ROBERT, Dietmar (In der Kirchheck 3, Mehring, 54346, DE)
NÄGEL, Daniel (Neuer Weg 5, Daun, 54550, DE)
SCHUTH, Michael (Waldstrasse 3, Riol, 54340, DE)
ROBERT, Dietmar (In der Kirchheck 3, Mehring, 54346, DE)
NÄGEL, Daniel (Neuer Weg 5, Daun, 54550, DE)
| Patentansprüche 1. Optisches Messsystem (10) zur Messung zumindest einer Komponente der Verformung und/oder der Dehnung eines Messobjekts (22) in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung mittels Digital-Holographie, umfassend: eine Digital-Holographie Vorrichtung (12, 12-1 , 12-2, 12-3) zum Beleuchten eines Abtastbereichs eines Messobjekts, welche eine out-of-plane und/oder eine in-plane Digital-Holographie Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen aufweist, ein Mikroskopobjektiv (24) dessen optische Achse im Wesentlichen parallel zu einer vertikalen Richtung ist und welches in dem optischen Pfad des zumindest einen Teils des vom Messobjekt (22) reflektierten Lichts angeordnet ist, wobei, wenn gesehen in der vertikalen Richtung, die Digital-Holographie Vorrichtung (12, 12-1 , 12-2, 12-3) unterhalb oder oberhalb des Mikroskopobjektivs (24) und/oder eines Mikroskopgrundkörpers (26) angeordnet ist. 2. Optisches Messsystem ( 0) gemäß Anspruch 1 , wobei die Digital-Holographie Vorrichtung (12, 12-2, 12-3) eine out-of-plane Digital-Holographie Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen aufweist, wobei die zumindest zwei kohärenten Strahlen einen ersten Objektstrahl (O1 ) zum Beleuchten eines Abtastbereichs des Messobjekts (22) unter einem vorgegebenen oder vorgebbaren ersten Winkel und einen Referenzstrahl (R) zum Einkoppeln in den optischen Pfad zumindest eines Teils des vom Messobjekt (22) reflektierten Lichts, und wobei im optischen Pfad des Referenzstrahls eine Referenzstrahl- aufweitungsvorrichtung (17) umfassend zumindest zwei nach einander angeordneten Diffusoren angeordnet ist. 3. Optisches Messsystem (10) gemäß Anspruch 2, wobei die beiden Diffusoren jeweils im Wesentlichen plane Groundgläser sind, wobei die Ground- gläser im Wesentlichen parallel zu einander angeordnet sind. 4. Optisches Messsystem (10) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten der beiden Diffusoren eine Intensitäts- einstellungsvorrichtung angeordnet ist, wobei die Intensitätseinstellungs- vorrichtung vorzugsweise einen verschiebbar angeordneten Graukeil umfasst. 5. Optisches Messsystem (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Digital-Holographie Vorrichtung (12, 12-1 , 12-3) eine inplane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen aufweist, wobei die zumindest zwei kohärenten Strahlen den ersten Objektstrahl (01) und einen zweiten Objektstrahl (O2) zum Beleuchten des Abtastbereichs des Messobjekts unter einem vorgegebenen oder vorgebbaren zweiten Winkel umfassen. 6. Optisches Messsystem (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Digital-Holographie Vorrichtung (12, 12-1 , 12-2, 12-3) ferner eine Phasenschiebungseinrichtung (20) umfasst, welche ausgelegt ist, beim Anlegen einer Spannung, eine Veränderung des optischen Wegs des zumindest eines der beiden kohärenten Strahlen (O1 , R) zu bewirken. 7. Optisches Messsystem (10) gemäß Anspruch 6, wobei die Phasenschiebungseinrichtung (20) umfasst: einen Doppelspiegelphasenschieber (45) umfassend zwei im Wesentlichen plane Spiegel (M1 , M2), welche derart angeordnet sind, dass die Normalen zur Ebene des jeweiligen Spiegels einen Winkel von im Wesentlichen 90° einschließen, und einen Piezoaktuator (PA) zum Verschieben des Doppelspiegelphasen- Schiebers. 8. Optisches Messsystem (10) gemäß Anspruch 6 oder 7, umfassend ferner eine Steuerungsvorrichtung, welche ausgelegt ist, die Phasenschiebungseinrichtung (20) zu steuern und/oder zu regeln, wobei die Steuerungsvorrichtung ausgelegt ist, ein automatisches Kalibrierungsverfahren der Phasenschiebungseinrichtung (20) durchzuführen, umfassend: - Aufnehmen eines Referenzbildes beim Anlegen einer Anfangspannung an die Phasenschiebungseinrichtung (20); - Schrittweises Erhöhen der Spannung an die Phasenschiebungseinrichtung (20) und Aufnehmen eines Bilds nach jeder Erhöhung; - Berechnen der Spannungen Vimin und V2min, bei welchen die Abweichung der Intensität eines jeden Bilds von der Intensität des Referenzbilds als Funktion der angelegten Spannung die ersten zwei Minima aufweist; - Zuordnen der Spannungsdifferenz AV = V2min - Vimjn einer Veränderung des optischen Wegs von Δλ, wobei λ die Wellenlänge der zumindest zwei kohärenten Strahlen ist. 9. Optisches Messsystem (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüchen umfassend ferner einen zwei-dimensionalen Detektor (30), welcher in dem optischen Pfad des zumindest einen Teils des vom Messobjekt (22) reflektierten Lichts angeordnet ist. 10. Optisches Messsystem (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüchen umfassend ferner eine Bildauswertungsvorrichtung (32), welche ausgelegt ist, anhand der von einem Detektor (30) aufgenommenen Bilder des Abtastbereichs des Messobjekts (22), die zumindest eine Komponente der Verformung und/oder der Dehnung des Messobjekts (22) in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung zu ermitteln. 11. Verfahren zur Messung zumindest einer Komponente der Verformung und/oder Dehnung eines Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung mittels eines optischen Messsystems (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend die Schritte: - Beleuchtung eines Abtastbereichs des Messobjekts (22) mittels der Digital-Holographie Vorrichtung (12, 12-1 , 12-2, 12-3) - Erfassen zumindest eines Interferenzbildes; - Berechnen der zumindest einen Komponente der Verformung und/oder der Dehnung des Messobjekts (22) in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung anhand des zumindest einen vom Detektor (30) erfassten Interferenzbildes. 12. Verfahren zur Messung zumindest einer Komponente der Verformung und/oder Dehnung eines Messobjekts gemäß Anspruch 11 , wobei die Digital- Holographie Vorrichtung (12, 12-1 , 12-2, 12-3) eine Phasenschiebungseinrichtung (20) umfasst, welche ausgelegt ist, beim Anlegen einer Spannung eine Veränderung des optischen Wegs des zumindest einen der beiden kohärenten Strahlen (01 , 02, R) zu bewirken, und wobei das Verfahren eine automatische Kalibrierung der Phasenschiebungseinrichtung (20) mit folgenden Schritten umfasst: - Aufnehmen eines Referenzbilds beim Anlegen einer Anfangspannung an die Phasenschiebungseinrichtung (20); - Schrittweises bzw. graduelles Erhöhen der Spannung an die Phasenschiebungseinrichtung (20) und Aufnehmen eines Bilds nach jeder Erhöhung; - Berechnen der Spannungen Vimin und V2min, bei welchen die Abweichung der Intensität eines jeden Bildes von der Intensität des Referenzbilds als Funktion der angelegten Spannung die ersten zwei Minima aufweist; und - Zuordnen der Spannungsdifferenz ÄV = V2min - V1min einer Veränderung des optischen Wegs von Δλ, wobei λ die Wellenlänge der zumindest zwei kohärenten Strahlen ist. |
Beschreibung
Die Erfindung betrifft optische Messsysteme und optische Messverfahren basierend auf Digital-Holografie zur Messung von Verformungen und/oder Dehnungen an Objekten, insbesondere an Mikroobjekten. Die Mikroobjekte weisen vorzugsweise einen Querschnitt von weniger als 1 mm 2 auf.
In dem Gebiet der Festkörpermechanik finden Laser Speckle Methoden, insbesondere Digital-Holografie auch ESPI genannt (Englisch: Electronic Speckle Pattern Interferometry), auf den Gebieten der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, Bauteiloptimierung und der Verformungs- und Dehnungsmessung zunehmend breitere Anwendung. Sie weisen eine hohe Messgenauigkeit auf und benötigen gegenüber anderen Messverfahren einen geringeren Zeit- und Arbeitsaufwand zur Vorbereitung und Durchführung der verformungsanalytischen Untersuchungen. Bei in-plane Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtungen wird das zu vermessende Objekt (Messobjekt) symmetrisch von zwei kohärenten Strahlen (Objektstrahlen) unter einem vorgegebenen Winkel beleuchtet. Das auf der Messobjektoberfläche überlagerte und interferierende Licht der beiden Objektstrahlen wird diffus reflektiert und auf einen zwei dimensionalen Detektor (in der Regel eine CCD- Kamera) fokussiert und aufgenommen.
Bei out-of-plane Digitai-Hologaphie (ESPI) Vorrichtungen wird das Messobjekt nur durch einen Objektstrahl beleuchtet. In dem Strahlengang des Detektors wird ein mit dem Objektstrahl kohärenter Referenzstrahl eingekoppelt. Das interferierende Licht des Objektstrahls und des Referenzstrahls wird auf den Detektor (in der Regel eine CCD-Kamera) fokussiert und aufgenommen.
Üblicherweise wird je ein Bild vor und nach der Verformung des Messobjekts aufgenommen. Ebenfalls ist es möglich, ein Phasenschrittverfahren anzuwenden. Hierzu werden mehrere Speckle-Bilder des Messobjekts mit unterschiedlichen Phasenlagen einer der beiden Beleuchtungswellen aufgenommen. Durch Auswertung der aufgenommenen Speckle-Bilder kann mittels Bildverarbeitung die Komponente der Verformung oder Dehnung des Messobjekts in der Ebene der beiden Beleuchtungswellen (in-plane oder Objektebene) berechnet werden.
Aufgabe der Erfindung ist ein verbessertes optisches Messsystem basierend auf Digital-Holographie (ESPI) und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, welche zur Messung von Verformungen und/oder Dehnungen an Objekten und insbesondere an Mikroobjekten geeignet sind.
Diese Aufgabe wird durch ein optisches Messsystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 ein Verfahren zur Messung von Komponenten der Verformung- und/oder Dehnung von Objekten mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Messsystem zur Messung zumindest einer Komponente der Verformung und/oder der Dehnung eines Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung mittels Digital-Holographie, umfassend:
eine Digital-Holographie Vorrichtung zum Beleuchten eines Abtastbereichs eines Messobjekts, welche eine out-of-plane und/oder eine in-plane Digital- Holographie Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen aufweist,
ein Mikroskopobjektiv dessen optische Achse im Wesentlichen parallel zu einer vertikalen Richtung ist und welches in dem optischen Pfad des zumindest einen Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts angeordnet ist,
wobei, wenn gesehen in der vertikalen Richtung, die Digital-Holographie Vorrichtung unterhalb oder oberhalb des Mikroskopobjektivs und/oder eines Mikroskopgrundkörpers angeordnet ist.
Die vertikale oder senkrechte Richtung ist die Richtung lotrecht oder rechtwinklig zur Erdoberfläche bzw. auf den Erdmittelpunkt gerichtet. Die zumindest zwei kohärenten Strahlen bei einer in-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung einen ersten Objektstrahl und einen zweiten Objektstrahl zum Beleuchten eines Abtastbereichs des Messobjekts unter zwei unterschiedlichen vorgegebenen oder vorgebbaren Winkeln. Die Beleuchtung erfolgt in der Regel symmetrisch, d.h. der erste und der zweite Winkel sind dem Betrag nach gleich, weisen jedoch unterschiedliche Vorzeichen auf. Bei einer out-of-plane Digital Holographie (ESPI) Anordnung umfassen die zwei kohärenten Strahlen einen ersten Objektstrahl zum Beleuchten eines Abtastbereichs des Messobjekts unter einen vorgegebenen oder vorgebbaren Winkel und einen Referenzstrahl zum Einkoppeln/Überlagern mit zumindest einen Teil des vom Objekt reflektierten Lichts.
Insbesondere umfasst die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung mit einer inplane und/oder out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung:
eine Strahlerzeugungseinrichtung, welche ausgelegt ist, die zumindest zwei kohärenten Strahlen zu erzeugen, und
eine Strahllenkungseinrichtung, welche ausgelegt ist, die zumindest zwei kohärenten Strahlen umzulenken.
Bei einer Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung mit einer out-of-plane Digital- Holographie (ESPI) Anordnung ist die Strahlerzeugungseinrichtung derart ausgelegt, zumindest einen ersten Objektstrahl und zumindest einen Referenzstrahl zu erzeugen. Die Strahllenkungseinrichtung ist derart ausgelegt, den ersten Objektstrahl auf ein Messobjekt derart umzulenken, dass ein Abtastbereich des Messobjekts unter einem vorgegebenen oder vorgebbaren ersten Winkel vom ersten Objektstrahl beleuchtet wird, und den Referenzstrahl im optischen Pfad zumindest eines Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts des ersten Objektstrahls einzukoppeln. Bei einer Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung mit einer in-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung ist die Strahlerzeugungseinrichtung derart ausgelegt, zumindest einen ersten und einen zweiten Objektstrahl, welcher mit dem ersten Objektstrahl kohärent ist, zu erzeugen. Die Strahllenkungseinrichtung ist derart ausgelegt, den ersten und den zweiten Objektstrahl auf das Messobjekt derart umzulenken, dass der Abtastbereich des Messobjekts unter einem ersten vorgegebenen oder vorgebbaren Winkel vom ersten Objektstrahl beleuchtet wird und unter einem zweiten vorgegebenen oder vorgebbaren Winkel vom zweiten Objektstrahl beleuchtet wird.
Zur Realisierung einer out-of-plane und einer in-plane Digital Holographie (ESPI) Anordnung kann die Strahlerzeugungseinrichtung derart ausgelegt werden bzw. sein, zumindest einen ersten Objektstrahl, einen zweiten Objektstrahl und einen Referenzstrahl zu erzeugen. Die Strahlumlenkungsvorrichtung kann derart ausgelegt werden, den ersten Objektstrahl, den zweiten Objektstrahl und den Referenzstrahl wie oben beschrieben umzulenken. Durch die Integration der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung mit einem Mikroskopobjektiv oder mit einem Mikroskop in einem gesamten optischen (mikroskopischen) Messsystem ist es möglich, eine berührungslose Verformungs- und/oder Dehnungsmessung von Mikroobjekten (z.B. Mikromembrane, Piezomotore, Y-Gabeln, usw.) mit einem Querschnitt von weniger als 1 mm 2 durchzuführen. Somit können das optische Messsystem und das Messverfahren insbesondere in Bereichen eingesetzt werden, in welcher die Auflösung einer einfachen optischen Betrachtung kleiner Flächen, mangels Vergrößerung, nicht ausreicht. Eine Anwendung der Laser-Speckle Methoden auf Mikroobjekte oder Mikrobauelemente, welche einen Querschnitt von weniger als 1 mm 2 aufweisen, wurde bisher kaum durchgeführt, obwohl der Trend in der Industrie zu immer kleineren Bauteilen geht. In Folge der Miniaturisierung wird es immer notwendiger, ein berührungsloses Messverfahren zu entwickeln, welches der Industrie die notwendigen Materialkennwerte liefern kann. Da es zur Zeit noch keine bzw. nur sehr wenige Untersuchungen über das Verformungsverhalten von Mikrobauteilen gibt, wäre das Verständnis über das Verhalten der Verformungen und/oder der daraus entstehenden Dehnungen für eine Optimierung solcher Bauteile von großem Nutzen.
Die Anordnung der Digital-Holographie Vorrichtung in Bezug auf das Mikroskopobjektiv bzw. in Bezug auf den Mikroskopgrundkörper kann variieren. Vorzugsweise ist die Digital-Holographie Vorrichtung unterhalb des Mikroskopobjektivs und/oder des Mikroskopsgrundkörpers angeordnet. Durch die Anordnung der Digital-Holographie Vorrichtung unterhalb des Mikroskopobjektivs (d.h. zwischen dem Messobjekt und dem Mikroskopobjektiv) wird eine bessere Ausleuchtung des Messobjekts ermöglicht. Weitere Vorteile sind eine genauere in-plane Untersuchung des Messobjekts sowie die Möglichkeit, die Beleuchtungsarme und somit die Digital-Holographie Vorrichtung möglichst klein oder kompakt zu gestalten. Ferner ist eine Anordnung der Digital-Holographie Vorrichtung unterhalb des Mikroskopobjektivs vorteilhaft, da der Mikroskopgrundkörper sich oberhalb der Digital-Holographie Vorrichtung und des Mikroskopobjektiv befindet und somit den Einbau der Digital-Holographie Vorrichtung und/oder die Messung nicht behindert. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Digital-Holographie Vorrichtung oberhalb des Mikroskopobjektivs und/oder des Mikroskopgrundkörpers anzuordnen.
Vorzugsweise weist die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung eine out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen aufw, wobei die zumindest zwei kohärenten Strahlen einen ersten Objektstrahl zum Beleuchten eines Abtastbereichs eines Messobjekts unter einem vorgegebenen oder vorgebbaren ersten Winkel; und einen Referenzstrahl zum Einkoppeln im optischen Pfad zumindest eines Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts umfassen, und wobei im optischen Pfad des Referenzstrahls eine Referenzstrahlaufweitungsvorrichtung umfassend zumindest zwei (nach einander angeordneten) Diffusoren angeordnet ist.
In herkömmlichen out-of-plane Digital Holographie (ESPI) Vorrichtungen werden zur Aufweitung des Referenzstrahls unterschiedliche optische Elemente, wie z.B. Spiegel, Linsen, usw. eingesetzt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Justierung solcher Strahlaufweitungssysteme relativ aufwendig ist. Ferner weisen optische Elemente wie Linsen oder Spiegel schon bei geringer Verschmutzung, zum Beispiel durch Staub, eine ungenügende Qualität des Strahlprofils auf. Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird eine einfache Referenzstrahlaufweitungsvorrichtung vorgeschlagen, welche sich insbesondere für ein mikroskopisches Messsystem auf dem Prinzip der Digital-Holographie eignet. Die Referenzstrahlaufweitungsvorrichtung umfasst zumindest zwei Diffusoren, welche im optischen Pfad des Referenzstrahls nach einander, d.h. seriell, angeordnet sind. Diffusoren sind insbesondere diffus streuende, reflektierende, brechende oder beugende optische Elemente. Die beiden Diffusoren können jeweils im Wesentlichen plane Groundgläser sein, welche im Wesentlichen parallel zu einander angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Groundgläser jeweils im Wesentlichen senkrecht zu der Achse des Referenzstrahls angeordnet.
Durch den Einsatz von zwei Diffusoren (z.B. zwei von Groundgläsern) kann der Referenzstrahl in einfacher Weise aufgeweitet werden. Die Qualität des Strahlprofils ist sehr gut und die resultierende Specklegröße des Referenzstrahls relativ klein. Dies kann insbesondere zum Einsatz in einem mikroskopischen Messsystem vorteilhaft sein. Die Referenzstrahlaufweitungsvorrichtung ist gut einstellbar und justierbar. Einer der beiden Diffusoren (z.B. Groundgläser) kann z.B. fest und der andere beweglich und/oder verschiebbar bzw. verlagerbar angeordnet werden. Durch die Verschiebung bzw. Verlagerung eines der beiden Diffusoren relativ zu dem anderen kann die Specklegröße in einfacher und effizienter Weise eingestellt werden.
Vorzugsweise wird zwischen den beiden Diffusoren eine Intensitätseinstellungs- vorrichtung angeordnet, wobei die Intensitätseinstellungsvorrichtung vorzugsweise einen verschiebbar angeordneten Graukeil umfasst (Doppeldiffusor- insbesondere Doppelgroundglasssystem mit integriertem Graukeil). Ein Graukeil wird in der Regel aus schwarz durchgefärbtem Neutralglas gefertigt. Zur Vermeidung des Strahl versatzes kann der Graukeil mit einem Ausgleichskeil verkittet werden. Der Graukeil kann beweglich oder verschiebbar angeordnet werden. Zum Beispiel kann die Position des Graukeils mit einem Verlagerungs- bzw. Schiebemechanismus, welcher z.B. durch eine Einstellschraube betätigt wird, variiert werden. Ein Vorteil der Intensitätseinstellung mittels eines Graukeils ist die neutrale, d.h. im Wesentlichen Wellenlängen- und polarisationsunabhängige Änderung der Intensität. Ferner ist der Graukeil in kleinen Baugrößen verfügbar und kann einfach mit einem Schraube-Feder-System verstellt werden. Vorteile eines Doppeldiffusor-, insbesondere Doppelgroundglas-Systems mit integriertem Graukeil sind eine besonders günstige Aufweitung mit kleinen Speckien und eine bessere Dosierbarkeit der Intensität des Referenzstrahls.
Vorzugsweise weist die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung eine in-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen auf, wobei die zumindest zwei kohärenten Strahlen den ersten Objektstrahl und einen zweiten Objektstrahl zum Beleuchten des Abtastbereichs des Messobjekts unter einem vorgegebenen oder vorgebbaren zweiten Winkel umfassen. Insbesondere kann die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung ferner derart ausgelegt werden, neben einer out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung ebenfalls eine in-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung zu realisieren. Die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung ist vorzugsweise zwischen der out-of-plane Anordnung und der in-plane Anordnung umschaltbar. Vorzugsweise erfolgt die Umschaltung mittels einer Umschaltung zwischen dem zweiten Objektstrahl und dem Referenzstrahl. Vorzugsweise umfasst ferner das optische Messsystem eine Schaltervorrichtung, welche ausgelegt ist, zwischen dem zweiten Objektstrahl und dem Referenzstrahl umzuschalten. Die Schaltervorrichtung kann zumindest eine Verschlussvorrichtung und/oder eine optische Weiche umfassen.
Die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung kann ferner eine Phasenschiebungseinrichtung umfassen, welche ausgelegt ist, beim Anlegen einer Spannung, eine Veränderung des optischen Wegs von zumindest einen der beiden kohärenten Strahlen zu bewirken.
Vorzugsweise weisen der Strahlengang des zweiten Objektstrahls und der Strahlengang des Referenzstrahls einen gemeinsamen Abschnitt auf, wobei die Phasenschiebungseinrichtung im gemeinsamen Abschnitt des zweiten Objektstrahls und des Referenzstrahls angeordnet ist. Somit wird durch eine Phasenschiebungs-einrichtung eine Veränderung des optischen Wegs sowohl des Referenzstrahls als auch des zweiten Objektstrahls bewirkt bzw. realisiert. Die Anzahl der optischen Komponenten in der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung kann folglich reduziert werden. Die Phasenschiebungseinrichtung kann zum Beispiel zumindest einen mittels eines Piezoaktuators verschiebbaren bzw. verlagerbaren Spiegel umfassen. Vorzugsweise umfasst die Phasenschiebungseinrichtung einen Doppelspiegelphasenschieber (90° Doppelspiegelphasenschieber) mit zumindest zwei im Wesentlichen plane Spiegel, welche derart angeordnet sind, dass die Normalen zur Ebene des jeweiligen Spiegels einen Winkel von im Wesentlichen 90° einschließen; und einen Piezoaktuator zum Verschieben des Doppelspiegelphasenschiebers. Vorteile einer Phasenschiebungseinrichtung mit einem Doppelspiegelphasenschieber können das weitgehende Eliminieren der unerwünschten Winkelabhängigkeit des Verstellweges und der Verschiebung der optischen Achse sein.
Das optische Messsystem kann ferner eine Steuerungsvorrichtung umfassen, welche ausgelegt ist, die Phasenschiebungseinrichtung zu steuern und/oder zu regeln. Die Steuerungsvorrichtung kann derart ausgelegt werden, ein automatisches Kalibrierungsverfahren der Phasenschiebungseinrichtung durchzuführen. Das automatische Kalibrierungsverfahren umfasst insbesondere die Schritte:
- Aufnehmen eines Referenzbilds beim Anlegen einer Anfangspannung an die Phasenschiebungseinrichtung;
- Schrittweise bzw. graduelles Erhöhen der Spannung an die Phasenschiebungseinrichtung und Aufnehmen eines Bilds nach jeder Erhöhung bzw. entsprechend der graduellen Erhöhung;
- Berechnen der Spannungen Vi min und V 2 min, bei welchen die Abweichung der Intensität eines jeden Bilds von der Intensität des Referenzbilds als Funktion der angelegten Spannung die ersten zwei Minima aufweist;
- Zuordnen der Spannungsdifferenz AV = V 2m in - V 1min einer Veränderung des optischen Wegs von Δλ (durch die Phasenschiebungseinrichtung), wobei λ die Wellenlänge der zumindest zwei kohärenten Strahlen ist.
Aus der berechneten Spannungsdifferenz AV können durch gleichmäßiges Einteilen, die (z.B. drei) benötigten Spannungsdifferenzen für die einzelnen Messaufnahmen automatisch berechnet werden. Durch die automatische Justierung/Kalibrierung der Phasenschiebungseinrichtung kann die Bedienbarkeit des optischen Messsystems erheblich vereinfacht werden. Ferner können die zufälligen Messabweichungen, wie sie z.B. bei einer manuellen Justierung entstehen, erheblich reduziert werden, was zu einer Erhöhung der Messgenauigkeit führt. Hierbei ist die Intensität (Gesamtintensität) eines Bilds die Summe der Intensitäten eines jeden Punkts des Bilds. Üblicherweise ist das aufgenommene Bild ein Pixelbild mit einer Mehrzahl von Pixel, wobei jedem Pixel jeweils einen Grauwert zugeordnet ist. Die Intensität (Gesamtintensität) des Bilds berechnet sich in diesem Fall als die Summe der Grauwerte aller Pixel im Bild.
Die Kalibrierung kann sowohl im in-plane als auch im out-of-plane Messmodus durchgeführt werden. Die oben beschriebene Kalibrierung kann bei beliebigen in- plane, out-of-plane und zwischen in-plane und out-of-plane umschaltbaren Digital- Holographie (ESPI) Anordnungen, welche eine Phasenschiebung mittels auf Piezoaktuatoren angeordneten optischen Elementen einsetzen, angewendet werden.
Durch das automatische Piezokalibrierungsverfahren wird mittels der die Bedienbarkeit erheblich vereinfacht und zum Anderen werden die zufälligen Messabweichungen, wie sie bei der Justierung von Hand entstehen, reduziert.
Das optische Messsystem kann ferner eine Lichtquelle umfassen. Ebenfalls kann das optische Messsystem einen zwei-dimensionalen Detektor, welcher in dem optischen Pfad des zumindest einen Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts angeordnet ist, umfassen. Der Detektor (beispielsweise eine CCD-Kamera) ist insbesondere ausgelegt und angeordnet, bei einer in-plane Anordnung, ein Interferenzbild des vom Messobjekt reflektierten Lichts des ersten und des zweiten Objektstrahls (welches gegebenenfalls durch das Mikroskopobjektiv auf dem Detektor fokussiert wird) zu erfassen. Bei einer out-of-plane Anordnung ist der Detektor insbesondere derart ausgelegt und angeordnet, ein Interferenzbild des vom Messobjekt reflektierten Lichts des ersten Objektstrahls und des Referenzstrahls (welches gegebenenfalls durch das Mikroskopobjektiv auf dem Detektor fokussiert wird) zu erfassen.
Des Weiteren kann das optische Messsystem eine Bildauswertungsvorrichtung umfassen, welche ausgelegt ist, anhand der von einem Detektor aufgenommenen Bilder des Abtastbereichs des Messobjekts, die Komponente der Verformung und/oder Dehnung des Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung zu ermitteln oder zu berechnen.
Die Bildauswertungsvorrichtung kann zumindest eine Recheneinheit umfassen, welche mittels geeigneter Bildauswertungssoftware ausgelegt oder programmiert wird bzw. ist, Informationen über die Komponente der Verformung und/oder Dehnung des Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung anhand der vom Detektor aufgenommenen Interferenzbilder zu ermitteln oder zu berechnen. Es können herkömmliche Verfahren zum Ermitteln der Komponenten der Verformung und/oder Dehnung eines Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung anhand von mittels Digitale- Holographie (ESPI) aufgenommenen Speckle-Interferenzbilder, insbesondere unter Anwendung eines Phasenschiebungsverfahrens, zur Anwendung kommen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung von zumindest einer Verformungs- und/oder Dehnungskomponente von Objekten in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung mittels eines optischen Messsystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- Beleuchtung eines Abtastbereichs des Messobjekts mittels der Digital- Holographie Vorrichtung;
- Erfassen zumindest eines Interferenzbildes;
- Berechnen zumindest einer Komponente der Verformung und/oder der Dehnung des Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung anhand des zumindest einen vom Detektor erfassten Interferenzbildes.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren zur Messung zumindest einer Komponente der Verformung und/oder Dehnung eines Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung eine Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung eingesetzt, welche eine Phasenschiebungseinrichtung aufweist. Die Phasenschiebungseinrichtung ist derart ausgelegt, beim Anlegen einer Spannung, eine Veränderung des optischen Wegs des zumindest einen der beiden kohärenten Strahlen zu bewirken, umfasst. Das Verfahren umfasst vorzugsweise eine automatische Kalibrierung der Phasenschiebungseinrichtung, umfassend die Schritte:
- Aufnehmen eines Referenzbilds beim Anlegen einer Anfangspannung an die Phasenschiebungseinrichtung;
- Schrittweise Erhöhen der Spannung an die Phasenschiebungseinrichtung und Aufnehmen eines Bilds nach jeder
Erhöhung;
- Berechnen der Spannungen V min und V 2m in, bei welchen die Abweichung der Intensität eines jeden Bilds von der Intensität des Referenzbilds als Funktion der angelegten Spannung die ersten zwei Minima aufweist;
- Zuordnen der Spannungsdifferenz ÄV = V 2m in - i min eine Veränderung des optischen Wegs durch die Phasenschiebungseinrichtung von Δλ, wobei λ die Wellenlänge der zumindest zwei kohärenten Strahlen ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Messsystem zur Messung zumindest einer Komponente der Verformung und/oder Dehnung eines Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung mittels Digital-Holographie (ESPI) vorgeschlagen, umfassend eine Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung, welche eine out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen aufweist, wobei die zumindest zwei kohärenten Strahlen einen ersten Objektstrahl zum Beleuchten eines Abtastbereichs eines Messobjekts unter einem vorgegebenen oder vorgebbaren ersten Winkel; und einen Referenzstrahl zum Einkoppeln im optischen Pfad zumindest eines Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts umfassen, und wobei im optischen Pfad des Referenzstrahls eine Referenzstrahlaufweitungsvorrichtung umfassend zumindest zwei (nach einander angeordneten) Diffusoren angeordnet ist.
Die Referenzstrahlaufweitungsvorrichtung umfasst zumindest zwei Diffusoren, welche im optischen Pfad des Referenzstrahls nach einander, d.h. seriell, angeordnet sind. Die beiden Diffusoren können jeweils im Wesentlichen plane Groundgläser sein, welche im Wesentlichen parallel zu einander angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Groundgläser jeweils im Wesentlichen senkrecht zu der Achse des Referenzstrahls angeordnet. Wie bereits oben ausgeführt, kann durch den Einsatz von zwei Diffusoren (z.B. zwei von Groundgläsern) kann der Referenzstrahl in einfacher Weise aufgeweitet werden. Die Qualität des Strahlprofils ist sehr gut und die resultierende Specklegröße des Referenzstrahls relativ klein. Die Referenzstrahlaufweitungsvorrichtung ist gut einstellbar und justierbar. Einer der beiden Diffusoren (z.B. Groundgläser) kann z.B. fest und der andere beweglich und/oder verschiebbar bzw. verlagerbar angeordnet werden. Durch die Verschiebung bzw. Verlagerung eines der beiden Diffusoren relativ zu dem anderen kann die Specklegröße in einfacher und effizienter Weise eingestellt werden.
Vorzugsweise wird zwischen den beiden Diffusoren eine Intensitätseinstellungs- vorrichtung angeordnet, wobei die Intensitätseinstellungsvorrichtung vorzugsweise einen verschiebbar angeordneten Graukeil umfasst (Doppeldiffusor- insbesondere Doppelgroundglasssystem mit integriertem Graukeil).
Vorzugsweise weist die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung ferner eine inplane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen auf, wobei die zumindest zwei kohärenten Strahlen den ersten Objektstrahl und einen zweiten Objektstrahl zum Beleuchten des Abtastbereichs des Messobjekts unter einem vorgegebenen oder vorgebbaren zweiten Winkel umfassen. Anders ausgedruckt ist die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung ferner derart ausgelegt, neben einer out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung ebenfalls eine in-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung zu realisieren.
Die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung ist vorzugsweise zwischen der out-of- plane Anordnung und der in-plane Anordnung umschaltbar. Vorzugsweise erfolgt die Umschaltung mittels einer Umschaltung zwischen dem zweiten Objektstrahl und dem Referenzstrahl. Vorzugsweise umfasst ferner das optische Messsystem eine Schaltervorrichtung, welche ausgelegt ist, zwischen dem zweiten Objektstrahl und dem Referenzstrahl umzuschalten. Die Schaltervorrichtung kann zumindest eine Verschlussvorrichtung und/oder eine optische Weiche umfassen. Die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung kann ferner eine Phasenschiebungseinrichtung umfassen, welche ausgelegt ist, beim Anlegen einer Spannung, eine Veränderung des optischen Wegs von zumindest einen der beiden kohärenten Strahlen zu bewirken.
Vorzugsweise weisen der Strahlengang des zweiten Objektstrahls und der Strahlengang des Referenzstrahls einen gemeinsamen Abschnitt auf, wobei die Phasenschiebungseinrichtung im gemeinsamen Abschnitt des zweiten Objektstrahls und des Referenzstrahls angeordnet ist. Somit wird durch eine Phasenschiebungs-einrichtung eine Veränderung des optischen Wegs sowohl des Referenzstrahls als auch des zweiten Objektstrahls bewirkt bzw. realisiert. Die Anzahl der optischen Komponenten in der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung kann folglich reduziert werden.
Die Phasenschiebungseinrichtung kann zum Beispiel zumindest einen mittels eines Piezoaktuators verschiebbaren bzw. verlagerbaren Spiegel umfassen. Vorzugsweise umfasst die Phasenschiebungseinrichtung einen Doppelspiegelphasenschieber (90° Doppelspiegelphasenschieber) mit zumindest zwei im Wesentlichen plane Spiegel, welche derart angeordnet sind, dass die Normalen zur Ebene des jeweiligen Spiegels einen Winkel von im Wesentlichen 90° einschließen; und einen Piezoaktuator zum Verschieben des Doppelspiegelphasenschiebers. Vorteile einer Phasenschiebungseinrichtung mit einem Doppelspiegelphasenschieber können das weitgehende Eliminieren der unerwünschten Winkelabhängigkeit des Verstellweges und der Verschiebung der optischen Achse sein.
Das optische Messsystem gemäß dem dritten Aspekt kann ferner eine Steuerungsvorrichtung umfassen, welche ausgelegt ist, die Phasenschiebungseinrichtung zu steuern und/oder zu regeln. Die Steuerungsvorrichtung kann derart ausgelegt werden, ein automatisches Kalibrierungsverfahren der Phasenschiebungseinrichtung durchzuführen. Das automatische Kalibrierungsverfahren umfasst insbesondere die Schritte:
- Aufnehmen eines Referenzbilds beim Anlegen einer Anfangspannung an die Phasenschiebungseinrichtung;
- Schrittweise bzw. graduelles Erhöhen der Spannung an die Phasenschiebungseinrichtung und Aufnehmen eines Bilds nach jeder Erhöhung bzw. entsprechend der graduellen Erhöhung;
- Berechnen der Spannungen V min und V 2m in, bei welchen die Abweichung der Intensität eines jeden Bilds von der Intensität des Referenzbilds als Funktion der angelegten Spannung die ersten zwei Minima aufweist;
- Zuordnen der Spannungsdifferenz AV = V 2m in - V 1 m i n einer Veränderung des optischen Wegs von Δλ (durch die Phasenschiebungseinrichtung), wobei λ die Wellenlänge der zumindest zwei kohärenten Strahlen ist.
Die Kalibrierung kann sowohl im in-plane als auch im out-of-plane Messmodus durchgeführt werden. Die Kalibrierung kann bei beliebigen in-plane, out-of-plane und zwischen in-plane und out-of-plane umschaltbaren Digital-Holographie (ESPI) Anordnungen, welche eine Phasenschiebung mittels auf Piezoaktuatoren angeordneten optischen Elementen einsetzen, angewendet werden.
Das optische Messsystem gemäß dem dritten Aspekt kann ferner ein Mikroskopobjektiv, welches in dem optischen Pfad des zumindest einen Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts angeordnet ist, umfassen. Somit können das optische Messsystem und das Messverfahren insbesondere in Bereichen eingesetzt werden, in welcher die Auflösung einer einfachen optischen Betrachtung kleiner Flächen, mangels Vergrößerung, nicht ausreicht.
Das optische Messsystem gemäß dem dritten Aspekt kann ferner eine Lichtquelle umfassen. Ebenfalls kann das optische Messsystem einen zwei-dimensionalen Detektor, welcher in dem optischen Pfad des zumindest einen Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts angeordnet ist, umfassen. Des Weiteren kann das optische Messsystem eine Bildauswertungsvorrichtung umfassen, welche ausgelegt ist, anhand der von einem Detektor aufgenommenen Bilder des Abtastbereichs des Messobjekts, die Komponente der Verformung und/oder Dehnung des Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung zu ermitteln oder zu berechnen. Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung von zumindest einer Verformungs- und/oder Dehnungskomponente von Objekten in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung mittels eines optischen Messsystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- Beleuchtung eines Abtastbereichs des Messobjekts mit dem ersten Objektstrahl unter einem vorgegebenen oder vorgebbaren ersten Winkel;
- Erfassen zumindest eines Interferenzbildes des vom Messobjekt reflektierten Lichts und des Referenzstrahls mittels eines Detektors;
- Berechnen zumindest einer Komponente der Verformung und/oder der Dehnung des Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung anhand des zumindest einen vom Detektor erfassten Bildes.
Ebenfalls wird gemäß eines fünften Aspekts der Erfindung ein optisches Messsystem zur Messung von Komponenten der Verformung und/oder der Dehnung von Objekten in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung mittels Digital-Holographie vorgeschlagen, umfassend eine Digital- Holographie (ESPI) Vorrichtung, welche eine out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung und/oder eine in-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen aufweist. Die Digital-Holographie Vorrichtung umfasst eine Phasenschiebungseinrichtung, welche ausgelegt ist beim Anlegen einer Spannung, eine Veränderung des optischen Wegs des zumindest eines der beiden kohärenten Strahlen zu bewirken; und eine Steuerungsvorrichtung, welche ausgelegt ist, die Phasenschiebungseinrichtung zu steuern und/oder regeln. Die Steuerungsvorrichtung ist ausgelegt, ein automatisches Kalibrierungsverfahren der Phasenschiebungseinrichtung mit den Schritten:
- Aufnehmen eines Referenzbilds bei einer Anfangspannung an die Phasenschiebungseinrichtung;
- Schrittweises bzw. graduelles Erhöhen der Spannung an die Phasenschiebungseinrichtung und Aufnehmen eines Bilds nach jeder Erhöhung bzw. in entsprechenden Intervallen;
- Berechnen der Spannungen Vi min und V 2 min, bei welchen die Abweichung der Intensität eines jeden Bilds von der Intensität des Referenzbilds als Funktion der angelegten Spannung die ersten zwei Minima aufweist;
- Zuordnen der Spannungsdifferenz AV = V 2m in - Vi m j n einer Veränderung des optischen Wegs (durch die Phasenschiebungseinrichtung) von Δλ, wobei λ die Wellenlänge der zumindest zwei kohärenten Strahlen ist durchzuführen.
Durch das automatische Piezokalibrierungsverfahren wird mittels der die Bedienbarkeit erheblich vereinfacht und zum Anderen werden die zufälligen Messabweichungen, wie sie bei der Justierung von Hand entstehen, reduziert.
Das optische Messsystem gemäß dem fünften Aspekt kann ferner - wie oben beschrieben - ein Mikroskopobjektiv, welches in dem optischen Pfad des zumindest einen Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts angeordnet ist, umfassen. Des Weiteren kann das optische Messsystem ferner eine Lichtquelle; und/oder einen zwei dimensionalen Detektor, welcher in dem optischen Pfad des zumindest einen Teils des vom Messobjekt reflektierten Lichts angeordnet ist; und/oder eine Bildauswertungsvorrichtung, welche ausgelegt ist, anhand der von einem Detektor aufgenommenen Bilder des Abtastbereichs des Messobjekts Informationen über die zumindest eine Komponente der Verformung und/oder der Dehnung des Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung zu ermitteln oder berechnen, umfassen.
Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung zumindest einer Komponente der Verformung und/oder Dehnung eines Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung mittels einer Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung vorgeschlagen. Die Digital- Holographie (ESPI) Vorrichtung weist eine out-of-plane und/oder eine in-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung mit zumindest zwei kohärenten Strahlen auf, wobei die zumindest zwei kohärenten Strahlen einen (ersten) Objektstrahl und einen zweiten Objektstrahl oder einen Referenzstrahl umfassen, wobei die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung eine Phasenschiebungseinrichtung, welche ausgelegt ist, beim Anlegen einer Spannung, eine Veränderung des optischen Wegs des zumindest einen der beiden kohärenten Strahlen zu bewirken, umfasst. Das Verfahren umfasst eine automatische Kalibrierung der Phasenschiebungseinrichtung, welche die Schritte umfasst:
- Aufnehmen eines Referenzbilds beim Anlegen einer Anfangspannung an die Phasenschiebungseinrichtung;
- Schrittweise Erhöhen der Spannung an die Phasenschiebungseinrichtung und Aufnehmen eines Bilds nach jeder Erhöhung;
- Berechnen der Spannungen V min und V 2 min, bei welchen die Abweichung der Intensität eines jeden Bilds von der Intensität des Referenzbilds als Funktion der angelegten Spannung die ersten zwei Minima aufweist;
- Zuordnen der Spannungsdifferenz AV = V 2m in - V 1min eine Veränderung des optischen Wegs durch die Phasenschiebungseinrichtung von Δλ, wobei λ die Wellenlänge der zumindest zwei kohärenten Strahlen ist.
Die optischen Messsysteme gemäß Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere zur Verformungs- und/oder Dehnungsmessung insbesondere im Mikrobereich in der Ebene (in-plane) und/oder senkrecht zur Ebene (out-of-plane) des Messobjekts geeignet. Vorteile dieser Systeme sind insbesondere die hohe Stabilität und Zuverlässigkeit der Messdaten, der sehr gute Streifendenkontrast der Phasenbilder bei vorzugsweise mikroskopischer Auflösung.
Weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich aus einer detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen, in welchen:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines optischen Messsystems für in-plane
Messungen mittels Digital-Holographie (ESPI);
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines optischen Messsystems für out-of-plane
Messungen mittels Digital-Holographie (ESPI); Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau eines optischen Messsystems für in-plane und out-of-plane Messungen mittels Digital-Holographie (ESPI);
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines optischen (mikroskopischen) Messsystems;
Fig. 5 das Prinzip der Phasenschiebung mittels Variation des optischen Wegunterschiedes zweier Strahlen;
Fig. 6 ein Beispiel einer Phasenschiebungseinrichtung mit einem Spiegel;
Fig. 7 ein Beispiel einer Phasenschiebungseinrichtung mit einem Doppelspiegelphasenschieber;
Fig. 8 ein Beispiel einer Strahlerzeugungsvorrichtung umfassend zwei Strahlteiler und eine Lichtfalle;
Fig. 9 ein Beispiel einer Strahlaufweitung des Objektstrahls mit einem Konkavspiegel;
Fig. 10 die Topologie des Strahlengangs in einer Digital-Holographie Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 11 die Topologie des Strahlengangs in einer Digital-Holographie Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 12 die Topologie des Strahlengangs in einer Digital-Holographie Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
Fig. 13 die Topologie des Strahlengangs in einer Digital-Holographie Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform;
Fig. 14 die Topologie des Strahlengangs in einer Digital-Holographie Vorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform;
Fig. 15 einen Ausschnitt (Befehls-Subfenster) aus einem Bildschirmfenster bzw. graphischen Benutzeroberfläche der Steuerungs- und
Auswertungssoftware;
Fig. 16 die Abhängigkeit der Intensitätsabweichung des jeweiligen Phasenbilds zum Referenzbild;
Fig. 17 ein beispielhaftes Pixelbild zeigen. In den Figuren werden die gleichen Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente oder Komponenten verwendet. Einzelne Merkmale einzelner Ausführungsformen können zu weiteren Ausführungsformen kombiniert werden. Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils den prinzipiellen Aufbau unterschiedlicher Ausführungsformen eines optischen (mikroskopischen) Messsystems 10 für Verformungs- und/oder Dehnungsmessungen mittels Digital-Holographie (ESPI). Das optische (mikroskopische) Messsystem 10 umfasst eine Digital-Holographie Vorrichtung 12-i (i = 1 bis 3); ein Mikroskopobjektiv 30; einen zwei-dimensionalen Detektor 30, vorzugsweise eine CCD-Kamera, mit welchem Interferenzbilder (Phasenbilder) des Abtastbereichs des Messobjekts aufgenommen werden können; sowie eine optional eine Lichtquelle 14. Das Mikroskopobjektiv 24 ist im optischen Pfad zwischen dem Detektor 30 und dem Messobjekt 22 angeordnet, um die gewünschte Vergrößerung zu realisieren. Im optischen Pfad zwischen dem Detektor 30 und dem Messobjekt 22 können sich ebenfalls weitere Elemente befinden, wie zum Beispiel der Grundkörper des Mikroskops 26 und/oder ein Kameraadapter 28.
Des Weiteren kann das optische (mikroskopische) Messsystem 10 eine Bildauswertungsvorrichtung 32 umfassen, welche ausgelegt ist, Informationen über zumindest eine Komponente der Verformung und/oder der Dehnung des Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung anhand der vom Detektor 30 aufgenommenen Interferenzbilder zu ermitteln. Verfahren zum Auswerten von Interferenzbildern, welche mittels Digital- Holographie (ESPI) (insbesondere unter Verwendung von Phasenverschiebung) aufgenommen worden sind, um Informationen über in-plane und/oder out-of-plane Komponenten der Verformung und/oder Dehnungen von Objekten zu ermitteln, sind an sich bekannt und werden nicht näher erläutert.
Ebenfalls kann das optische (mikroskopische) Messsystem 10 eine Steuerungsvorrichtung (nicht in den Figuren 1 bis 3 gezeigt) umfassen, welche ausgelegt ist, die Bildaufnahme durch den Detektor 30, vorzugsweise in Echtzeit, und/oder die Phasenverschiebung, und/oder die Verschlussbetätigung zu steuern bzw. zu regeln.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines optischen Messsystems 10 mit einer inplane Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung 12-1 oder anders ausgedruckt mit einer Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung, welche eine in-plane Anordnung aufweist.
Die in-plane Digital-Holgraphie (ESPI) Vorrichtung 12-1 umfasst eine Strahlerzeugungseinrichtung (nicht in Fig. 1 gezeigt), welche ausgelegt ist, zumindest zwei kohärente Strahlen, umfassend einen ersten Objektstrahl O1 und einen zweiten Objektstrahl O2, zu erzeugen. Die (aufgeweiteten) Objektstrahlen O1 und O2 werden derart mittels einer Strahllenkungsvorrichtung umgelenkt, einen Abstastbereich des zu vermessenden Objekts (Messobjekts) 22 aus unterschiedlichen Richtungen zu beleuchten. In der Regel wird das Messobjekt 22 im Wesentlichen symmetrisch beleuchtet, wobei die Einfallswinkel der beiden Objektstrahlen auf die Oberfläche des Messobjekts 22 dem Betrag nach im Wesentlich gleich sind. Die Objektstrahlen werden durch eine Teilung des von der Lichtquelle 14 kommenden Strahls (in der Regel eines Laserstrahls) in zwei kohärente Teilstrahlen erzeugt. Die beiden Teilstrahlen (Objektstrahlen O1 und 01 ) werden anschließend mittels geeigneter Strahlaufweitungsvorrichtungen 16, 18 aufgeweitet und mittels zumindest einer geeigneten Strahllenkvorrichtung auf das Messobjekt 22 gerichtet. Im optischen Pfad eines der beiden Objektstrahlen ist eine Phasenschiebungseinrichtung 20 angeordnet.
Das auf der Messobjektoberfläche überlagerte und/oder interferierende Licht der beiden Objektstrahlen wird diffus reflektiert, durch das Mikroskopobjektiv 24 auf den CCD-Chip der CCD-Kamera 30 fokussiert und aufgenommen bzw. erfasst. Durch Auswertung der aufgenommenen Speckle-Bilder mit der Bildauswertungsvorrichtung 32 können die Komponenten der Verformung und/oder der Dehnung des Messobjekts in der Ebene der beiden Beleuchtungswellen bzw. in der Ebene des Messobjekts (in-plane Komponenten) berechnet bzw. ermittelt werden.
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines optischen (mikroskopischen) Messsystems 10 mit einer out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung 12- 2 oder anders ausgedruckt mit einer Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung, welche eine out-of-plane Anordnung aufweist.
Die out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung 12-2 umfasst eine Strahlerzeugungseinrichtung (nicht in Fig. 2 gezeigt), welche ausgelegt ist, zumindest zwei kohärente Strahlen (umfassend einen ersten Objektstrahl 01 und einen Referenzstrahl R) zu erzeugen. Ähnlich bzw. gleich zu dem in-plane- Aufbau, werden der Objektstrahl 01 und der Referenzstrahl R durch Teilung eines von der Lichtquelle 14 kommenden Strahls (in der Regel eines Laserstrahls) in zwei kohärente Teilstrahlen erzeugt. Die beiden Teilstrahlen (Objektstrahl und Referenzstrahl) werden anschließend mittels geeigneter Strahlaufweitungs- vorrichtungen 16 und 17 aufgeweitet. Der aufgeweitete Objektstrahl 01 wird mittels einer Strahllenkvorrichtung auf das Messobjekt gerichtet. Der aufgeweitete Referenzstrahl R wird mittels der Strahllenkungsvorrichtung im Strahlengang der CCD-Kamera 30 eingekoppelt. Um das Intensitätsverhältnis zwischen dem Objektstrahl und dem Referenzstrahl abzugleichen, kann im optischen Pfad des Referenzstrahls R (Referenzstrahlpfad) eine Intensitätseinstellungseinrichtung 34 angeordnet werden.
Die Phasenschiebungseinrichtung 20 kann sowohl im optischen Pfad des Objektstrahls 01 als auch im optischen Pfad des Referenzstrahls R angeordnet werden. Vorzugsweise ist jedoch die Phasenschiebungseinrichtung 20 in dem optischen Pfad des Referenzstrahls R angeordnet. Es hat sich erwiesen, dass dadurch die Genauigkeit des mikroskopischen Messsystems erhöht wird. Der Referenzstrahl R kann an unterschiedlichen Stellen im mikroskopischen out- of-plane (moop) Messsystem eingekoppelt werden. Die möglichen Referenzstrahl- Einkopplungsstellen sind in Fig. 2 als Knotenpunkte R1 , R2, R3, R4 dargestellt. Insbesondere kann der Referenzstrahl sowohl vor als auch nach dem Mikroskopobjektiv 24 eingekoppelt werden. Jedoch eignet sich eine Schnittstelle, welche als Knotenpunkt R3 in Fig. 2 dargestellt ist, besonders gut für die Einkopplung des Referenzstrahls R. An dieser Stelle ist der Strahlengang des Mikroskops im Wesentlichen parallel. Dies ermöglicht eine qualitativ hochwertige Einkopplung mit homogenem Intensitätsprofil. Zudem ist an dieser Stelle die Strahlengangverlängerung des Mikroskops möglich, welche durch die Bauhöhe des Einkopplungsmoduls notwendig wird. Darüber hinaus erfüllt diese Stelle die Anforderung, das okularseitige Kupplungssystem eines herkömmlichen Mikroskops zu nutzen bzw. einsetzen zu können. Das interferierende Licht des Referenzstrahls R und des vom Messobjekt reflektierten Lichts des ersten Objektstrahls 01 wird vom Detektor 30 detektiert und an einer Bildauswertungsvorrichtung 32 übermittelt.
Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines optischen (mikroskopischen) Messsystems mit einer Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung 12-3, welche zwischen einem in-plane Messmodus (oder einer in-plane Anordnung) und einem out-of-plane Messmodus (oder out-of-plane Anordnung) umgeschaltet bzw. variiert werden kann. Die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung 12-3 ist derart ausgelegt, mindestens drei kohärente Strahlen zu erzeugen, umfassend einen ersten bjektstrahl 01 , einen zweiten Objektstrahl 02 und einen Referenzstrahl R. Die beiden Objektstrahlen 01 und 02, werden mittels einer Strahlumlenkungsvorrichtung auf einen Abtastbereich des Messobjekts 22 gerichtet. Der Abtastbereich des Messobjekts 22 wird von den Objektstrahlen 01 und O2 aus unterschiedlichen Richtungen, bevorzugt im Wesentlich symmetrisch beleuchtet. Der Referenzstrahl R wird im optischen Pfad des vom Messobjekt 22 reflektierten Lichts eingekoppelt.
Im in-plane Messmodus (oder bei einer in-plane Anordnung) werden - wie in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben - die beiden Objektstrahlen 01 und 02 mittels entsprechenden Strahlaufweitungsvorrichtungen 16 und 18 und/oder Strahllenkvorrichtungen aufgeweitet und auf das Messobjekt 22 gerichtet. Dabei wird der Referenzstrahl R mittels der Schaltervorrichtung 36, ausgeschaltet. Im out-of-plane Messmodus wird - wie in Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben - das Messobjekt 22 lediglich von einem der beiden Objektstrahlen 01 oder 02 beleuchtet und der Referenzstrahl R im Strahlengang der Kamera eingekoppelt. Der andere Objektstrahl wird mittels der Schaltervorrichtung 36 ausgeschaltet.
Die Umschaltung zwischen dem in-plane Messmodus und dem out-of-plane Messmodus erfolgt dementsprechend durch die Umschaltung zwischen dem zweiten Objektstrahl 02 und dem Referenzstrahl R. Im out-of-plane Messmodus, in welchem der erste Objektstrahl 01 und der Referenzstrahl R verwendet werden, wird der Referenzstrahlpfad zugeschaltet. Im in-plane Messmodus, in welchem die beiden Objektstrahlen 01 und 02 verwendet werden, wird zum ersten Objektstrahl 01 der Objektstrahl 02 zugeschaltet.
Die Vereinigung der in-plane und out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Prinzipien in der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform basiert auf der Gemeinsamkeit, dass sowohl in-plane als auch out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Messverfahren mindestens einen Objektstrahl nutzen. Bei der in Fig. 3 gezeigten drei-dimensionalen Digital- Holgraphie (ESPI) Vorrichtung 12-3 ist der erste Objektstrahl 01 der gemeinsam genutzte Objektstrahl. Er kann auch als gemeinsamer optischer Pfad der in-plane und der out-of-plane Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtungen bezeichnet werden.
Femer ist es aus regel- bzw. steuerungstechnischen- und/oder softwarebedingten Gründen vorteilhaft, eine gemeinsame Phasenschiebeeinrichtung 20 für beide Messmoden zu verwenden. Dadurch können ebenfalls Bauraum, Komponenten (z.B. Stecker) und Kosten für eine zweite Phasenschiebungseinrichtung gespart werden. Die Phasenschiebungseinrichtung 20 kann sowohl im optischen Pfad des gemeinsam in den beiden Messmoden genutzten ersten Objektstrahls 01 als auch in dem optischen Pfad des Referenzstrahls R angeordnet werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Genauigkeit der out-of-plane-Messung höher ist, wenn eine Phasenschiebung des Referenzstrahls R durchgeführt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden durch Teilung des von der Lichtquelle 14 kommenden Strahls zunächst zwei Teilstrahlen erzeugt. Der erste Teilstrahl wird als Objektstrahl 01 verwendet. Im optischen Pfad des zweiten Teilstrahls wird die Phasenschiebungseinrichtung 20 angeordnet. Der zweite Teilstrahl wird in zwei weitere Teilstrahlen aufgeteilt, welche den zweiten Objektstrahl 02 und den Referenzstrahl R bilden. Die Umschaltung zwischen dem zweiten Objektstrahl 02 und dem Referenzstrahl R erfolgt durch die Schaltervorrichtung 36. Die Schaltervorrichtung 36 umfasst einen ersten 38 und einen zweiten 40 optischen Verschluss (Shutter) und optional zumindest eine optische Weiche 42.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn alle Strahlen (d.h. der Objektstrahl O1 , der Objektstrahl 02 und der Referenzstrahl R) getrennt von einander geschaltet werden können. Somit kann z.B. eine separate Piezojustierung durchgeführt werden. Deshalb kann optional auch im optischen Pfad des ersten Objektstrahls 01 ebenfalls eine zweite Schaltervorrichtung 44, umfassend zumindest einen optischen Verschluss, angeordnet werden. Um das Intensitätsverhältnis zwischen dem ersten Objektstrahl 01 und dem Referenzstrahl R abzugleichen, ist im Referenzstrahlpfad bevorzugt eine Intensitätseinstellungseinrichtung 34 angeordnet.
Die in Fig. 1 bis 3 dargestellten optischen Messsysteme können modular aufgebaut werden, wobei die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung als ein eigenständiges Modul (nachfolgend auch Interferometriemodul oder „Mikroferoskop" genannt) ausgebildet werden kann. Das Interferometriemodul kann passend zum okularseitigen Kupplungssystem eines Mikroskops, vorzugsweise eines Stereomikroskops (z.B.. Leica Mz16), aufgebaut werden. Somit kann das Interferometriemodul ohne großen Montageaufwand an einem Mikroskop (z.B. einem Stereomikroskop) montiert werden. Vorzugsweise weist das Mikroskop, in welchem das Interferometriemodul integriert wird, einen modularen Aufbau auf, was eine große Variabilität durch die mögliche Verwendung unterschiedlicher Module und deren verschiedenartige Kombination ermöglicht. Zudem ermöglicht diese Bauweise die nachträgliche Integration verschiedenster optischer Komponenten, wie zum Beispiel von Strahlteilern, Filtern oder Faserkoppler.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines optischen (mikroskopischen) Messsystems 10. Die modular aufgebaute Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung 12 ist unterhalb des Mikroskops 23 bzw. der Mikroskopoptik (umfassend das Mikroskopobjektiv) angeordnet. Die optische Achse des Mikroskops bzw. des Mikroskopobjektivs ist im Wesentlichen parallel zu der vertikalen Richtung z. Die in Fig. 4 dargestellte Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung weist eine in-plane Digital-Holographie Anordnung auf, wobei das Messobjekt von zwei kohärenten Objektstrahlen 01 und 02 beleuchtet wird. Vorteile einer Anordnung der Digital- Holographie (ESPI) Vorrichtung unterhalb des Mikroskopobjektivs (bzw. unterhalb der Mikroskopoptik) können insbesondere eine verbesserte Ausleuchtung des Messobjekts, eine höhere Genauigkeit der Untersuchung oder Messung, insbesondere bei einer in-plane Digital-Holographie (ESPI) Anordnung, einen kleineren bzw. kompakteren Bau der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung (insbesondere der Beleuchtungsarme), sowie eine einfachere Integration der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung mit einem Mikroskop sein.
Eine Erweiterungsmöglichkeit zum gleichzeitigen Messen der in-plane- Verformungen in zwei Richtungen (x-x und y-y), ist bevorzugt durch den Aufbau eines zweiten, baugleichen Interferometriemoduls (gegebenenfalls ohne Referenzstrahleinkopplung) realisierbar. Insbesondere kann das mikroskopische Messsystem zwei Interometriemodule umfassen, welche im Wesentlichen 90° zueinander und 45° zur Hochebene des Säulensystems stehen bzw. angeordnet sind.
Bevorzugte Ausführungsformen des optischen Messsystems 10, umfassend eine Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung und optional ein Mikroskopobjektiv werden nachfolgend in mehr Detail beschrieben:
Lichtquelle Die Lichtquelle kann extern zu der Digtial-Holgraphie (ESPI) Vorrichtung bzw. zum Interferrometriemodul sein. Die Einkopplung des von der Lichtquelle generierten Strahls in die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung kann zum Beispiel mittels zumindest einen Glasfaserkabel und zumindest einen Kollimator realisiert werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Lichtquelle in der Digtial-Holgraphie (ESPI) Vorrichtung fest integriert ist. Die Vorteile einer internen Lichtquelle sind insbesondere, dass die Einstellung der Einkopplung entfällt und auf die teuren und empfindlichen Glasfaserkabel verzichtet werden kann. Vorzugsweise weist die Lichtquelle einen Laser oder eine Laserdiode auf. Alternativ können jedoch auch andere Lichtquellen eingesetzt werden, wie z.B. Leuchtstoffröhren in Kombination mit entsprechenden Filtern.
Strahllenkunqsvorrichtunq Die Strahllenkungsvorrichtung umfasst zumindest ein optisches Element, wie z.B. einen Spiegel, einen Strahlteilerwürfel, usw. Insbesondere können zur Strahllenkung bzw. Strahlablenkung neben Spiegel, auch Strahlteilerwürfel als strahllenkende Elemente eingesetzt werden, wobei der reflektierte Strahl meist senkrecht zur optischen Achse des Strahleingangs beziehungsweise des transmittierten Strahls austritt und somit umgelenkt wird. Es können ferner ein oder mehrere Spiegel, vorzugsweise Planspiegel mit jeweils einem verstellbaren Spiegeltisch eingesetzt werden. Die Spiegel weisen vorzugsweise eine Beschichtung auf, welche bevorzugt im Bereich der vorgesehenen Laserwellenlängen einen sehr guten und nahezu konstanten Reflektionsgrad aufweist.
Schaltervorrichtunq
Das Zusammenführen der in-plane und out-of-plane Digitale-Holgraphie (ESPI) Vorrichtungen zu einem gesamten drei-dimensionalen System erfordert eine Umschaltung zwischen zwei Strahlpfaden. Hierzu können z.B. optischen Weichen (Strahlweichen) und/oder Verschlussvorrichtungen (Shuttervorrichtungen) eingesetzt werden. Eine optische Weiche ist ausgelegt, im Wesentlichen 100% des einfallenden Lichts in die gestellte bzw. vorgegebene Richtung abzulenken. Die optische Weiche kann z.B. zumindest einen Spiegel auf einem servo- verstellbaren Drehtisch umfassen. Eine Verschlussvorrichtung ist ausgelegt, das einfallende Licht in zumindest zwei Teilstrahlen zu teilen, den Verschluss der zu stellenden Richtung zu öffnen und den Verschluss der zweiten Richtung zu schließen. Eine beispielhafte Verschlussvorrichtung kann einen Strahlteiler und zwei Verschlussblenden umfassen.
Wie bereits vorangehend ausgeführt ist es vorteilhaft, wenn alle Strahlen (d.h. der Objektstrahl O1 , der Objektstrahl O2 und der Referenzstrahl R) getrennt von einander geschaltet werden können. Die Verwendung einer optischen Weiche hat zur Folge, dass mindestens ein weiterer Verschluss verbaut werden muss oder eine exakte Mittelstellung (beide Strahlenpfade verschlossen) einzurichten ist. Darüber hinaus ist die Reproduzierbarkeit der absoluten Servostellwinkel des servoverstellbaren Drehtisches, auf dem der Weichenspiegel angeordnet ist, mit herkömmlichen Servoeinrichtungen nicht immer gewährleistet. Um während derselben Belastung des Objekts (d.h. in einem Schritt) in-plane und out-of-plane- Verformungen messen zu können, wird jedoch während einer Messung zweimal umgeschaltet werden. Steht der Weichenspiegel nach den Umschaltungen nicht mehr in der gleichen Position wie bei der Aufnahme der Referenzbilder, werden die Normalbilder mit einem zu den Referenzbildern verschobenem Specklemuster aufgenommen. Dadurch werden die Phasenbilder und damit die Messung verfälscht.
Der Nachteil des verlorenen Lichtstromes am geschlossenen Verschluss (Shutter) kann jedoch vernachlässigt werden, da die Lichtquellen (insbesondere Laserquellen) in der Regel über genügend Leistungsreserven verfügen. Das Verschlusssystem hat sich daher als vorteilhaft erwiesen.
Phasenschiebunqseinrichtunq
Die Phasenschiebung kann mittels Variation des optischen Wegunterschiedes zweier Teilstrahlen (Strahl 1 , Strahl2) realisiert werden, wie in Fig. 5 schematisch dargestellt. Diese Variation des optischen Wegunterschieds kann zum Beispiel durch Verschiebung eines Spiegels mittels eines piezoelektrischen Aktuators (Piezoaktuator) erfolgen, wie in Fig. 6 schematisch dargestellt. Insbesondere kann die optische Wegänderung durch einen 90°- Umlenkspiegel M1 , welcher senkrecht zur Spiegelfläche verschoben wird realisiert werden. Diese Vorgehensweise hat jedoch den Nachteil, dass eine Abhängigkeit des
Verstellweges von der Gleichung 2 - cos 45° und eine Verschiebung der optischen Achse des Ausgangsstrahles um Δ/ · cos 45° besteht. Zum Vergleich ist der Ausgangsstrahl gestrichelt dargestellt.
Es wird daher eine bevorzugte alternative Realisierung der optischen Wegänderung vorgeschlagen, durch welche die unerwünschte Abhängigkeit des Verstellweges und die Verschiebung der optischen Achse weitgehend eliminiert werden kann. Die optische Wegänderung und somit die Phasenverschiebung erfolgt durch zwei gegenüberliegende (180°) Spiegel. Einer der beiden Spiegel kann mittels eines Piezoelements oder Piezoaktuators verschoben werden. Dies führt zu einer Veränderung des optischen Wegs und somit zu einer Phasenverschiebung. Wenn die Versatzwinkel sehr klein sind, sind die Einflüsse auf die Strahlgeometrie bei der Verschiebung eines der beiden Spiegel ebenfalls klein. Eine andere Realisierung der optischen Wegänderung kann mittels eines 90°- Doppelspiegelphasenschiebers 45 nach dem Retroreflektor-Prinzip erfolgen, wie in Fig. 7 schematisch dargestellt. Der Laserstrahl wird über zwei Rechteckspiegel M1 , M2 geführt. Diese werden miteinander parallel verschoben. Der 90°- Doppelspiegelphasenschieber eliminiert die beschriebenen Probleme im Wesentlichen vollständig. Neben dem geraden Wegfaktor (2Δ ) ist vorteilhaft auch die Bedingung erfüllt, dass die Strahlwegänderung koaxial erfolgt. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Phasenschiebung (Δ/ ) dieser Phasenschiebe-Vorrichtung die gleiche Abhängigkeit von der Piezospannung aufweist wie in vorhandenen Shearografie- sensoren und im Michelsonaufbau (zur„klassischen" Piezojustierung).
Strahlerzeugungsvorrichtunq
Die Strahlerzeugungsvorrichtung ist ausgelegt, zumindest zwei kohärente Strahlen zu erzeugen. Vorzugsweise werden die zumindest zwei kohärenten Strahlen durch Teilung des Strahls der Lichtquelle (z.B. eines Laserstrahls) in Teilstrahlen erzeugt. Die Strahlteilung kann zum Beispiel durch Strahlteilerwürfel erfolgen. Vorzugsweise weisen die beiden Objektstrahlen die gleichen Intensitäten auf. Für den Referenzstrahl genügt in der Regel eine geringere Intensität. Die Aufteilung des in der drei-dimensionalen Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung eingehenden Strahls der Lichtquelle in drei Teilstrahlen kann zum Beispiel mit zwei hintereinandergeschalteten Strahlteilerwürfeln erfolgen, welche jeweils ein Teilerverhältnis R/T = 50/50 aufweisen. Hierdurch wird der aus der Lichtquelle kommende Strahl mit einer Intensität I in zwei Teilstrahlen mit gleicher Intensität 1/4 und ein Teilstrahl mit einer Intensität 1/2 aufgespaltet. Sollen gleiche Teilungsverhältnisse eingesetzt werden, um gleich große Strahlintensitäten zu erhalten, kann die Intensität eines Teilstrahls, zum Beispiel durch den Einsatz eines Filters reduziert werden. Diese Lösung hat jedoch die Folge, dass ein zusätzliches Dämpfungsglied in der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung eingeführt wird. In der kohärenten Optik wird jedoch generell bevorzugt, möglichst wenige Dämpfungsglieder in der Teilungsstrecke zu verbauen, um das Auftreten von störenden Interferenzeffekten zu verringern. Ursachen für diese Interferenzeffekte können Reflektionen im Filter und/oder an der Filteroberfläche auftretendes Streulicht, sowie der große Gradient des starken Intensitätsgefälles auf kurzer Strecke sein.
Ferner können zum Strahlaufteilung nacheinander geschaltete Strahlteilerwürfel mit ungleichem Teilerverhältnis verwendet werden. Der erste Strahlteilerwürfel kann z.B. ein Teilerverhältnis von 67/33 und der zweite Strahlteilerwürfel ein Teilerverhältnis von 50/50 aufweisen. Alle Teilstrahlen weisen dann die gleiche Intensität, nämlich ein Drittel der Intensität des aus der Lichtquelle stammenden Strahls. Das System ist somit vorteilhaft weitgehend verlustfrei (ausgenommen Bauteilwirkungsgrade). Jedoch werden hierfür Strahlteilerwürfel mit einem gebrochenen Teilerverhältnis benötigt. Strahlteilerwürfel mit gebrochenen Teilerverhältnissen stellen in der Regel Sonderanfertigungen dar, was die Kosten des gesamten Systems erhöhen kann.
Eine andere Möglichkeit, gleiche Teilungsverhältnisse zu erhalten, ist den aus der Lichtquelle kommenden Strahl in vier Teilstrahlen zu teilen, von denen jeder ein Viertel der Gesamtintensität aufweist. Da nur drei Teilstrahlen benötigt werden, wird ein Teilstrahl aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung abgeleitet oder z.B. in einer Lichtfalle absorbiert, wie in Fig. 8 schematisch dargestellt. Die Strahlteilungsvorrichtung umfasst dementsprechend drei Strahlteilerwürfel BS1 , BS2, BS3 und eine Lichtfalle LF.
Das Funktionsprinzip einer Lichtfalle besteht darin, dass der einfallende Lichtstrahl möglichst oft in einer Hohlkugel reflektiert wird. Die stark absorbierende Oberfläche absorbiert bei jeder Reflektion einen Großteil des Lichtstromes. Auf diese Weise wird der Strahl mit jeder Reflektion schwächer, er„verläuft sich".
Vorteil dieses System ist, dass die Lichtfalle kostengünstig hergestellt werden kann, z.B. mit Hilfe eines 3D-Druckers. Insbesondere kann die Lichtfalle in matt- schwarz in einem rapidprototyping-Verfahren gedruckt werden. Die raue Oberfläche dieser Lichtfalle verstärkt die Lichtabsorption. Der Nachteil des verlorenen Lichtstromes im Lichtfallenzweig kann in der Regel vernachlässigt werden, da die einzusetzenden Lichtquellen, insbesondere Laserquellen, über genügend Leistungsreserven verfügen.
Strahlaufweitunq
Die durch Teilung eines von der Lichtquelle kommenden Strahls erzeugten Objekt- und Referenzstrahlen werden in der Regel aufgeweitet. Dies kann z.B. mittels einer oder mehreren Linsen (Linsensystem) erfolgen. Vorteil einer Strahlaufweitung mittels einer Linse ist, dass die Linse relativ einfach eingebaut und ausgetauscht werden kann (um zum Beispiel eine andere Brennweite einzustellen). Ferner hat eine einzelne Linse einen relativ geringen Bauraumbedarf. Nachteile der Strahlaufweitung mittels einer Linse ist Neigung zu nicht homogenen Strahlprofilen und Fehlern schon bei geringer Verschmutzung, zum Beispiel durch Staub. Ebenfalls ist die Einstellung der Beleuchtungsfeldposition relativ aufwändig.
Des Weiteren kann zur Strahlaufweitung ein Mikroskopobjektiv verwendet werden. Das Mikroskopobjektiv ist relativ einfach einzubauen und leicht austauschbar. Ebenfalls sind verschiedene Brennweiten möglich. Das Strahlprofil ist besser als das Strahlprofil einer einfachen Linse. Ein Mikroskopobjektiv ist jedoch in der Regel schwer zu justieren, da der Strahl genau koaxial eintreten muss. Ferner ist die Einstellung der Beleuchtungsfeldposition relativ aufwendig. Des Weiteren ist die Intensität des aufgeweiteten Strahls relativ gering und der Wirkungsgrad relativ niedrig.
Die Strahlaufweitung kann ebenfalls mittels eines oder mehrerer Diffusoren, z.B. Groundgläser, erfolgen. Vorteile der Strahlaufweitung mittels eines oder mehreren Diffusoren (insbesondere Groundgläser) ist, dass diese einfach eingebaut und justiert werden können. Ebenfalls weist das Strahlprofil eine gute Qualität auf. Das System ist ferner gut einstellbar, da es zum Beispiel ausreicht, lediglich einen Spiegel hinter einem fest montierten Diffusor (z.B. einem Groundglass) beweglich bzw. verstellbar zu montieren. Ferner kann ein Groundglass gleichzeitig als Gehäusefenster dienen, welches das Gehäuse der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung vor Staubeintritt schützt.
Mit einem Diffusor (z.B. mit einem Groundglass) können Speckies üblicher Größe erhalten werden, wogegen durch den Einsatz eines zweiten Groundglases oder weiterer Groundgläser möglich ist, die Specklegröße zu verringern. Dies kann insbesondere für den Einsatz in einem mikroskopischen Messsystem vorteilhaft sein. Vorzugsweise wird einer der beiden Diffusoren (z.B. Groundgläser) beweglich oder verstellbar (z.B. in einem Halter) angeordnet. Durch Verschieben dieses Diffusors kann die Specklegröße in gewissem Umfang eingestellt werden. Der zweite Diffusor (z.B. das zweite Groundglas) kann fest montiert werden, vorzugsweise an einer Stelle, and der dieser im optischen Messsystem eine günstige Specklegröße liefert. Ferner kann optional eine Doppelirisblende eingesetzt werden, um die Specklegröße auf dem Chip der CCD-Kamera einzustellen. Eine Blende geringen Durchmessers führt zu großen Speckies und umgekehrt. Die Specklegröße des Objektbildes wird ferner durch die Aperturblende des Mikroskops beeinflusst. Durch die Referenzstrahlaufweitung mittels zwei Diffusoren (z.B. zwei Groundgläser) kann eine geeignete Specklegröße vorgegeben werden. Mit der Aperturblende des Mikroskops kann das Specklebild des Objekts dem des Referenzstrahles angepasst werden.
Es ist daher vorteilhaft, bei einer out-of-plane Anordnung zumindest den Referenzstrahl mit einer Strahlaufweitungsvorrichtung, welche zwei nach einander angeordneten Diffusoren (z.B. Groundgläser) umfasst, aufzuweiten.
Nachteile einer Strahlaufweitung mittels eines oder mehreren Diffusoren (z.B. Groundgläser) können eine starke Strahlaufweitung auf kurzer Distanz und ein begrenzt variabler Aufweitungsgrad sein. Es ist ferner in der Regel erforderlich, den Diffusor (z.B. das Groundglas) relativ nah am Messobjekt zu platzieren, um einen kleinen Fleck bzw. Abtastbereich entsprechend hell zu beleuchten. In diesem Fall kann jedoch ein helleres Zentrum im Strahlprofil entstehen.
Der Objektstrahl/Objektstrahlen kann/können daher mittels anderer Strahlauf- weitungsvorrichtungen aufgeweitet werden, zum Beispiel durch den Einsatz von zumindest einem Konkavspiegel 46, wie in Fig. 9 schematisch dargestellt. Die Geometrie der Strahlaufweitung wird durch den Laserstrahldurchmesser d, den Spiegelfokus f und den Abstand zum Objekt s bestimmt. Vorteile einer Strahlaufweitung mit einem Konkavspiegel sind eine einfache Justierung und ein sehr gutes Strahlprofil. Durch auswechselbare Konkavspiegel können verschiedene Aufweitungsgrade und/oder Beleuchtungsfelddurchmesser realisiert werden. Das System ist gut einstellbar, da ein Spiegel auf einem verstellbaren Spiegeltisch montiert, und damit die Beleuchtungsfeldposition eingestellt werden kann. Ferner kann gegebenenfalls ein Umlenkspiegel gespart werden. Um auf lange Zeit gute Strahlprofile zu gewährleisten, muss das System jedoch vor Staub geschützt werden. So kann der Konkavspiegel hinter einem Floatglasfenster in dem Gehäuse der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung, welches die Digital- Holographie (ESPI) Vorrichtung vor Staubeintritt schützt, positioniert werden. Ein Nachteil der Strahlaufweitung mittels eines Konkavspiegels ist jedoch, dass ein elliptisches Strahlprofil erzeugt wird, wenn Ein- und Ausgangsstrahlen nicht koaxial sind. Einkoppeln des Referenzstrahls und Intensitätseinstellunqsvorrichtunq
Bei der out-of-plane Anordnung bzw. in dem out-of-plane Messmodus erfolgt vorzugsweise die Referenzstrahleinkopplung derart, dass der Mikroskopstrahlengang nicht versetzt wird. Somit können die Richtung und die Lage der Achse bis zum Kameratubus erhalten bleiben. Deshalb ist der Einsatz strahlversetzender Bauteile, wie zum Beispiel einer Strahlteilerplatte weniger vorteilhaft. Bevorzugt werden zur Einkopplung des Referenzstrahles in den Mirkroskopstrahlengang stattdessen Strahlteilerwürfel eingesetzt. Der Eingangsund der Ausgangsstrahl können somit koaxial zueinander sein. Ein Strahlteiler mit einem Teilungsverhältnis T/R = 90/10 liefert ein gutes Grundverhältnis zwischen der Objektbild- und der Referenzstrahlintensität auf dem Chip der CCD-Kamera. Der Feinabgleich kann mit einer vorgeschalteten Intensitätseinstellungseinrichtung durchgeführt werden.
Insbesondere kann im optischen Pfad des Referenzstrahls eine Intensitätsein- Stellungsvorrichtung angeordnet werden, um das Intensitätsverhältnis zwischen dem Objektstrahl und dem Referenzstrahl abzugleichen. Die Intensität kann zum Beispiel mit einem zirkulären Polarisationsfilterpaar eingestellt werden. Im Messbetrieb kann es jedoch schwierig sein, die Intensität des Referenzstrahls mit einem zirkulären Polarisationsfilterpaar einzustellen, da hierzu das Gehäuse der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung in der Regel geöffnet werden muss. Ferner treten je nach Polarisationsrichtung des eingekoppelten Lasers bis zu vier unterschiedlich große Maxima über 360° auf. Die Zuordnung von „0%"- und „100%"-lntensität ist jedoch schwierig. Ebenfalls ist es schwierig, die Intensitätsänderung einer bestimmten Drehrichtung zuzuordnen. Des Weiteren wird durch das Polarisationsfilterpaar viel Streulicht im Gehäuse erzeugt.
Um eine Einstellbarkeit von der Gehäuseaußenseite und insbesondere eine eindeutige Zuordnung der Verstellrichtung zur Intensitätsänderung zu erreichen, wird vorzugsweise ein lineares System, wie zum Beispiel ein Graukeil, eingesetzt.
Der Graukeil ist in der Regel aus schwarz durchgefärbtem Neutralglas gefertigt.
Zur Vermeidung des Strahlversatzes kann der Graukeil mit einem Ausgleichskeil verkittet bzw. verbunden werden. Der Graukeil kann beweglich oder verschiebbar angeordnet werden. Zum Beispiel kann die Position des Graukeils mit einem
Schiebemechanismus, welcher durch eine Einstellschraube betätigt wird, variiert werden.
Ein Vorteil des Graukeils ist die neutrale, d.h. im Wesentlichen weilenlängen- und polarisationsunabhängige Änderung der Intensität. Ferner ist der Graukeil in kleinen Baugrößen verfügbar und kann bevorzugt mit einem Schraube-Feder- System verstellt werden.
Der Graukeil kann zwischen den beiden Diffusoren (z.B. Groundgläser) angeordnet werden. So kann eines der Groundgläser vor und eines hinter dem Graukeil angeordnet werden (Doppelgroundglasssystem mit integriertem Graukeil). Die Vorteile dieses Systems sind eine besonders günstige Aufweitung mit kleinen Speckies und eine bessere Dosierbarkeit der Intensität. Ein weiterer Vorteil ist die kompakte Bauweise.
Das Groundglass vor dem Strahlteilerwürfel kann als ein Kameraschirm fest montiert werden. So kann das Groundglass vor dem Graukeil bei Bedarf an der Stelle eingeklebt werden, an der es in diesem System eine günstige Specklegröße liefert. Das zweite Groundglass kann in einem Halter montiert werden.
Raumlichtfilter
Ferner kann das mikroskopische Messsystem ein Raumlichtfilter umfassen, z.B. einen kurz- oder einen Langpassfilter. Das Filter ist vorzugsweise so ausgewählt, dass die eingesetzte Wellenlänge im Bereich des Transmissionsmaximums des Filters liegt. Um den Messbetrieb bei Raumlichtbeleuchtung (Leuchtstoffröhren) zu ermöglichen, kann z.B. ein Langpassfilterglas (z.B. Langpassfilterglas Schott „OG590" = Oranges Glas mit Kantenwellenlänge λ 0 = 590 nm) eingesetzt werden, da dieses einen Großteil des Leuchtstoffröhrenlichtes aussperrt bzw. absorbiert. Das Filterglas kann in einem Objektivring montiert werden, wobei dieser Ring kann bei Bedarf an das Objektiv geschraubt werden.
Topoloqie des Strahlenqanqs
Der Strahlengang in der Digital-Holographie Vorrichtung kann unterschiedliche Konfigurationen annehmen. Vorzugsweise wird die Topologie des Strahlengangs nach einem oder mehreren der folgenden Gesichtspunkte konzipiert:
- die als ein Interferometriemodul aufgebaute Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung kann mit dem Kupplungssystem eines Mikroskops zwischen
Mikroskopgrundkörper und Kameratubus montiert werden;
- geringe Bauhöhe, um die Strahlengangverlängerung des Mikroskops möglichst kurz zu halten; - Vermeidung von Strahlkreuzungen, um z.B. eine Strahlführung in einem Kanal zu ermöglichen;
- Strahlführung in einer Ebene, um eine Erweiterung der Optik der Digital- Holographie (ESPI) Vorrichtung für eine weitere in-plane-Messrichtung in eine zweite Eben zu ermöglichen. Eine Strahlführung in einer Ebene hat insbesondere den Vorteil, dass eine separate Laserquelle zur unabhängigen Leistungsregelung der beiden in-plane-Richtungen verwendet werden kann, ohne dass eine gegenseitige Beeinflussung stattfindet;
- Die Strahleinkopplung erfolgt vorzugsweise auf der Geräterückseite, gegebenenfalls mit Bauraum für eine Laserdiode;
y BaulementePfadOX
- Das Bauelementverhältnis B = ^ , definiert als
2_, BaulementePfadOl
das Verhältnis zwischen der Summe der Bauelemente entlang des optischen Pfad des ersten Objektstrahls und der Summe der Bauelemente entlang des optischen Pfads des zweiten Objektstrahls, beträgt vorzugweise ungefähr 1 , um die gleiche Intensität beider Objektstrahlen zu gewährleisten. Dabei werden Spiegel und Strahlteiler gleich bewertet, da deren Wirkungsgrade ähnlich sind. Fig. 10 zeigt die Strahlentopologie gemäß einer ersten Ausführungsform. Der von der Lichtquelle 14 kommende Strahl wird durch einen ersten Strahlteilerwürfel BS1 in einen ersten und einem zweiten Teilstrahl geteilt. Der erste Teilstrahl wird mittels eines zweiten Strahlteilerwürfels BS2 in einen dritten und einen vierten Teilstrahl geteilt. Der dritte Teilstrahl tritt nach einer Umlenkung durch den Spiegel M7 als zweiter Objektstrahl aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der vierte Teilstrahl wird von einer Lichtfalle LF absorbiert.
Der zweite Teilstrahl wird mittels eines dritten Strahlteilerwürfel BS3 in zwei weitere (fünfte und sechste) Teilstrahlen aufgeteilt. Der fünfte Teilstrahl tritt nach einer Umlenkung durch den Spiegel M5 und M6 als erster Objektstrahl 01 aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der sechste Teilstrahl tritt als Referenzstrahl aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Im optischen Pfad des zweiten Teilstrahls zwischen dem ersten Strahlteilerwürfel BS1 und dem dritten Strahlteilerwürfel BS2 ist eine Phasenschiebungseinrichtung angeordnet. Die Phasenschiebungseinrichtung umfasst einen 90° Doppelspiegelphasenschieber 45 nach dem Retroreflektorprinzip mit zwei Spiegel M1 und M2. Der Doppelspiegelphasenschieber kann mittels eines Piezoaktuators PA verschoben werden. Ferner umfasst die Phasenschiebungseinrichtung den Spiegel M3 und den Spiegel M4, welche vorzugsweise derart angeordnet sind, dass die optische Achse des ersten Teilstrahls nach dem Durchlauf durch den Doppelspiegelphasenschieber nicht versetzt wird.
Fig. 11 zeigt die Strahlentopologie gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der von der Lichtquelle 14 kommende Strahl wird durch einen ersten Strahlteilerwürfel BS1 in einen ersten und einen zweiten Teilstrahl geteilt. Der erste Teilstrahl wird mittels eines zweiten Strahlteilerwürfels BS2 in einen dritten und einen vierten Teilstrahl geteilt. Der dritte Teilstrahl tritt als erster Objektstrahl 01 aus der Digital- Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der vierte Teilstrahl wird von einer Lichtfalle LF absorbiert. Der zweite Teilstrahl wird mittels eines dritten Strahlteilerwürfels BS3 in zwei weitere (fünfte und sechste) Teilstrahlen aufgeteilt. Der fünfte Teilstrahl tritt als zweiter Objektstrahl 02 aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der sechste Teilstrahl wird durch den Spiegel M4 und M5 umgelenkt und tritt als Referenzstrahl aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus.
Im optischen Pfad des zweiten Teilstrahls zwischen dem ersten BS1 und dem dritten Strahlteilerwürfel BS3 ist eine Phasenschiebungseinrichtung angeordnet. Die Phasenschiebungseinrichtung umfasst einen 90°
Doppelspiegelphasenschieber 45 nach dem Retroreflektorprinzip mit zwei Spiegeln M1 und M2. Der Doppelspiegelphasenschieber 45 kann mittels eines Piezoaktuators PA verschoben bzw. verlagert werden. Ferner umfasst die Phasenschiebungseinrichtung einen dritten Spiegel M3.
Fig. 12 zeigt die Strahlentopologie gemäß einer dritten Ausführungsform. Der von der Lichtquelle 14 kommende Strahl wird durch einen ersten Strahlteilerwürfel BS1 in einen ersten und einen zweiten Teilstrahl geteilt. Der erste Teilstrahl wird mittels eines zweiten Strahlteilerwürfels BS2 in einen dritten und einen vierten Teilstrahl geteilt. Der dritte Teilstrahl wird durch einen Spiegel M6 abgelenkt und tritt als erster Objektstrahl aus Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der vierte Teilstrahl wird von einer Lichtfalle LF absorbiert. Der zweite Teilstrahl wird mittels eines dritten Strahlteilerwürfels BS3 in zwei weitere (fünfte und sechste) Teilstrahlen aufgeteilt. Der fünfte Teilstrahl tritt als zweiter Objektstrahl O2 aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der sechste Teilstrahl wird durch den Spiegel M4 und M5 umgelenkt und tritt als Referenzstrahl R aus der Digital- Holographie (ESPI) Vorrichtung aus.
Im optischen Pfad des zweiten Teilstrahls zwischen dem ersten BS1 und dem dritten Strahlteilerwürfel BS2 ist eine Phasenschiebungseinrichtung angeordnet. Die Phasenschiebungseinrichtung umfasst einen 90°
Doppelspiegelphasenschieber 45 nach dem Retroreflektorprinzip mit zwei Spiegeln M1 und M1. Der Doppelspiegelphasenschieber kann mittels eines Piezoaktuators PA verschoben bzw. verlagert werden. Ferner umfasst die Phasenschiebungseinrichtung einen weiteren Spiegel M3. Der Spiegel M3 und der dritte Strahlteilerwürfel BS1 können eine Einheit bilden. Fig. 13 zeigt die Strahlentopologie gemäß einer vierten Ausführungsform. Der von der Lichtquelle 14 kommende Strahl wird durch einen ersten Strahlteilerwürfel BS1 in einen ersten und einen zweiten Teilstrahl geteilt. Der erste Teilstrahl wird mittels eines zweiten Strahlteilerwürfels BS2 in einen dritten und einen vierten Teilstrahl geteilt. Der dritte Teilstrahl tritt nach einer Umlenkung durch den Spiegel M5 als erster Objektstrahl 01 aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der vierte Teilstrahl wird von einer Lichtfalle LF absorbiert. Der zweite Teilstrahl wird mittels eines dritten Strahlteilerwürfels BS3 in zwei weitere (fünfte und sechste) Teilstrahlen aufgeteilt. Der fünfte Teilstrahl tritt als zweiter Objektstrahl O2 aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der sechste Teilstrahl wird mittels zwei Spiegel M3 und M4 umgelenkt und tritt als Referenzstrahl R aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus.
Im optischen Pfad des zweiten Teilstrahls zwischen dem ersten Strahlteilerwürfel BS1 und dem dritten Strahlteilerwürfel BS2 ist eine Phasenschiebungseinrichtung angeordnet. Die Phasenschiebungseinrichtung umfasst einen Doppelspiegelphasenschieber 45 mit zwei Spiegeln M1 und M2. Der Doppelspiegelphasenschieber kann mittels eines Piezoaktuators PA verschoben bzw. verlagert werden.
Fig. 14 zeigt die Strahlentopologie gemäß einer fünften Ausführungsform. Der von der Lichtquelle kommende Strahl wird durch einen Spiegel M3 abgelenkt und anschließend durch einen ersten Strahlteilerwürfel BS1 in einen ersten und einen zweiten Teilstrahl geteilt. Der erste Teilstrahl wird mittels eines zweiten Strahlteilerwürfels BS2 in einen dritten und einen vierten Teilstrahl geteilt. Der dritte Teilstrahl wird durch den Spiegel M6 und M7 abgelenkt und tritt als erster Objektstrahl 01 aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der vierte Teilstrahl wird von einer Lichtfalle LF absorbiert. Der zweite Teilstrahl wird mittels eines dritten Strahlteilerwürfels BS3 in zwei weitere (fünfte und sechste) Teilstrahlen aufgeteilt. Der fünfte Teilstrahl tritt als zweiter Objektstrahl 02 aus der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Der sechste Teilstrahl wird mittels zwei Spiegel M4 und M5 umgelenkt und tritt als Referenzstrahl aus der Digital- Holographie (ESPI) Vorrichtung aus. Im optischen Pfad des zweiten Teilstrahls zwischen dem ersten BS1 und dem dritten Strahlteilerwürfel BS3 ist eine Phasenschiebungseinrichtung angeordnet. Die Phasenschiebungseinrichtung umfasst einen 90°
Doppelspiegelphasenschieber 45 mit zwei Spiegeln M1 und M2. Der Doppelspiegelphasenschieber kann mittels eines Piezoaktuators verschoben bzw. verlagert werden. Der erste Strahlteilerwürfel BS1 und der dritte Strahlteilerwürfel BS2 können in einer Strahlteilerwürfeleinheit integriert werden.
In allen Ausführungsformen ist die Strahlführung vorzugsweise in einer Ebene. Ferner können Verschlüsse zum Ein- und Ausschalten der einzelnen Strahlen eingebaut werden. Ferner werden vorzugsweise in allen Ausführungsformen Strahlaufweitungsvorrichtungen, welche jeweils ausgelegt sind, den ersten Objektstrahl 01 , den zweiten Objektstrahl 02 und den Referenzstrahl R aufzuweiten, eingebaut bzw. vorgesehen. Detektor
Als ein zwei-dimensionaler Detektor kann eine CCD-Kamera, zum Beispiel eine FireWire CCD-Kamera, eingesetzt werden. Vorteil der FireWire CCD-Kamera ist, dass keine Framegrabber oder andere Zusatzgeräte benötigt werden, um die Kamera mit einem Rechner zu verbinden. Die CCD-Kamera kann eine Full- Frame-CCD-Kamera sein, in welcher durch einen mechanischen Verschluss verhindert wird, dass während des Auslesevorgangs Licht auf den CCD-Sensor fällt. Die CCD-Kamera kann ebenfalls eine Frame-Transfer-CCD-Kamera sein, in welcher die Ladungen nach der Belichtung sehr rasch in einen abgedunkelten Bereich des CCD-Chips verschoben werden. Anschließend kann das gespeicherte Bild während der nächsten Belichtungszeit, Ladungspaket für Ladungspaket, ausgelesen werden. Des Weiteren kann die CCD-Kamera eine Interline-Transfer CCD-Kamera sein, in welcher die Ladung jedes Pixels seitlich in eine abgedeckte Zwischenspeicherzelle übertragen wird. Diese Übertragung erfolgt für alle Pixel gleichzeitig. Erst dann werden die Ladungen zum Ausleseverstärker verschoben. Es ist kein mechanischer Verschluss nötig. Die Belichtungszeit kann elektronisch gesteuert werden, wodurch sehr kurze Belichtungszeiten möglich werden.
Die konstruktionsbedingte kleinere lichtempfindliche Fläche (schlechtere Lichtempfindlichkeit) kann durch kleine Sammellinsen kompensiert werden. Diese liegen über jedem Pixel und fokussieren das Licht, wodurch die Lichtempfindlichkeit des Sensors wieder erhöht wird (,,lens-on-chip"-Technik).
Bildauswertunqsvorrichtunq
Die Bildauswertungsvorrichtung kann zumindest eine Recheneinheit umfassen, welche mittels geeigneter Bildauswertungssoftware ausgelegt bzw. programmiert wird, Informationen über Komponenten der Verformung und/oder der Dehnung des Messobjekts in zumindest einer vorgegebenen oder vorgebbaren Richtung anhand der vom Detektor aufgenommenen Interferenzbilder zu ermitteln.
Das elektrische und/oder optische Rauschen eines jeden vom Detektor aufgenommenen Bildes kann vorteilhafterweise mit einem Phasenfilter weitgehend entfernt werden. Ferner kann mit einer Maske der interessierende Bereich des jeweiligen Phasenbildes ausgewählt und das Phasenbild mit einer Demodulationsroutine in eine kontinuierliche Kurve überführt bzw. umgewandelt werden. Durch die Eingabe der notwendigen Randparameter (wie Beleuchtungswinkel, Messabstand und Laserwellenlänge) ergibt sich das Ergebnis in Form eines so genannten„Falschfarbenbildes" und/oder eines SD- Bildes jeweils mit einer Werteskala. Zudem kann ein Profilschnitt des 3D-Bildes im 2D-System ausgegeben werden.
Die Qualität der Echtzeitaufnahmen kann durch die Integration eines„Difference Factors" erhöht werden. Das vom Detektor (CCD-Kamera) erfasste Bild wird mit diesem Faktor multipliziert, um das Kontrast des erfassten Bilds zu erhöhen. Steuerunqsvorrichtunq
Die Steuerungsvorrichtung kann zumindest eine Recheneinheit, umfassen, welche mittels geeigneter Steuerungssoftware derart ausgelegt oder programmiert wird, die Bildaufnahme, die Phasenverschiebung, und/oder die Verschlussbetätigung zu steuern bzw. zu regeln. Die Steuerungsvorrichtung steht dementsprechend in Signalverbindung mit der Kamera, und/oder die Phasenschiebungseinrichtung und/oder die Schaltervorrichtung. Die Bildauswertungssoftware und die Steuerungssoftware können in einem Steuerungs- und Auswertungssoftwarepacket integriert werden.
Fig. 15 zeigt einen Ausschnitt (Befehls-Subfenster) 50 aus einem Bildschirmfenster bzw. einer graphischen Benutzeroberfläche der Steuerungsund Auswertungssoftware, welches einen Realtimemodus (I-I0), einen Delta- Modus (mit Phasenschiebung), eine Shutterbetätigung und eine Digitale Piezojustierung implementiert. Das Befehls-Subfenster kann mehrere Subfenster bzw. Eingabe/Ausgabe-Felder umfassen, wie zum Beispiel:
- Take Screenshot: Hiermit kann das momentan sichtbare Bild gespeichert werden;
- Take Reference Image: Hiermit wird ein Referenzbild für die Bildauswertung aufgenommen und gegebenenfalls live angezeigt;
- Take Delta Reference Image: Hiermit werden z.B. vier Bilder mit unterschiedlicher Phasenverschiebung aufgenommen.
- Calibrate Piezo: Hiermit wird eine digitale Piezokalibrierung (nachfolgend in Detail beschrieben) gestartet;
- Difference Factor: Mit diesem Faktor wird das aufgenommene Bild multipliziert, um den Kontrast zu erhöhen;
- Select Camera: Dieses Feld öffnet einen Dialog, in dem eine Kamera und die dazugehörige Auflösung auswählt werden können;
- Shutter, Gain, Brightness: Dies sind Parameter der Kamera, die eingestellt werden können;
- Connect: Hiermit wird die Verbindung zu einem Modul "Optotronik" hergestellt;
- Piezo Voltage: Hiermit kann die Spannung der Piezoausgänge manuell eingestellt werden (zum Beispiel zu Testzwecken);
- Laser Power: Dient zur Einstellung der Laserleistung;
- Mode: In diesem Feld kann eine von z.B. vier, für die Messmodi voreingestellten, Verschlussstellungskombinationen ausgewählt oder zum Einstellen der einzelnen Strahlen eine manuelle Betätigung durchführt werden. Je nach Auswahl werden die Objektstrahlen und der Referenzstrahl ein- oder ausgeschaltet. Die Optionen können z.B. sein:
- „In Plane": Die Objektstrahlen 1 und 2 sind an bzw. werden eingeschaltet.
- „Out Of Plane": Der Objektstrahl 1 und der Referenzstrahl sind an bzw. werden eingeschaltet.
- „Manual": Die Einstellungen werden durch die unteren Auswahlfelder getroffen.
- „All Off" Alle Strahlen sind ausgeschaltet.
Ferner kann das mikroskopische Messsystem einen Optotronikmodul umfassen, welcher z.B. drei Sub-Module zum Steuern der Laserdioden, zum Ausgeben von Piezospannungen und/oder zum Steuern von den eingesetzten Servos umfasst. Das Optotronikmodul kann mit der Recheneinheit und der CCD-Kamera in Signalverbindung stehen. Bevor eine Messung durchgeführt wird, ist es vorteilhaft, eine Justierung/Kalibrierung der für Phasenverschiebung eingesetzten Piezoaktuators (Piezojustierung/Piezokalibrierung) vorzunehmen, da es bei der Phasenschiebung auf eine sehr hohe Genauigkeit ankommt (sub-μηι Bereich). Die benötigte Auslenkung oder Verschiebung des Piezoaktuators ist von einigen Faktoren abhängig, insbesondere vom optischen Aufbau, von der Wellenlänge des eingesetzten Lasers und der Piezo-Verstärkerkennline. Des Weiteren ist die benötigte Auslenkung oder Verschiebung des Piezoaktuators abhängig von der Kennlinie des Piezostacks, da Piezos bei angelegter Spannung [V] keine lineare Kennlinie im Bezug auf die Auslenkung [d] aufweisen. Um diese Fehlerquellen möglichst gut auszugleichen, ist es vorteilhaft, eine Justierung bzw. Kalibrierung des Piezoaktuators vorzunehmen. Piezoiustierunq mit Michelson-Interferometer Aufbau
Eine erste Piezojustierung/Piezokalibrierung kann mit Hilfe eines Michelson- Aufbaus erfolgen. Dieser Aufbau hat einerseits den Vorteil, dass er dem endgültigen Gerät im Strahlengang sehr ähnelt. Andererseits ist es mit Hilfe eines Michelson- Aufbaus sehr einfach möglich, die Größe (Breite) der Streifen zu verändern.
Piezoiustierunq direkt in Diqital-Holqraphie (ESPI) Vorrichtung Eine zusätzliche Piezojustierung/Piezokalibrierung direkt im Endgerät (d.h. direkt in dem optischen Messsystem) ist weiterhin vorteilhaft, um z.B. die durch die Montage entstehenden Ungenauigkeiten bzw. Winkelfehler auszugleichen. Hierdurch können die Montagekosten erheblich reduziert werden, da die einzelnen Spiegel und auch der Piezospiegel nicht mit einer engen Toleranz montiert werden müssen. Die Piezojustierung/Piezokalibrierung wird vorzugsweise wiederholt durchgeführt, da durch wechselnde Umgebungsbedingungen (Temperaturen, usw.), längeren Nichtgebrauch oder Erschütterungen es erforderlich sein könnte, eine neue Justierung oder Kalibrierung durchzuführen, um Messergebnis-Ungenauigkeiten zu reduzieren. Um ein möglichst gutes Messergebnis zu erhalten, ist es empfehlenswert vor jedem Messvorgang eine Piezojustierung/Piezokalibrierung zu durchzuführen. Vorzugsweise wird eine automatische, "digitale" Piezojustierung/Piezokalibrierung durchgeführt. Automatische Piezoiustierunq/Piezokalibrierunq
Der Piezoaktuator der Phasenschiebungseinheit kann in einem in-plane oder einem out-of-plane Aufbau kalibriert/justiert werden. Dazu wird bei einer Anfangsspannung am Piezoaktuator ein Referenzbild aufgenommen. Die Anfangspannung wird vorzugsweise derart festgelegt, dass der Piezoaktuator im Wesentlichen in dem linearen Bereich arbeitet. Danach wird die Spannung schrittweise oder graduell erhöht. Nach jeder Erhöhung wird ein Phasenbild bzw. während der Erhöhung werden (bevorzugt mit einer vorgegebenen bzw. vorgebbaren Taktung) entsprechende Phasenbilder aufgenommen. Durch die Spannungserhöhung ändert sich nur die Phase des einen Strahls, nicht jedoch die Phase des anderen Strahls. Durch die Addition der beiden Strahlen entsteht ein Interferenzmuster. Da die Addition zweier Sinuswellen gleicher Frequenz wieder eine Sinuswelle der gleichen Frequenz ergibt, ändert sich die Intensität an einem bestimmten Punkt des Interferenzmusters nach einer Sinusfunktion derart, dass bei einer Verkürzung des optischen Wegs um λ auch die Intensität genau eine Periode durchläuft.
In anderen Worten, wenn keine Störfaktoren auftreten, ist das phasenverschobene Bild nach einer Veränderung des optischen Weges um λ wieder identisch zum Referenzbild. Da sich die Intensität nach einer Sinusfunktion ändert, und das Referenzbild konstant ist, ändert sich auch die Intensitätsabweichung vom Phasenbild zum Referenzbild nach einer Sinusfunktion. Diese Abweichung wird für alle Pixel eines jeden Bilds addiert. Da dies für alle Phasenbilder während der Kalibrierung vorgenommen wird, ergibt sich eine Funktion, welche von der Piezospannung auf die Intensitätsabweichung zum Referenzbild abbildet.
In dieser Funktion befinden sich überall dort Minima, wo das jeweilige Phasenbild dem Referenzbild am ähnlichsten ist. Der Abstand zwischen diesen Minima entspricht der Spannungsdifferenz AV, bei der sich der optische Weg um Δλ verändert (verkürzt oder verlängert). Die ersten beiden Minima V 1min und V 2m in können automatisch ermittelt werden. Aus der Spannungsdifferenz AV=V 2 min - Vir™ können durch gleichmäßiges Einteilen, die (z.B. drei) benötigten Spannungs- differenzen für die einzelnen Aufnahmen errechnet werden.
Fig. 16 zeigt die Abhängigkeit der Intensitätsabweichung des jeweiligen Phasenbilds zum Referenzbild. Auf der Y-Achse ist die Intensitätsabweichung der einzelnen Phasenbilder aufgetragen. Auf der X-Achse ist die Piezospannung V aufgetragen. Zur Ermittlung der Intensität oder Gesamtintensität eines jeden Bildes werden alle Grauwerte, welche den einzelnen Pixel in dem jeweiligen Bild zugeordnet sind, addiert. Fig. 17 zeigt ein beispielhaftes Pixelbild, umfassend neun Pixel. Jedem Pixel wird einen Grauwert zugeordnet. Zur Ermittlung der Gesamtintensität eines Bildes werden bevorzugt alle Grauwerte addiert. Die Intensität oder Gesamtintensität GW des in Fig. 17 gezeigten Pixelbilds wird wie folgt berechnet:
GW = 255 + 204 + 178 + 153 + 127 + 102 + 76 + 51 + 0 = 1146.
Die Abweichung der Intensität oder Gesamtintensität eines jeden Bilds von der Intensität oder Gesamtintensität des Referenzbilds wird auf die Y-Achse der in Fig. 17 dargestellten Grafik aufgetragen. Wie bereits oben beschrieben wird durch die automatische Kalibrierung der Phasenschiebungseinrichtung einserseits die Bedienbarkeit des optisches Messsystems erheblich vereinfacht und andererseits werden die zufälligen Messabweichungen, wie sie zum Beispiel bei einer manuellen Justierung entstehen, reduziert.
Nachfolgend wird ein Beispiel eines mikroskopischen Messsystems beschrieben. Der Strahlengang im mikroskopischen Messsystem entspricht dem in Fig. 14 gezeigten Strahlengang. Dieser Strahlengang weist einerseits optische Vorteile auf und andererseits ist die Anordnung in Längsrichtung optimal, um in ein Grundgehäuse eingebaut zu werden. Die Anzahl der optischen Elemente, die der von der Lichtquelle (Laser) kommende Laserstrahl durchdringt, ist bei dem Objektstrahl 1 und dem Objektstrahl 2 gleich. Zur Feineinstellung der Strahleinkopplung wird in diesem Beispiel einen einstellbaren Kollimatorhalter eingesetzt. Die optischen Elemente werden an bzw. auf Tellerpins angeordnet, so dass die einzelnen optischen Elemente oder Baugruppen leicht justiert werden können, einen kleinen Bauraum benötigen und sehr günstig sind. Die Strahlumschaltung erfolgt durch eine Schaltervorrichtung (Shuttervorrichtung) umfassend einen Objektstrahlverschluss (-shutter) und einen Referenzstrahl verschluss (-shutter). Die Steuerung der Schaltervorrichtung erfolgt über die Steuerungsvorrichtung. Die Phasenschiebung erfolgt durch einen 90° Doppelspiegelphasenschieber, da bei diesem System kein Winkelfehler auftreten kann.
Die Strahlaufteilung erfolgt durch nacheinander geschalteten Strahlteiler. Alle Strahlteiler weisen bevorzugt ein Strahlteilungsverhältnis 50:50 aus. Den Teilungsausgleich wird durch den Einsatz einer, im Rapid Prototyping-Verfahren hergestellten, Lichtfalle erreicht. Die Aufweitung der Objektstrahlen erfolgt durch einen Konkavspiegel. Mit diesem Spiegel lässt sich die Beleuchtungsposition insbesondere in X- und Y-Richtung einstellen. Des Weiteren lassen sich die Konkavspiegel relativ leicht austauschen. Durch den Einsatz von Spiegeln mit unterschiedlichen Brennweiten, lässt sich der Beleuchtungsdurchmesser dem Vergrößerungsmaßstab genau anpassen. Zudem bietet dieses System die Möglichkeit der Einstellung der Beleuchtungsposition in X- und Y-Richtung und der Anpassung des Beleuchtungsdurchmessers. Die Aufweitung des Referenzstrahls erfolgt mit zwei nach einander geschalteten Groundgläsern, Die Intensitätseinstellung des Referenzstrahls erfolgt bevorzugt mit einem Graukeil. Die Position des Graukeils ist mit einem Schiebemechanismus, welcher durch eine Einstellschraube betätigt wird, variierbar. Die Phasenschiebung erfolgt mittels eines 90° Doppelspiegelphasenschiebers. Dies hat den Vorteil, dass keine Winkelfehler auftreten.
Die Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung ist als ein eingeständiges Interferometriemodul aufgebaut. Das Gehäuse des Interferometriemoduls ist so ausgestaltet, dass es mit dem modularen System des eingesetzten Mikroskop (in dem konkreten Beispiel Leica MZ16) übereinstimmt. Dies bedeutet, dass sich das Modulgehäuse der Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung auf ein Mikroskop montiert werden kann, ohne das Mikroskop im Wesentlichen modifizieren zu müssen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit das Interferometriemodul derart aufzubauen, dass es mit unterschiedlichen Mikroskopen verwendet werden kann. Hierzu können z.B. an das jeweilige Mikroskop angepasste Verbinder eingesetzt werden, welche das Grundgehäuse angeschraubt werden können.
Vorzugsweise ist das Gehäuse als Frästeil konstruiert, so dass das System möglichst starr und somit schwingungsunanfällig ist. Im Gehäuse sind alle optischen Bauteile untergebracht. Es ist ebenfalls möglich das Gehäuse aus Feinguss zu fertigen.
Um das Modul möglichst klein zu gestallten, ist es notwendig die optischen Elemente wie z.B. die Spiegel, sehr nah aneinander zu positionieren. Daher sind die optischen Elemente vorzugsweise in Kanälen des Gehäuses angeordnet, so dass sich die in den Kanälen verlaufenden Strahlen nicht gegenseitig beeinflussen können. Um Reflektionen im Inneren des Gehäuses noch weiter zu reduzieren, ist dieser Bereich mit schwarz mattem Strukturlack beschichtet.
Bezugszeichenliste
10 optisches Messsystem
12, 12-i, i = 1 -3 Digital-Holographie (ESPI) Vorrichtung
14 Lichtquelle
16, 18 Objekstrahlaufweitungsvorrichtung
17 Referenzstrahlaufweitungsvorrichtung
20 Phasenschiebungsvorrichtung
22 Messobjekt
23 Mikroskop
24 Mikroskopobjektiv
26 Mikroskopgrundkörper
28 Mikroskop-Kameraadapter
30 Detektor (CCD-Kamera)
32 Bildauswertungsvorrichtung
34 Intensitätseinstellungseinrichtung
36, 44 Schaltervorrichtung
38, 40 optischer Verschluss (Shutter)
42 optische Weiche
45 Doppespiegelphasenschieber
46 Konkavspiegel
50 Befehls-Subfenster der Steuerungs- und Auswertungssoftware
01 , O2 erster Objektstrahl
R Referenzstrahl
BS1 - BS3 Strahlteiler
M1 -M8 Spiegel
PA Piezoaktuator
LF Lichtfalle