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

Method and device for detecting a rotation angle and a direction of rotation of an object by means of spatial phase shift speckle interferometry Download PDF

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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 W. Li et al. ein Messsystem basierend auf einem Kalibrierungsmuster mit Spot-Array [6] vorgestellt . Ein Jahr später wurde ein ESPI-System mit einem diffraktiven holographischen optischen Element [7] von R. Jallapuram et al. vorgeschlagen. Im Jahr 2014 wurde ein Messsystem mit Transmissionsgittern und einem Heterodyn-Interferometer [8] von S. Tang et al. präsentiert. Allerdings müssen alle speziellen optischen Elemente in der Ebene der Winkelverschiebung platziert werden oder sogar auf der Oberfläche des Objekts installiert sein, was berührungslose Messungen behindert. In [16] wird eine Methode zur Online-Rotationsmessung mittels In-plane-Speckle-Interferometrie beschrieben, allerdings mit deutlich schlechterer Auflösung als die in dieser Patentanmeldung.A very accurate and precise in-plane measurement of rotation is an essential part of geometric metrology and is in great demand in a variety of applications [1] [2]. Since the 1970s, various optical systems have been proposed for in-plane rotation measurement, such as Speckle Photography [3] and Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI) [4]. Their common principle, however, is based on the digital image correlation of the speckle pattern before and after rotation, which has lost the original advantage of an interferometer system, ie a high accuracy of measurement. Another problem was that the determination of the direction of rotation required the algorithms for the multi-stage phase-stepping and phase-unwrapping, which hindered the real-time measurement and increased the difficulty in the data processing [5]. In recent years, several systems have been described with specific optical elements for in-plane rotation measurement. In 2010 have W. Li et al. presented a measuring system based on a calibration pattern with spot array [6] , One year later, an ESPI system with a diffractive holographic optical element [7] by R. Jallapuram et al. proposed. In 2014, a measuring system with transmission gratings and a heterodyne interferometer [8] by S. Tang et al. presents. However, all special optical elements must be placed in the plane of angular displacement, or even installed on the surface of the object, which hinders non-contact measurements. In [16] a method for on-line rotation measurement by means of in-plane speckle interferometry is described, but with a much worse resolution than in this patent application.

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.

1 zeigt die optische Konfiguration des ESPI-Messsystems. Ein aufgeweiteter und kollimierter Laserstrahl 113 beleuchtet das Testobjekt 101, das eine optisch raue Oberfläche aufweist. Das diffus gestreute Licht 100, die Objektstrahlen, wird aus zwei Richtungen beobachtet. Nach Durchlaufen der einzelnen Aperturen 103 und 104 werden diese beiden Objektstrahlen von zwei Planspiegeln 107 und 105 bzw. 106 und dem Reflektor 108 reflektiert. Dann durchlaufen sie die Abbildungslinse 109 und bilden ein interferometrisches Fleckenmuster auf dem Bildsensor 110. Dieses Messsystem bietet die Möglichkeit, durch Ausrichten der ebenen Spiegel 105/106 und 107 eine verstellbare laterale Verschiebung zwischen zwei Objektstrahlen 100 einzuführen, d.h. ein räumliches Phasenschieben (spatial phase shifting (SPS)) durchzuführen. Die von 106 (Spiegel 1 in Position 2) und 107 (Spiegel 2) reflektierten Objektstrahlen überlappen sich vollständig. Durch Drehen des Spiegels 1 in die Position 1 (106) entfernen sich die Objektstrahlen jedoch seitlich um Δs 112 in der negativen x-Richtung, nachfolgend als Δx bezeichnet. Eine In-plane-Drehung der Objektoberfläche 101 bringt eine zusätzliche Phasendifferenz zwischen zwei Objektwellen. Zur Erfassung des Drehwinkels muss die Phasenänderungsverteilung quantifiziert werden. Der allgemeine Ausdruck für die Phasenänderungsverteilung Δϕ (x, y, z) ist proportional zur Projektion des Verschiebungsvektors l ( x , y , z )

Figure DE102017002419A1_0001
auf den Empfindlichkeitsvektor k ( u , v , w )
Figure DE102017002419A1_0002
[9] [10]. Gleichung (1), mit Gleichung (2). lx, ly und lz sind die absoluten Werte der x-, y- und z-Komponenten des Verschiebungsvektors; u , v  und  w
Figure DE102017002419A1_0003
bezeichnen die Einheitsvektoren entlang der positiven x-, y- und z-Achse. Die Phasenänderung, die durch die willkürliche Drehung des Objekts verursacht wird, kann bestimmt werden durch: (3), mit (4). 1 shows the optical configuration of the ESPI measuring system. An expanded and collimated laser beam 113 illuminates the test object 101, which has an optically rough surface. The diffused light 100, the object beams, is observed from two directions. After passing through the individual apertures 103 and 104, these two object beams are reflected by two plane mirrors 107 and 105 or 106 and the reflector 108. Then they pass through the imaging lens 109 and form an interferometric speckle pattern on the image sensor 110. This measuring system offers the possibility of introducing an adjustable lateral displacement between two object beams 100 by aligning the planar mirrors 105/106 and 107, ie a spatial phase shifting (PLC)). The object beams reflected from 106 (mirror 1 in position 2) and 107 (mirror 2) completely overlap. However, by turning the mirror 1 to position 1 (106), the object beams laterally move by Δs 112 in the negative x direction, hereinafter referred to as Δx. An in-plane rotation of the object surface 101 brings an additional phase difference between two object waves. To detect the angle of rotation, the phase change distribution must be quantified. The general expression for the phase change distribution Δφ (x, y, z) is proportional to the projection of the displacement vector l ( x . y . z )
Figure DE102017002419A1_0001
on the sensitivity vector k ( u . v . w )
Figure DE102017002419A1_0002
[9] [10]. Equation (1), with equation (2). l x , l y and l z are the absolute values of the x, y and z components of the displacement vector; u . v and w
Figure DE102017002419A1_0003
denote the unit vectors along the positive x, y and z axes. The phase change caused by the arbitrary rotation of the object can be determined by: (3), (4).

Hierin ist λ die Wellenlänge des Lasers 102; k 1

Figure DE102017002419A1_0004
bezeichnet den Wellen vektor des Einfallsstrahls 113, während k 21  und  k 22
Figure DE102017002419A1_0005
die Wellenvektoren der beiden Objektstrahlen 100 darstellen; α und β sind die Einfallswinkel. Here, λ is the wavelength of the laser 102; k 1
Figure DE102017002419A1_0004
denotes the wave vector of the incident beam 113 while k 21 and k 22
Figure DE102017002419A1_0005
represent the wave vectors of the two object beams 100; α and β are the angles of incidence.

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 Equation 3, the phase change distribution can be rewritten as follows: [11] [12] (5). ∂l x / ∂ x and ∂l z / ∂x denote the corresponding partial derivatives.

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 k ( u , v , w )

Figure DE102017002419A1_0006
parallel zur Ebene der Objektoberfläche. In diesem Zustand ist das Messsystem nicht mehr empfindlich gegenüber die Out-of-plane-Verschiebungen. Weiterhin gibt es im Fall einer reinen In-plane-Drehung keine Out-of-plane-Komponente. Somit kann die Gleichung 5 vereinfacht werden zu: (6).Obviously, the phase change distribution has the terms of in-plane shift and out-of-plane shift and the terms of its first-order derivatives at the same time. By setting the two observation directions symmetrical to the surface normal, ie α = β = θ, the sensitivity vector is located k ( u . v . w )
Figure DE102017002419A1_0006
parallel to the plane of the object surface. In this state, the measuring system is no longer sensitive to the out-of-plane shifts. Furthermore, in the case of pure in-plane rotation, there is no out-of-plane component. Thus, Equation 5 can be simplified to: (6).

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 individual apertures 103 and 104 in the separate light paths, an adjustable spatial carrier frequency f 0 (f 0x , f 0y ) is introduced into the measuring system. The phase change distribution can then be determined dynamically in the frequency domain. The direction of the carrier frequency depends on the relative position between the individual apertures and their absolute value depends on the distance between the apertures of the apertures 103 and 104 [13]. The intensity of the interferometric speckle pattern I (x, y) is given by: [14] [15] (7), with (8).

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.

2 stellt eine weitere Ausführungsform dar. 2 represents a further embodiment.

Die In-plane-Winkelmessung kann auch durch Einbeziehung eines Referenzlichtweges in das Speckle-Interferometer in 1 umgesetzt werden. Die optische Konfiguration ist in 2 angegeben. Die beiden Objektwege sind identisch mit dem In-plane-Rotationsmesssystem in 1. Der Strahlteiler 112 teilt den Laserstrahl in zwei orthogonale Strahlen 003 und 118 auf. Der transmittierte Strahl 003 beleuchtet das Messobjekt 000, während der reflektierte Strahl 118 das Referenzobjekt 114 beleuchtet. Beide Objekte haben eine optisch raue Oberfläche. Der Referenzlichtstrahl 119 durchläuft die Linse 116 und die einzelne Apertur 117 und interferiert mit den beiden Objektstrahlen 100 auf dem Detektor 110 nach der Reflexion durch den Spiegel 115 und den Strahlteiler 113. Durch Kippen von 115 oder 113 kann die Position des Referenz-Speckle-Musters auf dem Detektor justiert werden. Auf diese Weise wird ein Drei-Strahl-Interferometer aufgebaut und die Phasenänderungsverteilungen zwischen jeweils den beiden Lichtstrahlen aufgrund von Bewegungen des Objekts können nach Gleichung 1 berechnet werden. Der Empfindlichkeitsvektor der beiden Objektstrahlen kobj1/obj2 und die Empfindlichkeitsvektoren zwischen Referenzstrahl und Objektstrahlen kref/obj1 und kref/obj2 können ausgedrückt werden durch: Gleichung (21), wobei kl den Einheitsvektor in Beleuchtungsrichtung bezeichnet; k21 and k22 sind Einheitsvektoren in die jeweilige Beobachtungsrichtung. Das Objekt bewegt sich in einer beliebigen Richtung und kann nach Gleichung (2) beschrieben werden. Somit können die entsprechenden Phasenänderungsverteilungen berechnet werden durch: Gleichungen (22), (23) und (24), wobei lx' die Ableitung erster Ordnung von lx in Richtung des Scherabstands s 111 ist; θ den Winkel zwischen der Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtung bezeichnet. Basierend auf Gleichung (23) und Gleichung (24) kann die Verschiebung des Messobjekts in der Ebene und außerhalb der Ebene durch Subtraktions- und Additionsformeln der Phasenänderungen Δφref/obj1 und Δφref/obj2 ausgewertet werden durch: Gleichungen (25) und (26). Nach Gleichung (14) und Gleichung (15) kann der Drehwinkel berechnet werden durch: Gleichung (27a) oder Gleichung (28a). Analog hierzu: Wenn der Empfindlichkeitsvektor kobj1/obj2 in y-Richtung zeigt, bezieht sich der Drehwinkel auf die Ableitung erster Ordnung der Verschiebung entlang der y-Achse: Gleichung (27b) oder Gleichung (28b). Es ist anzumerken, dass neben dem in der Ebene liegenden (in-plane) Drehwinkel auch der Parameter der Verschiebung außerhalb der Ebene (out-of-plane) durch Verwendung dieses Messsystems bestimmt werden kann.The in-plane angle measurement can also be done by including a reference light path in the speckle interferometer in 1 be implemented. The optical configuration is in 2 specified. The two object paths are identical to the in-plane rotation measuring system in 1 , The beam splitter 112 splits the laser beam into two orthogonal beams 003 and 118. The transmitted beam 003 illuminates the measurement object 000 while the reflected beam 118 illuminates the reference object 114. Both objects have a visually rough surface. The reference light beam 119 passes through the lens 116 and the single aperture 117 and interferes with the two object beams 100 on the detector 110 after reflection by the mirror 115 and the beam splitter 113. By tilting 115 or 113, the position of the reference speckle pattern be adjusted on the detector. In this way, a three-beam interferometer is constructed and the phase change distributions between each of the two light beams due to movements of the object can be calculated according to Equation 1. The sensitivity vector of the two object beams k obj1 / obj2 and the sensitivity vectors between reference beam and object beams k ref / obj1 and k ref / obj2 can be expressed by: Equation (21) where k l denotes the unit vector in the illumination direction ; k 21 and k 22 are unit vectors in the respective observation direction. The object moves in any direction and can be described by equation (2). Thus, the corresponding phase change distributions can be calculated by: equations (22), (23) and (24), where l x 'is the first-order derivative of l x in the direction of the shear distance s 111; θ denotes the angle between the direction of illumination and observation. Based on equation (23) and equation (24), the displacement of the measurement object in the plane and out of plane can be evaluated by subtraction and addition formulas of the phase changes Δφ ref / obj1 and Δφ ref / obj2 by: equations (25) and (26 ). By equation (14) and Equation (15), the rotation angle can be calculated by: Equation (27a) or Equation (28a). Similarly, if the sensitivity vector k shows obj1 / obj2 in the y-direction, the rotation angle refers to the first-order derivative of the displacement along the y-axis: equation (27b) or equation (28b). It should be noted that in addition to the in-plane rotation angle, the out-of-plane displacement parameter may also be determined using this measurement system.

3 stellt eine weitere Ausführungsform dar. 3 represents a further embodiment.

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 3 gezeigt. Um die Polarisation der beiden Objektstrahlen orthogonal zu machen, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: Die Achsen der beiden Halbwellenplatten 201 und 202 in den beiden Objektpfaden sind um 45 ° zueinander geneigt; der einfallende Strahl 003 muss linear polarisiert sein. Die orthogonal polarisierten Strahlen 100 breiten sich weiter zu dem Drei-Kanal-Direktphasen-Messmodul aus. In Kanal 1 gelangt der Lichtstrahl direkt durch einen linearen Polarisator 208, dessen Transmissionsachse 45 ° zur Polarisationsrichtung des einfallenden Strahls ist, und gelangt in die Abbildungsebene des Detektors 214. In den Kanälen 2 und 3 werden zwei Viertel-Wellenplatten 203 und 204 verwendet, um die Phase um π / 2 bzw. π zu verschieben bevor die Lichtstrahlen auf die Detektoren 215 und 216 gelangen. Somit können die aufgezeichneten drei Interferogramme I1(x,y), I2(x,y) und I3(x,y) ausgedrückt werden durch Gleichung (29). A(x,y) ist die Hintergrundintensität, während B(x,y) die Modulationsintensität ist. Basierend auf Gleichung 29 kann die Phasenverteilung vor und nach der Drehung bestimmt werden durch: Gleichung (30). Anschließend kann die Phasenänderungskarte aufgrund der Rotation unter Verwendung von Gleichung 11 und der Drehwinkel durch Gleichung 19 berechnet werden. Ebenso kann das dreikanalige Polarisations-Phasenverschiebungsinterferometer weiter auf vier Kanäle oder sogar mehr erweitert werden.Under the condition that the two waves have orthogonal linear or circular polarizations, a rotating half wave plate or a quarter wave plate can produce the phase delay. Based on this principle of operation, a three-channel polarization interferometer can be used to perform spatial phase shift measurements to obtain in-plane rotation. The optical configuration is in 3 shown. In order to make the polarization of the two object beams orthogonal, two conditions must be satisfied: the axes of the two half-wave plates 201 and 202 in the two object paths are inclined by 45 ° to each other; the incident beam 003 must be linearly polarized. The orthogonally polarized beams 100 continue to propagate to the three-channel direct-phase measuring module. In channel 1, the light beam passes directly through a linear polarizer 208 whose transmission axis is 45 ° to the polarization direction of the incident beam and enters the imaging plane of detector 214. In channels 2 and 3, two quarter wave plates 203 and 204 are used to to shift the phase by π / 2 or π before the light beams reach the detectors 215 and 216. Thus, the recorded three interferograms I 1 (x, y), I 2 (x, y) and I 3 (x, y) can be expressed by Equation (29). A (x, y) is the background intensity, while B (x, y) is the modulation intensity. Based on Equation 29, the phase distribution before and after the rotation can be determined by Equation (30). Subsequently, the phase change map due to the rotation can be calculated by using equation 11 and the rotation angle by equation 19. Likewise, the three-channel polarization phase-shift interferometer can be further extended to four channels or even more.

4 stellt eine weitere Ausführungsform dar. 4 represents a further embodiment.

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 4 (b) gezeigt, umfasst eine Elementarzelle 2 x 2 Pixel mit den Phasenverschiebungen von 0, π/2, π bzw. 3π/2. Somit kann der Vier-Schritt-Algorithmus angewendet werden, um die Phaseninformation zu rekonstruieren. Die optische Konfiguration eines pixeligen Phasenschiebeelement-Interferometers ist in 4(a) dargestellt. Das Polarisationsinterferometer erzeugt den linear polarisierten Strahl, dessen Polarisationszustände der beiden Objektstrahlen orthogonal zueinander sind. Daher müssen die Achsen der beiden Halbwellenplatten 201 und 202 in den beiden Objektwegen um 45 ° zueinander geneigt sein, und der einfallende Strahl 003 muss linear polarisiert sein. Nach dem Durchlaufen des Phasenschiebeelements 300 werden die Phasenverschiebungen pixelweise in die optische Welle codiert, die anschließend vom Detektor 110 erfasst werden. Auf diese Weise kann das aufgezeichnete Interferogramm in vier Subinterferogramme mit Phasenverschiebungen von 0, π/2, π und 3π/2 aufgeteilt werden. Die ersten drei Interferogramme unter verschiedenen Phasenverschiebungen können durch Gleichung (29) ausgedrückt werden und die vierte wird aus Gleichung (31) bestimmt. Der Vier-Schritt-Phasenschiebealgorithmus kann verwendet werden, um die Phasenverteilung entweder vor oder nach einer Drehbewegung des Messobjekts zu bestimmen: Gleichung (32). Danach kann die Phasenänderungskarte aufgrund der Rotation unter Verwendung von Gleichung (11) und der Drehwinkel durch Gleichung (19) bestimmt werden. Δ ϕ ( x , y , z ) = k ( u , v , w ) l ( x , y , z )

Figure DE102017002419A1_0007
l ( x , y , z ) = l x u + l y v + l y w
Figure DE102017002419A1_0008
Δϕ ( x , y , z ) = ( k 1 k 21 ) l ( x , y , z ) ( k 1 k 22 ) l ( x x , y , z )
Figure DE102017002419A1_0009
k 1 = 2 π λ ( w )
Figure DE102017002419A1_0010
k 21 = 2 π λ ( sin α u + cos α w )
Figure DE102017002419A1_0011
k 22 = 2 π λ ( sin β u + cos β w )
Figure DE102017002419A1_0012
Δ ϕ ( x , z ) = 2 π λ { [ ( sin α + sin β ) l x + ( cos α + cos β ) l z ] } + [ sin β l x x ( 1 + cos β ) l x x ] Δ x
Figure DE102017002419A1_0013
Δ ϕ ( x ) = 2 π λ ( 2 sin θ l x + sin θ l x x Δ x )
Figure DE102017002419A1_0014
I ( x , y ) = a ( x , y ) + c ( x , y ) e 12 π ( f 0 x x + f 0 y y ) + c ( x , y ) * e i 2 π ( f 0 x x + f 0 y y )
Figure DE102017002419A1_0015
a ( x , y ) = I 1 ( x , y ) + I 2 ( x , y )
Figure DE102017002419A1_0016
c ( x , y ) = I 1 ( x , y ) + I 2 ( x , y ) e i ϕ ( x , y )
Figure DE102017002419A1_0017
J ( f x , f y ) = A ( f x , f y ) + C ( f x f 0 x , f y f 0 y ) + C * ( f x f 0 x , f y f 0 y )
Figure DE102017002419A1_0018
ϕ = tan 1 I m [ C ( f x f 0 x , f y f 0 y ) ] R e [ C ( f x f 0 x , f y f 0 y ) ]
Figure DE102017002419A1_0019
Δ ϕ = ϕ a f t e r ϕ b e f o r e
Figure DE102017002419A1_0020
l x = x ' x = x 2 + y 2 c o s ( a t a n 2 y x ± Ω ) x
Figure DE102017002419A1_0021
l y = y ' y = x 2 + y 2 s i n ( a t a n 2 y x ± Ω ) y
Figure DE102017002419A1_0022
l x = x   c o s Ω y   s i n Ω x
Figure DE102017002419A1_0023
l y = y   c o s Ω x   s i n Ω y
Figure DE102017002419A1_0024
l x y = s i n Ω
Figure DE102017002419A1_0025
l y x = s i n Ω
Figure DE102017002419A1_0026
l x x = c o s Ω 1
Figure DE102017002419A1_0027
l y y = c o s Ω 1
Figure DE102017002419A1_0028
Δ ϕ = 2 π λ { 2 sin θ l i + sin θ l i ' ( Ω ) Δ s } = K l i + D
Figure DE102017002419A1_0029
K = 4 π λ sin θ
Figure DE102017002419A1_0030
D = 2 π λ sin θ l i ' ( Ω ) Δ s
Figure DE102017002419A1_0031
l i ' = λ 4 π sin θ Δ ϕ '
Figure DE102017002419A1_0032
Ω = sin 1 [ λ 4 π sin θ ( Δ ϕ ) y ]
Figure DE102017002419A1_0033
Ω = sin 1 { λ 4 π sin θ Δ ϕ ( x , y + 1 ) Δ ϕ ( x , y ) Δ d }
Figure DE102017002419A1_0034
k o b j 1 / o b j 2 = ( k 1 k 21 ) ( k 1 k 22 ) = k 22 k 21
Figure DE102017002419A1_0035
k r e f / o b j 1 = k 1 k 21
Figure DE102017002419A1_0036
k r e f / o b j 2 = k 1 k 22
Figure DE102017002419A1_0037
Δ φ o b j 1 / o b j 2 = k o b j 1 / o b j 2 Δ d = 4 π λ sin θ l x ' s
Figure DE102017002419A1_0038
Δ φ r e f / o b j 1 = k r e f / o b j 1 Δ d = 2 π λ [ sin θ l x + ( 1 + cos θ ) l z ]
Figure DE102017002419A1_0039
Δ φ r e f / o b j 2 = k r e f / o b j 2 Δ d = 2 π λ [ sin θ l x + ( 1 + cos θ ) l z ]
Figure DE102017002419A1_0040
l x = λ 4 π  sin θ ( Δ φ r e f / o b j 1 Δ φ r e f / o b j 2 )
Figure DE102017002419A1_0041
l z = λ 4 π ( 1 + c o s θ ) ( Δ φ r e f / o b j 1 + Δ φ r e f / o b j 2 )
Figure DE102017002419A1_0042
Ω = ± sin 1 ( l x y )
Figure DE102017002419A1_0043
Ω = cos 1 ( l x x + 1 )
Figure DE102017002419A1_0044
Ω = ± sin 1 ( l y x )
Figure DE102017002419A1_0045
Ω = cos 1 ( l y y + 1 )
Figure DE102017002419A1_0046
I 1 ( x , y ) = A ( x , y ) + B ( x , y )
Figure DE102017002419A1_0047
I 2 ( x , y ) = A ( x , y ) + B ( x , y ) cos [ ϕ ( x , y ) + π 2 ]
Figure DE102017002419A1_0048
I 3 ( x , y ) = A ( x , y ) + B ( x , y ) cos [ ϕ ( x , y ) + π ]
Figure DE102017002419A1_0049
ϕ ( x , y ) = tan 1 2 I 1 I 2 I 3 I 2 I 3
Figure DE102017002419A1_0050
I 4 ( x , y ) = A ( x , y ) + B ( x , y ) cos [ ϕ ( x , y ) + 3 π 2 ]
Figure DE102017002419A1_0051
ϕ ( x , y ) = tan 1 I 4 I 2 I 1 I 3
Figure DE102017002419A1_0052
The interferometer with a phase shift element, z. A pixel-shaped phase mask, is capable of independently introducing a discrete phase shift at each pixel since each pixel of the phase mask has a unique phase delay. For this reason, it is able to recover the phase information and requires only a single speckle pattern for instant measurements. A spatially adjacent pixel block is considered as a unit cell that is repeated over the entire phase mask. If there are at least three phase shifts within a unit cell, the phase map can be recovered from the recorded interferograms using conventional phase shift algorithms. As in 4 (b) 1, an elementary cell comprises 2 × 2 pixels with the phase shifts of 0, π / 2, π or 3π / 2. Thus, the four-step algorithm can be used to reconstruct the phase information. The optical configuration of a pixelated phase shift element interferometer is shown in FIG 4 (a) shown. The polarization interferometer generates the linearly polarized beam whose polarization states of the two object beams are orthogonal to each other. Therefore, the axes of the two half-wave plates 201 and 202 in the two object paths must be inclined by 45 ° to each other, and the incident beam 003 must be linearly polarized. After passing through the phase shift element 300, the phase shifts are coded pixel by pixel in the optical wave, which are subsequently detected by the detector 110. In this way, the recorded interferogram can be divided into four subinterferograms with phase shifts of 0, π / 2, π and 3π / 2. The first three interferograms under different phase shifts can be expressed by equation (29) and the fourth is determined from equation (31). The four step phase shift algorithm can be used to determine the phase distribution either before or after a rotational movement of the DUT: Equation (32). Thereafter, the phase change map due to the rotation can be determined using equation (11) and the rotation angle can be determined by equation (19). Δ φ ( x . y . z ) = k ( u . v . w ) l ( x . y . z )
Figure DE102017002419A1_0007
l ( x . y . z ) = l x u + l y v + l y w
Figure DE102017002419A1_0008
Δφ ( x . y . z ) = ( k 1 - k 21 ) l ( x . y . z ) - ( k 1 - k 22 ) l ( x + Δ x . y . z )
Figure DE102017002419A1_0009
k 1 = 2 π λ ( - w )
Figure DE102017002419A1_0010
k 21 = 2 π λ ( sin α u + cos α w )
Figure DE102017002419A1_0011
k 22 = 2 π λ ( - sin β u + cos β w )
Figure DE102017002419A1_0012
Δ φ ( x . z ) = - 2 π λ { [ ( sin α + sin β ) l x + ( cos α + cos β ) l z ] } + [ sin β l x x - ( 1 + cos β ) l x x ] Δ x
Figure DE102017002419A1_0013
Δ φ ( x ) = - 2 π λ ( 2 sin θ l x + sin θ l x x Δ x )
Figure DE102017002419A1_0014
I ( x . y ) = a ( x . y ) + c ( x . y ) e 12 π ( f 0 x x + f 0 y y ) + c ( x . y ) * e - i 2 π ( f 0 x x + f 0 y y )
Figure DE102017002419A1_0015
a ( x . y ) = I 1 ( x . y ) + I 2 ( x . y )
Figure DE102017002419A1_0016
c ( x . y ) = I 1 ( x . y ) + I 2 ( x . y ) e i φ ( x . y )
Figure DE102017002419A1_0017
J ( f x . f y ) = A ( f x . f y ) + C ( f x - f 0 x . f y - f 0 y ) + C * ( f x - f 0 x . f y - f 0 y )
Figure DE102017002419A1_0018
φ = tan - 1 I m [ C ( f x - f 0 x . f y - f 0 y ) ] R e [ C ( f x - f 0 x . f y - f 0 y ) ]
Figure DE102017002419A1_0019
Δ φ = φ a f t e r - φ b e f O r e
Figure DE102017002419A1_0020
l x = x ' - x = x 2 + y 2 c O s ( a t a n 2 y x ± Ω ) - x
Figure DE102017002419A1_0021
l y = y ' - y = x 2 + y 2 s i n ( a t a n 2 y x ± Ω ) - y
Figure DE102017002419A1_0022
l x = x c O s Ω y s i n Ω - x
Figure DE102017002419A1_0023
l y = y c O s Ω x s i n Ω - y
Figure DE102017002419A1_0024
l x y = s i n Ω
Figure DE102017002419A1_0025
l y x = s i n Ω
Figure DE102017002419A1_0026
l x x = c O s Ω - 1
Figure DE102017002419A1_0027
l y y = c O s Ω - 1
Figure DE102017002419A1_0028
Δ φ = - 2 π λ { 2 sin θ l i + sin θ l i ' ( Ω ) Δ s } = K l i + D
Figure DE102017002419A1_0029
K = - 4 π λ sin θ
Figure DE102017002419A1_0030
D = - 2 π λ sin θ l i ' ( Ω ) Δ s
Figure DE102017002419A1_0031
l i ' = - λ 4 π sin θ Δ φ '
Figure DE102017002419A1_0032
Ω = sin - 1 [ λ 4 π sin θ ( Δ φ ) y ]
Figure DE102017002419A1_0033
Ω = sin - 1 { λ 4 π sin θ Δ φ ( x . y + 1 ) - Δ φ ( x . y ) Δ d }
Figure DE102017002419A1_0034
k O b j 1 / O b j 2 = ( k 1 - k 21 ) - ( k 1 - k 22 ) = k 22 - k 21
Figure DE102017002419A1_0035
k r e f / O b j 1 = k 1 - k 21
Figure DE102017002419A1_0036
k r e f / O b j 2 = k 1 - k 22
Figure DE102017002419A1_0037
Δ φ O b j 1 / O b j 2 = k O b j 1 / O b j 2 Δ d = 4 π λ sin θ l x ' s
Figure DE102017002419A1_0038
Δ φ r e f / O b j 1 = k r e f / O b j 1 Δ d = 2 π λ [ sin θ l x + ( 1 + cos θ ) l z ]
Figure DE102017002419A1_0039
Δ φ r e f / O b j 2 = k r e f / O b j 2 Δ d = 2 π λ [ - sin θ l x + ( 1 + cos θ ) l z ]
Figure DE102017002419A1_0040
l x = λ 4 π sin θ ( Δ φ r e f / O b j 1 - Δ φ r e f / O b j 2 )
Figure DE102017002419A1_0041
l z = λ 4 π ( 1 + c O s θ ) ( Δ φ r e f / O b j 1 + Δ φ r e f / O b j 2 )
Figure DE102017002419A1_0042
Ω = ± sin - 1 ( l x y )
Figure DE102017002419A1_0043
Ω = cos - 1 ( l x x + 1 )
Figure DE102017002419A1_0044
Ω = ± sin - 1 ( l y x )
Figure DE102017002419A1_0045
Ω = cos - 1 ( l y y + 1 )
Figure DE102017002419A1_0046
I 1 ( x . y ) = A ( x . y ) + B ( x . y )
Figure DE102017002419A1_0047
I 2 ( x . y ) = A ( x . y ) + B ( x . y ) cos [ φ ( x . y ) + π 2 ]
Figure DE102017002419A1_0048
I 3 ( x . y ) = A ( x . y ) + B ( x . y ) cos [ φ ( x . y ) + π ]
Figure DE102017002419A1_0049
φ ( x . y ) = tan - 1 2 I 1 - I 2 - I 3 I 2 - I 3
Figure DE102017002419A1_0050
I 4 ( x . y ) = A ( x . y ) + B ( x . y ) cos [ φ ( x . y ) + 3 π 2 ]
Figure DE102017002419A1_0051
φ ( x . y ) = tan - 1 I 4 - I 2 I 1 - I 3
Figure DE102017002419A1_0052

Figurenlistelist of figures

  • 1: Speckle-Interferometer, bei dem die Trägerfrequenz durch die Apertur erzeugt wird 1 : Speckle interferometer in which the carrier frequency is generated by the aperture
  • 2: Speckle-Interferometer mit Apertur erzeugter Trägerfrequenz und Referenz-Lichtstrahl 2 : Speckle interferometer with aperture generated carrier frequency and reference light beam
  • 3: Mehrkanal-Speckle-Interferometer 3 : Multi-channel speckle interferometer
  • 4: Speckle-Interferometer mit Phasenschiebeelement 4 : 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 3Aperture 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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Claims (10)

Verfahren zur berührungslosen optischen Erfassung eines Rotationswinkels und einer Rotationsrichtung eines Objektes mit Hilfe eines ESPI-Speckle-Interferometers (ESPI: Electronic Speckle Pattern Interferometrie), das über eine SPS-Option (SPS: spatial phase shifting) verfügt, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines ESPI-Speckle-Interferometers mit einer Laser-Lichtquelle und einer Kamera-Detektionseinheit gemäß 1, - Aufnehmen eines ersten Interferogramms in einer ersten Winkelstellung (Referenz-Winkelstellung) des Objekts, wobei das Phasenbild durch Fourier-Transformation des Interferogramms (Formel 9) mit nachfolgender Winkelberechnung aus den Real- und Imaginärteilen (Formel 10) berechnet wird.Method for the non-contact optical detection of a rotation angle and a direction of rotation of an object using an ESPI Speckle Pattern Interferometer (ESPI) having a spatial phase shifting (SPS) option, comprising the steps of: providing an ESPI speckle interferometer with a laser light source and a camera detection unit according to 1 - recording a first interferogram in a first angular position (reference angular position) of the object, the phase image being calculated by Fourier transformation of the interferogram (formula 9) with subsequent angle calculation from the real and imaginary parts (formula 10). Verfahren nach Anspruch 1, wobei - ein zweites Interferogramm in einer zweiten Winkelstellung des Objekts aufgenommen wird und ein zweites Phasenbild nach dem gleichen Verfahren wie in Anspruch 1 berechnet wird, - ein Phasenänderungsbild (phase change map) durch Subtraktion des Referenzphasenbildes nach Anspruch 1 vom zweiten Phasenbild berechnet wird.Method according to Claim 1 in which a second interferogram is recorded in a second angular position of the object and a second phase image is recorded according to the same method as in Claim 1 is calculated, - a phase change map by subtracting the reference phase image after Claim 1 is calculated from the second phase image. Verfahren nach Anspruch 2, wobei - der Rotationswinkel des Objektes, d.h. der Differenzwinkel zwischen der zweiten Winkelstellung nach Anspruch 2 und der Referenz-Winkelstellung nach Anspruch 1, über benachbarte Pixel des Phasenänderungsbildes und Formel 20 berechnet wird. Die Drehrichtung wird aus dem Vorzeichen des Rotationswinkels abgeleitet.Method according to Claim 2 , wherein - the rotation angle of the object, ie the difference angle between the second angular position after Claim 2 and the reference angular position Claim 1 is computed over adjacent pixels of the phase change image and Formula 20. The direction of rotation is derived from the sign of the rotation angle. Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen optischen Erfassung eines Rotationswinkels und einer Rotationsrichtung eines Objektes mit Hilfe eines ESPI-Speckle-Interferometers (ESPI: Electronic Speckle Pattern Interferometrie), die über eine SPS-Option (SPS: spatial phase shifting) verfügen, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines ESPI-Speckle-Interferometers mit einer Laser-Lichtquelle und einer Kamera-Detektionseinheit gemäß 2, - Aufnehmen eines ersten Interferogramms in einer ersten Winkelstellung (Referenz-Winkelstellung) des Objekts und Aufnehmen eines zweiten Interferogramms in einer zweiten Winkelstellung des Objekts.Method and device for the non-contact optical detection of a rotation angle and a direction of rotation of an object with the aid of an ESPI Speckle Pattern Interferometer (ESPI) having a spatial phase shifting (SPS) option, comprising the steps: - Providing an ESPI speckle interferometer with a laser light source and a camera detection unit according to 2 , - Recording a first interferogram in a first angular position (reference angular position) of the object and recording a second interferogram in a second angular position of the object. Verfahren nach Anspruch 4, wobei - die Phasenänderungen nach Gleichungen (22), (23) und (24) berechnet werden, - die Verschiebungen nach Gleichungen (25) und (26) berechnet werden.Method according to Claim 4 in which - the phase changes are calculated according to equations (22), (23) and (24), - the displacements are calculated according to equations (25) and (26). Verfahren nach Anspruch 5, wobei - der Rotationswinkel des Objektes, d.h. der Differenzwinkel zwischen der zweiten Winkelstellung und der Referenz-Winkelstellung nach Anspruch 4, die Drehrichtung und die Out-of-plane-Verschiebung über die Gleichungen (27a), (28a), (27b) und (28b) berechnet werden.Method according to Claim 5 in which - the angle of rotation of the object, ie the difference angle between the second angular position and the reference angular position after Claim 4 , the direction of rotation and the out-of-plane shift are calculated by equations (27a), (28a), (27b) and (28b). Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen optischen Erfassung eines Rotationswinkels und einer Rotationsrichtung eines Objektes mit Hilfe eines ESPI-Speckle-Interferometers (ESPI: Electronic Speckle Pattern Interferometrie), die über eine SPS-Option (SPS: spatial phase shifting) verfügen, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines ESPI-Speckle-Interferometers mit einer Laser-Lichtquelle und einer Kamera-Detektionseinheit gemäß 3, - Aufnehmen eines ersten Interferogramms in einer ersten Winkelstellung (Referenz-Winkelstellung) des Objekts, wobei das Phasenbild durch Gleichung (30) berechnet wird.Method and device for the non-contact optical detection of a rotation angle and a direction of rotation of an object with the aid of an ESPI Speckle Pattern Interferometer (ESPI) having a spatial phase shifting (SPS) option, comprising the steps: - Providing an ESPI speckle interferometer with a laser light source and a camera detection unit according to 3 - recording a first interferogram in a first angular position (reference angular position) of the object, the phase image being calculated by equation (30). Verfahren nach Anspruch 7, wobei - ein zweites Interferogramm in einer zweiten Winkelstellung des Objekts aufgenommen wird und ein zweites Phasenbild nach dem gleichen Verfahren wie in Anspruch 7 berechnet wird, - ein Phasenänderungsbild (phase change map) durch Subtraktion des Referenzphasenbildes nach Anspruch 7 vom zweiten Phasenbild berechnet wird.Method according to Claim 7 in which a second interferogram is recorded in a second angular position of the object and a second phase image is recorded according to the same method as in Claim 7 is calculated, - a phase change map by subtracting the reference phase image after Claim 7 is calculated from the second phase image. Verfahren nach Anspruch 8, wobei - der Rotationswinkel des Objektes, d.h. der Differenzwinkel zwischen der zweiten Winkelstellung nach Anspruch 8 und der Referenz-Winkelstellung nach Anspruch 7, über Gleichung (11) berechnet wird. Die Drehrichtung wird aus dem Vorzeichen aus Gleichung (19) abgeleitet.Method according to Claim 8 , wherein - the rotation angle of the object, ie the difference angle between the second angular position after Claim 8 and the reference angular position Claim 7 , is calculated via equation (11). The direction of rotation is derived from the sign from equation (19). Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen optischen Erfassung eines Rotationswinkels und einer Rotationsrichtung eines Objektes mit Hilfe eines ESPI-Speckle-Interferometers (ESPI: Electronic Speckle Pattern Interferometrie), die über eine SPS-Option (SPS: spatial phase shifting) verfügen, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines ESPI-Speckle-Interferometers mit einer Laser-Lichtquelle und einer Kamera-Detektionseinheit gemäß 4, - Aufnehmen eines ersten Interferogramms in einer ersten Winkelstellung (Referenz-Winkelstellung) des Objekts, wobei das Phasenbild durch Gleichung (30) berechnet wird, - ein zweites Interferogramm in einer zweiten Winkelstellung des Objekts aufgenommen wird und ein zweites Phasenbild durch Gleichung (30) berechnet wird, - der Rotationswinkel des Objektes, d.h. der Differenzwinkel zwischen der zweiten Winkelstellung und der Referenz-Winkelstellung, über Gleichung (11) berechnet wird. Die Drehrichtung wird aus dem Vorzeichen aus Gleichung (19) abgeleitet. Method and device for the non-contact optical detection of a rotation angle and a direction of rotation of an object with the aid of an ESPI Speckle Pattern Interferometer (ESPI) having a spatial phase shifting (SPS) option, comprising the steps: - Providing an ESPI speckle interferometer with a laser light source and a camera detection unit according to 4 - recording a first interferogram in a first angular position (reference angular position) of the object, the phase image being calculated by equation (30), - a second interferogram being recorded in a second angular position of the object and a second phase image being taken by equation (30) is calculated, - the rotation angle of the object, ie the difference angle between the second angular position and the reference angular position, is calculated via equation (11). The direction of rotation is derived from the sign from equation (19).
DE102017002419.7A 2017-03-14 2017-03-14 Method and device for detecting a rotation angle and a direction of rotation of an object by means of spatial phase shift speckle interferometry Withdrawn DE102017002419A1 (en)

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