DE102005023212A1 - Measurement speed and accuracy increasing method for use during interferometric measurement of object, involves producing change of optical distance of object arm during exposure of interference images such that images remain unchanged - Google Patents
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Abstract
Description
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
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
Die
Referenz 2 beschreibt somit etwa eine Sägezahnbewegung die mit der
Belichtung der Kamera synchronisiert wird. Diese Verfahrweise wird
in
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
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
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
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.The Data obtained in this way are evaluated by means of a computer unit. Two methods for evaluating subsampled correlograms are used proposed.
Das eine ist aus der klassischen Mechanik als Massen-Schwerpunkts-Berechnung bekannt.The one is from classical mechanics as a mass-to-center calculation known.
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 The basic idea is the measured signal in each pixel with a simulated interferogram to correlate. 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
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 λ, 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. An interference image series I k (1) with the central wavelength λ, is first 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
Anstelle
der Lichtquelle
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.As described above, using the evaluation unit, the most suitable interference signal is searched for in each pixel x, y from the various interference image series, and the height is determined. Best suited means that one preferably selects the interference image series which has the best signal-to-noise ratio at location x, y. This is the series with the highest in many practical cases 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
Die
im vorigen Absatz beschriebene Methode der Aufnahme erfordert prinzipiell
ein schrittweises Verfahren. Mit der Bewegungskompensation durch
die Bewegungseinheit
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
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.
Referenzen:References:
-
[Haeusler91] G. Häusler, „Verfahren
und Einrichtung zur berührungslosen
Erfassung der Oberflächengestalt
von diffus streuenden Objekten",
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DE200510023212 DE102005023212B4 (en) | 2005-05-16 | 2005-05-16 | Method and device for fast and accurate white light interferometry |
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