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Multi Wellenlängen Interferometrie
Machbarkeitsstudie: “Multi Wellenlängen Interferometrie für schnelle Topografiemessungen“
In der industriellen Produktion werden schnelle und hochgenaue 3D-Messtechniken benötigt. Die Interfero-metrie liefert die gewünschte Genauigkeit und Geschwindigkeit, aber der Eindeutigkeitsbereich ist auf die halbe Wellenlänge beschränkt. Mit der Mehrwellenlängen-Interferometrie kann die Absolutposition in ei-nem grösseren Messbereich bestimmt werden. Diese Studie klärte die fundamentalsten technischen Risiken ab für die Entwicklung und Umsetzung von schnellen und präzisen Mehrwellenlängeninterferometern im zeitlichen Phasenshiftverfahren. Diese sind beispielsweise verfügbare Wellenlängenpaarungen oder Einflussfaktoren und Anforderungen an die Genau-igkeit für eine stabile Auswertung bei der Phasenbestimmung.
Eine Marktrecherche über verfügbare Wellenlängen und Laser ermöglichte die Zusammenstellung von un-terschiedlichen Wellenlängenpaarungen. Mit einer Simulation konnten die synthetischen Wellenlängen ge-neriert und auf ihre Eignung hin bewertet werden. Weiter wurde ein Simulationstool entwickelt, mit dem verschiedene Phasenshiftalgorithmen verglichen werden können. Für die Studie darin wurden acht verfügbare Phasenshiftalgorithmen implementiert, deren Güte in Bezug auf die Phasenschätzgenauigkeit anhand simulierter und realer Daten gegenübergestellt wurde.
Es wurden typische Einflussgrössen simuliert und deren Effekte auf die Phasenschätzgenauigkeit der imple-mentierten Phasenshiftalgorithmen bestimmt. Die Einflussgrössen umfassen: Pixelrauschen, Nichtlinearität des Detektors, lineare und quadratische Phasenshiftfehler sowie zeitlich unabhängige, identisch normalver-teilte Phasenshiftfehler, um die nicht perfekte Wiederholbarkeit des Piezoantriebs abzubilden.
Es wurde eine Formulierung erarbeitet, um die Erfolgswahrscheinlichkeit des notwendigen Unwrapping-Schrittes anhand der erreichten Phasenschätzgenauigkeit zu berechnen. Diese Formulierung wurde im Laufe des Projektes auf hierarchisches Unwrapping, wie es für Systeme mit mehr als zwei Wellenlängen benötigt wird, erweitert.
Ein Laboraufbau mit drei an der NTB vorhandenen Wellenlängen und einem Piezoaktor wurde realisiert, der einen Messbereich bis 60 μm zulässt. Die praktischen Untersuchungen zeigten kritische Punkte auf. Zum Bei-spiel kann die Schaltsequenz der einzelnen Laser nicht beliebig gewählt werden. Oder die Position des Piezo-aktuators muss aktiv in den einzelnen Phasenschritten geregelt werden. Für den letzteren Fall konnte ein Ansatz für eine statische Variante konzipiert werden.
Die Untersuchungsergebnisse der Studie zeigen auf, dass die Mehrwellenlängen-Interferometrie im zeitli-chen Phasenshiftverfahren prinzipiell implementierbar ist. Mit den im Experiment verwendeten Wellenlän-gen ergibt sich eine synthetische Wellenlänge von 15 μm. Mit einem Differenzphasenrauschen entsprechend einer Amplitude von 40 nm (resp. 0.25% der Wellenlänge) ergibt sich eine Demodulationssicherheit von 80%. Für eine produkttaugliche Umsetzung ist eine Demodulationssicherheit von 98% erforderlich. Dies lässt sich mit einer synthetischen Wellenlänge von 6 μm erreichen.