EP1728045A1 - Low-coherence interferometric method and appliance for scanning surfaces in a light-optical manner - Google Patents

Low-coherence interferometric method and appliance for scanning surfaces in a light-optical manner

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EP1728045A1
EP1728045A1 EP05715081A EP05715081A EP1728045A1 EP 1728045 A1 EP1728045 A1 EP 1728045A1 EP 05715081 A EP05715081 A EP 05715081A EP 05715081 A EP05715081 A EP 05715081A EP 1728045 A1 EP1728045 A1 EP 1728045A1
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EP
European Patent Office
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measuring
light
scanning
optics
measuring light
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Withdrawn
Application number
EP05715081A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Alexander KNÜTTEL
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Original Assignee
Individual
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/02015Interferometers characterised by the beam path configuration
    • G01B9/02029Combination with non-interferometric systems, i.e. for measuring the object
    • G01B9/0203With imaging systems
    • GPHYSICS
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    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2441Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using interferometry
    • GPHYSICS
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    • G01B9/02062Active error reduction, i.e. varying with time
    • G01B9/02063Active error reduction, i.e. varying with time by particular alignment of focus position, e.g. dynamic focussing in optical coherence tomography
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/0209Low-coherence interferometers

Definitions

  • the invention relates to a low-coherence interferometric method and a device for light-optical scanning of a surface of an object, in particular a curved surface, for example a borehole.
  • a surface is usually scanned using sequential methods, in which distance information about its distance from the device (usually from its measuring head) is obtained for a specific point on the surface and then the device by means of a lateral displacement relative to that Surface is positioned so that the distance information can be obtained for another location on the surface.
  • distance scans and lateral displacements take place alternately in order to gradually obtain the desired detailed three-dimensional information about the course of the surface.
  • the invention is particularly directed to low-coherence interferometric methods and devices for surface scanning.
  • the distance is scanned using a measuring light beam directed by the measuring head of the device onto the surface to be examined.
  • the direction of the light beam defines a scanning line that runs transversely (generally perpendicular) to the surface, which in practice almost always runs straight, although in principle a distance scanning on a curved scanning line is also possible.
  • a scanning line without restricting generality.
  • Their direction is also referred to as the "z direction". Since this scan in the longitudinal direction of the
  • LCDS Low Coherence Distance Scan
  • the device contains an interferometer arrangement, which usually comprises a beam splitter, a reference reflector and the detector in addition to the low-coherent light source.
  • the light paths between these elements form interferometer arms. The light from the light source reaches the beam splitter through a light source arm and is split there.
  • a first light component is radiated as a measuring light via an object arm in the scanning direction onto the surface to be examined, while a second light component as reference light reaches the reference reflector via a reflector arm.
  • Both light components are reflected (the measuring light on the surface to be examined, the Reference light at the reference reflector) and returned to the beam splitter in the same light path (object arm or reference arm). There they are combined and fed to a detector via a detection arm of the interferometer in such a way that the light resulting from the combination (“detection light”) generates an interference signal when it hits the detector, which provides information about the strength of the reflection of the measurement light as a function of the contains the respectively set longitudinal scanning position.
  • the scanning position along the scanning line is usually varied by changing the relationship between the lengths of the reference light path and the measurement light path. This changes the position on the scanning line for which the prerequisite for the interference of the measurement light and the reference light (namely that the optical path lengths of the two light paths differ from one another by a maximum of the coherence length of the light source) is fulfilled.
  • the current scanning position is the position on the scanning line for which the optical length of the measuring light path coincides with the optical length of the reference light path (from beam splitting to beam combining) ("coherence condition").
  • the reference light path is shortened or lengthened by moving the reference mirror in the direction of the reference light beam.
  • the interference signal When scanning a surface longitudinally, the interference signal reaches a maximum if the scanning position coincides with the position of the surface. The desired distance information for the location of the surface to which the measuring light beam is directed is thereby determined. This is followed by a lateral displacement in order to move the area to another location Perform distance scanning.
  • a lateral displacement In order to accelerate the method, it is of course possible to work with a plurality of measurement light beams which are incident on the surface in parallel and thereby simultaneously carry out the Longitudinalina.1 scan for several points on the surface in a longitudinal scanning step.
  • a method is required for scanning a larger surface, in which a large number of longitudinal scanning steps and lateral displacements take place alternately.
  • WO 03/073041 From WO 03/073041 it is known to vary the scanning position by means of a variable wavelength selection device in the detection arm. This scanning takes place without any translationally moving parts and is therefore faster than moving a reference mirror spatially. The device makes it possible, for example, to continuously monitor a film moving past a measuring head to determine whether a desired layer thickness is being maintained.
  • WO 03/073041 and the documents cited therein contain further explanations about LCDS methods, to which reference is made here.
  • the measuring light In order to be able to carry out precise measurements with a good signal yield with a low-coherence interferometric device, the measuring light must be focused on the area of the sample surface to be examined.
  • the focus can be maintained unchanged during the scanning of the entire surface.
  • scanning curved surfaces there is a need to focus according to the Track contours of the surface to be scanned and. to change.
  • Known low-coherence interferometric methods and devices allow the scanning of surfaces with high precision. However, they are for scanning surfaces with strong unevenness, i.e. Surfaces curved at least in sections, largely unsuitable. Only the scanning of flat surfaces, such as a rotating disk (US Pat. No. 5,473,431) or the above-mentioned film that is guided past a measuring head, is possible at high speed using known low-coherence interferometric devices.
  • the object of the invention is to show a way in which a low-coherence interferometric device can be used to scan any arbitrary, in particular (at least sectionally) curved surface of an object more quickly.
  • This object is achieved by a low-coherence interferometric method for the light-optical scanning of a surface of an object, in particular a curved surface, by means of a measuring light beam directed at the surface and a short coherence-in ferometers, which is a short-coherent measuring light source, a reference reflector, a measuring head, a detector and one connected to the detector.
  • Control and evaluation unit in which different lateral scanning positions are set by moving the measuring light beam relative to the surface, in which the measuring light beam strikes different light-reflecting points on the surface, for determining distance information about the point of the surface longitudinally illuminated by the measuring light beam - Scanning steps are carried out in which a correspondence of a scanning position which is variable along a scanning line running transversely to the surface with the position of a light-reflecting point on the surface of the object is detected, which is characterized in that the measuring light beam by means of measuring optics which have a numerical aperture of not more than 0.3, is focused into a focus region which extends in the scanning direction around a central point, and the scanning position under control of the control and evaluation unit along the r scanning lens within a fine scanning range is varied y that at least partially matches the focus range.
  • the task is also solved by a corresponding low-coherence interferometric.
  • the measuring light is focused by means of measuring optics which have a numerical aperture of not more than 0.3, preferably not more than 0.2, in a focus area extending along the scanning line.
  • measuring optics which have a numerical aperture of not more than 0.3, preferably not more than 0.2, in a focus area extending along the scanning line.
  • a first application relates to surfaces that are flat overall but have relatively rough structural bumps which could only be scanned with previously known methods with constantly varying focusing and therefore relatively slowly.
  • the invention allows the surface to be scanned at a much higher speed. It makes use of the fact that within the focus area the size of the light spot generated by the measuring light beam on the surface changes only slightly as a function of the longitudinal position of the surface and consequently the intensity of the reflected light is largely independent of the longitudinal position of the surface.
  • the scanning position can be essentially move faster than the focus area, since no or only significantly smaller masses have to be accelerated mechanically.
  • the same also applies to uniformly curved surfaces, for example the inner wall of a borehole, provided the measuring head is moved relative to the surface when the lateral scanning position changes so that the measuring light path changes by less than the length of the focus area.
  • the surface to be examined has an irregularly curved course
  • a scanning coarse adjustment takes place, the fine scanning area and the focus area being controlled by the control and evaluation unit of the device can be adjusted coaxially with the measuring light beam (ie on the scanning line).
  • a target curve can be specified, according to which the focus area in the different lateral scanning positions is set such that the surface lies in the focus area.
  • the control algorithm is preferably designed such that the position of the focus area (which deviates from the predetermined target curve) is readjusted when the scanning is roughly adjusted if the deviation occurs due to the fine scanning has been determined.
  • the invention is particularly suitable for examining surfaces that are irregularly shaped. are curved, without the course of the curvature being so well known that the above-described rough scanning adjustment would be possible by means of a nominal curve.
  • the distance information obtained in at least one preceding longitudinal scanning step is used to control the displacement of the focus area for the rough scanning setting.
  • a rough adjustment of the focus area takes place in the coarse scanning setting, in which information that is obtained in one or more longitudinal scanning steps is used as the actual value for setting the position of the focus area.
  • the focus is not always set synchronously with the scanning position during the invention, but the focus area is only adjusted as required as part of the rough scanning setting, based on the distance information, at least one previous the point spaced from the current light reflecting point.
  • a is a scaling factor, the value of which depends on the degree of blurring in the individual case that is acceptable in the vicinity of the limit of the focus range.
  • a ⁇ 2 particularly preferably a ⁇ 1.5.
  • the fine scanning range is preferably completely within the focus area.
  • the longitudinal scanning is based on interference signals which result from reflections within the focus range, but the fine scanning extends beyond the limits of the focus range.
  • Measuring light from the near infrared spectral range with a central wavelength ⁇ 0 in the range from 800 to 1,300 nm is preferably used.
  • Measuring optics with NA 0.08 focus the measuring light from this spectral range into a focus range with a length of over 150 ⁇ m.
  • the diameter of the focus area is approximately 10 to for the values of ⁇ 0 and NA given as an example (depending on the specific wavelength ⁇ 0 and the section of the focus area considered in concrete terms)
  • the focus area preferably has a length of approximately 100 to 300 ⁇ m and a width of 5 to 20 ⁇ m.
  • the variation of the scanning position in the context of fine scanning can be achieved by changing the length of the reference light path, in particular by adjusting the position of a reference reflector.
  • the longitudinal scanning position is preferably varied in the detection light path according to WO 03/073041 by means of a variable wavelength selection device.
  • Other methods for fast longitudinal scanning (with as little mechanical movement as possible) can also be used advantageously within the scope of the invention. Examples are cited as citations 4 to 6 in WO 03/073041.
  • the measuring optics according to the invention with a numerical aperture of at most 0.3 is realized, in particular for the scanning of boreholes, preferably by means of a GRIN lens.
  • This type of lens is used in optics for used different purposes.
  • DE 19819762 AI describes a modulation interferometer in which a GRIN lens (gradient index lens) is used.
  • the invention enables improved quality control in the industrial production of machine parts with curved, especially concave surfaces, for example gear wheels, injection nozzles and boreholes.
  • machine parts with curved, especially concave surfaces, for example gear wheels, injection nozzles and boreholes.
  • concave surfaces for example gear wheels, injection nozzles and boreholes.
  • microsystem technology in particular, there is a need for a quick, precise and inexpensive way of examining the interior of components, since even the smallest irregularities on their inner walls are disruptive. For example, they have a significant influence on the flow behavior of a fluid flowing through the interior.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a low-coherence interferometric device
  • FIG. 2 shows an enlarged detail of the measuring probe penetrating into a borehole of the device shown in FIG. 1
  • 3 shows a schematic diagram of the measuring head of a low-coherence interferometric device in three phases A, B and C to explain the interaction of fine scanning and rough scanning adjustment
  • 4 shows a highly abstracted schematic diagram of a scanning process in three phases A, B and C with different detection positions of the focus area
  • Fig. 5 shows an embodiment of a sensor
  • FIG. 6 shows the imaging relationships when using a plurality of measurement light sources.
  • the exemplary embodiment of a low-coherence interferometric device shown in FIGS. 1 and 2 consists of a measuring head 1 which is movable relative to an object to be examined and a stationary base unit 4.
  • the base unit 4 contains a low-coherent, broadband measuring light source 30, the light of which passes through a lens 31 is coupled into an optical fiber 32.
  • the optical fiber 32 guides the light via an optical splitter 33 to the optical fiber 5, which leads to the measuring head 1.
  • the optical fibers 5 and 32 are preferably single-mode fibers.
  • the light emerging from the optical fiber 5 is collimated by means of the lens 10 and fed to a free beam splitter 13.
  • the free beam splitter 13 divides the light into a measuring light path 23 and a reference light path 22.
  • the reference light is refocused on the reference light path 22 by a lens 12 and fed to an elongated reference optics 15 by a mirror 14.
  • the reference optics 15 images a focus generated by the lens 12 onto a reference reflector 16. After reflection at the reference reflector 16, the reference light returns to the free beam splitter 13 in the same way.
  • the free beam splitter 13 and the reference optics 15 and the reference reflector 16 are fastened in a beam splitter unit 2 of the measuring head 1.
  • the measuring light is focused on the measuring light path 23 by a lens 11 and fed to a measuring lens 17, which, like the reference lens 15 of the reference light path, is preferably designed as a rod lens with a GRIN lens.
  • the measuring optics 17 is part of a very thin measuring probe 3 with a diameter of approximately 500 to 800 ⁇ m, which can be inserted into boreholes with a diameter of less than 1 mm.
  • a deflection element 18 is arranged in the measuring light path 23, which deflects a measuring light beam 23a onto the surface 19 to be examined, in the exemplary embodiment shown the inner surface of a borehole.
  • the measurement light is reflected and returns via the deflection element 18, the measurement optics 17 and the lens 11 back to the beam splitter 13, where it is combined with the reference light which has passed through the reference light path becomes.
  • the intensity of the measuring light reflected by the examined surface 19 is subject to large fluctuations depending on the nature of the surface.
  • the problems associated with the evaluation are reduced in that the reference light path has a constant length in the low-coherence interferometric device shown in FIG. 1.
  • the fluctuations in intensity of the reference light, the intensity of which is generally significantly greater than that of the measuring light, are therefore minimal.
  • the detection light formed in the beam splitter 13 from measurement light and reference light is coupled back into the optical fiber 5 via the lens 10 and into the base unit 4 and thus fed to the detector 35.
  • the detector 35 has only a single detector element, which is preferably a PIN diode.
  • a variable wavelength selection device 34 is arranged in the base unit 4 and is connected to a control and evaluation unit 6. It preferably allows light with wavelengths that correspond to a predetermined sequence of wave numbers to pass through. This sequence is adjusted under the control of the control and evaluation unit 6 so that the scanning position to which the low-coherence signal detected by the detector 35 relates is varied. Further information on this can be found in WO 03/073041 AI cited above, the content of which is made the content of the present application by reference. If the scanning position coincides with a light-reflecting point on the surface 19 to be examined, then an interference signal is generated by the detector 35 and is registered by the control and evaluation unit 6. For this
  • the scanning and evaluation unit 6 determines the desired distance information.
  • a special feature of the low-coherence interferometric device shown in FIG. 1 is that the measuring light beam 23 is not focused by the measuring optics 17 into a sharp light spot (in the order of magnitude of the light wavelength) on the surface 19 to be examined, but rather into a surface perpendicular to it Surface 19 extending focus area 27, in which the width of the Measuring light beam 23 changes only slightly. As explained, this is achieved by measuring optics 17 which have a numerical aperture of not more than 0.3, preferably only 0.05 to 0.2. Within the focus area 27, the scanning position is varied under control of the control and evaluation unit 6 along a scanning line 9 within a fine scanning area 29, which is part of the focus area and can have a length of 100 ⁇ m, for example (FIG. 2).
  • the deflection element 18, preferably together with the measuring probe 3, which contains the measuring optics 17, can be rotated about its longitudinal axis by means of the drive 20, so that an annular region of the inner surface of a borehole can be examined.
  • the measuring probe 3 is pushed into the borehole in the longitudinal direction. With gradual movement of the measuring probe 3, the inner surfaces are scanned in successive annular areas.
  • the measuring probe 3 is preferably moved continuously so that the light-reflecting points of the surface 19 which are scanned one after the other adjoin one another in a helical shape.
  • the deflection element 18 is preferably designed as a prism, but can also be a mirror, for example. Its deflection angle (angle ⁇ between the axis of the measuring optics 17 and the scanning line 9) is preferably 90 °, but this is not mandatory. Even if the measuring light beam 23 is deflected by the deflecting element 18 by less or more than 90 °, boreholes can be examined, provided the arrangement is such that the inner surfaces of a borehole can be scanned without gaps by rotation of the measuring probe 3. A deflection angle of 90 ° is advantageous, however, because in the case of vertical reflection, a maximum proportion of the measuring light is returned to the measuring probe 3 is reflected.
  • the deflection element 18 is preferably interchangeable.
  • measuring optical system 17 can for example be removably secured to the measuring optical system 17 or consisting of 'measuring optics 17 and deflector 18 assembly as a whole can be interchangeable, so that the measuring probe 3 optimal (for example, a wellbore or a gear) may be respectively adapted to the examined object.
  • the entire measuring head 1 can be moved three-dimensionally by means of a multi-axis actuator (not shown), the movement being precisely controllable under the control of the control and evaluation unit 6.
  • the distance between the measuring optics 17 and the beam splitter 13 can be adjusted within the measuring head 1 by means of an actuator 21. This is preferably achieved in that the entire beam splitter unit 2 is displaceable relative to the measuring probe 3.
  • Focus area 27 are shifted in the scanning direction so that the walls of the borehole are within focus area 27 (with probe 3 positioned centrally in borehole 36).
  • the position of the focus area 27 can be adapted to a change in the diameter of the borehole without a measuring light spot formed on the surface to be examined being laterally displaced.
  • the fine-scan area 29 is shifted in the same direction and synchronously coaxially with the focus area, the amount of the shift being the same for both areas, i.e. the center Qo of the fine-scan area during the shift a constant distance from the center F 0 of the focus area Has.
  • the shifting of the focus area 27 and the shifting of the fine scanning area 29 take place in the same direction and synchronously during the coarse scanning adjustment, a shift by equal amounts being particularly advantageous.
  • the distance between the measuring optics 17 and the beam splitter 13 can be adjusted before being introduced into the borehole so that the surface lies in the focus region 27.
  • the diameter of the borehole to be investigated e.g. 3 mm or 5 mm, are transmitted to the control and evaluation unit 6.
  • the position of the focus area 27 is preferably set automatically, in the illustrated case by changing the distance between the measuring probe 3 and the beam splitter unit 2.
  • the control and evaluation unit 6 uses the distance information obtained during the fine scanning.
  • the automatic positioning of the focus area 27 is based on an interaction of the fine scanning and the rough scanning setting, which is explained in more detail with reference to FIG. 3.
  • FIG. 3 shows a highly schematic basic sketch of the essential functions of a device according to the invention in three movement phases A, B and C.
  • the device largely corresponds to the embodiment explained with reference to FIGS. 1 and 2, but with the measuring light beam 23a straight without a deflection element the surface 19 to be scanned is blasted and the variation of the longitudinal scanning position by corresponding ones Varying the position of the reference reflector 16 is effected.
  • the lengths of the scanning area and the focus area are q and. f denotes and strongly represented ⁇ for better kennberry He exaggerated.
  • the measurement optics 17 is shown as a simple lens for the sake of simplicity, it is of course a question of an optical arrangement preferably designed as a rod optics with a numerical aperture of less than 0.3.
  • the partial figure A shows a state in which the center F 0 of the focus area 27 coincides with the light-reflecting point 19 a of the surface 19.
  • the length of the reference light path 22 is set so that the center Qo of the fine measuring range 29 corresponds to F 0 .
  • the position of the reference mirror 16, designated Q 0 ' is set such that the optical path length of the reference light path 22 (between beam splitter 13 and reference reflector 16) and the optical path length of the measuring light path 23 (between reference reflector) 13 and the reflecting point 19a) when the reference mirror is in the position designated Q 0 '.
  • the reference mirror 16 is moved in an oscillating manner by ⁇ q / 2. Accordingly, the longitudinal scanning position moves by ⁇ q / 2 in the fine scanning area 29.
  • the displacement of the surface 19 realized in the context of the foregoing fine scan is processed by the control and evaluation unit of the device into a control signal for the actuator 21 that is, the required sample coarse adjustment by corresponding displacement of the focus ⁇ region 27 and the scanning region 29 (which Center points F 0 and Q 0 of these areas).
  • the rough adjustment of the scanning takes place in that within the Measuring head 1 a corresponding shift (the components 13, 16 and 17) takes place.
  • a corresponding shift the components 13, 16 and 17
  • the entire measuring head 1 is moved three-dimensionally in a precisely controlled manner.
  • Appropriate technologies are available, for example, from robot technology.
  • Figure 4 illustrates surface profile detection of a surface 19 having a step.
  • the measuring light beam 23 is moved laterally into the detection positions A, B and C shown.
  • the center F 0 of the is located at the detection position A.
  • Focus area 27 which in the following is assumed to coincide with the center Qo of the fine scanning area, below the surface 19.
  • the control and evaluation unit 6 therefore registers the distance between Q 0 and the surface 19 with a negative sign.
  • the measuring light beam is then moved into the detection position B by a lateral movement of the measuring head 1 along the surface 19. Due to the step shown in FIG. 2 in the profile of the surface 19, Q 0 and F 0 are now above the surface 19, so that the distance between the center 28 of the focus region 27 and the light-reflecting point on the surface 19 is positive Sign is registered.
  • the detection position A While for the detection position A the distance between the center F 0 of the focus area 27 and the surface 19 is relatively small, in the detection position B the distance of the center F 0 from the surface 19 is relatively large.
  • the focus area 27 and the fine scanning area 29 are therefore moved closer to the surface 19 by the control and evaluation unit.
  • Such a displacement in the scanning direction requires a movement of the measuring head 1 or the beam splitter unit 2 relative to the measuring probe 3. Because of the mass to be moved, this is only possible much more slowly than varying the scanning position within the focus range. Therefore, movements of the measuring head 1 in the scanning direction are generally slower than its uniform lateral movement along the surface 19.
  • the control and evaluation unit 6 uses the distance information from the surface 19 obtained in a first detection position when scanning a first light-reflecting point on the surface 19, already during a lateral movement to one to control a movement of the focus region 27 in the scanning direction in the second detection position.
  • the focus area 27 does not have to be set individually for each detection position. Instead of which is shifted the focus area 27 continuously with Be ⁇ use of determined for each previous detection position distance information in the scanning direction. Since surface profiles mostly change continuously on a length scale of a few 10 micrometers for concave surfaces 19 of components, the described control of a movement of the focus area 27 allows the speed at which a concave surface 19 can be examined to be significantly increased.
  • a special feature of the interf erometric device shown in FIG. 1 is that a CCD camera 42 is arranged in the measuring head 1. Using this CC camera 42, an image of the surface e 19 to be examined is recorded in the visible spectral range, while the detector 35 is preferably sensitive to light in the near infrared spectral range.
  • the measuring head 1 contains a second light source 45 for generating visible light for the CCD camera 42.
  • This second light source 46 is a ring light which is arranged around the measuring light path. Light emitted by the second light source 46 passes through the measuring optics 17 to the object to be examined.
  • the deflecting element 18 is designed as a beam splitter cube which has a reflection layer 37 at its 45 ° boundary layer, which has a reflective effect for light in the near infrared spectral range and is transparent for light in the visible spectral range. Consequently, the light for the CCD camera 42 symbolized by the arrow 25 in FIG.
  • the light of the visible spectral range detected by the CCD camera 42 is reflected from the bottom of a borehole.
  • the visible light reflected from the bottom of the borehole passes through the deflection element 18 back into the measuring optics 17 and is fed to the beam splitter 13 via the lens 11. There it is directed onto a CCD camera 42 via a lens 40 and a mirror 41. To improve the image quality, an optical filter 44 is arranged in front of the CCD camera 42, which prevents light from the near infrared spectral range.
  • the CCD camera 42 is connected via a cable 45 to an image processing unit which is part of the control and evaluation unit 6 arranged in the base part 4.
  • coordinates for controlling the measuring head 1 are obtained from the image of the object captured by the CCD camera 42, in particular the center of a borehole to be examined is determined.
  • the measuring probe 3 can be guided to this center. In this way it is easier and faster possible to insert the measuring probe 3 into a borehole, since the risk of damage to the measuring probe 3 due to a collision with the object is avoided.
  • Another advantage of the CCD camera 42 lies in the fact that the image captured by it can be used to capture and calibrate an eccentricity of the rotating measuring probe 3 that is hardly avoidable in practice. Since the light detected by the CCD camera 42 is imaged by the measuring optics 17 and visible light is at most insignificantly influenced by the deflecting element 18, an eccentricity of the rotating measuring probe 3 arises therein It is noticeable that the visible light from the measuring optics 17 is not imaged in a circular area, but in a cyclically moving area on the surface 19 to be examined. In this way, the eccentricity of the rotating measuring probe 3 can be detected by means of the CCD camera 42 and taken into account when determining location information about the surface 19 to be examined.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a measuring probe 3.
  • the essential elements of the measuring probe 3 are the rod optics 17 and the deflecting element 18.
  • the deflecting element 18 is designed as a beam splitter that works with a mirror 38 effective in the near infrared spectral range is combined.
  • This beam splitter has a reflection layer 37 which is semi-transparent to light in the near infrared spectral range.
  • the measuring light 23 emerging from the measuring optics 17 is divided into two opposing partial beams 23b and 23c, so that two opposite light-reflecting points 7, 8 of a borehole can be scanned at the same time.
  • the deflection element 18 designed as a beam splitter, two measuring light paths are created which differ slightly.
  • the first partial beam of the measurement light is deflected immediately by the reflection layer 37 of the deflection element 18 by 90 ° and supplied to the surface 19 to be examined.
  • the second partial beam of the measuring light first passes through the reflection layer 37, is then reflected by the mirror 38 and, after re-entering the beam splitter, is reflected by the reflection layer 37 and the second light-reflecting point 8 of the surface 19 to be examined.
  • Measuring light reflected from the surface 19 returns via the two measuring light paths described to the measuring optics 17 and from there to the detector 35.
  • the mirror 38 is preferably slightly curved so that the two focus areas 27 are each at the same distance from the deflection element 18.
  • the path length difference of the two measuring light paths caused by the arrangement of the beam divider 37 and the mirror 38 is known from the dimensions of the measuring probe 3.
  • the remaining path length difference of the two measuring light paths depends on how exactly the sensor 3 sits in the center of the borehole.
  • the control and evaluation unit 6 can (for example according to the
  • distance information can be obtained for each of the two measurement light paths and thus for the two opposite right-reflecting points 7, 8 of the surfaces 19 to be examined.
  • the measuring probe 3 shown in FIG. 5 not only can the speed at which a borehole be examined be increased, but also a mechanical eccentricity of the measuring probe 3 can be determined and compensated independently of the CCD camera 42 described namely, if the beam splitter 37 is in a position deviating from the center point of the borehole, the distance between the light-reflecting points 7, 8 opposite the surface 19 to be examined and the beam splitter 37 differs. This difference is determined by the control and The distance information obtained is evaluated by the evaluation unit 6 and can be used to compensate for the eccentricities, in particular the precision with which a diameter of the borehole can be determined can be increased in this way.
  • the reflection layer 37 is semitransparent for light of a first wavelength range, for example around 830 nm, and permeable for light of a second wavelength range, for example around 1,300 nm. These two wavelength ranges can be separated in the control and evaluation unit 6 and different low-coherence interferometric signals can be generated and evaluated therefrom. While the measuring light in the region of the first wavelength range conveys information about walls of the borehole through the beam path described above, the bottom of a borehole can be examined with the measuring light of the second wavelength region.
  • a plurality of measuring light sources 30 spaced apart from one another can be used, as shown in FIG.
  • the measurement light sources 30 are arranged along a line, for example by means of a parallel optical fiber array.
  • measuring light sources 30 are always transmitted from the likewise rotating optical system 17 at the correct angle to the inner surface of a borehole.
  • a separate detector 35 or a detector element of a common detector 35 is provided in the base part 4 for each of the measurement light sources 30. In this way, when using three measuring light sources 30, a surface 19 can be examined three times as quickly.
  • the number of measurement light sources 30 used is not necessarily limited to three.
  • the additional optics 50 is designed as a prism with an odd number of reflections, for example as a Dove prism or a Schmidt-Pechan prism.
  • the additional optics 50 is designed as a truncated cone-shaped Dove prism, which can be rotated about the same geometric axis as the measuring probe 3 by means of a motor 51. As can be seen from the beam path of the measuring light through the Dove prism 50 shown, measuring light coming from the lens 11 is fed into the prism 50 when it enters the prism 50 and is reflected there so that it emerges to the side 53.
  • the Dove prism 50 rotates about the same axis as the measuring optics 17 of the measuring probe 3 at half the rotational speed of the measuring optics 17, the measuring light sources 30 arranged along a line are always projected at the correct angle onto the surface 19 of a borehole to be examined.

Abstract

The invention relates to a low-coherence interferometric appliance for scanning a surface (19) of an object in a light-optical manner, especially a concave surface (19), for example a borehole, using a short-coherence interferometer comprising a short-coherence measuring light source (30), a beam splitter (13) for splitting the light emitted by said source into a measuring light beam (23) and a reference light beam (22), a reference reflector (16), a measuring optical element (17), and a detector (35), to which the reflected measuring light beam (23) and the reference light beam (22) are supplied in order to detect a low-coherence interference signal. The measuring light beam (23) is focussed in a focal region (27) extending in a scanning direction, by a measuring optical element (17) having a maximum digital aperture of 0.3, a control and evaluation unit (6) varying a scanning position by a reference point inside said focal region, and registering the correspondence between the scanning position and the surface (19), in order to obtain information about the distance between the reference point and the surface (19) of the object. Location information about a light-reflecting position of the surface (19) is determined from the distance information and the position of the reference point.

Description

Niederkohärenz-interferometrisches Verfahren und Gerät zur lichtoptischen Abtastung von Oberflächen Low-coherence interferometric method and device for light-optical scanning of surfaces
Die Erfindung betrifft ein Niederkohärenz-interferometri- sches Verfahren und ein Gerät zur lichtoptischen Abtastung einer Oberfläche eines Objektes, insbesondere einer gekrümmten Oberfläche, beispielsweise eines Bohrlochs.The invention relates to a low-coherence interferometric method and a device for light-optical scanning of a surface of an object, in particular a curved surface, for example a borehole.
Die Abtastung einer Oberfläche erfolgt in der Regel mit sequentiellen Verfahren, bei denen jeweils für eine bestimmte Stelle der Oberfläche eine Abstandsinformation über deren Abstand von dem Gerät (in der Regel von dessen Meßkopf) gewonnen wird und danach das Gerät mittels einer lateralen Verschiebung relativ zu der Oberfläche so posi- tioniert wird, daß die Abstandsinformation für eine andere Stelle der Oberfläche gewonnen werden kann. Mit anderen Worten finden alternierend Abstandsabtastungen (distance scans) und Lateralverschiebungen statt, um nach und nach die gewünschte detaillierte dreidimensionale Information über den Verlauf der Oberfläche zu gewinnen.A surface is usually scanned using sequential methods, in which distance information about its distance from the device (usually from its measuring head) is obtained for a specific point on the surface and then the device by means of a lateral displacement relative to that Surface is positioned so that the distance information can be obtained for another location on the surface. In other words, distance scans and lateral displacements take place alternately in order to gradually obtain the desired detailed three-dimensional information about the course of the surface.
Die Erfindung richtet sich speziell auf Niederkohären - interferometrische Verfahren und Geräte zur Oberflächenabtastung. Dabei erfolgt die Abstandsabtastung mittels eines von dem Meßkopf des Gerätes auf die zu untersuchende Oberfläche gerichteten Meßlichtstrahls. Die Richtung des Lichtstrahls definiert dabei eine quer (in der Regel senkrecht) zu der Oberfläche verlaufende Ab- tastlinie, die in der Praxis fast immer gerade verläuft, obwohl grundsätzlich auch eine Abstandsabtastung auf einer gekrümmten Abtastlinie möglich ist. Nachfolgend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf eine Abtastgerade Bezug genommen. Deren Richtung wird auch als "z-Richtung" bezeichnet. Da diese Abtastung in Längsrichtung desThe invention is particularly directed to low-coherence interferometric methods and devices for surface scanning. The distance is scanned using a measuring light beam directed by the measuring head of the device onto the surface to be examined. The direction of the light beam defines a scanning line that runs transversely (generally perpendicular) to the surface, which in practice almost always runs straight, although in principle a distance scanning on a curved scanning line is also possible. In the following, reference is made to a scanning line without restricting generality. Their direction is also referred to as the "z direction". Since this scan in the longitudinal direction of the
Lichtstrahls erfolgt, wird nachfolgend die Bezeichnung Longitudinalabtastung verwendet. In der englischsprachigen Literatur wird für solche Verfahren die Bezeichnung Low Coherence Distance Scan (LCDS) verwendet.Light beam occurs, the term longitudinal scanning is used below. The term Low Coherence Distance Scan (LCDS) is used in the English-language literature for such methods.
Die Longitudinalabtastung mit LCDS-Verfahren basiert darauf, daß Licht einer niederkohärenten (spektral breitban- dig emittierenden) Lichtquelle in zwei Lichtwege, nämlich einen Meßlichtweg, der zu der abzutastenden Oberfläche führt und einen Referenzlichtweg aufgeteilt wird und die beiden Teillichtwege vor dem Auftreffen auf einem Detektor derartig zusammengeführt werden, daß sie miteinander interferieren. Zu diesem Zweck enthält das Gerät eine Interferometer-Anordnung, die üblicherweise außer der niederkohärenten Lichtquelle einen Strahlteiler, einen Referenzreflektor und den Detektor umfaßt. Die Lichtwege zwischen diesen Elementen bilden Interferometerarme . Das Licht der Lichtquelle gelangt durch einen Lichtquellenarm zu dem Strahlteiler und wird dort aufgeteilt. Ein erster Lichtanteil wird als Meßlicht über einen Objektarm in Abtastrichtung auf die zu untersuchende Oberfläche gestrahlt, während ein zweiter Lichtanteil als Referenzlicht über einen Reflektorarm zu dem Referenzreflektor gelangt. Beide Lichtanteile werden reflektiert (das Meßlicht an der zu untersuchenden Oberfläche, das Referenzlicht an dem Referenzreflektor) und auf dem gleichen Lichtweg (Objektarm bzw. Referenzarm) zu dem Strahlteiler zurückgeführt. Dort werden sie zusammengefaßt und über einen Detektionsarm des Interferometers derartig einem Detektor zugeführt, daß das aus der Zusammenfassung resultierende Licht ( "Detektionslich " ) beim Auftreffen auf den Detektor ein Interferenzsignal erzeugt, das eine Information über die Stärke der Reflexion des Meßlichts in Abhängigkeit von der jeweils eingestellten Longitudi- nal-Abtastposition enthält.Longitudinal scanning with the LCDS method is based on the fact that light from a low-coherent (spectrally broadband emitting) light source is divided into two light paths, namely a measuring light path that leads to the surface to be scanned and a reference light path is divided, and the two partial light paths before striking a detector are brought together in such a way that they interfere with each other. For this purpose, the device contains an interferometer arrangement, which usually comprises a beam splitter, a reference reflector and the detector in addition to the low-coherent light source. The light paths between these elements form interferometer arms. The light from the light source reaches the beam splitter through a light source arm and is split there. A first light component is radiated as a measuring light via an object arm in the scanning direction onto the surface to be examined, while a second light component as reference light reaches the reference reflector via a reflector arm. Both light components are reflected (the measuring light on the surface to be examined, the Reference light at the reference reflector) and returned to the beam splitter in the same light path (object arm or reference arm). There they are combined and fed to a detector via a detection arm of the interferometer in such a way that the light resulting from the combination ("detection light") generates an interference signal when it hits the detector, which provides information about the strength of the reflection of the measurement light as a function of the contains the respectively set longitudinal scanning position.
Die Variation der Abtastposition längs der Abtastgeraden erfolgt üblicherweise durch Veränderung der Relation der Längen des Referenzlichtweges und des Meßlichtweges. Da- durch wird diejenige Position auf der Abtastgeraden verändert, für die die Voraussetzung für die Interferenz des Meßlichts und des Referenzlichts (nämlich daß sich die optischen Weglängen beider Lichtwege maximal um die Kohärenzlänge der Lichtquelle voneinander unterscheiden) er- füllt ist. Die aktuelle Abtastposition ist dabei jeweils diejenige Position auf der Abtastgeraden, für die die optische Länge des Meßlichtweges mit der optischen Länge des Referenzlichtweges (jeweils von der Strahlteilung bis zur Strahlzusammenführung) übereinstimmen ("Kohärenz- bedingung") . In der Regel wird der Referenzlichtweg dadurch verkürzt oder verlängert, daß der Referenzspiegel in Richtung des Referenzlichtstrahles verschoben wird.The scanning position along the scanning line is usually varied by changing the relationship between the lengths of the reference light path and the measurement light path. This changes the position on the scanning line for which the prerequisite for the interference of the measurement light and the reference light (namely that the optical path lengths of the two light paths differ from one another by a maximum of the coherence length of the light source) is fulfilled. The current scanning position is the position on the scanning line for which the optical length of the measuring light path coincides with the optical length of the reference light path (from beam splitting to beam combining) ("coherence condition"). As a rule, the reference light path is shortened or lengthened by moving the reference mirror in the direction of the reference light beam.
Bei der Longitudinalabtastung einer Oberfläche erreicht das Interferenzsignal ein Maximum, wenn die Abtastposition mit der Position der Oberfläche übereinstimmt. Dadurch wird die gewünschte Abstandsinformation für die Stelle der Oberfläche, auf die der Meßlichtstrahl gerichtet ist, ermittelt. Danach erfolgt eine Lateralverschie- bung, um für eine andere Stelle der Oberfläche die Abstandsabtastung durchzuführen. Um das Verfahren zu beschleunigen, ist es selbstverständlich möglich., mit mehreren parallel auf die Oberfläche eingestrahlten Meßlichtstrahlen zu arbeiten und dadurch gleichzeitig in einem Longitudinal-Abtastschritt die Longitudina.1- abtastung für mehrere Punkte der Oberfläche durchzuführen. Auch dabei ist zur Abtastung einer größeren Oberfläche ein Verfahren erforderlich, bei dem alterrnierend eine Vielzahl von Longitudinal-Abtastschritten und Late- ralverschiebungen stattfinden.When scanning a surface longitudinally, the interference signal reaches a maximum if the scanning position coincides with the position of the surface. The desired distance information for the location of the surface to which the measuring light beam is directed is thereby determined. This is followed by a lateral displacement in order to move the area to another location Perform distance scanning. In order to accelerate the method, it is of course possible to work with a plurality of measurement light beams which are incident on the surface in parallel and thereby simultaneously carry out the Longitudinalina.1 scan for several points on the surface in a longitudinal scanning step. Here too, a method is required for scanning a larger surface, in which a large number of longitudinal scanning steps and lateral displacements take place alternately.
Aus der WO 03/073041 ist es bekannt, die Abtastposition mittels einer variablen Wellenlängenselektionse-Lnrichtung im Detektionsarm zu variieren. Diese Abtastung erfolgt ohne translatorisch bewegliche Teile und ist deshalb schneller als das räumliche Verschieben eines Referenzspiegels. Die Vorrichtung ermöglicht es beispielsweise, eine mit hoher Geschwindigkeit an einem Meßkopf vorbeigeführte Folie laufend daraufhin zu überwachen, ob eine gewünschte Schichtstärke eingehalten wird. Die WO 03/073041 und die darin zitierten Dokumente enthalten weitere Erläuterungen über LCDS-Verfahren, auf die hier Bezug genommen wird.From WO 03/073041 it is known to vary the scanning position by means of a variable wavelength selection device in the detection arm. This scanning takes place without any translationally moving parts and is therefore faster than moving a reference mirror spatially. The device makes it possible, for example, to continuously monitor a film moving past a measuring head to determine whether a desired layer thickness is being maintained. WO 03/073041 and the documents cited therein contain further explanations about LCDS methods, to which reference is made here.
Um mit einem Niederkohärenz-interferometrischen Gerät präzise Messungen mit einer guten Signalausbeute durchführen zu können, muß das Meßlicht auf die zu untersuchende Stelle der Probenoberfläche fokussiert werden. Bei der Abtastung von ebenen Oberflächen, beispielsweise wenn eine Folie oder eine rotierende Scheibe an einem Meßkopf vorbeigeführt wird, kann der Fokus unverändert während der Abtastung der gesamten Oberfläche beibehalten werden. Bei der Abtastung von gekrümmten Oberflächen besteht hingegen die Notwendigkeit, den Fokus entsprechend den Konturen der abzutastenden Oberfläche nachzuführen und. zu ändern.In order to be able to carry out precise measurements with a good signal yield with a low-coherence interferometric device, the measuring light must be focused on the area of the sample surface to be examined. When scanning flat surfaces, for example when a film or a rotating disk is passed past a measuring head, the focus can be maintained unchanged during the scanning of the entire surface. When scanning curved surfaces, however, there is a need to focus according to the Track contours of the surface to be scanned and. to change.
In dem US-Patent 6,144,449 wird vorgeschlagen, die erfor- derliche Übereinstimmung der Fokussierung mit der jeweiligen Abtastposition mittels Fokuskorrekturmitteln sicherzustellen, durch die bei dem Abtastvorgang jederzeit die Position des Fokus in Übereinstimmung mit der jeweiligen Abtastposition gebracht wird. Die vorgeschlagenen Fokuskorrekturmittel sind jedoch aufwendig und/oder haben einen großen Raumbedarf. Sie sind deshalb für viele Anwendungsfälle nicht oder nur eingeschränkt geeignet.In US Pat. No. 6,144,449 it is proposed to ensure the necessary matching of the focusing with the respective scanning position by means of focus correction means, by means of which the position of the focus is brought into agreement with the respective scanning position at any time during the scanning process. However, the proposed focus correction means are complex and / or require a large amount of space. They are therefore not suitable for many applications or only to a limited extent.
Zwar erlauben bekannte Niederkohärenz-interferometrische Verfahren und Geräte die Abtastung von Oberflächen mit hoher Präzision. Sie sind jedoch zur Abtastung von Oberflächen mit starken Unebenheiten, d.h. mindestens abschnittsweise gekrümmten Oberflächen, weitgehend ungeeignet. Lediglich die Abtastung ebener Oberflächen, wie zum Beispiel einer rotierenden Scheibe (US 5,473,431) oder der erwähnten, an einem Meßkopf vorbeigeführten Folie, ist mit bekannten Niederkohärenz-interferometrischen Geräten mit hoher Geschwindigkeit möglich.Known low-coherence interferometric methods and devices allow the scanning of surfaces with high precision. However, they are for scanning surfaces with strong unevenness, i.e. Surfaces curved at least in sections, largely unsuitable. Only the scanning of flat surfaces, such as a rotating disk (US Pat. No. 5,473,431) or the above-mentioned film that is guided past a measuring head, is possible at high speed using known low-coherence interferometric devices.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie mit einem Niederkohärenz-interferometrischen Gerät eine beliebige, insbesondere auch (mindestens abschnittsweise) gekrümmte Oberfläche eines Objektes schneller abgetastet werden kann.The object of the invention is to show a way in which a low-coherence interferometric device can be used to scan any arbitrary, in particular (at least sectionally) curved surface of an object more quickly.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Niederkohärenz-inter- ferometrisches Verfahren zur lichtoptischen Abtastung einer Oberfläche eines Objektes, insbesondere einer gekrümmten Oberfläche, mittels eines auf die Oberfläche gerichteten Meßlichtstrahls und eines Kurzkohärenz-In er- ferometers, das eine kurzkohärrente Meßlichtquelle, einen Referenzreflektor, eine Meßopfcik, einen Detektor und eine mit dem Detektor verbundenen. Steuer- und Auswerteeinheit umfaßt, bei welchem durch Bewegung des Meßlichtstrahls relativ zu der Oberfläche unterschiedliche Lateralabtastpositionen eingestellt werden, bei denen der Meßlichtstrahl auf unterschiedliche lichtreflektierende Stellen der Oberfläche auftriffft, zur Bestimmung einer Abstandsinformation über die jeweils von dem Meßlicht- strahl beleuchtete Stelle der Oberfläche Longitudinal- Abtastschritte durchgeführt werden, bei denen eine Übereinstimmung einer entlang einer quer zu der Oberfläche verlaufenden Abtastlinie veränderlichen Abtastposition mit der Position einer lichtreflektierenden Stelle an der Oberfläche des Objektes detektiert wird, das sich dadurch auszeichnet, daß der Meßlichtstrahl mittels einer Meßoptik, die eine numerische Apertur von nicht mehr als 0,3 hat, in einen sich in AbtastrrLchtung um einen Zentralpunkt erstreckenden Fokusbere-ich fokussiert wird, und die Abtastposition unter Kontrolle der Steuer- und Auswerteeinheit entlang der AbtastlinzLe innerhalb eines Feinabtastbereiches variiert wird y der mindestens teilweise mit dem Fokusbereich Übereins-fcimmt .This object is achieved by a low-coherence interferometric method for the light-optical scanning of a surface of an object, in particular a curved surface, by means of a measuring light beam directed at the surface and a short coherence-in ferometers, which is a short-coherent measuring light source, a reference reflector, a measuring head, a detector and one connected to the detector. Control and evaluation unit, in which different lateral scanning positions are set by moving the measuring light beam relative to the surface, in which the measuring light beam strikes different light-reflecting points on the surface, for determining distance information about the point of the surface longitudinally illuminated by the measuring light beam - Scanning steps are carried out in which a correspondence of a scanning position which is variable along a scanning line running transversely to the surface with the position of a light-reflecting point on the surface of the object is detected, which is characterized in that the measuring light beam by means of measuring optics which have a numerical aperture of not more than 0.3, is focused into a focus region which extends in the scanning direction around a central point, and the scanning position under control of the control and evaluation unit along the r scanning lens within a fine scanning range is varied y that at least partially matches the focus range.
Die Aufgabe wird ferner gelös-t durch ein entsprechendes Niederkohärenz-interferometrisches .The task is also solved by a corresponding low-coherence interferometric.
Vorteilhafte Weiterbildungen «der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird das Meßl icht mittels einer Meßoptik, die eine numerische Apertur von nicht mehr als 0,3, vorzugsweise nicht mehr als 0,2 .hat, in einen sich längs der Abtastgeraden erstreckenden Fokusbereich fokussiert. Durch Verwendung einer Meßopt ik mit einer so kleinen nu- merischen Apertur wird das Meßlicht weniger scharf, d.h. zu einem größeren Lichtfleck, fokussiert. Dadurch werden die Signalintensität und die laterale Auflösung vermindert. Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß trotz dieser scheinbaren Nachteile bei der kombinierten Longitudinal- und Lateralabstatung von gekrümmten Oberflächen ausgezeichnete Ergebnisse bei Verwendung einer Meßoptik mit einer kleinen numerischen Apertur und damit verbundener "schlechterer" Fokussierung erreicht werden.According to the invention, the measuring light is focused by means of measuring optics which have a numerical aperture of not more than 0.3, preferably not more than 0.2, in a focus area extending along the scanning line. By using measuring optics with such a small measurement aperture, the measuring light is focused less sharply, ie to a larger light spot. This reduces the signal intensity and the lateral resolution. Within the scope of the invention it was found that, despite these apparent disadvantages in the combined longitudinal and lateral imaging of curved surfaces, excellent results are achieved when using measuring optics with a small numerical aperture and associated "poorer" focusing.
Im Rahmen der Erfindung werden die optischen Eigenschaften einer Linse mit ungewöhnlich kleiner numerischer Apertur, abhängig von den Eigenschaften der zu untersuchenden Oberfläche, in mehrerlei Hinsicht vorteilhaft genutzt: Ein erster Anwendungsfall bezieht sich auf Oberflächen, die insgesamt eben sind, jedoch relativ grobe strukturelle Unebenheiten aufweisen, die mit vorbekannten Verfahren nur mit ständig variierender Fokus- sierung und deswegen relativ langsam abgetastet werden konnten. In solchen Fällen erlaubt die Erfindung die Abtastung der Oberfläche mit sehr viel höherer Geschwindigkeit. Sie macht sich dabei zu nutze, daß sich innerhalb des Fokusbereiches die Größe des von dem Meßlichtstrahl auf der Oberfläche erzeugten Lichtflecks in Abhängigkeit von der Longitudinalposition der Oberfläche nur wenig ändert und demzufolge die Intensität des reflektierten Lichtes weitgehend unabhängig von der Longitudinalposition der Oberfläche ist. Dadurch ist ohne Neueinstellung der Fokussierung eine Variation der Abtastposition über einen so großen räumlichen Bereich möglich, daß durch Verschieben der Abtastposition mit hoher Geschwindigkeit auch erhebliche Oberflächenrauhigkeiten, Stufen und Sprünge erfaßt werden können. Die Abtastposition läßt sich wesentlich schneller verschieben als der Fokusbereich, da dafür keine oder nur wesentlich geringere Massen mechanisch beschleunigt werden müssen.In the context of the invention, the optical properties of a lens with an unusually small numerical aperture, depending on the properties of the surface to be examined, are advantageously used in several ways: a first application relates to surfaces that are flat overall but have relatively rough structural bumps which could only be scanned with previously known methods with constantly varying focusing and therefore relatively slowly. In such cases, the invention allows the surface to be scanned at a much higher speed. It makes use of the fact that within the focus area the size of the light spot generated by the measuring light beam on the surface changes only slightly as a function of the longitudinal position of the surface and consequently the intensity of the reflected light is largely independent of the longitudinal position of the surface. This makes it possible to vary the scanning position over such a large spatial area without having to readjust the focusing, that considerable surface roughness, steps and jumps can also be detected by moving the scanning position at high speed. The scanning position can be essentially move faster than the focus area, since no or only significantly smaller masses have to be accelerated mechanically.
Ähnliches gilt auch für gleichmäßig gekrümmte Ober- flächen, beispielsweise die Innenwand eines Bohrlochs, sofern der Meßkopf bei der Änderung der Lateralabtastposition relativ zu der Oberfläche so bewegt wird, daß sich der Meßlichtweg um weniger als die Länge des Fokusbereiches ändert . Wenn die zu untersuchende Oberfläche einen unregelmäßig gekrümmten Verlauf hat findet gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei Änderung der Lateralabtastposition zur Anpassung an die Form der Oberfläche eine Abtastungsgrobeinstellung (scanning coarse adjustment) statt, wobei der Feinabtastbereich und der Fokusbereich unter Kontrolle der Steuer- und Auswerteeinheit des Gerätes gleichgerichtet koaxial mit dem Meßlichtstrahl (d.h. auf der Abtastgeraden) verstellt werden. Sofern der unregelmäßig gekrümmte Verlauf der Oberfläche (beispielsweise als CAD/CAM- Daten) bekannt ist, kann eine Sollkurve vorgegeben werden, gemäß der der Fokusbereich in den unterschiedlichen Lateralabtastpositionen jeweils so eingestellt wird, daß die Oberfläche in dem Fokusbereich liegt. Für den Fall, daß die Oberflächenposition um mehr als einen vorbestimmten Grenzwert von der Sollkurve abweicht, ist der Steueralgorithmus bevorzugt so ausgebildet, daß bei der Abtastungsgrobeinstellung eine (von der vorbestimmten Sollkurve abweichende) Nach- regelung der Position des Fokusbereiches stattfindet, wenn die Abweichung durch die Feinabtastung festgestellt wurde.The same also applies to uniformly curved surfaces, for example the inner wall of a borehole, provided the measuring head is moved relative to the surface when the lateral scanning position changes so that the measuring light path changes by less than the length of the focus area. If the surface to be examined has an irregularly curved course, according to a preferred embodiment of the invention, when the lateral scanning position is changed to adapt to the shape of the surface, a scanning coarse adjustment takes place, the fine scanning area and the focus area being controlled by the control and evaluation unit of the device can be adjusted coaxially with the measuring light beam (ie on the scanning line). If the irregularly curved course of the surface (for example, as CAD / CAM data) is known, a target curve can be specified, according to which the focus area in the different lateral scanning positions is set such that the surface lies in the focus area. In the event that the surface position deviates from the target curve by more than a predetermined limit value, the control algorithm is preferably designed such that the position of the focus area (which deviates from the predetermined target curve) is readjusted when the scanning is roughly adjusted if the deviation occurs due to the fine scanning has been determined.
Die Erfindung eignet sich in besonderem Maße auch zur Untersuchung von Oberflächen, die unregelmäßig ge- krümmt sind, ohne daß der Verlauf der Krümmung so gut vorbekannt ist, daß die vorstehend erläuterte Abtastungsgrobeinstellung mittels einer Sollkurve möglich wäre. In diesem Fall wird für die Abtastungsgrob- einstellung die bei mindestens einem vorausgehenden Longitudinal-Abtastschritt gewonnene Abstandsinformation zum Steuern der Verschiebung des Fokusbereiches benutzt. Mit anderen Worten findet bei der Abtastungsgrobeinstellung eine geregelte Einstellung des Fokus- bereiches statt, bei der zur Einstellung der Position des Fokusbereiches als Istwert Informationen verwendet werden, die bei einem oder mehreren Longitudinal- Abtastschritten gewonnen wurden. Im Gegensatz zu vorbekannten Geräten (US 6,330,063) wird bei der Erfin- düng der Fokus nicht ständig synchron mit der Abtastposition eingestellt, sondern eine Nachführung des Fokusbereiches erfolgt im Rahmen der Abtastungsgrobeinstellung nur bei Bedarf, und zwar auf der Grundlage der Abstandsinformation mindestens einer vorhergehen- den, von der aktuellen lichtreflektierenden Stelle beabstandeten Stelle.The invention is particularly suitable for examining surfaces that are irregularly shaped. are curved, without the course of the curvature being so well known that the above-described rough scanning adjustment would be possible by means of a nominal curve. In this case, the distance information obtained in at least one preceding longitudinal scanning step is used to control the displacement of the focus area for the rough scanning setting. In other words, a rough adjustment of the focus area takes place in the coarse scanning setting, in which information that is obtained in one or more longitudinal scanning steps is used as the actual value for setting the position of the focus area. In contrast to previously known devices (US Pat. No. 6,330,063), the focus is not always set synchronously with the scanning position during the invention, but the focus area is only adjusted as required as part of the rough scanning setting, based on the distance information, at least one previous the point spaced from the current light reflecting point.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung läßt sich die Länge L des Fokusbereiches aus der numerischen Apertur NA und der Wellenlänge λ0 des verwendeten Lichts berechnen gemäß : L = a *° For the purposes of the present invention, the length L of the focus area can be calculated from the numerical aperture NA and the wavelength λ 0 of the light used in accordance with: L = a * °
Darin ist a ein Skalierungsfaktor, dessen Wert von der im Einzelfall vertretbaren Grad der Unscharfe in der Nähe der Grenze des Fokusbereiches abhängt. Bevorzugt ist a <2, besonders bevorzugt a < 1,5. Der Feinabtastbereich liegt vorzugsweise vollständig innerhalb des so definier- ten Fokusbereiches. Es sind aber auch Anwendungsfälle möglich, bei denen die Longitudinalabtastung auf Interferenzsignalen basiert, die aus Reflexionen innerhalb des Fokusbereiches resultieren, sich die Feinabtastung aber über die Grenzen des Fokusbereiches hinaus erstreckt .Here a is a scaling factor, the value of which depends on the degree of blurring in the individual case that is acceptable in the vicinity of the limit of the focus range. Preferably a <2, particularly preferably a <1.5. The fine scanning range is preferably completely within the focus area. However, applications are also possible in which the longitudinal scanning is based on interference signals which result from reflections within the focus range, but the fine scanning extends beyond the limits of the focus range.
Bevorzugt wird Meßlicht aus dem nahen infraroten Spektralbereich mit einer Zentralwellenlänge λ0 im Bereich von 800 bis 1.300 nm verwendet. Durch eine Meßoptik mit NA = 0,08 wird das Meßlicht aus diesem Spektralbereich in einen Fokusbereich mit einer Länge von über 150 μm fokussiert. Der Durchmesser des Fokusbereichs beträgt bei den als Beispiel angegebenen Werten von λ0 und NA (abhängig von der konkreten Wellenlänge λ0 und dem konkret betrach- teten Teilabschnitt des Fokusbereiches) etwa 10 bisMeasuring light from the near infrared spectral range with a central wavelength λ 0 in the range from 800 to 1,300 nm is preferably used. Measuring optics with NA = 0.08 focus the measuring light from this spectral range into a focus range with a length of over 150 μm. The diameter of the focus area is approximately 10 to for the values of λ 0 and NA given as an example (depending on the specific wavelength λ 0 and the section of the focus area considered in concrete terms)
20 μm. Im allgemeinen hat der Fokusbereich bevorzugt eine Länge von etwa 100 bis 300 μm und eine Breite von 5 bis 20 μm.20 μm. In general, the focus area preferably has a length of approximately 100 to 300 μm and a width of 5 to 20 μm.
Die Variation der Abtastposition im Rahmen der Feinabtastung kann durch Änderung der Länge des Referenzlichtweges, insbesondere durch Verstellen der Position eines Referenzreflektors, erreicht werden. Bevorzugt wird die Longitudinal-Abtastposition mittels einer variablen Wellenlängenselektionseinrichtung im Detektionslichtweg gemäß der WO 03/073041 variiert. Auch andere Verfahren zur schnellen Longitudinalabtastung (mit möglichst wenig mechanischer Bewegung) können im Rahmen der Erfindung vorteilhaft verwendet werden. Beispiele werden in der WO 03/073041 als Zitate 4 bis 6 zitiert.The variation of the scanning position in the context of fine scanning can be achieved by changing the length of the reference light path, in particular by adjusting the position of a reference reflector. The longitudinal scanning position is preferably varied in the detection light path according to WO 03/073041 by means of a variable wavelength selection device. Other methods for fast longitudinal scanning (with as little mechanical movement as possible) can also be used advantageously within the scope of the invention. Examples are cited as citations 4 to 6 in WO 03/073041.
Die erfindungsgemäße Meßoptik mit einer numerischen Apertur von maximal 0,3 wird, insbesondere für die Abtastung von Bohrlöchern, vorzugsweise mittels einer GRIN-Linse realisiert. Dieser Linsentyp wird in der Optik für verschiedene Zwecke eingesetzt. Beispielsweise wird in der DE 19819762 AI ein Modulationsinterferometer beschrieben, bei dem eine GRIN-Linse (gradient index lens) verwendet wird.The measuring optics according to the invention with a numerical aperture of at most 0.3 is realized, in particular for the scanning of boreholes, preferably by means of a GRIN lens. This type of lens is used in optics for used different purposes. For example, DE 19819762 AI describes a modulation interferometer in which a GRIN lens (gradient index lens) is used.
Die Erfindung ermöglicht eine verbesserte Qualitätskontrolle in der industriellen Fertigung von Maschinenteilen mit gekrümmten, vor allem konkaven Oberflächen, zum Beispiel Zahnrädern, Einspritzdüsen und Bohrlöchern. Spe- ziell in der Mikrosystemtechnik besteht ein Bedarf nach einer schnellen, präzisen und kostengünstigen Möglichkeit zum Untersuchen von Innenräumen von Bauteilen, da bereits kleinste Unregelmäßigkeiten an deren Innenwänden störend sind. Beispielsweise haben sie einen erheblichen Einfluß auf das Strömungsverhalten eines den Innenraum durchströmenden Fluids .The invention enables improved quality control in the industrial production of machine parts with curved, especially concave surfaces, for example gear wheels, injection nozzles and boreholes. In microsystem technology in particular, there is a need for a quick, precise and inexpensive way of examining the interior of components, since even the smallest irregularities on their inner walls are disruptive. For example, they have a significant influence on the flow behavior of a fluid flowing through the interior.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Die darin dargestellten Besonderheiten können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Niederkohärenz- interferometrischen Gerätes; Fig. 2 eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung der in ein Bohrloch eindringenden Meßsonde des in Figur 1 dargestellten Gerätes; Fig. 3 eine Prinzipskizze des Meßkopfes eines Nieder- kohärenz-interferometrischen Gerätes in drei Phasen A, B und C zur Erläuterung des Zusammenwirkens von Feinabtastung und Abtastungsgrobeinstellung; Fig. 4 eine stark abstrahierte Prinzipskizze eines Abtastvorgangs in drei Phasen A, B und C mit verschiedenen Detektionspositionen des Fokusbereiches; Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines Meßfühlers; und Fig. 6 die Abbildungsverhältnisse bei Verwendung mehrerer Meßlichtquellen.Further details and advantages of the invention are explained using an exemplary embodiment with reference to the accompanying figures. The special features illustrated therein can be used individually or in combination in order to create preferred embodiments of the invention. 1 shows an embodiment of a low-coherence interferometric device; FIG. 2 shows an enlarged detail of the measuring probe penetrating into a borehole of the device shown in FIG. 1; 3 shows a schematic diagram of the measuring head of a low-coherence interferometric device in three phases A, B and C to explain the interaction of fine scanning and rough scanning adjustment; 4 shows a highly abstracted schematic diagram of a scanning process in three phases A, B and C with different detection positions of the focus area; Fig. 5 shows an embodiment of a sensor; and FIG. 6 shows the imaging relationships when using a plurality of measurement light sources.
Das in den Figuren 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Niederkohärenz- interferometrischen Gerätes besteht aus einem relativ zu einem zu untersuchenden Objekt beweglichen Meßkopf 1 und einer stationären Basiseinheit 4. Die Basiseinheit 4 enthält eine niederkohärente, breit- bandige Meßlichtquelle 30, deren Licht über eine Linse 31 in eine Lichtleitfaser 32 eingekoppelt wird. Die Lichtleitfaser 32 leitet das Licht über einen optischen Verzweiger 33 der Lichtleitfaser 5 zu, die zu dem Meßkopf 1 führt. Die Lichtleitfasern 5 und 32 sind bevorzugt Single-Mode-Fasern.The exemplary embodiment of a low-coherence interferometric device shown in FIGS. 1 and 2 consists of a measuring head 1 which is movable relative to an object to be examined and a stationary base unit 4. The base unit 4 contains a low-coherent, broadband measuring light source 30, the light of which passes through a lens 31 is coupled into an optical fiber 32. The optical fiber 32 guides the light via an optical splitter 33 to the optical fiber 5, which leads to the measuring head 1. The optical fibers 5 and 32 are preferably single-mode fibers.
In dem Meßkopf 1 wird das aus der Lichtleitfaser 5 austretende Licht mittels der Linse 10 kollimiert und einem Freistrahlteiler 13 zugeführt. Der Freistrahlteiler 13 teilt das Licht in einen Meßlichtweg 23 und einen Refe- renzlichtweg 22 auf.In the measuring head 1, the light emerging from the optical fiber 5 is collimated by means of the lens 10 and fed to a free beam splitter 13. The free beam splitter 13 divides the light into a measuring light path 23 and a reference light path 22.
Auf dem Referenzlichtweg 22 wird das Referenzlicht durch eine Linse 12 refokussiert und durch einen Spiegel 14 einer langgestreckten Referenzoptik 15 zugeführt. Die Referenzoptik 15 bildet einen von der Linse 12 erzeugten Fokus auf einen Referenzreflektor 16 ab. Nach Reflexion an dem Referenzreflektor 16 gelangt das Referenzlicht auf demselben Weg wieder zurück zu dem Freistrahlteiler 13. Der Freistrahlteiler 13 sowie die Referenzoptik 15 und der Referenzreflektor 16 sind in einer Strahlteilereinheit 2 des Meßkopfes 1 befestigt.The reference light is refocused on the reference light path 22 by a lens 12 and fed to an elongated reference optics 15 by a mirror 14. The reference optics 15 images a focus generated by the lens 12 onto a reference reflector 16. After reflection at the reference reflector 16, the reference light returns to the free beam splitter 13 in the same way. The free beam splitter 13 and the reference optics 15 and the reference reflector 16 are fastened in a beam splitter unit 2 of the measuring head 1.
Auf dem Meßlichtweg 23 wird das Meßlicht von einer Linse 11 fokussiert und einer Meßoptik 17 zugeführt, die bevorzugt ebenso wie die Referenzoptik 15 des Referenzlichtweges als Staboptik mit einer GRIN-Linse ausgeführt ist. Die Meßoptik 17 ist Teil einer sehr dünnen Meßsonde 3 mit einem Durchmesser von ca. 500 bis 800 μm, die in Bohr- löcher mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm eingeführt werden kann. Auf der von dem Strahlteuer 13 abgewandten Seite der Meßoptik 17 ist in dem Meßlichtweg 23 ein Ablenkelement 18 angeordnet, das einen Meßlichtstrahl 23a auf die zu untersuchenden Oberfläche 19, im gezeigten Ausführungsbeispiel die Innenfläche eines Bohrloches, ablenkt. An einer lichtreflektierenden Stelle 19a der Oberfläche 19 der zu untersuchenden Probe wird das Meßlicht reflektiert und gelangt über das Ablenkelement 18, die Meßoptik 17 und die Linse 11 wieder zurück zu dem Strahlteiler 13, wo es mit dem Referenzlicht, das den Referenzlichtweg durchlaufen hat, zusammengeführt wird.The measuring light is focused on the measuring light path 23 by a lens 11 and fed to a measuring lens 17, which, like the reference lens 15 of the reference light path, is preferably designed as a rod lens with a GRIN lens. The measuring optics 17 is part of a very thin measuring probe 3 with a diameter of approximately 500 to 800 μm, which can be inserted into boreholes with a diameter of less than 1 mm. On the side of the measuring optics 17 facing away from the beam controller 13, a deflection element 18 is arranged in the measuring light path 23, which deflects a measuring light beam 23a onto the surface 19 to be examined, in the exemplary embodiment shown the inner surface of a borehole. At a light-reflecting point 19a of the surface 19 of the sample to be examined, the measurement light is reflected and returns via the deflection element 18, the measurement optics 17 and the lens 11 back to the beam splitter 13, where it is combined with the reference light which has passed through the reference light path becomes.
Die Intensität des von der untersuchten Oberfläche 19 reflektierten Meßlichtes ist je nach Beschaffenheit der Oberfläche großen Schwankungen unterworfen. Die damit verbundenen Probleme bei der Auswertung werden dadurch reduziert, daß bei dem in Fig. 1 gezeigten Niederkohärenz- interferometrischen Gerät der Referenzlichtweg eine konstante Länge hat. Deshalb sind die Intensitätsschwan- kungen des Referenzlichts, dessen Intensität in der Regel deutlich größer als die des Meßlichts ist, minimal.The intensity of the measuring light reflected by the examined surface 19 is subject to large fluctuations depending on the nature of the surface. The problems associated with the evaluation are reduced in that the reference light path has a constant length in the low-coherence interferometric device shown in FIG. 1. The fluctuations in intensity of the reference light, the intensity of which is generally significantly greater than that of the measuring light, are therefore minimal.
Das in dem Strahlteiler 13 aus Meßlicht und Referenzlicht gebildete Detektionslicht wird über die Linse 10 wieder in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelt und der Basiseinheit 4 und damit dem Detektor 35 zugeleitet. Im einfachsten Fall weist der Detektor 35 nur ein einziges Detektor- Element auf, bei dem es sich bevorzugt um eine PIN-Diode handelt .The detection light formed in the beam splitter 13 from measurement light and reference light is coupled back into the optical fiber 5 via the lens 10 and into the base unit 4 and thus fed to the detector 35. In the simplest case, the detector 35 has only a single detector element, which is preferably a PIN diode.
Unterschiedliche Längen des Referenzlichtweges und des Meßlichtweges führen dazu, daß in dem Detektionslicht gewisse Wellenlängenbereiche aus dem Spektrum der Meßlichtquelle 30 durch destruktive Interferenz ausgelöscht sind. In der Basiseinheit 4 ist eine variable Wellenlängenselektionseinrichtung 34 angeordnet, die mit einer Steuer- und Auswerteeinheit 6 verbunden ist. Sie läßt bevorzugt Licht mit Wellenlängen, die einer vorbestimmten Folge von Wellenzahlen entsprechen, passieren. Diese Folge wird unter Kontrolle der Steuer- und Auswerteeinheit 6 so verstellt, daß die Abtastposition, auf die sich das von dem Detektor 35 erfaßte Niederkohärenzsignal bezieht, variiert wird. Nähere Informationen hierzu können der weiter oben zitierten WO 03/073041 AI entnommen werden, deren Inhalt durch Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Stimmt die Abtastposition mit einer lichtreflektierenden Stelle der zu untersuchenden Oberfläche 19 überein, so wird von dem Detektor 35 ein Interferenzsignal erzeugt, das von der Steuer- und Auswerteeinheit 6 registriert wird. Für dieseDifferent lengths of the reference light path and the measurement light path lead to certain wavelength ranges in the detection light being extinguished by destructive interference from the spectrum of the measurement light source 30. A variable wavelength selection device 34 is arranged in the base unit 4 and is connected to a control and evaluation unit 6. It preferably allows light with wavelengths that correspond to a predetermined sequence of wave numbers to pass through. This sequence is adjusted under the control of the control and evaluation unit 6 so that the scanning position to which the low-coherence signal detected by the detector 35 relates is varied. Further information on this can be found in WO 03/073041 AI cited above, the content of which is made the content of the present application by reference. If the scanning position coincides with a light-reflecting point on the surface 19 to be examined, then an interference signal is generated by the detector 35 and is registered by the control and evaluation unit 6. For this
Abtastposition ermittelt die Steuer- und Auswerteeinheit 6 die gewünschte Abstandsinformation.The scanning and evaluation unit 6 determines the desired distance information.
Eine Besonderheit des in Fig. 1 gezeigten Niederkohärenz- interferometrischen Gerätes besteht darin, daß der Meßlichtstrahl 23 von der Meßoptik 17 nicht in einen scharfen Lichtfleck (in der Größenordnung der Lichtwellenlänge) auf der zu untersuchenden Oberfläche 19 fokussiert wird, sondern in einen sich senkrecht zur Oberfläche 19 erstreckenden Fokusbereich 27, in dem sich die Breite des Meßlichtstrahles 23 nur geringfügig ändert. Dies wird, wie erläutert, durch eine Meßoptik 17 erreicht, die eine numerische Apertur von nicht mehr als 0,3, bevorzugt nur 0,05 bis 0,2 hat. Innerhalb des Fokusbereiches 27 wird die Abtastposition unter Kontrolle der Steuer- und Auswerteeinheit 6 längs einer Abtastgeraden 9 innerhalb eines Feinabtastbereiches 29 variiert, der ein Teil des Fokusbereiches ist und beispielsweise eine Länge von 100 μm haben kann (Fig. 2) .A special feature of the low-coherence interferometric device shown in FIG. 1 is that the measuring light beam 23 is not focused by the measuring optics 17 into a sharp light spot (in the order of magnitude of the light wavelength) on the surface 19 to be examined, but rather into a surface perpendicular to it Surface 19 extending focus area 27, in which the width of the Measuring light beam 23 changes only slightly. As explained, this is achieved by measuring optics 17 which have a numerical aperture of not more than 0.3, preferably only 0.05 to 0.2. Within the focus area 27, the scanning position is varied under control of the control and evaluation unit 6 along a scanning line 9 within a fine scanning area 29, which is part of the focus area and can have a length of 100 μm, for example (FIG. 2).
Das Ablenkelement 18 ist, bevorzugt gemeinsam mit der Meßsonde 3, die die Meßoptik 17 enthält, mittels des Antriebs 20 um ihre Längsachse rotierbar, so daß ein ringförmiger Bereich der Innenfläche eines Bohrlochs unter- sucht werden kann. Zum Untersuchen der gesamten Innenfläche des Bohrlochs wird die Meßsonde 3 in Längsrichtung in das Bohrloch hineingeschoben. Bei schrittweiser Bewegung der Meßsonde 3 werden so die Innenflächen in aufeinanderfolgenden ringförmigen Bereichen abgetastet . Bevorzugt wird die Meßsonde 3 stetig bewegt, so daß die nacheinander abgetasteten lichtreflektierenden Stellen der Oberfläche 19 wendeiförmig aneinander angrenzen.The deflection element 18, preferably together with the measuring probe 3, which contains the measuring optics 17, can be rotated about its longitudinal axis by means of the drive 20, so that an annular region of the inner surface of a borehole can be examined. To examine the entire inner surface of the borehole, the measuring probe 3 is pushed into the borehole in the longitudinal direction. With gradual movement of the measuring probe 3, the inner surfaces are scanned in successive annular areas. The measuring probe 3 is preferably moved continuously so that the light-reflecting points of the surface 19 which are scanned one after the other adjoin one another in a helical shape.
Das Ablenkelement 18 ist bevorzugt als Prisma ausgeführt, kann aber beispielsweise auch ein Spiegel sein. Bevorzugt beträgt sein Ablenkwinkel (Winkel α zwischen der Achse der Meßoptik 17 und- der Abtastgeraden 9) 90°, jedoch ist dies nicht zwingend. Auch wenn der Meßlichtstrahl 23 von dem Ablenkelement 18 um weniger oder auch mehr als 90° abgelenkt wird, können Bohrlöcher untersucht werden, sofern die Anordnung so ist, daß durch Rotation der Meßsonde 3 die Innenflächen eines Bohrlochs lückenlos abgetastet werden können. Ein Ablenkwinkel von 90° ist aber vorteilhaft, weil bei senkrechter Reflexion ein maximaler Anteil des Meßlichtes zurück in die Meßsonde 3 reflektiert wird. Bevorzugt ist das Ablenkelement 18 austauschbar. Es kann beispielsweise abnehmbar an der Meßoptik 17 befestigt sein oder eine aus 'Meßoptik 17 und Ablenkelement 18 bestehende Baueinheit kann insgesamt austauschbar sein, so daß die Meßsonde 3 jeweils optimal an das zu untersuchende Objekt (beispielsweise ein Bohrloch oder ein Zahnrad) angepaßt werden kann.The deflection element 18 is preferably designed as a prism, but can also be a mirror, for example. Its deflection angle (angle α between the axis of the measuring optics 17 and the scanning line 9) is preferably 90 °, but this is not mandatory. Even if the measuring light beam 23 is deflected by the deflecting element 18 by less or more than 90 °, boreholes can be examined, provided the arrangement is such that the inner surfaces of a borehole can be scanned without gaps by rotation of the measuring probe 3. A deflection angle of 90 ° is advantageous, however, because in the case of vertical reflection, a maximum proportion of the measuring light is returned to the measuring probe 3 is reflected. The deflection element 18 is preferably interchangeable. It can for example be removably secured to the measuring optical system 17 or consisting of 'measuring optics 17 and deflector 18 assembly as a whole can be interchangeable, so that the measuring probe 3 optimal (for example, a wellbore or a gear) may be respectively adapted to the examined object.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der gesamte Meßkopf 1 mittels einer Mehrachsenaktorik (nicht gezeigt) dreidimensional beweglich, wobei die Bewegung unter Kontrolle der Steuer- und Auswerteeinheit 6 präzise steuerbar ist . Innerhalb des Meßkopfes 1 ist der Abstand der Meßoptik 17 von dem Strahlteiler 13 mittels eines Aktua- tors 21 verstellbar. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, daß die gesamte Strahlteilereinheit 2 relativ zu der Meßsonde 3 verschiebbar ist .In the exemplary embodiment shown, the entire measuring head 1 can be moved three-dimensionally by means of a multi-axis actuator (not shown), the movement being precisely controllable under the control of the control and evaluation unit 6. The distance between the measuring optics 17 and the beam splitter 13 can be adjusted within the measuring head 1 by means of an actuator 21. This is preferably achieved in that the entire beam splitter unit 2 is displaceable relative to the measuring probe 3.
Durch Änderung des Abstandes der Meßoptik 17 von dem Strahlteiler 13 kann die Position des Zentrums F0 desBy changing the distance of the measuring optics 17 from the beam splitter 13, the position of the center F 0 of the
Fokusbereiches 27 in Abtastrichtung so verschoben werden, daß sich die Wände des Bohrlochs innerhalb des Fokusbereichs 27 (bei mittig in dem Bohrloch 36 positionierter Meßsonde 3) befinden. Insbesondere kann die Position des Fokusbereiches 27 an eine Durchmesseränderung des Bohrlochs angepaßt werden, ohne daß ein auf der zu untersuchenden Oberfläche gebildeter Meßlichtfleck lateral verschoben wird.Focus area 27 are shifted in the scanning direction so that the walls of the borehole are within focus area 27 (with probe 3 positioned centrally in borehole 36). In particular, the position of the focus area 27 can be adapted to a change in the diameter of the borehole without a measuring light spot formed on the surface to be examined being laterally displaced.
Bei der beschriebenen Konstruktion wird der Feinabtastbereich 29 gleichgerichtet und synchron koaxial mit dem Fokusbereich verschoben, wobei auch der Betrag der Verschiebung für beide Bereiche gleich ist, also das Zentrum Qo des Feinabtastbereiches während der Verschiebung einen konstanten Abstand zu dem Zentrum F0 des Fokusbereiches hat. Generell ist es vorteilhaft, wenn bei der Abtastungsgrobeinstellung die Verschiebung des Fokusbereiches 27 und die Verschiebung des Feinabtastbereiches 29 gleichgerichtet und synchron stattfindet, wobei eine Verschiebung um gleiche Beträge besonders vorteilhaft ist .In the construction described, the fine-scan area 29 is shifted in the same direction and synchronously coaxially with the focus area, the amount of the shift being the same for both areas, i.e. the center Qo of the fine-scan area during the shift a constant distance from the center F 0 of the focus area Has. In general, it is advantageous if the shifting of the focus area 27 and the shifting of the fine scanning area 29 take place in the same direction and synchronously during the coarse scanning adjustment, a shift by equal amounts being particularly advantageous.
Da der Durchmesser eines zu untersuchenden Bohrlochs in der Regel (zumindest auf 100 μm genau) bekannt ist, kann der Abstand zwischen der Meßoptik 17 und dem Strahlteiler 13 vor dem Einbringen in das Bohrloch so eingestellt werden, daß die Oberfläche in dem Fokusbereich 27 liegt. Beispielsweise kann über eine (nicht gezeigte) Tastatur der Durchmesser des zu untersuchenden Bohrlochs, z.B. 3 mm oder 5 mm, an die Steuer- und Auswerteeinheit 6 übertragen werden.Since the diameter of a borehole to be examined is generally known (at least to an accuracy of 100 μm), the distance between the measuring optics 17 and the beam splitter 13 can be adjusted before being introduced into the borehole so that the surface lies in the focus region 27. For example, the diameter of the borehole to be investigated, e.g. 3 mm or 5 mm, are transmitted to the control and evaluation unit 6.
Bevorzugt wird aber die Position des Fokusbereiches 27 automatisch, im dargestellten Fall durch Änderung des Abstandes zwischen der Meßsonde 3 und der Strahlteilereinheit 2, eingestellt. Dazu verwendet die Steuer- und Auswerteeinheit 6 die bei der Feinabtastung gewonnene Abstandsinformation. Die automatische Positionierung des Fokusbereiches 27 basiert auf einem Zusammenwirken der Feinabtastung und der Abtastungsgrobeinstellung, die anhand von Figur 3 näher erläutert wird.However, the position of the focus area 27 is preferably set automatically, in the illustrated case by changing the distance between the measuring probe 3 and the beam splitter unit 2. For this purpose, the control and evaluation unit 6 uses the distance information obtained during the fine scanning. The automatic positioning of the focus area 27 is based on an interaction of the fine scanning and the rough scanning setting, which is explained in more detail with reference to FIG. 3.
Figur 3 zeigt als stark schematisierte Prinzipskizze die in diesem Zusammenhang wesentlichen Funktionen eines er- findungsgemäßen Gerätes in drei Bewegungsphasen A, B und C. Das Gerät entspricht weitgehend der anhand der Figuren 1 und 2 erläuterten Ausführungsform, wobei jedoch der Meßlichtstrahl 23a ohne Ablenkelement gerade auf die abzutastende Oberfläche 19 gestrahlt wird und die Variation der Longitudinal-Abtastposition durch entsprechende Variation der Position des Ref erenzref lektors 16 bewirkt wird . Die Längen des Abtastbereiches und des Fokusbereiches sind mit q bzw . f bezeichnet und zur besseren Er¬ kennbarkeit stark übertrieben dargestellt . Obwohl die Meßoptik 17 einfachheitshalber als einfache Linse dargestellt ist , handelt es sich selbstverständlich um eine vorzugsweise als Staboptik ausgebildete optische Anordnung mit einer numerischen Apertur von weniger als 0 , 3 .FIG. 3 shows a highly schematic basic sketch of the essential functions of a device according to the invention in three movement phases A, B and C. The device largely corresponds to the embodiment explained with reference to FIGS. 1 and 2, but with the measuring light beam 23a straight without a deflection element the surface 19 to be scanned is blasted and the variation of the longitudinal scanning position by corresponding ones Varying the position of the reference reflector 16 is effected. The lengths of the scanning area and the focus area are q and. f denotes and strongly represented ¬ for better kennbarkeit He exaggerated. Although the measurement optics 17 is shown as a simple lens for the sake of simplicity, it is of course a question of an optical arrangement preferably designed as a rod optics with a numerical aperture of less than 0.3.
Die Teilf igur A zeigt einen Zustand, bei dem das Zentrum F0 des Fokusbereiches 27 mit der lichtref lektierenden Stelle 19a der Oberf läche 19 übereinstimmt . Die Länge des Referenzlichtweges 22 ist so eingestellt , daß die Mitte Qo des Feinmeßbereiches 29 mit F0 übereinstimmt . Dies be- deutet , daß die mit Q0 ' bezeichnete Position des Referenzspiegels 16 so eingestellt ist , daß die optische Weglänge des Referenzl ichtweges 22 ( zwischen Strahlteiler 13 und Ref erenzref lektor 16 ) und die optische Weglänge des Meßlichtweges 23 ( zwischen Ref erenzref lektor 13 und ref lektierender Stelle 19a) übereinstimmt , wenn sich der Referenzspiegel in der mit Q0 ' bezeichneten Lage bef indet . Bei der Feinabtastung wird der Referenzspiegel 16 um ± q/2 oszill ierend bewegt . Entsprechend bewegt sich die Longitudinal -Abtastposition um ± q/2 in dem Feinabtast- bereich 29 .The partial figure A shows a state in which the center F 0 of the focus area 27 coincides with the light-reflecting point 19 a of the surface 19. The length of the reference light path 22 is set so that the center Qo of the fine measuring range 29 corresponds to F 0 . This means that the position of the reference mirror 16, designated Q 0 ', is set such that the optical path length of the reference light path 22 (between beam splitter 13 and reference reflector 16) and the optical path length of the measuring light path 23 (between reference reflector) 13 and the reflecting point 19a) when the reference mirror is in the position designated Q 0 '. During the fine scanning, the reference mirror 16 is moved in an oscillating manner by ± q / 2. Accordingly, the longitudinal scanning position moves by ± q / 2 in the fine scanning area 29.
Die Teilfigur B zeigt eine Bewegungsphase, bei der die Oberfläche 19 gegenüber der Teilfigur A um Δs nach rechts verschoben ist. Da die Feinabtastung sehr schnell ist, wird die neue Position der Oberfläche sofort detektiert. Das entsprechende Referenzsignal wird von dem Detektor erfaßt, wenn sich der Referenzspiegel 16 in der mit Qx ' bezeichneten um Δq verschobenen Position befindet. Die Position des Fokusbereiches 27 ist noch die gleiche wie bei Teilfigur A (Δf = 0) . Die im Rahmen der vorausgehenden Feinabtastung erkannte Verschiebung der Oberfläche 19 wird von der Steuer- und Auswerteeinheit des Gerätes zu einem Steuersignal für den Aktuator 21 verarbeitet, der die erforderliche Abtast- grobanpassung durch entsprechende Verschiebung des Fokus¬ bereiches 27 und des Abtastbereiches 29 (d.h. der Mittelpunkte F0 und Q0 dieser Bereiche) bewirkt. Dadurch werden der Strahlteiler 13 und der Referenzreflektor 16 (bei der dargestellten Ausführungsform auch die Meßoptik 17) um einen Betrag Δf = Δs so verschoben, daß F0 und Q0 wieder in der Longitudinalposition der lichtreflektierenden Stelle liegen (Teilfigur C) . Der Mittelpunkt des Abtastbereiches befindet sich wieder in der ursprünglichen (in Teilfigur A mit Q0 ' bezeichneten) Position (Δq = 0) .The partial figure B shows a movement phase in which the surface 19 is shifted to the right by Δs compared to the partial figure A. Since the fine scanning is very fast, the new position of the surface is detected immediately. The corresponding reference signal is detected by the detector when the reference mirror 16 is in the position labeled Q x 'shifted by Δq. The position of the focus area 27 is still the same as in partial figure A (Δf = 0). The displacement of the surface 19 realized in the context of the foregoing fine scan is processed by the control and evaluation unit of the device into a control signal for the actuator 21 that is, the required sample coarse adjustment by corresponding displacement of the focus ¬ region 27 and the scanning region 29 (which Center points F 0 and Q 0 of these areas). As a result, the beam splitter 13 and the reference reflector 16 (in the embodiment shown also the measuring optics 17) are shifted by an amount Δf = Δs such that F 0 and Q 0 are again in the longitudinal position of the light-reflecting point (sub-figure C). The center of the scanning area is again in the original position (labeled Q 0 'in partial figure A) (Δq = 0).
Für den praktischen Erfolg der Erfindung ist wichtig, daß die Feinabtastung sehr viel schneller stattfindet, als die Abtastgrobeinstellung. Quantitativ kann man sagen, daß die mittlere Abtastgeschwindigkeit der Feinabtastüng vg, die sich aus der Länge q des Abtastbereiches und der Periodendauer T der Feinabtastung berechnen läßt gemäß vq = q/T, mindestens zehn mal so groß ist wie die maximale Geschwindigkeit vf,max der Bewegung des Zentrums F0 des Fokusbereiches bei der Abtastungsgrobeinstellung. Dadurch wird jede Änderung der Position der bei der Feinabtastung erfaßten lichtreflektierenden Stelle sofort detektiert. Dies ermöglicht nicht nur eine schnelle Erfassung auch feiner Oberflächenstrukturen, sondern auch eine praktisch verzögerungsfreie Nachregelung der Posi- tion von F0 und Q0 im Rahmen der Abtastungsgrobeinstellung.It is important for the practical success of the invention that the fine scanning takes place much faster than the coarse scanning. It can be said quantitatively that the average scanning speed of the fine scanning v g , which can be calculated from the length q of the scanning range and the period T of the fine scanning according to v q = q / T, is at least ten times as large as the maximum speed v f , max of the movement of the center F 0 of the focus area in the coarse scanning setting. As a result, any change in the position of the light-reflecting point detected during the fine scanning is immediately detected. This not only enables fast detection of even fine surface structures, but also a practically instantaneous readjustment of the position of F 0 and Q 0 within the scope of the coarse scanning setting.
Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform erfolgt die Abtastungsgrobeinstellung dadurch, daß innerhalb des Meßkopfes 1 eine entsprechende Verschiebung (der Komponenten 13, 16 und 17) stattfindet. Für manche Anwendungszwecke, insbesondere für die Abtastung relativ großer Objekte mit komplizierten Oberflächen ist es vorteilhaft, wenn stattdessen der gesamte Meßkopf 1 präzise kontrolliert dreidimensional bewegt wird. Entsprechende Technologien stehen beispielsweise aus der Robotertechnik zur Verfügung .In the embodiment shown in FIG. 3, the rough adjustment of the scanning takes place in that within the Measuring head 1 a corresponding shift (the components 13, 16 and 17) takes place. For some applications, in particular for the scanning of relatively large objects with complicated surfaces, it is advantageous if instead the entire measuring head 1 is moved three-dimensionally in a precisely controlled manner. Appropriate technologies are available, for example, from robot technology.
Figur 4 veranschaulicht eine Oberflächenprofildetektion einer Oberfläche 19, die eine Stufe aufweist. Zum Abtasten verschiedener lichtreflek ierender Stellen 19a der Oberfläche 19 wird der Meßlichtstrahl 23 lateral in die gezeigten Detektionspositionen A,B und C bewegt. Bei der Detektionsposition A befindet sich das Zentrum F0 desFigure 4 illustrates surface profile detection of a surface 19 having a step. To scan different light-reflecting points 19a of the surface 19, the measuring light beam 23 is moved laterally into the detection positions A, B and C shown. The center F 0 of the is located at the detection position A.
Fokusbereiches 27, das im folgenden als mit dem Zentrum Qo des Feinabtastbereiches übereinstimmend angenommen wird, unterhalb der Oberfläche 19. Von der Steuer- und Auswerteeinheit 6 wird deshalb der Abstand zwischen Q0 und der Oberfläche 19 mit einem negativen Vorzeichen registriert. Anschließend wird der Meßlichtstrahl durch eine Lateralbewegung des Meßkopfes 1 entlang der Oberfläche 19 in die Detektionsposition B bewegt. Bedingt durch die in Figur 2 gezeigte Stufe in dem Profil der Oberflä- ehe 19 befinden sich Q0 und F0 nun oberhalb der Oberfläche 19, so daß der Abstand zwischen dem Zentrum 28 des Fokusbereiches 27 und der lichtreflektierenden Stelle der Oberfläche 19 mit einem positiven Vorzeichen registriert wird.Focus area 27, which in the following is assumed to coincide with the center Qo of the fine scanning area, below the surface 19. The control and evaluation unit 6 therefore registers the distance between Q 0 and the surface 19 with a negative sign. The measuring light beam is then moved into the detection position B by a lateral movement of the measuring head 1 along the surface 19. Due to the step shown in FIG. 2 in the profile of the surface 19, Q 0 and F 0 are now above the surface 19, so that the distance between the center 28 of the focus region 27 and the light-reflecting point on the surface 19 is positive Sign is registered.
Während für die Detektionsposition A der Abstand zwischen dem Zentrum F0 des Fokusbereich.es 27 und der Oberfläche 19 relativ klein ist, ist in der Detektionsposition B der Abstand des Zentrums F0 von der Oberfläche 19 relativ groß. Bei der anschließenden Lateralbewegung in die Detektionsposition C werden deshalb der Fokusbereich 27 und der Feinabtastbereich 29 von der Steuer- und Auswerteeinheit näher zur Oberfläche 19 bewegt. Ein solches Verschieben in Abtastrichtung erfordert eine Bewegung des Meßkopfes 1 oder der Strahlteilereinheit 2 relativ zu der Meßsonde 3. Dies ist wegen der zu bewegenden Masse nur wesentlich langsamer möglich als das Variieren der Abtastposition innerhalb des Fokusbereiches. Deshalb sind Bewegungen des Meßkopfes 1 in Abtastrichtung in der Regel auch langsamer, als dessen gleichmäßige Lateralbewegung entlang der Oberfläche 19. Obwohl von der Steuer- und Auswerteeinheit bereits während der Lateralbewegung des Meßkopfes von der Detektionsposition B zur Detektionsposition C (z.B. durch Betätigen des in Figur 1 gezeigten Aktuators) eine Bewegung des Fokusbereiches 27 in Abtastrichtung gestartet wurde, hat F0 in der Detektionsposition C noch nicht seine optimale Lage nahe der Oberfläche 19 erreicht. Der beim Übergang von der Detektionsposition B in die Detektionsposition C eingeleitete Einstellvorgang der Lage des Fokusbereiches 27 wird deshalb auch beim Übergang in (nicht gezeigte) weitere De- tektionspositionen fortgesetzt, bis der Abstand zwischen F0 und der Oberfläche 19 einen vorgegebenen Schwellenwert nicht mehr überschreitet.While for the detection position A the distance between the center F 0 of the focus area 27 and the surface 19 is relatively small, in the detection position B the distance of the center F 0 from the surface 19 is relatively large. During the subsequent lateral movement into the Detection position C, the focus area 27 and the fine scanning area 29 are therefore moved closer to the surface 19 by the control and evaluation unit. Such a displacement in the scanning direction requires a movement of the measuring head 1 or the beam splitter unit 2 relative to the measuring probe 3. Because of the mass to be moved, this is only possible much more slowly than varying the scanning position within the focus range. Therefore, movements of the measuring head 1 in the scanning direction are generally slower than its uniform lateral movement along the surface 19. Although the control and evaluation unit already during the lateral movement of the measuring head from the detection position B to the detection position C (e.g. by actuating the in FIG 1 actuator) a movement of the focus area 27 in the scanning direction was started, F 0 in the detection position C has not yet reached its optimal position near the surface 19. The adjustment process of the position of the focus area 27 which is initiated during the transition from the detection position B to the detection position C is therefore also continued during the transition into further detection positions (not shown) until the distance between F 0 and the surface 19 no longer exceeds a predetermined threshold value ,
Um möglichst rasch ein Oberflächenprofil einer Oberfläche 19 ermitteln zu können, wird also von der Steuer- und Auswerteeinheit 6 die in einer ersten Detektionsposition beim Abtasten einer ersten lichtreflektierenden Stelle der Oberfläche 19 gewonnene Abstandinformation von der Oberfläche 19 dazu genutzt, bereits während einer Lateralbewegung zu einer zweiten Detektionsposition eine Bewegung des Fokusbereiches 27 in Abtastrichtung zu steuern. Auf diese Weise muß der Fokusbereich 27 nicht für jede Detektionsposition einzeln eingestellt werden. Statt dessen wird der Fokusbereich 27 kontinuierlich unter Be¬ nutzung der für die jeweils vorhergehende Detektionsposition ermittelten Abstandsinformation in Abtastrichtung verschoben. Da sich Oberflächenprofile auf einer Län- genskala von einigen 10 Mikrometern bei konkaven Oberflächen 19 von Bauteilen meist stetig ändern, läßt sich durch die beschriebene Steuerung einer Bewegung des Fokusbereiches 27 die Geschwindigkeit, mit der eine konkave Oberfläche 19 untersucht werden kann, wesentlich erhöhen.In order to be able to determine a surface profile of a surface 19 as quickly as possible, the control and evaluation unit 6 uses the distance information from the surface 19 obtained in a first detection position when scanning a first light-reflecting point on the surface 19, already during a lateral movement to one to control a movement of the focus region 27 in the scanning direction in the second detection position. In this way, the focus area 27 does not have to be set individually for each detection position. Instead of which is shifted the focus area 27 continuously with Be ¬ use of determined for each previous detection position distance information in the scanning direction. Since surface profiles mostly change continuously on a length scale of a few 10 micrometers for concave surfaces 19 of components, the described control of a movement of the focus area 27 allows the speed at which a concave surface 19 can be examined to be significantly increased.
Eine Besonderheit des in Fig. 1 gezeigten interf erometrischen Gerätes besteht darin, daß in dem Meßkopf 1 eine CCD-Kamera 42 angeordnet ist. Mittels dieser CC -Kamera 42 wird ein Bild der zu untersuchenden Oberfläch-e 19 im sichtbaren Spektralbereich erfaßt, während der Detektor 35 bevorzugt für Licht im nahen infraroten Spektralbereich sensitiv ist.A special feature of the interf erometric device shown in FIG. 1 is that a CCD camera 42 is arranged in the measuring head 1. Using this CC camera 42, an image of the surface e 19 to be examined is recorded in the visible spectral range, while the detector 35 is preferably sensitive to light in the near infrared spectral range.
Der Meßkopf 1 enthält eine zweite Lichtquelle 45 zum Erzeugen von sichtbarem Licht für die CCD-Kamera 42. Diese zweite Lichtquelle 46 ist eine Ringleuchte, die um den Meßlichtweg herum angeordnet ist. Von der zweiten Lichtquelle 46 ausgesandtes Licht gelangt durch die Meßoptik 17 zu dem zu untersuchenden Objekt. Das AblenkeLement 18 ist als ein Strahlteiler-Würfel ausgebildet, der an seiner 45° Grenzschicht eine Reflexionsschicht 37 aufweist, die für Licht des nahen infraroten Spektralbereichs reflektierend wirkt und für Licht des sichtbaren Spektral- bereichs durchlässig ist. Folglich wird das in Figur 2 mit dem Pfeil 25 symbolisierte Licht für die CCD-Kamera 42 von ihm nicht abgelenkt, während Licht des nahen infraroten Spektralbereichs von dem Ablenkelement 18 zu der zu untersuchenden Oberfläche abgelenkt wird. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird das von der CCD- Kamera 42 erfaßte Licht des sichtbaren Spektralbereiches vom Grund eines Bohrlochs reflektiert.The measuring head 1 contains a second light source 45 for generating visible light for the CCD camera 42. This second light source 46 is a ring light which is arranged around the measuring light path. Light emitted by the second light source 46 passes through the measuring optics 17 to the object to be examined. The deflecting element 18 is designed as a beam splitter cube which has a reflection layer 37 at its 45 ° boundary layer, which has a reflective effect for light in the near infrared spectral range and is transparent for light in the visible spectral range. Consequently, the light for the CCD camera 42 symbolized by the arrow 25 in FIG. 2 is not deflected by it, while light of the near infrared spectral range is deflected by the deflection element 18 to the surface to be examined. In which In the embodiment shown, the light of the visible spectral range detected by the CCD camera 42 is reflected from the bottom of a borehole.
Das vom Grund des Bohrloches reflektierte sichtbare Licht gelangt durch das Ablenkelement 18 zurück in die Meßoptik 17 und wird über die Linse 11 dem Strahlteiler 13 zugeführt. Dort wird es über eine Linse 40 und einen Spiegel 41 auf eine CCD-Kamera 42 gelenkt. Zur Verbesserung der Bildqualität ist vor der CCD-Kamera 42 ein optisches Filter 44 angeordnet, das Licht aus dem nahen infraroten Spektralbereich abhält. Die CCD-Kamera 42 ist über ein Kabel 45 mit einer Bildverarbeitungseinheit verbunden, die Teil der im Basisteil 4 angeordneten Steuer- und Aus- werteeinheit 6 ist.The visible light reflected from the bottom of the borehole passes through the deflection element 18 back into the measuring optics 17 and is fed to the beam splitter 13 via the lens 11. There it is directed onto a CCD camera 42 via a lens 40 and a mirror 41. To improve the image quality, an optical filter 44 is arranged in front of the CCD camera 42, which prevents light from the near infrared spectral range. The CCD camera 42 is connected via a cable 45 to an image processing unit which is part of the control and evaluation unit 6 arranged in the base part 4.
Mittels der Bildverarbeitungseinheit werden aus dem von der CCD-Kamera 42 erfaßten Bild des Objektes Koordinaten zur Steuerung des Meßkopfes 1 gewonnen, insbesondere der Mittelpunkt eines zu untersuchenden Bohrloches bestimmt. Auf Basis dieser Daten kann die Meßsonde 3 zu diesem Mittelpunkt hingeführt werden. Auf diese Weise ist es leichter und schneller möglich, die Meßsonde 3 in ein Bohrloch einzuführen, da die Gefahr einer Beschädigung des Meßfühlers 3 durch eine Kollision mit dem Objekt vermieden wird.By means of the image processing unit, coordinates for controlling the measuring head 1 are obtained from the image of the object captured by the CCD camera 42, in particular the center of a borehole to be examined is determined. On the basis of this data, the measuring probe 3 can be guided to this center. In this way it is easier and faster possible to insert the measuring probe 3 into a borehole, since the risk of damage to the measuring probe 3 due to a collision with the object is avoided.
Ein weiterer Vorteil der CCD-Kamera 42 liegt darin, daß das von ihr erfaßte Bild dazu genutzt werden kann, eine in der Praxis kaum vermeidbare Exzentrizität der rotierenden Meßsonde 3 zu erfassen und zu kalibrieren. Da das von der CCD-Kamera 42 erfaßte Licht von der Meßoptik 17 abgebildet wird und sichtbares Licht von dem Ablenk.ele- ment 18 allenfalls unwesentlich beeinflußt wird, macht sich eine Exzentrizität der rotierenden Meßsonde 3 darin bemerkbar, daß das sichtbare Licht von der Meßoptik 17 nicht in einen kreisförmigen Bereich, sondern in einen sich zyklisch bewegenden Bereich auf die zu untersuchende Oberfläche 19 abgebildet wird. Mittels der CCD-Kamera 42 kann auf diese Weise eine Exzentrizität der rotierenden Meßsonde 3 erfaßt und beim Ermitteln einer Ortsinformation über die zu untersuchende Oberfläche 19 berücksichtigt werden.Another advantage of the CCD camera 42 lies in the fact that the image captured by it can be used to capture and calibrate an eccentricity of the rotating measuring probe 3 that is hardly avoidable in practice. Since the light detected by the CCD camera 42 is imaged by the measuring optics 17 and visible light is at most insignificantly influenced by the deflecting element 18, an eccentricity of the rotating measuring probe 3 arises therein It is noticeable that the visible light from the measuring optics 17 is not imaged in a circular area, but in a cyclically moving area on the surface 19 to be examined. In this way, the eccentricity of the rotating measuring probe 3 can be detected by means of the CCD camera 42 and taken into account when determining location information about the surface 19 to be examined.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Meßsonde 3. Wie im Vorhergehenden erläutert wurde, sind die wesentlichen Elemente der Meßsonde 3 die Staboptik 17 und das Ablenkelement 18. Bei dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Ablenkelement 18 als Strahltei- 1er ausgeführt, der mit einem im nahen infraroten Spektralbereich wirksamen Spiegel 38 kombiniert ist. Dieser Strahlteiler weist eine Reflexionsschicht 37 auf, die für Licht des nahen infraroten Spektralbereichs halb durchlässig ist. Auf diese Weise wird das aus der Meßoptik 17 austretende Meßlicht 23 in zwei entgegengesetzt verlaufende Teilstrahlen 23b und 23c aufgeteilt, so daß gleichzeitig zwei gegenüberliegende lichtreflektierende Stellen 7, 8 eines Bohrlochs abgetastet werden können.FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a measuring probe 3. As was explained in the foregoing, the essential elements of the measuring probe 3 are the rod optics 17 and the deflecting element 18. In the exemplary embodiment shown in FIG. 5, the deflecting element 18 is designed as a beam splitter that works with a mirror 38 effective in the near infrared spectral range is combined. This beam splitter has a reflection layer 37 which is semi-transparent to light in the near infrared spectral range. In this way, the measuring light 23 emerging from the measuring optics 17 is divided into two opposing partial beams 23b and 23c, so that two opposite light-reflecting points 7, 8 of a borehole can be scanned at the same time.
Mittels des als Strahlteiler ausgebildeten Ablenkelements 18 werden zwei Meßlichtwege geschaffen, die sich geringfügig unterscheiden. Auf einem ersten Meßlichtweg wird der erste Teilstrahl des Meßlichts nämlich sofort von der Reflexionsschicht 37 des Ablenkelements 18 um 90° abge- lenkt und der zu untersuchenden Oberfläche 19 zugeführt. Auf dem zweiten Meßlichtweg tritt der zweite Teilstrahl des Meßlichts zunächst durch die Reflexionsschicht 37 hindurch, wird dann von dem Spiegel 38 reflektiert und nach erneutem Eintritt in den Strahlteiler von der Reflexionsschicht 37 reflektiert und der zweiten lichtreflektierenden Stelle 8 der zu untersuchenden Oberfläche 19 zugeführt. Von der Oberflache 19 reflektiertes Meßlicht gelangt über die beiden beschriebenen Meßlichtwege wieder zurück zu der Meßoptik 17 und von dort zu dem Detektor 35. Der Spiegel 38 ist bevorzugt leicht gewölbt, damit die beiden Fokusbereiche 27 jeweils denselben Abstand zu dem Ablenkelement 18 haben.By means of the deflection element 18 designed as a beam splitter, two measuring light paths are created which differ slightly. On a first measurement light path, the first partial beam of the measurement light is deflected immediately by the reflection layer 37 of the deflection element 18 by 90 ° and supplied to the surface 19 to be examined. On the second measuring light path, the second partial beam of the measuring light first passes through the reflection layer 37, is then reflected by the mirror 38 and, after re-entering the beam splitter, is reflected by the reflection layer 37 and the second light-reflecting point 8 of the surface 19 to be examined. Measuring light reflected from the surface 19 returns via the two measuring light paths described to the measuring optics 17 and from there to the detector 35. The mirror 38 is preferably slightly curved so that the two focus areas 27 are each at the same distance from the deflection element 18.
Der durch die Anordnung des StrahlteiZLers 37 und des Spiegels 38 bedingten Weglängenunterscchied der beiden Meßlichtwege ist aus den Abmessungen cder Meßsonde 3 bekannt . Der übrige Weglängenunterschiecd der beiden Meßlichtwege hängt davon ab, wie genau der Meßfühler 3 im Mittelpunkt des Bohrloches sitzt. Mittels der Steuer- und Auswerteeinheit 6 kann (beispielsweise gemäß derThe path length difference of the two measuring light paths caused by the arrangement of the beam divider 37 and the mirror 38 is known from the dimensions of the measuring probe 3. The remaining path length difference of the two measuring light paths depends on how exactly the sensor 3 sits in the center of the borehole. The control and evaluation unit 6 can (for example according to the
WO 03/073041) für jeden der beiden Me-ßlichtwege und damit für die beiden gegenüberliegenden lic-htreflektierenden Stellen 7, 8 der zu untersuchenden Oberflächen 19 jeweils eine Abstandsinformation gewonnen werden.WO 03/073041), distance information can be obtained for each of the two measurement light paths and thus for the two opposite right-reflecting points 7, 8 of the surfaces 19 to be examined.
Mit der in Figur 5 gezeigten Meßsonde 3 kann folglich nicht nur die Geschwindigkeit erhöht "werden, mit der ein Bohrloch untersucht werden kann, sondern es läßt sich auch unabhängig von der beschriebenen CCD-Kamera 42 eine mechanische Exzentrizität der Meßsonde 3 bestimmen und kompensieren. Wenn sich nämlich der S rahlteiler 37 in einer vom Mittelpunkt des Bohrlochs a_bweichenden Position befindet, ist der Abstand der gegenü erliegenden lichtreflektierenden Stellen 7, 8 der zu untersuchenden Oberflä- ehe 19 zum Strahlteiler 37 unterschiedlich. Dieser Unterschied wird über die in der Steuer- u-nd Auswerteeinheit 6 gewonnene Abstandsinformation ermittelt und kann zum Kompensieren der Exzentrizitäten genutzt werden. Insbesondere läßt sich auf diese Weise die Präzision, mit der ein Durchmesser des Bohrlochs ermittelt werden kann, erhöhen. Bei einer geeigneten Ausgestaltung der Reflexionsschicht 37 ist es möglich, zwei Wellenlängen gleichzeitig zur Niederkohärenz-interferometrischen Abtastung verschiede- ner Oberflächenpunkte zu nutzen. Dazu ist die Reflexionsschicht 37 für Licht eines ersten Wellenlängenbereichs, beispielsweise um 830 nm, halb durchlässig und für Licht eines zweiten Wellenlängenbereiches, beispielsweise um 1.300 nm, durchlässig. In der Steuer- und Auswerteeinheit 6 lassen sich diese beiden Wellenlängenbereiche trennen und daraus verschiedene Niederkohärenz-interferometrische Signale erzeugen und auswerten. Während das Meßlicht im Bereich des ersten Wellenlängenbereichs durch den im vorhergehenden beschriebenen Strahlverlauf eine Information über Wände des Bohrlochs vermittelt, kann mit dem Meßlicht des zweiten Wellenlängenbereichs der Grund eines Bohrlochs untersucht werden. Dabei ist es insbesondere auch möglich, hinter dem ersten Ablenkelement 18 ein weiteres Ablenkelement (nicht gezeigt) anzuordnen, mit dem Licht des zweiten Wellenlängenbereichs um einen Winkel zwischen 0° und fast 180°, bevorzugt 90°, abgelenkt und so ebenfalls zur Untersuchung der Wände des Bohrlochs genutzt werden kann. Auf diese Weise können gleichzeitig benachbarte lichtreflektierende Stellen der Oberfläche 19 untersucht werden.With the measuring probe 3 shown in FIG. 5, not only can the speed at which a borehole be examined be increased, but also a mechanical eccentricity of the measuring probe 3 can be determined and compensated independently of the CCD camera 42 described namely, if the beam splitter 37 is in a position deviating from the center point of the borehole, the distance between the light-reflecting points 7, 8 opposite the surface 19 to be examined and the beam splitter 37 differs. This difference is determined by the control and The distance information obtained is evaluated by the evaluation unit 6 and can be used to compensate for the eccentricities, in particular the precision with which a diameter of the borehole can be determined can be increased in this way. With a suitable configuration of the reflection layer 37, it is possible to use two wavelengths simultaneously for low-coherence interferometric scanning of different surface points. For this purpose, the reflection layer 37 is semitransparent for light of a first wavelength range, for example around 830 nm, and permeable for light of a second wavelength range, for example around 1,300 nm. These two wavelength ranges can be separated in the control and evaluation unit 6 and different low-coherence interferometric signals can be generated and evaluated therefrom. While the measuring light in the region of the first wavelength range conveys information about walls of the borehole through the beam path described above, the bottom of a borehole can be examined with the measuring light of the second wavelength region. It is in particular also possible to arrange a further deflection element (not shown) behind the first deflection element 18, with which the light of the second wavelength range is deflected by an angle between 0 ° and almost 180 °, preferably 90 °, and thus also for examining the walls of the borehole can be used. In this way, adjacent light-reflecting points on the surface 19 can be examined at the same time.
Um die Geschwindigkeit, mit welcher eine Oberfläche 19 untersucht werden kann, weiter zu erhöhen, können - wie in Figur 6 dargestellt - mehrere voneinander beabstandete Meßlichtquellen 30 verwendet werden. Die Meßlichtquellen 30 sind beispielsweise mittels eines parallelen Licht- leitfaser-Arrays entlang einer Linie angeordnet. Über eine rotierende Zusatzoptik 50 werden Meßlichtquellen 30 von der ebenfalls rotierenden Meßoptik 17 stets winkel- richtig auf die Innenfläche eines Bohrlochs übertragen. In dem Basisteil 4 ist für jede einzelne der Meßlichtquellen 30 ein eigener Detektor 35 oder ein Detektorelement eines gemeinsamen Detektors 35 vorgesehen. Auf diese Weise läßt sich bei Verwendung von drei Meßlicht- quellen 30 eine Oberfläche 19 dreimal so schnell untersuchen. Selbstverständlich ist die Anzahl der verwendeten Meßlichtquellen 30 aber nicht notwendigerweise auf drei beschränkt .In order to further increase the speed at which a surface 19 can be examined, a plurality of measuring light sources 30 spaced apart from one another can be used, as shown in FIG. The measurement light sources 30 are arranged along a line, for example by means of a parallel optical fiber array. Via a rotating additional optical system 50, measuring light sources 30 are always transmitted from the likewise rotating optical system 17 at the correct angle to the inner surface of a borehole. A separate detector 35 or a detector element of a common detector 35 is provided in the base part 4 for each of the measurement light sources 30. In this way, when using three measuring light sources 30, a surface 19 can be examined three times as quickly. Of course, the number of measurement light sources 30 used is not necessarily limited to three.
Die Zusatzoptik 50 ist als Prisma mit einer ungeraden Anzahl von Reflexionen, beispielsweise als Dove-Prisma oder ein Schmidt-Pechan-Prisma ausgebildet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Zusatzoptik 50 als kegelstumpffδrmiges Dove-Prisma ausgeführt, das mittels eines Motors 51 um dieselbe geometrische Achse wie die Meßsonde 3 rotierbar ist. Wie man anhand des gezeigten Strahlengangs des Meßlichts durch das Dove-Prisma 50 erkennt, wird von der Linse 11 kommendes Meßlicht bei Eintritt in das Prisma 50 dessen Basisfläche 52 zugeführt und dort reflektiert, so daß es zur Seite 53 austritt. Rotiert das Dove-Prisma 50 um dieselbe Achse wie die Meßoptik 17 der Meßsonde 3 mit der halben Umdrehungsgeschwindigkeit der Meßoptik 17, so werden die entlang einer Linie angeordneten Meßlichtquellen 30 stets winkelrichtig auf die zu untersuchende Oberfläche 19 eines Bohrlochs projiziert. The additional optics 50 is designed as a prism with an odd number of reflections, for example as a Dove prism or a Schmidt-Pechan prism. In the exemplary embodiment shown, the additional optics 50 is designed as a truncated cone-shaped Dove prism, which can be rotated about the same geometric axis as the measuring probe 3 by means of a motor 51. As can be seen from the beam path of the measuring light through the Dove prism 50 shown, measuring light coming from the lens 11 is fed into the prism 50 when it enters the prism 50 and is reflected there so that it emerges to the side 53. If the Dove prism 50 rotates about the same axis as the measuring optics 17 of the measuring probe 3 at half the rotational speed of the measuring optics 17, the measuring light sources 30 arranged along a line are always projected at the correct angle onto the surface 19 of a borehole to be examined.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Meßkopf1 measuring head
2 Strahlteilereinheit2 beam splitter unit
3 Meßsonde 4. Basiseinheit3 measuring probe 4. Base unit
5 Lichtleitfaser5 optical fiber
6 Steuer- und Auswerteeinheit6 control and evaluation unit
7 lichtreflektierende Stelle7 light reflecting point
8 lichtreflektierende Stelle 9 Abtastgerade8 light reflecting point 9 scanning line
10 Linse10 lens
11 Linse11 lens
12 Linse12 lens
13 Strahlteiler 14 Spiegel13 beam splitters 14 mirrors
15 Referenzoptik15 reference optics
16 Referenzreflektor16 reference reflector
17 Meßoptik17 measuring optics
18 Ablenkelement 19 Oberfläche18 deflector 19 surface
19a lichtreflektierende Stelle19a light reflecting point
20 Antrieb20 drive
21 Aktuator21 actuator
22 Referenzlichtweg 23 Meßlichtweg22 Reference light path 23 Measuring light path
23a Meßlichtstrahl23a measuring light beam
24 Referenzpunkt24 reference point
25 CCD-Licht25 CCD light
27 Fokusbereich 28 Zentrum des Fokusbereiches Feinabtastbereich Meßlichtquelle Linse Lichtleitfaser Verzweiger Wellenlängenselektionseinrichtung Detektor Bohrloch Reflexionsschicht Spiegel Linse Spiegel CCD-Kamera Filter Kabel Lichtquelle Zusatzoptik Motor Basisfläche Seite 27 Focus area 28 Center of the focus area Fine scanning range measuring light source lens optical fiber splitter wavelength selection device detector borehole reflection layer mirror lens mirror CCD camera filter cable light source additional optics motor base surface side

Claims

Patentansprüche claims
1. Niederkohärenz-interferometrisches Verfahren zur lichtoptischen Abtastung einer Oberfläche (19) eines Objektes, insbesondere einer gekrümmten Oberfläche, mittels eines auf die Oberfläche gerichteten Meßlichtstrahls (23a) und eines Kurzkohärenz-Interfero- meters, das eine kurzkohärente Meßlichtquelle (30) , einen Referenzreflektor (16) , eine Meßoptik (17) , einen Detektor (35) und eine mit dem Detektor (35) verbundenen Steuer- und Auswerteeinheit (6) umfaßt, bei welchem durch Bewegung des Meßlichtstrahls (23a) relativ zu der Oberfläche unterschiedliche Lateralabtastpositio- nen eingestellt werden, bei denen der Meßlichtstrahl (23a) auf unterschiedliche lichtreflektierende Stellen (19a) der Oberfläche auftrifft, zur Bestimmung einer Abstandsinformation über die jeweils von dem Meßlichtstrahl beleuchtete Stelle (19a) der Oberfläche Longitudinal-Abtastschritte durchgeführt werden, bei denen eine Übereinstimmung einer entlang einer quer zu der Oberfläche verlaufenden Abtastlinie veränderlichen Abtastposition mit der Position einer lichtreflektierenden Stelle (19a) an der Oberfläche (19) des Objektes detektiert wird, wobei das von der Meßlichtquelle (30) ausgehende Licht mittels eines Strahlteilers (13) auf einen Meßlichtweg (23) und einen Referenzlichtweg (21) aufgeteilt wird, - ein erster Teil des Lichtes als fokusierter Meßlichtstrahl (23a) auf das Objekt gestrahlt und an der lichtreflektierenden Stelle (19a) reflektiert wird, ein zweiter Teil des Lichtes als Referenzlicht auf den Referenzreflektor (16) gestrahlt und dort reflektiert wird, und das reflektierte Meßlicht und das reflektierte Referenzlicht an einer Strahlzusammenführung so zusammengeführt werden, daß das resultierende Detek- tionslicht beim Auftreffen auf den Detektor (35) ein Interferenzsignal erzeugt, das eine Information über die Stärke der Reflexion des Meßlichtes in Abhängigkeit von der jeweils eingestellten Longitudinal-Abtastposition enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlichtstrahl (23a) mittels einer Meßoptik (17) , die eine numerische Apertur von nicht mehr als 0,3 hat, in einen sich in Abtastrichtung um einen Zentralpunkt (28) erstreckenden Fokusbereich (27) fokussiert wird, und die Abtastposition unter Kontrolle der Steuer- und Auswerteeinheit (6) entlang der Abtastlinie innerhalb eines Feinabtastbereiches (29) variiert wird, der mindestens teilweise mit dem Fokusbereich (27) übereinstimmt. 1. Low-coherence interferometric method for light-optical scanning of a surface (19) of an object, in particular a curved surface, by means of a measuring light beam (23a) directed at the surface and a short-coherence interferometer, which is a short-coherent measuring light source (30), a reference reflector (16), measuring optics (17), a detector (35) and a control and evaluation unit (6) connected to the detector (35), in which, by moving the measuring light beam (23a) relative to the surface, different lateral scanning positions can be set, in which the measuring light beam (23a) impinges on different light-reflecting points (19a) of the surface, for determining distance information about the point (19a) of the surface illuminated by the measuring light beam, in which longitudinal scanning steps are carried out, in which a correspondence along one one running across the surface n scanning line variable scanning position with the position of a light-reflecting point (19a) on the surface (19) of the object is detected, wherein the light emanating from the measuring light source (30) is divided by means of a beam splitter (13) into a measuring light path (23) and a reference light path (21), - a first part of the light is radiated onto the object as a focused measuring light beam (23a) and on the light-reflecting one Point (19a) is reflected, a second part of the light is radiated as reference light onto the reference reflector (16) and reflected there, and the reflected measurement light and the reflected reference light are brought together at a beam junction in such a way that the resulting detection light strikes when it strikes the detector (35) generates an interference signal which contains information about the strength of the reflection of the measuring light as a function of the respectively set longitudinal scanning position, characterized in that the measuring light beam (23a) by means of measuring optics (17) which have a numerical aperture of not more than 0.3, in the scanning direction by ei NEN central point (28) extending focus area (27) is focused, and the scanning position is controlled under control of the control and evaluation unit (6) along the scanning line within a fine scanning area (29) which at least partially matches the focus area (27).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Änderung der Lateralabtastposition zur Anpassung an die Form der Oberfläche eine Abtastungsgrobeinstellung stattfindet, bei der der Feinabtast- bereich (29) und der Fokusbereich (27) mittels der Steuer- und Auswerteeinheit (6) gleichgerichtet koaxial mit dem Meßlichtstrahl verschoben werden.2. The method according to claim 1, characterized in that when the lateral scanning position is changed to adapt to the shape of the surface, a rough scanning setting takes place, in which the fine scanning area (29) and the focus area (27) by means of the control and evaluation unit (6) rectified coaxial with the measuring light beam.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abtastungsgrobeinstellung das Zentrum (Qo) des Feinabtastbereiches einen konstanten Abstand zu dem Zentrum (F0) des Fokusbereichs (27) hat, vorzugsweise mit dem Zentrum (F0) des Fokusbereichs (27) übereinstimmt .3. The method according to claim 2, characterized in that in the coarse scanning setting the center (Qo) of the fine scanning area has a constant distance from the center (F 0 ) of the focus area (27), preferably with the center (F 0 ) of the focus area (27 ) matches.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abtastungsgrobeinstellung die Position des Fokusbereichs (27) unter Kontrolle der Steuer- und Auswerteeinheit (6) unter Verwendung einer vorgegebenen Sollkurve verschoben wird.4. The method according to any one of claims 2 or 3, characterized in that the position of the focus area (27) is shifted under control of the control and evaluation unit (6) using a predetermined target curve in the coarse scanning.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß von der vorgegebenen Sollkurve abgewichen wird, wenn die Longitudinal-Abtastung ergibt, daß der Ab- stand des Zentrums (F0) des Fokusbereichs (27) von der Oberfläche (19) einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt .5. The method according to claim 4, characterized in that there is a deviation from the predetermined target curve if the longitudinal scanning shows that the distance of the center (F 0 ) of the focus area (27) from the surface (19) has a predetermined limit value exceeds.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abtastungsgrobeinstellung die bei mindestens einem vorausgehenden Longitudinal- Abtastschritt gewonnene Abstandsinformation zum Steuern der Verschiebung des Fokusbereiches (27) genutzt wird. 6. The method according to any one of claims 2 to 5, characterized in that in the coarse scanning setting the distance information obtained in at least one preceding longitudinal scanning step is used to control the displacement of the focus area (27).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßlicht zwischen der Meßoptik (17) und der Oberfläche (19) ein Ablenkelement (18) durchläuft, durch welches es, vorzugsweise um 90°, in Richtung auf die Oberfläche abge1enkt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring light between the measuring optics (17) and the surface (19) passes through a deflecting element (18) by which it is deflected, preferably by 90 °, in the direction of the surface.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkelement (18) ein Prisma ist.Method according to claim 7, characterized in that the deflecting element (18) is a prism.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkelement (18) mittels eines Antriebes (20) rotiert wird, um den Meßlichtstrahl (23a) auf einen ringförmigen Bereich der Ober- fläche (19) der Probe zu richten.9. The method according to any one of claims 7 or 8, characterized in that the deflecting element (18) is rotated by means of a drive (20) in order to direct the measuring light beam (23a) onto an annular region of the surface (19) of the sample ,
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkelement (18) das Meßlicht in zwei Teilstrahlen aufteilt, die in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt werden.10. The method according to any one of claims 7 to 9, characterized in that the deflecting element (18) divides the measuring light into two partial beams which are deflected in opposite directions.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkelement (18) ein Strahlteiler ist.11. The method according to any one of claims 7 to 10, characterized in that the deflecting element (18) is a beam splitter.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß, der Meßlichtstrahl in Teilstrahlen verschiedener Wellenlängenbereiche aufgeteilt wird, die Teilstrahlen verschiedenen lichtreflektierenden Stellen der Oberfläche zugeführt werden, die reflektierten Teilstrahlen gemeinsam mit dem Referenzlicht zusammengeführt werden, und für jeden der verschiedenen Wellenlängenbereiche ein Niederkohärenz-Interferenzsignal erzeugt und von der Steuer- und Auswerteeinheit (6) ausgewertet wird. 12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the measuring light beam is divided into partial beams of different wavelength ranges, the partial beams are supplied to different light-reflecting points on the surface, the reflected partial beams are brought together with the reference light, and a low coherence for each of the different wavelength ranges Interference signal generated and evaluated by the control and evaluation unit (6).
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß, die beiden Teilstrahlen jeweils durch ein Ablenkelement (18) in Richtung auf die Oberfläche (19) abgelenkt werden, vorzugsweise um 90° abgelenkt werden .13. The method according to claim 12, characterized in that the two partial beams are each deflected by a deflecting element (18) in the direction of the surface (19), preferably deflected by 90 °.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektionslicht mit- tels einer variablen Wellenlängenselektionseinrichtung (34) in Abhängigkeit von seiner Wellenlänge derartig selektiert wird, daß zu dem Detektor (35) selektiv bevorzugt Licht mit Wellenlängen gelangt, die einer vorbestimmten Folge von Wellenzahlen ent- sprechen.14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the detection light is selected by means of a variable wavelength selection device (34) in dependence on its wavelength such that the detector (35) selectively preferably receives light with wavelengths that have a predetermined Correspond to sequence of wave numbers.
15. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Kurzkohärenz-Interferometer, das eine kurzkohä- rente Meßlichtquelle (30) , einen Referenzreflektor (16) , einen Strahlteiler (13) , eine Meßoptik (17) , einen Detektor (35) und eine mit dem Detektor (35) verbundenen Steuer- und Auswerteeinheit (6) umfaßt, und einer Steuer- und Auswerteeinheit (6) zur Steuerung der zur Einstellung unterschiedlicher Lateralabtastpositionen erforderlichen Relativbewegung des Meßlichtstrahls relativ zu der Oberfläche und zur Steuerung der Longitudinalabtastung, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßoptik eine numerische Apertur von nicht mehr als 0,3 hat, so daß das Meßlicht in einen sich in Ab- tastrichtung um einen Zentralpunkt (28) erstreckenden Fokusbereich (27) fokussiert wird, und die Steuer- und Auswerteeinheit (6) eine Feinabtastung steuert, bei der die Abtastposition entlang der Abtastlinie innerhalb eines Feinabtastbereiches variiert wird, der ein Teilbereich des Fokusbereiches ist.15. Device for performing the method according to one of the preceding claims with a short-coherence interferometer, the short-coherent measuring light source (30), a reference reflector (16), a beam splitter (13), measuring optics (17), a detector (35 ) and a control and evaluation unit (6) connected to the detector (35), and a control and evaluation unit (6) for controlling the relative movement of the measuring light beam relative to the surface required for setting different lateral scanning positions and for controlling the longitudinal scanning, thereby characterized in that the measuring optics have a numerical aperture of not more than 0.3 so that the measuring light is focused in a focus area (27) extending in the scanning direction around a central point (28), and the control and evaluation unit (6) controls a fine scan, in which the scan position along the scan line is varied within a fine scan area, which is a partial area of the focus area.
16. Gerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßoptik (17) eine Staboptik ist.16. Apparatus according to claim 15, characterized in that the measuring optics (17) is a rod optics.
17. Gerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßoptik (17) eine GRIN-Linse einschließt.17. Apparatus according to claim 16, characterized in that the measuring optics (17) includes a GRIN lens.
18. Gerät nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßoptik (17) eine numerische Apertur von mindestens 0,05 und höchstens 0,2 hat.18. Device according to one of claims 15 to 17, characterized in that the measuring optics (17) has a numerical aperture of at least 0.05 and at most 0.2.
19. Gerät nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtastungsgrobeinstellung der Abstand der Meßoptik (17) von dem Strahlteiler (13) veränderlich ist.19. Device according to one of claims 15 to 18, characterized in that the distance of the measuring optics (17) from the beam splitter (13) is variable for coarse scanning.
20. Gerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (13) und der Referenzreflektor (16) an einer Strahlteilereinheit (2) befestigt sind, die zur Änderung des Abstandes von der Meßoptik (17) relativ zu dieser verschiebbar ist.20. Apparatus according to claim 19, characterized in that the beam splitter (13) and the reference reflector (16) are attached to a beam splitter unit (2) which is displaceable relative to the measuring optics (17) for changing the distance.
21. Gerät nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßoptik (17) in eine dünne Meßsonde, vorzugsweise mit einem Durchmesser von weniger als 3 mm, besonders bevorzugt weniger als 1 mm, integriert ist. 21. Device according to one of claims 15 to 20, characterized in that the measuring optics (17) in a thin measuring probe, preferably with a diameter of less than 3 mm, particularly preferably less than 1 mm, is integrated.
22. Gerät nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (13) , der Referenzreflektor (16) und die Meßoptik (17) in einem relativ zu der Probe beweglichen Meßkopf (1) ange- ordnet sind.22. Device according to one of claims 15 to 21, characterized in that the beam splitter (13), the reference reflector (16) and the measuring optics (17) are arranged in a measuring head (1) movable relative to the sample.
23. Gerät nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinheit (6) einen Motor steuert, mittels dem der Meßkopf (1) relativ zu dem Objekt beweglich ist.23. Device according to one of claims 17 to 22, characterized in that the control and evaluation unit (6) controls a motor by means of which the measuring head (1) is movable relative to the object.
24. Gerät nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (1) eine CCD- Kamera (42) enthält, die ein Bild des Objektes erfaßt, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (6) mittels einer Bildverarbeitungseinheit aus dem Bild Koordinaten zur Steuerung des Meßkopfes (1) ermittelt.24. Device according to one of claims 15 to 23, characterized in that the measuring head (1) contains a CCD camera (42) which detects an image of the object, the control and evaluation unit (6) by means of an image processing unit from the Coordinates for controlling the measuring head (1) are determined.
25. Gerät nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das von der CCD-Kamera (42) erfaßte Bild von der Meßoptik (17) abgebildet wird.25. Apparatus according to claim 24, characterized in that the image captured by the CCD camera (42) is imaged by the measuring optics (17).
26. Gerät nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (35) und die CCD- Kamera (42) in unterschiedlichen spektralen Wellenlängenbereichen sensitiv sind.26. Device according to one of claims 24 or 25, characterized in that the detector (35) and the CCD camera (42) are sensitive in different spectral wavelength ranges.
27. Gerät nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD-Kamera (42) für Licht aus dem sichtbaren Spektralbereich sensitiv ist.27. Apparatus according to claim 26, characterized in that the CCD camera (42) is sensitive to light from the visible spectral range.
28. Gerät nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (35) für Licht aus dem infraroten, insbesondere dem nahen infraroten Spektralbereich sensitiv ist. 28. Device according to one of claims 15 to 27, characterized in that the detector (35) is sensitive to light from the infrared, in particular the near infrared spectral range.
29. Gerät nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Lichtquelle (46) zum Erzeugen des von der CCD-Kamera (42) erfaßten Lichtes vorgesehen ist.29. Device according to one of claims 24 to 28, characterized in that a second light source (46) is provided for generating the light detected by the CCD camera (42).
30. Gerät nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lichtquelle (46) eine Ringleuchte ist, die im Meßkopf (1) um den Meßlichtweg herum angeordnet ist.30. Apparatus according to claim 29, characterized in that the second light source (46) is a ring light which is arranged in the measuring head (1) around the measuring light path.
31. Gerät nach einem der Ansprüche 15 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß es mehrere kurzkohärente Meßlichtquellen (30) aufweist, die Licht zum Erzeugen eines Interferenz-Signals aussenden, wobei eine Zusatzoptik (50) diese Meßlichtquellen (30) über die Meßoptik (17) entlang einer Linie auf die zu untersuchende Oberfläche (19) abbildet.31. Device according to one of claims 15 to 30, characterized in that it has a plurality of short-coherent measuring light sources (30) which emit light for generating an interference signal, with an additional optical system (50) these measuring light sources (30) via the measuring optical system (17 ) along a line on the surface to be examined (19).
32. Gerät nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzoptik (50) ein Prisma mit einer ungeraden Anzahl von Reflexionen, vorzugsweise ein Dove-Prisma oder ein Schmidt-Pechan-Prisma, enthält, das mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit rotierbar ist, die halb so groß, wie die Umdrehungsgeschwindigkeit der Meßoptik (17) ist. 32. Apparatus according to claim 31, characterized in that the additional optics (50) contains a prism with an odd number of reflections, preferably a Dove prism or a Schmidt-Pechan prism, which is rotatable at a rotational speed that is half as much large as the speed of rotation of the measuring optics (17).
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