DE3428593C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Oberflächenmeßge­ rät (Profilometer) der im Gattungsbegriff des Patentan­ spruch 1 beschriebenen Art.

Mechanische Oberflächen sind außer durch ihre makrosko­ pische Gestalt durch den Endbearbeitungszustand charak­ terisiert, der durch Rauheitswerte (Feinbearbeitung) angegeben wird. Viele der funktionellen Eigenschaften des Fertigteils hängen mit dieser Feinbearbeitung zu­ sammen. Sie wird durch eine Reihe von Parametern ausge­ drückt, beispielsweise durch R _a , rms, die Autokorrela­ tionsfunktion, das Fourierspektrum und andere. Diese Werte lassen sich durch integrierte Messungen auf Ober­ flächenbereichen ermitteln oder aus der Kenntnis der dreidimensionalen Topographie der Oberfläche herleiten.

Die zur Rekonstruktion der dreidimensionalen Topogra­ phie verwendeten Geräte erfassen die Oberfläche in Wirklichkeit längs linearer Abschnitte und liefern so ein Höhenprofil, aus welchem die gewünschten Parameter auf derBasis statistischer Kriterien extrapoliert wer­ den können. Das wahre dreidimensionale Profil erhält man durch Abtastungen längs paralleler Abschnitte. Die zu diesem Zweck verwendeten verschiedenen Geräte sind prinzipiell durch die Empfindlichkeit, die laterale Auflösung und das Meßintervall gekennzeichnet.

Das bei mechanischen Anwendungen interessierende Meßin­ strument reicht üblicherweise von Bruchteilen eines Mi­ kron bis zu einigen Dutzend Mikron.

Neben Geräten, die von der Moir´-Technik oder der Pro­ jektion von Fransen oder Linien Gebrauch machen und die Oberflächenmessungen bis zu einer Grenze ausführen, die unter einigen Mikron liegt, existieren für den Bereich, der mechanisch von Interesse ist, zwei Gerätefamilien, nämlich die mit Abtastnadeln arbeitenden Geräte und die optischen Profilometer.

Die mit Abtastnadeln arbeitenden Geräte sind sehr ver­ breitet. Ihre vertikale Auflösung liegt in der Größen­ ordnung von etwa 10 Å, während die laterale Auflösung bei einigen Mikron liegt.

Optische Oberflächenmeßgeräte (Profilometer) sind Vor­ richtungen zur berührungslosen Messung. Die erzielbare Auflösung beträgt vertikal Bruchteile eines Mikron und in lateraler Richtung etwa ein Mikron. Es sind auch hochgezüchtete optische (Überlagerungs- und interfero­ metrische) Profilometer mit höherer Auflösung be­ kannt, vgl. hierzu:
G.E. Sommargren, Applied Optics, Vol. 20, No. 4 (1981), pp, 610-618;
J.E. Wyant, Laser Focus, May 1982, pp. 65-71;
J.M. Bennet, Applied Optics, Vol. 15, No. 11 (1976), pp. 2705-2721.

Ein optisches Oberflächenmeßgerät der gattungsgemäßen Art ist aus FR-PS 15 34 762 bekannt. Bei diesem Gerät ist es jedoch erforderlich, während der Messung die Objektivoptik derart zu verschieben, daß der Brennpunkt den Höhenunter­ schieden der Meßoberfläche nachgeführt wird. Es ergibt sich dadurch ein zeitraubender und auch fehleranfälliger Meß­ vorgang.

Aus der DE-OS 14 73 780 ist ein optisches Oberflächenmeß­ gerät bekannt, bei dem ein auf die Meßoberfläche fo­ kussiertes Strahlenbündel nur aus zwei mittels Filtern ausgefilterten Farbanteilen, z. B. rot und grün besteht, die zwei in Strahlrichtung hintereinanderliegende dis­ krete Brennpunkte bilden. Das reflektierte Licht wird zwei für die Farbanteile selektiv empfindlichen Empfän­ gern zugeführt, und aus dem Intensitätsverhältnis der beiden Empfängersignale wird die Lage der Meßoberfläche relativ zu den Brennpunkten ermittelt. Hierbei ist zwar keine Bewegung des Meßgerätes oder der Meßoberfläche während der Messung erforderlich, jedoch ist das Gerät wegen der Verwendung von Farbfiltern relativ lichtschwach, und da die Meßoberfläche normalerweise zwischen den bei­ den Brennpunkten liegt, ist insbesondere die seitliche Auflösung sehr begrenzt.

Aus IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 16, No. 2, Juli 1973, S. 433-434 ist ein optisches Oberflächenmeß­ gerät bekannt, bei dem zwei koaxiale Meßstrahlen, die mit unterschiedlicher Pulskennung geprüft sind, in zwei in Strahlrichtung hintereinanderliegenden Brennpunkten fo­ kussiert werden. Aus dem von der Meßoberfläche reflektier­ ten Licht werden mittels einer an den Empfänger ange­ schlossenen Logikschaltung die Intensitäten der durch unterschiedliche Impulskennung gekennzeichneten Anteile ermittelt und dadurch die Lage der Meßoberfläche relativ zu den Brennpunkten bestimmt. Auch hier ist die laterale Auflösung nicht optimal, und es wird ein bewegliches Teil, nämlich die Zerhackerscheibe, benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ohne beweg­ liche Teile arbeitendes optisches Oberflächenmeßgerät der angegebenen Art zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau, hoher Lichtstärke und guter lateraler Auflösung die kon­ tinuierliche und quantitative Erfassung von Höhenunter­ schieden der Meßoberfläche ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im An­ spruch 1 angegeben. Die Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen.

Durch den erfindungsgemäßen Gedanken, mittels Längsdis­ persion des Meßstrahls eine kontinuierliche Folge von Brennpunkten längs der Strahlachse zu erzeugen, und durch Querdispersion des reflektierten Lichtbündels jedem dieser Brennpunkte einen Brennpunktort am Empfänger eindeutig zuzuordnen, wird der Vorteil erzielt, daß durch einfaches Abfragen des das Reflexionsmaximum erhalten­ den Empfängerortes die Lage der Meßoberfläche relativ zu den Brennpunktorten des Meßstrahls quantitativ be­ stimmt werden kann. Das Gerät benötigt keine beweglichen Teile, außer eventuell Mittel zum Weiterbewegen der Meß­ oberfläche, wenn mehrere Bereiche gemessen werden sollen. Da zur Messung immer hauptsächlich derjenige Spektral­ anteil des Meßstrahls beiträgt, in dessen Brennpunkt die Meßoberfläche liegt, wird auch eine sehr gute la­ terale Auflösung erhalten.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Profilometers nach dem Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Profi­ lometers gemäß der Erfindung.

Das Funktionsprinzip eines herkömmlichen Profilometers ist in Fig. 1 veranschaulicht: Mit 1 ist eine monochro­ matische Lichtquelle bezeichnet, deren Strahlen gebün­ delt sich und somit parallel verlaufen. Die Strahlen treffen auf einen Strahlteiler 3 und gelangen durch diesen zu einem ersten Objektiv 5. Dieses konzentriert das Licht auf die Oberfläche des Prüfmusters 7. Das Objek­ tiv 5 ist in Richtung des Pfeiles verschiebbar. Das re­ flektierte Licht dringt wieder durch das Objektiv 5, wird von dem Strahlteiler 3 zu einem zweiten Objektiv 9 umgelenkt und durch dieses auf eine vor einem Empfänger 13 angeordnete Blende 11 konzentriert.

Das Signal des Empfängers 13 besitzt ein Maximum, wenn die Oberfläche des Musters sich in der Fokussierungs­ ebene des Objektivs 5 befindet. Das dargestellte Kon­ zeit basiert - wie erwähnt - auf einer herkömmlichen Lö­ sung, bei der das Objektiv 5 in axialer Richtung hin- und herbewegt und das Signal phasenrichtig aufgenommen wird.

Bei dem Gerät gemäß der Erfindung findet ein ähnliches Schema Anwendung, wobei jedoch eine Folge von durch die Wellenlänge unterschiedenen Fokussierungspunkten in Achsen­ richtung verwendet wird. Dies ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Folge verschiedener Fokussierungspunk­ te in longitudinaler Richtung ergibt sich durch die Verwendung von polychromatischem statt monochromati­ schem Licht. Alle Komponenten mit Ausnahme des zu prü­ fenden Musters sind stationär. In axialer Richtung bil­ den sich mehrere Fokussierungspunkte, die in umkehrbar eindeutiger Relation zu einer Wellenlänge stehen. Die entsprechenden Signale werden sodann unter Ausnutzung der Eigenschaften der verschiedenen Wellenlängen in la­ teraler Zerlegung auf einen von einer Fotodiodenreihe gebildeten Empfänger gegeben. Die sequentielle Abta­ stung der Fotodioden liefert ein Maximum, das der Posi­ tion der Oberfläche des Prüfmusters relativ zu dem Ob­ jektiv entspricht.

In Fig. 2 ist ein Funktionsschema des Geräts gemäß der Erfindung dargestellt. Mit 21 ist eine polychromatische Lichtquelle bezeichnet, die mittels eines achromati­ schen Kollimators 23 in ein Bündel paralleler Strahlen verwandelt wird. Das kollimierte polychromatische Strahlenbündel läuft durch den Strahlteiler 25 und eine Longitudinal-Dispersions- und Fokussierungseinrichtung 27. Infolgedessen bildet sich im Bereich des zu analy­ sierenden Musters 29 eine Reihe von Fokussierungs­ punkten F 1 bis FN aus, die jeweils zu einer bestimmten Wellenlänge, d. h. zu einem jeweils anderen monochroma­ tischen Licht gehören. Das reflektierte Licht durchdringt von neuem die Dispersions- und Fokussierungseinrichtung 27 und wird von dem Strahlteiler 25 zu einer Winkel-Dispersions- und Fokussierungseinrichtung 31 umgelenkt. Die nach Winkeln zerlegten Strahlanteile werden längs der Fotodioden­ reihe 33 fokussiert, die mit einer elektronischen Aus­ werteeinrichtung 35 verbunden ist. Die Lichtquelle 21 wird vorteilhafterweise durch eine Blende 37 begrenzt, die von einem Schlitz gebildet ist, der rechtwinklig zu der Richtung angeordnet ist, in der die Dispersion stattfindet, und damit rechtwinklig zur Fotodiodenreihe 33.

Der Meßbereich wird durch die longitudinale Dispersion und durch die Fokussierungseigenschaften bestimmt. Die Winkel-Dispersion und die Eigenschaften der zweiten Fo­ kussierungseinrichtung sind mit dem verwendeten Empfän­ ger in Einklang zu bringen. Die Empfindlichkeit und die laterale Auflösung hängen von denselben Parametern ab.

Die Longitudinal-Dispersions- und Fokussierungseinrich­ tung 27 kann zwei separate Komponenten zur Erzielung der longitudinalen Dispersionswirkung und der Fokussie­ rung beinhalten: Eine einfache Linse 27 A, die als Dis­ persionseinrichtung dient, und ein Mikroskop-Objektiv 27 B. Alternativ kann das Dispersionselement auch in dem Kollimatorobjektiv oder in dem Fokussierungs-Objektiv in Form einer geeigneten optischen Einheit integriert sein.

Auch die Winkel-Dispersions- und Fokussierungseinrich­ tung 31 kann zwei Elemente enthalten: Das erste dieser Elemente kann ein Prisma oder auch ein Gitter sein, während das zweite von einem korrigierten Objektiv ge­ bildet sein kann.

Die Lichtquelle 21 kann eine Weißlicht-Lampe mit Kon­ densator und Schlitz sein. Der Schlitz vereinfacht die Ausrichtung und dehnt die Anwendungsmöglichkeit der Vorrichtung aus auf die streifenweise Abtastung (nach Art einer Tomografie) von ganzen Abschnitten der Meßoberfläche, bei Verwendung einer Fotodiodenmatrix als Empfänger.

Bei der Anwendung des Geräts ist ein geeignetes Infor­ mationsverarbeitungsprogramm einzusetzen.

Die Signale der verschiedenen Fotodioden lassen sich für die Differentialmessung kleinster Verschiebungen um eine vorbestimmte Position einsetzen, die einer bestimmten Position einer eindeutigen Verteilungsfunktion (Signalspitze, Kurvenschwerpunkt u. a.) zugeordnet sein kann.

Claims (4)

1. Optisches Oberflächenmeßgerät mit einer fokussieren­ den Objektivoptik, die ein von einer Lichtquelle erzeug­ tes Strahlenbündel auf die Meßoberfläche fokussiert, und mit einem Strahlteiler, der das von der Meßoberfläche re­ flektierte und von der Objektivoptik gebündelte Licht auf eine Empfängeroptik umlenkt, die das Strahlenbündel auf einen Empfänger fokussiert, dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlen­ bündel polychromatisch ist,
daß die Objektivoptik (27) ein in Längsrichtung farbdis­ pergierendes Element (27 A) enthält und eine kontinuier­ liche Folge von entlang der optischen Achse liegenden Brennpunkten (F ₁, F _N ) der einzelnen Wellenlängen erzeugt,
daß die Empfängeroptik (31) ein in Querrichtung farbdis­ pergierendes Element enthält und auf dem Empfänger (33) eine kontinuierliche Folge von nebeneinanderliegenden Brennpunkten der einzelnen Wellenlängen erzeugt, und
daß der Empfänger (33) eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Photodioden und eine elektronische Auswerte­ einrichtung (35) zur Feststellung der die maximale Strah­ lungsintensität empfangenden Photodiode aufweist.

2. Oberflächenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquelle eine senkrecht zu der Umlenkebene des reflektierten Strahlenbündels stehen­ de Schlitzblende (21) aufweist.

3. Oberflächenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die elektronische Auswerte­ einrichtung (35) die Photodioden sequentiell abtastet.

4. Oberflächenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Empfänger (33) eine zweidimensionale Photodiodenmatrix aufweist.