-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Messvorrichtung
zur Formvermessung einer Fläche
eines Objektes mit einer eine kurzkohärente Strahlung abgebenden
Strahlungsquelle, einem Strahlteiler zum Bilden eines über einen
Objektlichtweg zu dem Objekt geleiteten Objektstrahls und eines über einen
Referenzlichtweg zu einer reflektierenden Referenzebene geleiteten
Referenzstrahls und mit einem Bildwandler, der die von der Fläche und
der Referenzebene zurück
geworfene und zur Interferenz gebrachte Strahlung aufnimmt und einer Auswerteeinrichtung
zum Bestimmen eines die Fläche
betreffenden Messergebnisses zuführt,
wobei für die
Messung die optische Länge
des Objektlichtweges relativ zu der optischen Länge des Referenzlichtwegs geändert wird.
-
Eine
interferometrische Messvorrichtung dieser Art ist in der
DE 41 08 944 A1 angegeben
(wobei die vorliegend alternativ noch angegebene Zwischenbildabtastung
jedoch nicht genannt ist). Bei dieser bekannten interferometrischen
Messvorrichtung, die auf dem Messprinzip der sogenannten Weisslichtinterferometrie
oder Kurzkohärenzinterferometrie
beruht, gibt eine Strahlungsquelle kurzkohärente Strahlung ab, die über einen
Strahlteiler in einen ein Messobjekt beleuchtenden Objektstrahl
und einen eine reflektierende Referenzebene in Form eines Referenzspiegels
beleuchtenden Referenzstrahl aufgeteilt wird. Um die Objektoberfläche in Tiefenrichtung
abzutasten, wird der Referenzspiegel mittels eines Piezostellelementes
in Richtung der optischen Achse des Referenzlichtweges verfahren.
Wenn der Objektlichtweg und der Referenzlichtweg übereinstimmen,
ergibt sich im Bereich der Kohärenzlänge ein
Maximum des Interferenzkontrastes, der mittels eines photoelektrischen
Bildwandlers und einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung erkannt
und zur Bestimmung der Kontur der Objektoberfläche auf der Grundlage der bekannten
Auslenkposition des Referenzspiegels ausgewertet wird.
-
Weitere
derartige interferometrische Messvorrichtungen bzw. interferometrische
Messverfahren auf der Basis der Weisslichtinterferometrie sind in P.
de Groot, L. Deck, "Surface
profiling by analysis of white-light interferograms in the spatial
frequency domain" J.
Mod. Opt., Vol. 42, No. 2, 389–401,
1995 und Th. Dresel, G. Häusler,
H. Venzke; "Three-dimensional
sensing of rough surfaces by coherence radar", Appl. Opt., Vol. 31, No. 7, 919–925, 1992
angegeben.
-
Bei
den bekannten interferometrischen Messvorrichtungen bzw. Messverfahren
bestehen Schwierigkeiten, wenn die Messaufgabe die Abtastung mehrerer
voneinander getrennter Flächen
erfordert, die z.B. mehrere Millimeter beabstandet und/oder schräg zueinander
orientiert sind.
-
Bei
einer in der
DE 197
21 843 C1 gezeigten interferometrischen Messvorrichtung
zur Formvermessung an Oberflächen
werden zwei Oberflächenbereiche
mit zwei Teilstrahlen abgetastet, die über einen Polarisationsstrahlteiler
erhalten werden. Die Auswertung erfolgt über verschiedene zugeordnete Photodetektoren,
womit ein entsprechender Aufbau- und Justieraufwand verbunden ist.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Messvorrichtung
der eingangs genannten Art bereit zu stellen, mit der mindestens
zwei voneinander räumlich
getrennte Flächen
mit möglichst
geringem Aufwand mit genauen, gut reproduzierbaren Messergebnissen
vermessen werden können.
-
Vorteile der Erfindung
-
Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und alternativ 3 gelöst. Hiernach
ist vorgesehen, dass in dem Objektlichtweg eine Superpositionsoptik
mit einer Multifokaloptik oder einer Freie-Segmente-Optik aus verschiedenen
Abbildungselementen vorgesehen ist, dass mit der Superpositionsoptik
gleich zeitig außer
von der Fläche
von mindestens einer weiteren Fläche
ein Bild erzeugbar ist, die direkt oder über mindestens eine Zwischenabbildung
im Objektlichtweg auf dem Bildwandler abgebildet werden und dass
die Messung der Fläche
und der mindestens einen weiteren Fläche unter relativer Änderung
der optischen Länge
des Objektlichtweges zu der optischen Länge des Referenzlichtwegs (Abtasten,
Scan) erfolgt. Alternativ ist vorgesehen, dass in dem Objektlichtweg
eine Abbildungsoptik mit einer Schärfentiefe von mindestens dem
optischen Wegunterschied der beiden Flächen vorgesehen ist, mit der
gleichzeitig außer
von der Fläche
von mindestens einer davor oder dahinter liegenden, parallelen weiteren
Fläche – oder über optische
Ablenkelemente schräg
oder rechtwinklig zueinander angeordneten Flächen – ein Bild erzeugbar ist, das über mindestens eine
Zwischenabbildung im Objektlichtweg auf dem Bildwandler abgebildet
wird und dass die Messung der Fläche
und der mindestens einen weiteren Fläche unter relativer Änderung
der optischen Länge des
Objektlichtweges zu der optischen Länge des Referenzlichtweges
erfolgt.
-
Mit
diesen Maßnahmen
wird ohne neue Justierung des Objektlichtweges eine genaue Messung der
unterschiedlichen Flächen
ermöglicht.
Zur Erfassung des Referenzmaximums müssen lediglich die optischen
Längen
des Referenzlichtweges und des Objektlichtweges entsprechend den
Lagen der verschiedenen Flächen
nacheinander eingestellt werden. Die Freie-Segmente-Optik lässt sich
dabei z.B. auch leicht an schräg
zueinander gestellte oder gegenüberliegende
Flächen
anpassen. Mit der Multifokaloptik und auch mit der eine Schärfentiefe
von mindestens dem optischen Wegunterschied der beiden Flächen aufweisenden
Abbildungsoptik lassen sich unterschiedlich weit voneinander entfernte
und unterschiedlich zueinander orientierte Flächen und auch z.B. deren Parallelität oder Planheit,
Dicke und Durchmesser vermessen.
-
Verschiedene
günstige
Ausgestaltungen bestehen weiterhin darin, dass der Objektlichtweg
zum Erzeugen eines gemeinsamen Zwischenbildes der Fläche und
des Zwischenbildes der weiteren Fläche(n) in einer gemeinsamen
Zwischenbildebene im Objektlichtweg ausgebildet ist und dass das
gemeinsame Zwischenbild direkt oder über mindestens eine Zwischenabbildung
auf dem Bildwandler abgebildet wird. Mit mindestens einer Zwischenabbildung
ist zum einen eine Zwischenbildabtastung und zum anderen eine erhöhte laterale
Auflösung
möglich.
-
Eine
Messung mit relativ großer
lateraler Auflösung
auch in engen Hohlräumen
lässt sich
einfach durchführen,
wenn vorgesehen ist, dass der Objektlichtweg als Endoskop ausgebildet
ist.
-
Für eine genaue
Messung sind weiterhin die Maßnahmen
vorteilhaft, dass zur Beleuchtung des Objektes mit einer ebenen
Welle ein Lichtwellenleiter vorgesehen ist, deren objektseitiger
Ausgang in eine telezentrische Abbildungsanordnung des Objektlichtweges
gelegt ist, oder dass ein Beleuchtungslichtweg mit zusätzlichen
Linsen und Ablenkelementen gebildet ist.
-
Die
Messung wird dadurch ermöglicht
oder weiterhin begünstigt,
dass der Referenzlichtweg dem Objektlichtweg ähnliche oder identische Optiken
aufweist, durch welche die Erzeugung der Interferenzen ermöglicht wird
oder der Inter ferenzkontrast optimiert wird oder optische Einflüsse der
Komponenten im Objektlichtweg kompensiert werden.
-
Vielfältige Möglichkeiten,
auf einfache Weise verschiedene Oberflächen auch an schwer zugänglichen
Stellen zu vermessen, ergeben sich dadurch, dass im Objektlichtweg
eine bezüglich
des Objekts starre Optik angeordnet ist und dass der starren Optik
eine in Richtung ihrer optischen Achse bewegliche Optik folgt.
-
Eine
günstige
Ausbildung für
den Aufbau und die Handhabung besteht darin, dass die starre Optik Teil
der Superpositionsoptik ist.
-
Zum
Erreichen einer gegen laterale Relativbewegung des Objektes robusten
Messung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die starre Optik nach Unendlich
abbildet.
-
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht desweiteren darin,
dass die starre Optik als Superpositionsoptik ausgebildet ist, mit
der mindestens ein zum Objekt starres Zwischenbild erzeugt wird,
und dass als bewegliche Optik eine im Strahlengang hinter dem starren
Zwischenbild folgende Objektiv-Optik in Richtung ihrer optischen
Achse beweglich zur Abtastung des normal zu dieser Achse ausgerichteten
Zwischenbilds in Tiefenrichtung und Abbilden desselben direkt oder über eine
oder mehrere Zwischenabbildungen auf dem Bildwandler ausgebildet
ist. Durch die Erzeugung des z.B. im Objektlichtweg liegenden starren
Zwischenbilds der Objektoberfläche
mit der Superpositionsoptik in dem Objektlichtweg wird auch in engen
Kanälen
oder Bohrungen die zu messende Objektoberfläche mit relativ großer lateraler
Auflösung
erfassbar und mit dem Bildwandler und der nachgeschalteten Auswerteeinrichtung
hinsichtlich der Tiefenstruktur auswertbar. Die Abtastung des starren
Zwischenbildes ist mit relativ einfachen Maßnahmen möglich, da zu seiner Tiefenabtastung
nur wenige optische Komponenten des Objektlichtweges bewegt werden
müssen,
wobei die jeweils abgetastete Tiefe des starren Zwischenbildes stets
im Schärfetiefenbereich
der beweglichen Objektivoptik bleibt, da durch die Tiefenabtastung (Tiefenscan)
die Objektebene der bewegten Objektivoptik gleichsam durch das starre
Zwischenbild hindurch bewegt wird und auf diese Weise z.B. die Interferenzmaxima
im Bereich größter Schärfentiefe
ausgewertet werden.
-
Die
Abbildungsqualität
und Genauigkeit der Auswertung wird dadurch begünstigt, dass die Zwischenabbildung
für alle
im Zwischenbild abgebildeten Objektpunkte gleichen Abbildungsmaßstab besitzt.
Beispielsweise kann dabei der Aufbau derart sein, dass die starre
Optik als 4f-Anordnung ausgebildet ist.
-
Bezüglich der
Ausbildung der starren Optik und der beweglichen Optik sei ergänzend auf
die deutsche Patentanmeldung Nr. 101 15 524 derselben Anmelderin
hingewiesen.
-
Zeichnung
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer interferometrischen Messvorrichtung
nach dem Prinzip der Weisslichtinterferometrie (Kurzkohärenzinterferometrie)
mit einer Freie-Segmente-Optik, wobei die Freie-Segmente-Optik in
zwei um 90° zueinander gedrehten
Lagen dargestellt ist,
-
2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der interferometrischen Messvorrichtung, wobei in dem Objektlichtweg
eine Superpositionsoptik mit getrennten Linsenelementen gebildet
ist,
-
3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
für eine
interferometrische Messvorrichtung, wobei in dem Objektlichtweg
eine Bifokaloptik angeordnet ist,
-
4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer interferometrischen Messvorrichtung, bei dem die Strahlung
in dem Referenzlichtweg und dem Objektlichtweg mit Lichtwellenleitern
geführt
wird und
-
5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der interferometrischen Messvorrichtung, bei dem die Strahlung in
dem Objektlichtweg über
einen Beleuchtungslichtweg mit Linsen und Ablenkelementen geführt wird.
-
Ausführungsbeispiel
-
Wie 1 zeigt,
weist eine auf dem Prinzip der Weisslichtinterferometrie (Kurzkohärenzinterferometrie)
beruhende interferometrische Messvorrichtung einen Objektlichtweg
OW, einen Referenzlichtweg RW und einen Bildwandler BW mit nachgeschalteter
Auswerteeinrichtung auf, wie an sich bekannt und in den einleitend
genannten Druckschriften sowie darin genannter Literatur näher beschrieben.
Dabei wird ausgenutzt, dass Interferenz nur im Bereich der Kohärenzlänge auftritt,
wodurch eine einfache Abstimmung der optischen Weglängen des
Referenzlichtweges RW und des Objektlichtweges OW sowie z.B. die
Erfassung des Interferenzmaximums ermöglicht wird. Eine von einer
kurzkohärenten
Lichtquelle KL abgegebene Strahlung hat dabei z.B. eine Kohärenzlänge in der
Größenordnung
von 10 μm. Die
Strahlung der kurzkohärenten
Lichtquelle KL wird mittels eines Strahlteilers ST in einen über den
Referenzlichtweg RW geführten
Referenzstrahl und einen über
den Objektlichtweg OW geführten
Objektstrahl aufgeteilt. In dem Lichtweg zu dem Bildwandler BW sind
für die
Abbildung vorliegend eine vierte und eine fünfte Linse L4, L5 angeordnet.
-
Die
Messung wird dadurch ermöglicht
oder weiterhin begünstigt,
dass der Referenzlichtweg dem Objektlichtweg ähnliche oder identische Optiken
aufweist, durch welche die Erzeugung der Interferenzen ermöglicht wird
oder der Interferenzkontrast optimiert wird oder optische Einflüsse der
Komponenten im Objektlichtweg kompensiert werden.
-
In
dem Objektlichtweg OW ist als weitere Besonderheit eine Superpositionsoptik
in Form einer Freie-Segmente-Optik FO angeordnet, die in den rechts
daneben gezeigten Darstellungen im Querschnitt (obere Darstellung)
in einer 0°-Ansicht
(mittlere Darstellung) und in einer 90°-Ansicht (untere Darstellung)
in einem in eine Ventilbohrung BO bis in die Nähe eines Ventilsitzes VS geführten Zustand
wiedergegeben ist. Mit der Freien-Segmente-Optik FO können gleichzeitig
mehrere voneinander getrennte Flächen
A, B der Bohrung BO bzw. des Ventilsitzes VS erfasst und in einem
gemeinsamen Zwischenbild ZW in einer Zwischenbildebene im Objektlichtweg abgebildet
werden, die senkrecht zu einer optischen Hauptachse des Objektlichtweges
OW liegt. Die Freie-Segmente-Optik FO besitzt mehrere Licht ablenkende
Flächen
und abbildende Linsenelemente und ist an die jeweilige Messanforderung
angepasst. Insbesondere können
unterschiedlich weit von dem gemeinsamen Zwischenbild ZW entfernte
und auch schräg
zueinander gerichtete oder gegenüberliegende
Flächen
A, B erfasst und in dem gemeinsamen Zwischenbild ZW abgebildet werden.
-
Die
Erfassung der den beiden Flächen
A, B entsprechenden Interferenzmaxima erfolgt durch Änderung
des Referenzlichtweges RW entsprechend einer Abtastrichtung r. Die
bewegte Einheit ist strichliert dargestellt.
-
Die
in dem Objektlichtweg OW angeordnete Superpositionsoptik weist zwei
parallel geschaltete Linsen, nämlich
eine erste Linse L1 und eine zweite Linse L2 mit verschiedenen Brennweiten
auf, denen prismenförmige
Elemente vorgeschaltet sein können.
Der Objektlichtweg ist außerdem
zum Erzeugen einer telezentrischen Abbildung ausgelegt. Mit den beiden
Linsen L1 und L2 werden unterschiedlich weit, z.B. einige μm bis über 1 cm
voneinander entfernte, parallel zueinander und senkrecht zur optischen
Hauptachse des Objektlichtweges OW liegende Flächen A, B in das gemeinsame
Zwischenbild ZW aus dem Zwischen bild ZA der Fläche A und dem Zwischenbild
ZB der Fläche
B in einer Zwischenbildebene im Objektlichtweg abgebildet. Die Brennweiten
der ersten und der zweiten Linse L1, L2 sind mit FA,
FB angegeben. In dem Strahlengang des Objektlichtweges
OW ist weiterhin eine dritte Linse L3 zur Abbildung angeordnet.
Zum Erfassen des Interferenzmaximums wird der Spiegel SP in Abtastrichtung r
bewegt.
-
In 3 ist
ein Ausführungsbeispiel
der interferometrischen Messvorrichtung gezeigt, bei dem gegenüber der 2 anstelle
der beiden Linsen L1, L2 eine Bifokaloptik LB angeordnet ist, deren
Eigenschaft in etwa den beiden Linsen L1, L2 entspricht.
-
Bei
dem in 4 angegebenen Ausführungsbeispiel sind in den
Strahlengang des Objektlichtweges der Bifokaloptik LB objektseitig
gelegene weitere Linsen L6, L7 eingebracht. In dem Objektlichtweg
OW liegt außerdem
ein Lichtwellenleiter LL, über
den die kurzkohärente
Strahlung von der Strahlungsquelle KL geführt wird, um die Flächen A,
B über
die weitere Linse L7 mit einer ebenen Wellenfront zu beleuchten.
Im Wesentlichen entsprechende Linsen sind auch in den Referenzlichtweg
RW zur Kompensation angeordnet, und auch in dem Objektlichtweg wird
die Strahlung über
einen Lichtwellenleiter zugeführt.
-
In 5 ist
gegenüber
der 4 in dem Objektlichtweg OW der Lichtwellenleiter
LL durch einen Beleuchtungslichtweg LW mit diskreten zusätzlichen Linsen
LZ1, LZ2 und Ablenkelementen AE1, AE2 ersetzt, um die Flächen A,
B mit einer ebenen Welle zu beleuchten. Die weiteren Linsen L6,
L7 sind dabei nicht vorgesehen.
-
Mit
den vorstehend angegebenen interferometrischen Messvorrichtungen
werden unter Verwendung von Sonderoptiken in Form der genannten Superpositionsoptiken
gleichzeitig die räumlich
voneinander getrennten Flächen
A, B vermessbar. Dabei können
z.B. Abstand bzw. Dicke, Parallelität und Durchmesser der räumlich getrennten
Flächen
A, B gemessen werden. Die räumlich
getrennten Flächen können direkt
ober über
ein gemeinsames Zwischenbild ZW im Objektlichtweg auf den Bildwandler
BW abgebildet werden.
-
Das
gemeinsame Zwischenbild ZW kann direkt oder über eine oder mehrere Zwischenabbildungen
im Objektlichtweg auf dem Bildwandler BW z.B. einer CCD-Kamera abgebildet
werden.
-
Der
Aufbau der interferometrischen Messvorrichtung ist z.B. als Michelson-Interferometer realisiert.
Die kurzkohärente
Strahlungsquelle KL ist z.B. eine Superlumineszenzdiode oder eine
Leuchtdiode. Mit der Beleuchtung durch die Superpositionsoptik werden
die räumlich
getrennten Flächen
A, B des Objektes beleuchtet, wobei es günstig ist, die getrennten Flächen A,
B mit nahezu ebenen Wellen zu beleuchten.
-
Die
Superpositionsoptik in Form der Freie-Segmente-Optik FO kann z.B.
aus verschiedenen einzelnen Linsensystemen bestehen, die unterschiedliche
Flächen
entlang unterschiedlicher optischer Achsen und mit unterschiedlichen
optischen Weglängen
in die gemeinsame Zwischenbildebene abbilden. Die Freie-Segmente-Optik FO kann mit
optischen Elementen, wie z.B. sphärischen Linsen, asphärischen
Linsen, Stablinsen oder Grin-Linsen oder mit diffraktiven optischen Elementen
oder Prismen oder Spiegeln realisiert werden, die miteinander kombiniert
sein können.
-
Anstelle
der Ausbildung der Superpositionsoptik als Bifokaloptik LB kann
auch eine Multifokaloptik verwendet werden, wenn mehr Flächen vermessen
werden sollen. Die Multifokaloptik kann z.B. mit einer weiteren
Linse zu einer telezentrischen Anordnung kombiniert werden.
-
Zum
Abgleich der optischen Weglängen
und der Dispersion in beiden Interferometerarmen, nämlich dem
Referenzlichtweg RW und dem Objektlichtweg OW, sollten die Faserlängen und
Geometrien der verwendeten Lichtwellenleiter möglichst identisch gewählt werden.
-
Die
Superpositionsoptik kann näherungsweise
auch durch eine Optik mit großer
Schärfentiefe oder
mit erweiterter Schärfentiefe,
z.B. Axicon, realisiert werden.
-
Im
Falle einer Multifokaloptik bzw. Bifokaloptik als Superpositionsoptik
kann zur Kompensation in dem Referenzlichtweg RW eine Optik mit
nur einer Brennebene eingesetzt werden, wie aus 3 ersichtlich.
-
Auf
dem Bildwandler BW wird ein mit der Referenzwelle überlagertes
Bild der zu betrachtenden Flächen
A, B erzeugt. Zur Datenauswertung erfolgt z.B. eine durch die Abtastbewegung
r bewirkte Änderung
des Gangunterschiedes zwischen den optischen Weglängen im
Objekt- und Referenzlichtweg (Tiefenscan). Es können entsprechend dem Stand der
Technik verschiedene Vorgehensweisen zur Änderung des Gangunterschiedes
vorgesehen sein, z.B. Bewegung des Refe renzspiegels, Bewegung des
Objektes in Tiefenrichtung, Bewegung des Objektivs in Tiefenrichtung,
Bewegung des gesamten Sensors relativ zu dem Objekt oder auch eine
Zwischenbildabtastung gemäß der deutschen
Patentanmeldung 100 15 878 oder eine Änderung der optischen Weglänge durch
akustooptische Modulatoren.
-
Im
Bild des Objektes tritt hoher Interferenzkontrast dann auf, wenn
der Gangunterschied in beiden Interferometerarmen kleiner als die
Kohärenzlänge ist.
Zur Gewinnung des 3D-Höhenprofils
haben sich verschiedene Verfahren etabliert. Sie beruhen darauf,
dass während
der Tiefenabtastung für
jeden Bildpunkt (Pixel) der Gangunterschied detektiert wird, bei
welchem der höchste
Interferenzkontrast auftritt.