DE10019059B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Profilabweichungen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Messung von Profilabweichungen einer nahezu ebenen reflektierenden Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilabweichung der Oberfläche durch Vergleich mit einer bekannten Normalfläche ermittelt wird, indem die Oberfläche nahezu parallel gegenüber der Normalfläche angeordnet wird und mit einer mechanisch geführten rasterartigen Abtastung eine interferometrische Abstandsmessung ausgeführt wird und aus Positions- und Meßwerten die Profilabweichungen charakterisierende Wertepaare ermittelt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Profilabweichungen einer nahezu ebenen reflektierenden Oberfläche.
• Die Erfindung ist besonders geeignet zur Messung von Profilabweichungen an Spiegeln für die Interferometrie.
• Als lange oder großflächige planare Meßspiegel für die Interferometrie kamen bisher nur Spiegel mit den der Meßgenauigkeit entsprechenden Fehlergrenzen zur Anwendung. Bei steigenden Anforderungen besonders in der Koordinatenmeß- und Positioniertechnik entstehen dadurch erhebliche Kosten.
• Das Prinzip, die Abstandsänderung zweier sich gegenüberstehender Spiegel interferometrisch zu messen, ist nach US-PS 4.334.778 bekannt. Durch das Antasten der Oberflächen in jeweils zwei Meßpunkten ist diese Anordnung jedoch für die Untersuchung der Profilabweichung ungeeignet. Nachteilig ist ferner, dass der Abstand zwischen den Spiegeln vierfach als Totstrecke auftritt, wodurch das Interferometer für Umwelteinflüsse sensibilisiert ist.
• Im Stand der Technik sind verschiedene Anordnungen bekannt, mit denen Profilabweichungen mechanisch oder optisch gemessen werden, indem ein Messfühler über die zu observierende Oberfläche bewegt wird. Nachteilig ist hierbei, dass das Messergebnis durch Fehler infolge des Führungsspiels oder von Verkippungungen des Messfühlers als auch durch Abweichung der Führungsbahn von einer idealen Linie entstehen, verfälscht wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen Profilabweichungen der zu untersuchenden Fläche mit hoher Genauigkeit und bei weitgehender Verringerung von Umwelteinflüssen ermittelt werden können.
• Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 1 und 5.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Durch die Gewinnung von Wertepaaren aus Position und Profilabweichung kann ein systematische Fehler in späteren Anwendungen der untersuchten Flächen rechnerisch korrigiert werden. Somit sind teure Flächen hoher Güte durch preiswertere ersetzbar, sofern die Profilabweichungen als invariant angesehen werden können. Die Erfindung ermöglicht eine hochgenaue Messung von Profilabweichungen nahezu ebener reflektierender Flächen aufgrund:
• – der Eliminierung des Messfehlers aus Führungsspiel und Führungsfehler durch die Art der Messanordnung
• – der relativen Abstandsmessung durch Abtastung der beiden Oberflächen in nur je einem Reflexionspunkt
• – der Desensibilisierung gegen Umwelteinflüsse durch die optische Kompensation der Totstrecke des Interferometers
• – der Verwendung nur einer Wellenlänge
• – der mechanisch geführten rasterartigen Abtastung der Oberfläche
• – Das Abstandsinterferometer kann eine beliebige, reproduzierbare, lineare Bewegung ausführen, die nicht geradlinig sein muß.
• Durch Messung und rechnergestützte Korrektur der Profilabweichungen ermöglicht die Erfindung den Einsatz kostengünstiger Spiegel in Koordinatenmess- und Positioniersystemen.
• Die Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung.
• Die Erfindung basiert auf einem Vergleich einer zu untersuchenden Oberfläche eines Prüflings mit einer bekannten Oberfläche eines Normals durch eine direkte relative Abstandsmessung zwischen den Reflexionspunkten am Prüfling und am Normal in Verbindung mit einer mechanisch geführten rasterartigen Abtastung der Oberfläche und der optischen Kompensation der Totstrecke des Interferometers.
• 1 erläutert den prinzipiellen Aufbau des Abstandsinterferometers mit Totstreckenkompensation. Als Normal findet ein Spiegel besonderer Güte, dessen Unebenheiten vernachlässigbar oder bekannt sind, Anwendung. Prüfling 11 und Normal 9 werden parallel gegenüber angeordnet, um so die Fehler, die infolge von Verkippung und Führungsspiel entstehen, zu verringern oder zu eliminieren.
• Linear polarisiertes Licht 1 trifft auf einen polarisierenden Teilerwürfel 2 und wird in zwei senkrecht zueinander schwingenden Komponenten r und m geteilt. Die nicht reflektierte Komponente m passiert den ersten Teilerwürfel 2 unbeeinflusst. Die Komponente r wird reflektiert und läuft in Richtung des ersten Referenzenspiegels 4. Dabei passiert r eine λ/4-Platte 3, die so orientiert ist, dass sie das linear polarisierte Licht zu zirkular polarisiertem wandelt. Nach der Reflexion am ersten Referenzspiegel 4 entsteht bei erneutem Durchgang durch die λ/4-Platte 3 Licht linearer Polarisation, das die Spiegelfläche des Teilerwürfels 2 unbeeinflusst passiert. Der Referenzstrahl r passiert eine weitere λ/4-Platte 5 die so ausgerichtet ist, dass das Licht wiederum zirkular polarisiert wird. Nach der Reflexion am zweiten Referenzspiegel 6 und dem Passieren der λ/4-Platte 5 trifft die linear polarisierte Komponente r wieder auf die Reflexionsschicht des polarisierenden Teilerwürfels und wird reflektiert. Beide Strahlen r und m verlaufen jetzt parallel und treten in den um 90 Grad gedrehten zweiten Teilerwürfel 7 ein. Da der Aufbau der optisch wirksamen Teile um den oberen Teilerwürfel dem um den unteren entspricht, findet auch ein analoger Strahlengang statt, mit dem Unterschied, dass der den unteren Teilerwürfel geradewegs passierende Messstrahl m im oberen Teilerwürfel reflektiert wird und umgekehrt. Grund für diese Anordnung ist die Notwendigkeit, die Totstrecke des Interferometers kompensieren zu können. Um beide Strahlen zur Interferenz zu bringen, werden sie durch eine weitere λ/4-Platte 12 in links- und rechtszirkular polarisiertes Licht 13 gewandelt, welches durch die Überlagerung der Komponenten als linear polarisiert erscheint und im Azimuth die Information über die Weglängendifferenz der beiden Strahlen trägt. Die Komponente m hat also den Weg vom Reflexionspunkt auf der Teilerschicht zum Reflexionspunkt auf dem Normal, von dort zum Reflexionspunkt auf dem Prüfling und weiter zum Reflexionspunkt auf der Teilerschicht zurückzulegen, ehe sie sich wieder mit der Komponente r vereint, die den Abstand zwischen den beiden Referenzspiegeln zweimal durchläuft. Wird das Abstandsinterferometer nach einer Nullung zwischen zwei reflektierenden Oberflächen hindurch bewegt, gibt es den doppelten Wert der Abstandsänderung bezüglich des Nullungspunktes aus und eignet sich somit hervorragend für das geschilderte Verfahren zur Messung von Profilabweichungen einer nahezu ebenen reflektierenden Oberfläche.

1

Strahleintritt

2

erster Teilerwürfel

3

λ/4-Platte

4

erster Referenzspiegel

5

λ/4-Platte

6

zweiter Referenzspiegel

7

zweiter Teilerwürfel

8

λ/4-Platte

9

Normal

10

λ/4-Platte

11

Prüfling

12

λ/4-Platte

13

Strahlaustritt

r

Referenzstrahl

m

Meßstrahl

Claims (6)

1. Verfahren zur Messung von Profilabweichungen einer nahezu ebenen reflektierenden Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilabweichung der Oberfläche durch Vergleich mit einer bekannten Normalfläche ermittelt wird, indem die Oberfläche nahezu parallel gegenüber der Normalfläche angeordnet wird und mit einer mechanisch geführten rasterartigen Abtastung eine interferometrische Abstandsmessung ausgeführt wird und aus Positions- und Meßwerten die Profilabweichungen charakterisierende Wertepaare ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebenheitsabweichungen der zu untersuchenden Oberfläche durch Kombination mehrerer Messungen bestimmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – linear polarisiertes Licht (1) mit einem polarisierenden Teilerwürfel (2) in zwei senkrecht zueinander schwingenden Komponenten (r, m) geteilt wird, – wobei eine Komponente (m) den Weg vom Reflexionspunkt auf dem Teilerwürfel (2) zum Reflexionspunkt auf der Normalfläche, von dort zum Reflexionspunkt auf der zu vermessenden Oberfläche und weiter zum Reflexionspunkt auf dem Teilerwürfel (2) zurücklegt, – die zweite Komponenete (r) den Abstand zwischen zwei Referenzspiegeln (4, 6) zweimal durchläuft und – danach beide Komponenten (r, m) vereint werden und interferieren.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Interferometer kohärentes Licht nur einer Wellenlänge zugeführt wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche und die Normalfläche feststehend angeordnet sind und dass ein Abstandsinterferometer, welches einen polarisierenden Teilerwüfel und zwei λ/4-Platten enthält, an einer Führung befestigt ist, die eine lineare Bewegung zwischen den beiden spiegelnden Flächen ermöglicht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der Totstrecke des Interferometers auf den Teilerwürfel eine äquivalente Anordnung, bestehend aus einem zusätzlichen polarisierenden Teilerwürfel, zwei λ/4-Platten und zwei Spiegeln für den Referenzstrahl aufgesetzt ist.