WO2007093385A1 - Optischer flächensensor - Google Patents

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WO2007093385A1
WO2007093385A1 PCT/EP2007/001239 EP2007001239W WO2007093385A1 WO 2007093385 A1 WO2007093385 A1 WO 2007093385A1 EP 2007001239 W EP2007001239 W EP 2007001239W WO 2007093385 A1 WO2007093385 A1 WO 2007093385A1
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light
component
polarized
measuring
light path
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PCT/EP2007/001239
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Inventor
Peter Lehmann
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Carl Mahr Holding Gmbh
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Publication date
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    • G01B2290/70—Using polarization in the interferometer

Definitions

  • the invention relates to a method for SD geometry detection of object surfaces and to a device for this purpose.
  • Optical precision metrology is often used for fast, three-dimensional 3D geometry acquisition. These include triangulation methods in which an optical pattern, for example a stripe pattern, is projected onto an object surface, and the light-dark boundaries of the stripes are measured by triangulation. If the highest demands are placed on the Z-resolution (Z-direction is in the direction of the optical axis of the measuring system), only resolutions in the micrometer range are achieved with measuring field diameters of 10 mm and more. This also applies to the methods of confocal microscopy. Interferometric measuring principles provide better accuracies. Form-wise interferometry generally uses coherent light and phase-shifting techniques. An example of this can be found in DE 102 56 273 B3.
  • this method is limited to specular surfaces and simple basic geometries, eg plane surfaces or spherical surfaces, because the course of the wavefront, the electromagnetic wave incident on the measurement object, must essentially correspond to the contour of the object to be measured. If the object surface does not have a simple basic geometry, the wavefront, if the object surface is at least mirror-like, can be adapted to the object contour by means of a holographic-optical element. However, the shape of the ob- ject surface must be known beforehand.
  • the coherence radar is proposed, which works with temporally short coherent light.
  • the path length difference between the object and the reference wave is continuously changed.
  • a contrast maximum occurs in the image plane in which a camera is generally located, which can be detected by means of digital signal evaluation and assigned to the associated object position ,
  • This method requires a relatively large measurement time, because the sampling step size must be less than a quarter of the wavelength of light used to the sampling theorem observed. If a maximum increment between two 100 nm images and a camera image rate of 100 images / second is assumed, the maximum measurement speed is 10 ⁇ m / second.
  • Method is a submicrometer height resolution and insensitive to environmental vibrations.
  • the scan with respect to the height direction (Z direction) is not set to equidistant scans.
  • the inventive method is based on the illumination of a section of the object surface or the entire object surface with short-coherent light, which is brought to interference with a reference light beam. Phase-shifted components are produced in the measuring light bundle and / or the reference light bundle so that two interference images can be obtained - a first with the first component and a second with the second component. The two interference images are recorded separately and subtracted from each other. The result is a difference image with a very strong contrast in the interference range (when the reference light path and the measuring light path are different from each other by less than the coherence length), wherein the contrast profile has a pronounced maximum.
  • Contrast is understood here to mean the extent of the change in the pixel brightness of a viewed pixel in the case of a change in the length of the reference light path and / or of the measuring light path The maximum of this contrast profile is determined and the associated Z value applies to the relevant pixel of the difference image as Z-measured value.
  • the distances measured in the Z direction between individual recording positions for the interference images can be greater than half, and also greater than the entire wavelength of the light.
  • the method is also insensitive to non-equidistant sampling steps. It also results in insensitivity to environmental vibrations. Thus, a very robust measuring method is obtained, which works fast and allows high precision. Because of the insensitivity to non-equidistant scanning, the change in length of the reference light path and / or the measuring light path required for the measurement can be carried out as oscillation, for example as harmonic oscillation. The method can be carried out both by changing the distance between the measuring device and the measuring object surface (changing the length of the measuring light path) and by adjusting the reference mirror in the direction of the measuring light bundle (changing the length of the reference light path).
  • the change in intensity ie the change in the brightness of a pixel of the recorded image as a function of the Z-adjustment or alternatively the reference mirror adjustment is approximated by a smooth curve and determines its local maximum.
  • the smooth curve used for the approximation is preferably a Gaussian bell curve.
  • This procedure is performed in parallel for all pixels of the difference image, so that measured values for all pixels of the difference image are present after a single Z scan.
  • polarized light In order to generate the two components in the measuring light bundle and / or the reference light bundle, it is preferable to work with polarized light.
  • a light source containing a polarizing filter can be used.
  • This polarization filter can interact with a quarter-wave plate ( ⁇ / 4 plate) which is arranged in the measuring light path or, alternatively, in the reference light path.
  • the ⁇ / 4 plate is an example of an element that gives different phase shifts to differently polarized light.
  • the ⁇ / 4 plate can not impart a phase rotation of 90 ° to a vertically polarized light and a horizontally polarized light.
  • Diagonal (diagonal) polarized light is thus split into a first component (s component) without phase shift and into a second component (p component) with 90 ° phase shift.
  • the first component (s-component) may have a phase shift of 0 ° and a second component (p-component) a phase shift of 180 °.
  • the resulting difference image is free of ambient light influences.
  • the brightness (synonymous: intensity) of each pixel is essentially zero outside of the interference that occurs.
  • the position of the measuring device with respect to the MEss object can be determined by a linear scale and this measured value can be offset (subtracted) from the Z measured value supplied by the measuring device.
  • the device according to claim 10 provides corresponding advantages.
  • the light source used is preferably a light-emitting diode or an otherwise short-coherent light source.
  • a light source with a short coherence length preferably with a coherence length of less than 50 ⁇ m, is preferably used.
  • a polarization-dependent phase shifter device such as a ⁇ / 4 plate is used.
  • a light source having a two-color light may be used with a low frequency difference.
  • the division of the two different components on the two cameras can then be done for example by dichroic mirrors.
  • the two cameras used are preferably CCD cameras, which have a planar image pickup area.
  • both cameras have matching pixel numbers, wherein the difference image is generated pixel by pixel.
  • the means for subtracting the two obtained interference images to produce a difference image may be a computer or equivalent hardware.
  • the means for changing the length of the measuring light path and / or the length of the reference light path is preferably an adjusting device for generating a relative movement between the measuring device and the object.
  • the relative movement may be a step-like movement, a continuously uniform movement or a movement with a predetermined movement profile.
  • the uniform movement and the movement with a predetermined movement profile allow the execution of the adjustment movement with low accelerations.
  • FIG. 1 shows a measuring device according to a first embodiment in a schematic representation
  • FIG. 2 shows the brightness of a pixel in the first and in the second interference image as a function of the Z-adjustment
  • FIG. 3 shows the brightness of a pixel of the difference image and the derived Gaussian distribution curve
  • Figure 4 shows a modified embodiment of the device for planar profile detection
  • Figure 5 shows a further modified embodiment of the device for planar profile detection.
  • FIG. 1 illustrates a device 1 for planar 3D geometry detection of an object surface 2 of a measurement object 3.
  • the device 1 includes a light source 4, an interferometer 5, a selective phase shifter 6, an objective 7, a beam splitter 8, a first camera 9, a second camera 10 and an evaluation device 11.
  • the light source 4, which in the preferred embodiment includes a light emitting diode 12 is provided with a collimator 13 to produce a substantially parallel light beam.
  • a polarizing filter 14 can be arranged in the light path, which generates, for example, a 45 ° polarization.
  • the interferometer 5 is, for example, a Michelson interferometer.
  • another interferometer may be provided, such as a Mirau interferometer. It subdivides the light bundle coming from the light source 4 into a measuring light bundle 15 and a reference light bundle 16, for which purpose, for example, a semitransparent mirror 17 is used.
  • a reference mirror 18 belongs to the interferometer 5.
  • a further polarization filter 19 is preferably also provided whose polarization direction coincides with that of the polarization filter 14.
  • the phase shifter 16 for example in the form of a ⁇ / 4 plate, generates a polarization-dependent phase shift, which is 90 ° in the embodiment.
  • the vertically polarized portion of the light transmitted through the 45 ° polarization filter 14 is delayed by 90 °, for example, while the horizontally polarized portion passes without phase shifting. Strictly speaking, both components can experience a phase shift, but the difference is 90 °.
  • the mirror 17 merges the reference light bundle 16 and the measuring light bundle 15 again.
  • the objective 7 then images both the object surface 2 and the reference mirror 18 onto the cameras 9, 10.
  • the beam splitter 8 ensures that the horizontally polarized component of the obliquely polarized light falls on the camera 9 and the vertically polarized component on the camera 10.
  • the reference light beam 16 contains a first component not phase-shifted by the phase shifter 6 and a second phase-shifted component, the cameras 9, 10 thus receive different interference images.
  • the evaluation device 11 connected to the cameras 9, 10 forms a difference image from the two interference images and tracks the brightness of each pixel thereof while the distance between the device 1 and the measuring object 3 in the Z direction, i. perpendicular to the object surface 2, or in other words parallel to the optical axis 20 of the device 1, is adjusted.
  • the cameras 9, 10 each take pictures at Z intervals which are larger than the wavelength of the light of the light-emitting diode 12.
  • “Wavelength” is understood to mean the center wavelength of the light emitted by the light emitting diode not strictly monochromatic light.
  • the device 1 operates as follows:
  • the light source 4 is operated, for example, in continuous operation or stroboscopically.
  • the latter can be used to allow higher light intensities for recording the interference images by means of the cameras 9, 10.
  • the light source 4 emits correspondingly continuously or in short time intervals each short coherent light, the coherence length preferably in Range of 10 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the distance between the device 1 and the object surface 2 in the direction of the optical axis 20 is adjusted by movement of the device 1 and / or by movement of the measuring object 3. This is shown in FIG. 1 by a
  • Interference images are now recorded synchronously with the two cameras 9, 10, which differ.
  • the difference is generated, for example, by the different phase angles of the reference light bundle used to generate the respective interference pattern.
  • linearly polarized light strikes the surface of the test object at 45 °, whereby only the light reflected with the same polarization is picked up again. This is ensured by the polarization filter 19.
  • the ⁇ / 4 plate causes the reference wave after two passes to contain a p-component and an s-component, which are phase-shifted from one another by 180 °.
  • the measuring light beam and the two components of the reference light beam are combined with the mirror 17 and imaged by the lens 7 in an image plane.
  • the polarizing beam splitter 8 In front of the image plane is the polarizing beam splitter 8, which splits the interfering light into two partial beams with P-polarization and with s-polarization.
  • the sub-beam with the p polarization contains the P component of the reference light beam.
  • the s sub-beam contains the s component of the reference light bundle 16. Consequently, the associated interferograms, which are imaged on the cameras 9, 10, are phase-shifted by 180 °.
  • the cameras 9, 10 record the interferograms time-synchronized as pixel images and deliver them to the evaluation device 11. This subtracts the interference images pi xelweise from each other and thus generates differential images. This process is repeated many times while the distance between the measuring object 3 and the device 1 preferably varies continuously.
  • the distance difference between two image recordings is typically on the order of 1 .mu.m, that is, the sampling theorem is not maintained if the wavelength of light used is ⁇ 4 .mu.m.
  • the difference images are evaluated pixel by pixel. If one follows the brightness of a pixel of the difference image over the path length difference between measuring light path and reference light path, systematic variations of the brightness arise as soon as the path length difference is smaller than the coherence length of the light source.
  • the signal evaluation is carried out by the evaluation device 11 by determining the empirical standard deviation for a specific number of brightness values of one and the same pixel, successive difference images belonging to successive Z positions of the device 1.
  • the standard deviation valid for each sample is calculated, for example, according to the following formula
  • k is the number of the sample step
  • n is the number of brightness values included in the calculation of the dispersion
  • i is a count variable
  • X 1 is the pixel brightness for a particular difference image
  • X n is the current average brightness value.
  • the curves I and II represent the brightness values of a pixel over the distance difference.
  • the curve III plots the brightness value of the same pixel of the difference image.
  • the curve IV gives the after above formula calculated standard deviation again. This shows approximately the course of a Gaussian bell curve as a function of the traveled scan path. It is accordingly ap- proximated by a Gaussian bell curve, which is entered in Figure 3 as a curve V.
  • the determination of the Z measured value takes place by determining the position of the local maximum of this Gaussian curve V.
  • a difference image pixel is calculated for each pixel of the two cameras 9, 10, and the above-described sliding calculation of the standard deviation is performed over a predetermined number of consecutive samples (for example, 5).
  • a resulting smoothed curve thus results, which is subsequently approximated by the Gaussian bell curve, by means of which the Z value of the relevant pixel is determined.
  • the relative movement between device 1 and measurement object 3 may be a movement at constant speed or at varying speeds.
  • the z-distances of the images can remain the same or be varied.
  • Figure 4 illustrates a modified embodiment of the device 1. With the exception of the details described below, the previous description applies based on the same reference numerals.
  • the phase shifter 6 is not arranged in the reference light bundle 16 but in the measuring light bundle 15.
  • the two components that contribute to the formation of different Interference images are used on the cameras 9, 10, not in the reference light beam 16 but generated in the measuring light beam 15.
  • the components are again differently polarized and differently phase-shifted portions of the light beam.
  • the phase shift is preferably 180 °. It can deviate from the optimum value of 180 °. It is preferably> 90 ° and ⁇ 270 °.
  • the device 1 according to FIG. 4 as a whole can be moved relative to the measurement object as described above. However, it is also possible, instead, to keep the distance between the device 1 and the measurement object 3 constant and to move the reference mirror 18 to perform a Z-scan. This is also possible if the phase shifter 6, as shown in Figure 1, is arranged in the reference light beam 16.
  • FIG. 5 illustrates another embodiment of the invention.
  • the device according to FIG. 5 uses a light source 4 which contains two light-emitting diodes 12a, 12b which have different centroid wavelengths. Preferably, these are close to each other.
  • the smallest common multiple of the two centroid wavelengths is preferably more than three times one of the centroid wavelengths.
  • the mirror 17 divides the light beams of the two light-emitting diodes each into a reference light bundle and a measuring light bundle.
  • a further beam splitter is arranged, the wavelength of the light of a light emitting diode 12a to a reference mirror 18a and the light of the light emitting diode 12b to a reference mirror 18b passes.
  • the reference mirrors 18a, 18b are arranged such that a phase shift of approximately 180 ° results for the light of the two light-emitting diodes 12a, 12b at the cameras 9, 10.
  • the light beams emitted by the light emitting diodes 12a, 12b pass through reference light paths of different lengths, which preferably differ by ⁇ / 4 of the centroid wavelength of one of the spectra of the two light emitting diodes.
  • the beam splitter 8 is again frequency-selective.
  • the light of the two light-emitting diodes 12a, 12b forms the two components ("first component” and "second component”).
  • the light source 4 The evaluation of the camera images is done as described above in connection with Figures 1 to 4.
  • the plate 6 is then a plane-parallel plate made of a non-birefringent material. Due to the dispersion of the light of the two different colors of the two light-emitting diodes 12a and 12b, the desired phase offset of the two components relative to one another of ⁇ / 4 results between both light colors in each pass.
  • a 3D geometry detection of object surfaces with a sub-scan (violation of the scanning theorem) succeeds by having at least one of the two light bundles (reference light bundle 16 and measuring light bundle 15) brought into an interferometer 5 into two components S and P is decomposed, on the basis of which on two cameras 9, 10 different interference images (S-interference image and P-interference image) are generated.
  • the S-component and the P-component are against each other preferably 180 ° phase-shifted. From the two interference images of the cameras, a difference image is generated.
  • the pixels of the difference image When using short-coherent light, the pixels of the difference image have a non-zero brightness only in the Z range, for which the difference between the reference light path and the measuring light path is smaller than the coherence length.
  • the considered pixel of the difference image has a strongly fluctuating brightness curve, with the envelope or also the standard deviation following a Gaussian bell curve. The brightness curve is approximated by this.
  • the maximum curve defines the Z measurement for the surface point to which the considered pixel of the difference image belongs. The process is robust, fast and accurate.

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Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren gelingt eine 3D-Geometrieerfassung von Objektoberflächen mit einer Unterabtastung (Verletzung des Abtasttheorems), indem zumindest eines der beiden in einem Interferometer (5) zur Überlagerung gebrachten Lichtbündel (Referenzlichtbündel (16) und Messlichtbündel (15)) in zwei Komponenten S und P zerlegt wird, aufgrund derer an zwei Kameras (9, 10) unterschiedliche Interferenzbilder (S-Interferenzbild und P-Interferenzbild) erzeugt werden. Die Komponenten sind gegeneinander vorzugsweise 180°-phasenversetzt. Aus den beiden Interferenzbildern der Kameras wird ein Differenzbild erzeugt. Bei Verwendung kurzkohärenten Lichts haben die Pixel des Differenzbildes nur in dem Z-Bereich eine von Null verschiedene Helligkeit, für den die Differenz zwischen Referanzlichtweg und Messlichtweg kleiner als die Kohärenzlänge ist. In Abhängigkeit von der Z-Koordinate weist das betrachtete Pixel des Differenzbildes einen stark schwankenden Helligkeitsverlauf auf, wobei die Hüllkurve oder auch die Standardabweichung einer Gaußschen Glockenkurve folgt. Das Kurvenmaximum legt den Z-Messwert für den Oberflächenpunkt fest, zu dem der betrachtete Pixel des Differenzbilds gehört. Das Verfahren ist robust, schnell und genau.

Description

Optischer Flächensensor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur SD-Geometrieerfassung von Objektoberflächen sowie eine Vorrichtung dazu.
Die optische Präzisionsmesstechnik wird gern zur schnellen flächenhaften 3D-Geometrieerfassung eingesetzt. Dazu gehören Triangulationsverfahren, bei denen ein optisches Muster, beispielsweise ein Streifenmuster auf eine Objektoberfläche, projiziert wird und die Hell-Dunkel-Grenzen der Streifen durch Triangulation vermessen werden. Werden dabei höchste Ansprüche auf die Z-Auflösung (Z-Richtung ist in Richtung der optischen Achse des Messsystems) gestellt, werden bei Messfelddurchmessern von 10 mm und mehr nur noch Auflösungen im Mikrometerbereich erreicht. Dies gilt auch für die Verfahren der konfokalen Mikroskopie. Interferometrische Messprinzipien liefern bessere Genauigkeiten. In der formmessenden Interferometrie wird im Allgemeinen mit kohärentem Licht und phasenschiebenden Verfahren gearbeitet. Ein Beispiel dazu ist der DE 102 56 273 B3 zu entnehmen. Dieses Verfahren ist jedoch auf spiegelnde Oberflächen und auf einfache Grundgeometrien, z.B. Planflächen oder sphärische Flächen, beschränkt, weil der Verlauf der Wellenfront, der auf das Messobjekt einfallenden elektromagnetischen Welle im Wesentlichen mit der Kontur des Messob- jekts übereinstimmen muss. Weist die Objektoberfläche keine einfache Grundgeometrie auf, kann die Wellenfront, wenn die Objektoberfläche wenigstens spiegelnd ausgebildet ist, mittels eines holografisch-optischen Elements an die Objektkontur angepasst werden. Dazu muss allerdings die Form der Ob- jektoberflache zuvor bekannt sein.
Handelt es sich um ein Messobjekt mit einer optisch rau- en Oberfläche, so bilden sich aufgrund der Kohärenz des eingestrahlten Lichts so genannte Speckle. Für diesen Fall wurde als Alternative, die sich insbesondere bei rauen Oberflächen verwenden lässt, das Kohärenzradar vorgeschlagen, das mit zeitlich kurz kohärentem Licht arbeitet. Dazu wird auf die DE 41 08 944 C2 verwiesen. Bei diesem Verfahren wird die Weglängendifferenz zwischen der Objekt- und der Referenzwelle kon- tinuierlich verändert. Für die Objektbereiche, für die die optische Weglängendifferenz zwischen der Objekt- und der Referenzwelle nahe Null ist, tritt in der Bildebene, in der sich im Allgemeinen eine Kamera befindet, ein Kontrastmaximum auf, das sich mittels digitaler Signalauswertung erfassen und der zugehörigen Objektposition zuordnen lässt.
Dieses Verfahren erfordert eine relativ große Messzeit, weil die Abtastschrittweite weniger als ein Viertel der verwendeten Lichtwellenlänge betragen muss, um das Abtasttheorem einzuhalten. Wird von einer maximalen Schrittweite zwischen zwei Bildaufnahmen von 100 nm und einer Kamerabildrate von 100 Bildern/Sekunde ausgegangen, ergibt sich eine maximale Messgeschwindigkeit von 10 μm/Sekunde.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Messgeschwindigkeit zu erhöhen und dabei die Möglichkeit der Höhenauflösung im Submikrometerbereich zu schaffen.
Des Weiteren wird es begrüßt, wenn das zu schaffende
Verfahren eine Höhenauflösung im Submikrometerbereich gestattet und unempfindlich gegenüber Umgebungsschwingungen ist. Außerdem wäre zu begrüßen, wenn die Abtastung bezüglich der Höhenrichtung (Z-Richtung) nicht auf äquidistante Abtastungen festgelegt ist.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren zur SD-Geometrieerfassung nach Anspruch 1 sowie mit der Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst:
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Beleuchtung eines Ausschnitts der Objektoberfläche oder der gesamten Objektoberfläche mit kurzkohärentem Licht, wobei dieses mit einem Referenzlichtbündel zur Interferenz gebracht wird. In dem Messlichtbündel und/oder dem Referenzlichtbündel werden gegeneinander phasenverschobene Komponenten hergestellt, so dass zwei Interferenzbilder zu erhalten sind - ein erstes mit der ersten Komponente und ein zweites mit der zweiten Komponente. Die beiden Interferenzbilder werden getrennt aufgenom- men und voneinander subtrahiert. Es entsteht ein Differenzbild mit einem sehr starken Kontrast im Interferenzbereich (wenn der Referenzlichtweg und der Messlichtweg um weniger als die Kohärenzlänge voneinander verschieden sind) , wobei der Kontrastverlauf ein ausgesprochenes Maximum aufweist. Unter „Kontrast" wird hier das Ausmaß der Änderung der Pixel- helligkeit eines betrachteten Pixels bei einer Veränderung der Länge des Referenzlichtwegs und/oder des Messlichtwegs verstanden. Das Maximum dieses Kontrastverlaufs wird bestimmt und der zugeordnete Z-Wert gilt für den betreffenden Pixel des Differenzbildes als Z-Messwert.
Mit diesem Verfahren ist eine hohe Messgeschwindigkeit möglich. Durch die Bestimmung des Maximums einer Kurve, die den Intensitätsverlauf der Differenzbilder über der Z-Rich- tung abbildet, kann ein genauer Messwert auch dann gewonnen werden, wenn das Abtasttheorem verletzt, d.h. mit Unterabtastung gearbeitet wird. In diesem Fall können die in Z-Rich- tung gemessenen Abstände zwischen einzelnen Aufnahmepositio- nen für die Interferenzbilder größer als die halbe, auch größer als die ganze Lichtwellenlänge sein. Im Ausführungsbeispiel kann beispielsweise mit einer Schrittweite von 1 μm oder etwas mehr gearbeitet werden, obwohl die Lichtwellenlänge geringer als 1 μm sein kann. Es wird dennoch eine Mess- präzision im Submikrometerbereich erreicht.
Durch die hohe Abtastschrittweite ist eine hohe Messgeschwindigkeit möglich.
Das Verfahren ist außerdem unempfindlich gegen nicht äquidistante Abtastschritte. Es ergibt sich daraus auch eine Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungsschwingungen. Somit wird ein sehr robustes Messverfahren erhalten, das schnell arbeitet und eine hohe Präzision gestattet. Wegen der Unempfind- lichkeit gegen nichtäquidistante Abtastung kann die zur Messung erforderliche Längenänderung des Referenzlichtwegs und/oder des Messlichtwegs als Schwingung, z.B. als harmonische Schwingung ausgeführt werden. Das Verfahren kann sowohl durchgeführt werden, indem der Abstand zwischen der Messvorrichtung und der Messobjektober- flache verändert wird (Veränderung der Länge des Messlicht- wegs) als auch indem der Referenzspiegel in Richtung des Messlichtbündels verstellt wird (Veränderung der Länge des Referenzlichtwegs) . In beiden Fällen wird die Intensitätsänderung, d.h. die Änderung der Helligkeit eines Pixels des aufgenommenen Bilds in Abhängigkeit von der Z-Verstellung oder alternativ der Referenzspiegelverstellung durch eine glatte Kurve approximiert und deren lokales Maximum bestimmt. Die glatte zur Approximation herangezogene Kurve ist vorzugsweise eine Gaußsche Glockenkurve.
Dieses Verfahren wird parallel für alle Pixel des Diffe- renzbilds durchgeführt, womit nach einem einzigen Z-Scan- durchlaufs Messwerte für alle Pixel des Differenzbilds vorliegen.
Zur Erzeugung der beiden Komponenten in dem Messlicht- bündel und/oder dem Referenzlichtbündel wird bevorzugt, mit polarisiertem Licht zu arbeiten. Beispielsweise kann eine Lichtquelle eingesetzt werden, die ein Polarisationsfilter enthält . Dieses Polarisationsfilter kann mit einer Lambda- Viertel-Platte (λ/4-Platte) zusammenwirken, die in dem Mess- lichtweg oder alternativ in dem Referenzlichtweg angeordnet ist. Die λ/4 -Platte ist ein Beispiel für ein Element, das unterschiedlich polarisiertem Licht unterschiedliche Phasenverschiebungen erteilt. Beispielsweise kann die λ/4-Platte einem vertikal polarisiertem Licht keine und einem horizontal polarisiertem Licht eine Phasendrehung von 90° erteilen.
Schräg (diagonal) polarisiertes Licht wird somit in eine erste Komponente (s-Komponente) ohne Phasenverschiebung und in eine zweite Komponente (p-Komponente) mit 90° -Phasenverschiebung aufgeteilt. Bei doppelter Passage der λ/4-Platte addiert sich die Phasenverschiebung. So kann die erste Komponente (s- Komponente) eine Phasenverschiebung von 0° und eine zweite Komponente (p-Komponente) eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen. Dies führt an den beiden Kameras zu 180° phasen- versetzten Interferenzbildern. Das erhaltene Differenzbild ist frei von Umgebungslichteinflüssen. Die Helligkeit (synonym: Intensität) jedes Pixels ist außerhalb der auftretenden Interferenz im Wesentlichen Null. Nur wenn sich Messlichtweg und Referenzlichtweg um weniger als die Kohärenzlänge unter- scheiden, tritt Interferenz auf, wobei die an dem betreffenden Pixel zu beobachtenden Helligkeitsänderungen sehr stark sind. Die Helligkeitsänderungen haben ihr Maximum, wenn Referenz- und Messlichtweg gleich sind. Dieses Maximum wird ermittelt und zur Bestimmung des Z-Messwerts genutzt. Dazu kann die Position der Messvorrichtung in Bezug auf das MEss- objekt durch einen Linearmaßstab bestimmt und dieser Messwert mit dem Von der Messvorrichtung gelieferten Z-Messwert verrechnet (subtrahiert) werden.
Entsprechende Vorteile liefert die Vorrichtung nach Anspruch 10. Als Lichtquelle wird vorzugsweise eine Leuchtdiode oder eine anderweitige Quelle für kurzkohärentes Licht verwendet. Im Interesse einer möglichst hohen Auflösung wird vorzugsweise eine Lichtquelle mit geringer Kohärenzlänge, vorzugsweise mit einer Kohärenzlänge von weniger als 50 μm verwendet .
Als Mittel zur Erzeugung der beiden gegeneinander phasenverschobenen Komponenten (s-Komponente, p-Komponente) in dem Referenzlichtbündel und/oder dem Messlichtbündel wird vorzugsweise eine polarisationsabhängige Phasenschiebereinrichtung, wie beispielsweise eine λ/4-Platte eingesetzt. Alternativ kann als Mittel zur Erzeugung der beiden Komponenten eine Lichtquelle verwendet werden, die ein zweifarbiges Licht mit geringem Frequenzunterschied abgibt. Die Aufteilung der beiden verschiedenen Komponenten auf die beiden Kameras kann dann beispielsweise durch dichroitische Spiegel erfolgen.
Die beiden verwendeten Kameras sind vorzugsweise CCD- Kameras, die einen flächenhaften Bildaufnahmebereich aufweisen. Vorzugsweise weisen beide Kameras übereinstimmende Pixelzahlen auf, wobei das Differenzbild pixelweise erzeugt wird.
Die Einrichtung zur Subtraktion der beiden erhaltenen Interferenzbilder zur Erzeugung eines Differenzbilds kann ein Computer oder eine entsprechende Hardware sein.
Das Mittel zur Veränderung der Länge des Messlichtwegs und/oder der Länge des Referenzlichtwegs ist vorzugsweise eine Stelleinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt. Die Relativbewegung kann eine schrittförmige Bewegung, eine kontinuierlich gleichförmige Bewegung oder eine Bewegung mit einem vorgegebenen Bewegungsprofil sein. Die gleichförmige Bewegung und die Bewegung mit vorgegebenem Bewegungsprofil gestatten die Ausführung der Verstellbewegung mit geringen Beschleunigungen.
Wird zur Erzeugung der Interferenzbilder der Referenzlichtweg verstellt, ist dies möglich, so lange die Schärfentiefe der verwendeten Objektive nicht verlassen wird.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen, der Zeichnung oder der Beschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
Figur 1 eine Messvorrichtung gemäß einer ersten Aus- führungsform in schematisierter Darstellung,
Figur 2 die Helligkeit eines Pixels im ersten und im zweiten Interferenzbild in Abhängigkeit von der Z-Ver- stellung,
Figur 3 die Helligkeit eines Pixels des Differenzbilds und die abgeleitete Gauß-Verteilungskurve,
Figur 4 eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung zur flächenhaften Profilerfassung und
Figur 5 eine weiter abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung zur flächenhaften Profilerfassung.
In Figur 1 veranschaulicht eine Vorrichtung 1 zur flächenhaften 3D-Geometrieerfassung einer Objektoberfläche 2 eines Messobjekts 3. Zu der Vorrichtung 1 gehören eine Lichtquelle 4, ein Interferometer 5, ein selektiver Phasenschieber 6, ein Objektiv 7, ein Strahlteiler 8, eine erste Kamera 9, eine zweite Kamera 10 und eine Auswerteeinrichtung 11. Die Lichtquelle 4, die in der bevorzugten Ausführungsform eine Leuchtdiode 12 enthält, ist mit einem Kollimator 13 versehen, um ein im Wesentlichen paralleles Lichtbündel zu erzeugen. Außerdem kann ein Polarisationsfilter 14 im Lichtweg angeordnet sein, das beispielsweise eine 45° -Polarisation erzeugt.
Das Interferometer 5 ist beispielsweise ein Michelson- Interferometer . Es kann alternativ auch ein anderes Interfe- rometer, wie beispielsweise ein Mirau- Interferometer vorgesehen werden. Es unterteilt das von der Lichtquelle 4 kommende Lichtbündel in ein Messlichtbündel 15 und ein Referenzlichtbündel 16, wozu beispielsweise ein halbdurchlässiger Spiegel 17 dient. Zu dem Interferometer 5 gehört außerdem ein Refe- renzspiegel 18. In dem Pfad des Messlichtbündels 15 ist vorzugsweise außerdem ein weiteres Polarisationsfilter 19 vorgesehen, dessen Polarisationsrichtung mit der des Polarisationsfilters 14 übereinstimmt.
Der Phasenschieber 16, beispielsweise in Form einer λ/4- Platte, erzeugt eine polarisationsabhängige Phasenverschiebung, die im Ausführungsbeispiel 90° beträgt. Der vertikal polarisierte Anteil des durch das 45° -Polarisationsfilter 14 durchgelassenen Lichts wird beispielsweise um 90° verzögert, während der horizontal polarisierte Anteil ohne Phasenverschiebung passiert . Genau genommen können beide Anteile eine Phasenverschiebung erfahren, wobei die Differenz jedoch 90° beträgt . Der Spiegel 17 führt das Referenzlichtbündel 16 und das Messlichtbündel 15 wieder zusammen. Das Objektiv 7 bildet dann sowohl die Objektoberfläche 2 als auch den Referenzspie- gel 18 auf die Kameras 9, 10 ab. Dabei sorgt der Strahlteiler 8 dafür, dass die horizontal polarisierte Komponente des schräg polarisierten Lichts auf die Kamera 9 und die vertikal polarisierte Komponente auf die Kamera 10 fällt. Nachdem der Referenzlichtstrahl 16 durch den Phasenschieber 6 eine erste, nicht phasenverschobene Komponente und eine zweite, phasen- verschobene Komponente enthält, erhalten die Kameras 9, 10 somit unterschiedliche Interferenzbilder.
Die an die Kameras 9, 10 angeschlossene Auswerteeinrichtung 11 bildet aus den beiden Interferenzbildern ein Diffe- renzbild und verfolgt die Helligkeit jedes Pixels desselben während der Abstand zwischen der Vorrichtung 1 und dem Mess- objekt 3 in Z-Richtung, d.h. senkrecht zu der Objektoberfläche 2, oder mit anderen Worten parallel zur optischen Achse 20 der Vorrichtung 1, verstellt wird. Dabei nehmen die Kame- ras 9, 10 jeweils gleichzeitig in Z-Abständen Bilder auf, die größer als die Wellenlänge des Lichts der Leuchtdiode 12 ist. Unter „Wellenlänge" wird die Schwerpunktwellenlänge des von der Leuchtdiode abgegebenen nicht streng monochromatischen Lichts verstanden.
Die Vorrichtung 1 arbeitet wie folgt:
Zur Durchführung des Messvorgangs wird die Lichtquelle 4 beispielsweise in Dauerbetrieb oder auch stroboskopisch be- trieben. Letzteres kann dazu genutzt werden, zur Aufnahme der Interferenzbilder mittels der Kameras 9, 10 höhere Lichtin- tensitäten zu ermöglichen. Die Lichtquelle 4 gibt entsprechend fortwährend oder in kurzen Zeitabständen jeweils kurzkohärentes Licht ab, wobei die Kohärenzlänge vorzugsweise im Bereich von 10 -μm bis 50 μm liegt. Während des Betriebs der Lichtquelle 4 wird der Abstand zwischen der Vorrichtung 1 und der Objektoberfläche 2 in Richtung der optischen Achse 20 durch Bewegung der Vorrichtung 1 und/oder durch Bewegung des Messobjekts 3 verstellt. Dies ist in Figur 1 durch einen
Pfeil 21 angedeutet. Es werden nun mit den beiden Kameras 9, 10 synchron Interferenzbilder aufgenommen, die sich unterscheiden. Der Unterschied wird beispielsweise durch die unterschiedlichen Phasenlagen des zur Erzeugung des jeweiligen Interferenzbildes herangezogenen Referenzlichtbündels erzeugt .
Bei der in Figur 1 veranschaulichten Vorrichtung trifft unter 45° linear polarisiertes Licht auf die Oberfläche des Messobjekts, wobei nur das mit gleicher Polarisation reflektierte Licht wieder aufgenommen wird. Dafür sorgt das Polarisationsfilter 19. Die λ/4-Platte (Phasenschieber 6) bewirkt, dass die Referenzwelle nach zweifachem Durchtritt eine p-Kom- ponente und eine s-Komponente enthält, die gegeneinander um 180° phasenverschoben sind. Das Messlichtbündel und die beiden Komponenten des Referenzlichtbündels werden mit dem Spiegel 17 vereinigt und durch das Objektiv 7 in eine Bildebene abgebildet. Vor der Bildebene befindet sich der polarisierende Strahlteiler 8, der das interferierende Licht in zwei Teilstrahlen mit P-Polarisierung und mit s-Polarisierung aufteilt. Der Teilstrahl mit der p-Polarisierung enthält die P- Komponente des Referenzlichtbündels. Der s-Teilstrahl enthält die s-Komponente des Referenzlichtbündels 16. Folglich sind die zugehörigen Interferogramme, die auf den Kameras 9, 10 abgebildet werden, um 180° gegeneinander phasenverschoben.
Die Kameras 9, 10 zeichnen die Interferogramme zeitsynchron als Pixelbilder auf und liefern diese an die Auswerteeinrichtung 11. Diese subtrahiert die Interferenzbilder pi- xelweise voneinander und erzeugt somit Differenzbilder. Dieser Vorgang wird vielfach wiederholt während sich der Abstand zwischen dem Messobjekt 3 und der Vorrichtung 1 vorzugsweise kontinuierlich verändert. Die Abstandsdifferenz zwischen zwei Bildaufnahmen liegt dabei typischerweise in der Größenordnung von 1 μm, d.h. bei einer verwendeten Lichtwellenlänge von < 4 μm wird das Abtasttheorem nicht eingehalten.
Die Differenzbilder werden pixelweise ausgewertet. Ver- folgt man die Helligkeit eines Pixels des Differenzbilds über die Weglängendifferenz zwischen Messlichtweg und Referenzlichtweg, so ergeben sich systematische Streuungen der Helligkeit sobald die Weglängendifferenz geringer als die Kohärenzlänge der Lichtquelle ist. Die Signalauswertung wird von der Auswerteeinrichtung 11 durchgeführt, indem für eine bestimmte Anzahl von Helligkeitswerten ein und desselben Pixels aufeinander folgende Differenzbilder, die zu aufeinander folgenden Z-Positionen der Vorrichtung 1 gehören, die empirische Standardabweichung ermittelt wird. Die für jeden Abtastwert geltende Standardabweichung wird beispielsweise nach folgender Formel berechnet
Figure imgf000014_0001
wobei k die Nummer des Abtastschritts, n die Anzahl der in die Berechnung der Streuung einbezogenen Helligkeitswerte, i eine Zählvariable, X1 die Pixelhelligkeit für ein bestimmtes Differenzbild und Xn, der laufende Helligkeitsmittelwert ist. In Figur 2 sind mit den Kurven I und II die Helligkeitswerte eines Pixels über der Abstandsdifferenz aufgetragen. In Figur 3 ist mit der Kurve III der Helligkeitswert desselben Pixels des Differenzbilds aufgetragen. Die Kurve IV gibt die nach obiger Formel berechnete Standardabweichung wieder. Diese zeigt in Abhängigkeit von dem zurückgelegten Scanweg näherungsweise den Verlauf einer Gaußschen Glockenkurve. Sie wird dementsprechend durch eine Gaußsche Glockenkurve ap- proximiert, die in Figur 3 als Kurve V eingetragen ist. Die Ermittlung des Z-Messwerts erfolgt, indem die Position des lokalen Maximums dieser Gaußkurve V ermittelt wird.
Auf diese Weise wird für jedes Pixel der beiden Kameras 9, 10 ein Differenzbildpixel berechnet und die vorbeschriebene gleitende Berechnung der Standardabweichung über eine festgelegte Anzahl aufeinander folgender Abtastwerte (beispielsweise 5) durchgeführt. Für jedes Differenzbildpixel entsteht somit eine resultierende geglättete Kurve, die an- schließend durch die Gaußsche Glockenkurve approximiert wird, anhand derer der Z-Wert des betreffenden Pixels bestimmt wird.
Es wird dabei mit Unterabtastung gearbeitet, d.h. das Abtasttheorem wird verletzt. Dennoch wird eine Auflösung im Submikrometerbereich erhalten. Die Relativbewegung zwischen Vorrichtung 1 und Messobjekt 3 kann eine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit oder mit wechselnden Geschwindigkeiten sein. Die Z-Abstände der Bildaufnahmen können gleich bleiben oder variiert werden.
Figur 4 veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung 1. Mit Ausnahme der nachfolgend beschriebenen Einzelheiten gilt die vorige Beschreibung unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen entsprechend.
Der Phasenschieber 6 ist nicht im Referenzlichtbündel 16 sondern in dem Messlichtbündel 15 angeordnet. Somit werden die beiden Komponenten, die zur Bildung unterschiedlicher Interferenzbilder auf den Kameras 9, 10 herangezogen werden, nicht im Referenzlichtbündel 16 sondern in dem Messlichtbündel 15 erzeugt. Bei den Komponenten handelt es sich wiederum um unterschiedlich polarisierte und unterschiedlich phasen- verschobene Anteile des Lichtbündels. Die Phasenverschiebung beträgt vorzugsweise 180°. Sie kann von dem Optimalwert 180° abweichen. Sie ist vorzugsweise >90° und <270° .
Die Vorrichtung 1 gemäß Figur 4 kann im Ganzen wie vor- beschrieben zu dem Messobjekt relativ bewegt werden. Es ist jedoch auch möglich, an Stelle dessen den Abstand zwischen der Vorrichtung 1 und dem Messobjekt 3 konstant zu halten und den Referenzspiegel 18 zu bewegen, um eine Z-Abtastung durchzuführen. Dies ist auch dann möglich, wenn der Phasenschieber 6, wie in Figur 1 dargestellt, im Referenzlichtbündel 16 angeordnet ist.
Figur 5 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Soweit Elemente vorhanden sind, die mit Elementen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen identisch oder funktionsgleich oder funktionsähnlich sind, wird unter Zugrundelegung der eingeführten Bezugszeichen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen. Die Vorrichtung nach Figur 5 arbeitet mit einer Lichtquelle 4, die zwei Leuchtdioden 12a, 12b enthält, die unterschiedliche Schwerpunktwellenlängen aufweisen. Vorzugsweise liegen diese dicht beieinander. Das kleinste gemeinsame Vielfache der beiden Schwerpunktwellenlängen beträgt vorzugsweise mehr als das Dreifache einer der Schwerpunktwellenlängen. Der Spiegel 17 teilt die Lichtbündel der beiden Leuchtdioden jeweils in ein Referenzlichtbündel und ein Messlichtbündel . Im Referenzlichtweg ist ein weiterer Strahlteiler angeordnet, der wellenlängenabhängig das Licht der einen Leuchtdiode 12a zu einem Referenzspiegel 18a und das Licht der Leuchtiode 12b zu einem Referenzspiegel 18b leitet. Die Referenzspiegel 18a, 18b sind so angeordnet, dass sich für das Licht der beiden Leuchtdioden 12a, 12b an den Kameras 9, 10 ein Phasenversatz von etwa 180° ergibt. Die von den Leuchtdioden 12a, 12b abgegebenen Lichtbündel durchlaufen unterschiedlich lange Referenzlichtwege, die sich vorzugsweise um λ/4 der Schwerpunktwellenlänge eines des Spektren der beiden Leuchtdioden unterscheiden. Der Strahlteiler 8 ist wiederum frequenzselektiv. Er leitet das Licht der Leucht- diode 12a zu der Kamera 9 und das Licht der Leuchtdiode 12b zu der Kamera 10. Bei dieser Ausführungsform bildet ds Licht der beiden Leuchtdioden 12a, 12b die beiden Komponenten („erste Komponente" und „zweite Komponente") der Lichtquelle 4. Die Auswertung der Kamerabilder geschieht wie oben im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 4 beschrieben.
Anstelle der Aufsplittung des Referenzlichtbündels auf zwei Spiegel 18a, 18b ist es auch möglich, im Referenzlichtweg mit einer Anordnung nach Figur 1 zu arbeiten. Die Platte 6 ist dann eine planparallele Platte aus einem nicht doppel- brechendem Material. Aufgrund der Dispersion des Lichts der beiden unterschiedlichen Farben der beiden Leuchtdiode 12a und 12b ergibt sich zwischen beiden Lichtfärben bei jedem Durchgang wiederum der gewünschte Phasenversatz der beiden Komponenten gegeneinander von λ/4.
Bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren gelingt eine 3D- Geometrieerfassung von Objektoberflächen mit einer Unterabtastung (Verletzung des Abtasttheorems) , indem zumindest eines der beiden in einem Interferometer 5 zur Überlagerung ge- brachten Lichtbündel (Referenzlichtbündel 16 und Messlicht- bündel 15) in zwei Komponenten S und P zerlegt wird, aufgrund deren an zwei Kameras 9, 10 unterschiedliche Interferenzbilder (S- Interferenzbild und P- Interferenzbild) erzeugt werden. Die S-Komponente und die P-Komponente sind gegeneinander vor- zugsweise 180°-phasenversetzt . Aus den beiden Interferenzbildern der Kameras wird ein Differenzbild erzeugt. Bei Verwendung kurzkohärenten Lichts haben die Pixel des Differenz- bildes nur in dem Z-Bereich eine von Null verschiedene HeI- ligkeit, für den die Differenz zwischen Referenzlichtweg und Messlichtweg kleiner als die Kohärenzlänge ist. In Abhängigkeit von der Z-Koordinate weist das betrachtete Pixel des Differenzbildes einen stark schwankenden Helligkeitsverlauf auf, wobei die Hüllkurve oder auch die Standardabweichung einer Gaußschen Glockenkurve folgt. Der Helligkeitsverlauf wird durch diese approximiert. Das Kurvenmaximum legt den Z- Messwert für den Oberflächenpunkt fest, zu dem betrachteten Pixel des Differenzbilds gehört. Das Verfahren ist robust, schnell und genau.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur 3D-Geometrieerfassung von Objektoberflächen, bei dem
zur Beleuchtung der Objektoberfläche (2) ein Messlichtbündel (15) mit kurzkohärentem Licht erzeugt, dieses Messlichtbündel (15) zu der Objektoberfläche (2) geleitet und reflektiertes Licht wieder aufgefangen wird,
zur Beleuchtung eines Referenzspiegels (18) ein Referenzlichtbündel (16) erzeugt, das Referenzlichtbündel (16) zu dem Referenzspiegel (18) gesandt und reflektiertes Licht wieder aufgenommen wird,
wobei das Referenzlichtbündel (16) und/oder das Messlichtbündel (15) in eine erste Komponente (s-polari- siert) und eine zweite Komponente (p-polarisiert) unterteilt wird, die gegen die erste Komponente (s-polari- siert) einen definierten Phasenversatz aufweist,
das von der Objektoberfläche (3) und das von dem Referenzspiegel (18) reflektierte Licht überlagert und das mit der ersten Komponente (s-polarisiert) erzeugte In- terferenzbild und das mit der zweiten Komponente (p-polarisiert) erzeugte Interferenzbild jeweils aufgenommen werden,
die beiden erhaltenen Interferenzbilder zur Erzeugung eines Differenzbildes voneinander subtrahiert werden,
die Länge des Messlichtwegs (15) und/oder die Länge des Referenzlichtwegs (16) verändert wird und die obigen Schritte zur Erzeugung weiterer Differenzbilder wiederholt werden,
aus den Differenzbildern die Koordinaten (z) der Ober- flächenpunkte der Objektoberfläche (2) bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Interferenzbildern die Helligkeitsänderung in Abhängigkeit der Länge des veränderlichen Messlichtwegs (15) oder des veränderlichen Referenzlichtwegs (16) durch eine glatte Kurve (V) approximiert und deren lokales Maximum bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das lokale Maximum den gesuchten Höhenwert (z) jedes
Punktes der Objektoberfläche (2) bestimmt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahme der Interferenzbilder zeitsynchron er- folgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Referenzlichtwegs (16) oder des Messlichtwegs (15) zwischen den Aufnahmen zweier aufeinander folgender Interferenzbilder größer als ein Viertel der SchwerpunktWellenlänge des verwendeten Lichts.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Referenzlichtwegs (16) oder des Mess- lichtwegs (15) zwischen den Aufnahmen zweier aufeinander folgender Interferenzbilder größer als die Schwerpunkt- Wellenlänge des verwendeten Lichts.
7. Verfahren -nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Messlichtbündels (15) und des Referenzlichtbündels (16) schräg polarisiertes Licht verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzlichtbündel (16) oder das Messlichtbündel (15) zur Erzeugung der gewünschten Phasenverschiebung zwischen den Komponenten durch einen Phasenschieber (6) geleitet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung zwischen den Komponenten 180° beträgt .
10. Vorrichtung (1) zur 3D-Geometrieerfassung von Objekt- oberflachen,
mit einer Lichtquelle (4) , die kurzkohärentes Licht er- zeugt,
mit einem Strahlteiler (17) zur Erzeugung eines Messlichtbündels (15) zur Beleuchtung der Objektoberfläche (2) und zur Erzeugung eines Referenzlichtbündel (16) zur Beleuchtung eines Referenzspiegels (18) und zur Wiedervereinigung von Messlichtbündel (15) und Referenzlichtbündel (16) ,
mit einem Mittel (6) zur Erzeugung einer ersten Kompo- nente (s-polarisiert) und einer zweiten, gegen die erste Komponente (s-polarisiert) phasenverschobenen Komponente (p-polarisiert) in dem Referenzlichtbündel (16) und/oder in dem Messlichtbündel (15) , mit einer ersten Kamera (9) zur Aufnahme eines ersten durch Überlagerung des von der Objektoberfläche (2) und des von dem Referenzspiegel (18) reflektierte Lichts mit der ersten Komponente (s-polarisiert) erzeugten Interfe- renzbildes,
mit einer zweiten Kamera (10) zur Aufnahme eines zweiten durch Überlagerung des von der Objektoberfläche (2) und des von dem Referenzspiegel (18) reflektierte Lichts mit der zweiten Komponente (p-polarisiert) erzeugten Interferenzbildes ,
mit einer Einrichtung (11) zur Subtraktion der beiden erhaltenen Interferenzbilder zur Erzeugung eines Diffe- renzbildes,
mit einem Mittel zur Veränderung der Länge des Messlichtwegs (15) und/oder der Länge des Referenzlichtwegs (16) ,
mit einem Mittel (11) zur Bestimmung der Koordinaten der Oberflächenpunkte der Objektoberfläche aus den Differenzbildern.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (4) eine Leuchtdiode (12) ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (4) ein Mittel (14) zur Erzeugung einer Lichtpolarisation aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (14) zur Erzeugung einer Lichtpolarisa- tion ein Polarisationsfilter ist, durch das das Licht der Lichtquelle (12) hindurchgeleitet wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (6) zur Erzeugung einer ersten Komponente
(s-polarisiert) und einer zweiten, gegen die erste Komponente (s-polarisiert) phasenverschobenen Komponente
(p-polarisiert) eine in dem Referenzlichtweg angeordnetes Element (6) aus doppelbrechendem Material ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (6) zur Erzeugung einer ersten Komponente (s-polarisiert) und einer zweiten, gegen die erste Komponente (s-polarisiert) phasenverschobenen Komponente (p-polarisiert) eine in dem Messlichtweg angeordnetes Element aus doppelbrechendem Material ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (6) eine λ/4-Platte ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die λ/4-Platte gegen die Polarisation des Messoder Referenzlichtbündels (15, 16) jeweils um 45° gedreht ist .
18. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Veränderung der Länge des Messlicht- wegs eine Verstelleinrichtung zur Verstellung des Abstandes der Vorrichtung (1) von dem Messobjekt (3) ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Veränderung der Länge des Referenz- lichtwegs eine Verstelleinrichtung zur Verstellung des Referenzspiegels (18) in der und gegen die Richtung des Referenzlichtwegs (16) ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (11) zur Bestimmung der Koordinaten der Oberflächenpunkte der Objektoberfläche aus den Differenzbildern eine Recheneinrichtung ist, die für jedes Pixel des Differenzbildes den Helligkeitsverlauf in Abhängigkeit von der Verstellung des Referenzlichtwegs und/oder des Messlichtwegs verfolgt, daraus unter Zugrundelegung einer Gaußverteilung die Standardabweichung bestimmt .
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (11) aus der gewonnenen Standardabweichung eine Gaußsche Glockenkurve (V) approximiert, deren Maximum bestimmt und den z-Wert, der dem Maximum zugeordnet ist, den zugehörigen x- und y-Werten des Pixels als z-Messwert zuordnet.
22. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (6) zur Erzeugung der beiden Komponenten als erste Komponente ein Lichtbündel mit einem ersten spektralen Bereich sowie als zweite Komponente ein Lichtbündel mit einem zweiten spektralen Bereich erzeugt, der von dem ersten spektralen Bereich verschieden ist, wobei das Referenzlicht oder das Messlicht des ersten spektralen Bereichs, gegen das Messlicht oder das Referenzlicht des zweiten spektralen Bereichs bei abge- glichenem Interferometer im Wesentlichen 180° beträgt.
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