werden.
7b zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der Detektor- und Prozessorkomponenten zur Verwendung in den Systemen 1 und 5 in Form eines Einheitsdetektors und einer Prozessoranordnung 25. Die Anordnung 25 ist auf einem üblichen Substrat hergestellt und wird von diesem getragen oder wird als ein Multi-Chip-Modul (MCM) oder mit einer Surface Mount Technology (SMT) hergestellt. Der Detektorteil der Anordnung 25 umfasst Fotodetektorelemente 22_1,1 bis 22_n,m , während der Multiprozessorteil der Anordnung die Prozessoren 28_1,1 bis 28_n,m umfasst. Genauer ist jeder der Detektoren 22_1,1 bis 22_n,m einem jeweiligen Prozessor 28_1,1 bis 28_n,m zugeordnet und in dessen Nachbarschaft positioniert und stellt ein Eingabesignal dem jeweiligen Prozessor zur Verfügung, wie gezeigt. Die Prozessoren 28_1,1 bis 28_n,m verarbeiten die Information von den jeweiligen Detektoren 22_1,1 bis 22_n,m im wesentlichen gleichzeitig, um die ermittelten Tiefenkoordinaten zur Verfügung zu stellen.
Es wird gewürdigt werden, dass drei oder mehrere zusätzliche Strahlungsquellen bei den Vorrichtungen und Verfahren gemäß vorliegender Erfindung benutzt werden können. Beispielsweise können eine zusätzliche Quelle oder zusätzliche Quellen zur Bestimmung der x, y-Koordinateninformation hinsichtlich des Gegenstands oder eines Teils desselben verwendet werden. Ferner können zur Verringerung jeglicher Verarbeitungsungenauigkeiten oder Zweideutigkeiten, die der Schattenbildung eines Bereichs von Interesse zuzuschreiben sind, Extrastrahlungsquellen benutzt werden.
Ebenfalls wird gewürdigt werden, dass andere Veränderungen der Ausführungsform, welche sich bewegende Quellenpunkte umfasst, angewandt werden können. Beispielsweise können sich die beiden Punkte mit entgegengesetzter Bewegung bewegen, sie können beide sich in der gleichen Richtung mit konstantem Abstand bewegen, sie können sich um einen gemeinsamen Mittelpunkt drehen, oder es kann eine Bewegung unter Verwendung einer Anordnung von Quellenpunkten, die durch das Steuersystem ein- oder abgeschaltet werden können, simuliert werden.
Nachdem die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und dargestellt wurden, wird es für den Fachmann auf der Hand liegen, dass andere Ausführungsformen, in die die Konzepte einbezogen sind, verwendet werden können, und dass viele Variationen möglich sind, welche noch unter den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen beansprucht wird, fallen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung, auf einem Objekt (10) mit einer Oberfläche, einer dreidimensionalen Positionsinformation eines Punktes (P₀) auf der Oberfläche des Objekts, mit den Schritten: Man stellt zwei Strahlungsquellen (P₁, P₂) bereit, die zueinander kohärent sind, strahlt den Punkt (P₀) mit der Strahlung aus jeder der Quellen (P₁, P₂) an, ändert die Phase der Strahlung einer der Quellen relativ zur Phase der Strahlung der Anderen der Quellen (P₁, P₂), gemessen an dem Punkt (P₀) auf der Oberfläche des Objekts, detektiert die durch diesen Punkt auf der Oberfläche des Objekts gestreute Strahlung, und berechnet die dreidimensionale Positionsinformation als Antwort auf die Phasenänderung der Strahlung aus den Quellen (P₁, P₂) und die detektierte Strahlung, die durch den Punkt (P₀) auf der Oberfläche des Objekts (10) gestreut wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man weiterhin die Strahlung abbildet, die durch den Punkt (P₀) auf der Oberfläche des Objekts (10) gestreut wird, bevor man die Stahlung detektiert, die durch den Punkt auf der Oberfläche des Objekts (10) gestreut wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schritt der Bereitstellung von zwei Strahlungsquellen beinhaltet, dass man eine einzelne Quelle kohärenter Strahlung (40) bereitstellt, und die kohärente Strahlung aus der Einzelquelle in zwei Strahlen (46, 50) kohärenter Strahlung aufteilt.
Verfahren nach Anspruch 3, worin der Strahlenaufteilungsschritt umfasst, dass man die kohärente Strahlung mit einem Faseroptik-Verteiler (56) aufteilt.
Verfahren nach Anspruch 3, worin der Schritt des Aufteilens der kohärenten Strahlung aus der Einzelquelle in zwei Strahlen kohärenter Strahlung umfasst, dass man einen Strahlenteiler (48) im Weg der kohärenten Strahlung (44) aus der Einzelquelle (40) platziert.
Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin umfassend ein Paar Spiegel (54, 60), wobei ein erster zur Reflexion eines ersten Strahlungstrahls (50) positioniert ist, der von dem Strahlenteiler (48) reflektiert wird, und ein zweiter (60) zur Reflexion eines zweiten Strahlungsstrahls (46) positioniert ist, der den Strahlenteiler (48) durchdringt.
Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin umfassend ein Fokussierungselement (62), das zwischen der Quelle kohärenter Strahlung (40) und dem Strahlenteiler (48) positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin umfassend ein erstes Fokussierungselement (52), das zwischen dem Strahlenteiler (48) und dem ersten Spiegel (54) positioniert ist, und ein zweites Fokussierungselement (58) das zwischen dem Strahlenteiler (48) und dem zweiten Spiegel (60) positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Phasenänderungsschritt der Strahlung von einer der Quellen relativ zur Phase der Strahlung aus der Anderen der Quellen, gemessen am genannten Punkt auf der Oberfläche des Objekts, umfasst, dass man die Frequenz der Strahlungsquellen ändert.
Verfahren nach Anspruch 9, worin die Strahlungsquellen durch einen abstimmbaren Laser (40) bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, worin mindestens eine der Strahlungsquellen beweglich ist.
Verfahren nach Anspruch 9, worin die Quellen abstimmbar sind und mindestens eine der Quellen beweglich ist.
Vorrichtung zur Bestimmung, auf einem Objekt (10), das eine Oberflächenpositionsinformation besitzt, eines Punktes (P₀) auf der Oberfläche des Objekts, mit zwei Strahlungsquellen (P₁, P₂), die zur Bestrahlung des Punkts (P₀) mit der Strahlung aus jeder der zwei Quellen angeordnet sind, wobei die Strahlung aus einer ersten der Quellen bezüglich der Strahlung aus der Anderen der beiden Quellen kohärent ist, einem Steuersystem (32), das zur Änderung der Phase von mindestens einer der Strahlungsquellen relativ zur Phase der Strahlung aus der Anderen der Quellen angeordnet ist, gemessen an dem Punkt auf der Oberfläche des Objekts, einem Detektor (22), der zum Empfang von Strahlung angeordnet ist, die von dem Punkt auf der Oberfläche des Objekts gestreut wird, und einem Prozessor (28), der zum Empfang von Signalen aus dem Detektor (22) und zur Berechnung von Tiefenkoordinateninformation in Antwort auf die Phasenänderung der Strahlungsquellen (P₁, P₂) und die empfangene Strahlung, die von dem Punkt auf der Oberfläche des Objekts (10) gestreut wird, angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, die weiterhin ein Abbildungssystem (24) umfasst, das zwischen dem Detektor (22) und dem Punkt (P₀) auf der Oberfläche des Objekts positioniert ist, wobei das Abbildungssystem den Punkt auf dem Detektor abbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 13, worin das Abbildungssystem eine Linse (24) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, worin der Detektor eine CCD(charge coupled device)-Anordnung (22) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, worin der Detektor eine Anordnung von Fotodetektoren umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 17, worin der Prozessor ein Multiprozessorsystem (28) umfasst, das eine Vielzahl Prozessoreinheiten (28_1,1 ... 28_n,m ) besitzt, wobei die Anordnung von Fotodetektoren eine Vielzahl Fotodetektoren (22_1,1 ... 22_n,m ) umfasst, wobei jeder der Fotodetektoren Signale zu einer einzelnen der Vielzahl Prozessoreinheiten sendet.
Vorrichtung nach Anspruch 13, worin der Detektor eine CCD-Anordnung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 16, worin der Prozessor ein Multiprozessorsystem (28) umfasst, das eine Vielzahl Prozessoreinheiten aufweist, und worin die CCD-Anordnung eine Vielzahl CCD-Elemente umfasst, wobei eine Vielzahl der CCD-Elemente Signale zu einer einzelnen der Vielzahl Prozessoreinheiten sendet.
Vorrichtung nach Anspruch 13, worin die zwei Quellen kohärenter Strahlung einem Laser (40) umfassen, der einen Strahl kohärenter Strahlung (44) bereitstellt, und einen Strahlenteiler (48), der so angeordnet ist, dass er den Strahl kohärenter Strahlung in zwei Strahlen kohärenter Strahlung aufteilt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, weiterhin umfassend ein Paar Spiegel (54, 60), wobei ein erster zur Reflexion eines ersten Strahlungsstrahls (50) positioniert ist, der von dem Strahlenteiler (48) reflektiert wird, und ein zweiter (60) zur Reflexion eines zweiten Strahlungsstrahls (46) positioniert ist, der den Strahlenteiler (48) durchdringt.
Vorrichtung nach Anspruch 22, weiterhin umfassend ein Fokussierungselement (62), das zwischen der Quelle kohärenter Strahlung (40) und dem Strahlenteiler (48) positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 22, weiterhin umfassend ein erstes Fokussierungselement (52), das zwischen dem Strahlenteiler (48) und dem ersten Spiegel (54) positioniert ist, und ein zweites Fokussierungselement (58) das zwischen dem Strahlenteiler (48) und dem zweiten Spiegel (60) positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, worin der Laser (40) frequenzabstimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, worin der Strahlenteiler eine optische Faser (56) umfasst, die so angeordnet ist, dass sie den Strahl kohärenter Strahlung in zwei Strahlen kohärenter Strahlung aufteilt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, weiterhin umfassend einen Polarisationsfilter (30), der zwischen dem Punkt auf der Oberfläche des Objekts und dem Detektor positioniert ist, wobei der Polarisationsfilter (30) so orientiert ist, dass er es durch den Punkt auf der Oberfläche des Objekts gestreuter Strahlung, die die gleiche Polarisation wie die kohärente Strahlung besitzt, welche den Punkt auf der Oberfläche bestrahlt, ermöglicht, den Detektor zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 13, worin die zwei Quellen kohärenter Strahlung zwei frequenzverriegelte (frequency locked) Laser umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 28, worin jeder der frequenzverriegelten Laser frequenzabstimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, worin die zwei Quellen kohärenter Strahlung in einem festen Abstand von einander lokalisiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, worin die zwei Quellen kohärenter Strahlung in einem bekannten Abstand von einander lokalisiert sind.