DE69738493T2

DE69738493T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Oberflächenkonturmessen

Info

Publication number: DE69738493T2
Application number: DE69738493T
Authority: DE
Inventors: Lyle G. Shirley; Michael S. Watertown Mermelstein
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1996-02-12
Filing date: 1997-02-03
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2017-02-04
Also published as: EP0880676B1; EP0880676A1; DE69733124D1; US5870191A; WO1997029341A1; DE69738493D1; DE69733124T2; EP1571414A2; EP1571414A3; EP1571414B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Oberflächenmessung und genauer gesagt auf das Gebiet der Nicht-Kontaktoberflächenmessung.
Hintergrund der Erfindung
Dimensionale Metrologie, die Messung der Größe und der Form von Objekten, ist in der heutigen Herstellungsumgebung bedeutsam, bei der Maschinen vieles der Fertigung und der Montage von komplexen Objekten durchführen, die aus vielen Unterbaugruppen zusammengesetzt sind. Die Form und Größe jeder Komponente in einer komplexen Anordnung, wie beispielsweise in einem Automobil, muss auf enge Toleranzen gehalten werden, um sicherzustellen, dass die Komponenten ordnungsgemäß zusammenpassen.
Idealerweise werden derartige Messungen der Form und Größe ohne physikalischen Kontakt erreicht, um beim Durchführen der Messung Zeit zu sparen. Viele Nicht-Kontaktmessverfahren machen Gebrauch von verfügbaren Maschinenvisionssystemen. Die Messung von Oberflächen-Konturinformation ist ein besonders schwieriges Problem bei Maschinenvisionssystemen, da Tiefeninformation häufig verloren geht und schwierig zu interpretieren ist. Um den Verlust von Tiefeninformation und die Schwierigkeit beim Interpretieren der Information, die verfügbar ist, auszugleichen, benutzen viele Maschinenvisionssysteme Licht, um Moire-Muster auf der Oberfläche des Objekts zu erzeugen, um Konturinformation zu erhalten.
Interferometrische Verfahren wurden ebenfalls verwendet, wenn detaillierte Messungen der Oberfläche benötigt werden, siehe beispielsweise US-4139304 . Obwohl interferometrische Systeme Oberflächen-Konturinformation bereitstellen, sind sie gegen Schwingungen bei sowohl dem gemessenen Objekt als auch bei der verwendeten Beleuchtungsquelle empfindlich. Die vorliegende Erfindung ist gegen das Schwingungsproblem weniger empfindlich, das vorherige Systeme beeinflusst hat.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9. Weitere Merkmale der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird insbesondere in den angefügten Ansprüchen dargelegt. Die obigen und weitere Vorteile dieser Erfindung können besser durch Bezug auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, in denen zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines Beispiels zum Durchführen von Oberflächen-Konturmessungen;
2 ein Blockdiagramm eines Beispiels der beiden in 1 gezeigten Strahlungsquellen;
2a ein Blockdiagramm eines weiteren Beispiels der beiden in 1 gezeigten Strahlungsquellen;
2b ein Blockdiagramm eines noch weiteren Beispiels der beiden in 1 gezeigten Strahlungsquellen;
3 ein Blockdiagramm eines Beispiels einer Vorrichtung zum Tragen der Strahlungsquellen von 1 in einem festen Abstand bezogen zueinander;
4 ein weiteres Beispiel des Bildgebungssystems in 1;
5 ein Blockdiagramm eines alternativen Beispiels zum Durchführen von Oberflächen-Konturmessungen;
6 ein Ablaufdiagramm eines Beispiels der Schritte, die durch den Prozessor von 1 und 5 beim Durchführen von Oberflächen-Konturmessungen benutzt werden;
6a ein Beispiel eines Abschnitts des Ablaufdiagramms von 6;
6b ein weiteres Beispiel eines Abschnitts des Ablaufdiagramms von 6;
6c noch ein weiteres Beispiel eines Abschnitts des Ablaufdiagramms von 6;
7 ein Blockdiagramm eines Beispiels einer Detektor- und Prozessoranordnung zur Verwendung mit den Systemen von 1 und 5;
7a ein Blockdiagramm eines alternativen Beispiels einer Detektor- und Prozessoranordnung einschließlich eines Multiprozessors zur Verwendung mit den Systemen von 1 und 5;
7b ein Blockdiagramm eines weiteren Beispiels einer Detektor- und Prozessoranordnung zur Verwendung bei den Systemen von 1 und 5;
8 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung zum Durchführen von Oberflächen-Konturmessungen;
9 eine Ausführungsform von Photodetektorelementen, die auf der Oberfläche eines Objekts in Übereinstimmung mit der Ausführungsform von 8 positioniert sind; und
9a eine weitere Ausführungsform von Photodetektorelementen, die auf Federarmen zur Verwendung bei der Ausführungsform von 8 positioniert sind.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Bei der nachstehenden Beschreibung wird Bezug auf „Quellen" und „Strahlungsquellen" genommen. Diese Begriffe sind dazu bestimmt, auf irgendeine Strahlungsquelle einschließlich hochlokalisierter Strahlungsquellen Bezug zu nehmen. 1 bis 7 beziehen sich auf Beispiele der Oberflächenmessung und sind keine Ausführungsformen der Erfindung.
In 1 und im kurzen Überblick werden zwei Strahlungsquellen P₁ und P₂ durch einen festen Abstand D getrennt und weisen räumliche Koordinaten von (x₁, y₁, z₁) bzw. (x₂, y₂, z_y) auf. Die Strahlung von jeder der Quellen P₁ und P₂ ist kohärent mit Bezug auf die Strahlung von der anderen der Quellen. Jede Quelle P₁ und P₂ richtet ihren jeweiligen divergenten Strahlungsstrahlen 12 und 14 zu einem Punkt P₀ auf der Oberfläche eines Objekts 10 hin. Der Abstand von jeder jeweiligen Strahlungsquelle P₁ und P₂ zu dem Punkt auf der Oberfläche P₀ wird durch R₁ bzw. R₂ angegeben. ψ ist der Winkel zwischen der Linie, die sich von dem Ursprung zu dem Punkt P₀ erstreckt, und der Linie, die sich zwischen den Quellen P₁ und P₂ erstreckt, θ ist der Winkel zwischen der z-Achse und der sich zwischen den Quellen P₁ und P₂ erstreckenden Linie und α ist der Halbwinkel, der durch die Quellenpunkte begrenzt wird, wie von P₀ aus beobachtet wird. Jeder Strahl 12, 14 wird im wesentlichen in der gleichen Richtung wie der andere Strahl 14, 12 polarisiert und kann unabhängig abtastbar sein, um gleichzeitig unterschiedliche Regionen auf dem Objekt 10 zu beleuchten. Alternativ kann das gesamte Objekt 10 gleichzeitig beleuchtet werden.
Durch den Punkt P₀ gestreutes Licht 20 wird durch einen Photodetektor 22 erfasst. Bei einem Beispiel umfasst der Photodetektor 22 ein Array von Photodetektorelementen, die ein zweidimensionales Bild des zu messenden Objekts 10 bereitstellen. Bei einem weiteren Beispiel ist das Array von Photodetektorelementen eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD). Der Detektor 22 liefert ein Ausgangssignal 26, das ein oder mehrere Einzelnsignale umfasst, wobei jedes einem entsprechenden der Photodetektorelemente des Detektors 22 zugeordnet ist.
Bei einem Beispiel ist ein Fokussierelement 24 zwischen dem Punkt P₀ auf der Oberfläche des Objekts 10 und dem Photodetektor 22 positioniert, um den beleuchteten Abschnitt des Objekts mit dem Punkt P₀ auf den Detektor 22 abzubilden. Aufgrund der Rauhigkeit der Oberfläche des Objekts und weil die Beleuchtungsstrahlung kohärent ist, wird das fokussierte Bild "speckled" sein. Das Ausgangssignal 26 von dem Photodetektor 22 ist das Eingangssignal in eine Prozessoreinheit 28.
Ein Polarisator 30 ist bei einem Beispiel zwischen dem Fokussierelement 24 und dem Detektor 22 angeordnet. Der Polarisator 30 ist in einer Richtung orientiert, um seine Koinzidenz mit der Hauptpolarisationskomponente des gestreuten Lichts 20 zu maximieren, um den Speckle-Kontrast zu verbessern. Mit dieser Anordnung wird der Rauschabstand maximiert, der dem von der Oberfläche 10 des Objekts gestreuten Lichts zugeordnet ist.
Bei einem Beispiel ist der Prozessor 28 ein Einzelprozessor, der an Detektor-Ausgangssignalen 26 arbeitet, die jedem der Photodetektorelemente des Detektor-Arrays 22 zugeordnet sind. Bei einem anderen Beispiel ist der Prozessor 28 ein Multiprozessor mit einer Mehrzahl von Einzelprozessoren, und jedes Photodetektorelement stellt ein Eingangssignal an einen jeweiligen der Prozessoren bereit. Bei noch einem anderen Beispiel, bei dem der Detektor 22 ein CCD-Array ist, liefert eine Mehrzahl der CCD-Elemente ein Eingangssignal an einen jeweiligen Prozessor eines Multiprozessors. Mit den Multiprozessoranordnungen finden Berechnungen an Signalen von einer Mehrzahl von einzelnen Photoelementen im wesentlichen gleichzeitig statt, wodurch die Signalverarbeitungsgeschwindigkeit verbessert wird.
Eine Steuereinheit 32 steuert den Betrieb der Strahlungsquellen P₁ und P₂, um die Phase der Strahlung von einer der Quellen bezogen auf die Phase der Strahlung von der anderen Quelle zu ändern, wie an dem Punkt P₀ auf der Oberfläche des Objekts 10 gemessen wird. Der Prozessor 28 kann in Kommunikation mit der Steuereinheit 32 über eine Signalleitung oder einen Bus 34 sein. Beispielsweise kann es bei bestimmten Anwendungen für den Prozessor 28 wünschenswert sein, Signale von dem Detektor 22 zu spezifischen Zeiten bezogen auf die Abtastung der Quellen P₁ und P₂ über die Oberfläche des Objekts 10 oder relativ zu der Rate, mit der die Frequenz der Strahlung von den Quellen durchlaufen wird, zu verarbeiten. Da derartige Abtast- und Frequenzdurchlaufvorgänge durch die Steuereinheit 32 gesteuert werden, ist eine Kommunikation zwischen der Steuereinheit 32 und dem Prozessor 28 in diesen Umständen wünschenswert. Es ist ersichtlich, dass die Steuereinheit 32 und der Prozessor 28 physikalisch getrennte Einheiten sein oder alternativ durch ein einzelnes Verarbeitungssystem implementiert werden können.
In 2 werden bei einem Beispiel die Quellen der Strahlung P₁ und P₂ von der von einem abstimmbaren Laser 40 emittierten Strahlung gebildet. Der durch den abstimmbaren Laser 40 emittierte Strahlungsstrahl 44 wird durch einen Strahlenteiler 48 geteilt. Der durch den Strahlenteiler 48 reflektierte Strahl der Strahlung 50 wird durch eine Linse 52 dazu gebracht, zu divergieren. Der divergente Strahl wird dann durch einen bewegbaren gerichteten Spiegel 54 reflektiert. Der durch den gerichteten Spiegel 54 reflektierte Strahlungsstrahl stellt eine der Quellen der kohärenten Strahlung P₁ bereit. Auf ähnliche Art und Weise wird der durch den Strahlenteiler 48 laufende Strahl der Strahlung 46 durch eine Linse 58 veranlasst, zu divergieren, die den divergenten Strahl zu einem zweiten bewegbaren Richtungsspiegel 60 richtet. Der durch den Spiegel 60 reflektierte Strahl der Strahlung stellt die zweite Strahlungsquelle P₂ bereit. Richtungsspiegel 54 und 62 können schwenkbar sein, um die Oberfläche des Objekts 10 selektiv zu beleuchten. Sie können ebenfalls bewegbar sein, um die Positionen der Quellen P₁ und P₂ zu verändern.
In 2a wird ein weiteres Beispiel der Strahlungsquellen P₁ und P₂ gezeigt, um eine abstimmbare Laserquelle 40 zu umfassen, die einen Strahlungsstrahl 44 bereitstellt. Der Strahlungsstrahl 44 läuft durch eine der Linsen 62, die den Strahl veranlasst, zu divergieren, wobei der divergente Strahl 64 bereitgestellt wird. Der divergente Strahl 64 wird dann durch den Strahlenteiler 48 reflektiert, um einen ersten Strahl 66 bereitzustellen. Ein zweiter Strahl 68 läuft durch den Strahlenteiler 48, wie gezeigt. Bewegbare Richtungsspiegel 54 und 60 reflektieren Strahlen 66 und 68, um die Quellen P₁ und P₂ bereitzustellen.
In 2b werden bei einem weiteren Beispiel die Strahlungsquellen P₁ und P₂ von der von einem abstimmbaren Laser 40 emittierten Strahlung mit einem faseroptischen Splitter 56 geteilt. Fasern können strahlenformende Elemente an ihren Enden aufweisen, um den Divergenzwinkel der beiden Strahlen zu steuern oder einzustellen, und bei einer Ausführungsform können die strahlbildenden Elemente Linsen sein. Quellen P₁ und P₂ können alternativ aus einem Paar von abstimmbaren Lasern gebildet werden, die zusammen frequenzverriegelt sind. Andere geeignete Beispiele der Strahlungsquellen umfassen alle Quellen, die eine Welle mit einer steuerbaren Phase erzeugen, wie beispielsweise Mikrowellen und Schallwellen.
Bei einem Beispiel werden die Strahlungsquellen P₁ und P₂ an einem festen Abstand D voneinander gehalten, indem jede Quelle an einem Ende eines Stabes angebracht wird, der aus einem Material mit einem kleinen Ausdehnungskoeffizienten zusammengesetzt ist. Bei einem anderen Beispiel werden die Strahlungsquellen P₁ und P₂ nicht an einem festen Abstand gehalten, sondern der Abstand D zwischen ihnen ist mit einem hohen Genauigkeitsgrad bekannt.
Ein veranschaulichender Stab 70 zum Tragen der Strahlungsquellen P₁ und P₂ an einem festen Abstand D bezogen zueinander wird in 3 gezeigt. Ein Stab 70 wird mit Sockeln 74 an gegenüberliegenden Enden davon ausgestattet. Ein Kugelgelenk 76 ist schwenkbar innerhalb jedem der Sockel 74 positioniert, wie gezeigt ist. Jedes der Kugelgelenke 76 umfasst ein Ende einer Faser von einem faseroptischen Splitter 56 (in 2 gezeigt), das darin positioniert ist, und eine Blende 80, durch die divergente Strahlung läuft. Fasern können strahlenformende Elemente an ihren Enden aufweisen, um den Divergenzwinkel der beiden Strahlen zu steuern oder einzustellen, und bei einer Ausführungsform sind die strahlenbildenden Elemente Linsen. Im Betrieb sind die Kugelgelenke 76 innerhalb des jeweiligen Sockels 74 schwenkbar, wie durch Pfeile 78 gezeigt wird, und können unter der Steuerung der Steuereinheit 32 (in 1 gezeigt) sein. Mit dieser Anordnung können die divergenten Strahlen 12 und 14, die durch die Quellen P₁ und P₂ an den Enden der Fasern bereitgestellt werden, wie gewünscht gerichtet werden, um das Ganze oder einen Teil des Objekts 10 einschließlich des zu verarbeitenden Punktes P₀ zu beleuchten, während ein fester Trennabstand D beibehalten wird.
Die Koordinaten des Punkts P₀ auf der Oberfläche des Objekts 10 sind (x, y, z). Obwohl die x und y Koordinaten von P₀ im Allgemeinen direkt von der Geometrie des Detektors 22 und des Objekts 10 unter Berücksichtigung einer beliebigen Vergrößerung durch ein intervenierendes Fokussierelement 24 bestimmbar sind, kann die Tiefenkoordinate z, bei der die z-Achse parallel zu der optischen Achse des Bildgebungssystems definiert wird, nicht direkt erhalten werden. Die Tiefenkoordinate z kann jedoch gemessen werden, indem zuerst die Differenz in der Weglänge S = R2 – R1 + S0 (1)von den Strahlungsquellen P₁ und P₂ zu dem Punkt P₀ auf der Oberfläche des Objekts 10 berücksichtigt wird. Die Größe So wird aufgenommen, um irgendeine Weglängendifferenz in den Strahlen zu berücksichtigen, die auftreten kann, bevor sie die Punkte P₁ und P₂ erreichen.
Falls s ungleich null ist, dann wird das Ändern der Frequenz der von den Quellen P₁ und P₂ emittierten Strahlung dazu führen, dass sich die Phase der Strahlung von einer Quelle, wie bei Punkt P₀ gemessen, mit Bezug auf die andere Quelle ändert. Diese Phasenänderung führt zu einer Modulation der Intensität der Strahlung bei Punkt P₀. Die Änderung in der Frequenz Δυ, die erforderlich ist, um einen Zyklus einer Änderung in der Intensität abzuschließen, wird durch den Ausdruck
angegeben, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Somit kann durch Messung der Änderung in der Laserfrequenz Δυ, die benötigt wird, um eine Schwingung der Intensität zu verursachen, der Wegunterschied s bestimmt werden. Die Messung von z basiert dann darauf, den Wert von s für jeden Wert von x und y zu bestimmen, wie nachstehend erläutert wird.
Eine verbesserte Genauigkeit bei der Bestimmung von s wird erhalten, indem Δυ über viele Schwingungszyklen gemessen wird. In der Praxis ist es zweckmäßig, bezüglich der Anzahl von Schwingungszyklen N (nicht notwendigerweise eine ganze Zahl) zu arbeiten, die durch eine Gesamtänderung in der Frequenz B verursacht werden.
N wird bezüglich Δυ und B angegeben als:
Die Eliminierung von Δυ von Gleichung (3) mit Gleichung (2) ergibt den folgenden Ausdruck für s bezüglich N:
Eine Unsicherheit ΔN in der Messung von N entspricht einer Unsicherheit Δs in s von
Gleichung (5) gibt an, dass, falls die Unsicherheit ΔN konstant bleibt, mit der ein einzelner Schwingungszyklus bestimmt werden kann, die Unsicherheit Δs in s um einen Faktor verringert wird, der gleich der Anzahl von Zyklen N ist, die gemessen werden. Es gibt zahlreiche Verfahren zum Bestimmen von N in verschiedenen Stufen der Auflösung ΔN, die einem Fachmann bekannt sind. Beispiele von Verfahren, die eine Auflösung von ungefähr einem Schwingungszyklus-Zählwert (ΔN = 1) liefern, bestehen darin, eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) an der Datenfolge durchzuführen, oder Nulldurchgänge des hochpassgefilterten Signals zu zählen. Eine verbesserte Auflösung eines Bruchteils eines Schwingungszyklus-Zählwerts (ΔN < 1) kann beispielsweise erreicht werden, indem das Argument der diskreten Fourier-Transformation (DFT) gefunden wird, wobei die Größe der DFT maximiert wird, oder durch Prüfen der Phase des Schwingungszyklus an den Enden der Frequenzabtastung. Ein Verfahren zur genauen Prüfung der Phase, das einem Fachmann bekannt ist, besteht darin, einen Phasenmodulator in einen Zweig des Strahlenwegs, d. h. zwischen dem Strahlenteiler oder dem faseroptischen Splitter und einer Quellen P₁ oder P₂ in 2, 2(a) und 2(b), einzufügen.
Falls I₁, I₂ und I₃ die Signalintensitäten sind, die Phasenverschiebungen entsprechen, die durch den Phasenmodulator von –90°, 0° bzw. 90° hervorgerufen werden, dann wird die Phase ϕ des Schwingungszyklus angegeben durch:
Für eine typische Frequenzabtastung von B = 15 THz für einen abstimmbaren Diodenlaser und für eine Unsicherheit von ΔN = 1 Zyklus wird eine Unsicherheit von Δs = 20 μm bereitgestellt. Eine Unsicherheit von ΔN = 0,1 Zyklus würde die Unsicherheit in s auf Δs = 2,0 μm verbessern, vorausgesetzt, dass die Streuung in s über die laterale Auflösung kleiner als diese Größe ist. Wenn die Streuung in s über die laterale Auflösung auf der Oberfläche des Objekts größer als Δs ist, dann kann die verbesserte Auflösung in der Messung von s immer noch zu einem verbesserten Schätzwert eines Durchschnitts oder repräsentativen Werts von s über diese laterale Auflösung führen. Bezüglich des Koordinatensystems:
Um die Berechnung einfacher zu machen, sei angenommen, dass die beiden Quellen P₁ und P₂ symmetrisch um den Ursprung bei (x₁, y₁, z₁) und (–x₁, -y₁, –z₁) lokalisiert sind. Dann wird Gleichung (7) bezüglich (x₁, y₁, z₁).
Wenn nach z aufgelöst wird, wird Gleichung (8) zu:
wobei D der Abstand zwischen den beiden Quellen P₁ und P₂ ist. Somit wird z bis auf eine Zweideutigkeit aufgrund der Existenz der positiven und negativen Wurzeln von Gleichung (9) bestimmt. Eine Art und Weise, diese Zweideutigkeit zu vermeiden, besteht darin, das Objekt 10 zu beleuchten, sodass die Linie s = 0 (in 1 für den Fall s₀ = 0 mit 16 bezeichnet) nicht die Region des abzubildenden Objekts zweiteilt. Eine Art und Weise, die Linie s = 0 zu bewegen, besteht darin, s₀ in Gleichung (1) zu verändern.
Die Empfindlichkeit des Systems gegen Änderungen in s wird durch das Verhältnis von Δs/Δz gezeigt, wobei Δz die Unsicherheit in z ist, die durch eine Unsicherheit Δs in den Wert von s eingeführt wird. Dieses Verhältnis reicht zwischen null für ein System, dem jede praktische Bereichsempfindlichkeit fehlt, und zwei für ein theoretisch maximales System. Ein Wert von zwei ist praktisch nicht zu erreichen, weil die Oberfläche des Objekts 10 zwischen den zwei Punktquellen P₁ und P₂ liegen müssten, und lediglich eine Seite der Oberfläche von jedem Strahl beleuchtet werden könnte. Das Verhältnis Δs/Δz wird durch Nehmen des partiellen Differentials von s mit Bezug auf z genommen, woraus der folgende Ausdruck für die Bereichsauflösung erhalten wird:
In Gleichung (10) ist R₀ der Abstand von dem Ursprung zu P₀ und ψ der Winkel zwischen der Linie, die sich von dem Ursprung zu dem Punkt P₀ erstreckt, und der Linie, die sich von dem Punkt P₁ zu dem Punkt P₂ erstreckt, wie in 1 gezeigt ist. Eine nützliche Konfiguration, die eine gute Bereichsauflösung bereitstellt, besteht darin, ψ = 90° zu setzen, für den sich der Ausdruck für Δz auf
vereinfacht, wobei θ_s und α sind, wie in 1 gezeigt ist. Bezüglich R₀ und D ist tanα = D/(2R₀). Gleichung (11) zeigt, dass sich die Bereichsauflösung verbessert, wenn der Winkel α zunimmt und der Winkel θ_s abnimmt. Für Werte von Δs = 5 μm, α = 10° und θ_s = 45° ist die Bereichsauflösung Δz = 20 μm.
Unsicherheiten (Δx, Δy) in der lateralen Position (x, y) des Beobachtungspunkts P beeinflussen ebenfalls die Bereichsauflösung Δz. Wenn die beiden Quellenpunkte in der x- z-Ebene liegen, dann ist die Messung von z unempfindlich gegen Unsicherheiten Δy. Für ψ = 90° verursachen Unsicherheiten Δx in x eine Unsicherheit Δz = Δxtanθs (12)
bei der Messung von z. Daher bieten Winkel nahe θ_s = 0° die beste Immunität gegen eine Unsicherheit in der lateralen Position von Punkt P₀.
Weil die Tiefe des Brennpunkts abnimmt, wenn sich die laterale Auflösung des optischen Systems verbessert, gibt es einen Kompromiss zwischen der lateralen Auflösung und der maximalen Objekttiefe. Ein Verfahren zum Verringern dieser Begrenzung in der Objekttiefe besteht darin, sequentiell auf unterschiedliche Bereichsebenen zu fokussieren und lediglich jene Pixel zu verwenden, die innerhalb der Tiefe des Brennpunkts sind. Beispielsweise würde eine laterale Auflösung von 100 μm die Tiefe des Feldes auf die Größenordnung von 1 cm begrenzen, und ein Objekt mit einem Bereich von 10 cm könnte mit voller Auflösung durch sequentielles Fokussieren bei 10 unterschiedlichen Bereichen abgebildet werden. Um die Wirkungen der Tiefe des Feldes zu minimieren kann die z-Achse in einer Richtung, die das Bereichsausmaß minimiert, d. h. senkrecht zu der durchschnittlichen Ebene der Oberfläche des Objekts definiert werden. Um den lateralen Bereich zu vergrößern, der abgebildet werden kann, ohne laterale Auflösung zu verlieren, können mehrere Kameras (d. h. Detektor-Arrays 22) verwendet werden, um den gesamten Bereich von Interesse des Objekts 10 abzudecken, oder einzelne Kameras können zum Prüfen von Regionen von Interesse verwendet werden. Alternativ kann die Brennebene von Einzellinsen mit einer Mehrzahl von Detektor-Arrays bevölkert werden. Diese Arrays können unabhängig transliert werden, um verschiedene Regionen des Objekts mit hoher Auflösung zu prüfen. Die Translation von einzelnen Detektor-Arrays entlang der z-Achse oder das Neigen der Detektor-Arrays kann ein gleichzeitiges Fokussieren für Regionen des Objekts bei unterschiedlichen Tiefen erreichen, um die zulässige Objekttiefe zu erhöhen.
Eine potentielle Schwierigkeit mit dem optischen Bildgebungssystem in 1 besteht darin, dass der bistatische Winkel zwischen den Quellen und dem Detektor Schattierungseffekte einführen kann. Diese Effekte können verringert werden, indem die Linse näher zu den Quellen wie in 4 platziert wird, und die Linse in einer außeraxialen Konfiguration verwendet wird, wobei der Detektor lateral in der Bildebene versetzt ist. Falls die Linse für diesen Zweck ausgestaltet ist oder ein ausreichend großes Blickfeld aufweist, dann können Aberrationen, die sich aus der außeraxialen Bildgebung ergeben, minimiert werden.
In 5 umfasst ein alternatives Beispiel der vorliegenden Erfindung eine bewegbare Strahlungsquelle P₁ und eine stationäre Strahlungsquelle P₂, die jeweils einen divergenten Strahl 150 und 154 bereitstellen und eine mit R₁ und R₂ bezeichnete Weglänge zwischen einer derartigen Strahlungsquelle und einem Punkt P₀ auf der Oberfläche eines Objekts 10 aufweisen. Die Quellen P₁ und P₂ können durch jede geeignete Quelle kohärenter Strahlung, wie beispielsweise einem monochromatischen Laser, erzeugt werden, die geteilt wird, um die beiden Punktquellen P₁ und P₂ bereitzustellen. Außerdem sind verschiedene Verfahren zum Teilen der Strahlung von der kohärenten Strahlungsquelle geeignet, wie beispielsweise die Strahlenteiler-Ausführungsformen von 2 und 2a und die faseroptische Splitter-Ausführungsform von 2b.
Die divergenten Strahlen 150 und 154 werden auf eine Oberfläche eines Objekts 10 hin gerichtet, auf der ein Punkt P₀ lokalisiert ist, der zu messende Positionsinformation aufweist. Durch die Oberfläche des Objekts 10 gestreute Beleuchtung wird durch ein Fokussierelement oder eine Linse 158 fokussiert, um auf ein Detektor-Array 22 aufzutreffen. Die Linse kann in einer außeraxialen Konfiguration verwendet werden, wie in 4 dargestellt ist, um Schattierungseffekte aufgrund des bistatischen Winkels zu verringern. Ein optionaler Polarisator (nicht gezeigt) des oben in Verbindung mit 1 beschriebenen Typs kann zwischen dem Fokussierelement 158 und dem Detektor-Array 22 positioniert werden, um den Kontrast des auf das Detektor-Array 22 einfallenden Speckle-Bildes zu verbessern.
Das Detektor-Array 22 ist in Kommunikation mit einer Prozessoreinheit 28 zur Verarbeitung des auf den Detektor einfallenden Bildes, wie beschrieben wird. Eine Steuereinheit 32 ist in Kommunikation mit mindestens der bewegbaren Quelle P₁ zum Bewegen der Quelle P₁ entlang einer Achse 160. Wie oben bemerkt, können die Steuereinheit 32 und die Prozessoreinheit 28 durch getrennte Vorrichtungen implementiert werden oder können alternativ Teil eines Einzelsystems sein. Außerdem können die Steuereinheit 32 und die Prozessoreinheit 28 miteinander kommunizieren, wie es bei bestimmten Anwendungen wünschenswert sein kann.
Wie oben in Verbindung mit 1 beschrieben ist, kann die Tiefenkoordinate z, die einen Punkt P₀ auf der Oberfläche des Objekts 10 zugeordnet ist, als eine Funktion der Differenz R₂ – R₁ zwischen den Weglängen R₁ und R₂ von Strahlen 150 und 154 von Quellen P₁ bzw. P₂ zum Punkt P₀ bestimmt werden. Bei der Ausführungsform von 5 wird die Phase der Strahlung von der bewegbaren Quelle P₁ durch Bewegen der Quelle P₁ entlang der Achse 160 unter der Steuerung der Steuereinheit 32 geädert. Mit dieser Anordnung werden Schwingungen in der Intensität an dem Punkt P₀ erzeugt.
Die momentanen Koordinaten der bewegbaren Punktquelle P₁ sind x1 = als, y1 = ams und z1 = ans (13) wobei a die Magnitude der Translation der Punktquelle P₁ darstellt, und l_s, m_s und n_s Richtungs-Kosinusse sind, die die Richtung der Translation mit Bezug auf die x-, y- bzw. z-Achsen darstellt. Die Phasendifferenz der Strahlung von den Quellen P₁ und P₂, wie nach der Ausbreitung zu P₀ gemessen, wird angegeben durch
wobei ϕ₀ einen konstanten Phasenversatz darstellt, der zwischen den beiden kohärenten Quellen P₁ und P₂ existieren kann. Wenn P₁ entlang der Achse 160 transliert, ändert sich der Wert von R₁, was bewirkt, dass sich ϕ als eine Funktion von verändert.
Die Anzahl von Intensitätsschwingungen, die am Punkt P₀ auftreten, wenn sich die Punktquelle P₁ von dem Ursprung wegbewegt, wird angegeben durch:
wobei R₀ der Abstand zwischen dem Punkt P₀ und dem Ursprung des Koordinatensystems, ϕ(a) der bei a gemessene Translations-Winkel und ϕ(0) der bei 0 gemessene Translations-Winkel ist. Eine Betrachtung von Gleichung (15) offenbart, dass die Anzahl der Intensitätsschwingungen N, die sich aus der Bewegung von der Quelle P₁ ergeben, unabhängig von der Position der stationären Quelle P₂ ist. Diese Unabhängigkeit ermöglicht, dass die Quellen P₁ und P₂ in enger Nähe zueinander positioniert werden können. Mit dieser Anordnung erfahren die divergenten Strahlen 150 und 154 von jeweiligen Quellen P₁ und P₂ gemeinsame Störungen, wie beispielsweise Luftturbulenz und Schwingungen. Auf diese Art und Weise werden die Wirkungen derartiger Störungen minimiert. Außerdem erreichen die Strahlen 150 und 154 die Oberfläche des Objekts 10 mit im wesentlichen identischer Polarisation.
Da die Magnitude der Translation a der Punktquelle P₁ verglichen mit den Werten von x, y und z relativ klein ist, kann Gleichung (15) in zweiter Ordnung in a/R₀ wie folgt genähert werden:
wobei ψ der Winkel zwischen der Linie ist, die sich von dem Ursprung zu dem Punkt P₀ erstreckt, und der Linie, die durch die Richtung der Translation von P₁ definiert wird.
Gleichung (16) gibt an, dass zur niedrigsten Ordnung in a/R₀ die Kenntnis von N ermöglicht, dass der Winkel ψ bestimmt werden kann. Angesichts der Kenntnis von ψ von drei oder mehr Positionen könnten die (x, y, z)-Koordinaten von P₀ durch Triangulation bestimmt werden. Wir beschreiben nun eine Ausführungsform, die der ähnlich ist, die 1 entspricht, wobei die x- und y-Koordinaten von der Position des Bildpunktes in dem Detektor-Array bestimmt werden.
Die Messung von z für eine vorgegebene Position (x, y) kann entweder durch Zählen der Anzahl von Intensitätsschwingungszyklen N, die auftreten, wenn sich P₁ über einen Abstand a bewegt, oder durch Messen der Rate, bei der derartige Intensitätsschwingungen auftreten, durchgeführt werden. Es sei zuerst eine Messung von z basierend auf dem Zählen der Anzahl von Zyklen N betrachtet. Mit bekanntem N sind alle Variablen in Gleichung (15) mit Ausnahme von z bekannt. Das Lösen von Gleichung (15) nach z ergibt den folgenden Ausdruck:
Gleichung (19) definiert einen dimensionslosen Parameter mit einer Magnitude, die zwischen null und eins reicht, die die durchschnittliche Modulationsrate der Speckle-Intensität bezüglich der Schwingungszyklen N je Wellenlängeneinheit darstellt, die von P₁ durchlaufen werden. Für Werte von a, die sich null nähern, kann Gleichung (17) genähert werden als:
Die Ausdrücke für z in Gleichungen (17) und (20) können vereinfacht werden, indem n_s = 0 gesetzt wird, sodass die Translation der Quelle P₁ auf die x-y-Ebene beschränkt ist. Diese Anordnung stellt eine gute praktische Wahl für die Translation der Quelle P₁ dar, wie nachstehend beschrieben wird. Der resultierende Ausdruck für z kann wie folgt geschrieben werden:
wobei der Abstand R₀ von dem Streupunkt P₀ zu dem Ursprung des x-, y-Koordinatensystems durch den genauen Ausdruck
gegeben wird. Wenn a klein ist, kann R₀ genähert werden als:
Es sei nun die Messung von z basierend auf der Kenntnis der momentanen Rate betrachtet, mit der die Intensitätsschwingungen auftreten. Die momentane Schwingungsrate ρ kann auf eine Art und Weise, die der der durchschnittlichen Schwingungsrate in Gleichung (19) ähnlich ist, wie folgt ausgedrückt werden:
Wenn der Ausdruck für die Anzahl von Intensitätsschwingungen N von Gleichung (15) in Gleichung (24) eingesetzt wird, ergibt sich:
wobei die Beziehung l2s + m2s = n2s = 1 (26)verwendet wurde, um den Zähler zu vereinfachen. Für kleine Werte von a kann ρ genähert werden als:
Das Lösen von Gleichung (25) nach z ergibt:
wobei O = [xls + yns + a(ρ2 – 1)]n (29)und
Wenn n_s = 0 ist, kann Gleichung (29) in der Form von Gleichung (21) geschrieben werden mit:
Für kleine Werte von a können Gleichungen (28) und (31) gemäß Gleichungen (20) bzw. (23) genähert werden, wobei ρ durch ρ ersetzt wird.
Um die Bereichsauflösung zu schätzen, sei die Unsicherheit Δz in der Messung von z betrachtet, die durch eine Unsicherheit (ΔN oder Δρ) in der gemessenen Größe eingeführt wird. Der Einfachheit halber basiert diese Berechnung auf dem genäherten Ausdruck für N, der gemäß Gleichung (16) angegeben wird. Um Δz zu finden, nehmen wir das partielle Differential von N (oder ρ) mit Bezug auf z und setzen dieses Differential dem Verhältnis ΔN/Δz (oder Δρ/Δz) gleich, um zu erhalten:
ein geometrischer Faktor ist, der die Richtung der Translation und die Richtung zu dem Streupunkt berücksichtigt.
In der ersten Form für G sind l = x/R0, m = y/R0, und n = z/R0 (34)Richtungs-Kosinusse für den Punkt P₀. In der zweiten Form für G sind θ und ϕ die Polar- bzw. Azimutwinkel, die die Richtung von dem Ursprung zu P₀ in einem sphärischen polaren Koordinatensystem darstellen. Auf ähnliche Weise wird die Richtung der Translation des Quellenpunkts durch θ_s und ϕ_s angegeben.
Eine Betrachtung von Gleichung (32) offenbart, dass sich die Bereichsauflösung mit zunehmendem Objektabstand R₀ verschlechtert und sich mit zunehmendem Betrag der Translation a der Quelle P₁ verbessert. Eine Betrachtung von Gleichung (33) offenbart, dass der geometrische Faktor G zwischen eins und unendlich reicht, wobei eins der besten erreichbaren Bereichsauflösung entspricht.
Die optimale Richtung der Translation der Quelle P₁ für eine angegebene Streupunktrichtung wird von Gleichung (33) durch Wählen von l_s, m_s und n_s erhalten, sodass G für den angegebenen Wert von l, m und n minimiert wird. Die Anwendung dieser Einschränkung ergibt:
was impliziert, dass die optimale Translationsrichtung senkrecht zu der Linie ist, die sich von dem Ursprung zu dem Streupunkt P₀ (ψ = 90°) erstreckt und in der Einfallsebene liegt, die durch die Linie und die z-Achse (ϕ_s = ϕ) gebildet wird. Das Einsetzen der Werte in Gleichung (35) in die Gleichung (33) führt zu:
Von Gleichung (36) wird beobachtet, dass der beste erreichbare G-Wert von eins auftritt, wenn n = 0 (θ = 90°) ist, was impliziert, dass der Streupunkt in der x-y-Ebene liegt. Es wird ebenfalls beobachtet, dass sich die Auflösung verschlechtert, sodass G für Streupunkte, die auf der z-Achse liegen, nahe unendlich geht. Beispielsweise ist G = 2 für θ = 30° und G = 5,76 für θ = 10°. Obwohl es nicht möglich ist, Gleichung (35) für jeden Punkt in dem Bild zu erfüllen, ohne die Translation-Richtung für jeden Punkt zu ändern, kann die Bedingung für optimale Auflösung durch Einhalten von Gleichung (35) für einen repräsentativen Bildpunkt genähert werden.
Gemäß Gleichungen (25) und (27) verändert sich die momentane Modulationsrate ρ als eine Funktion der Versatzmagnitude a des translierenden Punkts. Für Verfahren, die auf dem Messen von ρ basieren, ist es wünschenswert, dass sich ρ so wenig wie möglich während der Abtastung verändert, sodass es nahezu eine Eins-zu-eins-Korrespondenz zwischen den Werten von ρ und z gibt. Dann können Standard-Spektralanalyseverfahren angewendet werden, um den Wert von ρ zu schätzen und z zu bestimmen. Um den Grad der Ungleichmäßigkeit in ρ zu quantifizieren, die während einer Abtastung auftritt, definieren wir
Das Einsetzen der ungefähren Form für ρ von Gleichung (27) in Gleichung (37) und wenn nur das Glied niedrigster Ordnung behalten wird, das a enthält, ergibt:
Gleichung (38) gibt an, dass die Modulations-Ungleichmäßigkeit linear im Verhältnis a/R₀ der Abtastlänge zum Objektabstand zunimmt. Außerdem verschwindet die Ungleichmäßigkeit, wenn ψ = 0° ist, und erhöht sich grenzenlos, wenn ψ = 90° ist. Wir beobachten jedoch, dass es keine Bereichsauflösung gibt, wenn ψ = 0° ist, weil alle Punkte auf der Linie ψ = 0° die gleiche Modulationsrate ohne Rücksicht auf den Bereich aufweisen, d. h. G = ∞ in Gleichung (33). Daher gibt es einen Kompromiss zwischen dem Minieren der Ungleichmäßigkeit und dem Erhalten einer optimalen Bereichsauflösung.
Eine annehmbare Messkonfiguration, die gleichzeitig eine gute Bereichsauflösung und eine verringerte Modulations-Ungleichmäßigkeit bereitstellt, besteht darin, auf n_s = 0 zu setzen und ein außeraxiales optisches System mit dem Versatz in der ϕ_s-Richtung, d. h. ϕ = ϕ_s, zu verwenden. Dann vereinfacht sich Gleichung (33) für G auf:
Als ein veranschaulichendes Beispiel des Messverfahrens sei angenommen, dass gewünscht wird, ein Objekt, das 200 mm mal 200 mm in der x-y-Ebene von einem Abstand R₀ = 1 m ist, mit einem Laser der Wellenlänge λ = 0,7 μm abzubilden. Wenn n_s = 0 und die Mitte des Objekts bei θ = 30° und ϕ = ϕ_s lokalisiert ist, dann wird sich gemäß Gleichung (39) der Geometriefaktor G zwischen 2,1 und 2,6 über das Blickfeld verändern. Gemäß Gleichung (32) wird eine Translation von a = 5 mm eine Bereichsunsicherheit von Δz = 80 μm (in der Mitte des Bildes) eine Unsicherheit in der Anzahl von Schwingungen von einem viertel Zählwert, d. h. ΔN = 0,25 erzeugen. Die Gesamtzahl der Schwingungszählwerte für die gesamte Abtastung beträgt N = 3600 gemäß Gleichung (16). Um die Modulations-Ungleichmäßigkeit in der Mitte des Bildes zu schätzen, setzen wir ψ = 60° in Gleichung (38) und erhalten χ = 0,0075, sodass es weniger als 1% Ungleichmäßigkeit über die Abtastung gibt. Diese Ungleichmäßigkeit könnte weiter verringert werden, indem geringfügige Variationen in der Abtastrate während der Abtastung eingeführt werden, um irgendeine Änderung in der Frequenz während der Messung auszugleichen.
6 stellt eine veranschaulichende Reihe von Schritten dar, die durch den Prozessor 28 von 1 und 5 auszuführen sind, um die Tiefenkoordinate z bei jedem Punkt (x, y) an dem Objekt zu bestimmen. Der Prozessor beginnt (Schritt 100) durch Messen eines Parameters der Intensität der durch eine Mehrzahl von beleuchteten Punkten auf der Objektoberfläche gestreuten Strahlung (Schritt 108). Von dieser Information wird die z-Koordinate für jeden Messpunkt berechnet (Schritt 112).
Ein optionaler Filterprozess kann bei Schritt 116 durchgeführt werden. Einem Fachmann bekannte geeignete Filter umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf Glättungsfilter, Median-Filter und Kurvenanpassungsfilter. Danach können die abgebildeten Punkte auf jede einem Fachmann bekannte Art und Weise angezeigt oder ausgegeben werden, wobei danach der Prozess bei Schritt 124 beendet wird, wie gezeigt ist. Bei einem Beispiel werden die abgebildeten Punkte als eine Funktion der berechneten z-Information auf einer Maschenkurve bei Schritt 120 aufgetragen.
In 6a wird ebenfalls eine Ausführungsform von Schritten 108 und 112 gezeigt, die zur Verwendung mit dem Beispiel von 1 geeignet ist. Bei Schritt 108' wird die Intensität der gestreuten Beleuchtung als eine Funktion des Laserfrequenz-Versatzes gemessen, und N wird mit einem einem Fachmann bekannten Verfahren gemessen. Danach wird s für jede Position (x, y) bei Schritt 110' mit Gleichung (4) gemessen, und z wird für jede Position (x, y) bei Schritt 112' mit Gleichung (9) berechnet.
Ein alternatives Beispiel von Prozess-Schritten 108 und 112 zur Verwendung in Verbindung mit der Ausführungsform von 5 wird in 6b gezeigt. In diesem Fall ist der Parameter der bei Schritt 108'' gemessenen Intensität die Anzahl von Malen N (nicht notwendigerweise eine ganze Zahl), um die sich die Intensitätszyklen als die bewegbare Quelle P₁ (5) transliert. Sobald N bei Schritt 108'' durch eines der einem Fachmann bekannten Verfahren bestimmt wurde, wird es in ρ gemäß Gleichung (19) bei Schritt 110'' umgewandelt. Z wird dann bei Schritt 112'' mit der Verwendung von Gleichungen (17) und (18) berechnet. Ein weiteres Beispiel der Prozess-Schritte 108 und 112 zur Verwendung in Verbindung mit dem Beispiel von 5 wird in 6c gezeigt. Hier ist der Parameter der bei Schritt 108'' gemessenen Intensität die momentane Schwingungsrate ρ, bei der Schwingungen auftreten, wenn sich der Quellenpunkt P₁ transliert. ρ wird in z bei Schritt 112'' gemäß Gleichungen (28)–(30) umgewandelt.
Verschiedene Anordnungen des Detektors 22 und des Prozessors 28 sind möglich. Bei einem in 7 gezeigten Beispiel werden die Photodetektorelemente 22_1,1 bis 22_n,m des Detektor-Arrays 22 seriell ausgelesen. Die serielle Ausgabe 36 des Detektor-Arrays 22 liefert eine Eingabe in einen Prozessor 28. Der Prozessor 28 kann einen Einzelprozessor umfassen oder kann alternativ einen Multiprozessor mit einer Mehrzahl von Prozessoren sein.
In 7a wird ebenfalls eine alternative Detektor- und Prozessoranordnung gezeigt. Bei diesem Beispiel ist der Prozessor 28 ein Multiprozessor mit einer Mehrzahl von Prozessoren 28_1,1 bis 28_n,m . Jedes der Photodetektorelemente 22_1,1 bis 22_n,m des Detektor-Arrays 22 stellt ein jeweiliges Ausgangssignal 38 an einem jeweiligen der Prozessoren 28_1,1 bis 28_n,m bereit. Mit dieser Anordnung ist jeder der Prozessoren 28_1,1 bis 28_n,m im Stande, im wesentlichen gleichzeitig zu arbeiten, um wesentliche Leistungsvorteile bereitzustellen. Genauer gesagt ist jeder Prozessor 28_1,1 bis 28_n,m in der Multiprozessoreinheit 28 verantwortlich, die z-Koordinatenberechnung basierend auf den Daten durchzuführen, die von dem entsprechenden Element 22_1,1 bis 22_n,m des Photodetektor-Arrays 22 empfangen werden. Somit kann die z-Koordinate für jede Position der Oberfläche des Objekts schnell bestimmt werden.
7b zeigt ein weiteres Beispiel der Detektor- und Prozessorkomponenten zur Verwendung bei den Systemen von 1 und 5 in der Form eines unitären Detektor- und Prozessor-Arrays 25. Das Array 25 wird auf einem gemeinsamen Substrat angefertigt und getragen oder wird als ein Multichipmodul (MCM) oder mit Oberflächenmontagetechnik (SMT) angefertigt. Der Detektorabschnitt des Arrays 25 umfasst Photodetektorelemente 22_1,1 bis 22_n,m , und der Multiprozessorabschnitt des Arrays umfasst Prozessoren 28_1,1 bis 28_n,m . Genauer gesagt ist jeder der Detektoren 22_1,1 bis 22_n,m einem jeweiligen der Prozessoren 28_1,1 bis 28_n,m zugeordnet und benachbart diesem positioniert, und stellt dem jeweiligen Prozessor ein Eingangssignal bereit, wie gezeigt ist. Die Prozessoren 28_1,1 bis 28_n,m verarbeiten die Information von den jeweiligen Detektoren 22_1,1 bis 22_n,m im wesentlichen gleichzeitig, um die bestimmten Tiefenkoordinaten bereitzustellen.
In 8 umfasst eine Ausführungsform der Erfindung ein Array von Detektoren 22', die gegen die Oberfläche des Objekts 10 platziert sind, dessen Oberflächenkontur zu messen ist. Mit dieser Anordnung wird, anstatt das von dem Punkt P₀ auf der Oberfläche des Objekts 10 gestreute Licht zu beobachten, um z zu bestimmen, die Messung der Phasenverschiebung des Lichts direkt an der Oberfläche des Objekts durchgeführt. Obwohl nicht gezeigt, umfasst das System von 8 eine Steuereinheit 28 zum Steuern von Quellen von P₁ und P₂ und einen Prozessor 28, um auf den Detektor 22' einfallende Strahlung zu verarbeiten, wie oben in Verbindung mit 1, 5 und 6 gezeigt und beschrieben ist.
Die Anordnung und der Mechanismus zum Lokalisieren der Photodetektorelemente 23 auf der Oberfläche des Objekts 10 können variieren. Bei einer in 9 gezeigten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von einzelnen Photodetektorelementen 23 des Arrays 22' auf der Oberfläche des Objekts 10 in dem Bereich von Interesse positioniert.
Bei einer anderen, in 9a gezeigten Ausführungsform sind die einzelnen Photodetektorelemente 23 des Arrays 22' auf Federarmen 84 angebracht, die von einer Trag- und Steuereinheit 88 freitragend sind. Die Federarme 84 werden über die Oberfläche des Objekts 10 durch die Steuereinheit 88 bewegt, um spezifische Punkte oder Regionen von Interesse zu kontaktieren. Der freitragende Träger der Federarme 84 bewirkt, dass jeder einzelne Detektor 23 in Kontakt mit einer Position auf der Oberfläche des Objekts 10 bleibt, während die Arme 84 darüber bewegt werden. D. h., wenn sich die Kontur der Objektoberfläche verändert, bewegen sich die Federarme 84 demgemäß nach oben und unten.
Es ist offensichtlich, dass drei oder mehr zusätzliche Strahlungsquellen bei der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Beispielsweise kann eine zusätzliche Quelle oder Quellen verwendet werden, um x-, y-Koordinateninformation bezüglich des Objekts oder eines Teils davon zu bestimmen. Außerdem können zusätzliche Strahlungsquellen verwendet werden, um irgendwelche Verarbeitungs-Ungenauigkeiten oder Zweideutigkeiten zu verringern, die der Schattenbildung einer Region von Interesse zuzuordnen ist.
Es ist ebenfalls offensichtlich, dass weitere Variationen für das Beispiel, die sich bewegende Quellenpunkte beinhalten, verwendet werden können. Beispielsweise können sich die beiden Punkte mit entgegengesetzter Bewegung bewegen, sie können sich beide in der gleichen Richtung mit konstantem Abstand bewegen, sie können sich um einen gemeinsamen Mittelpunkt drehen, oder die Bewegung kann durch Verwenden eines Arrays von Quellenpunkten simuliert werden, die durch das Steuersystem an- und ausgeschaltet werden können.
Nachdem die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und gezeigt wurden, ist es nun für einen Fachmann offensichtlich, dass andere, die Konzepte beinhaltende Ausführungsformen verwendet werden können, und dass viele Variationen möglich sind, die immer noch innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung fallen werden, die durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

Verfahren zum Bestimmen, auf einem Objekt (10) mit einer Oberfläche, von Positionsinformation eines Punkts auf der Oberfläche des Objekts, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen von zwei Strahlungsquellen (P₁, P₂), wobei die Strahlung von den Quellen mit Bezug zueinander kohärent ist; Bereitstellen eines Detektors (23) an dem Punkt auf der Oberfläche; Beleuchten des Punkts mit der Strahlung von jeder der Quellen; Ändern der Phase der Strahlung von einer der Quellen bezogen auf die Phase der Strahlung von der anderen der Quellen, wie an dem Punkt auf der Oberfläche des Objekts gemessen wurde; Erfassen der Strahlung an dem Punkt auf der Oberfläche des Objekts; und Berechnen von Positionsinformation als Antwort auf die Änderung in der Phase der Strahlung von den Quellen und der an dem Punkt auf der Oberfläche des Objekts erfassten Strahlung.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bereitstellens zweier Quellen von kohärenter Strahlung die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Einzelquelle kohärenter Strahlung; und Teilen der kohärenten Strahlung von der Einzelquelle in zwei Strahlen kohärenter Strahlung.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem der Schritt des Teilens der Strahlung den Schritt des Teilens der kohärenten Strahlung mit einem faseroptischen Splitter umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem der Schritt des Teilens der kohärenten Strahlung von der Einzelquelle in zwei Strahlen kohärenter Strahlung den Schritt eines Platzierens eines Strahlenteilers in den Pfad der kohärenten Strahlung von der Einzelquelle umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Änderns der Phase der kohärenten Strahlung von einer der Quellen bezogen auf die Phase der kohärenten Strahlung von der anderen der Quellen, wie an dem Punkt auf der Oberfläche des Objekts gemessen, den Schritt eines Änderns der Frequenz der beiden Quellen kohärenter Strahlung umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem die Quellen of Strahlung abstimmbare Laser sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem mindestens eine der Quellen der Strahlung bewegbar ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem die Quellen abstimmbar sind und mindestens eine der Quellen bewegbar ist.
Vorrichtung zum Bestimmen auf einem Objekt (10) mit einer Oberfläche, einer Tiefenkoordinate eines Punkts auf der Oberfläche des Objekts, wobei die Vorrichtung umfasst: zwei Strahlungsquellen (P₁, P₂), die positioniert sind, um den Punkt mit der Strahlung von jeder der Quellen zu beleuchten, wobei die Strahlung von jeder der Quellen kohärent mit Bezug auf die Strahlung von der anderen der Quellen ist; ein Steuersystem (32), das die Phase der Strahlung von einer der Quellen bezogen auf die Phase der Strahlung von der anderen der Quellen ändert, wie an dem Punkt auf der Oberfläche des Objekts gemessen wurde; einen Detektor (23), der an dem Punkt auf der Oberfläche des Objekts positioniert ist, um Strahlung zu empfangen, die den Punkt auf der Oberfläche des Objekts beleuchtet; und einen Prozessor (28), der Signale von dem Detektor empfängt, wobei der Prozessor Positionsinformation des Punkts auf der Oberfläche des Objekts als Antwort auf die Änderung in der Phase der Strahlung von der Quelle und der Strahlung an dem Punkt auf der Oberfläche des Objekts berechnet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die beiden Quellen kohärenter Strahlung einen Laser, der einen Strahl kohärenter Strahlung bereitstellt, und einen Strahlenteiler, der positioniert ist, um den Strahl kohärenter Strahlung in zwei Strahlen kohärenter Strahlung aufzuteilen, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 10, ferner mit einem Paar von Spiegeln, nämlich einen ersten Spiegel, der positioniert ist, um einen ersten Strahl von Strahlung zu reflektieren, der durch den Strahlenteiler reflektiert wird, und einen zweiten Spiegel, der positioniert, um einen zweiten Strahl von Strahlung zu reflektieren, der durch den Strahlenteiler läuft.
Verfahren gemäß Anspruch 11, ferner mit einem Fokussierelement, das zwischen der Quelle der kohärenten Strahlung und dem Strahlenteiler positioniert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11 ferner mit einem ersten Fokussierelement, das zwischen dem Strahlenteiler und dem ersten Spiegel positioniert ist, und einem zweiten Fokussierelement, das zwischen dem Strahlenteiler und dem zweiten Spiegel positioniert ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der der Laser Frequenz-abstimmbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei dem der Strahlenteiler eine optische Faser umfasst, die angeordnet ist, um den Strahl kohärenter Strahlung in zwei Strahlen kohärenter Strahlung aufzuteilen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die beiden Quellen kohärenter Strahlung zwei Frequenz-verriegelte Laser umfassen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, bei der jeder der Frequenz-verriegelten Laser Frequenz-abstimmbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die beiden Quellen kohärenter Strahlung mit einem festen Abstand voneinander lokalisiert sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die beiden Quellen kohärenter Strahlung mit einem bekannten Abstand voneinander lokalisiert sind.