SE521927C2 - Metod och anordning för interferometrimätning - Google Patents

Description

lO 15 20 25 30 35 i 521) 927 2 partierna bildas där de två reflekterade ljusdelarna interfererar konstruktivt, dvs då de ligger i fas. Detta inträffar då den totala våglängden (från ljuskälla till registrerande medium) för de två ljusdelarna är densamma eller skiljer på ett helt antal våglängder. De mörkaste partierna bildas där de två reflekterade ljusdelarna interfererar destruktivt, dvs då de ligger i motfas.

Detta inträffar då den totala våglängden (frán ljuskälla till registrerande medium) för de två ljusdelarna skiljer på en halv våglängd plus ett helt antal våglängder.

I de fall där det använda ljuset är vitt, dvs då ljuset är sammansatt av ljus med olika våglängd, består interferogrammet av olikfärgade partier. Ljus av en viss våglängd i de två reflekterade ljuskomponenterna kan interferera konstruktivt i samma punkt där ljus av en annan våglängd interfererar destruktivt. På så sätt för- ändras den spektrala fördelningen i det reflekterade ljuset, dvs det reflekterade ljuset har en nyans (domi- nerande våglängd) i motsats till den använda ljuskällan.

Genom att analysera förändringarna över interfero- grammet, i intensitet för monokromatiska interferogram, i nyans och eventuellt också intensitet och mättnad för interferogram upptagna med vita ljuskällor, kan sedan ytans läge och form bestämmas, dock inte alltid entydigt.

Då en monokromatisk ljuskälla används kan ytan för- flyttas i steg om halva våglängder (dvs den totala våg- längden och ljuset förändras i steg om hela våglängder) utan att interferogrammet förändras. Bestämningen av ytans läge är alltså flertydig. Dessutom finns det en tvetydighet i bestämningen av ytans form - en grop i ytan kan ge samma interferogram som en upphöjning i ytan.

Med en ljuskälla som ger vitt ljus kan dessa fler- Dock blir det intervall inom vilket ytans form och läge kan bestämmas mycket litet, och tvetydigheter elimineras. i storleksordningen mikrometer. Utanför detta snäva intervall inträffar så många olika interferenser, båda konstruktiva och destruktiva, att interferogrammet 10 l5 20 25 30 35 521 92fi*ïïfëää 3 blir otydbart pga av låg färgmättnad. För att bestämma en ytas läge och form entydigt krävs att man kalibrerar mät- utrustningen med hjälp av en yta med noggrant känt läge och känd form (exempelvis en sfärisk kula med känd diameter som låses fast i en fast jigg).

Det finns ett antal viktiga tekniska tillämpningar för mätning av läge och form inom ett mycket snävt intervall. Med en monokromatisk ljuskälla kan man därvid eliminera tvetydigheter i bestämningen av ytans form genom att ta upp flera (minst tre) interferogram av samma yta med olika förskjutning av de två ljusdelarna (exem- pelvis kan en halvgenomskinlig spegel förflyttas, se fig 2). Detta kallas phase-stepping interferometri.

De finns två varianter av phase stepping interfe- rometri. I den ena varianten, temporal phase stepping, genereras interferogrammen efter varandra och förutsätts alltså att ytans läge och form inte förändras under den tid det tar att ta upp alla nödvändiga interferogram. I den andra varianten, vanligen kallad spatial phase stepping, genereras de olika interferogrammen samtidigt.

Detta kan ske på ett flertal olika sätt, exempelvis genom att ljus med olika polarisationsvinkel används.

Mätutrustningen blir på det sättet mer omfattande (bl a måste tre kameror användas istället för en) men ytan tillåts ändra form, vilket i många viktiga tillämpningar är nödvändigt.

Mot ovanstående bakgrund är ändamålet med uppfin- ningen att undanröja de nackdelar som är förknippade med den kända tekniken och speciellt med de båda kända phase- steppinglösningarna, eftersom dessa lösningar i övrigt är mycket fördelaktiga.

Enligt uppfinningen uppnås detta ändamål vid ett sätt av inledningsvis nämnd typ genom att den utsända vågrörelsen innefattar vågor med tre väldefinierade våg- längder vl, v2 och V3, där vl : V2 : V3, vilka våglängder är så valda att de väsentligen uppfyller det inbördes sambandet 10 15 20 25 30 35 521 927 vl = (V2 - V3)/(2 - V3-V2) och i mottagaren ger upphov till var sitt interferogram.

Enligt sättet åstadkommes således phase stepping genom att den utsända vågrörelsen innefattar vågor med tre olika men till varandra anpassade våglängder.

Eftersom dessa tre våglängder är möjliga att åstadkomma med enklare medel än exempelvis det ovan nämnda ljuset med olika polarisationsvinkel och tack vare att det inbördes sambandet är betydligt enklare att hantera och dessutom ger upphov till samtidiga interferogram, inses det att sättet enligt uppfinningen löser de problem som tidigare var förknippade med phase stepping. Det inses också att uppfinningen mycket väl är användbar för andra typer av vågrörelser än de optiska vågrörelser man nor- malt förknippar med phase stepping. Slutligen inses det att ett motsvarande samband också kan ges för någon av de andra våglängderna uttryckt i de två övriga våglängderna.

Mera konkret och tillämpat på optiska våglängder registrerar följaktligen mottagaren eller det registre- rande mediet (färgfilm eller färgvideo) enligt uppfin- ningen samtidigt tre olika interferogram, ett för varje våglängd. Differensen i total våglängd mellan de två ljusdelarna (den ljusdel som reflekteras mot referensytan respektive den som reflekteras mot den yta vars läge och form ska bestämmas) räknat i våglängder blir då olika för olika våglängder och fasförskjutningen mellan de två komponenterna blir därmed olika i de tre olika interfe- rogrammen. Därmed har en form av phase stepping interfe- rometri uppnåtts. Det speciella sambandet mellan de olika våglängderna som krävs enligt uppfinningen möjliggör därvid att ytans läge och form kan bestämmas ur de tre interferogrammen även vid relativt stora variationer hos ytan.

Vid sättet enligt uppfinningen används antingen elektromagnetiska vågor eller mekaniska vågor. De förra 10 15 20 25 30 35 521 927 5 är företrädesvis ljusvågor, som ligger inom området för synligt ljus. Speciellt har ljusvågorna därvid våg- [lambda]R, [lambda]G respektive [lambda]B, där R, G respektive B står för nyanserna röd, grön respektive längderna blå, eftersom dessa nyanser lämpar sig för mottagare i form av en vanlig fotografisk film eller en videokamera.

Alternativt kan dock de elektromagnetiska vågorna också vara radio- eller röntgenvågor om det bedöms vara till fördel vid ett särskilt mättillfälle.

Till de mekaniska vågorna räknas i detta sammanhang i första hand ljudvågor (akustiska vågor). Dessa kan i beroende på sin våglängd ge olika inträngningsdjup vid olika våglängder och är speciellt även användbara för icke transparenta mätobjekt.

Förutom sättet avser föreliggande uppfinning även en anordning av inledningsvis nämnd typ, vilken är avsedd speciellt för tillämpning av sättet i samband med ljus.

Vid anordningen enligt uppfinningen är närmare bestämt ljuskällan inrättad att samtidigt avge ljus med tre väl- definierade våglängder vl, v2 och v3, där vl : V2 # V3, vilka våglängder är så valda att de väsentligen uppfyller det inbördes sambandet vl = (V2 - V3)/(2 - V3-V2) och i mottagaren ger upphov till var sitt interferogram.

En på så sätt utformad anordning är mycket enkel till sin konstruktion jämfört med de ovan nämnda lös- ningarna för phase stepping interferometri men utgör ändå en praktiskt mycket väl fungerande enhet.

Detta gäller speciellt om ljuskällan innefattar en lampa för avgivning av vitt ljus, en ljusdelare för uppdelning av ljuset från lampan i tre delar samt ett interferensfilter för varje sådan del, varvid inter- ferensfiltren är inrättade att låta ljus med var sin av de tre väldefinierade våglängderna vl, V2 och v3 passera.

Uppfinningen gör det i denna utföringsform alltså möjligt 10 l5 20 25 30 35 521 927 6 att bestämma en ytas form även ur interferogram som fram- tagits med hjälp av en ljuskälla som ger vitt ljus. Den väsentliga fördelen med detta är att inget kalibrerings- förfarande, som inbegriper en känd yta, är nödvändigt.

Dessutom elimineras problemet med färgmättnad utanför ett snävt intervall och ytans form kan därför tillåtas variera inom ett större intervall än tidigare.

Uppfinningen beskrivs närmare i det följande under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: fig l, som redan nämnts, schematiskt visar en tradi- tionell anordning för interferometrimätning, fig 2, som också nämnts i det föregående, schema- tiskt visar en anordning för interferometrimätning med hjälp av phase stepping, och fig 3 schematiskt visar en anordning för interfero- metrimätning i enlighet med en utföringsform av uppfin- ningen.

I fig 1, som nämnts inledningsvis, åskådliggör I0 ljus som snett uppifrån infaller mot en halvgenomskinlig spegel, som bildar en referensyta l. En första del Il av ljuset reflekteras därvid och fångas upp av en i fig l ej visad mottagare. En andra del I2 av ljuset passerar genom spegeln och reflekteras mot ett mätobjekt 2, vars yta ska bestämmas. Det från mätobjektet 2 reflekterade ljuset I2 passerar åter spegeln och fångas även det upp av mot- tagaren. På denna bildas då ett interferogram, vars ut- seende är beroende av framför allt avståndet d mellan referensytan 1 och mätobjektets 2 yta.

I fig 2, som också nämnts inledningsvis, används en anordning motsvarande den i fig 1, med vilken den även delar hänvisningsbeteckningarna. Anordningen i fig 2 är avsedd att arbeta med nämnda phase-stepping interfero- metri, närmare bestämt med den variant som är känd som temporal phase stepping. Vid denna variant görs tre i tiden t på varandra följande mätningar, mellan vilka referensytan l förflyttas gentemot mätobjektet 2 så att avståndet d mellan dessa förändras. Vid tidpunkten tl kan 10 15 20 25 30 35 5215927 7 då exempelvis avståndet vara d, vid tidpunkten tg exem- pelvis vara d + A och vid tidpunkten t3 exempelvis vara d + 2A.

I fig 3 visas en anordning enligt uppfinningen, var- vid mot de tidigare figurerna svarande hänvisningsbeteck- ningar används. Skillnaden mot de tidigare visade anord- ningarna består dels i att ljuskällan 3 är uppbyggd på ett speciellt sätt, dels i att mottagaren 4 åskàdliggöres åtminstone schematiskt. Ljuskällan 3 enligt den visade utföringsformen av uppfinningen innefattar en lampa 5, som är inrättad att avge vitt ljus och följaktligen kan vara av mycket enkelt slag. Lampan belyser en ljusdelare 6, som är inrättad att uppdela ljuset från lampan 5 i tre delar. Dessa tre delar får sedan passera genom likaledes till ljuskällan hörande interferensfilter 7, som omvand- lar ljuset till ljus med tre olika våglängder [lambda]R, [lambda]G och [lambda]B, där suffixen R, G respektive B står för nyanserna röd, grön respektive blå. Detta ljus I0 träffar sedan efter reflektering mot referensytan 1 respektive efter passage genom denna och reflektering mot mätobjektets 2 yta och förnyad passage genom referensytan l mottagaren 4. På denna mottagare bildas då tre olika interferogram, ett för varje våglängd, och kan således även mycket besvärliga ytor på mätföremàl 2 bestämmas utan någon som helst förändring av avståndet d mellan referensytan l och mätobjektet 2.

Fackmannen inser att uppfinningen kan användas även för att bestämma tjockleken för ett skikt mellan en refe- rensyta och ett mätobjekt. Som exempel kan nämnas ett smörjmedelsskikt mellan samverkande maskinelement, som i rullager och kuggväxlar. I sådana kan pga att maskinele- mentens samverkande ytor är av icke komform natur mycket Detta får som konsekvens att ytorna genomgår elastisk deformation. höga kontakttryck (i GPa-området) förekomma.

I detta speciella sammanhang är den tunna smörjfilm som separerar ytorna från varandra den parameter man öns- kar mäta, eftersom det är den som till stor del är av- 10 l5 20 521 927 8 görande för de samverkande maskinelementens livslängd. I exempelvis fallet med rullager utförs mätning av smörj- filmen med hjälp av en mätanordning, i vilken rullelemen- tet (t ex en stålkula) är av orginalutförande, medan lagerhuset är utbytt mot en safirglasskiva, vilken på undersidan har beklätts med ett mycket tunt kromskikt.

Här utgör kromskiktet referensytan och rullelementet mät- objektet och representeras den sökta skikttjockleken av det enligt uppfinningen mätbara avståndet mellan dessa.

Fackmannen inser dessutom att referensytan även kan vara bildad av ett filmskikt, som i någon form är direkt applicerat på ett mätobjekt, så att en första del av en vågrörelse reflekteras av detta skikt, medan en andra del av vågrörelsen reflekteras av mätobjektet.

Slutligen är det också uppenbart att det vid dyna- miska förhållanden är möjligt att genom upprepad samtidig utsändning av enligt uppfinningen i våglängdsomràden upp- delade vågrörelser åstadkomma tidsupplöst mätning samt att det vid statiska förhållanden är möjligt att (precis som vid den kända temporal phase stepping interfero- metrin) tidsmässigt dela upp utsändningen av den enligt uppfinningen i vàglängdsområden uppdelade vågrörelsen.

Claims (12)

10 15 20 25 30 35 521 927 íÉïlïÉë ”' 9 PATENTKRAV

1. l. Sätt för interferometrimätning, vilket sätt inne- fattar utsändning av en vågrörelse mot en referensyta (1) och mot ett mätobjekt (2), vilka reflekterar var sin del av den utsända vågrörelsen, samt mottagning av de båda reflekterade vågrörelsedelarna medelst en och samma mot- tagare (4), i vilken av vàgrörelsedelarna en representa- tion av mätobjektet (2) bildas i form av ett interfe- med hjälp av vilket mätobjektets (2) bestämmes, rogram, form k ä n n e t e c k n a t av att den utsända vågrörelsen innefattar vågor med tre väldefinierade våg- längder vl, V2 och v3, där vl = V2 : V3, vilka våglängder är så valda att de väsentligen uppfyller det inbördes sambandet vl = (v2- v3)/(2 ~ V3-V2) och i mottagaren (4) ger upphov till var sitt inter- ferogram.

2. Sätt enligt krav l, att vågrörelsens vågor är elektromagnetiska vågor.

3. Sätt enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av k ä n n e t e c k n a t av att de elektromagnetiska vågorna är ljusvågor.

4. Sätt enligt krav 3, att ljusvàgorna ligger inom området för synligt ljus.

5. Sätt enligt krav 4, att ljusvågorna har våglängderna [lambda]R, k ä n n e t e c k n a t av k ä n n e t e c k n a t av [lambda]G respektive [lambda]B, där R, G respektive B står för nyanserna röd, grön respektive blå.

6. Sätt enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att de elektromagnetiska vågorna är radiovågor.

7. Sätt enligt krav 2, att de elektromagnetiska vågorna är röntgenvågor.

8. Sätt enligt krav l, att vågrörelsens vågor är mekaniska vågor. k ä n n e t e c k n a t av k ä n n e t e c k n a t av 10 l5 20 25 30 521i927 10

9. Sätt enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a t av att de mekaniska vågorna är ljudvågor.

10. Sätt enligt något av kraven 1-9, t e c k n a t k ä n n e - av flera vågrörelser utsänds med mellan- liggande cidsintërvaii.

11. ll. Anordning för interferometrimätning, vilken anordning innefattar en ljuskälla (3), en referensyta (1) för reflektering av en första del av ljuset från ljus- källan (3), ett mätobjekt (2), för reflek- tering av en andra del av nämnda ljus och en mottagare (4) för mottagning av de båda ljusdelarna, varvid i mot- tagaren en representation av mätobjektet bildas i form av ett interferogram med hjälp av vilket mätobjektets (2) såsom en yta, form är bestämbar, k ä n n e t e c k n a d av att ljuskällan (3) är inrättad att samtidigt avge ljus med tre väldefinierade våglängder vl, V2 och V3, där vl : v2 : v3, vilka våglängder är så valda att de väsentligen uppfyller det inbördes sambandet vl = (V2 ~ V3)/(2 - V3-v2) och i mottagaren (4) ger upphov till var sitt inter- ferogram.

12. Anordning enligt krav ll, k ä n n e t e c k - n a d av att ljuskällan (3) innefattar en lampa (5) för avgivning av vitt ljus, en ljusdelare (6) för uppdelning av ljuset från lampan (5) i tre delar samt ett inter- ferensfilter (7) varvid interferens- för varje sådan del, filtren (7) är inrättade att låta ljus med var sin av de tre väldefinierade våglängderna vl, V2 och V3 passera.