DE4318739C2 - Interferometer und Verfahren zur Messung der Topographie von Prüflingsoberflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Interferometer und ein Ver­ fahren zur Messung der Topographie von Prüflingsoberflächen.

Derartige Interferometer nutzen Interferenzeffekte zwischen ei­ nem an der definiert planen Referenzfläche reflektierten Licht­ strahl und einem an der dieser Fläche gegenüberliegenden Prüf­ lingsoberfläche reflektierten Lichtstrahl aus, um die Topogra­ phie der Prüflingsoberfläche zu bestimmen, wobei das Interfe­ renzmuster ein Höhenlinienbild der Prüflingsoberfläche dar­ stellt, und typischerweise eine Tiefenauflösung im Mikrometer­ bereich, aber auch darunter erreicht wird. Dabei ergibt sich bekanntermaßen die Empfindlichkeit, d. h. der Höhenunterschied der Prüflingsoberfläche pro Interferenzstreifen, als Quotient der halben Lichtwellenlänge dividiert durch den Kosinus des Lichteinfallswinkels auf die Prüflingsoberfläche. Ein gerin­ gerer Empfindlichkeitswert bedeutet folglich eine feinere Er­ fassung der Topographie der Prüflingsoberfläche. Wegen dieses eindeutigen Zusammenhangs wird die Veränderung des Einfallswin­ kels bei dieser Technik allgemein als Empfindlichkeitsverstel­ lung bezeichnet.

Ein Prismen-Interferometer mit einer derartigen Empfindlich­ keitsverstellung in drei Stufen befindet sich unter der Be­ zeichnung "Oberflächentester", hergestellt von der Fa. Kugler, auf dem Markt. Wie dem zugehörigen Firmenprospekt zu entnehmen ist, wird hierbei die Empfindlichkeitsverstellung dadurch vor­ genommen, daß das Beleuchtungssystem und das Abbildungssystem gemeinsam, jedoch gegenläufig entlang einer gemeinsamen Kreis­ bahn, deren Mittelpunkt im Schnittpunkt zwischen der Referenz­ fläche und der dazu senkrechten Symmetrieebene des Prismas liegt, verschwenkt werden, und-zwar symmetrisch zur genannten Prismensymmetrieebene. Diese Technik der Empfindlichkeitsver­ stellung durch Drehung von Beleuchtungs- und Abbildungssystem um einen gemeinsamen Drehpunkt ist grundlegend bereits in der deutschen Offenlegungsschrift 1 920 928 beschrieben.

Bei einer aus der Offenlegungsschrift DE 34 43 175 A1 bekannten Anordnung zur interferometrischen Ebenheitsprüfung technischer Oberflächen ist der Lichtstrahleintrittsfläche sowie der Licht­ strahlaustrittsfläche eines Prismas jeweils ein strahlumlenken­ der Spiegel zugeordnet, so daß sich das Beleuchtungs- und das Abbildungssystem bezüglich des Prismas auf derselben Seite be­ finden wie der Prüfling. Zur Empfindlichkeitsverstellung sind die Umlenkspiegel gegenläufig jeweils um ihre dem anderen Spie­ gel benachbarte Spiegelkante verschwenkbar, während das Be­ leuchtungs- und das Abbildungssystem ortsfest bleiben. Bei die­ ser Technik der Empfindlichkeitsverstellung ändert sich jedoch die Lichtweglänge bei Verschwenken der Spiegel merklich.

In dem Artikel von B. Packroß, B. Pfister und G. Schmidt, In­ terferometer mit schrägem Lichteinfall, in Kontrolle 1992, No­ vember, Sonderteil Lasermeßtechnik ist ein dynamisches Verfah­ ren zur automatischen Auswertung der erhaltenen Interferenz­ streifen beschrieben, bei der drei bis fünf Streifenbilder mit jeweils um einen konstanten Betrag verschobener Interferenzpha­ se aufgenommen und ausgewertet werden. Die Verschiebung der In­ terferenzphase wird dort durch eine Höhenverstellung des Prüf­ lings vorgenommen, der hierfür nicht mehr wie üblich auf das Prisma aufgelegt, sondern in einer Halterung mit integrierten mechanischen Stellgliedern aufgenommen ist. Bei dieser Methode der Phasenschiebung treten jedoch lateral sogenannte Shearing­ effekte auf, die das Meßergebnis beeinflussen.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Schaffung eines Interferometers und eines Verfahrens der eingangs genannten Art zugrunde, das eine Empfindlichkeitsverstellung bei guter Abbildungsqualität über den gesamten Verstellbereich erlaubt.

Dieses Problem wird durch ein Interferometer mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Die Lösung gemäß Anspruch 1 berücksich­ tigt, daß die Bildorte bei der Empfindlichkeitsverstellung aufgrund des sich ändernden Lichteinfallswinkels auf den Prü­ fling wandern. Es hat sich gezeigt, daß sich in einem weiten Empfindlichkeitsbereich durch eine Verstellbewegung des Be­ leuchtungssystems einerseits und des Abbildungssystems anderer­ seits, die - wenig­ stens als eine Bewegungskomponente - eine Verschwenkung um zwei voneinander beabstandete Drehpunkte beinhaltet, was gerade durch die Halterung erreicht wird, ein Auswandern des Bildes aus dem bilderfassenden Abbildungssystem verhindern läßt. Die Halterung kann hierbei so ausgelegt sein, daß der jeweilige Drehpunkt des Beleuchtungs- und/oder des Abbildungssystems nicht ortsfest bleibt, so daß sich als Verstellbewegung eine kombinierte Dreh- und Translationsbewegung ergibt. Die konkrete Realisierung ist dem Fachmann unter Zugrundelegung der hier im weiteren dargelegten, geforderten Funktionseigenschaften ohne weiteres möglich, außer der unten beschriebenen Ausführungsform beispielsweise durch eine Realisierung in Form einer Kulissen­ führung für das Beleuchtungs- und für das Abbildungssystem, wo­ bei die Kulisse eine gekrümmte, an die jeweiligen Gegebenheiten optimal anpaßbare Gestalt aufweisen und insbesondere von einer Gestalt sein kann, mittels der das Beleuchtungs- und das Abbil­ dungssystem jeweils um einen lokalen Drehpunkt gedreht und ge­ gebenenfalls zusätzlich translatorisch verschoben werden kann. Mit einem derartigen Interferometer läßt sich das Interferenz­ bild auch bei stufenloser Empfindlichkeitsverstellung über ei­ nen weiten Bereich hin zufriedenstellend scharf und ohne aus zu­ wandern vom Abbildungssystem einfangen und abbilden.

Das Meßverfahren nach Anspruch 11 ermöglicht eine Erhöhung des Eindeutigkeitsbereichs durch spezielle Kombination zweier Messungen mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten, was beson­ ders bei Prüflingen mit Stufen an der zu prüfenden Oberfläche zweckmäßig ist.

Eine konstruktiv vorteilhaft einfache Weiterbildung der Erfin­ dung nach Anspruch 2 sieht eine aus je einem Schwenkarm beste­ hende Halterung vor, wobei die Schwenkarme, von denen der eine das Beleuchtungs- und der andere das Abbildungssystem trägt, an ortsfesten Drehpunkten angelenkt und miteinander gekoppelt sind, so daß bei Verstellung des Beleuchtungssystems zwecks Empfind­ lichkeitsverstellung automatisch das Abbildungssystem in geeig­ neter Weise mit verschwenkt wird.

Es hat sich gezeigt, daß für einen guten Kompromiß zwischen Ab­ bildungsqualität einerseits und Konstruktionsaufwand anderer­ seits Weiterbildungen der Erfindung nach Anspruch 3 oder An­ spruch 4 vorteilhaft sind, bei denen die Verbindungslinie der ortsfesten Drehpunkte parallel zur Referenzflächenebene liegt und gegebenenfalls zur Referenzfläche versetzt im Abstand auf der prüflingsabgewandten Seite verläuft.

In Weiterführung dieses Gedankens hat sich weiterhin ergeben, daß eine Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 günstige Abbildungseigenschaften im Fall der Verwendung eines Prismas als transparenter Strahlteilungskörper dann aufweist, wenn die Drehpunkte auf gegenüberliegenden Seiten der Prismensymmetrie­ ebene liegen, und insbesondere, wenn nach Anspruch 6 wenigstens der eine und - bei nicht vorgesehenem Spiegelelement und folg­ lich gegenläufiger Kopplung der beiden Schwenkarme - gegebenen­ falls auch der andere Drehpunkt mit demselben Abstand zur Pris­ mensymmetrieebene angeordnet sind, den sie auch zu deren Refe­ renzfläche haben.

Da je nach Anordnung das Interferenzbild bei einer Empfindlich­ keitsverstellung nicht nur auszuwandern droht, sondern auch we­ gen Verkippung unscharf werden kann, ist in weiterer Ausgestal­ tung der Erfindung nach Anspruch 7 wenigstens ein Element des Abbildungssystems verkippbar an seinem Schwenkarm angebracht, so daß das Interferenzbild jederzeit ganz flächig scharf auf den Abtastschirm des Abbildungssystems gelegt werden kann.

Eine hinsichtlich des Platzbedarfs und des Konstruktionsauf­ wands besonders vorteilhafte Lösung ist durch eine Weiterbil­ dung der Erfindung nach Anspruch 8 gegeben. Durch die Anordnung des Spiegelelements läßt sich die optische Achse des Abbil­ dungssystems parallel zu derjenigen des Beleuchtungssystems le­ gen, so daß eine gleichläufige anstatt einer gegenläufigen Kopplung der Schwenkarme für das Beleuchtungs- und das Abbil­ dungssystem möglich ist, was in einfacher Weise durch die Aus­ bildung der Halterung als Parallelogrammgestänge realisiert ist. Da bei einem solchen Interferometer das Beleuchtungs- und das Abbildungssystem nebeneinander liegen, läßt es sich ver­ hältnismäßig klein und kompakt bauen.

Mit einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 9 läßt sich der Strahlteilungskörper zum Prüfling hin oder von diesem weg definiert verschieben, z. B. mittels einer Piezotranslatorhalte­ rung nach Anspruch 10, was sehr nutzbringend ist, wenn zur au­ tomatischen Auswertung nach der dynamischen Methode mehrere Streifenbilder bei unterschiedlichem Prüflingsabstand aufzuneh­ men sind.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine schematische Funktionsdarstellung eines Prismen-Interferometers mit Empfindlichkeitsverstellung und einer Parallelogrammgestänge-Halterung,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer höhenverstellbaren Prismen­ halterung, wie sie für das Interferometer in Fig. 1 verwendet ist,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 2 und

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung des Strahlverlaufs in einem Prismen-Interferometer bei angelegtem Prüfling.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird zunächst die von der Erfindung behandelte Problematik erläutert.

Die Fig. 4 zeigt ein Prisma (2), wie es in einem Prismen-Inter­ ferometer zur Ebenheitsmessung Verwendung findet. Das Prisma (2) besteht aus Quarzglas und besitzt eine definiert plane Hy­ pothenusenfläche (10), die die Referenzfläche bildet. Alterna­ tiv zu Quarzglas ist selbstverständlich auch jedes andere transparente, lichtbrechende Material für das Prisma (2) ver­ wendbar. Statt eines Prismas sind in ähnlicher Weise andere transparente Strahlteilungskörper mit einer planen Referenzflä­ che einsetzbar, z. B. ein keilförmiger oder ein plattenförmiger Körper. Ein Prüfling (22), der in Fig. 4 nur ausschnittweise gezeigt ist und von dem eine Außenfläche (25) auf Topographie hin geprüft werden soll, wird der Referenzfläche (10) gegen­ übergestellt, wobei die zu vermessende Prüflingsfläche (25) im wesentlichen einen Abstand (h) zur Referenzfläche (10) des Prismas (2) einhält. Durch Interferenz bei schrägem Lichtein­ fall werden durch diese Anordnung Höhenunterschiede in der To­ pographie der zu messenden Prüflingsfläche (25) in ein zugehö­ riges, auswertbares Interferenzmuster übertragen. Die exakt de­ finierte Planheit der Referenzfläche (10) gewährleistet die zu­ verlässige Erfassung der Topographie der gegenüberliegenden Prüflingsmeßfläche (25). Denn bei absolut planer Referenzfläche (10) läßt sich die Erzeugung eines Interferenzstreifenmusters eindeutig auf Höhenunterschiede in der Oberfläche der zu ver­ messenden Prüflingsfläche (25) zurückführen.

Zur Erläuterung des Strahlengangs ist der Verlauf eines Licht­ strahls in Fig. 4 explizit gezeigt. Das Licht wird von der ei­ nen Rückfläche (26) des Prismas (2) her eingestrahlt. Der ein­ fallende Lichtstrahl (24) tritt an der Luft-Glas-Grenzfläche dieser Rückfläche (26) in den Prismenglaskörper ein und gelangt zur Referenzfläche (10). An dieser Glas-Luft-Grenzfläche findet eine in Fig. 4 nicht näher gezeigte Strahlaufteilung statt, wo­ bei ein Teil des einfallenden Lichtstrahls, wie in Fig. 4 ex­ plizit gezeichnet, aus dem Prismenglaskörper (2) wieder aus­ tritt und unter einem Winkel (β) auf die zu messende Prüflings­ fläche (25) auftrifft, in Fig. 4 exemplarisch in einem Punkt (P). Von dort wird der Lichtstrahl (24) reflektiert und gelangt als ausfallender Lichtstrahl (23) zunächst an der Referenzflä­ che (10) wiederum in den Prismenkörper (2) und schließlich an der anderen Prismenrückfläche (27) wieder größtenteils aus dem Prismenkörper (2) heraus. Der zuvor beim Erreichen der Refe­ renzfläche (10) in den Prismenkörper (2) zurückreflektierte, nicht explizit gezeichnete Anteil des einfallenden Lichtstrahls (24) gelangt ebenfalls durch die andere Rückfläche des Prismas (2) wiederum aus letzterem heraus, wobei dieser austretende Teilstrahl zu dem vom Prüfling (22) zurückreflektierten Teil­ strahl (23) parallel verläuft. Diese beiden Teilstrahlen inter­ ferieren miteinander, wobei das sich ergebende Streifenmuster vom zusätzlichen optischen Weg des den Prüfling (22) treffenden Lichtstrahlanteils und damit vom Prüflingsabstand (h), der Lichtwellenlänge (λ) sowie dem Auftreffwinkel (β) des auf den Prüfling (22) auftreffenden Lichts abhängt. Für die Empfind­ lichkeit (E), d. h. der Höhendifferenz pro Streifen des Interfe­ renzmusters, gilt die Beziehung E = λ/2cosβ. Eine Empfindlich­ keitsverstellung läßt sich folglich durch Änderung des Auf­ treffwinkels (β) und somit des Einfallswinkels (α) des einfal­ lenden Lichts (24) erzielen.

In Fig. 4 ist stellvertretend für die gesamte zu messende Prüf­ lingsfläche (25) der sich durch die Abbildung ergebende vir­ tuelle Bildpunkt (P′) für den Prüflingspunkt (P) eingezeichnet, wobei der ausfallende Lichtstrahl (23) einen zum Einfallswinkel symmetrischen Austrittswinkel (α) zum Lot auf die zugehörige Rückfläche (27) des Prismas (2) bildet. Dieser Austrittswinkel (α) ist durch die eingestellte Empfindlichkeit, den Brechungs­ index des Prismenglaskörpers (2) sowie den Prismenwinkel (γ) eindeutig bestimmt und unabhängig vom Prüflingsabstand (h) so­ wie den Abmessungen des Prismas. Bei einer Empfindlichkeitsver­ stellung, d. h. einer Änderung des Lichteinfallswinkels (β), wandert folglich der virtuelle Bildpunkt (P′) längs einer ver­ hältnismäßig komplexen Ortskurve. Dem sollte die Nachführung des Abbildungssystems möglichst gut Rechnung tragen, damit das Interferenzmuster während einer Empfindlichkeitsverstellung nicht auswandert und noch ausreichend scharf abgebildet wird. Die bekannte Technik, bei der das Beleuchtungs- und das Abbil­ dungssystem gegenläufig längs einer gemeinsamen Kreislinie um den in Fig. 4 mit (M) bezeichneten Mittelpunkt der Referenzflä­ che (10) verschwenkt werden, begegnet dieser Schwierigkeit nur unzureichend. Es zeigt sich, daß durch diese Methode das Inter­ ferenzstreifenbild unerwünscht stark aus dem Abbildungsschirm auswandert und/oder nicht in erwünschter Weise über den ganzen Empfindlichkeitsbereich, über den der Einfallswinkel des Lichts verstellt wird, ausreichend scharf bleibt.

Eine Verbesserung in dieser Hinsicht leistet beispielsweise ein Prismen-Interferometer, wie es in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Dieses Interferometer enthält das Prisma (2) der Fig. 4 mit definiert planer Hypothenusenfläche (10) als Referenzfläche. Einer Prismenrückfläche (26) vorgelagert befindet sich ein Be­ leuchtungssystem, das aus einem Laser (1) als kohärenter Licht­ quelle sowie einem aus zwei Linsen (6, 7) bestehenden optischen System zur Strahlaufweitung besteht. Auf der Seite der anderen Prismenrückfläche (27) ist ein Spiegel (3) mit zur Referenzflä­ che (10) senkrechter Spiegelfläche angeordnet. Diesem Spiegel (3) ist ein Abbildungssystem nachgeordnet, das aus einem aus zwei Linsen (8, 9) bestehenden Abbildungsteleskop und einer nachgeschalteten CCD-Kamera (4) besteht. Es versteht sich aus der prinzipiellen Umkehrbarkeit des Lichtwegs, daß alternativ das Beleuchtungssystem (1, 6, 7) und das Abbildungssystem (4, 8, 9) bei dem Interferometer nach Fig. 1 vertauscht angeordnet sein können, wobei die ausreichende Planheit des Spiegels (3) zu berücksichtigen ist.

Das Beleuchtungssystem (1, 6, 7) ist an einem strichpunktiert angedeuteten Schwenkarm (12) gehalten, der am einen Ende um ei­ ne Achse (16) als Drehpunkt schwenkbar an einem nicht gezeigten Rahmen angelenkt ist. Die Schwenkachse (16) verläuft parallel sowohl zur Referenzfläche (10) als auch zu der dazu senkrechten Symmetriemittelebene (17) des Prismas (2), wobei sie zu beiden Ebenen denselben Abstand (a) aufweist. In analoger Weise ist das Abbildungssystem (4, 8, 9) an einem weiteren, ebenfalls strichpunktiert angedeuteten Schwenkarm (13) gehalten, der pa­ rallel zum Beleuchtungssystem-Schwenkarm (12) verläuft und um eine weitere Drehachse (14) als weiteren Drehpunkt schwenkbar angelenkt ist. Diese weitere Drehachse (14) liegt hierbei im vom Spiegel (3) erzeugten Spiegelbild einer Achse (15), die der Drehachse (16) des Beleuchtungssystems-Schwenkarms (12) bezüg­ lich der Prismensymmetriemittelebene (17) symmetrisch gegen­ überliegt, so daß die Verbindungslinie (11) der Drehpunkte (14, 16) im Abstand (a) unterhalb der Referenzfläche (10) parallel zu dieser verläuft. Mit dem Abstand (d) zwischen Spiegel (3) und Drehachse (14) des Abbildungssystems (4, 8, 9) ergibt sich für den Abstand (s) zwischen den beiden Drehachsen (14, 16) die Beziehung s = 2d + 2a.

Die beiden Schwenkarme (12, 13) sind an ihren beiden den Dreh­ achsen (14, 16) gegenüberliegenden Enden mittels einer Stange (5) der Länge (s) zu einem Parallelogrammgestänge miteinander verkoppelt.

Zur Ebenheitsmessung wird ein Prüfling vor die Prismenreferenz­ fläche (10) gebracht, wie dies zu Fig. 4 oben beschrieben wurde. Dieser wird daraufhin beleuchtet, wie in Fig. 1 durch zwei Pfeile für den Beleuchtungsstrahlengang und zwei Pfeile für den Abbildungsstrahlengang illustriert ist. Je nach Art des Prüf­ lings bzw. der Rauhigkeit der zu prüfenden Oberfläche und somit nach der gewünschten Auflösung wird die Empfindlichkeit für die Messung passend eingestellt, z. B. im Bereich von 0,5 im/Strei­ fen für feine und im Bereich von 5 µm/Streifen für rauhere Oberflächen. Als Variante, die besonders bei Prüflingen mit Stufen an der zu prüfenden Oberfläche zweckmäßig ist, können zur Erhöhung des Eindeutigkeitsbereichs zwei Messungen mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten kombiniert werden, woraus sich eine Messung mit einer effektiven Empfindlichkeit gewinnen läßt, die dem Quotient aus dem Produkt der beiden einzelnen Empfindlichkeiten dividiert durch deren Differenzbetrag ent­ spricht. Zwischen den beiden Einzelmessungen mit verschiedenen Empfindlichkeiten ist auf die Konstanz der Bildlage zu achten. Das Interferometer nach Fig. 1 erlaubt eine Empfindlichkeits­ verstellung in einem verhältnismäßig weiten Bereich, ohne daß das Interferenzbild auswandert oder zu unscharf wird.

Die Empfindlichkeitsverstellung wird durch Verschwenken des Pa­ rallelogrammgestänges erreicht. So ist in Fig. 1 eine Verstel­ lung zwischen einer Endstellung, in der die Schwenkarme (12, 13) in der mit einfachen Punkten strichpunktiert gezeigten Lage einen Winkel (α₁) zur Referenzfläche (10) bzw. zur Verbindungs­ linie (11) der Schwenkarmdrehachsen (14, 16) einnehmen, und ei­ ner zweiten Endstellung, in der sie (12′, 13′) mit der Drehach­ senverbindungslinie (11) einen um (Δα) größeren Winkel ein­ schließen, skizziert. Die Kopplungsstange (5), die sich in der zweiten Endstellung in der mit (5′) bezeichneten Lage befindet, stellt die Parallelverschiebung der Schwenkarme (12, 13) in die mit doppelten Punkten strichpunktiert gezeigte Lage (12′, 13′) sicher. Da die optische Achse des Beleuchtungssystems (1, 6, 7) in der Längsachse des zugehörigen Schwenkarms (12) liegt, be­ deutet die Verschwenkung der Schwenkarme (12, 13) die geforderte Empfindlichkeitsverstellung, d. h. die Änderung des Lichtein­ fallswinkels, mit dem sich entsprechend auch der Lichtausfalls­ winkel ändert. Hierbei ist zu beachten, daß durch die Anordnung des Spiegels (3) die optische Achse des Abbildungssystems (4, 8, 9) bei dem Interferometer nach Fig. 1 nicht wie bei bekann­ ten Prismen-Interferometern bezüglich der Prismensymmetriemit­ telebene (17) symmetrisch, sondern parallel zur optischen Achse des Beleuchtungssystems (1, 6, 7) liegt. Dies hat den Vorteil, daß sich das Interferometer vergleichsweise klein und kompakt bauen läßt. Denn während ohne Spiegel das System "Lichtquelle-Prisma-Kamera" ein gleichschenkliges Dreieck bildet, dessen vom Abstand Lichtquelle-Kamera gebildete Hypothenuse die Mindest­ breite des Geräts bestimmt, läßt sich bei dem Interferometer nach Fig. 1 das Abbildungssystem (4, 8, 9) sehr nahe und paral­ lel zum Beleuchtungssystem (1, 6, 7) und somit platzsparend an­ ordnen. Die zur Referenzfläche (10) senkrechte Anordnung der Spiegelfläche des Spiegels (3) gewährleistet die korrekte Um­ lenkung des aus dem Prisma (2) austretenden, dem Abbildungssy­ stem (4, 8, 9) zuzuführenden Lichtes.

Es hat sich gezeigt, daß mit der in Fig. 1 gezeigten Lage der Drehachsen (14, 16) für die Schwenkarme (12, 13) in geringem Abstand unterhalb der Ebene der Referenzfläche (10) und - ohne Spiegelung - mit dem gleichen verhältnismäßig geringen Abstand zur Prismensymmetriemittelebene (17) nur noch eine zu vernach­ lässigende Wanderung des Interferenzstreifenbildes auftritt. Dieser Abstand (a) sowie die durch den Abstand (d) bestimmte Lage des Spiegels (3) werden so abgestimmt, daß der seitliche Versatz des Bildes bei einer Empfindlichkeitsverstellung mög­ lichst klein bleibt und die Fokussierung, d. h. der Abstand des virtuellen Bildpunktes (P′) in Fig. 4 vom Drehpunkt, sich mög­ lichst wenig ändert. Dies geschieht beispielsweise durch die Ermittlung der jeweils optimalen Situation in den beiden End­ stellungen des einzustellenden Winkelbereichs, d. h. in Fig. 1 in der Winkelstellung (α₁) einerseits und in der Winkelstellung andererseits sowie durch daraus resultierendes Bilden einer optimalen mittleren Einstellung, die zu einer bestmögli­ chen Situation im mittleren Einstellbereich und zu beidseitig gleichmäßig nur geringfügig vom Optimum abweichenden Verhält­ nissen führt. Da sich bei der Empfindlichkeitsverstellung die Bildebene gegenüber der optischen Achse verkippt, ist die CCD-Kamera (4) mittels einer Schwenkhalterung (28) drehbeweglich am zugehörigen Schwenkarm (13) angelenkt. Durch ein entsprechendes zusätzliches Verkippen der Kamera (4) um die zur optischen Ach­ se senkrechte Kippachse der Halterung (28) läßt sich nach einem Verschwenken des Schwenkarms (13) zwecks Empfindlichkeitsver­ stellung die Bildebene wieder mit der sensitiven Bildschirmflä­ che der Kamera (4) in Übereinstimmung bringen, während ohne diese Kippnachführung die Bildebene nach einer Empfindlich­ keitsverstellung zur sensitiven Bildschirmfläche geringfügig geneigt ist, so daß das Bild nicht mehr über die gesamte Fläche gleichmäßig scharf bliebe.

Mit diesem Interferometer kann folglich in einem Winkelbereich (Δα) die Meßempfindlichkeit und auch der Meßbereich variiert und den Erfordernissen des jeweiligen Prüflings angepaßt wer­ den. Durch die gezeigte, spezielle mechanisch-optische Anord­ nung nach Fig. 1 wird sichergestellt, daß das gewünschte Bild und dessen Bildschärfe bei einer Änderung der Empfindlichkeit erhalten bleiben, wenn der Abstand (a) der Drehachsen (14, 16) zur Referenzflächenebene (10) entsprechend dem vorzugebenden Drehpunktabstand (s) eingestellt und der Spiegel (3) geeignet positioniert wird. Mit dem in Fig. 1 funktionsschematisch ge­ zeigten Interferometer ist folglich eine Topographiebestimmung von Prüflingsflächen in einem weiten Empfindlichkeitsbereich mit hoher Genauigkeit möglich. Dieses Interferometer stellt zwar noch nicht die für jeden Lichteinfallswinkel abbildungs­ technisch optimale Lösung, jedoch gegenüber bekannten Systemen einen weitaus besseren Kompromiß zwischen Abbildungsqualität einerseits und Konstruktionsaufwand für die Verstellmechanik andererseits dar.

Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung durch höheren Konstruktionsaufwand für die Verstellmechanik möglich, sich der abbildungstechnisch optimalen Lösung weiter anzunähern. Bei ei­ ner Verbesserung in dieser Richtung können bei dem Interferome­ ter nach Fig. 1 weitere Elemente (8, 9) des Abbildungssystems verkippbar auf ihrem Schwenkarm (13) festgelegt sein. Bei Be­ darf kann durch eine aufwendigere Verstellmechanik eine weitere Erhöhung der Abbildungsqualität dadurch erzielt werden, daß das Beleuchtungssystem (1, 6, 7) und/oder das Abbildungssystem (4, 8, 9) zur Empfindlichkeitsverstellung längs einer komplexen Ortskurve geführt werden, die eine Schwenkbewegung um jeweils unterschiedliche, lokale Drehpunkte realisiert, wobei die bei­ den Drehpunkte nicht mehr ortsfest bleiben. Aus der Wanderung des Bildpunktes (P′) in Fig. 4 bei unterschiedlichen Lichtein­ fallswinkeln läßt sich eine möglichst günstige Verstellkurve ermitteln, welche dann z. B. mit einer Kulissenführung reali­ sierbar ist, deren Kulisse die gewünschte Ortskurvenform auf­ weist, die eine kombinierte Dreh- und Translationsbewegung dar­ stellen kann.

In den Fig. 2 und 3 ist die Halterung für das Prisma (2) näher gezeigt, mit der sich das Prisma (2) senkrecht zu seiner Refe­ renzfläche (10), d. h. zu einem anzulegenden Prüfling hin und von ihm weg, verschiebbar gehalten ist. Hierbei ist das Prisma (2) in einem Rahmen (17) gehalten, wobei die definiert plane Referenzfläche (10) geringfügig über den Rahmen (17) vorsteht. Dieser Rahmen (17) ist seinerseits an zwei gegenüberliegenden Seiten über jeweils einen Piezotranslator (19, 20) auf einen in Fig. 2 lediglich angedeuteten ortsfesten Sockel (21) aufgelegt. Als Variante ist es des weiteren selbstverständlich möglich, das Prisma (2) mittels einem oder mehr als zwei Piezotransla­ toren höhenverstellbar zu halten. Durch die beiden Piezotrans­ latoren (19, 20) ist der Rahmen (17) und damit das Prisma (2) in vertikaler Richtung, d. h. in Fig. 2 nach oben oder unten, verschiebbar. Diese Verschiebung ergibt bei einem der Referenz­ fläche (10) gegenübergelegten Prüfling, wie dies zu Fig. 4 oben beschrieben wurde, eine Veränderung des Abstands (h) der Prüf­ lingsmeßfläche (25) zur Referenzfläche (10).

Diese Höhenverstellung erlaubt eine feinfühlige Veränderung der Interferenzstreifenbilder während einer Oberflächenprüfung. Diese verschiedenen Interferenzstreifenmuster, die auf einer Phasenverschiebung der beiden miteinander interferierenden Teilstrahlen, also des an der Referenzfläche (10) rückseitig reflektierten und des von der Prüflingsmeßfläche (25) reflek­ tierten Teilstrahls, aufgrund des geänderten Höhenabstands der Referenzfläche (10) zum Prüfling beruhen, ermöglichen eine au­ tomatische Auswertung nach der dynamischen Methode, mit der die Prüflingsflächentopographie mittels mehrerer Streifenbilder bei unterschiedlicher Phasenverschiebung rechnerisch genau ermit­ telt und beispielsweise als dreidimensionales Computerbild wie­ dergegeben wird. Die Piezotranslatoren (19, 20) erlauben hier­ bei eine exakt steuerbare, feinfühlige Höhenverstellung zur ge­ ringfügigen Phasenverschiebung während einer solchen Auswer­ tung. Im Gegensatz hierzu dient die oben beschriebene Empfind­ lichkeitsverstellung hier im allgemeinen der Grobeinstellung des Interferometers auf den jeweiligen Prüfling und wird wäh­ rend einer Messung zur automatischen Topographieauswertung nicht mehr verstellt. Wenn der Abstand des Prüflings zur Refe­ renzfläche (10) exakt bekannt ist, kann aber die zum Erhalten der mehreren Interferenzstreifenmuster zur dynamischen Auswer­ tung notwendige Phasenverschiebung alternativ zur Höhenverstel­ lung des Prismas (2) durch eine kleine, feinfühlige Verstellung der Empfindlichkeit erzielt werden.

Es ist hervorzuheben, daß die in den Fig. 2 und 3 gezeigte Art der Halterung des die definiert plane Referenzfläche (10) auf­ weisenden transparenten Körpers (2) auch in Interferometern nutzbringend anwendbar ist, die nicht dem Interferometer nach Fig. 1 entsprechen. Es ist insbesondere möglich, ein Interfero­ meter mit festem Lichteinfallswinkel, d. h. ohne Empfindlich­ keitsverstellung, vorzusehen und dieses mit einer höhenver­ stellbaren Lagerung für den transparenten Strahlteilungskörper auszustatten, wobei neben Piezotranslatoren auch andere, tech­ nisch äquivalente Mittel einsetzbar sind, z. B. handbediente oder rechnergesteuerte Mikrometerschraubenanordnungen. Die zur Auswertung erforderlichen, phasenverschobenen Interferenzmuster werden, wie oben gesagt, bevorzugt durch Einstellung unter­ schiedlicher Referenzflächenhöhen erzeugt. Ein solches Vorgehen vermeidet Meßfehler, wie sie einer Phasenverschiebung durch Empfindlichkeitsverstellung inhärent sind und bei kleinen Meß­ empfindlichkeiten zunehmend ins Gewicht fallen.

Zu betonen ist, daß diese Methode der Höhenverstellung des transparenten Strahlteilungskörpers nicht gleichwertig zu der bekannten Abstandsverstellung des Prüflings ist. Denn während bei einer Verschiebung des Prüflings störende, das Meßergebnis beeinflussende, laterale Bildfehler in Form sogenannter Shea­ ringeffekte auftreten, die den Fachmann bei höheren Anforderun­ gen an die Abbildungsqualität zur Wahl der Empfindlichkeitsver­ stellungsmethode geführt haben, wurde überraschenderweise ge­ funden, daß sich diese Shearingeffekte bei feststehendem Prüf­ ling und Höhenverstellung des Strahlteilungskörpers deutlich verringern lassen, da in diesem Fall lediglich die ebene Refe­ renzwelle des an der definiert planen Referenzfläche zurückre­ flektierten Interferenzteilstrahls lateral verschoben wird, die gekrümmte Objektwelle des von der Prüflingsmeßfläche reflek­ tierten Interferenzteilstrahls hingegen ortsfest bleibt. Diese Methode der Höhenverstellung des Strahlteilungskörpers hat zu­ dem den Vorteil, daß sich der Verstellmechanismus im Innern des Interferometergerätes unterbringen läßt und eine einfache Prüf­ lingshalterung, die nicht verstellbar zu sein braucht, möglich wird.

Claims (11)

1. Interferometer zur Messung der Topographie von Prüf­ lingsoberflächen, mit:

• - einem Beleuchtungssystem (1, 6, 7),
• - einem transparenten Strahlteilungskörper (2) mit einer der jeweiligen Prüflingsoberfläche (25) in einem Abstand (h) gegenüberzustellenden, definiert planen Referenzfläche (10),
• - einem Abbildungssystem (4, 8, 9) und
• - einer aus zwei parallelen Schwenkarmen bestehenden Halterung (12, 13) für das Beleuchtungssystem (1, 6, 7) und das Abbildungssystem (4, 8, 9), mittels der das Be­ leuchtungssystem und das Abbildungssystem zur Empfindlich­ keitsverstellung um jeweils unterschiedliche, ortsfeste Drehpunkte (14, 16) verschwenkbar angeordnet sind, wobei die Lichtweglänge in den verschiedenen Empfindlichkeits­ einstellungen im wesentlichen konstant bleibt.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwenkarm (12) für das Beleuchtungssystem und der Schwenkarm (13) für das Abbildungssystem durch Kopplungsmittel (5) miteinander verbunden sind.

3. Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindungslinie (11) der beiden Drehpunkte (14, 16) im wesentlichen parallel zur Ebene der Referenzfläche (10) verläuft.

4. Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindungslinie (11) der beiden Drehpunkte auf der prüflingsabgewandten Referenzflächenseite mit geringem Abstand (a) zur Referenzfläche (10) verläuft.

5. Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als transparenter Strahlteilungskörper ein Prisma (2) vorgesehen ist, dessen Hypothenusenfläche als Referenzflä­ che (10) dient, und daß sich die Drehpunkte (14, 16) auf gegen­ überliegenden Seiten der zur Referenzfläche senkrechten Symme­ trieebene (17) des Prismas befinden.

6. Interferometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß wenigstens einer (16) der Drehpunkte (14, 16) denselben Abstand (a) zur Prismensymmetrieebene (17) wie zur Referenzfläche (10) hat.

7. Interferometer nach einem der Ansprüche 2 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens eines (4) der Elemente (4, 8, 9) des Abbildungssystems gegenüber seinem halternden Schwenkarm (13) verkippbar an diesem angebracht ist.

8. Interferometer nach einem der Ansprüche 2 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Spiegelelement (3) mit zur Refe­ renzfläche (10) senkrechter Spiegelfläche zwischen dem transpa­ renten Strahlteilungskörper (2) und dem Abbildungssystem (4, 8, 9) angeordnet ist und daß die Schwenkarme (12, 13) durch die Kopplungsmittel (5) zu einem Parallelogrammgestänge gekoppelt sind.

9. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Halterung (17, 19, 20) für den Strahlteilungskörper (2) vorgesehen ist, durch die letzterer (2) senkrecht zu seiner Referenzfläche (10) verschiebbar gehal­ ten ist.

10. Interferometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Halterung für den Strahlteilungskörper aus einem den Strahlungsteilungskörper (2) aufnehmenden Rahmen (17) sowie aus einem oder mehreren, den Rahmen (17) tragenden Piezotrans­ latoren (19, 20) besteht.

11. Verfahren zur Messung der Topographie von Prüflings­ oberflächen, bei dem die Prüflingsoberfläche (25) von einem Beleuchtungssystem (1, 6, 7) über einen transparenten Strahl­ teilungskörper (2), der eine der Prüflingsoberfläche in einem Abstand (h) gegenüberliegende, definiert plane Referenzfläche (10) aufweist, beleuchtet und das von der Prüflingsoberfläche reflektierte und den Strahlteilungskörper passierende Licht einem auswertenden Abbildungssystem (4, 8, 9) zugeführt wird, wobei das Beleuchtungssystem und das Abbildungssystem zur Empfindlichkeitsverstellung um jeweils unterschiedliche, ortsfeste Drehpunkte (14, 16) verschwenkbar an einer aus zwei parallelen Schwenkarmen bestehenden Halterung (12, 13) derart angeordnet sind, daß die Lichtweglänge in den verschiedenen Empfindlichkeitseinstellungen im wesentlichen konstant bleibt, und wobei für einen Meßvorgang zwei Einzelmessungen bei unterschiedlichen Empfindlichkeiten durchgeführt werden, die zu einer Messung mit einer effektiven Empfindlichkeit verknüpft werden, welche sich aus dem Produkt der beiden ein­ zelnen Empfindlichkeiten dividiert durch deren Differenzbe­ trag bestimmt.