DD300046A7 - Projection interferometer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Projektions-Interferometer zur Pruefung der Oberflaechenform, insbesondere zur Messung der Welligkeit von Oberflaechen in einem Profilschnitt. Erfindungsgemaesz besteht bei einer Meszanordnung mit einem Fizeau-Interferometer dieses aus einem Dreiecksprisma, dessen dritte Flaeche zur anamorphotischen Vergroeszerung des Strahlenbuendels benutzt wird. Einer teildurchlaessigen Flaeche als Teilerflaeche des Dreiecksprismas ist eine Flaeche eines Planspiegels zugeordnet, die unter einem kleinen spitzen Winkel zur Teilerflaeche des Dreiecksprismas angeordnet ist. Der Pruefling ist gegenueber dem Dreiecksprisma so angeordnet, dasz die durch diese Anordnung entstehenden Austrittsstrahlenbuendel unter einem groszen Einfallswinkel auf den Pruefling fallen. Dadurch wird es moeglich, lichtstreuende technische Flaechen, wie z. B. keramische, gedrehte und geschliffene Metalloberflaechen interferometrisch zu pruefen.The invention relates to a projection interferometer for testing the surface shape, in particular for measuring the waviness of surfaces in a profile section. According to the invention, in a Fizeau interferometer measuring system, it consists of a triangular prism whose third surface is used for anamorphic magnification of the beam. A partially permeable surface as the splitter surface of the triangular prism is assigned an area of a plane mirror which is arranged at a small acute angle to the splitter surface of the triangular prism. The test piece is placed opposite to the triangular prism so that the exit beam coils resulting from this arrangement fall onto the test piece at a large angle of incidence. This makes it possible, light-scattering technical surfaces, such. B. ceramic, turned and ground metal surfaces to check interferometrically.

Description

Interferometer einerseits aus einem Dreiecksprisma besteht, dessen dritte Fläche zur anamorphotischen Vergrößerung des Strahlenbündels benutzt wird, daß andererseits einer teildurchlässigen Fläche als Teilerfläche des Dreiecksprismas eine Fläche eines Planspiegels zugeordnet ist, die unter einem kleinen spitzen Winkel zur Teilerfläche des Dreiecksprismas angeordnet ist, und daß der Prüfling gegenüber dem Dreiecksprisma so angeordnet ist, daß die durch diese Anordnung entstehenden Austrittsstrahlenbündel unter einem großen Einfallswinkel auf den Prüfling fallen. Es ist zweckmäßig, daß dieser Winkel größer als 80 Grad ist und der kleine spitze Winkel kleiner als 5 Grad Ist.Interferometer on the one hand consists of a triangular prism, the third surface is used for anamorphic magnification of the beam, on the other hand, a semitransparent surface as splitter surface of the triangular prism is assigned a surface of a plane mirror, which is arranged at a small acute angle to the splitter surface of the triangular prism, and that Test object is arranged with respect to the triangular prism so that the emerging by this arrangement exit beam fall at a large angle of incidence on the specimen. It is appropriate that this angle is greater than 80 degrees and the small acute angle is less than 5 degrees.

Bei dieser Anordnung entsteht aus dem Eingangsstrahlenbündel ein erstes Teilstrahlenbündel und ein zweites Teilstrahlenbündel, das nach dem Durchtritt durch die Teilerfläche an der Planspiegelfläche reflektiert wird, durch die nichtsenkrechte Reflexion einen Lateralshear erfährt und mit einem durch den kleinen Winkel veränderten Einfaltwinkel anamorphotisch verkleinert wieder in das Dreiecksprisma eintritt. Das erste Teilstrahlenbündel und das reflektierte zweite Teilstrahlenbündel breiten sich nun unter einem Winkel so aus, daß sich die Bündelachsen näherungsweise auf der Prüflingsoberfläche treffen und das anamorphotisch etwas verkleinerte zweite Teilstrahlenbündel auf der Prüflingsoberfläche durch das flachare Auftreffen als das erste Teilstrahlenbündel stärker gedehnt wird, so daß zwischen dem ersten und dem zweiten reflektierten Teilstrahlenbündel die Vergrößerungsshear minimiert wird. Dadurch minimieren sich die Meßfehler, und die Teilstrahlenbündel werden optimal für die Messung genutzt, so daß sich für die optischen Elemente insbesondere bei großen Prüflingsabmessungen ein minimales Volumen ergibt.In this arrangement, a first partial beam and a second partial beam, which is reflected by the splitter surface after passing through the splitter surface on the plane, through the non-perpendicular reflection undergoes a lateralshear and anamorphic reduced with an angle changed by the small angle back into the triangular prism entry. The first partial beam and the reflected second partial beam now propagate at an angle such that the beam axes approximately meet on the specimen surface and the anamorphic slightly reduced second partial beam on the Prüflingsoberfläche is stretched by the flachar impact as the first partial beam stronger, so that between the first and second reflected partial beams, the magnifying arm is minimized. This minimizes the measurement errors, and the partial beams are optimally used for the measurement, so that there is a minimum volume for the optical elements, especially for large Prüflingsabmessungen.

Die Auswertung der projizieren Interferenzstrelfen kann nach einer Streifenauswerte-Methode rechnergestützt erfolgen. Das führt insgesamt zu einer kostengünstigen Anordnung. Andererseits ist es aber zur Erhöhung der Meßgenauigkeit und des Meßbereiches auch möglich, den Planspiegel mit einem Piezosteller zu koppeln und das Phase-Sampling-Verfahren anzuwenden. Auch ist es möglich, mit einem durchstimmbaren Halbleiterlaser die Phase bei Vorhandensein eines hinreichend großen optischen Gangunierschiedes so zu verstellen, daß das o.g. Verfahren anwendbar Ist.The evaluation of the projected interference restraints can be computer-aided according to a strip evaluation method. Overall, this leads to a cost-effective arrangement. On the other hand, it is also possible to increase the measurement accuracy and the measuring range, to couple the plane mirror with a piezoelectric actuator and to apply the phase-sampling method. It is also possible with a tunable semiconductor laser to adjust the phase in the presence of a sufficiently large optical Gangunierschiedes so that the o.g. Method applicable.

Bei dieser Anordnung wird also das Strahlenbündel an der Eintrittsfläche des Dreiecksprismas zunächst anamorphotisch aufgeweitet und infolge des sehr flachen Lichteinfalls auf den Prüfling kann dieser eine sehr viel größere Fläche haben als sie der Querschnitt des Strahlenbündels hat.In this arrangement, therefore, the beam at the entrance surface of the triangular prism is first anamorphic widened and due to the very low light incidence on the specimen this may have a much larger area than it has the cross section of the beam.

Zusätzlich kann dem Dreiecksprisma ein weiterer Prismenanamorphot vorgeordnet sein, der so angeordnet ist, daß der Strah! der Lichtquelle in einen aufgeweiteten und in einen nichtaufgeweiteten Strahl aufgeteilt wird, wobei der Prismenanamorph so angeordnet ist, daß der nichtaufgeweitete Strahl schräg und direkt auf den Prüfling fällt. Mit dieser zusätzlichen Anordnung ist es möglich, die Tiefenlage des Prüflings zu ermitteln.Additionally, the prism of the triangle may be preceded by another prismatic anamorph which is arranged so that the ray! the light source is divided into an expanded and a non-expanded beam, wherein the prism anamorph is arranged so that the unexpanded beam obliquely and directly on the device under test falls. With this additional arrangement, it is possible to determine the depth of the specimen.

Ausführungsbeispielembodiment Die Erfindung soll In einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung erläutert werden. Es zeigenThe invention will be explained in an embodiment with reference to a drawing. Show it

Fig. 1: den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Projektionsinterferometers Fig.2: den Strahlengang im Fizeau-Interferometer im Detail.Fig. 1: the basic structure of the projection interferometer according to the invention Fig.2: the beam path in the Fizeau interferometer in detail.

Die Anordnung besteht aus einem Laser 1, vorzugsweise ht das ein Halbleiterlaser, aus einem Prismenanamorphot 2, sowie einem Prismenanamorph 3 mit einer Teilerfläche 11, der nin Planspiegel 4 zugeordnet ist. Diesen Baugruppen folgen Im Strahlengang der Prüfling 5, zwei Umlenkspiegel β, 7, ein Objektiv 8 und eine CCD-Zeilenkamera 9.The arrangement consists of a laser 1, preferably a semiconductor laser, consisting of a prismanamorphoto 2, and a prismanamorph 3 with a splitter surface 11, which is assigned to the plane mirror 4. These assemblies are followed in the beam path of the specimen 5, two deflecting mirrors β, 7, an objective 8 and a CCD line scan camera 9.

Das Laserlicht trifft zunächst auf den Prismenanamorphot 2, wo der Strahl in einen aufgeweiteten und einen nichtaufgeweiteten Strahl aufgeteilt wird. Der nicht aufgeweitete Strahl wird von einer Fläche des Prismenanamorphots direkt auf den Prüfling geleitet. Der aufgeweitete Strahl wird auf den zweiten Prismenanamorphot 3 gelenkt. Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, entsteht aus dem dort einfallenden Strahl an der Eingangsfläche 10 zunächst ein anamorphotisch aufgeweitetes Strahlenbündel, aus dem anschließend ein erstes Teilstrahlonbündel A und ein zweites Teilstrahlenbündel B abgeleitet werden. Dabei entsteht das erste Teilstrahlenbündel durch Reflexion an der Teilerfläche 11 während ein Teil des Strahlenbündels durch die Teilerfläche 11 hindurchtritt und am Planspiegel 4 reflektiert wird. Durch die nichtsenkrechte Reflexion erfährt dieses Teilstrahlenbündel eine Lateralshear und tritt mit einem durch den kleinen Winkel veränderten Einfallswinkel anamorphotisch verkleinert wieder in das Dreiecksprisma 3 ein. Das erste Teilstrahlenbündel und das am Planspiegel 4 reflektierte zweite Teilstrahlenbündel breiten sich nun unter einem Winkel so aus, daß sich die Bündelachsen der Teilstrahlenbündel A und B näherungsweise auf der Oberfläche des Prüflings 6 treffen. Dabei wird das anamorphotisch verkleinerte zweite Teilstrahlenbündel B wegen des gegenüber dem ersten Teilstrahlenbündel A flacheren Auftreffens auf der Oberfläche des Prüflings 5 stärker gedehnt, so daß zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstrahlenbündel die Vergrößerungsshear minimiert wird.The laser light first strikes the prismatic anamorphot 2, where the beam is split into an expanded and a non-expanded beam. The unexpanded beam is directed from one face of the prismatic anamorph directly to the device under test. The expanded beam is directed onto the second prismanamorphot 3. As can be seen from FIG. 2, from the beam incident there on the input surface 10, an anamorphic beam is first formed, from which subsequently a first partial beam bundle A and a second partial beam B are derived. In this case, the first partial beam is formed by reflection at the splitter surface 11 while a part of the beam passes through the splitter surface 11 and is reflected on the plane mirror 4. Due to the non-perpendicular reflection of this partial beam undergoes a Lateralshear and occurs with an angle of incidence changed by the small angle anamorphic reduced again in the triangular prism 3 a. The first partial beam and the second partial beam reflected on the plane mirror 4 now propagate at an angle such that the beam axes of the partial beams A and B approximately meet on the surface of the specimen 6. In this case, the anamorphotically reduced second partial beam B is stretched more extensively on the surface of the specimen 5 because of the flatter contact with the first partial beam A, so that the magnification power is minimized between the first and second partial beams.

Das von der Oberfläche des Prüflings 6 reflektierte Strahlenbündel wird über Umlenkspiegel 6,7 und über tin Objektiv 8 zur Auswertung auf eine Zeilenkamera 9 gelenkt. Die Auswertung erfolgt in an sich bekannter Weise.The beam reflected from the surface of the specimen 6 is deflected via deflecting mirror 6, 7 and via lens 8 for evaluation to a line scan camera 9. The evaluation is carried out in a conventional manner.

Claims (4)

1. Projektions-Interferometer mit einem Fizeau-Interferometer, dadurch gekennzeichnet, daß das
Fizeau-Interferometer einerseits aus einem Dreiecksprisma (3) besteht, dessen dritte Fläche (10) zur anamorphotischen Vergrößerung des Strahlenbündel benutzt wird, daß andererseits einer
teildurchlässigen Fläche (11) als Teilerfläche des Dreiecksprismas (3) eine Fläche eines
Planspingels (4) zugeordnet ist, die unter einem kleinen spitzen Winkel zur Teilerfläche des
Dreiecksprismas (3) angeordnet ist, und daß der Prüfling (5) gegenüber dem Dreiecksprisma (3) so angeordnet ist, daß die durch diese Anordnung entstehenden Austrittsstrahlenbündel (A, B) unter einem großen Einfallswinkel auf den Prüfling (5) fallen.1. projection interferometer with a Fizeau interferometer, characterized in that the
Fizeau interferometer on the one hand from a triangular prism (3), the third surface (10) is used for anamorphic magnification of the beam, on the other hand, a
Partly transparent surface (11) as a splitter surface of the triangular prism (3) a surface of a
Plane Sping (4) is assigned, which at a small acute angle to the splitter surface of the
Triangular prisms (3) is arranged, and that the test piece (5) relative to the triangular prism (3) is arranged so that the resulting by this arrangement exit beam (A, B) at a large angle of incidence on the specimen (5) fall. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kleine spitze Winkel zwischen der Teilerfläche (11) und der zugeordneten Fläche des Planspiegels (4) kleiner als 5 Grad ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the small acute angle between the splitter surface (11) and the associated surface of the plane mirror (4) is smaller than 5 degrees. 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den
Austrittsstrahlenbündeln (A, B) und dem Prüfling (5) größer als SO Grad ist.3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the angle between the
Exit beams (A, B) and the specimen (5) is greater than SO degrees. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Dreiecksprisma (3) ein
weiterer Prismenanamorphot (2) vorgeordnet ist, der so angeordnet ist, daß der Strahl der
Lichtquelle (1) in einon aufgeweiteten und einen nichtaufgeweiteten Strahl aufgeteilt wird und der nichtaufgeweitete Strahl schräg und direkt auf den Prüfling (5) fällt.4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the triangular prism (3) a
preceded by a further prismatic anamorph (2) arranged so that the beam of the
Light source (1) is split into a widened and a non-widened beam and the unexpanded beam obliquely and directly on the specimen (5) falls. Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung bezieht sich auf die Prüfung der Oberflächenform, insbesondere auf die Messung der Welligkoit von Oberflächen in einem Profilschnitt.The invention relates to the examination of the surface shape, in particular to the measurement of the waviness of surfaces in a profile section. Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art Aus der DD-PS 275105 ist eine Anordnung zur Prüfung der Oberflächenform in einem Profilschnitt einer großen
Werkstückoberfläche bekannt. Bei dieser Anordnung mit einer Laserlichtquelle, einem teleskopischen Bündelquerschnitts-Wandler, zwei keilförmigen Spiegelprismen, einem Meßprisma mit einer Strahleintritts·, einer Strahlaustritts- und einer
Referenzfläche, einem Teleskop mit Spaltblende und einem Bildwandler sowie einer Prüflingsoberfläche, die der Referenzfläche des Meßprismas gegenüberliegt, ist dem teleskopischen Bündelquerschnitts-Wandler ein anamorphotischer
Bündelquerschnitts-Wandler nachgeordnet, dem in Lichtrichtung ein dreieckförmiges erstes Spiegelprisma mit drei optisch
aktiven Flächen folgt, wobei die Strahleintrittsfläche des Spiegelprismas dem anamorphotischen Bündelquerschnitts-Wandler gegenübersteht, dem ersten Spiegelprisma ein gleichartiges zweites Spiegelprisma symmetrisch so gegenübersteht, daß sich beido Spiegelprismen in einer Linie berühren und mit ihren Innenflächen zueinander einon spitzen Winkel bilden und das
Meßprisma so überdecken, daß sie das Meßprisma linienförmig berühren und die innenliegenden Flächen der Spiegelprismen Strahldurchtrittsflächen sind und die Spiegelflächen bei beiden Spiagelprismen außen liegen.From DD-PS 275105 an arrangement for testing the surface shape in a profile section of a large
Workpiece surface known. In this arrangement with a laser light source, a telescopic beam cross-section transducer, two wedge-shaped mirror prisms, a measuring prism with a jet entrance ·, a Strahlaustritts- and a
Reference surface, a telescope with slit and an image converter and a Prüflingsoberfläche, which is opposite to the reference surface of the measuring prism, the telescopic beam cross-section converter is an anamorphic
Bundle cross-section converter downstream of the in the light direction, a triangular first mirror prism with three optical
active surfaces follows, wherein the beam entrance surface of the mirror prism faces the anamorphic beam cross-section converter, the first mirror prism symmetrically faces a similar second mirror prism that beido mirror prisms in a line and form with their inner surfaces each other einon acute angle and the
Cover measuring prism so that they touch the measuring prism line-shaped and the inner surfaces of the mirror prisms are beam passing surfaces and the mirror surfaces are outside of both Spiagelprismen. Diese interferometrische Anordnung hat den Nachteil, daß sie trotz der erreichten Vereinfachungen immer noch'zu aufwendig ist und auch nur für kleine Verformungen im Bereich bis zu 200pm einsetzbar ist, d. h., es sind im wesentlichen nur Flächen mit
hoher Qualität prüfbar, die häufig technische Flächen nicht haben. Die Mehrzahl der technischen Flächen sind vielmehr
lichtstreuend.This interferometric arrangement has the disadvantage that, despite the simplifications achieved, it is still too expensive and can also be used only for small deformations in the range of up to 200 .mu.m, ie essentially only surfaces with
high quality testable, which often do not have technical surfaces. The majority of technical surfaces are rather
light-scattering. In der Zeitscht 'ft .Technisches Messen", H. 6/1987, S. 229, wird eine relativ einfache Anordnung beschrieben, bei der ein
Streifenmuster auf das MeSobjekt projiziert wird. Das Streifenmuster wird interferometrisch mit Hilfe einer Michelson-Anordnung erzeu(t. Diese Anordnung ist einfach im Aufbau, ist aber insbesondere für stärker verformte Flächen im Bereich
zwischen einem und einigen Millimetern anwendbar. Mit dieser Anordnung können lichtstreuende technische Flächen geprüft werden, wobei aber nur eine geringe Höhenauflösung und ein kleines Meßfeld zu erreichen sind.
Außerdem treten bei dieser Anordnung in der Meßobjektebene durch die Neigung der beiden interferierenden Bündel
zueinander eine Lateralshear und auch noch Vergrößerungsshear auf, welche zum einen große optische Bauelemente
erforderlich machen und die Meßgenauigkeit verringern können.In the Zeitscht'Technisches Messen ", H. 6/1987, p. 229, a relatively simple arrangement is described in which a
Strip pattern is projected onto the measurement object. The fringe pattern is generated interferometrically by means of a Michelson arrangement This arrangement is simple in construction, but is especially in the area of more deformed areas
between one and a few millimeters. With this arrangement, light scattering technical surfaces can be tested, but only a small height resolution and a small measuring field can be achieved.
In addition, in this arrangement, in the object plane, the inclination of the two interfering beams occurs
to each other a lateralshear and even magnification on which, on the one hand, large optical components
make necessary and can reduce the accuracy of measurement. Ziel der ErfindungObject of the invention Ziel der Erfindung ist es, große lichtstreuende technische Flächen berührungslos mit vergleichsweise großer Höhen- und
Lateralauflösung zu prüfen.The aim of the invention is to large light-scattering technical surfaces without contact with relatively high altitude and
To examine lateral resolution. Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, lichtstreuende technische Flächen, wie z. B. keramische, gedrehte und geschliffene Metalloberflächen iriterferometrisch zu prüfen, bei weiterer Verringerung des technischen Aufwandes, insbesondere der Anzahl und des Volumens der optischen Bauelemsnte.
Erfindungsgemäß wird das bei einer Meßanordnung mit einem Fizeau-Interferometer dadurch erreicht, daß das Fizeau-The invention has the object of providing light-scattering technical surfaces such. B. ceramic, turned and ground metal surfaces to examine iriterferometrisch, with further reduction of the technical complexity, in particular the number and the volume of the optical Bauelemsnte.
According to the invention, this is achieved in a measuring arrangement with a Fizeau interferometer in that the fizeau