DE102017002419A1 - Method and device for detecting a rotation angle and a direction of rotation of an object by means of spatial phase shift speckle interferometry - Google Patents
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Abstract
Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung eines Rotationswinkels und einer Rotationsrichtung eines Objektes mittels räumlicher Phasenschiebe-Speckle-Interferometrie Der Rotationswinkel und die Rotationsrichtung eines Objektes werden mit einem einfachen und kompakten In-plane-Speckle-Interferometer mit räumlicher Phasenschiebeeinheit gleichzeitig online erfasst. Die aufwendige Methode des Unwrappings ist zur Rotationsmessung nicht notwendig, was die Datenverarbeitungsalgorithmen wesentlich vereinfacht.Method and apparatus for detecting an angle of rotation and a direction of rotation of an object by means of spatial phase shift speckle interferometry The angle of rotation and the direction of rotation of an object are recorded simultaneously online with a simple and compact spatially phase shifting unit in-plane speckle interferometer. The elaborate method of unwrapping is not necessary for the rotation measurement, which simplifies the data processing algorithms considerably.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der optischen Messtechnik mittels In-plane-Speckle-Interferometrie zur Rotationsmessung.The present invention is in the field of optical metrology by means of in-plane speckle interferometry for rotational measurement.
Stand der TechnikState of the art
Eine sehr genaue und präzise Rotationsmessung in der Ebene (in plane) ist ein wesentlicher Bestandteil der geometrischen Messtechnik und ist sehr gefragt in verschiedenen Anwendungsbereichen [1] [2]. Seit den 1970er Jahren wurden verschiedene optische Systeme für die In-plane-Rotationsmessung, beispielsweise Speckle Photography [3] und Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI) [4], vorgeschlagen. Ihr gemeinsames Prinzip beruht jedoch auf der digitalen Bildkorrelation der Speckle-Muster vor und nach der Rotation, was den ursprünglichen Vorteil eines Interferometersystems, d.h. eine hohe Messgenauigkeit, verloren hat. Ein weiteres Problem bestand darin, dass die Bestimmung der Drehrichtung die Algorithmen für das mehrstufige Phase-Stepping und Phase-Unwrapping erforderte, was die Echtzeitmessung behinderte und die Schwierigkeit bei der Datenverarbeitung erhöht [5]. In den letzten Jahren wurden mehrere Systeme mit spezifischen optischen Elementen für die Rotationsmessung in der Ebene beschrieben. Im Jahr 2010 haben
In [17] wird eine Methode zur Online-Rotationsmessung mittels In-plane-Speckle-Interferometrie beschrieben, mit einem ähnlichen Aufbau wie in dieser Patentanmeldung, allerdings mit deutlich höherem Aufwand durch das Phasenschieben.In [17] a method for on-line rotation measurement by means of in-plane speckle interferometry is described, with a similar structure as in this patent application, but with much higher expenditure due to phase shifting.
Zitierte LiteraturQuoted literature
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Darstellung der Erfindung und Wege zur Ausführung der ErfindungPresentation of the invention and ways for carrying out the invention
Verglichen mit existierenden Techniken bietet die Methode dieser Patentanmeldung verschiedene Vorteile. Erstens: durch die dynamische Phasenbestimmung aus einem einzelnen Interferogramm mittels einstellbarer räumlicher Trägerfrequenz können die Messungen in Echtzeit durchgeführt werden. Zweitens: zusätzlich zum Rotationswinkel kann die Rotationsrichtung durch das Vorzeichen des Ergebnisses gleichzeitig erfasst werden. Drittens: da der Phasen-Unwrapping-Prozess nicht benötigt wird, werden die Datenverarbeitungsalgorithmen recht einfach, jedoch mit hoher Genauigkeit und Präzision. Viertens: vollständig berührungsloses Messsystem mit einfachem und kompaktem optischen Aufbau. Abgesehen von der Anforderung einer optisch rauen Oberfläche des Messobjektes gibt es keine weiteren speziellen Anforderungen bezüglich des Messobjekts. Es werden keine speziellen optischen Elemente benötigt. Darüber hinaus ist das Messsystem robust gegenüber Störungen aus der Umgebung. Durch die Beziehung zwischen der Rotation in der Ebene und der Phasenänderungsverteilung der Speckle-Muster bietet dieser reine interferometrische Ansatz eine hohe Messgenauigkeit und Präzision. Durch die Gewinnung der Phasenverteilung aus nur einem einzigen Interferogramm werden die Ergebnisse in Echtzeit durch Einführen einer räumlichen Trägerfrequenz erzielt. Gleichzeitig kann die Drehrichtung durch das Vorzeichen der Ergebnisse bestimmt werden. Zusätzlich wird die Notwendigkeit, ein Unwrapping der Phasenbilder durchzuführen, beseitigt, was die Datenverarbeitungsprozedur stark vereinfacht und daher die Messeffizienz erhöht. Darüber hinaus sind keine zusätzlichen spezifischen optischen Elemente erforderlich, daher ist dieses Messsystem kompakt und führt völlig zerstörungsfreie Messungen durch.Compared to existing techniques, the method of this patent application offers several advantages. First, the dynamic phase determination from a single interferogram using an adjustable spatial carrier frequency allows measurements to be taken in real time. Second, in addition to the rotation angle, the direction of rotation can be detected simultaneously by the sign of the result. Third, because the phase unwrapping process is not needed, the data processing algorithms become quite simple, but with high accuracy and precision. Fourth, completely non-contact measuring system with simple and compact optical design. Apart from the requirement of an optically rough surface of the measurement object, there are no further special requirements with respect to the measurement object. No special optical elements are needed. In addition, the measuring system is robust against environmental disturbances. Due to the relationship between the in-plane rotation and the phase change distribution of speckle patterns, this pure interferometric approach provides high measurement accuracy and precision. By obtaining the phase distribution from only a single interferogram, the results are achieved in real time by introducing a spatial carrier frequency. At the same time, the direction of rotation can be determined by the sign of the results. In addition, the need to perform unwrapping of the phase images is eliminated, which greatly simplifies the data processing procedure and therefore increases measurement efficiency. In addition, no additional specific optical elements are required, therefore, this measuring system is compact and performs completely non-destructive measurements.
Hierin ist λ die Wellenlänge des Lasers 102;
Nach dem Einsetzen der Ausdrücke der Wellenvektoren (Gleichung 4) in Gleichung 3 kann die Phasenänderungsverteilung wie folgt umgeschrieben werden: [11] [12] (5). ∂lx/∂x und ∂lz/∂x bezeichnen die entsprechenden partiellen Ableitungen.After substituting the expressions of the wave vectors (Equation 4) into
Offensichtlich besitzt die Phasenänderungsverteilung die Ausdrücke der In-plane-Verschiebung und der Out-of-plane-Verschiebung und die Ausdrücke ihrer Ableitungen erster Ordnung zur gleichen Zeit. Durch Einstellen der zwei Beobachtungsrichtungen symmetrisch zur Flächennormalen, d.h. α = β = θ, liegt der Empfindlichkeitsvektor
Da sich die Objektstrahlen durch die jeweiligen Einzelaperturen 103 und 104 in den separaten Lichtwegen ausbreiten, wird eine einstellbare räumliche Trägerfrequenz f0(f0x,f0y) in das Messsystem eingebracht. Die Phasenänderungsverteilung kann dann im Frequenzbereich dynamisch bestimmt werden. Die Richtung der Trägerfrequenz hängt von der relativen Position zwischen den einzelnen Aperturen ab und ihr absoluter Wert hängt von dem Abstand zwischen den Öffnungen der Aperturen 103 und 104 ab [13]. Die Intensität des interferometrischen Speckle-Musters I(x, y) ist gegeben durch: [14] [15] (7), mit (8).Since the object beams propagate through the respective
I1(x,y) und I2(x,y) sind die Intensitäten der beiden Objektstrahlen; ϕ(x,y) bezeichnet die Phasendifferenz zwischen ihnen. Unter Verwendung der Fast-Fourier-Transformation wird das Intensitätsbild von der Raumdomäne in den Frequenzbereich übertragen: (9).I 1 (x, y) and I 2 (x, y) are the intensities of the two object beams; φ (x, y) denotes the phase difference between them. Using the Fast Fourier Transform, the intensity image is transmitted from the spatial domain to the frequency domain: (9).
Der erste Ausdruck, der sich am Ursprung befindet, repräsentiert die Hintergrundintensität des Bildes. Die beiden letzten Terme entsprechen dem Spektralpaar der Interferenz-Speckle-Muster, die durch die räumliche Trägerfrequenz von den Termen nullter Ordnung getrennt sind. Das gewünschte Spektrum mit Oberflächeninformation wird herausgefiltert und durch die inverse Fourier-Transformation dargestellt, um die Phasenverteilung im Raumbereich zu erhalten: (10). Analog kann auch die Phasenabbildung nach Objektrotation erhalten werden. Durch Subtrahieren der Phasen-Karte nach der Drehung ϕafter von der Phasen-Karte vor der Drehung ϕbefore wird die Phasenänderungsverteilung bestimmt durch: (11).The first term, which is at the origin, represents the background intensity of the image. The last two terms correspond to the spectral pair of interference speckle patterns separated by the spatial carrier frequency from the zeroth order terms. The desired spectrum with surface information is filtered out and represented by the inverse Fourier transformation in order to obtain the phase distribution in the spatial domain: (10). Similarly, the phase mapping after object rotation can be obtained. By subtracting the phase map after the rotation φ after from the phase map before the rotation φ before , the phase change distribution is determined by: (11).
Auf diese Weise ermöglicht die erzeugte räumliche Trägerfrequenz dynamische Messungen, da die Phasen-Karte aus einem einzigen Interferogramm extrahiert werden kann und nur zwei Interferogramme zur Auswertung der Phasenänderung aufgrund von Oberflächendeformationen benötigt werden.In this way, the generated spatial carrier frequency enables dynamic measurements since the phase map can be extracted from a single interferogram and only two interferograms are needed to evaluate the phase change due to surface deformations.
Basierend auf der geometrischen Beziehung können die durch die Rotationsbewegung des Objekts verursachten In-plane-Verschiebungs-Komponenten lx und ly mathematisch dargestellt werden durch: (12),
wobei (x, y) und (x', y') für die Koordinaten des untersuchten Punktes vor bzw. nach der Drehung stehen; W bezeichnet den In-plane-Rotationswinkel. Es ist zu beachten, dass die Formeln mit Winkel-Addition und -Subtraktion für die Drehung im Gegenuhrzeigersinn bzw. im Uhrzeigersinn anwendbar sind. Mit den trigonometrischen Formeln kann Gleichung 12 weiter vereinfacht werden zu: (13).Based on the geometric relationship, the in-plane shift components I x and I y caused by the rotational motion of the object can be represented mathematically by: (12)
where (x, y) and (x ', y') represent the coordinates of the examined point before and after the rotation; W denotes the in-plane rotation angle. It should be noted that the formulas with angle addition and subtraction are applicable for counterclockwise and clockwise rotation, respectively. With the trigonometric formulas, Equation 12 can be further simplified to: (13).
Die obigen Gleichungen zeigen, dass die Verschiebungen, die durch die Drehung in der Ebene verursacht werden, sich nur auf die Koordinate des Beobachtungspunktes und seinen Drehwinkel beziehen. Da der Drehwinkel über das gesamte Beobachtungsfeld identisch ist, können beide Seiten der Gleichungen partiell in Bezug auf x oder y abgeleitet werden.The above equations show that the displacements caused by the rotation in the plane relate only to the coordinate of the observation point and its rotation angle. Since the angle of rotation is identical over the entire field of observation, both sides of the equations can be derived partially with respect to x or y.
Wenn die Ableitungsrichtung senkrecht zum Empfindlichkeitsvektor ist, sind die Ableitungen erster Ordnung der Drehung in der Ebene wie folgt: (14).If the derivative direction is perpendicular to the sensitivity vector, the first-order derivatives of the in-plane rotation are as follows: (14).
Ebenso werden, wenn die Ableitungsrichtung parallel zum Empfindlichkeitsvektor ist, die Ableitungen erster Ordnung ausgedrückt durch: (15).Similarly, if the derivative direction is parallel to the sensitivity vector, the first order derivatives are expressed by: (15).
Da die partiellen Ableitungen erster Ordnung der Verschiebung aufgrund der Rotation in der Ebene nur in der Funktion des Drehwinkels dargestellt werden, kann der durch die Drehung in der Ebene hervorgerufene Ausdruck der Phasenänderungsverteilung (Gleichung 6) wie folgt als lineare Funktion bezüglich der Verschiebung in der Ebene dargestellt werden: (16).Since the first-order partial derivatives of the displacement due to the in-plane rotation are represented only in the function of the rotation angle, the rotation caused in the plane can Expression of the phase change distribution (Equation 6) can be represented as a linear function with respect to the in-plane displacement as follows: (16).
In der obigen Gleichung und in dem folgenden Herleitungsprozess werden die Argumente der Funktionen, die den Beobachtungspunkt spezifizieren, zur Vereinfachung weggelassen. K und D sind jeweils der Steigungskoeffizient bzw. der Achsenabschnitt. (17). li bezeichnet die In-plane-Verschiebung, deren Index i durch die Richtung des Sensitivitätsvektors im Messsystem bestimmt wird. Wenn der Empfindlichkeitsvektor in die x (oder y)-Richtung zeigt, ist li gleich lx (oder ly); li'(Ω) ist die Ableitung erster Ordnung der Deformation, die sich auf die Rotation in der Ebene bezieht. Die Richtung des Verschiebungsgradienten beruht auf der Richtung der seitlichen Verschiebung Δs zwischen zwei Objektstrahlen in der Kameraebene. Wenn Δs entlang der x- (oder y-) Achse ist, entspricht li' ∂li/∂x (oder ∂li/∂y) und Δs ist identisch zu Δx (oder Δy).In the above equation and in the following derivation process, the arguments of the functions specifying the observation point are omitted for the sake of simplicity. K and D are the pitch coefficient and the intercept, respectively. (17). l i denotes the in-plane shift whose index i is determined by the direction of the sensitivity vector in the measuring system. When the sensitivity vector points in the x (or y) direction, l i is equal to l x (or l y ); l i '(Ω) is the derivative of the first order of the deformation, which refers to the rotation in the plane. The direction of the shift gradient is based on the direction of the lateral shift Δs between two object beams in the camera plane. When Δs is along the x (or y) axis, l i '∂l i / ∂x (or ∂l i / ∂y), and Δs is identical to Δx (or Δy).
Da der in der Ebene liegende Drehwinkel Ω nur einen Einfluss auf den Schnittpunkt hat, können wir die Ableitung erster Ordnung der Verschiebung direkt aus der gemessenen Phasenänderungsverteilung durch Differenzieren beider Seiten von Gleichung 16 erhalten: (18). Durch Einsetzen von Gleichung 14 in Gleichung 18 kann der In-plane-Drehwinkel des Objekts bestimmt werden. Indessen zeigt das Vorzeichen der Ergebnisse die Drehrichtung an. Angenommen, dass der Empfindlichkeitsvektor entlang der x-Achse auftritt und die Phasenänderungsverteilung in Bezug auf y differenziert wird, kann der Drehwinkel durch die folgende Gleichung berechnet werden: (19). Ein positives (oder negatives) Ergebnis repräsentiert die Drehung in der Ebene im Uhrzeigersinn (oder gegen den Uhrzeigersinn). Aufgrund der Rotation in der Ebene ist die Ableitung erster Ordnung der Unwrapped-Phasenänderungsverteilung über die gesamte Objektoberfläche konstant. Daher kann der in der Ebene liegende Drehwinkel theoretisch ausgewertet werden, indem jeweils nur zwei benachbarte bestimmte Werte auf der Phasenänderungskarte verwendet werden.Since the in-plane rotation angle Ω has only an influence on the point of intersection, we can obtain the first order derivative of the displacement directly from the measured phase change distribution by differentiating both sides of equation 16: (18). By substituting equation 14 into equation 18, the in-plane rotation angle of the object can be determined. Meanwhile, the sign of the results indicates the direction of rotation. Assuming that the sensitivity vector occurs along the x-axis and the phase change distribution is differentiated with respect to y, the angle of rotation can be calculated by the following equation: (19). A positive (or negative) result represents rotation in the plane in a clockwise (or counterclockwise) direction. Due to in-plane rotation, the first order derivative of the unwrapped phase change distribution over the entire object surface is constant. Therefore, the in-plane angle of rotation can be theoretically evaluated by using only two adjacent distinct values on the phase change map.
Da die Wellenlänge des Lasers λ gegeben ist, kann der Einfallswinkel θ die laterale Verschiebung zwischen den Objektwellen Δy und die Phasenänderungsverteilung Δϕ gemessen werden. Der In-plane-Drehwinkel kann nach folgender Formel anstelle von Gleichung 19 ausgewertet werden: (20).Given the wavelength of the laser λ, the angle of incidence θ can be measured as the lateral displacement between the object waves Δy and the phase change distribution Δφ. The in-plane rotation angle can be evaluated according to the following formula instead of equation 19: (20).
Δd stellt die aktuelle Länge dar, die von jedem Pixel der Kamera gemessen wird. Δϕ kann die Phasenverteilung entweder in der Unwrapped-Phasenänderungskarte oder im kontinuierlichen Teil von der Wrapped-Phasenänderungskarte sein. Auf diese Weise wird die Notwendigkeit, die Phasenänderungskarte unzuwrappen, eliminiert und die Messeffizienz wird folglich verbessert. Bezüglich der Verteilung der In-plane-Rotationswinkel, ausgewertet durch Anwenden der Gleichung 19: Jeder Winkelwert aus dieser Verteilung kann auch als die Menge der mit den Phasenänderungen von jeweils zwei benachbarten Punkten unter Verwendung von Gleichung 20 ausgewerteten Ergebnissen interpretiert werden. Praktisch ist der gemessene In-plane-Drehwinkel nicht konstant, weil die Ableitung erster Ordnung der Phasenänderungsverteilung aufgrund der Messunsicherheit nicht überall vollständig gleich ist.Δd represents the actual length measured by each pixel of the camera. Δφ may be the phase distribution in either the unwrapped phase change map or in the continuous part of the wrapped phase change map. In this way, the need to unwrap the phase change card is eliminated, and the measurement efficiency is thus improved. Regarding the distribution of the in-plane rotation angles, evaluated by applying the equation 19: Any angle value from this distribution can also be interpreted as the amount of results evaluated with the phase changes of every two adjacent points using Equation 20. In practice, the measured in-plane rotation angle is not constant because the first order derivative of the phase change distribution is not completely equal everywhere due to the measurement uncertainty.
Die In-plane-Winkelmessung kann auch durch Einbeziehung eines Referenzlichtweges in das Speckle-Interferometer in
Unter der Bedingung, dass die beiden Wellen orthogonale lineare oder zirkulare Polarisationen aufweisen, kann eine rotierende Halbwellenplatte oder eine Viertelwellenplatte die Phasenverzögerung erzeugen. Basierend auf diesem Arbeitsprinzip kann ein Dreikanal-Polarisationsinterferometer angewendet werden, um räumliche Phasenschiebemessungen zur Erlangung der Rotation in der Ebene durchzuführen. Die optische Konfiguration ist in
Das Interferometer mit einem Phasenschiebeelement, z. B. einer pixelförmigen Phasenmaske, ist in der Lage, eine diskrete Phasenverschiebung an jedem Pixel unabhängig einzuführen, da jedes Pixel der Phasenmaske eine eindeutige Phasenverzögerung aufweist. Aus diesem Grund ist es in der Lage, die Phaseninformation wiederzugewinnen und erfordert nur ein einziges Speckle-Muster für sofortige Messungen. Ein räumlich benachbarter Pixelblock wird als Einheitszelle betrachtet, die über die gesamte Phasenmaske wiederholt wird. Wenn es mindestens drei Phasenverschiebungen innerhalb einer Elementarzelle gibt, kann die Phasen-Karte aus den aufgezeichneten Interferogrammen unter Verwendung herkömmlicher Phasenschiebealgorithmen wiederhergestellt werden. Wie in
Figurenlistelist of figures
-
1 : Speckle-Interferometer, bei dem die Trägerfrequenz durch die Apertur erzeugt wird1 : Speckle interferometer in which the carrier frequency is generated by the aperture -
2 : Speckle-Interferometer mit Apertur erzeugter Trägerfrequenz und Referenz-Lichtstrahl2 : Speckle interferometer with aperture generated carrier frequency and reference light beam -
3 : Mehrkanal-Speckle-Interferometer3 : Multi-channel speckle interferometer -
4 : Speckle-Interferometer mit Phasenschiebeelement4 : Speckle interferometer with phase shift element
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 000:000:
- Messobjektmeasurement object
- 001:001:
- Laserlaser
- 002:002:
- Linse bzw. LinsensystemLens or lens system
- 003:003:
- Laserstrahllaser beam
- 100:100:
- Lichtlight
- 101:101:
- Linse bzw. LinsensystemLens or lens system
- 102:102:
- Linse bzw. LinsensystemLens or lens system
- 103:103:
- Apertur 1Aperture 1
- 104: 104:
- Apertur 2Aperture 2
- 105:105:
- Spiegel 1 in der Stellung 1Mirror 1 in position 1
- 106:106:
- Spiegel 1 in der Stellung 2Mirror 1 in position 2
- 107:107:
- Spiegel 2Mirror 2
- 108:108:
- Reflektorreflector
- 109:109:
- Linse bzw. LinsensystemLens or lens system
- 110:110:
- Kameracamera
- 111:111:
- Verschiebung ΔsShift Δs
- 112:112:
- Strahlteilerbeamsplitter
- 113:113:
- Strahlteilerbeamsplitter
- 114:114:
- Referenzobjektreference object
- 115:115:
- Spiegelmirror
- 116:116:
- Linse bzw. LinsensystemLens or lens system
- 117:117:
-
Apertur 3
Aperture 3 - 118:118:
- Laserstrahllaser beam
- 119:119:
- Referenzlichtreference light
- 201:201:
- λ/2-Platteλ / 2 plate
- 202:202:
- λ/2-Platteλ / 2 plate
- 203:203:
- λ/4-Platte oder rotierende λ/2-Platteλ / 4 plate or rotating λ / 2 plate
- 204:204:
- λ/4-Platte oder rotierende λ/2-Platteλ / 4 plate or rotating λ / 2 plate
- 205:205:
- Strahlteilerbeamsplitter
- 206:206:
- Strahlteilerbeamsplitter
- 207:207:
- Spiegelmirror
- 208:208:
- Polarisatorpolarizer
- 209:209:
- Polarisatorpolarizer
- 210:210:
- Polarisatorpolarizer
- 211:211:
- Linse bzw. LinsensystemLens or lens system
- 212:212:
- Linse bzw. LinsensystemLens or lens system
- 213:213:
- Linse bzw. LinsensystemLens or lens system
- 214:214:
- Kameracamera
- 215:215:
- Kameracamera
- 216:216:
- Kameracamera
- 217:217:
- Verschiebung ΔsShift Δs
- 218:218:
- Verschiebung ΔsShift Δs
- 219:219:
- Verschiebung ΔsShift Δs
- 300:300:
- Phasenschiebeelement, z. B. PhasenmaskePhase shift element, z. B. phase mask
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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|---|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2017
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