DE19545369C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abstands- und Profilmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ab­ stands- und Profilmessung einer auszumessenden Oberfläche mittels Triangulationstechnik mit wenigstens einer Lichtquelle, deren Licht lateral getrennt wird und mittels optischer Elemente auf eine Meßebene ge­ langt, die optisch auf eine Empfänger- und Aus­ werteeinheit abgebildet wird. Ferner richtet sich die Erfindung auf eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Verfahren und Vorrichtungen der vorstehend angegebenen Gattung werden für hochgenaue Abstandsmessungen sowie zur Vermessung von Oberflächenprofilen verwendet.

Als Ergebnis der Messung ergibt sich der Abstand eines Oberflächenelementes von einem Referenzpunkt, bzw. das 2D-Profil der Oberfläche. Bei einer Relativbewegung zwischen Sensoranordnung und Prüflingsoberfläche kann auch das 3D-Profil erfaßt werden.

Es sind hochauflösende Triangulations-Sensoren auf dem Markt, die bereits eine große Höhenauflösung gestatten, beispielsweise mit einer Auflösung im Submikrometerbereich. Probleme gibt es jedoch bei feinbearbeiteten Metallober­ flächen. Hier bildet sich aufgrund der verwendeten Laserstrahlung im detektierten Fokusfleck ein Specklemuster aus, welches bei der Intensitätsauswertung des Fokus­ fleckes zu beträchtlichen Meßfehlern führen kann, bei­ spielsweise in der Größenordnung von 10 µm.

Die Fachwelt in der Industrie und im akademischen Bereich bestätigt ausnahmslos, daß an feinbearbeiteten metallischen Oberflächen mit den Laser-Triangulationsverfahren eine Meßunsicherheit von 10 µm kaum zu unterschreiten ist.

Schließlich ist aus der DE 44 15 834 A1 eine Vor­ richtung zur optischen Vermessung von Entfernungen und räumlichen Koordinaten bekannt, die sich der Streifenprojektionstechnik bedient. Bei der hierbei vorgestellten Vorrichtung dient jedoch die Objektoberfläche, auf die das Streifenmuster projiziert wird, als Schärfeebene für die Aus­ werteabbildung, wodurch die obenstehend aufgeführten Auflösungseigenschaften nicht verbessert werden können.

Ähnliche Vorrichtungen gehen aus der DD 3 00 046 A7 sowie aus dem Artikel von J. Puder, K. Körner, A. Krahn und H. Fritz: "Formmeßgerät mit interferometrischem Streifengenerator" in: tm-Technisches Messen 62 (1995) 9, S. 328-330, hervor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Gattung derart weiterzubilden, daß eine hochgenaue Messung des Abstandes von Oberflächen und der Messung eines 2D-Profils technischer Präzisionsoberflächen möglich ist. Insbesondere soll die Messung der Welligkeit und des 2D-Profils beispielsweise an feinbearbeiteten Metalloberflächen wie Zahnrädern oder Turbinenschaufeln eingesetzt werden.

Die Anwendung der Erfindung soll sehr wesentlich die Genauigkeit der Messung des Abstandes und des Profils technischer Oberflächen mit dem Triangulationsverfahren verbessern. Dies soll besonders an Oberflächen möglich sein, an denen durch Speckling im allgemeinen große Meßfehler verursacht werden oder durch die Ausdehnung des Lichtfleckes nur eine geringe Meßgenauigkeit erre­ icht wird. Ferner sollen die für die Messung er­ forderlichen Stabilitätsbedingungen verbessert werden. Schließlich soll die laterale Auflösung bei der Topographiemessung verbessert werden. Der Höhen-Meßbereich soll überdies auch vergrößert werden.

Die Lösung der Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 6 angegeben. Vorteilhafte Ausbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Abstands- und Profilmessung einer auszumessenden Oberfläche mittels Triangulationstechnik, derart ausgebildet, daß Licht wenigstens einer Lichtquelle lateral getrennt wird. Aus dem lateral getrennten Licht wird mittels optischer Elemente ein Interferenzfeld erzeugt, in dem Orte gleicher Interferenzphase eine Meßebene definieren. Die Meßebene wird als Schärfeebene optisch konjugiert auf eine Empfänger- und Auswerteeinheit abgebildet und so gelegt, daß sie mit der auszumessenden Oberfläche eine gemeinsame Schnittlinie aufweist. Schließlich wird das Bild auf der Empfänger- und Auswerteeinheit triangulatorisch ausgewertet.

Ebenso erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Ab­ stands- und Profilmessung einer auszumessenden Ober­ fläche mittels Triangulationstechnik mit wenigstens einer Lichtquelle, einem Interferometer und einem Kol­ limatorobjektiv zur Erzeugung eines Interferenzfeldes in dem Orte gleicher Phase eine Meßebene definieren, die die auszumessende Oberfläche schneidet sowie einer weiteren optischen Abbildungsstufe, welche die Meßebene als schrägliegende Schärfeebene auf eine Empfangs- und Auswerteeinheit abbildet.

Die von wenigstens einer Lichtquelle vorzugsweise einer Laserlichtquelle oder mehrere Laserlichtquellen mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge, ausgehenden Bündel werden durch eine Teilung der Amplitude in je zwei Teilbündel aufgespalten. Diese werden in ihrer weiteren Ausbreitung durch laterale Shear im Ausbrei­ tungsraum räumlich getrennt und durch anschließende Kollimierung oder durch Kollimierung und anschließende laterale Shear und Ablenkung durch Re­ flexion, auch Mehrfachreflexion, Lichtbrechung oder Licht­ beugung so beeinflußt, daß zwei zueinander geneigte Teil­ bündel der Paare von zueinander geneigten Teilbündeln mit gleicher oder unterschiedlicher Lichtwellenlänge - bei Verwendung einer oder mehrerer Lichtquellen - entstehen, welche ein stehendes Interferenzfeld bilden.

Es ist aber auch möglich, daß durch Lichtbeugung mehrere gebeugte Planwellen entstehen, wobei genau zwei beugende Planwellen durch eine Raumfrequenzfilterung separiert werden, die ebenfalls ein stehendes Interferenzfeld bil­ den. In diesem Interferenzfeld stellt der Ort gleicher Phase eine mögliche Meßebene dar. Wenn es im Inter­ ferenzfeld einen Streifen nullter Ordnung gibt, definiert dieser den Ort der Meßebene.

Das Interferenzfeld gelangt auf eine Prüflingsoberfläche und bildet dort ein Streifensystem, vorzugsweise mit einem Streifen nullter Ordnung.

Die Meßebene und damit auch ein schmaler Bereich der Prüflingsoberfläche wird auf eine Fläche, beispielsweise eine Gitterstruktur, scharf abgebildet, so daß auch ein Teil des Streifensystems scharf abgebildet wird. Diese Fläche kann im einfachsten Fall ein Gitter oder ein Bildempfänger sein, beispielsweise eine CCD-Zeile oder CCD-Matrix. Bei ungünstigen Abbildungsverhältnissen er­ folgt die Abbildung des Streifensystems zunächst auf ein feines Gitter, wobei durch Lichtbeugung ein Lichtbündel oder mehrere näherungsweise senkrecht zur Gitteroberfläche abgestrahlt wird. Dieses Streifensystem wird auf einen Bildempfänger abgebildet und ausgewertet.

Auch ist die gleichzeitige Abbildung des Streifensystems auf mehrere gröbere Gitter möglich, beispielsweise drei oder vier Gitter, die in der Gitterperiode mit dem Strei­ fensystem näherungsweise übereinstimmen, um drei oder vier Signale durch eine integrale Erfassung des transmittierten oder reflektierten Lichtes in unterschiedlicher Phasenlage zu gewinnen. Aus diesen kann in der bekannten Art ein Phasenwert bestimmt werden. Dieser Phasenwert kann ge­ meinsam mit der Lage des Streifensystems zu einer hochge­ nauen Bestimmung der Lage des Streifens nullter Ordnung benutzt werden.

Das auf die CCD-Zeile von der Prüflingsoberfläche abge­ bildete Intensitätsprofil des Streifensystems mit einer einhüllenden Modulationskurve wird ausgewertet. Dabei kann die genaue Lage des Streifens nullter Ordnung in Bezug auf die Pixel der CCD-Zeile - im Subpixelbereich - aus einem Teil oder dem gesamten Streifensystem bestimmt werden. Dies ist zum ersten durch die Bestimmung der Phase des Streifenmusters in den einzelnen Pixeln der CCD-Zeile möglich. Es können jeweils die Orte der Phasenwerte null auf der CCD-Zeile berechnet werden. Es ist möglich, dazu die bekannten Methoden der räumlichen Streifenauswertung zu verwenden, beispielsweise FFT-Algorithmen oder statische Streifen-Auswerteverfahren. Auch Kreuzkorrelationsverfahren sind anwendbar. Die absolute Streifenordnung und damit der Streifen nullter Ordnung wird aus dem Maximum im Modulationsverlauf im Streifensy­ stem bestimmt. Auch dies kann mit FFT-Methoden bestimmt werden, indem der Ort gleicher Anfangsphase auf der CCD-Zeile - im Subpixelbereich - berechnet wird. Dies ent­ spricht im Idealfall der Mitte des Streifens nullter Ordnung. Diese Methoden können im Echtzeitbetrieb mit speziellen Signalverarbeitungsprozessoren realisiert werden, wodurch sich eine hohe Meßgeschwindigkeit ergibt.

Auch ist es möglich, daß die Reflexion der Teilbündel an schwingenden, kippenden oder rotierenden Spiegelflächen erfolgt und diese Frequenzen, bzw. Drehzahlen bei der Bewegung der Spiegelflächen auf die Integrationszeit eines Bildempfängers abgestimmt sind, wobei eine Synchronisierung dieser Bewegungen bezüglich der Bildauslesung erfolgen kann.

Weiterhin ist es möglich, daß bei einem abstands- und profilmessenden Triangulationsverfahren neben der lateralen Trennung der Lichtwellen auch der optische Gangunterschied zwischen den interferierenden Wellen durch Wellenleitung in optisch verschieden langen Wel­ lenleitern ungleich null gemacht wird. Dabei wird Licht verschiedener monochromatischer Quellen, die wellenlängenabstimmbar sind, über Y-Weichen in einen Wellenleiter eingekoppelt, welcher über einen Koppler in ein Wellenleiterchip gelangt, wo eine Amplitudentei­ lung erfolgt. Ein Teil wird reflektiert und verläßt den Chip an einer seiner Außenflächen als Teil einer Kugel­ welle. Der andere Teil gelangt über einen Koppler in einen externen Monomode-Wellenleiter, breitet sich in diesem aus, wird wieder in den Chip eingekoppelt und tritt an der gleichen Außenfläche wie der erste Teil aus dem Chip wieder aus. So entstehen zwei Teile einer Kugelwelle mit lateral getrennten Quellpunkten, welche in einen Kollimator gelangen und kollimiert werden, wobei die Quellpunkte, bzw. die Außenfläche des Chips, in der ersten Brennebene des Kollimators liegen/liegt. So entstehen zwei zueinander geneigte plane Wellen, die sich in der zweiten Brennebene des Kollimators voll­ ständig überdecken.

Da Licht verschiedener Wellenlängen zur Interferenz kommt, entstehen gleichzeitig Interferenzstreifenmuster mit unterschiedlicher Ortsfrequenz und Phasenlage bei Detektierung dieser Interferenz durch eine Auskopplung mit einem ortsauflösenden Empfänger, beispielsweise einer CCD-Zeile. Bei einem Ein- und Ausschalten der Quellen zeitlichen nacheinander, d. h. nur je eine Quel­ le ist in Betrieb, kann für ein wählbares Pixel, wel­ ches beispielsweise den Durchstoßpunkt der Kollimator­ achse für die erste Quelle darstellt, die Wellenlänge so eingestellt werden, daß sich auf dem genannten Pixel ein beliebiger Phasenwert einstellt, zum Beispiel auch der Phasenwert null. Dieser Phasenwert wird durch eine aktive Regelung stabilisiert. Beim Einschalten der nächsten Quelle und Ausschalten der ersten wird die Prozedur des Wellenlängeneinstellens, bzw. -abgleichens wiederholt, bis sich für das genannte Pixel ebenfalls der Phasenwert null ergibt, welcher ebenfalls stabili­ siert wird. Dies wird fortgesetzt bis alle Quellen wellenlängen-mäßig abgestimmt sind und auf dem Pixel den Phasenwert null erzeugen. Gleichzeitig wird für jede Quelle genau der Betrag der notwendigen Wellen­ längenverschiebung ermittelt, der zu einer vollen Streifenverschiebung, bzw. dem Phasenwert 2 Pi gehört. Wenn diese Informationen für alle Wellenlängen erfaßt und abgespeichert sind, werden bei Beginn der Messung alle Quellen gleichzeitig eingeschaltet. Es entsteht auf der Oberfläche ein Streifenmuster mit einem Strei­ fen nullter Ordnung, bei Vorhandensein von Quellen mit hinreichend verschiedenen Wellenlängen und ähnlicher Amplitude, z. B. im Wellenlängenverhältnis bis 1 : 2 zwischen kleinster und größter Wellenlänge.

Es ergibt sich so eine Meßebene, die den nullten Streifen enthält und durch die Lage des nullten Streifens im Raum aufgespannt wird.

Durch gleichzeitiges Betreiben und wellenlängenmäßiges Durchschalten der Quellen in der Art, daß sich für die Streifenmuster aller Wellenlängen im Bereich des Streifens nullter Ordnung jeweils gleiche Phasenänderungen ergeben, kann im Bereich des Streifens nullter Ordnung die Phase in wählbaren Schritten verstellt und jeweils ein Bild aufge­ nommen werden. So kann bei einer optisch konjugierten Abbildung der Meßebene und damit auch des Strei­ fens nullter Ordnung unter Verwendung einer Modulationsgradmaske eine Auswertung mit dem Phase-shift-Verfahren erfolgen. So kann beispielsweise auf einem CCD-Bildempfänger dieser Ort der Phasenlage null im Subpixelbereich berechnet werden, und es ergibt sich das Profil der Oberfläche in einem Schnitt.

In einen Lichtwellenleiter wird Licht, welches aus einem oder mehreren Lichtquellen, vorzugsweise aus Halbleiter-Lasern stammt, über Y-Weichen eingekoppelt und gelangt aus dem Ende des Lichtwellenleiters als divergierendes Bündel in ein Interferometer, vorzugsweise in ein zyklisches, beispielsweise in ein Dreiecks-Interferometer, welches zwei Planspiegelflächen oder ein zyklisches Inter­ ferometer mit einer geradzahligen Anzahl von Planspiegelflächen enthält. An einer Strahlteilerschicht erfolgt eine Bündelaufspaltung. Ein Bündel läuft rechts das andere links herum. Dabei werden beispielsweise zwei oder 2n (n = 2, 3, 4 . . . ) Planspiegelflächen passiert. Als Ergebnis entstehen zwei Bündel, welche das zyklische Interferometer verlassen und eine Lateral-Shear gegenein­ ander aufweisen. Dazu wird im zyklischen Interferometer eine Asymmetrie in der jeweiligen Entfernung und im Winkel der Planspiegel zur Strahlteilerschicht eingestellt. Die beiden Bündel gelangen nach dem Verlassen des Interfero­ meters in ein Kollimatorobjektiv, welches aus den beiden divergenten Bündeln kollimierte Bündel, d. h. solche mit planen Wellenfronten erzeugt. Die divergenten Bündel werden dabei vorzugsweise so zum Kollimatorobjektiv positioniert, daß die beiden Bündelachsen symmetrisch zur optischen Achse des Kollimatorobjektivs liegen. Diese weisen aufgrund der Lateral-Shear nach der Kollimierung eine Neigung zueinander auf, wobei die Winkelhalbierende der beiden Bündelachsen mit der optischen Achse des Kollimatorobjektivs zusammenfällt. Auf einer zu ver­ messenden Prüflingsoberfläche, welche sich beispielsweise in der Fokalebene des Kollimatorobjektivs befindet, ist ein Interferenzstreifenmuster zu beobachten, welches bei der Bewegung der zu vermessenden Prüflingsoberfläche in der Tiefe oder bei einer Prüflingsoberfläche mit Tie­ fenausdehnung nicht verschwindet. Bei Verwendung nur einer Laserwellenlänge, also monochromatischen Lichtes, entsteht ein äquidistantes, über dem Bündelquerschnitt ausgedehntes Streifenmuster.

Bei Verwendung polychromatischen Lichtes entsteht auf der Prüflingsoberfläche ein Streifenmuster mit einem Streifen nullter Ordnung, welcher im Idealfall von der optischen Achse des Kollimatorobjektivs durchstoßen wird und in der Tiefe des Raumes die Meßebene aufspannt.

In der Fokalebene des Kollimatorobjektivs kann eine voll­ ständige Überdeckung der beiden Bündel erfolgen.

Die Streifenbreite der Interferenz streifen wird auf der Prüflingsoberfläche neben der Wellenlänge des Lichtes von der Brennweite des Kollimatorobjektivs und der Größe der Lateral-Shear zwischen den Bündeln bestimmt.

Ein Wechsel des Kollimatorobjektivs führt zu einer Änderung der Streifenbreite, aber in der Regel auch zu einer anderen Lage der Fokalebene, in welcher die Streifen auf der Prüflingsoberfläche beobachtet werden. Wenn an sehr steilen Flanken von Zähnen gemessen wird, kann ein Verringern der Streifenbreite sich erforderlich machen. Deshalb sind hier wechselbare Objektive mit konstanter Fokalebenenlage vorteilhaft.

In einem ausgedehnten Tiefenbereich um die Fokalebene ist dabei der Streifen nullter Ordnung im Bereich der optischen Achse des Kollimatorobjektivs auf der zu ver­ messenden Prüflingsoberfläche zu beobachten, der in der Tiefe des Raumes die Meßebene aufspannt.

Andererseits ist es auch möglich, daß die Kollimierung der Bündel unmittelbar nach dem Austritt des Lichtes aus dem Lichtwellenleiter erfolgt und in das zyklische Inter­ ferometer ein oder mehrere bereits kollimierte Bündel mit Licht verschiedener Wellenlänge eintreten. Im zyklischen Interferometer befindet sich dann ein Winkelspiegel oder zusätzlich ein Doppelkeil aus Luft oder refraktivem Material, der die durch das zyklische Interferometer räumlich separierten Bündel jeweils in ihrer Aus­ breitungsrichtung beeinflußt. So entstehen zueinander geneigte Bündel, welche auf der Prüflingsoberfläche ein Streifenmuster bilden, das seinerseits bei der Verwendung von Licht mit mehreren Wellenlängen einen Streifen nullter Ordnung aufweist. Auch hierbei sind in einem ausgedehnten Tiefenbereich Streifen auf der zu vermessenden Prüflings­ oberfläche zu beobachten.

Es ist auch möglich, daß sich im zyklischen Interferometer eine oder mehrere Planparallelplatten oder Keile mit einer Teilverspiegelung der Oberfläche befinden, so daß in den Planparallelplatten oder Keilen jeweils eine oder mehrere Zick-Zack-Reflexionen auftreten, wodurch zusätzliche Paare von Teilbündeln entstehen, und es auf der anzumessenden Prüflingsoberfläche zu einer gleichzeitigen Überlagerung von mehreren Teilbündeln aus mehreren Richtungen kommen kann. Durch die so effektiv vergrößerte Beleuchtungs­ apertur kann sich das bei kohärentem Licht auftretende Speckling merklich verringern, wodurch die Meßgenauigkeit bei der Erfassung der Lage des nullten Streifens deutlich verbessert wird.

Es ist aber auch möglich, daß mindestens ein Spiegel im zyklischen Interferometer mit einem schwingendem System, beispielsweise einem rechnergesteuerten Piezoschwinger gekoppelt wird. Dies ist bereits in einer Zwei-Spiegel-Anordnung anwendbar. Bei Verwendung eines Doppelspiegels in Back-to-back-Anordnung ist auch eine schwingende oder rotierende Anordnung möglich. Letzteres ist beispielsweise in einem zyklischen Interferometer mit einer Sechs-Spiegel-Anordnung realisierbar, wobei anstelle eines ein­ fachen Doppelspiegels auch ein rotierender Polygonspiegel einsetzbar ist und sich vorzugsweise je zwei gegenüber­ liegende Spiegelflächen im optischen Eingriff befinden. So entstehen am Ausgang des zyklischen Interferometers Teil­ bündel mit quer zur Ausbreitung des Lichtes bewegten Achsen. Dadurch wird beispielsweise während einer Inte­ grationszeit des Bildempfängers der Einfallswinkel der Teilbündel auf die Prüflingsoberfläche variiert. Dies hat durch zeitliche Mittelungseffekte bei der Bildaufnahme eine Verringerung der Wirkung des hier störenden Specklings zur Folge und der Streifen nullter Ordnung kann so in seiner örtlichen Lage mit einer größeren Genauigkeit erfaßt werden.

Es ist aber auch besonders für große oder sehr große Ab­ stände der Oberfläche beispielsweise im Meterbereich möglich, daß Licht aus einer Laserdiode oder Laserdioden­ zeile in eine Köstersanordnung mit einer Teilerfläche und zwei Planspiegeln direkt oder über eine Abbildungsstufe ein­ tritt, wobei bei einer nicht monolithischen Anordnung ein Planspiegel der Anordnung mit einem Translationssteller verbunden sein kann. Die Laserdioden, die Punktquel­ len darstellen, befinden sich dabei in der Brennebene eines langbrennweitigen Kollimatorobjektivs oder werden dorthin abgebildet, wodurch sich nach dem Passieren des Kollimators Paare von Planwellen ergeben, die auf die zu untersuchende Oberfläche gelangen und ein Interferenzs­ treifenmuster bilden, wobei sich durch die Größe der effektiven Beleuchtungsapertur die Speckle-Effekte deut­ lich verringern und sich nur ein Streifen nullter Ordnung ausbildet, der sich bei entsprechender Justierung auf der Kollimatorachse befindet und in der Tiefe in einem Bereich von einigen Prozent der Kollimator­ brennweite nicht verschwindet. Durch die Wirkung des Translationsstellers kann die Lage des Streifens nullter Ordnung eingestellt werden, wodurch auch die Möglichkeit der Stabilisierung der optischen Weglänge über die Er­ fassung der Phase mit einem Referenzbildempfänger gegeben ist. Gleichzeitig kann mittels feinfühliger Translation des Planspiegels die Phase variiert werden, um das Phase-shift-Verfahren anzuwenden. Nach der konjugiert optischen Ab­ bildung der Meßebene mit dem nullten Streifen auf einen Bildempfänger ergibt die Ermittlung des genauen Ortes der Phase null im Subpixelbereich das Profil der Oberfläche oder den Abstand der Oberfläche zu einem Referenzpunkt.

Die Anordnung zur Abstands- und Profilmessung kann aber auch ein Zweistrahl-Interferometer in Wellenleitertechnik, in Chiptechnologie darstellen, wobei dem Interferome­ ter mindestens ein wellenlängenabstimmbarer Laser vorge­ schaltet ist. Außerdem erfolgt im Interferometerchip nach der Strahlteilung in zwei Wellenleiterarme in einem Arm eine Auskopplung des Lichtes in eine beispielsweise externe Faser, um in diesem Arm eine größere optische Weglänge zu realisieren. Wesentlich ist, daß beide Wellenleiter in einer gemeinsamen Ebene enden, aus der auch die Lichtbündel austreten. Die aus beiden Wel­ lenleitern austretenden divergenten Bündel gelangen in ein Kollimatorobjektiv, welches kollimierte Bündel erzeugt. Die Wellenleiter werden dabei vorzugsweise so zum Kollimatorobjektiv positioniert, daß sie symmetrisch zur optischen Achse des Kollimatorobjektivs liegen. Diese kollimierten Bündel weisen aufgrund der Separierung der Wellenleiter nach der Kollimierung eine Neigung zueinander auf, wobei die Winkelhalbierende der beiden Bündelachsen mit der optischen Achse des Kollimatorobjektivs zusam­ menfällt. Auf einer zu vermessenden Prüflingsoberfläche, welche sich in der Fokalebene des Kollimatorobjektivs befindet, ist ein Interferenzstreifenmuster zu beobachten. Bei Verwendung einer Laserlichtquelle mit nur einer Wel­ lenlänge entsteht ein äquidistantes, über dem Bündelquer­ schnitt ausgedehntes Streifenmuster, welches beim Wellenlängendurchstimmen der Lichtquelle aufgrund des von null verschiedenen optischen Gangunterschiedes seine Phasenlage ändert. Bei der Verwendung mehrerer durch­ stimmbarer Laserlichtquellen kann die Wellenlängenab­ stimmung so erfolgen, daß ein Streifen nullter Ordnung entsteht, in welchem die Streifenmuster aller verwendeten Wellenlängen in Phase sind. Der Streifen nullter Ordnung verschwindet in der Tiefe, d. h. in Richtung der optischen Achse des Kollimators, im Bereich der Überdeckung der kollimierten Bündel nicht.

Es ist aber auch möglich, daß beide Wellenleiterenden auf je einem Lateralschwinger angeordnet sind, die bei­ spielsweise gegenphasige Schwingungen mit den beiden Wellenleiterenden ausführen. Dadurch wird während der Integrationszeit des Empfängers der Einfallswinkel der kollimierten Bündel auf die zu vermessende Prüflings­ oberfläche etwas variiert, wodurch sich das unerwünschte Speckling ebenfalls verringert.

Die Ebene, welche der Streifen nullter Ordnung aufspannt, wird als Meßebene definiert und durch eine teleskopische Abbildungsstufe, beispielsweise eine 4f-Anordnung, scharf auf eine Fläche oder einen Bildempfänger abgebildet. So werden bei einer rauhen Oberfläche auch bei einer monochromatischen Lichtquelle nur ein oder wenige Streifen scharf abgebildet, da die Meßebene in der Regel geneigt oder senkrecht zur zu messenden Prüflingsoberfläche steht.

Es kann die Anordnung zur Abstands- und Profilmessung aber auch aus einer monochromatischen Punktlichtquelle mit einem Kollimator bestehen. Das kollimierte Bündel mit einer planen Wellenfront trifft auf ein Liniengitter, welches mehrere plane Beugungswellen erzeugt. Ein nachge­ schaltetes afokales Teleskop mit zwei Objektiven sperrt in der gemeinsamen Fokalebene der Objektive die nullte Beu­ gungsordnung und läßt die beiden ersten Beugungsord­ nungen passieren. Das zweite Objektiv erzeugt aus den Wellen der beiden ersten Beugungsordnungen zwei zueinander geneigte Planwellen, welche im Bereich der äußeren Fokal­ ebene des zweiten Objektivs ein Streifenmuster erzeugen, welches in der Tiefe nicht verschwindet. Der Streifen im Bereich der optischen Achse des Teleskopes wird als nullter Streifen definiert. Die Ebene, die die optische Achse des Teleskopes enthält und in welcher der Streifen nullter Ordnung beobachtet werden kann, wird als Meßebene definiert und durch eine zweite teleskopische Ab­ bildungsstufe, beispielsweise eine 4f-Anordnung, scharf auf einen Bildempfänger abgebildet. Die Meßebene steht also senkrecht zur Gitterebene.

Es ist aber auch möglich, eine polychromatische Punktlichtquelle zu verwenden, um Speckle-Effekte zu minimieren. In Verbindung mit einem rechnergesteuerten Translationsschlitten kann das Liniengitter verschoben werden, wodurch sich hier auch die Phasenschiebetechnik zur genaueren Bestimmung der Lage des nullten Streifens anwenden läßt.

Schließlich kann aber auch eine Linienlichtquelle ver­ wendet werden, wodurch sich größere Objekte als der Durch­ messer des Kollimatorobjektivs vermessen lassen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Ausführungsbeispiel mit einem Dreiecks-Interferometer und

Fig. 2 Ausführungsbeispiel mit Wellenleiterchip.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird das von einer Laser-Lichtquelle 1, einer Laser-Lichtquelle 2 und einer Laser-Lichtquelle 3 emittierte Laserlicht in eine Lichtleitfaser 4 jeweils über Y-Weichen eingekoppelt. Das am Ende der Lichtleitfaser 4 aus tretende Licht der drei Laser­ lichtquellen 1, 2 und 3 breitet sich jeweils in Form einer Kugelwelle aus und tritt in einen Glasblock 5 ein, der ein Dreiecks-Interferometer darstellt. Das an der Teilerschicht 6 reflektierte Licht trifft auf den Planspiegel 7, wird reflektiert, gelangt auf einen zweiten Planspiegel 8, wird reflektiert und wird an der Teilerschicht 6 ein weiteres Mal reflektiert und verläßt den Glasblock 5. Das an der Teilerschicht hindurchgelassene Teilbündel erfährt eine Reflexion am Planspiegel 8, anschließend am Planspiegel 7 und passiert wieder die Teilerschicht 6 und verläßt ebenfalls den Glasblock 5. Die beiden Teilbündel treten symmetrisch zur optischen Achse eines Kollimatorobjektivs 9 in selbiges ein. Die Teilbündel werden durch das Kollimatorobjektiv 9, welches eine Brennweite von 50 mm aufweist, kollimiert, so daß je zwei plane Wellenfronten für jede Laserwellenlänge entstehen. Dabei breiten sich die Teilbündel zueinander im Raum geneigt aus, wobei die Winkelhalbierende zwischen den Bündelachsen und die optische Achse des Kollimatorobjektivs 9 koinzidieren. Das im Bereich der Fokalebene des Kollimatorobjektivs auf der Prüflingsoberfläche 10 entstehende Streifenbild mit genau einem Streifen nullter Ordnung wird durch eine 4f-An­ ordnung 1 : 1 auf ein holographisches Beugungsgitter 12 abgebildet. Der Streifen nullter Ordnung entsteht durch die Überlagerung der drei Streifenbilder, die von den drei Laserlichtquellen stammen.

Nur im Bereich um die optische Achse des Kollimatorobjektivs 9 sind die drei Streifen ver­ schiedener Wellenlänge exakt in Phase. Das Licht der er­ sten Beugungsordnung wird für jede Wellenlänge um einen Mittelwert zur Gitternormalen des Beugungsgitters 12 abge­ strahlt und über ein entsprechend geöffnetes Objektiv 13 auf eine CCD-Matrixkamera 14 abgebildet, so daß der Streifen nullter Ordnung auf die CCD-Matrixkamera 14 ge­ langt. Die Lage des Streifens nullter Ordnung auf der CCD-Matrixkamera, speziell die Lage seiner Mittellinie, stellt eine Information über das Profil der Prüflingsoberfläche dar. Das gesamte optische System vom Kollimatorobjektiv 9 bis zum Objektiv 13 sollte für Präzisionsanwendungen für die verwendeten Wellenlängen farbkorrigiert sein. Für die optische Abtastung der Prüflingsoberfläche ergibt sich hier ein Höhenmeßbereich von einigen Millimetern.

Wie in Fig. 2 dargestellt, wird das von den wellenlängen­ abstimmbaren Laser-Lichtquellen 1, 2 und 3 emittierte Laserlicht in eine Lichtleitfaser 4 jeweils über Y-Weichen eingekoppelt und gelangt über einen Wellenleiterkoppler 15 in einen Wellenleiterchip 16. Dort erfolgt am Wellenteiler 17 eine Aufspaltung in zwei Wellen. Der transmittierte Anteil wird über einen Koppler 18 in eine externe Wellen­ leiterfaser 19 eingekoppelt und gelangt von dieser Faser über einen zweiten Koppler 20 wieder in den Wellenleiter­ chip 16 zurück. Durch das Auskoppeln in die externe Faser 19 ergibt sich für den transmittlerenden Lichtanteil eine andere optische Weglänge im Vergleich zum reflektierten Anteil, so daß sich ein deutlich von null verschiedener optischer Gangunterschied im Interferometer ergibt. Im Wellenleiterchip 16 verlaufen beide Wellenleiterstrecken parallel, wobei beide an einer planen Außenfläche des Wellenleiterchips 16 enden, welche sich in der Fokalebene eines Kollimatorobjektivs 9 befindet. Die aus den beiden Wellenleiterstrecken austretenden Kugelwellen werden von dem Kollimatorobjektiv 9 kollimiert und breiten sich als zueinander geneigte Planwellen aus. Ein Strahlteiler 21 koppelt einen Anteil der Planwellen aus, der auf einer Monitor-CCD-Zeile 22 in der zweiten Fokalebene F1′ des Kollimatorobjektivs 9 ein Interferenzstreifenmuster bildet, welches für die Bestimmung der Phasenlage im In­ terferenzstreifenmuster benutzt wird und die Information für die Wellenlängenabstimmung der Laser-Lichtquellen 1, 2 und 3 liefert.

Der am Strahlteiler 21 hindurchgelassene Anteil bildet auf der Prüflingsoberfläche 10 ein Streifenmuster, wobei über die rechnergesteuerte Wellenlängenabstimmung der Laser-Lichtquellen 1, 2 und 3 im Bereich des Fokuspunktes F1′′ für jede Lichtwellenlänge das Intensitätsmaximum eines Streifens liegt. So entsteht im Bereich der Fokuspunktes F1′′ ein Streifen nullter Ordnung. Der Streifen nullter Ordnung wird durch eine 4f-Anordnung 1 : 1 auf ein holographisches Beugungsgitter 12 abgebildet. Das Licht der ersten Beugungsordnung wird für jede Wellenlänge um einen Mittelwert zur Gitternormalen des Beugungsgitters 12 abgestrahlt und über ein entsprechend geöffnetes Objektiv 13 auf eine CCD-Matrixkamera 14 abgebildet, so daß der Streifen nullter Ordnung auf die CCD-Matrixkamera 14 ge­ langt. Das gesamte optische System vom Kollimatorobjektiv 9 bis zum Objektiv 13 sollte farbkorrigiert sein.

Claims (15)

1. Verfahren zur Abstands- und Profilmessung einer auszumessenden Oberfläche mittels Triangulationstechnik, bei dem

• - Licht wenigstens einer Lichtquelle lateral getrennt wird,
• - daraus mittels optischer Elemente ein Interferenzfeld erzeugt wird, in dem Orte gleicher Interferenzphase eine Meßebene definieren,
• - die Meßebene als Schärfeebene optisch konjugiert auf eine Empfänger- und Auswerteeinheit abgebildet und so gelegt wird, daß sie mit der auszumessenden Oberfläche eine gemeinsame Schnittlinie aufweist, und
• - das Bild auf der Empfänger- und Auswerteeinheit triangulatorisch ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Licht aus lateral ge­ trennten kohärenten Lichtquellen oder Licht­ quellenbildern stammt, die durch Teilreflexion, Teil­ transmission oder Lichtbeugung aus einer oder mehreren Lichtquellen entstehen und deren Licht kollimiert wird und auf die Oberfläche gelangt und die Lichtquellen vorzugsweise Punkt- oder Linienlichtquellen darstellen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die interferierenden Wellen zueinander geneigt die Meßebene durchsetzen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Gangunterschied zwischen den interferierenden Wellen nach der lateralen Trennung gleich Null gemacht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht von einer ersten und weiteren monochromatischen Punkt- oder Linienquel­ len mit je einer anderen Wellenlänge ausgeht, eine Teilung der Amplitude der Lichtwellen erfolgt und die amplitudengeteilten Lichtwellen zur Interferenz kommen und das dabei entstehende Interferenzmuster räumlich aufgelöst verarbeitet wird, so daß an einem festen Referenzort die Phasenwerte der Interferenzmuster be­ stimmt werden, die zu je einer Wellenlänge gehören, und die Wellenlängen jeweils so variiert werden bis die Phasenwerte aller Interferenzmuster zunächst an dem festen Referenzort übereinstimmen, so daß sich bei Einstellung der Phasenwerte null für alle verwendeten Wellenlängen ein Streifen nullter Ordnung ergibt, und dieser Zustand aktiv geregelt wird und von diesem An­ fangszustand jeweils in allen Punkt- oder Linienquellen mit je einer anderen Wellenlänge gleichzeitig die Wel­ lenlängen so verstellt werden, daß an dem festen Refe­ renzort die Interferenzmuster aller Wellenlängen genau in Phase bleiben in bezug auf die erste Wellenlänge und jeweils das Interferenzmuster, welches dabei auf der Oberfläche entsteht, abgebildet, detektiert und signal­ verarbeitet wird.

6. Vorrichtung zur Abstands- und Profilmessung einer auszumessenden Oberfläche mittels Triangulationstechnik mit

• - wenigstens einer Lichtquelle,
• - einem Interferometer und einem Kollimatorobjektiv zur Erzeugung eines Interferenzfeldes, in dem Orte gleicher Phase eine Meßebene definieren, die die auszumessende Oberfläche schneidet, und
• - einer weiteren optischen Abbildungsstufe, welche die Meßebene als schrägliegende Schärfeebene auf eine Empfangs- und Auswerteeinheit abbildet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer ein asymmetrisch aufgebautes, zyklisches Interferometer darstellt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im asymmetrisch aufge­ bauten, zyklischen Interferometer parallel zu einer Spiegelfläche mindestens eine teildurchlässige Spiegelfläche angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im asymmetrisch aufge­ bauten, zyklischen Interferometer mindestens ein Keil aus refraktivem Material angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im asymmetrisch aufge­ bauten, zyklischen Interferometer mindestens ein Spiegel schwingend oder rotierend angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer ein Zweistrahl-Interferometer in Wellenleitertechnik dar­ stellt und die Enden der Wellenleiter in einer ge­ meinsamen Ebene angeordnet sind und dem Interferometer mindestens ein wellenlängenabstimmbarer Laser vorge­ schaltet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Interferometer in einem Arm ein externer Wellenleiter zugeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß den Enden der Wellenleiter jeweils ein Lateralschwinger zugeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch kennzeichnet, daß das Interferometer aus den Bestandteilen Liniengitter mit einem nachgeschalteten Objektiv und einer Doppelspaltblende in der Brennebene des Objektivs aufgebaut ist, wobei das Liniengitter senkrecht zur Schärfeebene der optischen Ab­ bildungsstufe angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine punkt- oder linienförmige monochromatische oder polychromatische Lichtquelle ist.