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