DE10203797C1 - Verfahren und Vorrichtung zur dreidimensionalen interferometrischen Messung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur dreidimensionalen interferometrischen Messung, bei dem ein Messobjekt (1.2) durch Ändern der Länge eines Lichtweges in einem Referenzarm (1.8) relativ zur Länge eines Lichtweges in einem Objektarm (1.7) in Tiefenrichtung abgetastet und die Oberflächenform mittels einer Kamera (2) und einer damit verbundenen Bildverarbeitungseinheit (3) bestimmt wird. Eine schnelle Messung wird dadurch erreicht, dass mittels der Bildverarbeitungseinheit (3) zunächst das gesamte von der Kamera (2) aufgenommene Bild zweidimensional hinsichtlich mindestens eines interessierenden Teilbereiches anhand mindestens eines vorgegebenen oder vorgebbaren Kriteriums untersucht wird und dass anschließend die Auswertung einschließlich Tiefenrichtung nur für den interessierenden Teilbereich durchgeführt wird (Fig.).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur dreidimensionalen interfero­ metrischen Messung, bei dem ein Messobjekt durch Ändern der Länge eines Lichtweges in einem Referenzarm relativ zur Länge eines Lichtweges in einem Objektarm in Tiefenrichtung abgetastet und die Oberflächenform mittels einer Kamera und einer damit verbundenen Bildverarbeitungseinheit bestimmt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren zur dreidimensionalen interferometrischen Messung ist in der DE 41 08 944 C2 und der DE 195 28 513 A1 angegeben, wobei die Me­ thode der Weißlichtinterferometrie verwendet wird. Zum Abtasten der Ober­ fläche des Messobjektes in Tiefenrichtung (z-Richtung) wird dabei das Licht einer kurzkohärenten Lichtquelle über einen Strahlteiler einerseits in einen Referenzarm mit Referenzspiegel und andererseits in einen Objektarm mit dem Messobjekt geführt und das von dem Referenzspiegel und dem Messobjekt re­ flektierte und interferierende Licht über eine Abbildungsoptik auf einen Bildaufnehmer geführt. In einer anschließenden Bildverarbeitungseinheit werden die Bilder ausgewertet, während die Länge des Lichtweges in den Referenzarm relativ zur Länge des Lichtweges in dem Objektarm z. B. durch Bewegen des Re­ ferenzspiegels geändert wird. Eine Schwierigkeit bei der Messung besteht in der Verarbeitung des hohen Datenstromes der elektrischen Signale.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereit zu stellen, mit dem die Messung schnell und genau durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 7 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass mittels der Bildverarbeitungseinheit zunächst das gesamte von der Kamera aufgenommene Bild zweidimensional hin­ sichtlich mindestens eines interessierenden Teilbereiches anhand mindestens eines vorgegebenen oder vorgebbaren Kriteriums untersucht wird und dass an­ schließend die Auswertung einschließlich Tiefenrichtung nur für den inte­ ressierenden Teilbereich durchgeführt wird, bzw. bei der Vorrichtung, dass für die dreidimensionale Abtastung des Messobjektes eine Interferometeranordnung mit dem Referenzarm und dem Messarm vorhanden ist, wobei das interferieren­ de Licht über eine Abbildungsoptik auf einen Bildaufnehmer der Kamera geführt wird, und dass in der Bildverarbeitungseinheit zum Bestimmen des interessie­ renden Teilbereichs eine Erkennungseinheit und zum dreidimensionalen Aus­ werten eine Auswerteeinheit vorhanden ist.

Durch die zunächst durchgeführte zweidimensionale Erfassung des Objektes (in x-/y-Richtung) und Bestimmung mindestens eines interessierenden Teilbereiches anhand eines vorgegebenen oder vorgebbaren Kriteriums erfolgt eine wesentli­ che Einschränkung der betrachteten Bildpunkte. Bei der anschließenden drei­ dimensionalen Auswertung nur der interessierenden Teilbereiche wird eine we­ sentliche Datenreduktion während der Tiefenabtastung der Objektoberfläche und damit eine erhebliche Steigerung der Messgeschwindigkeit erreicht.

Zum Erzielen einer hohen Messgeschwindigkeit sind dabei die Maßnahmen vor­ teilhaft, dass nach Ermitteln und Festlegen des interessierenden Teilbereichs aus der Kamera nur noch Bilddaten aus dem interessierenden Teilbereich ausgelesen werden, da ein Auslesen von Daten, die anschließend nicht weiter verarbeitet werden, unterbleibt.

Ist vorgesehen, dass der interessierende Teilbereich automatisch festgelegt wird, so erübrigt es sich, dass ein Benutzer den interessierenden Teilbereich auswählt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht dabei darin, dass die Ausdehnung des interessierenden Teilbereichs in Abhängigkeit von dem Kriterium oder einer anderen Eigenschaft variabel festlegbar ist. Die Größe des interessierenden Teilbereichs kann dabei automatisch in Abhängigkeit von der zu betrachtenden Teilstruktur des Objektes gewählt werden, so dass sich eine weitere Optimie­ rung der Messung ergibt.

Die Auswahl des interessierenden Teilbereiches kann dabei darauf beruhen, dass als Kriterium geometrische Daten oder Helligkeitsdaten zugrunde gelegt werden.

Für die Auswahl des interessierenden Teilbereiches und die Messung kann sich ein weiterer Vorteil dadurch ergeben, dass die Helligkeit durch Steuerung der Lichtquelle oder des Lichtdurchganges in dem Referenzarm der Messaufgabe an­ gepasst wird.

Zum Ermitteln des interessierenden Teilbereiches sind bei der Vorrichtung die Maßnahmen vorteilhaft, dass in der Erkennungseinheit das vorgegebene oder vorgebbare Kriterium betreffende Bezugsdaten abgespeichert oder abspeicherbar sind und eine Vergleicherstufe vorgesehen ist, in der zweidimensionale Mess­ daten den Bezugsdaten hinsichtlich einer Übereinstimmung gegenüberstellbar sind.

Für die schnelle Durchführung der Bildaufnahme während der Tiefenabtastung und der Bildauswertung besteht ein günstiger Aufbau darin, dass die Kamera als CMOS-Kamera ausgebildet ist. Dabei kann je nach Eigenart der zu betrachtenden Struktur des Messobjektes eine CMOS-Kamera mit linearer oder mit logarith­ mischer Kennlinie vorteilhaft sein. Mit der logarithmischen Kennlinie ist eine Messung auch bei einer hohen Dynamik der Objektlichkeit möglich. Eine ähnliche Anpassung an die Messstruktur lässt sich auch durch eine stückweise Anpas­ sung der Kennlinie erzielen.

Als interferometrische Messeinrichtung kann auch ein an sich bekanntes Hete­ rodyn-Interferometer oder ein anders aufgebautes Laser-Interferometer dienen.

Eine vorteilhafte Verwendung des Verfahrens oder der Vorrichtung besteht da­ rin, dass das Verfahren oder die Vorrichtung in einen Produktionsprozess zur automatischen Überprüfung der hergestellten oder herzustellenden Erzeugnisse während der Fertigung eingebunden ist, da durch die hohe Messgeschwindigkeit der Fertigungsfluss aufrecht erhalten werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Be­ zugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Interferometeranordnung 1 mit daran angeschlossener Kamera 2 und einer mit dieser verbundenen Bildverarbeitungseinheit 3.

Die Interferometeranordnung ist vorliegend als Weißlichtinterferometer aus­ geführt, wobei das schmalbandige, kurzkohärente Licht einer Lichtquelle 1.1 über einen Strahlteiler 1.4 einerseits über einen Messarm 1.7 auf ein Messobjekt 1.2 und andererseits über einen Referenzarm 1.8 auf einen Referenzspiegel 1.3 geführt wird. Das von dem Referenzspiegel 1.3 und dem Messobjekt 1.2 zurück­ kommende Licht wird zum Auswerten der Interferenz über eine Abbildungsoptik 1.6 auf einen Bildaufnehmer 2.1 der Kamera 2 geführt. Zwischen der Lichtquelle 1.1 und dem Strahlteiler 1.4 ist eine als Linse 1.5 dargestellte Optik zur ge­ eigneten Strahlformung angeordnet.

Die Kamera 2 ist als CMOS-Kamera ausgeführt, die z. B. eine lineare oder eine logarithmische Kennlinie aufweisen kann und zum schnellen Aufnehmen der Lichtinformation und Auslesen der umgewandelten elektrischen Signale vorteil­ haft ist. Mit einer logarithmischen Kennlinie kann eine hohe Dynamik der Ob­ jektleuchtdichte störungsfrei bei der Weiterverarbeitung berücksichtigt werden. Die CMOS-Kamera lässt es auch zu, bestimmte interessierende Teilbereiche des Bildes auf dem Sensor auszuwählen und in der Bildverarbeitungseinheit 3 weiter zu verarbeiten.

Die Bildverarbeitungseinheit 3 weist eine Erkennungseinheit 3.2 auf, mit der ein zunächst aufgenommenes zweidimensionales Bild des Messobjektes hinsichtlich des interessierenden Teilbereichs untersucht und ausgewertet werden kann. Hierzu ist in der Erkennungseinheit 3.2 mindestens ein Kriterium, z. B. eine geometrische Form oder eine Helligkeitscharakteristik fest abgespeichert oder auch in Abhängigkeit von dem Messobjekt von Messobjekt zu Messosjekt vor­ gebbar, so dass durch Vergleich mit dem Kriterium der interessierende Teil­ bereich bestimmt wird. Dabei kann die Auslegung der Erkennungseinheit z. B. durch Programmierung derart sein, dass die Größe des interessierenden Teil­ bereiches in Abhängigkeit von eingegebenen Koordinaten gleich bleibt oder in Abhängigkeit von dem bekannten interessierenden Teilbereich dynamisch ange­ passt wird. Auch kann die Ausgestaltung derart sein, dass mehrere interessie­ rende Teilbereiche innerhalb des zweidimensionalen Bildes erkennbar und fest­ legbar sind.

Ist der mindestens eine interessierende Teilbereich bestimmt, so wird eine Rückmeldung an die Kamera 2 gegeben, und es werden nur noch die Daten des interessierenden Teilbereiches zu der Bildverarbeitungseinheit 3 übertragen und dort in einer Auswerteeinheit 3.1 während der anschließenden dreidimensionalen Messung ausgewertet. Dadurch lässt sich der Datenstrom von der Kamera 2 zu der Bildverarbeitungseinheit 3 wesentlich reduzieren und die Auswertezeit in der Auswerteeinheit 3.1 zudem wesentlich verkürzen. Beispielsweise können bei einem interessierenden Teilbereich mit einem Ausschnitt von 80 × 80 Bild­ punkten (Pixel) 1.000 Bilder pro Sekunde von der Kamera 2 zu der Bildverarbei­ tungseinheit 3 übertragen und eine entsprechend schnelle dreidimensionale Bildauswertung mit dem Höhendatensatz der Oberflächenstruktur des Messob­ jektes 1.2 in dem interessierenden Teilbereich zum Erhalten des Messergebnis­ ses durchgeführt werden.

Denkbar ist auch, das gesamte Bild von der Kamera 2 zu der Bildverarbeitungs­ einheit 3 zu übertragen und nur den interessierenden Teilbereich in der Aus­ werteeinheit 3.1 dreidimensional auszuwerten. Dadurch wird der Datenstrom zwischen der Kamera 2 und der Bildverarbeitungseinheit 3 allerdings nicht reduziert, sondern lediglich der Aufwand für die Bildverarbeitung in der Aus­ werteeinheit 3.1.

Zur dreidimensionalen Messung erfolgt die Tiefenabtastung des Messobjektes 1.2 durch die genannte relative Änderung des Lichtweges in dem Messarm 2.1 und der Referenzarm 1.8 beispielsweise durch Bewegen des Referenzspiegels 1.3 und Festhalten des Messobjektes 1.2 oder durch Bewegen des Messobjek­ tes 1.2 und Festhalten des Referenzspiegels 1.3 oder beider jeweils in Tie­ fenrichtung und Aufnahme der einzelnen Bilder während der so durchgeführten Tiefenabtastung (Tiefenscan).

Anstelle der Ausbildung der Interferometeranordnung 1 als Weißlichtinter­ ferometer kann eine Ausbildung z. B. als an sich bekanntes Heterodyn-Inter­ ferometer oder anderes Laser-Interferometer gewählt werden.

Durch die mit dem Verfahren bzw. der Vorrichtung erreichte schnelle Messung kann z. B. ein Erzeugnis während seiner Herstellung hinsichtlich seiner Ober­ flächenbeschaffenheit in einem laufenden Herstellungsprozess überprüft werden, um eine Gut-/Schlecht-Beurteilung und gegebenenfalls eine Aussonderung vor­ nehmen zu können. Dabei ist eine 100%-Kontrolle während des Produktions­ prozesses erreichbar. Das Auswerteergebnis der dreidimensionalen Messung kann dabei z. B. zum Einwirken auf entsprechende Stellglieder im Fertigungs­ prozess 4 verwendet werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur dreidimensionalen interferometrischen Messung, bei dem ein Messobjekt (1.2) durch Ändern der Länge eines Lichtweges in einem Referenzarm (1.8) relativ zur Länge eines Lichtweges in einem Objektarm (1.7) in Tiefenrichtung abgetastet und die Oberflächenform mittels einer Kamera (2) und einer damit verbundenen Bildverarbeitungseinheit (3) be­ stimmt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass mittels der Bildverarbeitungseinheit (3) zunächst das gesamte von der Kamera (2) aufgenommene Bild zweidimensional hinsichtlich minde­ stens eines interessierenden Teilbereiches anhand mindestens eines vorgegebenen oder vorgebbaren Kriteriums untersucht wird und
dass anschließend die Auswertung einschließlich Tiefenrichtung nur für den interessierenden Teilbereich durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ermitteln und Festlegen des interessierenden Teilbereichs aus der Kamera (2) nur noch Bilddaten aus dem interessierenden Teilbereich ausgelesen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der interessierende Teilbereich automatisch festgelegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung des interessierenden Teilbereichs in Abhängigkeit von dem Kriterium oder einer anderen Eigenschaft variabel festlegbar ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kriterium geometrische Daten oder Leuchtdichtedaten zugrunde gelegt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdichte durch Steuerung der Lichtquelle (1.1) oder des Lichtdurchganges in dem Referenzarm (1.8) der Messaufgabe angepasst wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass für die dreidimensionale Abtastung des Messobjektes (1.2) eine Interferometeranordnung (1) mit dem Referenzarm (1.8) und dem Mess­ arm (1.7) vorhanden ist, wobei das interferierende Licht über eine Abbildungsoptik (1.6) auf einen Bildaufnehmer der Kamera (2) geführt ist, und
dass in der Bildverarbeitungseinheit (3) zum Bestimmen des interessie­ renden Teilbereichs eine Erkennungseinheit (3.2) und zum dreidimensio­ nalen Auswerten eine Auswerteeinheit (3.1) vorhanden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Erkennungseinheit (3.2) das vorgegebene oder vorgebbare Kri­ terium betreffende Bezugsdaten abgespeichert oder abspeicherbar sind und eine Vergleicherstufe vorgesehen ist, in der zweidimensionale Mess­ daten den Bezugsdaten hinsichtlich einer Übereinstimmung gegenüber­ stellbar sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (2) als CMOS-Kamera ausgebildet ist.

10. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren oder die Vorrichtung in einen Produktionsprozess (4) zur automatischen Überprüfung der hergestellten oder herzustellenden Er­ zeugnisse während der Fertigung eingebunden ist.