Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungsfreien Messen der Ist-Position und/oder des Profils rauher Oberflächen mit hoher Genauigkeit.

Es sind verschiedene Verfahren zum berührungsfreien Messen von Ober¬ flächen bekannt. Bei den meisten dieser Verfahren wird das von einem '"Laser erzeugte Licht in die Soll-Position der Oberfläche fokussiert und das von dieser Oberfläche reflektierte Licht wird einem Empfänger zuge¬ führt, der die Lichtintensität mißt. Diese ist am höchsten, wenn die Oberfläche ihre Soll-Position einnimmt. Um einen gewissen Meßbereich um die Soll-Position zu schaffen ist es bekannt eine vor dem Empfänger i5 _a ngeordnete Blende periodisch achsial zu bewegen (Appl.Optic Vol. 5, No. 12, 19όό, S. 1961/1902) oder den Fokussierungsbereich der das Laserlicht abbildenden Linse achsial auszudehnen (Feinwerktechnik & Meßtechnik 84, Heft 2, 197ό, S. 72/74) . Mit diesen Verfahren ist sowohl eine Antastung als auch eine Profilmessung der Oberfläche möglich, jedoch genügt für 0 _v iele Anwendungsfälle die erreichbare Genauigkeit nicht.

Ein weiteres Verfahren zur berührungsfreien Messung der Form einer Ober¬ fläche bedient sich der Holographie (Appl.Optics Vol. 10, No. 9, 1971, S. 2113/2118) . Hierbei wird ein Interferogramm des Prüflings erzeugt, 5 photographisch festgehalten und als Hologramm in die Meßvorrichtung eingelegt. Gemessen wird dann mit Licht einer zweiten Wellenlänge, wobei der Prüfling im Strahlengang bleibt. Es entsteht dabei ein Interfero¬ gramm, das eine recht genaue Auswertung ermöglicht. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß nicht in Echtzeit gearbeitet werden kann. 0

Es ist auch schon versucht worden, rauhe Oberflächen interferometr isch auszumessen. Dabei hat man Strahlung einer Wellenlänge von 10,6μm ver¬ wendet. In einem Twyrnan-Green Interferometer entstehen dabei Interfe¬ renzstreifen, deren Kontrast mit zunehmender Ober lächenrauhigkeit 5 schlechter wird ( Appl.Optics Vol. 19, No. 11, 1980, S. 1863/ 18ό9) . Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es mit unsichtbarer Strahlung arbeitet, so daß die Justierung des Inter ferometers sehr aufwendig und

schwier ig ist .

Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine zur Durchführung desselben geeignete Vorrichtung zum berührungsfreien ^Messen rauher Oberflächen anzugeben, das eine sehr genaue Messung hoher Ortsauflösung in Echtzeit unter Verwendung von Licht ermöglicht.

Diese Aufgabe wird er indungsgemäß durch das Verfahren nach dem kenn¬ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Entgegen der bisher allgemein

^verbreiteten Ansicht liefert ein solches inter erometrisches Verfahren tatsächlich ein sinnvolles und sehr genaues Ergebnis, da die Einzelmes¬ sung auf Punkte kleiner oder gleich groß wie die in der Interferogramm¬ ebene entstehenden Laser Speckle beschränkt ist. Ein Speckle-Muster stellt sich als eine ungleichmäßige Verteilung von kleinen Hell-Stellen

15(Speckies} dar, die durch dunklere Bereiche voneinander getrennt sind. Diese Verteilung ist räumlich und zeitlich konstant, solange keine Be¬ wegung zwischen Objekt und Laserlicht auftritt. Die hellen Speckies stellen Kohärenzgebiete dar, innerhalb deren die inte ferometrischen Verhältnisse eindeutig und meßbar sind. Die wichtigsten Eigenschaften

20von Speckle-Mustern sind in dem von J.C.Dainty herausgegebenen Buch

"Laser-Speckle" beschrieben, das 1975 im Springer-Verlag Berlin, Heidel¬ berg, New York erschienen ist.

Durch die Wahl der verwendeten Wellenlängen des Laserlichts läßt sich 25der Bereich festlegen, innerhalb dessen der Abstand des jeweiligen Me߬ punktes von einer Referenzfläche eindeutig gemessen werden kann. Ist eine Oberfläche zu vermessen, deren Unebenheiten innerhalb eines vorbe¬ stimmten Bereiches liegen, so läßt sich das Verfahren nach der Erfindung mit zwei, entsprechend gewählten Wellenlängen ausführen. Sind Oberflä- 30 chen mit großen Profilhöhendifferenzen zwischen den Abtastpunkten zu vermessen, so läßt sich durch Verwendung von drei Wellenlängen der Me߬ bereich sehr effektiv erweitern. Falls von der Problemstellung her er¬ forderlich, können auch noch zusätzliche Wellenlängen in geeigneter Form benutzt werden. 35

Die Messung bei mehreren Wellenlängen kann simultan oder auch aufeinan¬ derfolgend vorgenommen werden.

Besonders vorteilhaft ist es die Phasendifferenzen im Meßfeld nach dem sogenannten Heterodyne-Verfahren zu messen. Dabei wird das Licht im Bezugsstrahlengang bei allen verwendeten Wellenlängen in seiner Frequenz gegenüber dem Meßstrahlengang um die Heterodynfrequenz verschoben. Eine °ausführliche Darstellung des Heterodyne-Verfahr ^' ens findet sich in "Appl Optics", Vol. 18, Nr. 11, 1979, S. 1797/1803.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 6 und 7. 10

Eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruches 8.

Bei dieser Vorrichtung liegt die Interferogrammebene, in der das Speck- '^le-Muster entsteht abbildungsmäßig konjugiert zur Oberfläche des Meßob¬ jektes. Es kann vorteilhaft sein die Meßblende nicht direkt in der In- terferogrammebene anzuordnen, sondern etwas defokussiert, d.h. außerhalb dieser Ebene. In diesem Fall trägt ein größerer Ober lächenbereich zu dem durch die Meßblende tretenden Licht bei. Die Phasendifferenz-Messung 0ergibt dann eine über diesen Oberflächenbereich des Meßobjekts gemittel- te Profilhöhe. Damit wird das Meßverfahren relativ unempfindlich gegen¬ über Defokussierungen, so daß z.B. bei einer gekrümmten Objektober lache nicht ständig nachfokussiert werden muß.

5Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Vermessung rauher Oberflächen im Maschinenbau mit interfero etrischer Genauigkeit. Dieses Verfahren läßt sich auch zum hochgenauen Antasten von beliebigen Oberflächen verwenden. Dies ist gegenüber dem Stand der Antasttechnik mit mechanischer Antastung von Vorteil insbesondere bei weichen Materia- 01ien oder wenn die Antastung sehr schnell erfolgen soll.

Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht es beispielsweise nicht polierte optische Oberflächen mit demselben Gerät zu messen wie polierte Oberflächen. Da bei der Herstellung jeder optischen Oberfläche diese vor 5 dem Polieren eine mikroskopische Rauhigkeit aufweist, ist ein solches Verfahren von besonderer Bedeutung für die optische Technologie. Es ist ferner auch ein wichtiger Schritt für ein automatisiertes Verfahren zur

Herstellung unterschiedlich geformter optischer Oberflächen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1—4 der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein zur Erläuterung des Meßprinzips dienendes Ausführungsbei¬ spiel einer Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel dieser Vorrichtung;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung, das zur Messung des Profils einer Oberfläche dient;

Fig. 4 das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel in der Anwendung zur _ Profilmessung an einer großen, gekrümmten Oberfläche.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Laser bezeichnet, welcher Licht zweier unter¬ schiedlicher Wellenlängen Λ _j und Λ. _? emittiert. Das Laserlicht 2 wird mittels der Linsen 3 aufgeweitet und trifft als Parallelstrahl auf den Strahlteiler 4. Dieser teilt das Laserlicht 2 in einen Referenzstrahlen¬ gang 6 und in einen Meßstrahlengang 9. Der Meßstrahlengang 9 trifft auf die zu vermessende Oberfläche des Objektes 8. Der Referenzstrahlengang 6 trifft auf die ebene Referenzfläche 5, welche beispielsweise als Spiegel ausgebildet ist. Das von den Flächen 5 und 8 reflektierte Licht wird im Strahlteiler 4 vereinigt und mit Hilfe einer Linse 10 in die Interfero- grammebene 11 fokussiert, welche zur Referenzebene 5 konjugiert ist.

Bei den beim erfindungsgemäßen Verfahren zu vermessenden rauhen Ober¬ flächen tritt in der Interferogrammebene 11 kein übliches Interferogrcmm sondern ein Speckle-Muster auf. In der Interferogrammebene 11 sind zwei Meßblenden 21a und 21b angeordnet, deren Durchmesser jeweils kleiner ist als ein mittlerer Speckle-Durchmesser s, der etwa von der Größe s = Λ ist.

Bei der Vorrichtung der Figur 1 ist zwischen dem Strahlteuer 4 und er Referenzfläche 5 eine Einrichtung 7 angeordnet, welche die Frequenz der beiden Wellenlängen im Referenzbündel 6 in ihrer Frequenz gegenüber dem

Meßbündel 9 um die sogenannte Heterodyne requenz verschiebt. Es gibt viele geeignete aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Fre¬ quenzverschiebung, wobei eines dieser Verfahren auch schon in dem zi¬ tierten Aufsatz aus Appl.Optics, Vol. 18, Nr. 11, 1979, S. 1797/1803 bekannt ist. Die zu messende Phase findet sich dann in dem Signal mit der Hetereodynefrequenz, so daß die Messung vereinfacht wird.

Das durch die Meßblenden 21a und 21b tretende Licht fällt auf zwei di- chromatische Strahlenteilerwürfel 22a, 22b, welche das Licht in die ' ^u beiden Wellenlängenkomponenten aufteilt. Licht der ersten Wellenlänge ^' Λ ι fällt beispielsweise auf die beiden Empfänger 23a und 23b, während Licht der zweiten Wellenlänge Λ2 auf die beiden Empfänger 24a und 24b trifft.

θas Detektorsystem 12, bestehend aus dem Strahlenteiler 22b und den beiden Empfängern 23b und 24b ist stationär und liefert die Referenzsig¬ nale SIR und S2R. Das Detektorsystem 13 bestehend aus dem Strahlenteiler 22a und den beiden Empfängern 23a und 24a ist beweglich und tastet zu¬ sammen mit der Meßblende 21a die Interferogrammebene ab. Dabei liefern 0die beiden Empfänger die Meßsignale S IM und S2M. Die von den beiden Detektorsystemen 12 und 13 gelieferten Signale werden jeweils einem Lock-In-Verstärker zugeführt und gelangen von dort aus zu einem Rechner, welcher das eigentliche Meßsignal ermittelt und anzeigt. Der Übersicht¬ lichkeithalber sind in Fig. 1 die jeweiligen Verstärker und Rechner 5nicht gezeichnet; ihre Anordnung ist jedoch dieselbe wie die des Ver¬ stärkers 25 und des Rechners 26 in der Darstellung der Fig. 2.

Da bei der Vorrichtung der Fig. 1 in der Interferogrammebene 11 kein übliches Interferogramm entsteht, sondern ein Speckle-Muster, erfolgt die Messung mit Hilfe von Laser-Speckle-Paaren, bestehend aus je einer Laser-Speckle der Wellenlänge Λ. _] und Λo- Zur eigentlichen Messung werden jeweils nur am selben Ort auf der Oberfläche des Objektes 8 auf¬ tretende Speckle-Paare zur Bestimmung des Meßsignals benutzt. Zur Aus¬ wahl der Laser-Speckle Paare dienen die beiden Meßblenden 21a und 21b, deren Durchmesser d kleiner ist als ein mittlerer Speckle-Durchmesser s. Es werden nur Meßdaten aus solchen Punkten aufgenommen, in welchen für beide Wellenlängen Λ _] und Λ2 eine helle Laser-Speckle vorliegt. Ist

O PI

diese Bedingung nicht erfül lt , so erfolgt keine Messung . Der den Empfän¬ gern 23, 24 nachgeschaltete Lock-In-Verstärker liefert, wenn man ihm in dem für das vorl iegende Problem geeigneten Phasen Meßmodus betreibt und von selbst ein Warnsignal wenn keine helle Laser-Speckle auf den Meß- blenden liegt.

Zur eigentlichen Messung wird zunächst die Phasendifferenz Δf der Re¬ ferenzsignale SIR und S2R bestimmt und zwar als Differenz der Phasen 1 und T 2 der Interferogramme von 711 und Λ2 in dem von der Meßblende 21b erfaßten Laser-Speckle des Referenzpunktes. Der Meßpunkt wird durch die Meßblende 21a festgelegt, die bei ihrer Bewegung in der Interferogramm¬ ebene 11 praktisch die Oberfläche des Objektes 8 abtastet. Die Phasen im jeweiligen Meßpunkt sind damit durch die folgenden Gleichungen definiert

- V , . *, ♦ .$-. . h ^{• A} l

wobei h die zusätzliche Wegdifferenz zwischen Objektlicht und Referenz- licht im jeweiligen Meßpunkt ist und zwar verglichen mit der Wegdiffe¬ renz im Referenzpunkt, h beschreibt damit das Oberflächenprofil des Meßobjektes nachbezogen auf den Referenzspiegel 5. Durch Auswertung der Signale S1M und S2M wird die Differenz AV = Υ _] - Ψ _? ^c ' ^er Inter fero- grammphasen im Meßpύnkt bestimmt. Für ergibt sich damit:

Δ Ψ= Δ ? + 2fr- T ΓT ^• h

Aus dieser Gleichung läßt sich im Rechner 26 die Profilhöhe h eindeutig bestimmen solange zwischen benachbarten Punkten H nicht größer als l ^• ^2 1 ₂ - ]! ist. Ist h größer, so bleibt diese Profilhöhe bis auf das Vielfache ,*^s letzterwähnten Ausdruckes unbestimmt.

Durch Wahl der Weilenlängen λ^ und Λo kann man das Verfahren den zu erwartenden Unebenheiten der Oberfläche des Meßobjektes 8 anpassen.

OMPI

Das im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebene Meßver fahren mit zwei Wel ¬ lenlängen l iefert bei der Abtastung rauher Oberflächen solange sinnvolle Werte für das Oberflächenprof il h des Meßob j ektes 8 , so lange Δty ^{s ic n} von Abtastpunkt zu Abtastpunkt um wen iger als i fr' ändert . Der Grund hierfür ist bis au f das Viel fache von 2 π meßbar ist . Durch Hinzunahme einer weiteren Wellenläng e Λ g läßt sich der Meßbereich des Ver fahrens nac h großen Prof il höhendifferenzen zwischen den Abtastpunkten sehr ef¬ fek tiv erweitern . Für die dr itte Wellenlänge λ. 3 sollte folgende Bezie¬ hung gelten :

!λ ₃ - λ l |λ ₂ - Λ-,I

Falls erforderlich können noch weitere zusätzliche Wellenlängen in ge¬ eigneten Kombinationen benutzt werden und zwar entsprechend der jeweils vorliegenden Meßaufgabe. Dabei ist es zur Vereinfachung der Justierung und des. Meßvorganges erforderlich, daß jeweils mindestens eine Wellen¬ länge im sichtbaren Spektralbereich liegt.

Die Vorrichtung nach Figur 1 liefert, wie unschwer zu erkennen ist, nur sehr schwache Meßsignale, da die gesamte Oberfläche des Meßobjektes 8 mit dem Meßstrahl 9 beleuchtet wird. Die Figur 1 dient, wie schon ein¬ gangs gesagt in erster Linie dazu das Meßprinzip zu erläutern.

Bei der Vorrichtung nach Figur 2 ist das Linsensystem 3 so ausgebildet, daß der Laserstrahl 2 auf einen Punkt der Oberfläche des Meßobjektes 8 fokussiert wird. Dieser Punkt stellt den jeweiligen Meßpunkt dar. Zwi¬ schen dem Strahlteiler 4 und der Meßblende 21 ist eine Linse 14 angeord¬ net, welche das vom Referenzspiegel 5 und von der Objektoberfläche 8 reflektierte Licht in die Meßblende 21 abbildet. Diese Meßblende ist stationär, während das Objekt 8 zur Messung des Oberflächenpro ils in Richtung des Doppelpfeils bewegt wird.

Die dargestellte Vorrichtung eignet sich neben der Messung von Oberflä¬ chenprofilen auch zur Antastung von beliebigen Oberflächen, d.h. zur Feststellung der Position der Oberfläche eines Objektes 8 auf der op¬ tischen Achse 15 der Vorrichtung.

O PI _

Da man sich meist nur für den Verlauf des Oberflächenprofils relativ zur einer Referenzfläche interessiert und da die Phasendifferenz ΔT" im Re¬ ferenzpunkt konstant bleibt, kann man die Messung im Referenzpunkt und damit die Detektorgruppe 12 in der Figur 1 auch weglassen. Dies ist im Ausführungsbeispiel der Figur 2 geschehen.

Das durch die Meßblende 21 durchtretende Licht wird durch den Strahlen¬ teiler 22 in Licht der beiden verwendeten Wellenlängen aufgespalten, wobei das Licht der einzelnen Wellenlängen auf die beiden Empfänger 23 '"und 24 trifft. Das von diesen erzeugte Signal wird einem Lock-In-Ver- stärker 25 zugeführt, welcher die Phasendifferenz Ψmißt. Dieses Signal wird im Rechner 26 zum eigentlichen Meßsignal erarbeitet.

Bei der Vorrichtung nach Figur 2 ist die zweite Detektorgruppe 13 weg- 5gelassen, so daß der Verlauf des Oberflächenprofils des Objektes 8 re¬ lativ zu einer Referenzfläche gemessen wird. Wenn man Oberflächen mißt, die beispielsweise während der Bearbeitung in den spiegelnd reflektie¬ renden Zustand kommen, kann es sinnvoll sein mindestens einen der Em¬ pfänger der Detektorgruppe 12 beizubehalten, weil man in diesem Fall mit 0 e bekannten Heterodyne-Interferometrie mit derselben Vorrichtung und mit sehr hoher interferometrischer Meßgenauigkeit weitermessen kann.

Wie schon vorstehend erwähnt liegt die Interferogrammebene 11, in wel¬ cher die Meßblende 21 angeordnet ist zur Oberfläche des Meßobjektes 8 5ab ildungsmäßig konjugiert. Für bestimmte Anwendungsfälle kann man die Meßblende 21 etwas außerhalb der Interferogrammebene 11 anordnen. Dann trägt ein größerer Oberflächenbereich des Meßobjektes 8 zu dem von der Meßblende 21 registrierten Licht bei. Die Phasenmessung ergibt dann eine über diesen Oberflächenbereich des Meßobjektes 8 gemittelte Profilhöhe 0h. Dadurch wird das beschriebene Meßverfahren relativ unemp indlich gegenüber Defokussierung, so daß beispielsweise bei gekrümmten Objekt¬ oberflächen nicht ständig nachfokussiert werden muß. Andererseits kann eine solche Mittelung bei abbildungsmäßig defokussierter Abtastung für spezielle Fragestellungen von Interesse sein. 5

Gegenüber der Vorrichtung nach Figur 1 erhält man schon eine wesentliche Verbesserung der Energieausbeute dadurch, daß man das Strahlaufweitungs-

_S ystem 3 wegläßt. Dieser Fall ist in Figur 2 gestrichelt eingezeichnet. Hier beleuchtet der unaufgeweitete Laserstrahl 2' das Meßobjekt 8.

Bei größeren Objekten 8 kann eine präzise Verschiebung dieser gegenüber 5der Meßvorrichtung problematisch werden. In solchen Fällen ist die Vor¬ richtung nach Figur 3 eine sinnvolle Alternative. Hier wird ein kleine¬ rer Strahlenteiler 16 benützt, der gemeinsam mit der Heterodγne-Einrich- tung 7, dem Referenzspiegel 5 und einer fokussierenden Linse 17 die zweidimensionale Abtastbewegung ausführt, welche in der Zeichenebene und ^υ senkrecht zu dieser verlaufen kann. Das Objekt 8 selbst bleibt entweder ortsfest oder kann makroskopisch der Oberfläche nachfokussiert werden. Eine Linse 18 fokussiert das Meßlicht auf die Meßblende 21 des Detektor¬ systems 13. Da der Durchmesser der Linse 17 deutlich kleiner ist als jener des Objektivs des Strahlaufweitungssystems 3 tritt hier gegenüber der Vorrichtung nach Figur 2 zwar ein Energieverlust auf; dieser ist aber bedeutend geringer als bei der Vorrichtung nach Figur 1.

Zur Messung von Oberflächen, deren Ausdehnung größer ist als der Abtast¬ bereich kann auch ein verkleinertes und im entgegengesetzen Fall ein vergrößertes Bild der Meßobjektoberfläche abgetastet werden.

Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung welches zur Messung einer konkaven Oberfläche 20 dient, deren Ausdehnung größer ist als der Abtastbereich, welcher durch die Verschiebung der Elemente 16,17,7,5 festgelegt ist. Mit 19 ist hier eine Abbildungsoptik bezeichnet, welche ein verkleinertes reelles Bild 20' der Objektober¬ fläche 20 erzeugt. Gemessen wird dann im Effekt im Bild 20'.

Um auch makroskopisch krumme Oberflächen _, vermessen zu können, kann ent- weder das Objekt 20, die Abbildungsoptik 19 oder die fokussierende Optik 17 um bekannte Beträge in Richtung der optischen Achse 15 verschoben werden. Diese Verschiebungsrichtung ist in Figur 4 durch den Doppelpfeil unterhalb des Meßobjektes 20 angedeutet.

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