DE102020102959A1 - Surface measuring system for measuring a surface of a test object - Google Patents

Surface measuring system for measuring a surface of a test object Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Oberflächen-Messsystem zum Vermessen einer Oberfläche (38) eines Prüflings (40), mit (a) einem Topografie-Sensor (32) zum Messen einer Abstandsänderung (Δdj) vom Topografie-Sensor (32) zur Oberfläche (38) des Prüflings (40) und (b) einer Führung (34) zum geführten Bewegen des Topografie-Sensors (32), zeichnet sich dadurch aus, dass (c) ein Autokollimator (10), der (i) einen Spiegel (14) aufweist, der relativ zum Topografie-Sensor (32) befestigt ist, (ii) ausgebildet ist zum Abgeben eines Ausgangs-Lichtstrahls (20) und (iii) angeordnet ist zum Messen eines Kippwinkels (α) des Topografie-Sensors (32). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass (iv) der Spiegel (14) ausgebildet ist zum Reflektieren von zumindest zwei diskreten Teil-Lichtstrahlen (30.1, 30.2) unter unterschiedlichen Reflexionswinkeln (ρ1, ρ2) beim Bestrahlen mit dem Lichtstrahl (20).The invention relates to a surface measuring system for measuring a surface (38) of a test object (40), with (a) a topography sensor (32) for measuring a change in distance (Δdj) from the topography sensor (32) to the surface (38) of the test object (40) and (b) a guide (34) for the guided movement of the topography sensor (32), characterized in that (c) an autocollimator (10) which (i) has a mirror (14) , which is fixed relative to the topography sensor (32), (ii) is designed to emit an output light beam (20) and (iii) is arranged to measure a tilt angle (α) of the topography sensor (32). According to the invention it is provided that (iv) the mirror (14) is designed to reflect at least two discrete partial light beams (30.1, 30.2) at different reflection angles (ρ1, ρ2) when irradiated with the light beam (20).

Description

Die Erfindung betrifft ein Oberflächen-Messsystem zum Vermessen einer Oberfläche eines Prüflings, mit (a) einem Topografie-Sensor, insbesondere einer Interferometereinheit, zum Messen einer Abstandsänderung von dem Topografie-Sensor zur Oberfläche des Prüflings und (b) einer Führung zum Bewegen des Topografie-Sensors. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche eines Prüflings.The invention relates to a surface measuring system for measuring a surface of a test piece, with (a) a topography sensor, in particular an interferometer unit, for measuring a change in distance from the topography sensor to the surface of the test piece and (b) a guide for moving the topography -Sensors. According to a second aspect, the invention relates to a method for measuring a surface of a test object.

Es ist bekannt, die Topografie der Oberfläche eines glatten Prüflings dadurch zu messen, dass ein Topografie-Sensor mittels einer Führung entlang der Oberfläche des Prüflings bewegt wird. Wird eine Interferometereinheit verwendet, dient die Oberfläche als Spiegel, die das Licht von der Interferometereinheit reflektiert. Für jede Position kann damit der Abstand zwischen der Oberfläche des Prüflings und dem Topografie-Sensor bestimmt werden. Aus einer Vielzahl derartiger Messungen wird dann die Topografie der Oberfläche rekonstruiert.It is known to measure the topography of the surface of a smooth test piece by moving a topography sensor along the surface of the test piece by means of a guide. If an interferometer unit is used, the surface acts as a mirror that reflects the light from the interferometer unit. The distance between the surface of the test object and the topography sensor can be determined for each position. The topography of the surface is then reconstructed from a large number of such measurements.

Wird im Folgenden von der Interferometereinheit gesprochen, so ist stets auch allgemein ein Topografie-Sensor gemeint, sofern es nicht um für Interferometereinheiten spezifische Eigenschaften geht.If the interferometer unit is referred to in the following, a topography sensor is also always meant in general, unless properties specific to interferometer units are involved.

Ist die Oberfläche makroskopisch gekrümmt, so muss der Topografie-Sensor gekippt werden, da anderenfalls der Messbereich des Topografie-Sensors verlassen wird und/oder es zu einem Messfehler kommt. Ist der Topografie-Sensor beispielsweise eine Interferometereinheit, werden die ausgehenden Lichtstrahlen nicht mehr so zurückreflektiert, dass sie zur Interferenz gebracht werden können. Der Kippwinkel muss mit einer geringen Messunsicherheit gemessen werden, da ansonsten die Topografie nur mit einer hohen Messunsicherheit erfasst werden kann. Es hat sich als nachteilig herausgestellt, dass derartige Oberflächen-Messsysteme solche Prüflinge nur schlecht vermessen werden können, bei denen die Normalen-Vektoren auf die Oberfläche in einem zu großen Winkelintervall liegen, das beispielsweise mehr als 5° umfasst.If the surface is macroscopically curved, the topography sensor must be tilted, otherwise the measuring range of the topography sensor is left and / or a measurement error occurs. For example, if the topography sensor is an interferometer unit, the outgoing light beams are no longer reflected back in such a way that they can be caused to interfere. The tilt angle must be measured with a low measurement uncertainty, since otherwise the topography can only be recorded with a high measurement uncertainty. It has been found to be disadvantageous that such surface measuring systems can only poorly measure those test objects in which the normal vectors on the surface lie in an angular interval that is too large, for example more than 5 °.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu vermindern.The invention is based on the object of reducing disadvantages in the prior art.

Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Oberflächen-Messsystem, das einen Autokollimator aufweist, der einen Spiegel besitzt, der relativ zum Topografie-Sensor befestigt ist, der ausgebildet ist zum Abgeben eines Ausgangs-Lichtstrahls und der angeordnet ist zum Messen eines Kippwinkels des Topografie-Sensors, insbesondere der Interferometereinheit, wobei der Spiegel ausgebildet ist zum Reflektieren von zumindest zwei diskreten Teil-Lichtstrahlen unter unterschiedlichen Reflexionswinkeln beim Bestrahlen mit dem Ausgangs-Lichtstrahl. In anderen Worten ist der Spiegel multireflektierend.The invention solves the problem by means of a generic surface measuring system which has an autocollimator which has a mirror which is attached relative to the topography sensor, which is designed to emit an output light beam and which is arranged to measure a tilt angle of the topography -Sensor, in particular the interferometer unit, wherein the mirror is designed to reflect at least two discrete partial light beams at different angles of reflection when irradiated with the output light beam. In other words, the mirror is multi-reflective.

Die Erfindung löst das Problem zudem durch ein computergeneriertes Hologramm, das so ausgebildet ist, dass es beim Bestrahlen mit einem einfallenden Laserstrahl zumindest drei Ausgangs-Lichtstrahlen reflektiert, wobei ein Versatzwinkel zwischen zwei Teil-Lichtstrahlen zumindest 0,05°, insbesondere zumindest 0,1° beträgt und/oder höchstens 3°, insbesondere höchstens 1°, beträgt.The invention also solves the problem by means of a computer-generated hologram which is designed such that it reflects at least three output light beams when irradiated with an incident laser beam, with an offset angle between two partial light beams at least 0.05 °, in particular at least 0.1 ° and / or at most 3 °, in particular at most 1 °.

Die Erfindung löst das Problem zudem durch ein Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche eines Prüflings mit den Schritten (a) Messen einer Abstandsänderung von einem Topografie-Sensor zur Oberfläche des Prüflings mittels des Topografie-Sensors, (b) Bewegen des Topografie-Sensors mittels einer Führung und (c) Messen eines Kippwinkels des Topografie-Sensors mittels eines Autokollimators, der einen Spiegel aufweist, der relativ zum Topografie-Sensor befestigt ist. Der Spiegel ist dabei ausgebildet zum Reflektieren von zumindest zwei diskreten Teil-Lichtstrahlen unter unterschiedlichen Reflexionswinkeln beim Bestrahlen mit genau einem Lichtstrahl.The invention also solves the problem by a method for measuring a surface of a test piece with the steps (a) measuring a change in distance from a topography sensor to the surface of the test piece by means of the topography sensor, (b) moving the topography sensor by means of a guide and (c) measuring a tilt angle of the topography sensor using an autocollimator having a mirror attached relative to the topography sensor. The mirror is designed to reflect at least two discrete partial light beams at different angles of reflection when irradiated with exactly one light beam.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass ein Autokollimator nur einen begrenzten Winkelmessbereich besitzt. Im Winkelmessbereich liegen all diejenigen zum Ausgangs-Lichtstrahl gemessenen Winkel, unter denen ein Eingangs-Lichtstrahl in den Autokollimator eintreten kann, um den Kippwinkel relativ zu einem Ausgangs-Lichtstrahl zu messen.The invention is based on the consideration that an autocollimator has only a limited angular measurement range. In the angle measuring range are all those angles measured with respect to the output light beam at which an input light beam can enter the autocollimator in order to measure the tilt angle relative to an output light beam.

Der Ausgangs-Lichtstrahl wird vom Autokollimator abgestrahlt und trifft auf den Spiegel. Der Eingangs-Lichtstrahl ist der Lichtstrahl, der vom Spiegel reflektiert wird und in den Autokollimator zurückfällt. Ist der Kippwinkel zu groß, verlässt der Eingangs-Lichtstrahl den Winkelmessbereich und der Kippwinkel kann nicht mehr gemessen werden.The output light beam is emitted by the autocollimator and hits the mirror. The input light beam is the light beam that is reflected by the mirror and falls back into the autocollimator. If the tilt angle is too large, the input light beam leaves the angle measuring range and the tilt angle can no longer be measured.

Durch den Spiegel, der als multireflektierend bezeichnet werden kann, und zumindest zwei diskrete Teil-Lichtstrahlen unter unterschiedlichen Reflexionswinkeln reflektiert, wenn er genau mit einem Lichtstrahl bestrahlt wird, wird erreicht, dass stets zumindest ein Teil-Lichtstrahl im Winkelmessbereich in den Autokollimator eintritt. Auf diese Weise wird der Kippwinkelmessbereich, in dem der Kippwinkel liegen muss, um vom Autokollimator gemessen zu werden, deutlich vergrößert werden, ohne dass der Winkelmessbereich vergrößert werden muss.The mirror, which can be referred to as multi-reflective and reflects at least two discrete partial light beams at different angles of reflection when it is precisely irradiated with one light beam, ensures that at least one partial light beam always enters the autocollimator in the angle measuring range. In this way, the tilt angle measurement range, in which the tilt angle must lie in order to be measured by the autocollimator, can be significantly enlarged without the angle measurement range having to be enlarged.

Der zweite Teil-Lichtstrahl (und weitere Teil-Lichtstrahl) hat gegenüber dem ersten einen Winkelversatz, der entweder mit dem Autokollimator bestimmt werden kann, wenn beide Teil-Lichtstrahlen auf dessen Detektorkamera ankommen oder aus Vorwissen gekannt sein kann. Verschwenkt man den Spiegel, kann man mitzählen, der wievielte Teil-Lichtstrahl gerade auf dem Detektor sichtbar ist. Der Winkelversatz wird durch den Versatzwinkel gemessen.The second partial light beam (and further partial light beam) has an angular offset compared to the first, which is either with the autocollimator can be determined if both partial light beams arrive at its detector camera or can be known from prior knowledge. If you swivel the mirror, you can count how many partial light beams are currently visible on the detector. The angular offset is measured by the offset angle.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Topografie-Sensor insbesondere ein Abstandsmessgerät verstanden, mittels dem Abstandsmessdaten aufgenommen werden können, die den jeweiligen Abstand des Topografie-Sensors oder eines Punkts auf dem Topografie-Sensor, von der zu vermessenden Oberfläche angeben.In the context of the present description, the topography sensor is understood to mean, in particular, a distance measuring device by means of which distance measurement data can be recorded that indicate the respective distance of the topography sensor or a point on the topography sensor from the surface to be measured.

Der Topografie-Sensor kann beispielsweise eine Interferometereinheit, ein chromatisch-konfokaler Sensor oder ein kapazitiver Sensor sein.The topography sensor can be, for example, an interferometer unit, a chromatic confocal sensor or a capacitive sensor.

Unter der Interferometereinheit wird insbesondere eine Vorrichtung verstanden, die ausgebildet ist zum interferometrischen Messen eines Abstands zwischen der Interferometereinheit und der Oberfläche des Prüflings. Insbesondere ist die Interferometereinheit vorzugsweise so aufgebaut, dass die Oberfläche des Prüflings einen von der Interferometereinheit ausgesandten Interferometer-Messstrahl reflektiert.The interferometer unit is understood to mean, in particular, a device which is designed for interferometric measurement of a distance between the interferometer unit and the surface of the test object. In particular, the interferometer unit is preferably constructed in such a way that the surface of the test object reflects an interferometer measuring beam emitted by the interferometer unit.

Wird ein kapazitiver Sensor verwendet, ist es günstig, wenn der Prüfling eine elektrisch leitfähige Oberfläche hat.If a capacitive sensor is used, it is beneficial if the test item has an electrically conductive surface.

Unter der Führung zum Bewegen des Topografie-Sensors wird insbesondere eine Linearführung verstanden. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass die Führung eine zweidimensionale Führung ist, das heißt, dass der Topografie-Sensor in einer Ebene, also in zwei räumlichen Freiheitsgraden positioniert werden kann. Insbesondere ist es auch möglich, dass der Topografie-Sensor eine 1D-Linearführung ist. Grundsätzlich ist es möglich, dass die Führung auch eine nicht geradlinige Führung ist, in der Regel führt das aber zu einer erhöhten Messunsicherheit.The guide for moving the topography sensor is understood to mean, in particular, a linear guide. It is possible, but not necessary, for the guide to be a two-dimensional guide, that is to say that the topography sensor can be positioned in one plane, that is to say in two spatial degrees of freedom. In particular, it is also possible for the topography sensor to be a 1D linear guide. In principle, it is possible that the guide is also not a straight guide, but this usually leads to an increased measurement uncertainty.

Vorzugsweise ist der Spiegel ausgebildet zum Reflektieren von mindestens drei, insbesondere vier, besonders vorzugsweise zumindest fünf, Teil-Lichtstrahlen. Vorzugsweise ist der Spiegel ausgebildet zum Reflektieren von höchstens einhundert Teil-Lichtstrahlen. Die Winkelstufung kann auch in zwei zueinander senkrechte Richtungen ausgebildet sein. Der Spiegel kann wegen seiner Eigenschaft, bei einem einfallenden Laserstrahl mehrere Lichtstrahlen zurück zu reflektieren, als Multi-Spiegel bezeichnet werden.The mirror is preferably designed to reflect at least three, in particular four, particularly preferably at least five, partial light beams. The mirror is preferably designed to reflect at most one hundred partial light beams. The angular graduation can also be formed in two mutually perpendicular directions. The mirror can be referred to as a multi-mirror because of its property of reflecting several light beams back from an incident laser beam.

Jeder Teil-Lichtstrahl wird unter einem Reflexionswinkel reflektiert. Der Reflexionswinkel wird relativ zum auf den Spiegel fallenden Lichtstrahl, in der Regel also den Ausgangs-Lichtstrahl, gemessen.Each partial light beam is reflected at an angle of reflection. The angle of reflection is measured relative to the light beam falling on the mirror, usually the output light beam.

Zwei Teil-Lichtstrahlen bilden miteinander einen Versatzwinkel. Es sei darauf hingewiesen, dass der Versatzwinkel für jeden Teil-Lichtstrahl zu jeweils dem Teil-Lichtstrahl bestimmt wird, dessen Reflexionswinkel kleiner ist und für den sich der kleinste Versatzwinkel ergibt. In diesem Sinne wird der Versatzwinkel zwischen benachbarten Teil-Lichtstrahl gemessen.Two partial light beams form an offset angle with one another. It should be pointed out that the offset angle is determined for each partial light beam for the respective partial light beam whose reflection angle is smaller and for which the smallest offset angle results. In this sense, the offset angle between adjacent partial light beams is measured.

Es sei darauf hingewiesen, dass es sinnvoll, nicht aber notwendig ist, dass die Versatzwinkel so gemessen, definiert oder angegeben werden. Maßgeblich ist lediglich, dass die im Rahmen dieser Beschreibung angegeben Beziehungen erfüllt sind, wenn die angegebene Definition verwendet wird.It should be noted that it is useful, but not necessary, for the offset angles to be measured, defined or specified in this way. It is only important that the relationships specified in this description are fulfilled if the specified definition is used.

Unter dem Merkmal, dass die Teil-Lichtstrahlen diskret sind, wird insbesondere verstanden, dass sie vom Autokollimator als unterschiedliche Lichtstrahlen identifizierbar sind.The feature that the partial light beams are discrete is understood in particular to mean that they can be identified by the autocollimator as different light beams.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der Autokollimator einen Winkelmessbereich, der eine Winkelmessbereichsbreite hat. Vorzugsweise ist der Spiegel so ausgebildet, dass ein Versatzwinkel zwischen zwei Teil-Lichtstrahlen höchstens der Winkelmessbereichsbreite entspricht. Wird der Kippwinkel so groß, dass ein Winkel, unter dem ein Teil-Lichtstrahl in den Autokollimator einfällt, an den Rand des Winkelmessbereichs kommt, so tritt ein anderer Teil-Lichtstrahl in den Autokollimator ein. Der Kippwinkel kann dann anhand dieses zweiten Teil-Lichtstrahls gemessen werden.According to a preferred embodiment, the autocollimator has an angle measurement range which has an angle measurement range width. The mirror is preferably designed in such a way that an offset angle between two partial light beams corresponds at most to the width of the angular measurement range. If the tilt angle is so large that an angle at which a partial light beam enters the autocollimator comes to the edge of the angle measuring range, another partial light beam enters the autocollimator. The tilt angle can then be measured using this second partial light beam.

Es ist darauf hingewiesen, dass es möglich, nicht aber notwendig ist, dass stets genau zwei Teil-Lichtstrahlen von einem Detektor des Autokollimators erfasst werden. Es ist insbesondere möglich, dass - zumindest für manche Kippwinkel - drei oder sogar mehr Teil-Lichtstrahlen vom Detektor des Autokollimators erfasst werden.It should be noted that it is possible, but not necessary, that exactly two partial light beams are always detected by a detector of the autocollimator. In particular, it is possible that - at least for some tilt angles - three or even more partial light beams are detected by the detector of the autocollimator.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Spiegel ein erstes planes Spiegelelement und zumindest ein zweites planes Spiegelelement, das gegenüber dem ersten Spiegelelement verkippt ist. Ändert sich der Kippwinkel, so ändert sich das Spiegelelement, das den einfallenden Lichtstrahl reflektiert.According to a preferred embodiment, the mirror comprises a first planar mirror element and at least one second planar mirror element which is tilted with respect to the first mirror element. If the tilt angle changes, the mirror element that reflects the incident light beam changes.

Alternativ oder zusätzlich umfasst der Spiegel zumindest zwei keilförmige Reflektorelemente, die jeweils eine erste Reflektorelementfläche und eine zweite Reflektorelementfläche haben, die einen Keilwinkel beeinflussen. Dieser Keilwinkel ist vorzugsweise kleiner als die Winkelmessbereichsbreite. Alternativ oder zusätzlich ist es günstig, wenn der Keilwinkel zwischen 0,5° und 2,5° liegt.Alternatively or additionally, the mirror comprises at least two wedge-shaped reflector elements, each of which has a first reflector element surface and a second reflector element surface, which influence a wedge angle. This wedge angle is preferably smaller than the width of the angle measurement range. Alternatively or additionally, it is advantageous if the wedge angle is between 0.5 ° and 2.5 °.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Multi-Spiegel durch ein computergeneriertes Hologramm realisiert. Dieses bildet die Funktion der klassischen Keilanordnung optisch nach. Derartige Hologramme werden beispielsweise mittels eines Lasers in ein transparentes Element, insbesondere ein Glaselement, eingebracht. Vorzugsweise weist der Spiegel ein transparentes Element, insbesondere Glaselement auf, in das eine Beugungsmaske eingebracht ist, sodass das Hologramm entsteht.According to a preferred embodiment, the multi-mirror is implemented by a computer-generated hologram. This optically simulates the function of the classic wedge arrangement. Such holograms are introduced into a transparent element, in particular a glass element, for example by means of a laser. The mirror preferably has a transparent element, in particular a glass element, into which a diffraction mask is introduced so that the hologram is created.

Damit die Messunsicherheit möglichst wenig von einer Temperatur des Spiegels abhängt, ist es günstig, wenn das transparente Element aus einem Material besteht, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient einen Nulldurchgang hat. Besonders günstig ist, wenn dieser Nulldurchgang bei einer Temperatur zwischen 0° und 40° liegt.So that the measurement uncertainty depends as little as possible on a temperature of the mirror, it is advantageous if the transparent element consists of a material whose thermal expansion coefficient has a zero crossing. It is particularly favorable if this zero crossing is at a temperature between 0 ° and 40 °.

Vorzugsweise umfasst das Oberflächen-Messsystem eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten (i) Erfassen des Reflexionswinkels des zumindest einen Teil-Lichtstrahls, der in den Autokollimator einfällt, (ii) Erfassen eines Kippwinkelmesswerts mittels des Autokollimators und (iii) Berechnen des Kippwinkels aus dem Reflexionswinkel und dem Kippwinkelmesswert.The surface measuring system preferably comprises an evaluation unit which is set up to automatically carry out a method with the steps ( i ) Detecting the angle of reflection of the at least one partial light beam that falls into the autocollimator, (ii) Detecting a measured tilt angle value by means of the autocollimator, and (iii) Calculating the tilt angle from the angle of reflection and the measured tilt angle value.

Beispielsweise kann der Grob-Kippwinkel aus den zuvor gemessenen Kippwinkeln bestimmt werden. Ist nämlich der Kippwinkel zu Beginn der Messung bekannt, beispielsweise null, so ist auch bekannt, welcher der Teil-Lichtstrahlen zum Bestimmen des Kippwinkels verwendet wird. Da die Versatzwinkel der Teil-Lichtstrahlen untereinander bekannt sind, kann aus dem zuletzt gemessenen Kippwinkel bestimmt werden, welcher Teil-Lichtstrahl oder welche Teillichtstrahlen vom Autokollimator erfasst werden.For example, the rough tilt angle can be determined from the previously measured tilt angles. If the tilt angle is known at the beginning of the measurement, for example zero, then it is also known which of the partial light beams is used to determine the tilt angle. Since the offset angles between the partial light beams are known, the last measured tilt angle can be used to determine which partial light beam or which partial light beams are detected by the autocollimator.

Die Versatzwinkel liegen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zwischen 0,05°, insbesondere 0,1° und 3°, insbesondere 1°.According to a preferred embodiment, the offset angles are between 0.05 °, in particular 0.1 ° and 3 °, in particular 1 °.

Der Kippwinkelmesswert wird wie bei Autokollimatoren üblich erfasst, beispielsweise durch Ermitteln derjenigen Position, unter der der zumindest eine Teil-Lichtstrahl auf einen Detektor des Autokollimators, beispielsweise einen CCD-Chip oder einen sonstigen Positionsdetektor, fällt. Aus dem bekannten Versatzwinkel und dem Kippwinkelmesswert kann so der Kippwinkel berechnet werden. Das führt die Auswerteeinheit automatisch durch.The measured tilt angle value is recorded as is customary with autocollimators, for example by determining the position at which the at least one partial light beam falls on a detector of the autocollimator, for example a CCD chip or some other position detector. The tilt angle can thus be calculated from the known offset angle and the tilt angle measurement value. The evaluation unit does this automatically.

Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit eingerichtet zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten (i) Erfassen einer Topografiesensor-Position des Topografie-Sensors entlang der Führung, (ii) Erfassen von Abstandsänderungen des Topografie-Sensors in der Abhängigkeit von der Topografiesensor-Position, (iii) Erfassen des Kippwinkels in der Abhängigkeit von der Topografiesensor-Position und (iv) Berechnen einer Topografie der Oberfläche aus der Topografiesensor-Position, den Abstandsänderungen und dem Kippwinkel. Unter der Topografie wird dabei diejenige Punktwolke oder eine Beschreibung dieser Punktwolke verstanden, die den Verlauf der Oberfläche beschreibt.The evaluation unit is preferably set up to automatically carry out a method with the steps ( i ) Detection of a topography sensor position of the topography sensor along the guide, (ii) detection of changes in distance of the topography sensor as a function of the topography sensor position, (iii) detection of the tilt angle as a function of the topography sensor position and (iv ) Calculation of a topography of the surface from the topography sensor position, the changes in distance and the tilt angle. The topography is understood to mean that point cloud or a description of this point cloud that describes the course of the surface.

Erfindungsgemäß ist zudem ein Autokollimator mit einer Lichtquelle zum Abgeben zumindest eines Ausgangs-Lichtstrahls, ggf. einem Strahlteiler, einem Spiegel zum Befestigen an einem Prüfling, dessen Kippwinkel zu bemessen ist, zum Reflektieren des Ausgangs-Lichtstrahls, sodass ein Eingangs-Lichtstrahl entsteht, und einem Detektor. Der Spiegel ist ausgebildet zum Reflektieren von zumindest zwei diskreten Teil-Lichtstrahlen unter unterschiedlichen Reflexionswinkeln beim Bestrahlen mit genau einem Lichtstrahl. Die oben angegebenen bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für diesen Autokollimator.According to the invention, there is also an autocollimator with a light source for emitting at least one output light beam, possibly a beam splitter, a mirror for fastening to a test object whose tilt angle is to be measured, for reflecting the output light beam so that an input light beam is created, and a detector. The mirror is designed to reflect at least two discrete partial light beams at different angles of reflection when irradiated with exactly one light beam. The preferred embodiments given above also apply to this autocollimator.

Im Folgenden wir die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

  • 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Autokollimators und eines erfindungsgemäßen Oberflächen-Messsystems zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2a eine schematische Detailansicht einer ersten Ausführungsform des Spiegels des erfindungsgemäßen Autokollimators aus 1 und
  • 2a eine schematische Detailansicht einer zweiten Ausführungsform des Spiegels des erfindungsgemäßen Autokollimators aus 1.
The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows
  • 1 a schematic view of an autocollimator according to the invention and a surface measuring system according to the invention for performing a method according to the invention,
  • 2a a schematic detailed view of a first embodiment of the mirror of the autocollimator according to the invention 1 and
  • 2a a schematic detailed view of a second embodiment of the mirror of the autocollimator according to the invention 1 .

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Autokollimator 10, der eine Lichtquelle 12, einen Spiegel 14 und einen Detektor 16 aufweist. Der Autokollimator besitzt im vorliegenden Fall zudem einen Strahlteiler 18. Die Lichtquelle 12 besitzt eine Blende zum Erzeugen eines Ausgangs-Lichtstrahls 20. Dieser wird von einem Objektiv 22 parallelisiert und trifft auf den Spiegel 14. Dadurch entsteht ein Eingangs-Lichtstrahl 24, der vom Strahlteiler 18 auf den Detektor 16 umgeleitet wird. Eine Veränderung eines Kippwinkels α des Spiegels 14 wird so gemessen. 1 shows an autocollimator according to the invention 10 who is a light source 12th , a mirror 14th and a detector 16 having. In the present case, the autocollimator also has a beam splitter 18th . The light source 12th has an aperture for generating an output light beam 20th . This is from a lens 22nd parallelizes and hits the mirror 14th . This creates an input light beam 24 that from the beam splitter 18th on the detector 16 is diverted. A change in a tilt angle α of the mirror 14th is measured like this.

Der Spiegel 14 besteht, wie in 2a gezeigt ist, im vorliegenden Fall aus mehreren Reflektorelementen 26.i, die miteinander verbunden sind. Jedes Reflektorelement hat eine erste Reflektorelementfläche 28a.i und eine zweite Reflektorelementfläche 28b.i, die miteinander einen Keilwinkel κi bilden.The mirror 14th exists, as in 2a is shown, in the present case of a plurality of reflector elements 26.i, which are connected to one another. Each reflector element has a first reflector element surface 28a.i and a second reflector element surface 28b.i, which together form a wedge angle κ i .

An jeder der Grenzschichten zwischen einer ersten Reflektorelementfläche 28a.i und einer zweiten Reflektorelementfläche 28b.i+1 kommt es zur Reflektion des Ausgangs-Lichtstrahls 20, sodass mehrere Teil-Lichtstrahlen 30.i (i = 1, 2, ...N) entstehen. Vorzugsweise ist N < 50.The output light beam is reflected at each of the boundary layers between a first reflector element surface 28a.i and a second reflector element surface 28b.i + 1 20th so that several partial light rays 30.i (i = 1, 2, ... N) arise. Preferably N <50.

Zwei Teil-Lichtstrahlen schließen jeweils einen Versatzwinkel βi ein. So schließen der erste Teil-Lichtstrahl 30 und der zweite Teil-Lichtstrahl 30 den ersten Versatzwinkel β1 ein. Der zweite Teil-Lichtstrahl 30 und der dritte Teil-Lichtstrahl 30 schließen den Versatzwinkel β2 ein. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass alle Versatzwinkel β gleich groß sind. In der Regel unterscheiden sich die Versatzwinkel βi voneinander. Günstig ist es, wenn die einzelnen Versatzwinkel βi mit einer geringen Messunsicherheit bekannt sind. Vorzugsweise beträgt die Unsicherheit höchstens 10-6°.Two partial light beams each enclose an offset angle βi. The first partial light beam 30 and the second partial light beam 30 thus enclose the first offset angle β1. The second partial light beam 30 and the third partial light beam 30 enclose the offset angle β2. It is possible, but not necessary, to have all offset angles β are the same size. As a rule, the offset angles βi differ from one another. It is beneficial if the individual offset angles βi are known with a low measurement uncertainty. The uncertainty is preferably at most 10 -6 °.

1 zeigt, dass der Spiegel 14 an einem Topografie-Sensor 32befestigt ist, der an einer Führung 34 linear verschieblich befestigt ist. Im vorliegenden Fall ist der Topografie-Sensor 32 eine Interferometereinheit. 1 shows that the mirror 14th is attached to a topography sensor 32 on a guide 34 is fixed linearly displaceable. In the present case it is the topography sensor 32 an interferometer unit.

Die Interferometereinheit 32 sendet zumindest einen Mess-Laserstrahl 36.j (j = 1, 2, ...) auf eine Oberfläche 38 eines Prüflings 40. Der reflektierte Laserstrahl wird mit dem Mess-Laserstrahl 36.j zur Interferenz gebracht, sodass eine Abstandsänderung Δdj des Abstands dj gemessen wird.The interferometer unit 32 sends at least one measuring laser beam 36.j (j = 1, 2, ...) onto a surface 38 of a test item 40 . The reflected laser beam is brought to interference with the measuring laser beam 36.j, so that a change in distance Δd j of the distance d j is measured.

Der Prüfling 40 kann auf einer Aufnahme 42 aufgenommen sein. Die Führung 34 ist in diesem Fall vorzugsweise starr mit der Aufnahme 42 verbunden.The examinee 40 can be on a recording 42 be included. The leadership 34 is in this case preferably rigid with the recording 42 connected.

Zum Vermessen der Oberfläche 38 wird die Interferometereinheit 32 an der Führung 34 bewegt. Dabei werden von allen Mess-Laserstrahlen 36 die jeweiligen Abstandsänderungen Δdj erfasst und an eine Auswerteeinheit 44 gesendet. Zudem wird der jeweilige Kippwinkel α vom Autokollimator 10 gemessen und ebenfalls an die Auswerteeinheit 44 übermittelt. Mittels nicht eingezeichneter Abstandsmesser wird eine Topografiesensor-Position P32 entlang der Führung 34 gemessen und ebenfalls an die Auswerteeinheit 44 übermittelt. Die Auswerteeinheit 44 ermittelt daraus eine Topografie Δdj der Oberfläche 38.For measuring the surface 38 becomes the interferometer unit 32 on the leadership 34 emotional. All measurement laser beams 36 the respective changes in distance Δd j recorded and to an evaluation unit 44 sent. In addition, the respective tilt angle α from the autocollimator 10 measured and also to the evaluation unit 44 transmitted. A topography sensor position P 32 is determined along the guide by means of a distance meter (not shown) 34 measured and also to the evaluation unit 44 transmitted. The evaluation unit 44 determines a topography from this Δd j the surface 38 .

Die Interferometereinheit 32 besitzt einen Stellantrieb 46, mittels dem der Kippwinkel α der Interferometereinheit 32 relativ zum Prüfling 40 verändert werden kann. Wird der Kippwinkel α größer als der erste Versatzwinkel β1, so tritt zusätzlich zum ersten Teil-Lichtstrahl 30 der zweite Teil-Lichtstrahl 30 in den Autokollimator 10 ein. Auf dem Detektor 16 erscheinen dann zwei Lichtflecke. Der Kippwinkel α wird dann beispielsweise dadurch berechnet, dass weiterhin der Lichtfleck auf dem Detektor 16, der zum ersten Teil-Lichtstrahl 30 gehört, zur Berechnung des Kippwinkels α verwendet. Aus dem zweiten Lichtfleck, der zum zweiten Teil-Lichtstrahl 30 gehört, wird zudem der Versatzwinkel β1 berechnet. Vergrößert sich der Kippwinkel α weiter, so verlässt der entsprechende Lichtfleck den Bereich des Detektors 16. Der Kippwinkel α wird dann aus dem Lichtfleck berechnet, den der zweite Teil-Lichtstrahl 30 auf dem Detektor 16 bildet.The interferometer unit 32 has an actuator 46 , by means of which the tilt angle α the interferometer unit 32 relative to the test item 40 can be changed. Becomes the tilt angle α is greater than the first offset angle β1, then in addition to the first partial light beam 30, the second partial light beam 30 enters the autocollimator 10 on. On the detector 16 then two light spots appear. The tilt angle α is then calculated, for example, by the fact that the light spot continues to be on the detector 16 , which belongs to the first partial light beam 30, for calculating the tilt angle α used. The offset angle β1 is also calculated from the second light spot which belongs to the second partial light beam 30. The tilt angle increases α further, the corresponding light spot leaves the area of the detector 16 . The tilt angle α is then calculated from the light spot that the second partial light beam 30 on the detector 16 forms.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
AutokollimatorAutocollimator
1212th
LichtquelleLight source
1414th
Spiegelmirrors
1616
Detektordetector
1818th
Strahlteiler Beam splitter
2020th
Ausgangs-LichtstrahlOutput light beam
2222nd
Objektivlens
2424
Eingangs-LichtstrahlInput light beam
2626th
ReflektorelementReflector element
28a28a
erste Reflektorelementflächefirst reflector element surface
28b28b
zweite Reflektorelementfläche second reflector element surface
3030th
Teil-LichtstrahlPart of the light beam
3232
Topografie-Sensor, InterferometereinheitTopography sensor, interferometer unit
3434
Führungguide
3636
Mess-LaserstrahlMeasurement laser beam
3838
Oberflächesurface
4040
Prüfling Test item
4242
Aufnahmerecording
4444
AuswerteeinheitEvaluation unit
4646
StellantriebActuator
4848
transparentes Element transparent element
αα
KippwinkelTilt angle
αmessαmess
KippwinkelTilt angle
ii
LaufindexRunning index
jj
LaufindexRunning index
ββ
VersatzwinkelOffset angle
ΔdjΔdj
AbstandsänderungChange in distance
P32P32
Topografiesensor-PositionTopography sensor position
WW.
WinkelmessbereichAngle measuring range
BB.
WinkelmessbereichAngle measuring range
κκ
KeilwinkelWedge angle
ρ1, ρ2ρ1, ρ2
ReflexionswinkelReflection angle

Claims (11)

Oberflächen-Messsystem zum Vermessen einer Oberfläche (38) eines Prüflings (40), mit (a) einem Topografie-Sensor (32) zum Messen einer Abstandsänderung (Δdj) vom Topografie-Sensor (32) zur Oberfläche (38) des Prüflings (40) und (b) einer Führung (34) zum geführten Bewegen des Topografie-Sensors (32), dadurch gekennzeichnet, dass (c) ein Autokollimator (10), der (i) einen Spiegel (14) aufweist, der relativ zum Topografie-Sensor (32) befestigt ist, (ii) ausgebildet ist zum Abgeben eines Ausgangs-Lichtstrahls (20) und (iii) angeordnet ist zum Messen eines Kippwinkels (α) des Topografie-Sensors (32), (iv) der Spiegel (14) ausgebildet ist zum Reflektieren von zumindest zwei diskreten Teil-Lichtstrahlen (30.1, 30.2) unter unterschiedlichen Reflexionswinkeln (ρ1, ρ2) beim Bestrahlen mit dem Lichtstrahl (20).Surface measuring system for measuring a surface (38) of a test object (40), with (a) a topography sensor (32) for measuring a change in distance (Δd j ) from the topography sensor (32) to the surface (38) of the test object ( 40) and (b) a guide (34) for the guided movement of the topography sensor (32), characterized in that (c) an autocollimator (10) which (i) has a mirror (14) which, relative to the topography -Sensor (32) is attached, (ii) is designed to emit an output light beam (20) and (iii) is arranged to measure a tilt angle (α) of the topography sensor (32), (iv) the mirror (14 ) is designed to reflect at least two discrete partial light beams (30.1, 30.2) at different angles of reflection (ρ 1 , ρ 2 ) when irradiated with the light beam (20). Oberflächen-Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Topografie-Sensor (32) eine Interferometereinheit ist.Surface measuring system according to Claim 1 , characterized in that the topography sensor (32) is an interferometer unit. Oberflächen-Messsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (a) der Autokollimator (10) einen Winkelmessbereich (W) hat, der eine Winkelmessbereichsbreite (B) aufweist und (b) der Spiegel (14) so ausgebildet ist, dass ein Versatzwinkel (β) zwischen zumindest zwei Teil-Lichtstrahlen (30) höchstens der Winkelmessbereichsbreite (B) entspricht.Surface measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that (a) the autocollimator (10) has an angular measuring range (W) which has an angular measuring range width (B) and (b) the mirror (14) is designed so that a Offset angle (β) between at least two partial light beams (30) corresponds at most to the width of the angular measurement range (B). Oberflächen-Messsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (14) (a) ein erstes planes Spiegelelement und zumindest ein zweites planes Spiegelelement, das gegenüber dem ersten Spiegelelement verkippt ist, oder (b) zumindest zwei keilförmige Reflektorelemente (26.1, 26.2), die jeweils eine erste Reflektorelementfläche (28a.1, 28a.2) und eine zweite Reflektorelementfläche (28b.1, 28b.2) haben, die einen Keilwinkel (κ) einschließen, aufweist, oder (c) ein computergeneriertes Hologramm ist und/oder (d) ein transparentes Element (48), insbesondere ein Glaselement, aufweist, das so strukturiert ist, dass es unter verschiedenen disktreten Winkeln Licht reflektiert.Surface measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the mirror (14) (a) has a first planar mirror element and at least one second planar mirror element which is tilted with respect to the first mirror element, or (b) at least two wedge-shaped reflector elements (26.1 , 26.2) each having a first reflector element surface (28a.1, 28a.2) and a second reflector element surface (28b.1, 28b.2) which enclose a wedge angle (κ), or (c) a computer-generated hologram and / or (d) has a transparent element (48), in particular a glass element, which is structured in such a way that it reflects light at different discrete angles. Oberflächen-Messsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit (44), die eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (i) Erfassen des Reflexionswinkels (ρ1) des zumindest einen Teil-Lichtstrahls (30.1, 30.2), der in den Autokollimator (10) einfällt, (ii) Erfassen eines Kippwinkelmesswerts (αmess) mittels des Autokollimators (10) und (iii) Berechnen des Kippwinkels (α) aus dem Reflexionswinkel (ρ1) und dem Kippwinkelmesswert (αmess).Surface measuring system according to one of the preceding claims, characterized by an evaluation unit (44) which is set up to automatically carry out a method with the following steps: (i) Detecting the reflection angle (ρ 1 ) of the at least one partial light beam (30.1, 30.2) that falls into the autocollimator (10), (ii) recording a tilt angle measurement value (α mess ) by means of the autocollimator (10) and (iii) calculation of the tilt angle (α) from the reflection angle (ρ 1 ) and the tilt angle measurement value (α mess ) . Oberflächen-Messsystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit (44), die eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (i) Erfassen einer Topografiesensor-Position (P32) des Topografie-Sensors (32) entlang der Führung (34), (ii) Erfassen von Abstandsänderungen (Δdj) von dem Topografie-Sensor (32) in Abhängigkeit von der Topografiesensor-Position (P32), (iii) Erfassen des Kippwinkels (α) in Abhängigkeit von der Topografiesensor-Position (P32) und (iv) Berechnen einer Topographie der Oberfläche (38) aus der Topografie-sensor-Position (P32), den Abstandsänderungen (Δdj) und den Kippwinkeln (α).Surface measuring system according to Claim 5 , characterized by an evaluation unit (44) which is set up to automatically carry out a method with the following steps: (i) Detecting a topography sensor position (P 32 ) of the topography sensor (32) along the guide (34), (ii) Detection of changes in distance (Δd j ) from the topography sensor (32) as a function of the topography sensor position (P 32 ), (iii) detection of the tilt angle (α) as a function of the topography sensor position (P32) and (iv) Calculating a topography of the surface (38) from the topography sensor position (P 32 ), the changes in distance (Δd j ) and the tilt angles (α). Autokollimator (10) mit (a) einer Lichtquelle (12) zum Abgeben zumindest eines Ausgangs-Lichtstrahls (20), (b) einem Strahlteiler (18), (c) einem Spiegel (14) zum Befestigen an einem Prüfling (40), dessen Kippwinkel (α) zu messen ist, zum Reflektieren des Ausgangs-Lichtstrahls (20), sodass ein Eingangs-Lichtstrahl (24) entsteht, und (d) einem Detektor (16) dadurch gekennzeichnet, dass (e) der Spiegel (14) ausgebildet ist zum Reflektieren von zumindest zwei diskreten Teil-Lichtstrahlen (30) unter unterschiedlichen Reflexionswinkeln (ρ1, ρ2) beim Bestrahlen mit dem Ausgangs-Lichtstrahl (20).Autocollimator (10) with (a) a light source (12) for emitting at least one output light beam (20), (b) a beam splitter (18), (c) a mirror (14) for fastening to a test object (40), whose tilt angle (α) is to be measured to reflect the output light beam (20) so that an input light beam (24) is created, and (d) a detector (16) characterized in that (e) the mirror (14) is designed to reflect at least two discrete partial light beams (30) at different angles of reflection (ρ 1 , ρ 2 ) when irradiated with the output light beam (20). Computergeneriertes Hologramm, das so ausgebildet ist, dass es beim Bestrahlen mit einem einfallenden Laserstrahl zumindest drei Ausgangs-Lichtstrahlen reflektiert, wobei ein Versatzwinkel (β) zwischen zwei Teil-Lichtstrahlen (30.i) 0,05° bis 3° beträgt.Computer-generated hologram which is designed in such a way that when it is irradiated with an incident laser beam it reflects at least three output light beams, an offset angle (β) between two partial light beams (30.i) being 0.05 ° to 3 °. Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche (38) eines Prüflings (40), mit den Schritten: (a) Messen einer Abstandsänderung (Δdj) von einem Topografie-Sensor (32) zur Oberfläche (38) des Prüflings (40) mittels des Topografie-Sensors (32), (b) Bewegen des Topografie-Sensors (32) mittels einer Führung (34) (c) Messen eines Kippwinkels (α) des Topografie-Sensors (32) mittels eines Autokollimators (10), der (i) einen Spiegel (14) aufweist, der relativ zum Topografie-Sensor (32) befestigt ist, (ii) wobei der Spiegel (14) ausgebildet ist zum Reflektieren von zumindest zwei diskreten Teil-Lichtstrahlen (30.1, 30.2) unter unterschiedlichen Reflexionswinkeln (ρ1, ρ2) beim Bestrahlen mit dem einen Lichtstrahl.Method for measuring a surface (38) of a test object (40), comprising the steps: (a) Measuring a change in distance (Δd j ) from a topography sensor (32) to the surface (38) of the test object (40) by means of the topography Sensor (32), (b) moving the topography sensor (32) by means of a guide (34) (c) measuring a tilt angle (α) of the topography sensor (32) by means of an autocollimator (10) which (i) has a mirror (14) which is attached relative to the topography sensor (32), (ii) wherein the mirror (14) is designed to reflect at least two discrete partial light beams (30.1, 30.2) at different angles of reflection (ρ 1 , ρ 2 ) when irradiated with the one light beam. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Schritte: (a) Erfassen, anhand welchen Teil-Lichtstrahls (30) der Autokollimator (10) den Kippwinkel (α) misst, (b) Erfassen eines Kippwinkelmesswerts mittels des Autokollimators (10) und (c) Berechnen des Kippwinkels (α) aus dem Versatzwinkel (β) des jeweiligen Teil-Lichtstrahls (30) und dem Kippwinkelmesswert.Procedure according to Claim 9 , characterized by the following steps: (a) detecting which partial light beam (30) the autocollimator (10) measures the tilt angle (α), (b) detecting a tilt angle measured value by means of the autocollimator (10) and (c) calculating the tilt angle (α) from the offset angle (β) of the respective partial light beam (30) and the measured tilt angle value. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch die Schritte: (a) Messen einer Abstandsänderung (Δdj) vom Topografie-Sensor (32) zur Oberfläche (38) des Prüflings (40) mittels eines Topografie-Sensors (32), (b) Bewegen des Topografie-Sensors (32) mittels einer Führung, (c) Messen eines Kippwinkels (α) des Topografie-Sensors (32) mittels eines Autokollimators (10), der einen Spiegel (14) aufweist, der relativ zum Topografie-Sensor (32) befestigt ist, (d) wobei der Spiegel (14) ausgebildet ist zum Reflektieren von zumindest zwei diskreten Teil-Lichtstrahlen (30) unter unterschiedlichen Reflexionswinkeln (ρ1, ρ2) beim Bestrahlen mit genau einem Lichtstrahl. PI/broProcedure according to Claim 9 or 10 , characterized by the steps of: (a) measuring a change in distance (Δd j ) from the topography sensor (32) to the surface (38) of the test object (40) by means of a topography sensor (32), (b) moving the topography sensor (32) by means of a guide, (c) measuring a tilt angle (α) of the topography sensor (32) by means of an autocollimator (10) which has a mirror (14) which is attached relative to the topography sensor (32), (d) the mirror (14) being designed to reflect at least two discrete partial light beams (30) at different angles of reflection (ρ 1 , ρ 2 ) when irradiated with exactly one light beam. PI / bro
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