DE102004012426A1 - Low-coherence interferometric method and apparatus for light-optical scanning of surfaces - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird eine Niederkohärenz-interferometrisches Gerät zur lichtoptischen Abtastung einer Oberfläche (19) eines Objektes, insbesondere einer konkaven Oberfläche (19), beispielsweise eines Bohrlochs, mit einem Kurzkohärenz-Interferometer, das eine kurzkohärente Meßlichtquelle (30), einen das von ihr ausgehende Licht auf einen Meßlichtstrahl (23) und einen Referenzlichtstrahl (22) aufteilenden Strahlteiler (13), einen Referenzreflektor (16), eine Meßoptik (17) und einen Detektor (35) umfaßt, dem der reflektierte Meßlichtstrahl (23) und der Referenzlichtstrahl (22) zum Erfassen eines Niederkohärenz-Interferenzsignals zugeführt werden. Der Meßlichtstrahl (23) wird von der Meßoptik (17), die eine numerische Apertur von nicht mehr als 0,3 hat, in einen sich in eine Abtastrichtung erstreckenden Fokusbereich (27) fokussiert, innerhalb welchem eine Steuer- und Auswerteeinheit (6) eine Abtastposition um einen Referenzpunkt variiert und eine dabei auftretende Übereinstimmung der Abtastposition mit der Oberfläche (19) registriert, um eine Abstandsinformation über einen Abstand des Referenzpunktes von der Oberfläche (19) des Objektes zu gewinnen. Aus der Abstandsinformation und der Position des Referenzpunktes wird eine Ortsinformation über eine lichtreflektierende Stelle der Oberfläche (19) ermittelt.Described is a low coherence interferometric device for optical scanning of a surface (19) of an object, in particular a concave surface (19), for example a borehole, with a short-coherence interferometer comprising a short-coherent measuring light source (30), a light emanating from it a beam splitter (13) dividing onto a measuring light beam (23) and a reference light beam (22), a reference reflector (16), a measuring optics (17) and a detector (35) to which the reflected measuring light beam (23) and the reference light beam (22) for detecting a low-coherence interference signal. The measuring light beam (23) is focused by the measuring optics (17), which has a numerical aperture of not more than 0.3, in a focusing area (27) extending in a scanning direction, within which a control and evaluation unit (6) Scanning position varies by a reference point and registered thereby a match of the scanning position with the surface (19) to obtain a distance information about a distance of the reference point of the surface (19) of the object. From the distance information and the position of the reference point, a location information about a light-reflecting point of the surface (19) is determined.
Description
Die Erfindung betrifft ein Niederkohärenz-interferometrisches Verfahren und ein Gerät zur lichtoptischen Abtastung einer Oberfläche eines Objektes, insbesondere einer gekrümmten Oberfläche, beispielsweise eines Bohrlochs.The The invention relates to a low coherence interferometric Method and a device for the light-optical scanning of a surface of an object, in particular a curved one Surface, for example a borehole.
Die Abtastung einer Oberfläche erfolgt in der Regel mit sequentiellen Verfahren, bei denen jeweils für eine bestimmte Stelle der Oberfläche eine Abstandsinformation über deren Abstand von dem Gerät (in der Regel von dessen Meßkopf) gewonnen wird und danach das Gerät mittels einer lateralen Verschiebung relativ zu der Oberfläche so positioniert wird, daß die Abstandsinformation für eine andere Stelle der Oberfläche gewonnen werden kann. Mit anderen Worten finden alternierend Abstandsabtastungen (distance scans) und Lateralverschiebungen statt, um nach und nach die gewünschte detaillierte dreidimensionale Information über den Verlauf der Oberfläche zu gewinnen.The Scanning a surface is usually done with sequential procedures, each for a specific Place the surface a distance information about their distance from the device (usually from its measuring head) and then the device positioned by means of a lateral displacement relative to the surface will that the Distance information for another part of the surface can be won. In other words, interval scans alternate (distance scans) and lateral shifts take place gradually the desired to gain detailed three-dimensional information about the course of the surface.
Die Erfindung richtet sich speziell auf Niederkohärenzinterferometrische Verfahren und Geräte zur Oberflächenabtastung. Dabei erfolgt die Abstandsabtastung mittels eines von dem Meßkopf des Gerätes auf die zu untersuchende Oberfläche gerichteten Meßlichtstrahls. Die Richtung des Lichtstrahls definiert dabei eine quer (in der Regel senkrecht) zu der Oberfläche verlaufende Abtastlinie, die in der Praxis fast immer gerade verläuft, obwohl grundsätzlich auch eine Abstandsabtastung auf einer gekrümmten Abtastlinie möglich ist. Nachfolgend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf eine Abtastgerade Bezug genommen. Deren Richtung wird auch als "z-Richtung" bezeichnet. Da diese Abtastung in Längsrichtung des Lichtstrahls erfolgt, wird nachfolgend die Bezeichnung Longitudinalabtastung verwendet. In der englischsprachigen Literatur wird für solche Verfahren die Bezeichnung Low Coherence Distance Scan (LCDS) verwendet.The The invention is specifically directed to low coherence interferometric methods and devices for Surface scanning. The distance scanning takes place by means of one of the measuring head of the device the surface to be examined directed measuring light beam. The direction of the light beam defines a transverse (in the Rule perpendicular) to the surface extending scan line, which in practice almost always runs straight, though in principle also a distance scan on a curved scan line is possible. The following will be without limitation The general reference to a scanning line. Their direction is also called "z-direction". This one Scanning in the longitudinal direction of the light beam, the term longitudinal scan is used hereinafter. In the English-language literature is for such procedures the name Low Coherence Distance Scan (LCDS) is used.
Die Longitudinalabtastung mit LCDS-Verfahren basiert darauf, daß Licht einer niederkohärenten (spektral breitbandig emittierenden) Lichtquelle in zwei Lichtwege, nämlich einen Meßlichtweg, der zu der abzutastenden Oberfläche führt und einen Referenzlichtweg aufgeteilt wird und die beiden Teillichtwege vor dem Auftreffen auf einem Detektor derartig zusammengeführt werden, daß sie miteinander interferieren. Zu diesem Zweck enthält das Gerät eine Interferometer-Anordnung, die üblicherweise außer der niederkohärenten Lichtquelle einen Strahlteiler, einen Referenzreflektor und den Detektor umfaßt. Die Lichtwege zwischen diesen Elementen bilden Interferometerarme. Das Licht der Lichtquelle gelangt durch einen Lichtquellenarm zu dem Strahlteiler und wird dort aufgeteilt. Ein erster Lichtanteil wird als Meßlicht über einen Objektarm in Abtastrichtung auf die zu untersuchende Oberfläche gestrahlt, während ein zweiter Lichtanteil als Referenzlicht über einen Reflektorarm zu dem Referenzreflektor gelangt. Beide Lichtanteile werden reflektiert (das Meßlicht an der zu untersuchenden Oberfläche, das Referenzlicht an dem Referenzreflektor) und auf dem gleichen Lichtweg (Objektarm bzw. Referenzarm) zu dem Strahlteiler zurückgeführt. Dort werden sie zusammengefaßt und über einen Detektionsarm des Interferometers derartig einem Detektor zugeführt, daß das aus der Zusammenfassung resultierende Licht ("Detektionslicht") beim Auftreffen auf den Detektor ein Interferenzsignal erzeugt, das eine Information über die Stärke der Reflexion des Meßlichts in Abhängigkeit von der jeweils eingestellten Longitudinal-Abtastposition enthält.The Longitudinal scanning with LCDS method is based on the fact that light a low-coherent (spectral broadband emitting) light source in two light paths, namely a measuring light path, the surface to be scanned leads and a reference light path is divided and the two partial light paths be merged in such a way before hitting a detector, that she interfere with each other. For this purpose, the device contains an interferometer arrangement, the usual except the low-coherent Light source a beam splitter, a reference reflector and the Detector includes. The light paths between these elements form interferometer arms. The light of the light source passes through a light source arm the beam splitter and is split there. A first proportion of light is used as measuring light over a Object arm in the scanning direction blasted onto the surface to be examined, while a second portion of light as reference light via a reflector arm to the Reference reflector arrives. Both light components are reflected (the measuring light on the surface to be examined, the reference light on the reference reflector) and on the same Light path (object arm or reference arm) returned to the beam splitter. There they are summarized and over one Detection of the interferometer such a detector fed to that from the summary light ("detection light") when hitting the detector Interference signal generated, which provides information about the strength of the reflection of the measuring light in dependence of contains the respectively set longitudinal scanning position.
Die Variation der Abtastposition längs der Abtastgeraden erfolgt üblicherweise durch Veränderung der Relation der Längen des Referenzlichtweges und des Meßlichtweges. Dadurch wird diejenige Position auf der Abtastgeraden verändert, für die die Voraussetzung für die Interferenz des Meßlichts und des Referenzlichts (nämlich daß sich die optischen Weglängen beider Lichtwege maximal um die Kohärenzlänge der Lichtquelle voneinander unterscheiden) erfüllt ist. Die aktuelle Abtastposition ist dabei jeweils diejenige Position auf der Abtastgeraden, für die die optische Länge des Meßlichtweges mit der optischen Länge des Referenzlichtweges (jeweils von der Strahlteilung bis zur Strahlzusammenführung) übereinstimmen ("Kohärenzbedingung"). In der Regel wird, der Referenzlichtweg dadurch verkürzt oder verlängert, daß der Referenzspiegel in Richtung des Referenzlichtstrahles verschoben wird.The Variation of the scanning position along the sampling line is usually done through change the relation of the lengths the reference light path and the Meßlichtweges. This will be the position changed on the scan line, for the the prerequisite for the interference of the measuring light and the reference light (viz that yourself the optical path lengths both light paths at most by the coherence length of the light source from each other distinguish) is. The current scanning position is the position in each case on the scanning line, for the the optical length of the measuring light path with the optical length of the reference light path (each from the beam splitting to the beam merge) match ( "Coherence condition"). In general, the reference light path thereby shortened or extended, that the reference mirror is moved in the direction of the reference light beam.
Bei der Longitudinalabtastung einer Oberfläche erreicht das Interferenzsignal ein Maximum, wenn die Abtastposition mit der Position der Oberfläche übereinstimmt. Dadurch wird die gewünschte Abstandsinformation für die Stelle der Oberfläche, auf die der Meßlichtstrahl gerichtet ist, ermittelt. Danach erfolgt eine Lateralverschiebung, um für eine andere Stelle der Oberfläche die Abstandsabtastung durchzuführen. Um das Verfahren zu beschleunigen, ist es selbstverständlich möglich, mit mehreren parallel auf die Oberfläche eingestrahlten Meßlichtstrahlen zu arbeiten und dadurch gleichzeitig in einem Longitudinal-Abtastschritt die Longitudinalabtastung für mehrere Punkte der Oberfläche durchzuführen. Auch dabei ist zur Abtastung einer größeren Oberfläche ein Verfahren erforderlich, bei dem alternierend eine Vielzahl von Longitudinal-Abtastschritten und Lateralverschiebungen stattfinden.at the longitudinal scanning of a surface reaches the interference signal a maximum when the scanning position coincides with the position of the surface. This will produce the desired distance information for the Place the surface, on the measuring light beam directed, determined. Thereafter, a lateral shift takes place, around for another part of the surface to perform the distance scan. To speed up the process, it is of course possible with several parallel to the surface irradiated measuring light beams and thereby simultaneously in a longitudinal scanning step the longitudinal scan for several points of the surface perform. Also this is to scan a larger surface Method required, in which alternately a plurality of longitudinal scanning steps and lateral shifts take place.
Aus der WO 03/073041 ist es bekannt, die Abtastposition mittels einer variablen Wellenlängenselektionseinrichtung im Detektionsarm zu variieren. Diese Abtastung erfolgt ohne translatorisch bewegliche Teile und ist deshalb schneller als das räumliche Verschieben eines Referenzspiegels. Die Vorrichtung ermöglicht es beispielsweise, eine mit hoher Geschwindigkeit an einem Meßkopf vorbeigeführte Folie laufend daraufhin zu überwachen, ob eine gewünschte Schichtstärke eingehalten wird. Die WO 03/073041 und die darin zitierten Dokumente enthalten weitere Erläuterungen über LCDS-Verfahren, auf die hier Bezug genommen wird.From WO 03/073041 it is known to vary the scanning position by means of a variable wavelength selection device in the detection arm. This scanning is done without translationally moving parts and is therefore faster than the spatial displacement of a reference mirror. The device makes it possible, for example, to continuously monitor a film guided past a measuring head at high speed to see whether a desired layer thickness is maintained. WO 03/073041 and the documents cited therein contain further explanations on LCDS methods, to which reference is hereby made.
Um mit einem Niederkohärenz-interferometrischen Gerät präzise Messungen mit einer guten Signalausbeute durchführen zu können, muß das Meßlicht auf die zu untersuchende Stelle der Probenoberfläche fokussiert werden. Bei der Abtastung von ebenen Oberflächen, beispielsweise wenn eine Folie oder eine rotierende Scheibe an einem Meßkopf vorbeigeführt wird, kann der Fokus unverändert während der Abtastung der gesamten Oberfläche beibehalten werden. Bei der Abtastung von gekrümmten Oberflächen besteht hingegen die Notwendigkeit, den Fokus entsprechend den Konturen der abzutastenden Oberfläche nachzuführen und zu ändern.Around with a low-coherence interferometric Device precise measurements With a good signal yield to perform the measuring light on the examined Place the sample surface be focused. When scanning flat surfaces, for example when a film or a rotating disk is guided past a measuring head, the focus can be unchanged while the scan of the entire surface are maintained. at the scanning of curved surfaces however, the need to focus according to the contours the surface to be scanned to track and change.
In dem US-Patent 6,144,449 wird vorgeschlagen, die erforderliche Übereinstimmung der Fokussierung mit der jeweiligen Abtastposition mittels Fokuskorrekturmitteln sicherzustellen, durch die bei dem Abtastvorgang jederzeit die Position des Fokus in Übereinstimmung mit der jeweiligen Abtastposition gebracht wird. Die vorgeschlagenen Fokuskorrekturmittel sind jedoch aufwendig und/oder haben einen großen Raumbedarf. Sie sind deshalb für viele Anwendungsfälle nicht oder nur eingeschränkt geeignet.In US Pat. No. 6,144,449 proposes the required match the focusing with the respective scanning position by means of focus correction means ensure the position at any time during the scanning process the focus in agreement is brought to the respective scanning position. The proposed However, focus correction means are expensive and / or have a large space requirement. They are therefore for many applications not or only partially suitable.
Zwar
erlauben bekannte Niederkohärenz-interferometrische
Verfahren und Geräte
die Abtastung von Oberflächen
mit hoher Präzision.
Sie sind jedoch zur Abtastung von Oberflächen mit starken Unebenheiten,
d.h. mindestens abschnittsweise gekrümmten Oberflächen, weitgehend
ungeeignet. Lediglich die Abtastung ebener Oberflächen, wie
zum Beispiel einer rotierenden Scheibe (
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie mit einem Niederkohärenz-interferometrischen Gerät eine beliebige, insbesondere auch (mindestens abschnittsweise) gekrümmte Oberfläche eines Objektes schneller abgetastet werden kann.task The invention is to show a way, as with a low coherence interferometric Device one any, in particular (at least in sections) curved surface of a Object can be scanned faster.
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Niederkohärenz-interferometrisches
Verfahren zur lichtoptischen Abtastung einer Oberfläche eines
Objektes, insbesondere einer gekrümmten Oberfläche, mittels eines
auf die Oberfläche
gerichteten Meßlichtstrahls und
eines Kurzkohärenz-Inter ferometers,
das eine kurzkohärente
Meßlichtquelle,
einen Referenzreflektor, eine Meßoptik, einen Detektor und
eine mit dem Detektor verbundenen Steuer- und Auswerteeinheit umfaßt, bei
welchem durch Bewegung des Meßlichtstrahls
relativ zu der Oberfläche
unterschiedliche Lateralabtastpositionen eingestellt werden, bei
denen der Meßlichtstrahl
auf unterschiedliche lichtreflektierende Stellen der Oberfläche auftrifft,
zur Bestimmung einer Abstandsinformation über die jeweils von dem Meßlichtstrahl
beleuchtete Stelle der Oberfläche Longitudinal-Abtastschritte durchgeführt werden,
bei denen eine Übereinstimmung
einer entlang einer quer zu der Oberfläche verlaufenden Abtastlinie
veränderlichen
Abtastposition mit der Position einer lichtreflektierenden Stelle
an der Oberfläche
des Objektes detektiert wird, das sich dadurch auszeichnet, daß der Meßlichtstrahl
mittels einer Meßoptik,
die eine numerische Apertur von nicht mehr als 0,3 hat, in einen
sich in Abtastrichtung um einen Zentralpunkt erstreckenden Fokusbereich
fokussiert wird, und die Abtastposition unter Kontrolle der Steuer-
und Auswerteeinheit entlang der Abtastlinie innerhalb eines Feinabtastbereiches
variiert wird, der mindestens teilweise mit dem Fokusbereich (
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein entsprechendes Niederkohärenz-interferometrisches.The Task is further solved by a corresponding low-coherence interferometric.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Further developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird das Meßlicht mittels einer Meßoptik, die eine numerische Apertur von nicht mehr als 0,3, vorzugsweise nicht mehr als 0,2 hat, in einen sich längs der Abtastgeraden erstreckenden Fokusbereich fokussiert.According to the invention measuring light by means of a measuring optics, which has a numerical aperture of not more than 0.3, preferably has not more than 0.2, extending in a along the Abtaststraaden Focus area focused.
Durch Verwendung einer Meßoptik mit einer so kleinen nu merischen Apertur wird das Meßlicht weniger scharf, d.h. zu einem größeren Lichtfleck, fokussiert. Dadurch werden die Signalintensität und die laterale Auflösung vermindert. Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß trotz dieser scheinbaren Nachteile bei der kombinierten Longitudinal- und Lateralabstatung von gekrümmten Oberflächen ausgezeichnete Ergebnisse bei Verwendung einer Meßoptik mit einer kleinen numerischen Apertur und damit verbundener "schlechterer" Fokussierung erreicht werden.By Use of a measuring optics With such a small nu meric aperture, the measuring light is less sharp, i. to a larger light spot, focused. This reduces the signal intensity and the lateral resolution. In the context of the invention it has been found that despite these apparent disadvantages excellent in the combined longitudinal and lateral ablation of curved surfaces Results when using a measuring optics with a small numerical Aperture and associated "worse" focus can be achieved.
Im Rahmen der Erfindung werden die optischen Eigenschaften einer Linse mit ungewöhnlich kleiner numerischer Apertur, abhängig von den Eigenschaften der zu untersuchenden Oberfläche, in mehrerlei Hinsicht vorteilhaft genutzt:
- – Ein erster Anwendungsfall bezieht sich auf Oberflächen, die insgesamt eben sind, jedoch relativ grobe strukturelle Unebenheiten aufweisen, die mit vorbekannten Verfahren nur mit ständig variierender Fokussierung und deswegen relativ langsam abgetastet werden konnten. In solchen Fällen erlaubt die Erfindung die Abtastung der Oberfläche mit sehr viel höherer Geschwindigkeit. Sie macht sich dabei zu nutze, daß sich innerhalb des Fokusbereiches die Größe des von dem Meßlichtstrahl auf der Oberfläche erzeugten Lichtflecks in Abhängigkeit von der Longitudinalposition der Oberfläche nur wenig ändert und demzufolge die Intensität des reflektierten Lichtes weitgehend unabhängig von der Longitudinalposition der Oberfläche ist. Dadurch ist ohne Neueinstellung der Fokussierung eine Variation der Abtastposition über einen so großen räumlichen Bereich möglich, daß durch Verschieben der Abtastposition mit hoher Geschwindigkeit auch erhebliche Oberflächenrauhigkeiten, Stufen und Sprünge erfaßt werden können. Die Abtastposition läßt sich wesentlich schneller verschieben als der Fokusbereich, da dafür keine oder nur wesentlich geringere Massen mechanisch beschleunigt werden müssen.
- – Ähnliches gilt auch für gleichmäßig gekrümmte Oberflächen, beispielsweise die Innenwand eines Bohrlochs, sofern der Meßkopf bei der Änderung der Lateralabtastposition relativ zu der Oberfläche so bewegt wird, daß sich der Meßlichtweg um weniger als die Länge des Fokusbereiches ändert.
- – Wenn die zu untersuchende Oberfläche einen unregelmäßig gekrümmten Verlauf hat findet gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei Änderung der Lateralabtastposition zur Anpassung an die Form der Oberfläche eine Abtastungsgrobeinstellung (scanning coarse adjustment) statt, wobei der Feinabtastbereich und der Fokusbereich unter Kontrolle der Steuer- und Auswerteeinheit des Gerätes gleichgerichtet koaxial mit dem Meßlichtstrahl (d.h. auf der Abtastgeraden) verstellt werden. Sofern der unregelmäßig gekrümmte Verlauf der Oberfläche (beispielsweise als CAD/CAM-Daten) bekannt ist, kann eine Sollkurve vorgegeben werden, gemäß der der Fokusbereich in den unterschiedlichen Lateralabtastpositionen jeweils so eingestellt wird, daß die Oberfläche in dem Fokusbereich liegt. Für den Fall, daß die Oberflächenposition um mehr als einen vorbestimmten Grenzwert von der Sollkurve abweicht, ist der Steueralgorithmus bevorzugt so ausgebildet, daß bei der Abtastungsgrobeinstellung eine (von der vorbestimmten Sollkurve abweichende) Nachregelung der Position des Fokusbereiches stattfindet, wenn die Abweichung durch die Feinabtastung festgestellt wurde.
- – Die
Erfindung eignet sich in besonderem Maße auch zur Untersuchung von
Oberflächen,
die unregelmäßig ge krümmt sind,
ohne daß der
Verlauf der Krümmung
so gut vorbekannt ist, daß die
vorstehend erläuterte
Abtastungsgrobeinstellung mittels einer Sollkurve möglich wäre. In diesem Fall
wird für
die Abtastungsgrobeinstellung die bei mindestens einem vorausgehenden
Longitudinal-Abtastschritt gewonnene Abstandsinformation zum Steuern
der Verschiebung des Fokusbereiches benutzt. Mit anderen Worten
findet bei der Abtastungsgrobeinstellung eine geregelte Einstellung
des Fokusbereiches statt, bei der zur Einstellung der Position des
Fokusbereiches als Istwert Informationen verwendet werden, die bei
einem oder mehreren Longitudinal-Abtastschritten
gewonnen wurden. Im Gegensatz zu vorbekannten Geräten (
US 6,330,063
- - A first use case refers to Surfaces that are generally flat, but have relatively rough structural unevenness that could be sampled with prior art methods only with constantly varying focus and therefore relatively slow. In such cases, the invention allows scanning of the surface at a much higher speed. It makes use of the fact that within the focus range the size of the light spot generated by the measuring light beam on the surface changes only slightly as a function of the longitudinal position of the surface and consequently the intensity of the reflected light is largely independent of the longitudinal position of the surface. As a result, without resetting the focus, a variation of the scanning position over such a large spatial area possible that significant surface roughness, steps and jumps can be detected by moving the scanning position at high speed. The scanning position can be moved much faster than the focus area, since no or only significantly lower masses need to be mechanically accelerated.
- - The same applies to uniformly curved surfaces, for example the inner wall of a borehole, provided that the measuring head is moved when changing the Lateralabtastposition relative to the surface so that the Meßlichtweg changes less than the length of the focus area.
- If the surface to be examined has an irregularly curved course, according to a preferred embodiment of the invention, when the lateral scanning position is changed to adapt to the shape of the surface, a scanning coarse adjustment takes place, the fine scanning area and the focusing area being under control of the control and scanning areas Evaluation unit of the device rectified coaxial with the measuring light beam (ie on the scanning line) can be adjusted. If the irregularly curved course of the surface is known (for example as CAD / CAM data), a setpoint curve can be specified according to which the focus area in the different lateral scanning positions is set such that the surface lies in the focus area. In the event that the surface position deviates from the setpoint curve by more than a predetermined limit, the control algorithm is preferably designed so that, in the sample coarse adjustment, a readjustment of the position of the focus area (deviating from the predetermined setpoint curve) takes place, if the deviation by the fine scan was determined.
- - The invention is particularly suitable for the investigation of surfaces that are irregularly curved ge, without the course of the curvature is so well known that the above-described Abtastgrogrobeinstellung would be possible by means of a setpoint curve. In this case, for the sample coarse adjustment, the distance information obtained in at least one preceding longitudinal scanning step is used to control the shift of the focus area. In other words, in the case of the coarse adjustment, a regulated adjustment of the focus area takes place, in which information is used as the actual value for setting the position of the focus area, which information was obtained during one or more longitudinal scanning steps. In contrast to previously known devices (
US 6,330,063
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung läßt sich die Länge L des Fokusbereiches aus der numerischen Apertur NA und der Wellenlänge λo des verwendeten Lichts berechnen gemäß: For the purposes of the present invention, the length L of the focus area can be calculated from the numerical aperture NA and the wavelength λ o of the light used according to:
Darin ist a ein Skalierungsfaktor, dessen Wert von der im Einzelfall vertretbaren Grad der Unschärfe in der Nähe der Grenze des Fokusbereiches abhängt. Bevorzugt ist a ≤ 2, besonders bevorzugt a ≤ 1,5. Der Feinabtastbereich liegt vorzugsweise vollständig innerhalb des so definier ten Fokusbereiches. Es sind aber auch Anwendungsfälle möglich, bei denen die Longitudinalabtastung auf Interferenzsignalen basiert, die aus Reflexionen innerhalb des Fokusbereiches resultieren, sich die Feinabtastung aber über die Grenzen des Fokusbereiches hinaus erstreckt.In this a is a scaling factor, the value of which is reasonable in the individual case Degree of blur near the limit of the focus area depends. Preferably, a ≤ 2, especially preferably a ≦ 1.5. The Feinabtastbereich is preferably completely within the so-defined th Focus area. But there are also possible applications in which the longitudinal scan based on interference signals resulting from reflections within the Focus range results, but the fine scan over the Borders of the focus area extends.
Bevorzugt wird Meßlicht aus dem nahen infraroten Spektralbereich mit einer Zentralwellenlänge λo im Bereich von 800 bis 1.300 nm verwendet. Durch eine Meßoptik mit NA = 0,08 wird das Meßlicht aus diesem Spektralbereich in einen Fokusbereich mit einer Länge von über 150 μm fokussiert. Der Durchmesser des Fokusbereichs beträgt bei den als Beispiel angegebenen Werten von λo und NA (abhängig von der konkreten Wellenlänge λo und dem konkret betrachteten Teilabschnitt des Fokusbereiches) etwa 10 bis 20 μm. Im allgemeinen hat der Fokusbereich bevorzugt eine Länge von etwa 100 bis 300 μm und eine Breite von 5 bis 20 μm.Preferably, measuring light from the near infrared spectral range with a central wavelength λ o in the range of 800 to 1,300 nm is used. By a measuring optics with NA = 0.08, the measuring light is focused from this spectral range in a focus area with a length of about 150 microns. The diameter of the focus area is approximately 10 to 20 μm in the case of the values of λ o and NA given as an example (depending on the specific wavelength λ o and the specifically considered section of the focus area). In general, the focus area preferably has a length of about 100 to 300 μm and a width of 5 to 20 μm.
Die Variation der Abtastposition im Rahmen der Feinabtastung kann durch Änderung der Länge des Referenzlichtweges, insbesondere durch Verstellen der Position eines Referenzreflektors, erreicht werden. Bevorzugt wird die Longitudinal-Abtastposition mittels einer variablen Wellenlängenselektionseinrichtung im Detektionslichtweg gemäß der WO 03/073041 variiert. Auch andere Verfahren zur schnellen Longitudinalabtastung (mit möglichst wenig mechanischer Bewegung) können im Rahmen der Erfindung vorteilhaft verwendet werden. Beispiele werden in der WO 03/073041 als Zitate 4 bis 6 zitiert.The variation of the scanning position in the context of fine scanning can be achieved by changing the length of the reference light path, in particular by adjusting the position of a reference reflector become. Preferably, the longitudinal scanning position is varied by means of a variable wavelength selection device in the detection light path according to WO 03/073041. Other methods for fast longitudinal scanning (with as little mechanical movement as possible) can be advantageously used within the scope of the invention. Examples are cited in WO 03/073041 as citations 4 to 6.
Die
erfindungsgemäße Meßoptik mit
einer numerischen Apertur von maximal 0,3 wird, insbesondere für die Abtastung
von Bohrlöchern,
vorzugsweise mittels einer GRIN-Linse realisiert. Dieser Linsentyp
wird in der Optik für verschiedene
Zwecke eingesetzt. Beispielsweise wird in der
Die Erfindung ermöglicht eine verbesserte Qualitätskontrolle in der industriellen Fertigung von Maschinenteilen mit gekrümmten, vor allem konkaven Oberflächen, zum Beispiel Zahnrädern, Einspritzdüsen und Bohrlöchern. Speziell in der Mikrosystemtechnik besteht ein Bedarf nach einer schnellen, präzisen und kostengünstigen Möglichkeit zum Untersuchen von Innenräumen von Bauteilen, da bereits kleinste Unregelmäßigkeiten an deren Innenwänden störend sind. Beispielsweise haben sie einen erheblichen Einfluß auf das Strömungsverhalten eines den Innenraum durchströmenden Fluids.The Invention allows an improved quality control in the industrial production of machine parts with curved, vor all concave surfaces, for example gears, injectors and boreholes. Especially in microsystems technology, there is a need for one fast, precise and cost-effective possibility for examining interiors of components, since even the smallest irregularities on the inner walls are disturbing. For example, they have a significant impact on that Flow behavior of a flowing through the interior Fluid.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Die darin dargestellten Besonderheiten können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Es zeigen:Further Details and advantages of the invention will become apparent from an embodiment with reference to the attached Figures explained. The features shown therein can be used individually or in combination used to preferred embodiments of the invention create. Show it:
Das
in den
In
dem Meßkopf
Auf
dem Referenzlichtweg
Auf
dem Meßlichtweg
Die
Intensität
des von der untersuchten Oberfläche
Das
in dem Strahlteiler
Unterschiedliche
Längen
des Referenzlichtweges und des Meßlichtweges führen dazu,
daß in dem
Detektionslicht gewisse Wellenlängenbereiche aus
dem Spektrum der Meßlichtquelle
Eine
Besonderheit des in
Das
Ablenkelement
Das
Ablenkelement
Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der gesamte Meßkopf
Durch Änderung
des Abstandes der Meßoptik
Bei
der beschriebenen Konstruktion wird der Feinabtastbereich
Da
der Durchmesser eines zu untersuchenden Bohrlochs in der Regel (zumindest
auf 100 μm genau)
bekannt ist, kann der Abstand zwischen der Meßoptik
Bevorzugt
wird aber die Position des Fokusbereiches
Die
Teilfigur A zeigt einen Zustand, bei dem das Zentrum F0 des
Fokusbereiches
Die
Teilfigur B zeigt eine Bewegungsphase, bei der die Oberfläche
Die
im Rahmen der vorausgehenden Feinabtastung erkannte Verschiebung
der Oberfläche
Für den praktischen Erfolg der Erfindung ist wichtig, daß die Feinabtastung sehr viel schneller stattfindet, als die Abtastgrobeinstellung. Quantitativ kann man sagen, daß die mittlere Abtastgeschwindigkeit der Feinabtastung vq, die sich aus der Länge q des Abtastbereiches und der Periodendauer T der Feinabtastung berechnen läßt gemäß vq = q/T, mindestens zehn mal so groß ist wie die maximale Geschwindigkeit vf,max der Bewegung des Zentrums F0 des Fokusbereiches bei der Abtastungsgrobeinstellung. Dadurch wird jede Änderung der Position der bei der Feinabtastung erfaßten lichtreflektierenden Stelle sofort detektiert. Dies ermöglicht nicht nur eine schnelle Erfassung auch feiner Oberflächenstrukturen, sondern auch eine praktisch verzögerungsfreie Nachregelung der Position von F0 und Q0 im Rahmen der Abtastungsgrobeinstellung.For the practical success of the invention, it is important that the fine scanning takes place much faster than the scanning coarse adjustment. Quantitatively one can say that the average scanning speed of the fine scan v q , which can be calculated from the length q of the scan area and the period T of the fine scan according to v q = q / T, is at least ten times the maximum speed v f , max of the movement of the center F 0 of the focus area in the sample coarse adjustment. Thereby, any change in the position of the light-reflecting spot detected in the fine scanning is immediately detected. This allows not only a fast detection of even fine surface structures, but also a virtually delay-free readjustment of the position of F 0 and Q 0 in the context of scanning coarse adjustment.
Bei
der in
Während für die Detektionsposition
A der Abstand zwischen dem Zentrum F0 des
Fokusbereiches
Um
möglichst
rasch ein Oberflächenprofil
einer Oberfläche
Eine
Besonderheit des in
Der
Meßkopf
Das
vom Grund des Bohrloches reflektierte sichtbare Licht gelangt durch
das Ablenkelement
Mittels
der Bildverarbeitungseinheit werden aus dem von der CCD-Kamera
Ein
weiterer Vorteil der CCD-Kamera
Mittels
des als Strahlteiler ausgebildeten Ablenkelements
Der
durch die Anordnung des Strahlteilers
Mit
der in
Bei
einer geeigneten Ausgestaltung der Reflexionsschicht
Um
die Geschwindigkeit, mit welcher eine Oberfläche
In
dem Basisteil
Die
Zusatzoptik
- 11
- Meßkopfmeasuring head
- 22
- StrahlteilereinheitBeam splitter
- 33
- Meßsondeprobe
- 44
- Basiseinheitbase unit
- 55
- Lichtleitfaseroptical fiber
- 66
- Steuer- und AuswerteeinheitTax- and evaluation unit
- 77
- lichtreflektierende Stellereflective Job
- 88th
- lichtreflektierende Stellereflective Job
- 99
- AbtastgeradeAbtastgerade
- 1010
- Linselens
- 1111
- Linselens
- 1212
- Linselens
- 1313
- Strahlteilerbeamsplitter
- 1414
- Spiegelmirror
- 1515
- Referenzoptikreference optics
- 1616
- Referenzreflektorreference reflector
- 1717
- Meßoptikmeasurement optics
- 1818
- Ablenkelementdeflector
- 1919
- Oberflächesurface
- 19a19a
- lichtreflektierende Stellereflective Job
- 2020
- Antriebdrive
- 2121
- Aktuatoractuator
- 2222
- Referenzlichtwegreference light
- 2323
- Meßlichtwegmeasuring light path
- 23a23a
- Meßlichtstrahlmeasuring light beam
- 2424
- Referenzpunktreference point
- 2525
- CCD-LichtCCD light
- 2727
- Fokusbereichfocus area
- 2828
- Zentrum des Fokusbereichescenter of the focus area
- 2929
- Feinabtastbereichfine-scan
- 3030
- Meßlichtquellemeasuring light source
- 3131
- Linselens
- 3232
- Lichtleitfaseroptical fiber
- 3333
- Verzweigersplitter
- 3434
- WellenlängenselektionseinrichtungWavelength selection means
- 3535
- Detektordetector
- 3636
- Bohrlochwell
- 3737
- Reflexionsschichtreflective layer
- 3838
- Spiegelmirror
- 4040
- Linselens
- 4141
- Spiegelmirror
- 4242
- CCD-KameraCCD camera
- 4444
- Filterfilter
- 4545
- Kabelelectric wire
- 4646
- Lichtquellelight source
- 5050
- Zusatzoptikadditional optics
- 5151
- Motorengine
- 5252
- Basisflächefootprint
- 5353
- Seitepage
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2005
- 2005-03-10 EP EP05715081A patent/EP1728045A1/en not_active Withdrawn
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