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