WO2004065897A2 - Interferometrische messvorrichtung - Google Patents

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WO2004065897A2
WO2004065897A2 PCT/DE2004/000065 DE2004000065W WO2004065897A2 WO 2004065897 A2 WO2004065897 A2 WO 2004065897A2 DE 2004000065 W DE2004000065 W DE 2004000065W WO 2004065897 A2 WO2004065897 A2 WO 2004065897A2
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interferometric measuring
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optical element
light path
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Michael Lindner
Vincent Thominet
Bernd Schmidtke
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Robert Bosch Gmbh
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    • G02B26/06—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the phase of light

Definitions

  • the invention relates to an interferometric measuring device, in particular for measuring the shape of a surface of an object, with a radiation source emitting a short-coherent electromagnetic radiation, a component, in particular a beam splitter, for forming an object beam guided to the object via an object light path and one via a reference light path to one Reference plane guided reference beam, and a recording element with which an electromagnetic radiation reflected by the object and the reference plane and brought to interference can be recorded.
  • a radiation source emitting a short-coherent electromagnetic radiation
  • a component in particular a beam splitter
  • Such an interferometric measuring device which is known as a white light interferometer, offers an interferometric measuring method established under the term white light interferometry, in which a short-coherent light source is generally used together with a Michelson interferometer.
  • white light interferometry in which a short-coherent light source is generally used together with a Michelson interferometer.
  • Michelson interferometer For example, see T. Dresel, G. Häusler and H. Venzke, Applied Optics Vol 31 (1 992), page 91 9, or P. de Groot and L. Deck, "Surface profiling by analysis of white-light interferograms in the spatial frequency domain ", Journal of Modern Optics, vol. 42, (1 995), pages 389 to 501.
  • the object is imaged on a CCD camera via a lens and overlaid by a flat reference wave.
  • a depth scan of the object surface in the z direction can be carried out as a scan of the reference mirror or the object.
  • the image plane of the lens and the reference plane are in the same plane, i.e. the object is only moved in the depth axis relative to the reference plane.
  • the reference mirror is scanned, only the reference mirror is moved, i.e. the object remains stationary to the lens. With this procedure, the depth measurement range is limited by the depth of field of the lens.
  • a white light inferometer with an intermediate image of the object in the reference light path is known from DE 1 99 48 813 A1.
  • the depth scan can be implemented as a scan of the reference or as an intermediate image scan according to DE 1 01 1 5 524 A1.
  • the reference mirror is scanned, the reference mirror moved, ie the object remains stationary to the lens.
  • the depth measurement range is limited by the depth of field of the lens.
  • DE 1 01 31 778 A1 describes a white light interferometer with an all-round optical system, i.e. lens optics shown that can take a 360 ° image of an almost radially symmetrical object area.
  • a depth scan can be implemented as a scan of the reference or as an intermediate image scan according to DE 1 01 1 5 524 A1.
  • the reference mirror is also moved here, i.e. the object remains still to the lens.
  • the depth measurement range is also limited by the depth of field of the lens.
  • White light interferometers are also known in which a CCD camera can be moved relative to the eyepiece lens by means of a linear displacement table. As a result, a correction of the focusing can be set for different objects or object areas if the object lies entirely or partially outside the depth of field of the lens.
  • this solution is comparatively complex in terms of equipment and also inflexible when adjusting the focus.
  • the training consists in that at least one adaptive optical element is provided, with the aid of which the imaging of the object on the recording element and / or the wavefront of the reference beam and / or the optical path length in the reference light path and / or the object light path can be influenced.
  • the object can advantageously remain immovable to the lens optics during a depth scan.
  • the object can again be imaged sharply by means of the adaptive optical element as the recording element of the CCD camera.
  • the object can be rigid or is preferred to the lens optics during the measurement.
  • Another advantage is that even when using different lenses and endoscopes with different fields of view and imaging properties, the different objects can always be imaged sharply on the recording element by appropriate settings of the adaptive optical element. As a result, many different measurement tasks can be solved with an interferometer platform.
  • the necessary speed of the focusing adjustment can be much greater than that of the depth scan. This requirement is much easier to implement using an adaptive optical element than, for example, using a movable camera.
  • an adaptive optical element has the advantage that aberrations of the optics such as endoscopes, micro-objectives or all-round optics can be corrected particularly easily.
  • adaptive optical elements can be used to generate different image planes together with lens optics. As a result, different depth ranges of the object can be imaged almost simultaneously.
  • the reference arm then preferably has a plurality of reference planes.
  • 1 is a schematic representation of essential elements of the basic structure of a white light interferometer with an adaptive optical element, a reference plane being adjusted for scanning in the depth direction,
  • FIG. 2 an interferometer according to FIG. 1 with the difference that the reference light path for scanning is changed by means of an acousto-optical modulator
  • FIG. 3 shows a white light interferometer with an adaptive optical element with which an inclined object surface is scanned by means of intermediate imaging
  • FIG. 4 a white light interferometer with an adaptive optical element and an all-round optical system
  • FIG. 5 shows a white light interferometer with an adaptive optical element, which has a modulation interferometer and an object interferometer,
  • 6A and 6B show two further exemplary embodiments of a white light interferometer with an adaptive optical element, which have a modulation interferometer and an object interferometer, the coupling of which is realized via free-beam optics or fiber optics,
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of a white light interferometer with adaptive optical elements, in which an all-round optical system and an intermediate image are provided,
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of a white light interferometer with adoptive optical elements, with which object surfaces can be scanned at different distances
  • Fig. 1 another embodiment of a lens with variable focal length
  • Fig. 1 2A and 1 2B two embodiments of adaptive optical elements in the form of an auto focus lens and an electrical zoom lens and
  • Fig. 1 3 an adaptive optical element constructed from rotatable glass plates.
  • the interferometric measuring devices shown in the figures and the measuring method carried out with them are fundamentally based on white light interferometry, with a short-coherent light source being used.
  • the electromagnetic radiation in the form of light is divided into an object light path OL and a reference light path RL via a beam splitter ST and directed to an object O to be measured, in particular with regard to its surface, on the one hand and a reference R on the other hand.
  • the light reflected back from the object O and the reference R is superimposed at a point on the common light path and guided to an image sensor BA or recording element of a camera K.
  • object O is Jective optics OB, 00 and an eyepiece optics OK mapped onto the recording element BA of the camera K.
  • the object O remains motionless relative to the objective OB or an object-side optic OO.
  • the depth scan is carried out, for example, by a scan of a reference mirror forming the reference plane R or by acousto-optical modulators AOM and can also be carried out in a separate modulation interferometer MI.
  • the reference plane R traverses the depth range of the objective O to be measured.
  • the objective optics OB, OO have a given depth of field for this purpose.
  • the depth range to be measured is greater than the depth of field range, refocusing is carried out using an adaptive active optical element AOE.
  • the measurable depth range is therefore independent of the depth of field.
  • Adaptive optical elements can be implemented using active spatial light modulators such as liquid crystal displays, deformable mirror elements (magneto-optic devices), or so-called multiple quantum wells (semiconductor heterostructures).
  • active spatial light modulators such as liquid crystal displays, deformable mirror elements (magneto-optic devices), or so-called multiple quantum wells (semiconductor heterostructures).
  • lenses VL with a variable focus are also suitable, which consist of two immiscible liquids 2, 3 and are controlled by a voltage, or have two glass plates DG 1, DG2 rotating against one another.
  • the interferometer can be implemented differently depending on the measurement task, for example as a Michelson interferometer with scan of the reference R or by means of acousto-optical modulators AOM, as an interferometer with an intermediate image ZB of the object in the object light path OL, as an interferometer with all-round optics RO for recording a 360 ° object area or as an interferometer with a modulation interferometer MI and an object interferometer Ol, whereby the object interferometer Ol can be designed as a Michelson interferometer or as a common path interferometer and contain optics for generating an intermediate image ZB or all-round optics RO can.
  • the modulation interferometer MI and the object interferometer Ol can be connected via free-beam optics or via fiber optics FO.
  • the white light interferometer shown in FIG. 1 has a light source LQ for emitting short-coherent light (coherence length, for example between a few ⁇ m and a few hundred ⁇ m) via a transmission optics SO onto the beam splitter ST, with which the light in the reference light path RL formed by a reference arm and the object light path OL formed with an object arm is divided and directed on the one hand to the reference plane R, for example a mirror, and on the other hand to the surface of the object O.
  • a light source LQ for emitting short-coherent light (coherence length, for example between a few ⁇ m and a few hundred ⁇ m) via a transmission optics SO onto the beam splitter ST, with which the light in the reference light path RL formed by a reference arm and the object light path OL formed with an object arm is divided and directed on the one hand to the reference plane R, for example a mirror, and on the other hand to the surface of the object O.
  • the light reflected by the reference plane R and the object plane O is superimposed, for example, on the beam splitter ST or in the further course of the light path leading to the image sensor BA and analyzed and processed in the camera K or, if appropriate, an evaluation device AE connected or integrated therein, in order to determine the Evaluate measurement data of the object surface, for example with regard to roughness or shape.
  • the adaptive optical element AOE is here between the image located BA and an upstream eyepiece OK, so that the adaptive optical element AOE ensures a sharp image, even if the scanning area lying in the depth direction (z direction) exceeds the depth of field of the objective optics OB, OO.
  • the depth scanning is carried out by moving the reference R in the depth direction T in accordance with the arrow.
  • various positions 1, 2, 3 are shown in the area of the receiving optics EO, in which the adaptive optical element AOE can alternatively be arranged or additional adaptive optical elements AOE can be located.
  • an acousto-optical modulator AOM is introduced into the reference light path RL, with which the length of the reference light path RL can be changed alternatively or in addition to the movement of the reference R for the depth scan T.
  • the Fig. 3 and 4 show exemplary embodiments of the white light interferometer in which one or more intermediate images ZB are generated in the object light path OL. These intermediate images can also be used to scan a relatively large surface area, for example in narrow, deep cavities, with the additional advantage that an obliquely lying or differently shaped surface can first be imaged and then the flat intermediate image ZB can be scanned relatively easily.
  • the above-mentioned all-round optical system RS is provided in the object light path OL for detecting a region of the object surface that runs around 360 °.
  • one or more acousto-optical elements AOE can be used to improve the image on the image sensor BA and to carry out a more precise measurement, as explained in the above considerations.
  • 6A and 6B show different exemplary embodiments of the white light interferometer with a modulation interferometer MI and an object interferometer Ol, according to FIGS. 5 and 6A the light coupling between the two partial interferometers via free beam optics and in the exemplary embodiment according to FIG. 6B via fiber optics FO takes place.
  • the reference light path is formed in the object arm, resulting in the aforementioned common path arrangement.
  • the modulation interferometer M1 an optical path difference of the light which is guided with the beam splitter MST of the modulation interferometer MI into the two interferometer arms and is reflected therein by means of the reflecting elements MS 1, MS2 is generated, which is greater than the coherence length.
  • the reference light path RL and the object light path OL are designed such that the optical path difference generated in the modulation interferometer MI is reset and interfering light is obtained for the evaluation.
  • the depth scanning is carried out here, for example, by moving the reflecting optical element MS2 in the modulation interferometer MI. More detailed information on one of the like structure are made, for example, in the aforementioned DE 1 01 31 778 A1 and DE 100 47 495 A1.
  • the at least one adaptive optical element AOE introduced improves the imaging properties and, consequently, signal evaluation in the manner explained above.
  • an active optical element AOE is arranged in an all-round optics in front of the surface of the object O and is designed, for example, as an adaptable lens element. At least one intermediate image ZB is generated in the object light path OL. In this way, adaptation to different object surfaces is possible.
  • a corresponding adaptive optical element AOE is also arranged in the reference light path RL and the reference is shaped similarly to the object surface.
  • an active optical element is also arranged in the light path leading to the image sensor BA.
  • an adaptive optical element AOE is arranged in the object light path OL, with which a change in the focal length for adjustment to two surface areas of the object O lying at different depths is made possible.
  • an adaptive optical element AOE is also arranged in a corresponding manner in this.
  • FIG. 9 and 10 show two exemplary embodiments of an adaptive optical element AOE in the form of a lens with a variable focal length, with an adaptation to different distances according to FIG. 9 and an adaptation to FIG. 10 Different opening angles occur and accordingly two different lens elements are controlled.
  • an active optical element is also a lens with a variable focal length, in which two immiscible liquids 2, 3 are contained, which are externally via a cover 1 made of glass or plastic and a Seal 4 are completed and can be controlled via a voltage to change the focal length.
  • FIG. 1 2A and 1 2B show exemplary embodiments of an adaptive optical element AOE which are arranged in the head of a camera K, FIG. 1 2A showing an electrically controllable autofocus lens and FIG. 1 2B showing an electrically controllable zoon lens ,
  • the subsequent image sensor BA can e.g. be carried out in CCD technology or CMOS technology.
  • an active optical element AOE shown in FIG. 1 this is formed from two glass plates DG 1, DG2 which can be rotated relative to one another.

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Abstract

Es wird eine interferometrische Messvorrichtung, insbesondere zur Formver­messung einer Oberfläche eines Objektes (O) vorgeschlagen. Diese weist eine kurzkohärente elektromagnetische Strahlung abgebende Strahlungsquelle (LQ), ein Bauelement, insbesondere einen Strahlteiler (ST), zum Bilden eines über einen Objektlichtweg (OL) zu dem Objekt (O) geleiteten Objektstrahls und eines über einen Referenzlichtweg (RL) zu einer Referenzebene (R) geleiteten Refe­renzstrahls, und ein Aufnahmeelement (BA), mit dem eine von dem Objekt (O) und der Referenzebene (R) zurückgeworfene und zur Interferenz gebrachte elek­tromagnetische Strahlung aufnehmbar ist, auf. Dabei ist ein adaptives optisches Element (AOE) vorgesehen, mit dessen Hilfe die Abbildung des Objektes (O) auf das Aufnahmeelement (BA) und/oder die Wellenfront des Referenzstrahls und/oder die optische Weglänge in dem Referenzlichtweg (RL) und/oder dem Objektlichtweg (OL) beeinflussbar ist.

Description

Interf erometrische Messvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine interferometrische Messvorrichtung, insbesondere zur' Formvermessung einer Oberfläche eines Objektes, mit einer eine kurzkohärente elektromagnetische Strahlung abgebenden Strahlungsquelle, einem Bauelement, insbesondere einem Strahlteiler, zum Bilden eines über einen Objektlichtweg zu dem Objekt geleiteten Objektstrahls und eines über einen Referenzlichtweg zu einer Referenzebene geleiteten Referenzstrahles, und einem Aufnahmeelement, mit dem eine von dem Objekt und der Referenzebene zurückgeworfene und zur Interferenz gebrachte elektromagnetische Strahlung aufnehmbar ist. Stand der Technik
Eine derartige interferometrische Messvorrichtung, das als Weißlichtinter- ferometer bekannt ist, bietet ein unter dem Begriff Weißlichtinterferometrie etabliertes interferometrisches Messverfahren, bei dem eine kurzkohärente Lichtquelle in der Regel zusammen mit einem Michelson-Interferometer verwendet wird. Dazu sei beispielsweise auf T. Dresel, G. Häusler und H. Venzke, Applied Optics Vol 31 (1 992), Seite 91 9, oder P. de Groot und L. Deck, "Sur- face profiling by analysis of white-light interferograms in the spatial frequency domain", Journal of Modern Optics, Vol. 42, ( 1 995), Seiten 389 bis 501 , verwiesen. Dabei wird das Objekt über ein Objektiv auf eine CCD-Kamera abgebildet und von einer ebenen Referenzwelle überlagert. Eine Tiefenabtastung der Objektoberfläche in z-Richtung (Tiefenscan) kann als Scan des Referenzspiegels oder des Objektes durchgeführt werden. Bei einem Scan des Objektes befinden sich die Bildebene des Objektivs und die Referenzebene in derselben Ebene, d.h. das Objekt wird nur in der Tiefenachse relativ zu der Referenzebene bewegt. Bei einem Scan des Referenzspiegels wird demgegenüber nur der Referenzspiegel bewegt, d .h. das Objekt bleibt unbewegt zum Objektiv. Bei diesem Vorgehen ist der Tiefenmessbereich durch die Schärfentiefe des Objektivs eingeschränkt.
Aus der DE 1 99 48 813 A1 ist ein Weißlichtinferometer mit einer Zwischenabbildung des Objektes im Referenzlichtweg bekannt. Der Tiefenscan kann dabei als Scan der Referenz oder als Zwischenbildscan gemäß der DE 1 01 1 5 524 A1 realisiert sein. Bei einem Scan des Referenzspiegels wird der Referenzspiegel bewegt, d.h. das Objekt bleibt unbewegt zum Objektiv. Der Tiefenmessbereich ist durch die Schärfentiefe des Objektivs beschränkt.
In der DE 1 01 31 778 A1 ist ein Weißlichtinterferometer mit einer Rundsichtoptik, d.h . einer Objektivoptik gezeigt, die eine um 360° umlaufende Aufnahme eines nahezu radialsymmetrischen Objektbereichs aufnehmen kann. Ein Tiefenscan kann dabei als Scan der Referenz oder als Zwischenbildscan gemäß der DE 1 01 1 5 524 A1 realisiert sein. Bei einem Scan des Referenzspiegels wird auch hier der Referenzspiegel bewegt, d .h. das Objekt bleibt auch hierbei unbewegt zum Objektiv. Der Tiefenmessbereich ist ebenfalls durch die Schärfentiefe des Objektivs beschränkt.
Es sind auch Weißlichtinterferometer bekannt, bei denen eine CCD-Kamera mittels eines Linearverschiebetisches relativ zur Okularlinse verfahren werden kann. Dadurch ist eine Korrektur der Fokussierung für unterschiedliche Objekte oder Objektbereiche einstellbar, falls das Objekt ganz oder teilweise außerhalb der Schärfentiefe des Objektivs liegt. Diese Lösung ist jedoch apparativ vergleichsweise aufwändig und zudem unflexibel bei der Anpassung des Fokus.
Die Weißlichtinterferometrie konnte durch die vorgenannten Techniken insgesamt derart weiterentwickelt werden, dass beispielsweise Ventilsitze auch in engen und tiefen Bohrungen vollständig vermessen werden können.
Eine wichtige verbleibende Anforderung an interferometrische Messvorrichtungen besteht vor allem im Zusammenhang mit der Vermessung enger und tiefer Bohrungen darin, unterschiedliche Objektive und Endoskope leicht am Messgerät austauschbar zu machen. Daneben ist der Messbereich noch durch den Schärfentiefebereich des Objektivs und der Okularoptik eingeschränkt. Schließlich kann bei speziellen Anwendungen ein Tiefenscan nur als Scan des Referenzspiegels durchgeführt werden, da ein Scan des Objektes technisch zu aufwändig ist.
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Dabei besteht die Ausbildung darin, dass mindestens ein adaptives optisches Element vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die Abbildung des Objektes auf das Aufnahmeelement und/oder die Wellenfront des Referenzstrahles und/oder die optische Weglänge in dem Referenzlichtweg und/oder dem Objektlichtweg beeinflussbar ist.
Durch den Einsatz des adaptiven optischen Elementes zur Abbildung des Objektes auf dem Aufnahmeelement beispielsweise einer CCD-Kamera in der erfindungsgemäßen Messvorrichtung kann während eines Tiefenscan das Objekt zur Objektivoptik vorteilhaft unbeweglich bleiben. Daneben kann bei einem Überstreichen der Referenzebene von Gebieten der Oberfläche, die über den jeweiligen Schärfentiefenbereich hinausgehen, mittels des adaptiven optischen Elementes das Objekt wieder scharf auf dem als Aufnahmeelement der CCD- Kamera abgebildet werden. Für eine breite industrielle Anwendung ist dabei sehr vorteilhaft, dass das Objekt während der Messung starr zur Objektivoptik sein kann bzw. bevorzugt ist. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass auch bei der Verwendung unterschiedlicher Objektive und Endoskope mit unterschiedlichen Gesichtsfeldern und Abbildungseigenschaften, die unterschiedlichen Objekte durch entsprechende Einstellungen des adaptiven optischen Elementes stets scharf auf das Aufnahmeelement abgebildet werden können. Dadurch können mit einer Interferometerplattform viele unterschiedliche Messaufgaben gelöst werden.
Falls die Objektive oder Endoskope einen von 1 stark unterschiedlichen Abbildungsmaßstab aufweisen, kann die notwendige Geschwindigkeit der Fokussie- rungsanpassung wesentlich größer sein als die des Tiefenscans. Diese Anforderung ist mittels eines adaptiven optischen Elementes wesentlich einfacher zu realisieren als beispielsweise mittels einer beweglichen Kamera.
Darüber hinaus bietet der Einsatz eines adaptiven optischen Elementes den Vorteil, dass Abbildungsfehler der Optiken wie Endoskope, Mikroobjektive oder Rundsichtoptiken besonders einfach korrigiert werden können.
Zudem können adaptive optische Elemente eingesetzt werden, um zusammen mit einer Objektivoptik unterschiedliche Bildebenen zu erzeugen. Dadurch können unterschiedliche Tiefenbereiche des Objektes nahezu gleichzeitig scharf abgebildet werden. Der Referenzarm weist dann bevorzugt mehrere Referenzebenen auf.
Bei tomographischen Messungen kann schließlich durch eine Nachführung der Fokussierung in das Volumen des Objektes mit Hilfe des adaptiven optischen Elementes eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch Verhältnisses erzielt werden. Insofern können nun vorteilhaft Objektive mit großer Apertur eingesetzt werden, die nur eine sehr geringe Schärfentiefe besitzen. Eine Alternative dazu ist im Übrigen deren Realisierung mittels adaptiver optischer Elemente, was zusätzliche Vorteile in der Flexibilität des Fokus mit sich bringt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung wesentlicher Elemente des Grundaufbaus eines Weißlichtinterferometers mit einem adaptiven optischen Element, wobei zum Abtasten in Tiefenrichtung eine Referenzebene verstellt wird,
Fig . 2 ein Interferometer nach Fig. 1 mit dem Unterschied, dass der Referenzlichtweg zur Abtastung mittels eines akusto-optischen Modulators verändert wird,
Fig. 3 ein Weißlichtinterferometer mit einem adaptiven optischen Element, mit dem eine geneigte Objektoberfläche mittels Zwischenabbildung abgetastet wird, Fig . 4 ein Weißlichtinterferometer mit adaptivem optischem Element und einer Rundsichtoptik,
Fig. 5 ein Weißlichtinterferometer mit adaptivem optischem Element, das ein Modulationsinterferometer und ein Objektinterferometer aufweist,
Fig. 6A und 6B zwei weitere Ausführungsbeispiele für ein Weißlichtinterferometer mit adaptivem optischem Element, die ein Modulationsinterferometer und ein Objektinterferometer aufweisen, wobei deren Kopplung über eine Freistrahloptik bzw. eine Faseroptik realisiert ist,
Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Weißlichtinterferometer mit adaptiven optischen Elementen, bei dem eine Rundsichtoptik und eine Zwischenabbildung vorgesehen sind,
Fig 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Weißlichtinterferometer mit adoptiven optischen Elementen, mit dem Objektoberflächen in verschiedenem Abstand abtastbar sind,
Fig. 9 und 1 0 zwei verschiedene Ausführungsbeispiele für Linsen mit variabler Brennweite, Fig . 1 1 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Linse mit variabler Brennweite,
Fig. 1 2A und 1 2B zwei Ausführungsbeispiele für adaptive optische Elemente in Form einer Autofokus-Linse bzw. einer elektrischen Zoom-Linse und
Fig. 1 3 ein aus drehbaren Glasplättchen aufgebautes adaptives optisches Element.
Ausführungsbeispiel
Die in den Figuren gezeigten interferometrischen Messvorrichtungen und das damit durchgeführte Messverfahren basieren grundsätzlich auf der Weißlichtinterferometrie, wobei eine kurzkohärente Lichtquelle eingesetzt wird. Dabei wird die elektromagnetische Strahlung in Form des Lichts über einen Strahlteiler ST in einen Objektlichtweg OL und einen Referenzlichtweg RL aufgeteilt und auf ein inbesondere hinsichtlich seiner Oberfläche zu vermessendes Objekt O einerseits und eine Referenz R andererseits geleitet. Das vom Objekt O und der Referenz R zurückreflektierte Licht wird an einer Stelle des gemeinsamen Lichtwegs überlagert und auf einen Bildaufnehmer BA bzw. Aufnahmelement einer Kamera K geführt. Insgesamt wird auf diese Weise das Objekt O über eine Ob- jektivoptik OB, 00 und eine Okularoptik OK auf das Aufπahmelement BA der Kamera K abgebildet.
Während einer Tiefenabtastung bzw. eines Tiefenscans der Objektoberfläche bleibt das Objekt O unbewegt zum Objektiv OB bzw. einer objektseitigen Optik OO .
Der Tiefenscan erfolgt beispielsweise durch einen Scan eines die Referenzebene R bildenden Referenzspiegels oder durch akusto-optische Modulatoren AOM und kann dabei auch in einem separaten Modulationsinterferometer MI vorgenommen werden. Zur Messung durchfährt die Referenzebene R den zu messenden Tiefenbereich des Objektivse O. Die Objektivoptik OB, OO besitzt dazu einen gegebenen Schärfentiefebereich.
Ist der zu vermessende Tiefenbereich größer als der Schärfentiefenbereich, so wird mittels eines adaptiven aktiven optischen Elementes AOE nachfokussiert. Der messbare Tiefenbereich ist daher unabhängig vom Schärfentiefebereich .
Adaptive optische Elemente (AOE) können durch aktive räumliche Lichtmodulatoren wie Flüssigkristalldisplays, deformierbare Spiegelelemente (deformable mirror devices), magneto-optische Elemente (magneto optic devices), oder sogenannte multiple quantum wells (Halbleiter-Heterostrukturen) realisiert werden. Daneben eignen sich auch Linsen VL mit variablem Fokus, die aus zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten 2, 3 bestehen und über eine Spannung angesteuert werden, oder zwei sich gegen-einander drehende Glasplatten DG 1 , DG2 aufweisen. Wie in den Fig . 1 bis 8 gezeigt, kann das Interferometer je nach Messaufgabe unterschiedlich realisiert sein, beispielsweise als Michelson-Interferometer mit Scan der Referenz R oder mittels akusto-optischer Modulatoren AOM, als Interferometer mit einer Zwischenabbildung ZB des Objektes im Objektlichtweg OL, als Interferometer mit einer Rundsichtoptik RO zur Aufnahme eines um 360° umlaufenden Objektbereiches oder als Interferometer mit einem Modulationsinterferometer MI und einem Objektinterferometer Ol, wobei das Objektinterferometer Ol als Michelson-Interferometer oder als Common-Path-Interferometer ausgebildet sein kann und Optiken zum Erzeugen eines Zwischenbildes ZB oder Rundsichtoptiken RO enthalten kann. Das Modulationsinterferometer MI und das Objektinterferometer Ol können über eine Freistrahloptik oder über eine Faseroptik FO verbunden sein.
Im Einzelnen weist das in Fig. 1 gezeigte Weißlichtinterferometer eine Lichtquelle LQ zur Abgabe kurzkohärenten Lichts (Kohärenzlänge z.B. zwischen einigen μm und einigen hundert μm) über eine Sendeoptik SO auf den Strahlteiler ST auf, mit dem das Licht in den durch einen Referenzarm gebildeten Referenzlichtweg RL und den mit einem Objektarm gebildeten Objektlichtweg OL aufgeteilt wird und einerseits auf die Referenzebene R, z.B. einen Spiegel, und andererseits auf die Oberfläche des Objekts O gerichtet wird. Das von der Referenzebene R und der Objektebene O reflektierte Licht wird z.B. auf dem Strahlteiler ST oder im weiteren Verlauf des zu dem Bildaufnehmer BA führenden Lichtwegs überlagert und in der Kamera K oder gegebenenfalls einer daran angeschlossenen oder darin integrierten Auswerteeinrichtung AE analysiert und verarbeitet, um die Messdaten der Objektoberfläche z.B. hinsichtlich Rauhigkeit oder Form auszuwerten. Das adaptive optische Element AOE ist hierbei zwischen dem Bildauf- nehmer BA und einem diesem vorgeschalteten Okular OK angeordnet, so dass mit dem adaptiven optischen Element AOE eine scharfe Abbildung sichergestellt wird, selbst wenn der in Tiefenrichtung (z-Richtung) liegende Abtastbereich die Schärfentiefe der Objektivoptik OB, OO überschreitet. Die Tiefenabtastung wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch Bewegen der Referenz R in Tiefenrichtung T entsprechend dem Pfeil vorgenommen. Ferner sind verschiedene Positionen 1 , 2, 3 in dem Bereich der Empfangsoptik EO ge-zeigt, in denen das adaptive optische Element AOE alternativ angeordnet sein kann oder sich zusätzliche adaptive optische Elemente AOE befinden können.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des Weißlichtinterferometers ist in den Referenzlichtweg RL ein akusto-optischer Modulator AOM eingebracht, mit dem die Länge des Referenzlichtwegs RL alternativ oder zusätzlich zu der Bewegung der Referenz R zur Tiefenabtastung T verändert werden kann.
Die Fig . 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele des Weißlichtinterferometers, bei denen in dem Objektlichtweg OL eine oder mehrere Zwischenbilder ZB erzeugt werden. Über diese Zwischenabbildungen kann auch z.B. in engen, tiefen Hohlräumen ein relativ großer Oberflächenbereich abgetastet werden, wobei zudem der Vorteil besteht, dass eine schräg liegende oder anders geformte Oberfläche zunächst eben abgebildet und dann das ebene Zwischenbild ZB relativ einfach abgetastet werden kann. Gemäß Fig. 4 ist in dem Objektlichtweg OL zum Erfassen eines um 360° umlaufenden Bereichs der Objektoberfläche die vorstehend erwähnte Rundsichtoptik RS vorgesehen. Derartige Aufbauten mit Zwischenabbildung sind in den eingangs erwähnten Druckschriften DE 100 47 495 A1 , DE 101 31 778 A1 und DE 101 1 5 524 A1 näher erläutert, so dass bezüglich dieser Besonderheiten auf diese Druckschriften verwiesen wird. Vorliegend kann mittels eines oder mehrerer akusto-optischer Elemente AOE die Abbildung auf dem Bildaufnehmer BA verbessert und eine genauere Messung vorgenommen werden, wie bei den vorstehenden Betrachtungen ausgeführt.
Die Fig. 5, 6A und 6B zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele des Weißlichtinterferometers mit einem Modulationsinterferometer MI und einem Objektinterferometer Ol, wobei nach den Fig. 5 und 6A die Lichtkopplung zwischen den beiden Teilinterferometern über eine Freistrahloptik und bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6B über eine Faseroptik FO erfolgt. Bei den Fig. 6A und 6B ist der Referenzlichtweg in dem Objektarm ausgebildet, wodurch sich die vorstehend erwähnte Common-Path-Anordnung ergibt. In dem Modulationsinterferometer Ml wird zunächst ein optischer Gangunterschied des mit dem Strahlteiler MST des Modulationsinterferometers MI in die beiden Interferometerarme geführten und darin mittels der reflektierenden Elemente MS 1 , MS2 reflektierten Lichts erzeugt, der größer ist als die Kohärenzlänge. Dieses Licht wird dann über den Strahlteiler MST des Modulationsinterferometers MI herausgeführt und zu dem Strahlteiler ST des Objektinterferometers Ol geleitet und in dem Objektinterferometer Ol über den Referenzlichtweg RL einerseits und den Objektlichtweg OL andererseits geleitet und anschließend dem Bildaufnehmer BA und der Kamera K zur Weiterverarbeitung zugeführt, wobei der Referenzlichtweg RL und der Objektlichtweg OL so ausgelegt sind, dass der in dem Modulationsinterferometer MI erzeugte optische Gangunterschied zurückgesetzt und interferierendes Licht für die Auswertung erhalten wird. Die Tiefenabtastung erfolgt hierbei beispielsweise durch Versetzen des reflektierenden optischen Elementes MS2 in dem Modulationsinterferometer MI. Nähere Ausführungen zu einem der- artigen Aufbau sind beispielsweise, in der genannten DE 1 01 31 778 A1 und der DE 100 47 495 A1 gemacht. Vorliegend werden durch das mindestens eine eingebrachte adaptive optische Element AOE in der vorstehend erläuterten Weise die Abbildungseigenschafen und demzufolge Signalauswertung verbessert.
Bei dem in Fig . 7 gezeigten Weißlichtinterferometer Wl ist in der objektseitigen Optik OO ein aktives optisches Element AOE in einer Rundsichtoptik vor der Oberfläche des Objekts O angeordnet und beispielsweise als adaptierbares Linsenelement ausgebildet. In dem Objektlichtweg OL wird mindestens ein Zwischenbild ZB erzeugt. Auf diese Weise ist eine Anpassung an unterschiedliche Objektoberflächen möglich. Zur Kompensation von Abbildungsfehlern ist auch in dem Referenzlichtweg RL ein entsprechendes adaptives optisches Element AOE angeordnet und die Referenz ähnlich geformt wie die Objektoberfläche. Für die Scharfeinstellung ist auch in dem zu dem Bildaufnehmer BA führenden Lichtweg ein aktives optisches Element angeordnet.
Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Weißlichtinterferometers, bei dem in dem Objektlichtweg OL ein adaptives optisches Element AOE angeordnet ist, mit dem eine Veränderung der Brennweite zur Einstellung auf zwei verschieden tief liegende Oberflächenbereich des Objektes O ermöglicht wird. Um auch den Referenzlichtweg RL entsprechend anzupassen, ist auch in diesem ein adaptives optisches Element AOE in entsprechender Weise angeordnet.
Die Fig. 9 und 1 0 zeigen zwei Ausführungsbeispiele für ein adaptives optisches Element AOE in Form einer Linse mit variabler Brennweite, wobei nach Fig. 9 eine Anpassung an verschiedene Abstände und nach Fig. 10 eine Anpassung an unterschiedliche Öffnungswinkel erfolgt und dementsprechend zwei verschiedene Linsenelemente angesteuert werden.
Bei dem in Fig. 1 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eines aktiven optischen Elementes handelt es sich ebenfalls um eine Linse mit variabler Brennweite, wobei in dieser zwei nicht mischbare Flüssigkeiten 2, 3 enthalten sind, die nach außen über eine Abdeckung 1 aus Glas oder Kunststoff und eine Dichtung 4 abgeschlossen sind und die über eine Spannung zum Ändern der Brennweite ansteuerbar sind.
In den Fig. 1 2A und 1 2B sind Ausführungsbeispiele für ein adaptives optisches Element AOE gezeigt, die in dem Kopf einer Kamera K angeordnet sind, wobei Fig. 1 2A eine elektrisch ansteuerbare Autofokus-Linse und Fig. 1 2B eine elektrisch ansteuerbare ZoonvLinse zeigen. Der anschließende Bildaufnehmer BA kann z.B. in CCD-Technik oder CMOS-Technik ausgeführt sein.
Bei einem in Fig. 1 3 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel eines aktiven optischen Elementes AOE ist dieses aus zwei gegeneinander drehbaren Glasplätt- chen DG 1 , DG2 gebildet.

Claims

Ansprüche
1 . Interferometrische Messvorrichtung, insbesondere zur Formvermessung einer Oberfläche eines Objektes (O), mit einer eine kurzkohärente elektromagnetische Strahlung abgebenden Strahlungsquelle (LQ), einem Bauelement, insbesondere einem Strahlteiler (ST), zum Bilden eines über einen Objektlichtweg (OL) zu dem Objekt (O) geleiteten Qbjektstrahls und eines über einen Referenzlichtweg (RL) zu einer Referenzebene (R) geleiteten Referenzstrahles, und einem Aufnahmeelement (BA), mit dem eine von dem Objekt (O) und der Referenzebene (R) zurückgeworfene und zur Interferenz gebrachte elektromagnetische Strahlung aufnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein adaptives optisches Element (AOE) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die Abbildung des Objektes (O) auf das Aufnahmeelement (BA) und/oder die Wellenfront des Referenzstrahles und/oder die optische Weglänge in dem Referenzlichtweg (RL) und/oder dem Objektlichtweg (OL) beeinflussbar ist/sind.
2. Interferometrische Messvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmeelement als insbesondere flächenhafter Bildaufnehmer
(BA) ausgebildet ist, und dass die Information der von dem Objekt (O) und der Referenzebene (R) zurückgeworfenen und zur Interferenz gebrachten Strahlung einer
Auswerteeinrichtung (AE) zum Bestimmen der Oberflächenform zuführbar ist.
3. Interferometrische Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das adaptive optische Element (AOE) derart ausgebildet ist, dass es ein scharfes Bild des Objektes (0) auf dem Aufnahmeelement (BA) er- eugt.
4. Interferometrische Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das adaptive optische Element (AOE) aktive räumliche Lichtmodulatoren, vorzugsweise Flüssigkristalldisplays, Linsen mit variablem Fokus (VL, VL1 , VL2), die insbesondere aus mindestens zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten (2, 3) bestehen und über eine Spannung angesteuert werden, oder mindestens zwei sich gegeneinander drehende Glasplatten (DG 1 , DG2) aufweist.
5. Interferometrische Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem adaptiven optischen Element (AOE) nacheinander unterschiedliche Objektbereiche scharf abbildbar sind, die zumindest teilweise außerhalb des Schärfentiefebereiches der abbildenden Optik-Objektiv (OB) oder Okular (OK) liegen.
6. Interferometrische Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das adaptive optische Element (AOE) während eines Tiefenscans derart nachjustierbar ist, dass der Objektbereich, in welchem die virtuelle Referenzebene liegt, scharf abgebildet ist.
7. Interferometrische Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Objektlichtweg (OL) eine Optik zum Erzeugen mindestens eines Zwischenbildes (ZB) befindet.
8. Interferometrische Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die das Zwischenbild (ZB) erzeugende Optik als Endoskop ausgebildet ist.
9. Interferometrische Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Referenzlichtweg (RL) zur Kompensation einer Dispersion Glas oder eine der das Zwischenbild erzeugenden Optik ähnliche oder gleiche Optik eingesetzt ist.
0. Interferometrische Messvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskop das oder eines der adaptiven optischen Elemente (AOE) aufweist, das insbesondere als Autofokussystem aufgebaut ist, mit dem der zu vermessende Objektbereich scharf abbildbar ist.
1 . Interferometrische Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die objektseitige Optik (OO) eine Rundsichtoptik (RO) zum Abbilden eines um 360° umlaufenden Bereiches des Objektes (O) ausweist.
2. Interferometrische Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Rundsichtoptik (RO) ein Zwischenbild (ZB) des Objektes (O) erzeugbar ist.
3. Interferometrische Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rundsichtoptik (RO) mindestens ein adaptives optisches Element (AOE) aufweist oder daraus besteht, oder dass die Rundsichtoptik (RO) eine Kombination von Linsen mit mindestens einem adaptiven optischen Element (AOE) aufweist.
14. Interferometrische Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Referenzlichtweg (RL) mindestens ein adaptives optisches Element (AOE) eingesetzt ist, mit dem die Form der Referenzebene veränderbar .ist.
5. Interferometrische Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das adaptive optische Element (AOE) in dem Referenzlichtweg (RL) mindestens eine Linse mit variablem Fokus (VL), die mindestens zwei nicht mischbare Flüssigkeiten (2, 3) aufweist und über eine Spannung ansteuerbar ist, einen gekrümmten Spiegel, einen Spiegel mit modulierbarer Krümmung, oder eine Kombination dieser Bauelemente aufweist.
6. Interferometrische Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modulationsinterferometer (MI) zum Erzeugen des Tiefenscans und ein davon separates Objektinterferometer (Ol) vorgesehen sind.
7. Interferometrische Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das adaptive optische Element (AOE) als Okularlinse (OK) vor dem Aufnahmeelement (BA) angeordnet und/oder als Autofokussystem oder Zoom ausgebildet ist.
8. Interferometrische Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem adaptiven optischen Element (AOE) gleichzeitig unter- schiedilche Bildebenen erzeugbar sind .
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