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DE102005023212B4 - Method and device for fast and accurate white light interferometry - Google Patents

Method and device for fast and accurate white light interferometry Download PDF

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DE102005023212B4
DE102005023212B4 DE200510023212 DE102005023212A DE102005023212B4 DE 102005023212 B4 DE102005023212 B4 DE 102005023212B4 DE 200510023212 DE200510023212 DE 200510023212 DE 102005023212 A DE102005023212 A DE 102005023212A DE 102005023212 B4 DE102005023212 B4 DE 102005023212B4
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Abstract

Verfahren zur Steigerung der Messgeschwindigkeit und der Messgenauigkeit bei der interferometrischen Vermessung eines Objektes, das sich im Objektarm eines interterometrischen Messkopfes befindet, und bei dem sich die optische Weglänge des Objektarms zeitlich ändert, durch Aufnahme und Auswertung eines oder mehrere Interferenzbilder, dadurch gekennzeichnet, dass während der Belichtung des jeweiligen Interferenzbildes eine zeitlich angepasste Änderung der optischen Weglänge des Referenz- oder Objektarmes erzeugt wird, sodass die Änderung der optischen Weglängendifferenz zwischen Objekt und Referenz während der Belichtungszeit T so verringert wird, dass die jeweiligen Interferenzbilder Ik während der Belichtungszeit T annähernd unverändert bleiben, und bei dem zwischen den Belichtungen eine wählbare optische Wegdifferenz erzeugt wird.Method for increasing the measuring speed and the measuring accuracy in the interferometric measurement of an object which is located in the object arm of an interterometric measuring head and in which the optical path length of the object arm changes over time, by recording and evaluating one or more interference images, characterized in that the exposure of the respective interference image is a timed change in the optical path length of the reference or object arm is generated, so that the change in the optical path length difference between object and reference during the exposure time T is reduced so that the respective interference images I k during the exposure time T approximately unchanged remain, and in which between the exposures a selectable optical path difference is generated.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Verfahren und Vorrichtung zur schnellen und genauen Weisslichtinterferometriemethod and apparatus for fast and accurate white light interferometry

Im Folgenden wird beschrieben, wie man Objektoberflächen mit interferometrischer Genauigkeit schnell und mit höherer Genauigkeit vermessen kann. Ebenso wird beschrieben, wie bewegte Objekte interferometrisch vermessen werden können. Die Erfindung überwindet die Probleme, die sich aus einer Bewegung des Interferometers oder des Objektes ergeben, sowie Probleme, die sich aus der Speckle-Statistik ergeben. Die Kombination von schneller Messung und Genauigkeitssteigerung überwindet zwei Kernbeschränkungen der Weisslichtinterferometrie.in the The following describes how to use object surfaces with interferometric Accuracy fast and with higher Can measure accuracy. It also describes how moving Objects can be measured interferometrically. The invention overcomes the problems that arise from a movement of the interferometer or of the object, as well as problems resulting from the speckle statistic result. The combination of fast measurement and accuracy overcomes two hardcore restrictions the white light interferometry.

Die Weisslichtinterferometrie ist ein etabliertes Verfahren zur Vermessung von Objekten [Haeusler91]. Bei diesen Verfahren wird das so genannte Korrelogramm abgetastet, das heißt, dass z.B. das Objekt oder das gesamte Interferometer (der „Messkopf") entlang der Interferometerachse in z-Richtung mit der Geschwindigkeit vA kontinuierlich verfahren wird. Es ist auch möglich, die Referenzfläche im Interferometer zur Abtastung zu verschieben. Dabei wird eine Serie von Interferenzbildern Ik mit der Abtastperiode δzA aufgenommen. Wenn man genügend langsam verfährt und damit Interferenzbilder Ik höchstens mit der Abtastperiode λ/4 aufnimmt, so erhält man ein genügend fein abgetastetes Korrelogramm, welches das Abtasttheorem erfüllt. Hierbei bezeichnet λ die mittlere Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle. Man bestimmt den Ort des Maximums dieses Korrelogramms oder die Phase der Modulation des Korrelogramms und kann damit den jeweiligen Abstand des betrachteten Objektpunktes ermitteln [Schraud00].White light interferometry is an established method of measuring objects [Haeusler91]. In these methods, the so-called correlogram is scanned, that is to say, for example, the object or the entire interferometer (the "measuring head") is moved continuously along the interferometer axis in the z direction at the speed v A. It is also possible to use the reference surface In this case, a series of interference images I k is recorded with the sampling period δz A. If one proceeds sufficiently slowly and thus picks up interference images I k at most with the sampling period λ / 4, one obtains a sufficiently fine-sampled correlogram, Here, λ denotes the mean wavelength of the light source used, and determines the location of the maximum of this correlogram or the phase of the modulation of the correlogram and can thus determine the respective distance of the considered object point [Schraud00].

Das Verfahren ist dem Wesen nach seriell in z-Richtung, d.h., es müssen – abhängig vom Tiefenmessbereich – mehr oder weniger viele Bilder aufgenommen werden. Der dafür nötige Zeitaufwand ist in der industriellen Praxis oft hinderlich. Um den Zeitaufwand für die Abtastung des Korrelogramms gering zu halten, wird man die Abtastgeschwindigkeit vA so groß wie möglich wählen. Die Intensität im Interferenzbild ändert sich aber während des Verfahrens mit einer Periode von zp = λ/2. Dies bedeutet, dass während der Belichtungszeit T eines Aufnahmesystems, das die Bilder Ik aufnimmt, die Weglängenänderung deutlich kleiner als λ/4 sein soll. In der Praxis zeigt sich, daß δzA geringer als 100 nm sein sollte, weil sonst der aufgenommene Interferenzkontrast deutlich abnimmt, und damit das Signal/Rauschverhältnis geringer wird, was die Messunsicherheit erhöht oder zu Ausreißern führt.The method is essentially serial in the z-direction, ie more or fewer images have to be recorded, depending on the depth measurement range. The time required for this is often a hindrance in industrial practice. To minimize the time required to scan the correlogram, one will choose the scan speed v A as large as possible. However, the intensity in the interference image changes during the process with a period of z p = λ / 2. This means that during the exposure time T of a recording system that records the images I k , the path length change should be significantly smaller than λ / 4. In practice it has been found that δz A should be less than 100 nm, since otherwise the recorded interference contrast decreases markedly and thus the signal-to-noise ratio becomes lower, which increases the measurement uncertainty or leads to outliers.

Um trotzdem schnellere Abtastung ohne starken Kontrastverlust zu erreichen, sind einige Lösungen bekannt.Around still achieve faster scanning without losing much contrast, are some solutions known.

Ideal wäre ein stufenweises Abtasten, d.h., das z.B. der Messkopf sehr schnell schrittweise verfahren wird, danach während der Belichtungszeit T steht, und dann wieder einen Schritt macht, usf. Ein solches schrittweises Verfahren erfordert hohe Beschleunigungen der bewegten Massen, was die Geschwindigkeit begrenzt.ideal would be a stepwise scanning, i.e., e.g. the measuring head very fast is moved stepwise, then during the exposure time T is, and then take another step, and so on. Such a gradual one Procedure requires high accelerations of the moving masses, what the speed is limited.

In [Blossey96] wird eine Möglichkeit beschrieben auch oberhalb der von Nyquist angegebenen Mindest-Abtastperiode abzutasten, ohne den Kontrast des Interferenzbildes deutlich zu verringern. Dies wird erreicht, durch eine mit dem Korrelogramm synchrone Modulation der Lichtquellenintensität und Quadratur-Demodulation.In [Blossey96] becomes a possibility also described above the minimum sampling period specified by Nyquist without significantly increasing the contrast of the interference image reduce. This is achieved by synchronizing with the correlogram Modulation of light source intensity and quadrature demodulation.

Ein alternatives Verfahren, das die Lichtquellensynchronisation vermeidet, wird in [Bohn2000] beschrieben. Bei dem so genannten Shutter-gesteuerten Kohärenzradar wird die Erhöhung der Geschwindigkeit mittels Kurzzeitbelichtung ermöglicht. Belichtet wird nur zu Beginn eines Bildes bis der Motor λ/6 verfahren ist. Die restliche Zeit bleibt die Lichtquelle dunkel. Dieses Verfahren ist robust gegenüber Schwankungen in der Abtastfrequenz. Durch die kurze Belichtungszeit wird die aufgenommene Bildenergie aber reduziert. Da ohnehin oft nicht genügend Licht zur Verfügung steht, ist dies ein schwerwiegender Nachteil.One alternative method that avoids light source synchronization, is described in [Bohn2000]. In the so-called shutter-controlled coherence radar will be the increase the speed by means of short-time exposure allows. Is exposed only at the beginning of an image until the engine λ / 6 process is. The rest of the time, the light source remains dark. This method is robust against fluctuations in the sampling frequency. Due to the short exposure time is the but absorbed energy absorbed. There is often not enough light anyway to disposal stands, this is a serious drawback.

Auch an die Verwendung von Kameras mit sehr hoher Bildfrequenz kann gedacht werden. Neben den hohen Kosten für solche Kameras ist die ebenfalls kurze Belichtungszeit ein großes Problem.Also thinking about the use of cameras with very high frame rate become. Besides the high costs for such cameras, the likewise short exposure time is a big problem.

Erfindungsgemäß sollen diese Nachteile überwunden werden. Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem man trotz hoher Abtastgeschwindigkeit mit langer Belichtungszeit das Korrelogramm ohne Lichtverlust und weitgehend ohne Kontrastverlust aufnehmen kann. Das Verfahren beruht darauf, daß während der Belichtung die optische Weglängendifferenz zwischen Objektarm und Referenzarm durch geeignete kombinierte Änderungen der optischen Weglänge von Objektarm und Referenzarm annähernd konstant gehalten wird. Dies bedeutet, dass sich die optische Weglängendifferenz während der Belichtung um weniger als 3·λ ändert, wobei λ die Wellenlänge des verwendeten Lichtes ist. Damit vermeidet man eine Verringerung des Kontrastes in den Interferenzbildern. Durch geeignete Bewegungen kann man auch erreichen, daß immanente Bewegungen des Objektes, z.B. durch Erschütterungen aber auch bei der Bearbeitung auf Werkzeugmaschinen weitgehend kompensiert werden können, und das Objekt trotzdem vermessen werden kann.According to the invention overcome these disadvantages become. It proposes a method that can be used in spite of high Scanning speed with long exposure time the correlogram without Loss of light and record largely without loss of contrast. The method is based on that during the Exposure the optical path length difference between arm and reference arm by appropriate combined changes the optical path length is kept approximately constant by object arm and reference arm. This means that the optical path difference during the Exposure by less than 3 · λ, where λ is the wavelength of the used light is. This avoids a reduction of the Contrast in the interference images. By suitable movements can one can also achieve that immanent Movements of the object, e.g. by shaking but also in the Machining on machine tools are largely compensated can, and the object can still be measured.

Das Verfahren wird anhand von 1 erklärt. Eine Beleuchtungsanordnung 1 beleuchtet über einen Strahlteiler 4 die Referenz 2 und das Objekt 3. Die Referenz 2 bildet im Objektarm eine virtuelle Referenzfläche 6. Das von der Referenz 2 und vom Objekt 3 reflektierte Licht wird über den Teiler 4 mit Hilfe einer Abbildungsanordnung 7 und eines Aufnahmegerätes 8 detektiert. Das Aufnahmegerät 8 liefert die Interferenzbilder Ik. Die Interferenzbilder werden mit Hilfe einer Auswerteeinheit 10 ausgewertet. Das Objekt wird abgetastet, indem entweder der Messkopf, bestehend aus 1, 2, 4, 8, 7, 8, 11 mit Hilfe einer Bewegungseinheit 9 bewegt wird, so wie es z.B. aus der Patentschrift [Häusler 91] bekannt ist.The procedure is based on 1 explained. A lighting arrangement 1 illuminated via a beam splitter 4 the reference 2 and the object 3 , The reference 2 forms a virtual reference surface in the object arm 6 , That from the reference 2 and the object 3 reflected light is going through the divider 4 with the help of an imaging arrangement 7 and a recording device 8th detected. The recording device 8th provides the interference images I k . The interference images are determined using an evaluation unit 10 evaluated. The object is scanned by either the measuring head, consisting of 1, 2, 4, 8, 7, 8, 11 by means of a moving unit 9 is moved, as it is known for example from the patent [Häusler 91].

Erfindungsgemäß werden zusätzlich weitere Einheiten zur Änderung der optischen Weglänge von Objektarm und Referenzarm eingebracht. Diese Einheiten können die optische Weglänge mechanisch oder optisch verändern. Dies kann durch ein Verschieben von Objekt oder Referenzfläche geschehen. Aber auch eine Einführen eines optischen Keils oder anderer optischer Komponenten ist vorstellbar. Zudem kann durch Variation der Lufttemperatur, des Luftdruckes oder durch Einbringung anderer Gase, die optische Weglänge verändert werden.According to the invention additionally more units to change the optical path length introduced by arm and reference arm. These units can be the optical path length change mechanically or optically. This can be done by moving an object or reference surface. But also an introduction an optical wedge or other optical components is conceivable. moreover can by varying the air temperature, the air pressure or through Introduction of other gases, the optical path length to be changed.

Die erfindungsgemäße Idee wird an einer beispielhaften Ausprägung erklärt:
Zur Abtastung des Objektes wird der Messkopf mit der Geschwindigkeit vA in z-Richtung verfahren. Dadurch wird erreicht, dass die virtuelle Referenzfläche durch das Objekt gefahren wird.The idea according to the invention is explained on an exemplary form:
To scan the object, the measuring head is moved at the speed v A in the z direction. This ensures that the virtual reference surface is driven through the object.

Erfindungsgemäß wird während der Belichtungszeit T eines Bildes Ik die Referenz 2 ebenfalls etwa mit der Geschwindigkeit vA in die gleiche Richtung, relativ zum Objekt verfahren, wie der Messkopf. Diese Bewegung wird von der Bewegungseinheit 5 bewerkstelligt, auf der die Referenzfläche montiert ist. Hierdurch wird die Bewegung des Messkopfes ausgeglichen, und die optische Weglängendifferenz zwischen Objekt- und Referenzarm ändert sich annähernd nicht. Dadurch bleibt das Interferenzbild während der Belichtung nahezu konstant. Zwischen der Aufnahme zweier Bilder, z.B. in der Austastlücke, springt die Bewegungseinheit 5 und somit die Referenz 2 wieder in die Ausgangsposition zurück.According to the invention during the exposure time T of an image I k is the reference 2 likewise at the speed v A in the same direction, relative to the object, as the measuring head. This movement is by the movement unit 5 accomplished, on which the reference surface is mounted. As a result, the movement of the measuring head is compensated, and the optical path length difference between the object and reference arm does not change approximately. As a result, the interference image remains almost constant during the exposure. Between the taking of two pictures, eg in the blanking interval, the movement unit jumps 5 and thus the reference 2 back to the starting position.

Die Referenz 2 beschreibt somit etwa eine Sägezahnbewegung die mit der Belichtung der Kamera synchronisiert wird. Diese Verfahrweise wird in 2 dargestellt.The reference 2 thus describes about a sawtooth movement which is synchronized with the exposure of the camera. This procedure is in 2 shown.

Die Bewegung der Referenz hat den Vorteil, daß sie im Messkopf integriert ist, und unabhängig vom jeweils zu messenden Objekt, insbesondere von dessen Größe und Gewicht ist. Eine leichte Referenz kann einfacher schnell bewegt werden, als ein i.a. schweres Objekt.The Movement of the reference has the advantage that it is integrated in the measuring head is, and independent of each object to be measured, in particular its size and weight is. A light reference can be moved more easily quickly, as an i.a. heavy object.

Aber auch eine Bewegung des Objektes mit einer Bewegungseinheit 5a ist möglich und in manchen Fällen vorteilhaft, z. B., wenn die Belichtungszeit T so groß ist, daß während der Belichtung die Bewegung des Messkopfes größer als die Schärfentiefe der abbildenden Optik ist. Dann läuft mit einer Bewegung des Objektes durch 5a die Referenz nicht aus dem Schärfentiefebereich.But also a movement of the object with a movement unit 5a is possible and advantageous in some cases, for. B., when the exposure time T is so large that during the exposure, the movement of the measuring head is greater than the depth of field of the imaging optics. Then it goes through with a movement of the object 5a the reference is not from the depth of field.

Die zusätzliche Möglichkeit, die optische Weglänge von Objektarm und Referenzarm variabel zu ändern hat weitere erfindungsgemäße Vorteile: Wenn z.B. durch Erschütterungen Relativbewegungen zwischen Objekt und Messkopf auftreten, dann kann während der Belichtungszeit eine der Bewegungseinheiten 5 oder 5a diese Relativbewegung kompensieren. Dies lässt sich z.B. realisieren, indem die Intensität im Interferenzbild gemessen wird, und aus der Veränderung des Intensitätsbildes ein Regelsignal für die Bewegungseinheit abgeleitet wird. Für das Regelsignal genügt die Messung eines oder weniger Punkte im Interferenzbild, z.B. mit Hilfe eines Photoempfängers 11.The additional possibility of variably changing the optical path length of the object arm and the reference arm has further advantages according to the invention: If, for example, relative vibrations occur between the object and the measuring head due to vibrations, then one of the movement units can be used during the exposure time 5 or 5a compensate for this relative movement. This can be realized, for example, by measuring the intensity in the interference image and deriving a control signal for the motion unit from the change in the intensity image. For the control signal, it is sufficient to measure one or fewer points in the interference image, for example using a photoreceiver 11 ,

Aber auch andere Verfahren zur Messung der Eigenbewegung des Objektes sind vorstellbar. Hierzu muss man die Bewegung und damit den zeitlichen Verlauf des Abstandes des Objektes relativ zu einem Fixpunkt mit einem Sensor 12 messen. Abstandsmessungen können mit einer Vielzahl von Sensoren durchgeführt werden. Lasertriangulationssensoren, Interferometer, induktive Wegaufnehmer, Ultraschall-Messköpfe, kapazitive Wegmesssysteme oder konfokale Wegsensoren sind nur eine Auswahl an Möglichkeiten.But other methods for measuring the natural motion of the object are conceivable. For this purpose, one must determine the movement and thus the time course of the distance of the object relative to a fixed point with a sensor 12 measure up. Distance measurements can be made with a variety of sensors. Laser triangulation sensors, interferometers, inductive displacement transducers, ultrasonic transducers, capacitive displacement transducers or confocal displacement sensors are only a selection of options.

Wenn das Objekt z.B. während der Bearbeitung auf einer Werkzeugmaschine, bei der es sich i.a. bewegt, oder während einer sonstigen Bewegung mit der Geschwindigkeit vB gemessen werden soll, kann man das oben beschriebene Verfahren sinngemäß anwenden. So kann man z.B. die Referenz sägezahnförmig kompensatorisch bewegen. Aber es ist auch möglich, den Messkopf mit einer Geschwindigkeit vA so zu bewegen, daß die Differenzgeschwindigkeit |vB-vA| das Samplingtheorem nicht verletzt. Damit lassen sich auch hohe Objektgeschwindigkeiten kompensieren und es ist eine Messung von bewegten Objekten möglich.If, for example, the object is to be measured during processing on a machine tool in which it is moving or during another movement at the speed v B , the method described above can be used analogously. For example, you can move the reference as a sawtooth compensator. But it is also possible to move the measuring head at a speed v A such that the differential speed | v B -v A | the sampling theorem not hurt. This also allows high object speeds to be compensated and it is possible to measure moving objects.

Die so gewonnen Daten werden mittels einer Rechnereinheit ausgewertet. Zwei Verfahren zur Auswertung unterabgetasteter Korrelogramme werden vorgeschlagen. Das eine ist aus der klassischen Mechanik als Massen-Schwerpunkts-Berechnung bekannt.The Data obtained in this way are evaluated by means of a computer unit. Two methods for evaluating subsampled correlograms are used proposed. One is known from classical mechanics as a mass-to-center calculation.

Das zweite vorgeschlagene Verfahren ist eine Korrelationsmethode. Die Grundidee ist, das gemessene Signal in jedem Pixel mit einem simulierten Interferogramm zu korrelieren. Das Ergebnis dieser Korrelation wird anschließend ausgewertet.The second proposed method is a correlation method. The basic idea is to simulate the measured signal in each pixel Correlate interferogram. The result of this correlation is subsequently evaluated.

Die schnelle Messung mit Hilfe der Bewegungskompensation führt, abhängig von der Geschwindigkeit, auf eine Unterabtastung des Korrelogramms, und damit zu erhöhter Rauschanfälligkeit. Die Messung von rauen Objekten leidet aber ohnehin unter der Tatsache, daß in einzelnen Speckles der Interferenzkontrast oft gering ist, weil dunkle Speckles sehr häufig vorkommen [Dainty75]. Das führt zu erhöhter Messunsicherheit oder sogar zu Ausreißern. Eine vorteilhafte Erweiterung der Erfindung umgeht diese Probleme. Die Lösung kann auch ohne die Bewegungskompensation vorteilhaft sein, auch wenn der Vorteil der Geschwindigkeitserhöhung dann nicht zum Tragen kommt.The fast measurement with the help of motion compensation leads, depending on the velocity, to a subsampling of the correlogram, and thus to increased Susceptibility to noise. The Measurement of rough objects suffers anyway from the fact that in single speckles of interference contrast is often low, because dark speckles very common occurrences [Dainty75]. Leading too high Uncertainty or even outliers. An advantageous extension The invention avoids these problems. The solution can also do without the motion compensation be advantageous, even if the advantage of speed increase then does not come to fruition.

Eine verringerte Messunsicherheit ist möglich, indem dem Aufnahmegerät 8, 3, weitgehend unabhängige Specklemuster M(1), M(2), ...M(n), dargeboten werden, deren Interferenzbild-Serien Ik(1), Ik(2), ...Ik(n) wie oben beschrieben gespeichert werden. Bei der Auswertung werden aus den verschiedenen Serien Ik(1), Ik(2), ... jeweils ortsabhängig die Speckle ausgewählt, wo z.B. der Interferenzkontrast am höchsten ist. Wenn z. B. für ein Kamerapixel am Ort x1, y1 die Interferenzbild-Serie Ik(1) den höchsten Interferenzkontrast aufweist, so wird diese Serie standardmäßig wie vorne beschrieben ausgewertet, um die Höhe z am Ort x1, y1 zu errechnen. Ist an einem anderen Ort x2, y2 der Interferenzkontrast einer anderen Interferenzbild-Serie, z.B. von Ik(n) höher, so wird diese ausgewertet. Auf diese Weise vermeidet man weitgehend die Auswertung der dunklen Speckles. Bereits für zwei unabhängig angebotene Specklemuster M(1), M(2) ist die Wahrscheinlichkeit, daß beide ein sehr dunkles Speckle am gleichen Ort x, y haben, nahezu Null. Bei der Auswahl aus 3 oder mehr Specklemustern M wird die Wahrscheinlichkeit, daß ein sehr helles Speckle dabei ist, sehr hoch.A reduced measurement uncertainty is possible by the recording device 8th . 3 , largely independent speckle patterns M (1), M (2), ... M (n), whose interference image series I k (1), I k (2), ... I k (n) as stored above. In the evaluation, the speckle is selected from the different series I k (1), I k (2), ..., depending on location, where, for example, the interference contrast is highest. If z. B. for a camera pixel at location x 1 , y 1, the interference fringe series I k (1) has the highest interference contrast, this series is evaluated by default as described above to calculate the height z at the location x 1 , y 1 . If, at another location x 2 , y 2, the interference contrast of another interference frame series, for example of I k (n), is higher, then this is evaluated. In this way one largely avoids the evaluation of the dark speckles. Already for two independently offered speckle patterns M (1), M (2), the probability that both have a very dark speckle at the same location x, y is nearly zero. When selecting from 3 or more Specklemustern M, the probability that a very light speckle is there, very high.

Bei der Auswertung hat man neben der Möglichkeit, die Interferenzbild-Serie mit dem höchsten Interferenzkontrast oder mit der höchsten Speckle-Helligkeit auszuwerten, noch die Möglichkeit, mehrere oder alle Interferenzbild-Serien auszuwerten und das Endergebnis für die Höhe am gegebenen Ort als gewichtetes Mittel der Einzelauswertungen zu errechnen. Der Gewichtsfaktor ist jeweils umso höher, je höher der Specklekontrast der jeweiligen Interferenzbild-Serie ist.at the evaluation one has beside the possibility, the interference picture series with the highest interference contrast or with the highest To evaluate speckle brightness, still the possibility of several or all Evaluate interference image series and the final result for the height given Calculate place as a weighted average of individual evaluations. The higher the speckle contrast, the higher the weighting factor respective interference image series is.

Die Erzeugung der möglichst unabhängigen Specklemuster kann über die Ausnutzung der zeitlichen oder der räumlichen Kohärenz, oder der Polarisation geschehen, oder auch in Kombination der Merkmale.The Generation of the possible independent bacon pattern can over the use of temporal or spatial coherence, or Polarization happen, or in combination of features.

Einfach zu verstehen ist, wenn eine Lichtquelle L(n) mit umschaltbarer (zentraler) Wellenlänge benutzt wird. Es wird zunächst eine Interferenzbild-serie Ik(1) mit der zentralen Wellenlänge λ1 aufgenommen, und danach eine oder mehrere weitere Interferenzbild-Serien Ik(n) mit der zentralen Wellenlänge λ2, .... λn. Wenn die Wellenlängendifferenz groß genug ist, dekorrelieren die subjektiven Speckles im beobachteten Bild der Objektoberfläche und die oben beschriebene Auswahl des jeweils hellsten Speckles in den Interferenzbild-Serien Ik(1), Ik(2), ...Ik(n) ist möglich. Allerdings ist die Dekorrelation für wenig raue Objekte gering, sodass man eine sehr große Wellenlängenvariation für unabhängige Specklebilder benötigt. Man kann auch die Polarisation der Beleuchtung variieren, und erzeugt so unterschiedliche Specklefelder. Letztere Methode ist auf metallischen Oberflächen weniger gut geeignet.It is easy to understand if a light source L (n) with a switchable (central) wavelength is used. Firstly, an interference image series I k (1) with the central wavelength λ 1 is recorded, and then one or more further interference image series I k (n) with the central wavelength λ 2 , .... λ n . If the wavelength difference is large enough, the subjective speckles in the observed image of the object surface and the above-described selection of the brightest speckles in the interference image series I k (1), I k (2), ... I k (n) decorrelate. is possible. However, the decorrelation is low for less harsh objects, so you need a very large wavelength variation for independent speckle images. It is also possible to vary the polarization of the illumination, thus producing different fields of speckle. The latter method is less suitable on metallic surfaces.

Effektiver ist es, mehrere Lichtquellen zu verwenden. Eine vorteilhafte Ausprägung der Vorrichtung ist in 3 dargestellt.It is more effective to use multiple light sources. An advantageous embodiment of the device is in 3 shown.

Anstelle der Lichtquelle 1 in 1 sind nun mehrere Lichtquellen L(1), L(2), ... L(n) vorhanden. Die Lichtquellen können die gleiche zentrale Wellenlänge aufweisen, oder auch verschiedene Wellenlängen, auch umschaltbar, haben. Sie können räumlich sehr eng, z. B. in einem Gehäuse angeordnet sein, oder auch deutlich räumlich nebeneinander liegen. Die Lichtquellen können gesteuert getrennt voneinander mit Hilfe eines Steuergerätes S ein- und ausgeschaltet werden.Instead of the light source 1 in 1 are now several light sources L (1), L (2), ... L (n) available. The light sources can have the same central wavelength, or even different wavelengths, also switchable have. You can spatially very narrow, z. B. be arranged in a housing, or even spatially next to each other. The light sources can be controlled separately by means of a control unit S on and off.

Aufnahme und Auswertung werden z.B. wie folgt durchgeführt:
Zunächst wird die Lichtquelle L(1) eingeschaltet, und es wird eine Abtastung des Objektes wie oben beschrieben durchgeführt, und es wird eine Interferenzbild-Serie Ik(1) aufgenommen und gespeichert. Danach wird L(1) vorzugsweise ausgeschaltet, und die Lichtquelle L(2) eingeschaltet. Alternativ, oder zusätzlich, kann auch die zentrale Wellenlänge von L(1) oder L(2) umgeschaltet werden. Es wird die Abtastung wiederholt und eine weitere Interferenzbild-Serie Ik(2) aufgenommen und gespeichert. Dieser Vorgang kann mit anderen Lichtquellen L(n) und/oder anderen Wellenlängen wiederholt werden.Recording and evaluation are carried out, for example, as follows:
First, the light source L (1) is turned on, and scanning of the object is performed as described above, and an interference image series I k (1) is taken and stored. Thereafter, L (1) is preferably turned off, and the light source L (2) is turned on. Alternatively, or additionally, also the central wavelength of L (1) or L (2) can be switched. The sampling is repeated and another interference image series I k (2) is recorded and stored. This process can be repeated with other light sources L (n) and / or other wavelengths.

Aus den verschiedenen Interferenzbild-Serien wird nun wie oben beschrieben, mit Hilfe der Auswerteeinheit in jedem Pixel x, y das am besten geeignete Interferenzsignal gesucht und die Höhe ermittelt. Am beste geeignet heißt, daß man vorzugsweise die Interferenzbild-Serie auswählt, die am Ort x, y das beste Signal-Rauschverhältnis aufweist. Das ist in vielen praktischen Fällen die Serie mit der höchsten Modulation.Out the various interference frame series will now be as described above, with the help of the evaluation unit in each pixel x, y the best searched for suitable interference signal and determines the height. Best suited is called, that he preferably selects the interference image series which is the best at location x, y Signal-to-noise ratio having. In many practical cases this is the series with the highest modulation.

Man kann vorteilhaft auch eine andere Aufnahmefolge der Interferenzbildserien wählen, die eine Mehrfachabtastung erspart. In diesem Fall wird für jeweils eine Position der Bewegungseinheit 9 nacheinander die Lichtquelle L(1), L(2), ....L(n) eingeschaltet und eine Sequenz I1(1), I1(2), ...I1(n) aufgenommen. Nachdem die Bewegungseinheit weiter verfahren wurde, wird eine neue Sequenz I2(1), I2(2), ... aufgenommen, usf. Nach der Aufnahme der vollständigen Interferenzbild-Serien wird wieder die am besten geeignete Serie wie oben beschrieben, ausgewählt und ausgewertet.You can also beneficial another Auf take the sequence of interference frames that saves a multiple scan. In this case, for each one position of the motion unit 9 successively the light source L (1), L (2), .... L (n) turned on and a sequence I 1 (1), I 1 (2), ... I 1 (n) recorded. After the moving unit has been moved further, a new sequence I 2 (1), I 2 (2), ... is recorded, and so on. After taking the complete interference frame series again, the most suitable series is selected as described above and evaluated.

Die im vorigen Absatz beschriebene Methode der Aufnahme erfordert prinzipiell ein schrittweises Verfahren. Mit der Bewegungskompensation durch die Bewegungseinheit 5, bzw. 5a ist aber eine kontinuierliche Bewegung möglich. Dazu muß die Bewegungseinheit so bewegt werden, wie in 4 dargestellt.The method of recording described in the previous paragraph requires in principle a step-by-step procedure. With motion compensation by the motion unit 5 , respectively. 5a but a continuous movement is possible. For this, the moving unit must be moved as in 4 shown.

Prinzipiell kann man auch die Lichtquellen im Aufnahmetakt umschalten, während sich die Bewegungseinheit kontinuierlich bewegt. Dadurch werden die Interferenzbild-Serien ineinandergeschachtelt. Wenn man z.B. mit 2 Lichtquellen L(1) und L(2) arbeitet, dann enthalten die aufgenommen Videobilder I1, I3, I5, ... die Interferenzbildserie für ein Speckle, erzeugt durch L(1), und die Videobilder I2, I4, I6, ... die Interferenzbildserie für ein anderes Speckle, erzeugt durch L(2).In principle, it is also possible to switch over the light sources in the recording cycle while the movement unit is moving continuously. As a result, the interference image series are nested. For example, when operating with 2 light sources L (1) and L (2), the captured video frames I 1 , I 3 , I 5 , ... contain the interference frame series for a speckle generated by L (1) and the video frames I 2 , I 4 , I 6 , ... the interference image series for another speckle, generated by L (2).

Die Lichtquellen sollten erfindungsgemäß so angeordnet sein, daß möglichst unabhängige Specklemuster erzeugt werden. Eine Lichtquelle erzeugt ein bestimmtes subjektive Specklebild im Aufnahmegerät 8, und ein objektives Specklemuster in der Eintritspupille 7a der Abbildungsanordnung 7 (3). Bewegt man die Lichtquelle senkrecht zur optischen Achse OA, so verschiebt sich das objektive Specklemuster über die Eintrittspupille der Abbildungsanordnung 7. Verschiebt sich das objektive Specklemuster um eine Entfernung gleich dem Durchmesser der Eintrittspupille, so ist das subjektive Specklebild, das das Aufnahmegerät speichert, vollständig dekorreliert. So ist es vorteilhaft, wenn auch nicht zwingend, die Lichtquellen L(1), ...L(n) so anzuordnen, daß ihre Bilder L'(1), L'(2), ... am Rand der Eintrittspupille der Abbildunganordnung liegen, wie in 5 gezeigt. In der Praxis zeigt sich, daß bereits 2 Lichtquellen eine erhebliche Verbesserung der Meßunsicherheit bewirken.The light sources should be arranged according to the invention so that the most independent speckle patterns are generated. A light source generates a particular subjective speckle image in the recorder 8th , and an objective speckle pattern in the entrance pupil 7a the picture arrangement 7 ( 3 ). If the light source is moved perpendicular to the optical axis OA, the objective speckle pattern shifts over the entrance pupil of the imaging arrangement 7 , If the objective speckle pattern shifts by a distance equal to the diameter of the entrance pupil, the subjective speckle image that stores the acquisition device is completely decorrelated. Thus, it is advantageous, although not compulsory, to arrange the light sources L (1),... L (n) in such a way that their images L '(1), L' (2), ... at the edge of the entrance pupil of FIG Figure arrangement are as in 5 shown. In practice it turns out that even 2 light sources cause a considerable improvement of the measurement uncertainty.

Es sei noch angemerkt, anstelle mehrere Lichtquellen kann man auch eine Lichtquelle verwenden, die mechanisch verschoben wird. Eine technisch vorteilhaftere Ausprägung lässt sich durch eine virtuelle Verschiebung mit Hilfe einer optischen Vorrichtung V (s. 3) erreichen. V kann z.B. durch eine bewegte, etwa rotierende Keilplatte zwischen Lichtquelle und Objekt realisiert werden. Die virtuelle Verschiebung kann auch durch optoakustische oder optoelektronische, polarisationsoptische Bauelemente erreicht werden.It should be noted that instead of multiple light sources, one can also use a light source which is mechanically displaced. A more technically advantageous embodiment can be achieved by a virtual displacement with the aid of an optical device V (see FIG. 3 ) to reach. V can be realized, for example, by a moving, approximately rotating wedge plate between the light source and the object. The virtual displacement can also be achieved by optoacoustic or optoelectronic, polarization-optical components.

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Claims (22)

Verfahren zur Steigerung der Messgeschwindigkeit und der Messgenauigkeit bei der interferometrischen Vermessung eines Objektes, das sich im Objektarm eines interterometrischen Messkopfes befindet, und bei dem sich die optische Weglänge des Objektarms zeitlich ändert, durch Aufnahme und Auswertung eines oder mehrere Interferenzbilder, dadurch gekennzeichnet, dass während der Belichtung des jeweiligen Interferenzbildes eine zeitlich angepasste Änderung der optischen Weglänge des Referenz- oder Objektarmes erzeugt wird, sodass die Änderung der optischen Weglängendifferenz zwischen Objekt und Referenz während der Belichtungszeit T so verringert wird, dass die jeweiligen Interferenzbilder Ik während der Belichtungszeit T annähernd unverändert bleiben, und bei dem zwischen den Belichtungen eine wählbare optische Wegdifferenz erzeugt wird.Method for increasing the measuring speed and the measuring accuracy in the interferometric measurement of an object which is located in the object arm of an interterometric measuring head and in which the optical path length of the object arm changes over time, by recording and evaluating one or more interference images, characterized in that the exposure of the respective interference image is a timed change in the optical path length of the reference or object arm is generated, so that the change in the optical path length difference between object and reference during the exposure time T is reduced so that the respective interference images I k during the exposure time T approximately unchanged remain, and in which between the exposures a selectable optical path difference is generated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt oder der Messkopf mit der Geschwindigkeit vA bewegt wird, und die Referenz jeweils während der Belichtungszeit T des Aufnahmegerätes mit der Geschwindigkeit vcomp so bewegt wird, dass während dieser Zeit die optische Weglängendifferenz zwischen Objekt und Referenz zeitlich annähernd so konstant bleibt, dass sich das Interferenzbild nur geringfügig ändert, und dass zwischen den Belichtungen der Bilder Ik der durch die zusätzliche Bewegung erzeugte Weg s = vcomp·T der Referenz – vorzugsweise in einer schnellen Bewegung, sägezahnförmig – wieder rückgängig gemacht wird.A method according to claim 1, characterized in that the object or the measuring head is moved at the speed v A , and the reference during the exposure time T of the recording device at the speed v comp is moved so that during this time the optical path length difference between object and reference remains approximately constant in time that the interference image changes only slightly, and that between the exposures of the images I k the path generated by the additional movement s = v comp · T the reference - preferably in a rapid movement, sawtooth - again reversed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf mit der Geschwindigkeit vA bewegt wird, und das Objekt während der Belichtungszeit T des Aufnahmegerätes mit der Geschwindigkeit vcomp so bewegt wird, dass während dieser Belichtungszeit die optische Weglängendifferenz zwischen Objekt und Referenz zeitlich annähernd so konstant bleibt, dass sich das Interferenzbild nur geringfügig ändert, und dass zwischen den Belichtungen der Interferenzbilder Ik der durch die zusätzliche Bewegung erzeugte Weg s = vcomp·T des Objektes – vorzugsweise in einer schnellen Bewegung, sägezahnförmig – wieder rückgängig gemacht wird.A method according to claim 1, characterized in that the measuring head is moved at the speed v A , and the object during the exposure time T of the recording device at the speed v comp is moved so that during this exposure time, the optical path length difference between object and reference in time approximates remains so constant that the interference image changes only slightly, and that between the exposures of the interference images I k the path generated by the additional movement s = v comp · T of the object - preferably in a rapid movement, sawtooth - is reversed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eigenbewegung des Objektes durch eine geeignete Weglängenänderung im Interferometer teilweise so kompensiert wird, dass die optische Weglängenänderung zeitlich annähernd konstant ist, wobei während der Belichtung die Weglängenänderung kleiner als das dreifache der verwendeten Wellenlänge ist.Method according to claim 1, characterized in that that a proper movement of the object by a suitable path length change In the interferometer is partially compensated so that the optical path length approximate in time is constant while being the exposure the path length change is less than three times the wavelength used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer auch zeitlich variierenden Eigenbewegung des Objektes eine Weglängendifferenz so erzeugt wird, dass während der Belichtung der Interferenzbilder die optische Wegdifferenz annähernd konstant bleibt, und dass zwischen den Belichtungen der Sensorkopf oder die Referenz oder beide kombiniert, eine gewählte Weglängendifferenz erzeugen.Method according to claim 1, characterized in that that with a temporally varying self-motion of the object a path length difference is generated so that during the exposure of the interference images, the optical path difference approximately constant remains, and that between the exposures of the sensor head or the Reference or both combined, generate a selected path length difference. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die notwendige optische Weglängenänderung durch einen Sensor, der die Relativbewegung zwischen Sensorkopf und Objekt misst, bereitgestellt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized characterized in that the necessary optical path length change through a sensor that detects the relative movement between the sensor head and object measures, is provided. Vorrichtung zur schnellen interferometrischen Vermessung von Objekten mit einem Interferometer, das ein Interferenzbild erzeugt, bei dem eine Referenz mit dem Objekt überlagert wird, einer optischen oder mechanischen Vorrichtung, hier Bewegungseinheit genannt, die eine Änderung der optischen Weglängendifferenz zwischen Objekt und Referenz erzeugt, einem Bildaufnahmegerät, das jeweils mit einer Belichtungszeit T Interferenzbilder Ik aufzeichnet, einer Auswerteeinheit, die die Interferenzbilder auswertet, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinheit derart ausgebildet ist, dass sie die optische Weglänge während der Belichtung der jeweiligen Interferenzbilder annähernd konstant hält und zwischen den Belichtungen der Interferenzbilder eine vorgebbare Weglänge einstellt.An apparatus for fast interferometric measurement of objects with an interferometer, which generates an interference image in which a reference is superimposed on the object, an optical or mechanical device, here called moving unit, which generates a change in the optical path length difference between object and reference, an image pickup device , which records respective interference images I k with an exposure time T, an evaluation unit which evaluates the interference images, characterized in that the movement unit is designed such that it keeps the optical path length approximately constant during the exposure of the respective interference images and between the exposures of the interference images sets a predefinable path length. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zur Messung der Relativbewegung zwischen Sensorkopf und Objekt eingesetzt wird.Device according to claim 7, characterized in that a sensor for measuring the relative movement between the sensor head and object is used. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Interferometerkopf als räumlich vom Objekt getrennter Messkopf ausgeformt ist.Device according to claim 7, characterized in that that the interferometer head as spatially separated from the object Measuring head is formed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinheit weiterhin so ausgebildet ist, dass sie die Referenz jeweils während der Belichtungszeit T des Aufnahmegerätes mit der Geschwindigkeit vcomp so bewegt, dass während dieser Zeit die optische Weglängendifferenz zwischen Objekt und Referenz zeitlich annähernd so konstant bleibt, dass sich das Interferenzbild nur geringfügig ändert.Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the movement unit is further configured so that it moves the reference during the exposure time T of the recording device at the speed v comp so that during this time the optical path length difference between object and reference remains approximately constant in time so that the interference pattern changes only slightly. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinheit einen piezoelektrischen Kristall zur Ausführung dieser Bewegung – aufweist.Device according to claim 10, characterized in that that the moving unit has a piezoelectric crystal for carrying out this Movement - has. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinheit ferner derart ausgebildet ist, dass sie den zwischen den Belichtungen der Bilder Ik durch die zusätzliche Bewegung erzeugten Weg s = vcomp·T der Referenz zumindest teilweise wieder rückgängig macht.Device according to one of claims 10 to 11, characterized in that the movement unit is further designed such that it at least partially reverses the path generated between the exposures of the images I k by the additional movement s = v comp · T the reference. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinheit derart ausgebildet ist, dass sie die Referenz in eine Sägezahnbewegung versetzt.Device according to one of claims 10 to 12, characterized that the movement unit is designed such that it is the reference in a sawtooth motion added. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinheit ferner derart ausgebildet ist, dass sie die Sägezahnbewegung mit der Bildaufnahme des Aufnahmegerätes synchronisiert.Device according to one of claims 10 to 13, characterized in that the movement unit is further designed such that it the sawtooth movement synchronized with the image recording of the recording device. Verfahren zur Verringerung der Messunsicherheit bei der Weisslichtinterferometrie, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt durch mehrere schaltbare Lichtquellen L(n) so beleuchtet wird, dass eine Beobachtungseinheit mehrere Interferenzbildserien Ik(n) mit unterschiedlichen subjektiven Specklebildern M(n) aufnimmt, und diese Interferenzbildserien so ausgewählt werden, dass ortsabhängig jeweils die Interferenz- bildserien ausgewertet werden, die am betrachteten Ort die besten Signal-Rauschverhältnisse zeigen.Method for reducing the measurement uncertainty in the case of white light interferometry, characterized in that the object is illuminated by a plurality of switchable light sources L (n) such that one observation unit records a plurality of interference image series I k (n) with different subjective speckle images M (n), and these interference image series be selected so that, depending on location, the interference image series are evaluated which show the best signal-to-noise ratios at the location considered. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen L(n) an verschiedenen Orten so angeordnet sind, dass ihre Bilder L'(n) an verschiedenen Positionen in der Eintrittspupille der Beobachtungseinheit liegen.Method according to claim 15, characterized in that that the light sources L (n) are arranged at different locations are that their pictures L '(n) at different positions in the entrance pupil of the observation unit lie. Verfahren nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellenbilder L'(n) am Rand der Eintrittspupille der Beobachtungseinheit liegen.Method according to claims 15 and 16, characterized that the light source images L '(n) lie on the edge of the entrance pupil of the observation unit. Verfahren nach Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtquellen verschiedener Wellenlängen benutzt werden.Method according to claims 15 to 17, characterized that light sources of different wavelengths are used. Verfahren nach Anspruch 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen gesteuert im Takt der Bildaufnahme umgeschaltet werden.Method according to claims 15 to 18, characterized that the light sources controlled switched in time with the image capture become. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9 und einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungskompensation nach einem der Ansprüche 1-9 über mehrere Bildaufnahmetakte 1-n erfolgt, sodass während jeden Taktes ein anderes Specklemuster M1 bis Mn erzeugt werden kann, ohne dass sich die Weglängendifferenz zwischen Objekt und Referenz ändert.Method according to Claims 1 to 9 and one of Claims 15 to 19, characterized in that the motion compensation according to one of Claims 1 to 9 takes place over a plurality of image recording cycles 1-n, so that a different speckle pattern M 1 to M n can be generated during each cycle without changing the path length difference between object and reference. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung der Specklemuster ohne die Bewegungskompensation benutzt wird.Method according to claim 19, characterized that the switching of the speckle patterns without the motion compensation is used. Vorrichtung zur Verringerung der Messunsicherheit bei der Weisslichtinterferometrie, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere räumlich gegeneinander versetzte Lichtquellen und ein Steuergerät, das mit den Lichtquellen zur zeitlich nacheinander erfolgenden Ansteuerung der Lichtquellen verbunden ist, vorgesehen sind, wobei die Lichtquellen derart angeordnet sind, dass das Objekt aus mehreren Richtungen sequentiell beleuchtet werden kann, und eine Aufnahme- und Auswerteeinheit vorgesehen ist, die ausgebildet ist, Interferenzbild-Serien aufzunehmen und aus diesen Interferenzbild-Serien jeweils ortsabhängig die Serie mit dem besten Signal-Rauschverhältnis zur Auswertung auszuwählen.Device for reducing the measurement uncertainty in the case of white light interferometry, characterized in that several spatially mutually offset light sources and a control unit that with the light sources for temporally successive control the light sources is connected, are provided, wherein the light sources are arranged such that the object from several directions can be illuminated sequentially, and a recording and evaluation is provided, which is adapted to receive interference image series and from these interference picture series, depending on location, the Select series with the best signal-to-noise ratio for evaluation.
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J.C. Dainty, ed.: "Laser speckle and related phenomena". Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1975 *
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