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Erzeugung und Adaption dynamischer kohaerenter

Logo:Erzeugung und Adaption dynamischer kohärenter Masken für den aktiven optischen Form- und Verformungsvergleich

Einführung
Prinzip der Vergleichenden Digitalen Holografie
Innovation
Anwendungsperspektiven
Ergebnisse
Referenzen


Wir entwickeln und implementieren ein neues kohärent-optisches Verfahren zum Vergleich der Form oder Verformung zweier nominell identischer, aber physisch unterschiedlicher Objekte mit rauhen Oberflächen (Muster-Probe-Vergleich). Durch die Kombination der Prinzipien der Digitalen Holografie und der Vergleichenden Holografie entsteht mit der Vergleichenden Digitalen Holografie (VDH) ein flexibles Prüfverfahren, bei dem gleichzeitige physische Präsenz des Musters und der Probe am Ort des Vergleichs nicht erforderlich ist.


Prinzip der Vergleichenden Digitalen Holografie

Die Vergleichende Digitale Holografie macht sich bewusst die Technologie moderner räumlicher Lichtmodulatoren (LCD, LCOS) zunutze. Indem das zuvor aufgezeichnete digitale Hologramm des Musterobjekts (auch bezeichnet als kohärente Maske) in einen geeigneten Lichtmodulator geschrieben wird, ergibt sich die Möglichkeit, die konjugierte Welle aktiv zu rekonstruieren, um damit das Testobjekt kohärent zu beleuchten, s. Abbildung 1. Die Interferenzphase des schliesslich rekonstruierten digitalen Hologramms des Testobjekts verkörpert lediglich die Form- bzw. Verformungsdifferenz zwischen Muster- und Testobjekt. Auf diese Weise lassen sich in Prozess-Echtzeit Inspektionsergebnisse und Qualitätsaussagen auch an komplexen Prüfobjekten erzielen.

a) Aufnahme des Hologramms des Mustersb) Aufnahme des Vergleich-Hologramms
a) Aufnahme des Hologramms des Musters         b) Aufnahme des Vergleich-Hologramms
Abbildung 1: Prinzipdarstellung der Vergleichende Digitale Holografie.

 

Innovation

In der Industrie gibt es einen grossen Bedarf an Messsystemen zum Vergleich und zur Kontrolle technischer Objekte mit rauhen Oberflächen. Die klassische Interferometrie erlaubt nur die Untersuchung von glatten Oberflächen.

Die Vergleichende Digitale Holografie bringt drei Neuheiten in der Messtechnik:

1.Die VDH ist das einzige Verfahren zum Vergleich der Form oder der Verformung zweier nominell identischer, aber physisch unterschiedlicher Objekte mit rauhen Oberflächen.   2.Die physische Präsenz des Musters am Ort des Vergleichs ist nicht erforderlich. 3.Eine aktive Kompensation von Repositionierfehlern der Probe durch eine iterative Selbstjustage der rekonstruierten konjugiertne Wellenfront des Musters mit dem Lichtmodulator.  

Anwendungsperspektiven

  • Qualitätskontrolle technischer Objekte.
  • Muster-Probe-Vergleich von Form- und Verformung.
  • Messtechnik über grosse Entfernung (remote metrology).

Ergebnisse

Mit dem VDH-Verfahren, können wir Form- und Verformungsvergleich zwischen Muster und Probe machen. In den beiden Fällen, haben wir zwei nominell identische, aber physisch unterschiedliche Objekte mit rauhen Oberflächen.

Der Verformungsvergleich gibt den Unterschied in der Verformung zwischen dem Muster und der Probe. Die Objekte werden durch mechanische oder thermische Belastung verformt. Wir können in diesem Fall Defekte an der Oberfläche und Ungleichartigkeit der Probe detektieren.

Der Formvergleich gibt den Unterschied in der Makrostruktur zwischen den beiden Objekten. So können wir Defekte auf der Oberfläche der Probe detektieren. Die Position, Form und Grössenverhältnisse können in diesem Fall bestimmt werden.

Simulation

Wir stellen eine Simulation des Formvergleichs dar. Als Muster simulieren wir eine Pyramide mit der Mikrostruktur auf der Oberfläche, als Probe nehmen wir die gleiche makroskopische Pyramide mit einer anderen Mikrostruktur (s. Abbildung 2). Die Probe hat dazu vier Defekte.

a) Musterb) Probe mit vier Defekten
                                     a) Muster                                                                          b) Probe mit vier Defekten   
Abbildung 2: Pyramide als simuliertes Objekt

Das Ergebnis der Simulation des Formvergleichs zwischen den beiden Pyramiden der Abbildung 2 ist in der Abbildung 3 gezeigt.

Abbildung 3: Formvergleich zwischen das Muster und der Probe der Abbildung 2.

Abbildung 3: Formvergleich zwischen das Muster und der Probe der Abbildung 2.

Deutlich wird bei der VDH, dass nach der digitale Rekonstruktion der Vergleichshologramm die Defekte ohne weitere Bildverarbeitung sichtbar und quantifizierbar sind.

Experiment

Als experimentales Ergebnis, stellen wir den Verformungsvergleich dar. Muster- und Testobjekt sind zwei unterschiedliche Kunststoffplatten. Das Testobjekt weist gegenüber dem Musterobjekt drei kreisförmige Defekte auf. Mit einem speziellen Halter (Abbildung 4) können wir die Kunststoffplatte kontrolliert verformen. In unserem Experiment beträgt die Verformung 5 µm.

 

Abbildung 4: Halter um die Kunststoffplatten zu verformen. 

Abbildung 4: Halter um die Kunststoffplatten zu verformen.

Wir nehmen einen Hologramm des Musterobjekts im ungestörten sowie im verformten Zustand auf (Abbildung 1 a)). Die Abbildung 1 b) zeigt die Beleuchtung des Testobjekts im ungestörten Zustand mit der konjugierten rekonstruierten Wellenfront des Musterobjekts im ungestörten Zustand. Die gleiche Prozedur wird für die verformten Zustanden durchgeführt. Aus den zwei aufgenommenen Hologrammen, ergibt sich der Verformungsvergleich zwischen dem Muster- und dem Testobjekt (Abbildung 5). Die drei Defekte des Testobjekts auf einem Streifenhintergrund sind klar sichtbar. Die Streifen im Hintergrund kommen von einer grundsätzlichen Formabweichung zwischen Muster und Testobjekten. Die ungewollte Abweichung zwischen der rekonstruierten Wellenfront des Muster- und Testobjekts wurde durch eine Phasenschiebung, die in das LCD geschrieben ist, kompensiert. [4-5]

Abbildung 5: Verformungsdifferenz zwischen zwei Kunststoffplatten. Das Testobjekt weist gegenüber dem Musterobjekt drei kreisförmige Defekte auf.
Abbildung 5: Verformungsdifferenz zwischen zwei Kunststoffplatten. Das Testobjekt weist gegenüber dem Musterobjekt drei kreisförmige Defekte auf.

Referenzen

  1. W. Osten, G. Pedrini, X. Schwab, T. Baumbach, "Null test in speckle light by comparative digital holography“, Proc. of the 13th International Conference on Experimental Mechanics, Ed. E. E. Gdoutos, Springer, pp. 603-604, 2007.
  2. Osten, W., Baumbach, T., Jüptner, W., Comparative digital holography, Optics Letters 27 (2002), pp. 1764-1766.
  3. Osten, W., Baumbach, T., Seebacher, S., Jüptner, W., Remote shape control by comparative digital holography, Proc. Fringe 2001, Elsevier Science, pp. 373-382.
  4. C. Kohler, X. Schwab, W. Osten, "Optimally tuned spatial light modulators for digital holography", Appl. Opt. 45, 960-967 (2006).
  5. Kohler, Schwab, Osten, Baumbach, "Charakterisierung von Flüssigkristalllichtmodulatoren für die Rekonstruktion digitaler Hologramme", Technisches Messen, März 2006.