DE102010037207B3

DE102010037207B3 - Rauheits-Messvorrichtung und -Messverfahren

Info

Publication number: DE102010037207B3
Application number: DE201010037207
Authority: DE
Inventors: Nadine Werth; Prof. Salazar Bloise Félix José; Dr. Koch Alexander
Original assignee: Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2011-11-03
Anticipated expiration: 2030-08-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Messvorrichtung (500) bereit, die ausgelegt ist zur Bestimmung der Oberflächenrauheit (401) einer zu untersuchenden Materialoberfläche (109). Die Messvorrichtung (500) weist eine Lichtquelle (200) zur Emission von kohärentem Licht bei zumindest drei Wellenlängen auf. Ein an die Lichtquelle (200) angeschlossenes Interferometer (100) ist angepasst zur Aufnahme eines ersten Interferogramms (203) der zu untersuchenden Materialoberfläche (109) bei einem ersten Wellenlängenabstand und mindestens eines zweiten Interferogramms (203) der zu untersuchenden Materialoberfläche (109) bei einem zweiten Wellenlängenabstand. Eine Kontrasterfassungseinheit (301) dient einer Erfassung eines ersten Interferenzstreifenkontrasts des ersten Interferogramms (203) und einer Erfassung mindestens eines zweiten Interferenzstreifenkontrasts (K) des mindestens einen zweiten Interferogramms (209). In einer Rauheits-Bestimmungseinheit (302) wird schließlich die Oberflächenrauheit (401) auf Grundlage des ersten und des mindestens einen zweiten Interferenzstreifenkontrasts (K) ermittelt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur optischen Erfassung von Oberflächenparametern eines Objekts und betrifft insbesondere eine Rauheits-Messvorrichtung zur Bestimmung einer Oberflächenrauheit von Materialien. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Messverfahren zum Bestimmen der Oberflächenrauheit einer zu untersuchenden Materialoberfläche.
STAND DER TECHNIK
Die Charakterisierung von Oberflächen hinsichtlich Welligkeit und Rauheit gewinnt zunehmende Bedeutung in der Qualitätssicherung, bei industriellen Mess- und Prüfverfahren, etc. Komponenten und Strukturen, die beispielsweise im Mikrometer-(μm-)Bereich erfasst werden müssen, finden sich in der Halbleiterindustrie, bei der Datentechnik, bei mikrostrukturierten Sensoren sowie im Maschinenbau und Automobilbau.
Zur Strukturbestimmung von Oberflächen können taktile, d. h. kontaktierende oder berührungslose Verfahren eingesetzt werden. Als taktile Messaufnehmer finden beispielsweise Tastprofilometer, Atomkraftmikroskope, etc. Verwendung, während berührungslose Messverfahren z. B. auf dem Einsatz optischer Strahlung beruhen. In vielen Anwendungsbereichen lassen sich taktile Verfahren jedoch nicht einsetzen, da eine Verunreinigung bzw. eine mechanische Beschädigung einer zu untersuchenden Materialoberfläche vermieden werden muss. Ferner ist es nachteilig, wenn die zu untersuchende Materialoberfläche zeilen- oder spaltenweise abgetastet werden muss, um ein Gesamtstrukturbild beispielsweise einer Rauheits- bzw. Welligkeitsverteilung zu erhalten.
Produktionsverfahren, die auf hohe Stückzahlen gerichtet sind, basieren zunehmend auf einer umfangreichen Qualitätskontrolle. Zusätzlich muss eine hohe Reproduktionsgenauigkeit erreicht werden. In vielen technischen Bearbeitungsvorgängen von unterschiedlichen Materialien ist eine Kontrolle der Oberflächeneigenschaften von Bedeutung. Bei der Oberflächenprüfung ist neben der Formabweichung insbesondere die Mikrostruktur der Oberfläche, wie etwa die Rauheit, ein wichtiger Parameter. Die Oberfläche muss hierbei im Mikrometerbereich vermessen werden.
Die Oberfläche eines Objekts trägt wesentlich zur Wechselwirkung mit der Umgebung bei. Ferner ist die Oberfläche auch für intrinsische Eigenschaften, wie z. B. eine Dauerschwingfestigkeit, von Bedeutung. Bei der Wechselwirkung mit der Umgebung ist u. a. ein Materialverschleiß, beispielsweise verursacht durch Abrieb oder Korrosion, durch die Oberflächeneigenschaften bestimmt. Eine Haftfestigkeit von Klebeverbindungen kann ebenfalls durch eine Oberflächenrauheit beeinflusst werden. Auch Merkmale wie Aussehen eines Objekts, Reflektivität der Oberfläche und weitere optische Eigenschaften hängen von der Oberflächenstruktur ab.
EP 126 475 B1 beschreibt zum Beispiel eine Vorrichtung und ein Verfahren zum berührungsfreien Messen der Ist-Position und/oder des Profils rauher Oberflächen mit hoher Genauigkeit. Laserlicht, welches mindestens zwei unterschiedliche Wellenlängen enthält, wird auf die zu messende Oberfläche gerichtet. Im Strahlengang ist ein Strahlteiler angeordnet, welcher ein Referenzlichtbündel erzeugt, welches an einer ebenen Referenzfläche reflektiert wird. In der Interferogrammebene des reflektierenden Lichtes entsteht ein Speckle-Muster, aus dem mit Hilfe einer Messblende, deren Durchmesser kleiner ist als derjenige eines Laser-Speckles ein für alle Wellenlängen helles Laser-Speckle ausgewählt wird. Hinter der Messblende werden die beiden Wellenlängen voneinander getrennt und es wird die Phasendifferenz zwischen den Signalen der verschiedenen Wellenlängen gemessen. Diese Phasendifferenz wird in ein dem Abstand des jeweiligen Messpunktes von der Referenzfläche proportionales Signal umgerechnet und angezeigt.
DE 195 24 036 C2 beschreibt zum Beispiel ein Verfahren zur interferometrischen Erfassung der Form und/oder Formveränderung von Prüflingen mit rauher oder polierter Oberfläche, bei dem Licht einer ersten Laserstrahlenquelle und eine andere Wellenlänge aufweisendes Licht einer zweiten Laserstrahlenquelle in einen Mess- und einen Referenzarm eines Interferometers eingespeist und der im Messarm angeordnete Prüfling simultan mit Licht beider Laserstrahlenquellen beleuchtet wird und bei dem die miteinander interferierenden Mess- und Referenzwellenfronten mit einer Matrix-Kamera beobachtet werden.
DE 39 06 118 A1 beschreibt zum Beispiel eine Vorrichtung zur interferometrischen Erfassung von Oberflächenstrukturen durch Messung der Phasendifferenz in Laser-Speckle-Paaren in den Messpunkten auf dieser Oberfläche. Ein die Laserquellen beaufschlagender Frequenzmodulator ist vorgesehen, eine Teilervorrichtung ist eingangsseitig über eine optische Faserleitung mit den wenigstens zwei Laserquellen verbunden, die beiden von der Teilervorrichtung ausgehenden Teilstrahlen verlaufen ebenfalls wenigstens für eine Teilstrecke in optischen Faserleitungen, und eine dieser Faserleitungen weist eine Verlängerung gegenüber der anderen auf.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Messvorrichtung und ein verbessertes Messverfahren zur Bestimmung der Oberflächenrauheit von Materialien bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Oberflächenrauheit einer zu untersuchenden Materialoberfläche mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ferner wird die obige Aufgabe durch ein Messverfahren zum Bestimmen der Oberflächenrauheit gelöst, welches in dem Patentanspruch 9 angegeben ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, ein an eine Lichtquelle angeschlossenes Interferometer zur Erzeugung unterschiedlicher Interferogramme der zu untersuchenden Materialoberfläche heranzuziehen, wobei die in den Interferogrammen enthaltene Interferenzstreifenstruktur anschließend hinsichtlich ihrer Kontrasteigenschaften ausgewertet wird. In einer Rauheits-Bestimmungseinheit kann dann die Oberflächenrauheit auf der Grundlage des Interferenzstreifenkontrasts ermittelt werden.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Oberflächenrauheit einer zu untersuchenden Materialoberfläche bereit, die eine Lichtquelle, welche angepasst ist zur Emission von kohärentem Licht bei zumindest drei Wellenlängen, ein an die Lichtquelle angeschlossenes Interferometer, welches angepasst ist zur Aufnahme eines ersten Interferogramms der zu untersuchenden Materialoberfläche bei einer durch einen ersten Wellenlängenabstand zur Verfügung gestellten ersten synthetischen Wellenlänge und mindestens eines zweiten Interferogramms der zu untersuchenden Materialoberfläche bei einer durch einen zweiten Wellenlängenabstand zur Verfügung gestellten zweiten synthetischen Wellenlänge, eine Kontrasterfassungseinheit, die angepasst ist zur Erfassung eines ersten Interferenzstreifenkontrasts des ersten Interferogramms und zur Erfassung mindestens eines zweiten Interferenzstreifenkontrasts des mindestens einen zweiten Interferogramms, und eine Rauheits-Bestimmungseinheit einschließt, die angepasst ist zur Bestimmung der Oberflächenrauheit auf Grundlage des ersten und des mindestens einen zweiten Interferenzstreifenkontrasts.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Messverfahren zum Bestimmen der Oberflächenrauheit einer zu untersuchenden Materialoberfläche bereit, mit den Schritten: Einstrahlen von Licht mit einer ersten Wellenlänge auf die Materialoberfläche, Einstrahlen von Licht mit mindestens einer zweiten Wellenlänge, die einen ersten Wellenlängenabstand zu der ersten Wellenlänge aufweist, auf die Materialoberfläche, Erfassen eines ersten Interferogramms der Materialoberfläche bei einer durch den ersten Wellenlängenabstand zur Verfügung gestellten ersten synthetischen Wellenlänge, Bestimmen eines ersten Interferenzstreifenkontrasts des ersten Interferogramms, Einstrahlen von Licht mit mindestens einer dritten Wellenlänge, die mindestens einen zweiten Wellenlängenabstand zu der ersten oder zweiten Wellenlänge aufweist, auf die Materialoberfläche, Erfassen mindestens eines zweiten Interferogramms der Materialoberfläche bei mindestens einer durch den mindestens zweiten Wellenlängenabstand zur Verfügung gestellten zweiten synthetischen Wellenlänge, Bestimmen mindestens eines zweiten Interferenzstreifenkontrasts des zweiten Interferogramms, und Ermitteln der Oberflächenrauheit auf Grundlage des ersten und des mindestens einen zweiten Interferenzstreifenkontrasts.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Rauheits-Messvorrichtung gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel;
2 ein detailliertes Blockdiagramm zur Erläuterung einer in der in 1 gezeigten Rauheits-Messvorrichtung enthaltenen Auswerteeinrichtung;
3 eine detaillierte Ansicht einer Rauheits-Messvorrichtung gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel;
4 eine Schnittansicht eines Messobjekts zur Erläuterung von Oberflächenform und Rauheit einer Materialoberfläche des Messobjekts;
5 eine Aufnahme eines Interferogramms mit ringförmigen Interferenzstreifen;
6 ein typisches Intensitätsprofil entlang einer Intensitätsprofillinie, die in 5 gezeigt ist;
7 ein typisches Intensitätsprofil als Funktion einer Ortskoordinate zur Veranschaulichung eines hohen Interferenzstreifenkontrasts;
8 ein wie in 7 gezeigtes Intensitätsprofil für einen mittleren Interferenzstreifenkontrast;
9 ein wie in 7 gezeigtes Intensitätsprofil für einen niedrigen Interferenzstreifenkontrast;
10 eine Korrespondenzkurve, die einen Zusammenhang zwischen synthetischer Wellenlänge und Oberflächenrauheit der Materialoberfläche veranschaulicht; und
11 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Messverfahrens zum Bestimmen der Oberflächenrauheit einer zu untersuchenden Materialoberfläche.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird detailliert Bezug genommen auf verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, wobei ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die hierin beschrieben sind, betreffen unter anderem eine Rauheits-Messvorrichtung, die ausgelegt ist zur Bestimmung der Oberflächenrauheit einer zu untersuchenden Materialoberfläche. Die Messvorrichtung schließt eine Lichtquelle ein, welche angepasst ist zur Emission von kohärentem Licht bei zumindest drei Wellenlängen.
Ein an die Lichtquelle angeschlossenes Interferometer dient der Aufnahme eines ersten Interferogramms der zu untersuchenden Materialoberfläche bei einem ersten Wellenlängenabstand und mindestens eines zweiten Interferogramms der zu untersuchenden Materialoberfläche bei einem zweiten Wellenlängenabstand. Eine Kontrasterfassungseinheit ist angepasst zur Erfassung eines ersten Interferenzstreifenkontrasts des ersten Interferogramms und zur Erfassung mindestens eines zweiten Interferenzstreifenkontrasts des mindestens einen zweiten Interferogramms. Mit einer Rauheits-Bestimmungseinheit lässt sich anschließend die Oberflächenrauheit auf Grundlage des ersten und des mindestens einen zweiten Interferenzstreifenkontrasts ermitteln.
Eine Aufnahme des ersten und des mindestens einen zweiten Interferogramms der zu untersuchenden Materialoberfläche entspricht einem interferometrischen Erfassen einer zweidimensionalen Intensitätsverteilung aus mindestens einem Teil von an der Materialoberfläche reflektiertem Licht, das aus der Lichtquelle emittiert wird. Diese zweidimensionale Intensitätsverteilung spiegelt dann eine Oberflächenform des Messobjekts wider. Auf diese Weise werden in dem Interferogramm Interferenzstreifen mit einer synthetischen Wellenlänge in der erfassten Intensitätsverteilung erhalten. Die synthetische Wellenlänge wird aus einer ersten und mindestens einer zweiten Wellenlänge gebildet.
1 zeigt ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise einer Rauheitsmessvorrichtung 500 gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel. Ein Bezugszeichen 100 bezeichnet ein optisches Interferometer, welches in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als ein Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet ist. Das optische Interferometer 100 ist an eine Lichtquelle 200 angeschlossen, die Primärlicht 201 zu dem optischen Interferometer 100 emittiert.
Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann eine Wellenlänge der Lichtquelle 200 mittels einer Wellenlängen-Einstelleinheit 204 variiert bzw. eingestellt werden. Das Primärlicht 201, das in das optische Interferometer 100 eingestrahlt wird, ist zumindest teilweise kohärent, derart, dass am Ausgang des Interferometers 100 ein Interferogramm 203 erhalten werden kann. Das in das optische Interferometer 100 eingestrahlte Primärlicht 201 weist eine Kohärenzlänge in einem Bereich von 0,1 cm bis 500 cm, in typischer Weise von 1 cm bis 7 cm, und in noch typischerer Weise eine Kohärenzlänge von ungefähr 2 cm auf.
Gemäß dem Funktionsprinzip eines Mach-Zehnder-Interferometers wird das eingestrahlte Primärlicht 201 zunächst an einem ersten Strahlteiler 105 in einen Referenzstrahl, der sich entlang eines Referenzpfads 104 ausbreitet, und einen Objektstrahl, der sich entlang eines Messpfads 103 ausbreitet, intensitätsmäßig aufgespalten. Eine derartige Aufspaltung kann beispielsweise einer Intensitätsteilung von 50:50 entsprechen. Weitere Intensitäts-Aufteilungsverhältnisse sind denkbar, insbesondere dann, wenn eine Objektoberfläche 109 eines Messobjekts 101 eine geringe Reflektivität aufweist.
Das sich entlang des Referenzpfads 104 ausbreitende Referenzlicht wird über einen Umlenkspiegel 110 umgelenkt. Das sich entlang des Messpfads 103 ausbreitende Messlicht wird über einen zweiten Strahlteiler 106 auf die Objektoberfläche 109 (Materialoberfläche) des Messobjekts 101 gerichtet. Von der Materialoberfläche 109 reflektiertes, gebeugtes und/oder gebrochenes Licht wird auf den zweiten Strahlteiler 106 zurückgeworfen und durch diesen hindurch in Richtung eines Detektors 108 transmittiert. Der Detektor 108 ist beispielsweise als ein zweidimensionales Array, wie etwa eine CCD-Kamera, eine MCP-Kamera, ein Photodetektorfeld, oder jedwede Kombination davon ausgebildet. Das von dem Umlenkspiegel 110 umgelenkte Referenzlicht wird dem durch den zweiten Strahlteiler 106 transmittierten Messlicht mittels eines dritten Strahlteilers 107 überlagert, derart, dass ein Sekundärlicht 202, das Komponenten des Messlichts und des Referenzlichts enthält, dem Detektor 108 zugeführt werden kann.
Eine zu bestimmende Rauheit der Materialoberfläche 109 liegt typischerweise in einem Bereich der Wellenlänge des eingestrahlten Primärlichts 201. Auf diese Weise ergibt sich ein Speckle-Effekt, derart, dass Interferenzerscheinungen an der Oberfläche des Messobjekts zu einer granularen Struktur in dem an der Messobjektoberfläche reflektierten Licht führen. Wird ein derartiges Speckle-Muster mit einem Referenzstrahl überlagert. so ergibt sich als ein Primärinterferogramm, d. h. ein Interferogramm, welches bei einer einzigen Wellenlänge erzeugt wird, ebenfalls ein Speckle-Muster, wobei eine Phaseninformation über eine Phasenvariation des von der Oberfläche reflektierten Lichts in dem Primärinterferogramm erhalten bleibt.
Ein Zweiwellenlängen-Interferogramm 203 wird nun durch Beleuchtung des optischen Interferometers 100 mit Primärlicht 201 zweier unterschiedlicher Wellenlängen, entweder gleichzeitig oder sequenziell, erhalten. D. h., ein erstes Primärinterferogramm mit einer ersten Wellenlänge λ₁ und ein zweites Primärinterferogramm mit einer zweiten Wellenlänge λ₂ werden in dem Detektor 108 überlagert. Es ergeben sich Interferenzstreifen nach Maßgabe einer Phasendifferenz Φ_S zwischen den beiden Primärinterferogrammen beider Wellenlängen (λ₁, λ₂) gemäß der folgenden Beziehung (1):
wobei eine Oberflächenvariation bzw. Oberflächenstruktur die Summe bzw. Überlagerung einer Welligkeit S(x, y) (siehe unten stehende Beschreibung unter Bezugnahme auf 4) und einer Oberflächenrauheit R(x, y) darstellt. Die Koordinaten x und y sind die Ortskoordinaten in der Ebene der Messobjektoberfläche 109. Eine synthetische Wellenlänge Λ ergibt sich damit gemäß der folgenden Beziehung, die für einen wie in 1 gezeigten senkrechten Lichteinfall auf die Messobjektoberfläche gilt:
Gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle 200 angepasst zur Emission von zumindest drei Wellenlängen λ₁, λ₂, und λ₃, derart, dass zumindest zwei unterschiedliche synthetische Wellenlängen Λ gemäß der obigen Beziehung (2) erhalten werden können. Auf diese Weise ist es möglich, Interferogramme mit unterschiedlichem Interferenzstreifenabstand und auch, wie unten stehend unter Bezugnahme auf die 5–9 erläutert werden wird, unterschiedlichem Interferenzstreifenkontrast zu erhalten.
An den Ausgang des optischen Interferometers 100, d. h. an eine Ausgangseinheit des Detektors 108, ist eine unten stehend unter Bezugnahme auf 2 zu beschreibende Auswerteeinrichtung 300 angeschlossen, die das erste und das mindestens eine zweite Interferogramm 203 mit unterschiedlichem Interferenzstreifenkontrast aufnimmt. Nach einer Auswertung der Interferogramme 203 in der Auswerteeinrichtung 300 wird als ein Messergebnis eine Oberflächenrauheit 401 ausgegeben.
2 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Funktionsweise der unter Bezugnahme auf 1 erwähnten und in der Rauheits-Messvorrichtung 500 enthaltenen Auswerteeinrichtung 300. Die Auswerteeinrichtung 300 weist eine Eingabeeinheit 303 auf, über welche das aus dem Detektor 108 (siehe 1) ausgegebene optische Interferogramm 203 in die Auswerteeinrichtung 300 eingegeben wird. Das über die Eingabeeinheit 303 eingegebene Interferogramm 203 wird schließlich einer Interferenzstreifen-Erfassungseinheit 305 zugeführt, die angepasst ist zur Erfassung von Interferenzstreifen in dem Interferogramm 203.
Die Erfassung der Interferenzstreifen kann eine Ermittlung von Lage, Form und/oder Position der Interferenzstreifen in dem Interferogramm 203 einschließen. Wenn die Interferenzstreifen ermittelt sind, wird das aus der Interferenzstreifen-Erfassungseinheit 305 erhaltene Ergebnis einer Kontrasterfassungseinheit 301 zugeführt, die angepasst ist zur Erfassung eines ersten Interferenzstreifenkontrasts des ersten Interferogramms 203 und zur Erfassung mindestens eines zweiten Interferenzstreifenkontrasts des mindestens einen zweiten Interferogramms 203. Die Bestimmung des Interferenzstreifenkontrasts wird unten stehend unter Bezugnahme auf die 5–9 näher erläutert werden. Nach einer Ermittlung des Interferenzstreifenkontrasts in der Interferenzstreifen-Kontrasterfassungseinheit 301 wird das Ergebnis einer Rauheits-Bestimmungseinheit 302 durchgeführt.
Die Rauheits-Bestimmungseinheit 302 bestimmt aufgrund der Lage des ersten und des mindestens einen zweiten Interferenzstreifenkontrasts die Oberflächenrauheit 401 der Objektoberfläche 109 des Messobjekts 101 (1). Zur Ermittlung der Oberflächenrauheit 401 mittels der Rauheits-Bestimmungseinheit 302 kann es zweckmäßig sein, eine in einer Speichereinheit 306 abgespeicherte Kalibrierkurve heranzuziehen. Wie eine derartige Kalibrierkurve ermittelt wird, wird unten stehend unter Bezugnahme auf 10 erläutert werden. Die Speichereinheit 306 ist angepasst zur Speicherung von Kalibrierdaten wie z. B. einer Kalibrierkurve, die geeignet sind zur Kalibrierung der Rauheits-Bestimmungseinheit 302.
Nachdem die Rauheit 401 in der Rauheits-Bestimmungseinheit 302 ermittelt wurde, wird das Ergebnis zu einer Ausgabeeinheit 302 der Auswerteeinrichtung 300 ausgegeben und steht als ein Wert einer Oberflächenrauheit 401 zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.
Die Auswerteeinrichtung 300 ist angepasst zur sequenziellen Vermessung der zu untersuchenden Materialoberfläche 109 des Messobjekts 101 mit unterschiedlichen Wellenlängenpaaren. Auf diese Weise ist es möglich, zwei oder mehrere Interferenzstreifen-Kontrastwerte von zwei oder mehreren Interferogrammen 203 zu erhalten, derart, dass die Bestimmung der Oberflächenrauheit 401 auf Grundlage mindestens zweier unterschiedlicher synthetischer Wellenlängen ermöglicht wird. Eine Vielzahl von Interferenzstreifen-Kontrastwerten von Interferogrammen 203, die mit unterschiedlichen synthetischen Wellenlängen aufgenommen wurden, kann zu einer Verbesserung der Messempfindlichkeit in Bezug auf eine Ermittlung der Oberflächenrauheit 401 beitragen. Ferner ist es möglich, dass das Bestimmen eines Interferenzstreifenkontrasts in der Kontrasterfassungseinheit 301 ein Bestimmen von Größe und/oder Lage von Interferenzstreifen in dem Interferogramm 203 einschließt.
3 zeigt den Aufbau einer Rauheits-Messvorrichtung 500 gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel. Eine Lichtquelle 200 beleuchtet ein optisches Interferometer, welches als ein Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet ist. Es sei hier darauf hingewiesen, dass, obwohl sich die vorliegenden Ausführungsbeispiele auf Mach-Zehnder-Interferometer beziehen, das optische Interferometer 100 nicht auf Mach-Zehnder-Anordnungen beschränkt ist, sondern dass vielmehr andere Interferometer-Anordnungen eingesetzt werden können. Beispielsweise kann das optische Interferometer 100 gewählt sein aus der Gruppe, die besteht aus einem Michelson-Interferometer, einem Mach-Zehnder-Interferometer, einem Speckle-Interferometer, oder jedweder Kombination davon.
Optisches Primärlicht 201, welches mindestens drei Wellenlängen enthält und zumindest teilweise kohärent ist, wird aus der Lichtquelle 200 zu dem ersten Strahlteiler 105 hin emittiert. Der erste Strahlteiler 105 teilt den Strahlengang auf in einen Referenzpfad 104 und einen Messpfad 103. Der Messpfad-Strahlengang 103 wird durch einen Umlenkspiegel 110 auf die zu untersuchende Materialoberfläche 109 des Messobjekts 101 gelenkt.
Von der Materialoberfläche zurückgeworfenes Licht wird über ein optisches Abbildungssystem 111, welches beispielsweise aus zwei hintereinander angeordneten optischen Linsen bereitgestellt sein kann, und einen dritten Strahlteiler 107 auf den Detektor 108 abgebildet. An dem dritten Strahlteiler 107 wird Referenzlicht über den Referenzpfad 104 dem von der Oberfläche 109 des Messobjekts 101 reflektierten Licht überlagert. In den Strahlengang des Referenzpfads 104 ist ferner eine Phasenschiebeeinheit 113 eingebracht, über welche es möglich ist, eine Phasenverschiebung in dem Referenzpfad 104 herbeizuführen. Der Referenzpfad-Strahlengang 104 wird über einen weiteren Umlenkspiegel 110 in Richtung des zweiten Strahlteilers 106 abgelenkt, welcher den Strahl zu einem Referenzobjekt 112 hin ablenkt. Das mit Hilfe der Phasenschiebeeinheit 113 bewirkte Phasenschieben des Referenzpfad-Strahlengangs in Bezug auf den Messobjekt-Strahlengang ermöglicht Aufnahmen von Primärinterferogrammen mit unterschiedlicher Differenzphase, wobei diese Aufnahmen anschließend überlagert und zur Verbesserung einer Bildqualität des erhaltenen Primärinterferogramms herangezogen werden können.
Der von dem Referenzobjekt 112 zurückgeworfene Strahl wird über den zweiten Strahlteiler 106 dem dritten Strahlteiler 107 zugeführt, wo das Referenzlicht mit dem Messlicht überlagert wird. Das Referenzobjekt 112 dient als Referenz für die zu untersuchende Materialoberfläche 109 derart, dass Interferenzstreifen, die eine Formabweichung des Messobjekts 101 vom Referenzobjekt 112 widerspiegeln, an ein beliebiges Messobjekt angepasst werden können. So ist es beispielsweise möglich, dass in einem Fall, in dem die Messobjekt-Oberfläche 109 eine starke Krümmung aufweist, ebenfalls das Referenzobjekt 112 eine ähnliche Krümmung aufweisen kann, um die Dichte von erhaltenen Interferenzstreifen zu reduzieren. In einem derartigen Fall muss das Referenzobjekt 112 ebenfalls eine raue Oberfläche aufweisen, damit Licht aus unterschiedlichen Richtungen zu dem zweiten Strahlteiler 106 zurückgeworfen werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die mit hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist das Referenzobjekt 112 als ein Spiegel ausgebildet. Eine derartige Anordnung ist vorteilhaft für Messungen an einem im Wesentlichen ebenen Messobjekt 101.
Um die oben stehend beschriebenen synthetischen Wellenlängen zu erzeugen, ist ein entsprechendes, aus der Lichtquelle 200 emittiertes Wellenlängenpaar aus Einzelwellenlängen λ₁, λ₂ erforderlich. Somit ist die Lichtquelle 200 angepasst zur Emission von kohärentem bzw. teilkohärentem Licht bei zumindest drei Wellenlängen, derart, dass zumindest zwei Wellenlängenunterschiede herstellbar sind. Mit mindestens zwei Wellenlängenunterschieden lassen sich somit mindestens zwei Interferogramme 203 unterschiedlicher Interferenzstreifen bzw. unterschiedlichen Interferenzstreifenabstands erzeugen. Da diese Interferogramme 203 mit jeweils unterschiedlichen synthetischen Wellenlängen erhalten wurden, weisen diese Interferogramme typischerweise auch einen unterschiedlichen Interferenzstreifenkontrast auf, wie untenstehend unter Bezugnahme auf die 7–9 erläutert wird.
Die Lichtquelle 200 kann beispielsweise als ein Argonionen-Laser ausgebildet sein, welcher in der Lage ist, mindestens drei Wellenlängen gleichzeitig oder sequenziell zu emittieren. Unterschiedliche Lasersysteme, wie z. B. ein Mehrwellenlängen-Argonionen-Laser lassen unterschiedliche synthetische Wellenlängen gemäß der oben stehenden Beziehung (2) zu. Die synthetische Wellenlänge Λ, die bei Verwendung unterschiedlicher Laserlichtquellen bereitgestellt werden kann, kann beispielsweise einen oder mehrere der folgenden Werte annehmen: 2,0 μm, 2,5 μm, 2,6 μm, 2,9 μm, 3,1 μm, 3,3 μm, 3,7 μm, 3,8 μm, 4,0 μm, 4,2 μm, 4,7 μm, 5,9 μm, 7,1 μm, 8,9 μm, 10,0 μm, 13,0 μm, 14,2 μm, 15,7 μm, 24,0 μm und 29,0 μm.
Zur Erzeugung von Interferenzstreifen, die einem Abstand entsprechend der synthetischen Wellenlänge Λ entsprechen, sind mindestens zwei Primärinterferogramme aufzunehmen, d. h. ein erstes Primärinterferogramm bei einer Wellenlänge λ₁ und mindestens ein zweites Primärinterferogramm bei einer Wellenlänge λ₂ (oder λ₃). Das erste Primärinterferogramm und das mindestens eine zweite Primärinterferogramm können gleichzeitig oder sequenziell nacheinander aufgenommen werden. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die beiden Primärinterferogramme entweder direkt auf dem Detektor 108 oder nach Aufnahme und Abspeicherung anschließend in einer Berechnungseinheit rechnerisch überlagert werden können, derart, dass ein Interferenzstreifenmuster in einem resultierenden Interferogramm 203 erhalten wird, welches hinsichtlich des Interferenzstreifenkontrasts ausgewertet werden kann.
Neben einer Anordnung der Lichtquelle 200 als ein Mehrwellenlängen-Laser kann die Lichtquelle 200, obwohl dies in 3 nicht gezeigt ist, aus Einzellicht-Emissionselementen bestehen, die jeweils Licht einer einzigen Wellenlänge bei teilweiser Kohärenz erzeugen. Auf diese Weise ist es ebenfalls möglich, dass in das optische Interferometer Primärlicht 201 bei zumindest drei Wellenlängen eingekoppelt wird. Der Detektor 108 zur optischen Aufnahme der Überlagerung des von der Messobjektoberfläche 109 zurückgeworfenen Lichts mit dem Referenzlicht kann als ein zweidimensionaler Detektor ausgebildet sein, beispielsweise als eine Kamera, in noch typischerer Weise als eine CCD-Kamera.
4 ist eine Seiten-Schnittansicht eines Messobjekts 101, welches neben einer Oberflächenrauheit 401 auf der Objektoberfläche 109 eine Oberflächenform 403 aufweist, angezeigt durch die gewellte, in 4 gestrichelte Kurve. Die Oberflächenform 403 entspricht dabei dem Ausdruck S(x, y) in Beziehung (1), während die Oberflächenrauheit 401 der Objektoberfläche 109 des Messobjekts 101 dem Ausdruck R(x, y) entspricht. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die Koordinaten x und y der Objektoberfläche parallel zur Objektoberfläche gerichtet sind. Somit beschreiben die Koordinaten x und y einen Punkt auf der Objektoberfläche 109.
Um Interferenzstreifen mit einer bestimmten synthetischen Wellenlänge Λ in einem Interferogramm 203 auf Grundlage der Oberflächenform 403 zu erhalten, ist es zweckmäßig, dass die Oberflächenform 403 mit der eingestellten synthetischen Wellenlänge Λ eindeutig detektierbar ist. Aus diesem Grund ist es erforderlich, dass eine durch die Oberflächenrauheit 401 der Objektoberfläche 109 hervorgerufene Phasenänderung kleiner als 360° ist. D. h., die durch die Oberflächenrauheit 401 der Messobjekt-Oberfläche 109 hervorgerufene Phasenänderung muss der folgenden Beziehung (3) genügen: 4π / ΛR(x, y) << 2π
Je weniger die obige Ungleichung (3) erfüllt ist, desto unschärfer bzw. kontrastärmer werden die in dem Zweiwellenlängen-Interferometer erhaltenen Interferenzstreifen. Dieser Effekt wird nun zur Rauheitsmessung gemäß mindestens einem hierin beschriebenen Ausführungsbeispiel herangezogen. Ein Einsetzen der obigen Beziehung (2) in die Beziehung (3) liefert eine Beziehung für einen maximalen Rauheitswert R(x, y), der für einen vorgegebenen Kontrast des Interferenzstreifenmusters in dem detektierten Interferogramm 203 bei gegebener synthetischer Wellenlänge Λ noch zulässig ist, siehe unten stehende Beziehung (4).
Wie aus der obigen Beziehung (4) zu erkennen ist, hängt die synthetische Wellenlänge Λ jeweils von einem Wellenlängenpaar λ₁, λ₂ (oder λ₁, λ₃ bzw. λ₂, λ₃) ab. D. h., die synthetische Wellenlänge Λ kann durch einen geeigneten Wellenlängenabstand der beiden Wellenlängen, bei welchen die Primärinterferogramme aufgenommen werden, eingestellt werden. Da die resultierenden, überlagerten Interferogramme 203 mit jeweils unterschiedlichen synthetischen Wellenlängen Λ erhalten werden können, weisen diese Interferogramme 203 einen unterschiedlichen Interferenzstreifenkontrast auf, wie untenstehend unter Bezugnahme auf die 7–9 erläutert wird. Der Grund dafür liegt in der Tatsache, dass mit zunehmender Rauheit R(x, y) der Objektoberfläche 109 in Relation zur synthetische Wellenlänge Λ die obige Ungleichung (4) immer weniger erfüllt ist. So wird bei gegebener synthetischer Wellenlänge Λ der Interferenzstreifenkontrast mit zunehmender Rauheit R(x, y) abnehmen. Umgekehrt wird der Interferenzstreifenkontrast bei gegebener Rauheit R(x, y) mit zunehmender synthetischer Wellenlänge Λ zunehmen.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass auf der Basis einer Interferenzstreifenkontrasterfassung ein Ermitteln der Oberflächenrauheit 401 auf Grundlage des ersten und des mindestens einen zweiten Interferenzstreifenkontrasts ein Bestimmen mindestens eines Rauheitswerts 401 aus der Gruppe einschließen kann, die besteht aus einem arithmetischen Mittenrauheitswert, einem quadratischen Mittenrauheitswert, einer gemittelten Rautiefe, einer Glättungstiefe, einer Wellentiefe, einer Profiltiefe und jedweder Kombination davon.
5 zeigt ein mit einer Rauheits-Messvorrichtung 500 gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel aufgenommenes Interferogramm 203. Das mit einer Anordnung nach 1 oder 3 erhaltene Interferogramm 203 weist ringförmige Interferenzstreifen 205 auf, die beispielsweise herrühren von einer kugelförmigen Ausbeulung der Objektoberfläche 109 des Messobjekts 101 in Bezug auf das Referenzobjekt 112 bzw. in Bezug auf eine Wellenfront des Referenzstrahlengangs (Referenzpfad 104). Der Abstand von einem Ring maximaler Intensität I_max zu einem benachbarten Ring maximaler Intensität I_max entspricht einem gemessenen Höhenunterschied von Λ.
Auf diese Weise lässt sich eine Messempfindlichkeit zur Bestimmung der Oberflächenform 403 des Messobjekts 101 einstellen. Je nach Oberflächenform 403 in Bezug zur Referenzwellenfront bzw. zum Referenzobjekt 112 ergibt sich eine unterschiedliche Anzahl von Interferenzstreifen 205. Anstelle eines Zählens der Interferenzstreifen maximaler Intensität I_max ist es ferner möglich, die dunklen Interferenzstreifen mit einer minimalen Intensität I_min zu zählen.
Wie aus der Aufnahme eines Interferogramms 203 in der 5 eindeutig zu erkennen ist, ist das Interferenzstreifenmuster 205 von Rauschen überlagert. Dieses Rauschen rührt von der Oberflächenrauheit 401 (R(x, y), vgl. obenstehende Beziehung (3)) der Messobjekt-Oberfläche 109 her. Je größer das Rauschen ist, desto schlechter werden die Interferenzstreifen in dem Interferogramms 203 sichtbar, d. h. desto geringer ist der Interferenzstreifenkontrast in dem erhaltenen Interferenzstreifenbild.
Um eine derartige Kontrasterfassung einer quantitativen Analyse zugänglich zu machen, wird gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel, welches mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann, ein Intensitätsprofil entlang einer Intensitätsprofillinie 206 ermittelt. Eine Möglichkeit zur Gewinnung des Intensitätsprofils besteht darin, entlang der in 5 gezeigten gestrichelten Linie die von dem zweidimensionalen Detektor ermittelten Intensitätswerte als Funktion einer Ortskoordinate (x, y) in Richtung der gestrichelten Linie aufzunehmen.
6 zeigt ein Intensitätsprofil 506, das entlang einer wie in 5 gezeigten Intensitätsprofillinie 206 erhalten wurde. Wie aus 6 eindeutig zu erkennen ist, weist das Intensitätsprofil 506 eine quasi-periodische Struktur gemäß der in dem Interferogramm 203 enthaltenen Interferenzstreifen 205 auf. Dieser Intensitäts-Profilverlauf ist durch eine fettgedruckte Linie in 6 dargestellt.
Ferner ist das Intensitätsprofil 506 von Rauschen überlagert, derart, dass die Sichtbarkeit der Interferenzstreifen verschlechtert ist. Das Intensitätsprofil schwankt zwischen der maximalen Intensität I_max und der minimalen Intensität I_min. Aufgrund der Lage der Intensitätsprofillinie 206 und des in dem Interferogramm 203 (5) enthaltenen Rauschens ist es möglich, ein Maß für einen Interferenzstreifenkontrast zu ermitteln.
Die 7, 8 und 9 zeigen schematisch unterschiedliche Intensitätsprofile, die einem Schnitt entlang eines Interferogramms 203 entsprechen, zur Verdeutlichung unterschiedlicher Werte eines Interferenzstreifenkontrasts. In den Zeichnungen bezeichnet ein Bezugszeichen 501 eine Ortskoordinate entlang der Messobjekt-Oberfläche 109, z. B. die x-Koordinate oder die y-Koordinate oder eine Kombination von beiden, während ein Bezugszeichen 502 eine Interferenzstreifenintensität darstellt. 7 zeigt einen Verlauf eines hohen Interferenzstreifenkontrasts 503, d. h. ein Abstand zwischen einer maximalen Intensität I_max und einer minimalen Intensität I_min entlang der Skala der Interferenzstreifenintensität ist groß. Derartige Interferenzstreifen sind in einem Interferogramm 203 (siehe beispielsweise 5) deutlich zu erkennen. Als ein Maß für einen Interferenzstreifenkontrast wird die folgende Beziehung (5) herangezogen:
8 zeigt ein weiteres Intensitätsprofil 506 als eine Interferenzstreifenintensität 502 aufgetragen über der Ortskoordinate 501, wobei das in 8 gezeigte Intensitätsprofil 506 einen mittleren Interferenzstreifenkontrast 504 aufweist. Dies bedeutet, dass die in einem Interferogramm 302 erhaltenen Interferenzstreifen zwar verrauscht, aber dennoch relativ gut sichtbar sind. Ein Abstand zwischen einer maximalen Intensität I_max und einer minimalen Intensität I_min ist bei dem in 8 gezeigten Intensitätsprofil 506 geringer als bei dem in 7 gezeigten Intensitätsprofil 506.
9 zeigt schließlich ein Intensitätsprofil 506, d. h. eine Interferenzstreifenintensität 502 als Funktion der Ortskoordinate 501 als Schnitt durch ein Interferogramm 203, wobei das Intensitätsprofil 506 einen geringen Interferenzstreifenkontrast K aufweist. Dies bedeutet, dass Interferenzstreifen 205 in einem Interferogramm 203 (siehe beispielsweise 5) nur noch schlecht bzw. gar nicht mehr erkennbar bzw. auswertbar sind. Eine derartige Reduzierung des Interferenzstreifenkontrasts hängt zusammen mit der unter Bezugnahme auf die obige Beziehung (1) erhöhten Phasenverschiebung durch den Rauheitsparameter R(x, y). Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die obige Ungleichung (3) nicht mehr hinreichend oder überhaupt nicht mehr erfüllt ist. Die Oberflächenrauheit 401 in Bezug zur Oberflächenform 403 ist damit so groß, dass eine erhebliche Reduzierung des Interferenzstreifenkontrasts 505 auftritt. Der Abstand zwischen der maximalen Intensität I_max und der minimalen Intensität I_min ist in dem in 9 gezeigten Beispiel damit gering.
Gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel, welches mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann, lässt sich ein unterschiedlicher Interferenzstreifenkontrast, d. h. ein hoher, in 7 gezeigter Interferenzstreifenkontrast 503, ein mittlerer, in 8 gezeigter Interferenzstreifenkontrast 504 bzw. ein niedriger, in 9 gezeigter Interferenzstreifenkontrast 505 durch eine Variation der synthetischen Wellenlänge Λ gemäß den obigen Beziehungen (1), (2) und (3) herbeiführen. D. h., wenn die Oberflächenrauheit R(x, y) ansteigt, muss bei einer Oberflächenformvermessung der Oberflächenform 403 die synthetische Wellenlänge Λ durch Wahl der Einzelwellenlängen λ₁, λ₂ entsprechend erhöht werden, um einen vorgegebenen Interferenzstreifenkontrast aufrechtzuerhalten.
Gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel kann eine Vergleichseinrichtung (in den Zeichnungen nicht gezeigt) bereitgestellt sein, um mindestens zwei Intensitätsprofile 506, die aus mindestens zwei unterschiedlichen Interferogrammen 203 bzw. resultierenden Interferenzstreifenbildern gewonnen wurden, hinsichtlich ihres Interferenzstreifenkontrasts miteinander zu vergleichen. Ferner kann ein Wellenlängenpaar λ₁, λ₂ bzw. λ₁, λ₃ bzw. λ₂, λ₃, bestimmt werden, bei dem der Interferenzstreifenkontrast derart niedrig ist (beispielsweise der Interferenzstreifenkontrast 505, der in 9 gezeigt ist), so dass einzelne Interferenzstreifen 205 nicht mehr auswertbar sind. Eine derartige Auswertungsgrenze für einzelne Interferenzstreifen in dem Interferogramm 203 wird bestimmt durch eine Visibilitätsgrenze. Die Visibilitätsgrenze kann somit als eine Grenze für die Bestimmung von Interferenzstreifen 205 in dem ersten und/oder mindestens einem zweiten Interferogramm 203 herangezogen werden.
Gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel entspricht die Visibilitätsgrenze einem Interferenzstreifenkontrast in einem Bereich von 1% bis 30%, in typischer Weise von 3% bis 10%, und in noch typischerer Weise einem Interferenzstreifenkontrast von ungefähr 5%. Der Interferenzstreifenkontrast wird, wie oben stehend unter Bezugnahme auf die Beziehung (5) erläutert, gebildet durch eine Differenz der maximalen Intensität I_max und der minimalen Intensität I_min des ersten und/oder zweiten Interferogramms, geteilt durch die Summe der maximalen Intensität I_max und der minimalen Intensität I_min. Gemäß der Visibilitätsgrenze, die einem bestimmten Interferenzstreifenkontrast entspricht, kann ein Wellenlängenpaar λ₁, λ₂ bzw. λ₁, λ₃ bzw. λ₂, λ₃, oder eine synthetische Wellenlänge Λ bestimmt werden, bei welcher ein Interferenzstreifenkontrast nicht mehr auswertbar ist.
10 zeigt eine entsprechende Korrespondenzkurve 404, bei der ein Interferenzstreifenkontrast nicht mehr oder nur noch gering nach Maßgabe der obigen Beziehungen auswertbar ist. Für die in 10 gezeigte Korrespondenzkurve 404 wurde angenommen, dass die Visibilitätsgrenze einem Interferenzstreifenkontrast von ungefähr 5% entspricht. Eingetragen in das Diagramm der 10 ist die Oberflächenrauheit 401 als Funktion der synthetischen Wellenlänge 402, wobei die Oberflächenrauheit in Mikrometer (μm) angegeben ist, und die synthetische Wellenlänge Λ ebenfalls in Mikrometer (μm) angegeben ist. Die in 10 gezeigte Korrespondenzkurve 404 kann als eine Kalibrierkurve in der Speichereinheit 306 abgespeichert und zur Kalibrierung der Rauheits-Bestimmungseinheit 302 herangezogen werden, wie obenstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist.
Zur Bestimmung der Oberflächenrauheit einer Objektoberfläche 109 des Messobjekts 101 wird das Messobjekt 101 in das Interferometer 100 eingebracht und sequenziell mit mindestens zwei unterschiedlichen synthetischen Wellenlängen Λ hinsichtlich der Oberflächenform 403 vermessen. Die auf diese Art und Weise erhaltenen mindestens zwei Interferogramme 203 können beispielsweise beginnend mit dem Interferogramm der größten synthetischen Wellenlänge Λ in absteigender Reihenfolge auf ihren Interferenzstreifenkontrast K und ihre Rauschcharakteristik hin evaluiert werden.
Ab einer bestimmten Grenze wird die synthetische Wellenlänge Λ in Bezug auf die Rauheit R(x, y) der Objektoberfläche 109 zu klein, so dass die Interferogramme 203 zu kontrastarm und daher nicht mehr auswertbar sind. Diese synthetische Wellenlänge Λ wird bestimmt und entspricht einem aus dem Graphen 404 der 10 erhältlichen Oberflächenrauheitswert 401, der in dem Diagramm der 10 an unterschiedlichen Messpunkten eingetragen ist. Die fettgedruckte Linie in 10 entspricht einer Interpolation zwischen den einzelnen Messpunkten und stellt die Visibilitätsgrenze als Korrespondenzkurve 404 dar. Wenn mindestens zwei Interferogramme, die bei unterschiedlichen synthetischen Wellenlängen Λ 402 erhalten wurden, miteinander verglichen werden, lässt sich die Visibilitätsgrenze entsprechend der Korrespondenzkurve 404 des in 10 gezeigten Diagramms ermitteln.
Eine derartige Ermittlung der Visibilitätsgrenze kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass mindestens zwei Interferenzstreifen-Kontrastwerte K, welche aus mindestens zwei Interferogrammen bestimmt wurden, die mit unterschiedlicher synthetischer Wellenlänge 402 aufgenommen wurden, miteinander verglichen werden. Beispielsweise kann eine lineare Extrapolation herangezogen werden, um aus den beiden erhaltenen Interferenzstreifen-Kontrastwerten K auf einen die Visibiltätsgrenze bestimmenden Interferenzstreifen-Kontrastwert K von 5% zu schließen. Ein Zusammenhang zwischen einem Wert der synthetischen Wellenlänge 402 und einem zugehörigen Interferenzstreifen-Kontrastwert K kann vorab ermittelt und ebenfalls in der Speichereinheit 306 abgespeichert werden. Neben einer linearen Extrapolation zur Ermittlung der Visibilitätsgrenze können weitere dem Fachmann bekannte Extrapolationsverfahren eingesetzt werden.
Gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel kann die in 10 gezeigte Korrespondenzkurve 404 als Kalibrierung für die Rauheits-Messvorrichtung 500 in der in 2 gezeigten Speichereinheit 306 abgespeichert werden, derart, dass die abgespeicherte Korrespondenzkurve 404 für nachfolgende Rauheitsmessungen an unterschiedlichen Messobjektoberflächen 109 herangezogen werden kann. Insbesondere ist es möglich, durch eine Vielzahl von ermittelten Interferenzstreifen-Kontrastwerten K eine Messgenauigkeit zur Bestimmung der Oberflächenrauheit 401 der Objektoberfläche 109 zu erhöhen.
Mit einer Lichtquelle 200 (siehe 1 und 3), welche mehrere unterschiedliche Einzelwellenlängen emittieren kann, ist es möglich, die synthetische Wellenlänge Λ in einem weiten Bereich zu variieren. Auf diese Weise lassen sich mehrere unterschiedliche Interferogramme 203 mit unterschiedlichem Interferenzstreifenkontrast K erhalten. Eine Zuordnung des erhaltenen Interferenzstreifenkontrasts K (siehe obige Beziehung (5)) zu der zugehörigen synthetischen Wellenlänge Λ 402 ergibt dann eine exakte Abschätzung des Punkts auf der Korrespondenzkurve 404 der 10, wobei die Korrespondenzkurve 404 eine definierte Visibilitätsgrenze (in 10 für K = 5%) darstellt.
11 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Messverfahrens zum Bestimmen der Oberflächenrauheit einer zu untersuchenden Materialoberfläche 109. Nach einem Start der Prozedur in einem Block 601 wird in einem Block 602 Licht mit einer ersten Wellenlänge auf die Materialoberfläche eingestrahlt. Schließlich wird Licht mit mindestens einer zweiten Wellenlänge, die einen Wellenlängenabstand zu der ersten Wellenlänge aufweist, in einem Block 603 auf die Objektoberfläche 109 des Messobjekts 101 eingestrahlt.
Nach einem Aufnehmen der entsprechenden Primärinterferogramme bei den Einzelwellenlängen, kann schließlich in einem Block 605 ein Interferenzstreifenkontrast K des somit erhaltenen ersten Interferogramms 203 bestimmt werden. In einem anschließenden Block 606 wird mindestens ein zweites Interferogramm der zu untersuchenden Wellenlänge bei mindestens einem zweiten Wellenlängenabstand zwischen der ersten Wellenlänge und mindestens einer zweiten Wellenlänge erhalten.
Anschließend wird in einem Block 607 mindestens ein zweiter Interferenzstreifenkontrast K des zweiten Interferogramms 203 bestimmt. Nach einem Bestimmen der mindestens zwei unterschiedlichen Interferenzstreifen-Kontrastwerte K der beiden Interferogramme 203 kann die Oberflächenrauheit auf Grundlage des ersten und des mindestens einen zweiten Interferenzstreifenkontrasts K ermittelt werden (Block 608). Die Prozedur endet in einem Block 609.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand typischer Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Auch ist die Erfindung nicht auf die genannten Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.
Bezugszeichenliste

100: optisches Interferometer
101: Messobjekt
102: Spiegel
103: Messpfad
104: Referenzpfad
105: erster Stahlteiler
106: zweiter Stahlteiler
107: dritter Stahlteiler
108: Detektor
109: Objektoberfläche
110: Umlenkspiegel
111: optisches Abbildungssystem
112: Referenzobjekt
113: Phasenschiebeeinheit
200: Lichtquelle
201: Primärlicht
202: Sekundärlicht
203: Interferogramm
204: Wellenlängen-Einstelleinheit
205: Interferenzstreifen
206: Intensitätsprofillinie
300: Auswerteeinrichtung
301: Kontrasterfassungseinheit
302: Rauheits-Bestimmungseinheit
303: Eingabeeinheit
304: Ausgabeeinheit
305: Interferenzstreifen-Erfassungseinheit
306: Speichereinheit
401: Oberflächenrauheit
402: synthetische Wellenlänge
403: Oberflächenform
404: Visibilitätsgrenze
500: Rauheitsmessvorrichtung
501: Ortskoordinate
502: Interferenzstreifenintensität
503: hoher Interferenzstreifenkontrast
504: mittlerer Interferenzstreifenkontrast
505: niedriger Interferenzstreifenkontrast
506: Intensitätsprofil

Claims

Messvorrichtung zur Bestimmung der Oberflächenrauheit einer zu untersuchenden Materialoberfläche, umfassend: eine Lichtquelle, welche angepasst ist zur Emission von kohärentem Licht bei zumindest drei Wellenlängen; ein an die Lichtquelle angeschlossenes Interferometer, welches angepasst ist zur Aufnahme eines ersten Interferogramms der zu untersuchenden Materialoberfläche bei einer durch einen ersten Wellenlängenabstand zur Verfügung gestellten ersten synthetischen Wellenlänge und mindestens eines zweiten Interferogramms der zu untersuchenden Materialoberfläche bei einer durch einen zweiten Wellenlängenabstand zur Verfügung gestellten zweiten synthetischen Wellenlänge; eine Kontrasterfassungseinheit, die angepasst ist zur Erfassung eines ersten Interferenzstreifenkontrasts des ersten Interferogramms und zur Erfassung mindestens eines zweiten Interferenzstreifenkontrasts des mindestens einen zweiten Interferogramms; und eine Bestimmungseinheit, die angepasst ist zur Bestimmung der Oberflächenrauheit auf Grundlage des ersten und des mindestens einen zweiten Interferenzstreifenkontrasts.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Wellenlängen-Einstelleinheit, die angepasst ist zur Einstellung von mindestens drei voneinander verschiedenen Wellenlängen des aus der Lichtquelle emittierten kohärenten Lichts.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtquelle als ein Mehrwellenlängen-Laser ausgebildet ist.
Messvorrichtung nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Interferenzstreifen-Erfassungseinheit, die angepasst ist zur Erfassung von Ausdehnung und/oder Lage von Interferenzstreifen in dem Interferogramm.
Messvorrichtung nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Interferometer gewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus einem Michelson-Interferometer, einem Mach-Zehnder-Interferometer, einem Speckle-Interferometer, und jedweder Kombination davon.
Messvorrichtung nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Interferometer einen zweidimensionalen Detektor aufweist, der angepasst ist zur Erfassung des Interferogramms.
Messvorrichtung nach Anspruch 6, ferner umfassend ein optisches Abbildungssystem, das angepasst ist zur Abbildung der zu untersuchenden Materialoberfläche auf den zweidimensionalen Detektor.
Messvorrichtung nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Speichereinheit, die angepasst ist zur Speicherung von Kalibrierdaten zur Kalibrierung der Bestimmungseinheit.
Messverfahren zum Bestimmen der Oberflächenrauheit einer zu untersuchenden Materialoberfläche, umfassend: Einstrahlen von Licht mit einer ersten Wellenlänge auf die Materialoberfläche; Einstrahlen von Licht mit mindestens einer zweiten Wellenlänge, die einen ersten Wellenlängenabstand zu der ersten Wellenlänge aufweist, auf die Materialoberfläche; Erfassen eines ersten Interferogramms der Materialoberfläche bei einer durch den ersten Wellenlängenabstand zur Verfügung gestellten ersten synthetischen Wellenlänge; Bestimmen eines ersten Interferenzstreifenkontrasts des ersten Interferogramms; Einstrahlen von Licht mit mindestens einer dritten Wellenlänge, die mindestens einen zweiten Wellenlängenabstand zu der ersten oder zweiten Wellenlänge aufweist, auf die Materialoberfläche; Erfassen mindestens eines zweiten Interferogramms der Materialoberfläche bei mindestens einer durch den mindestens zweiten Wellenlängenabstand zur Verfügung gestellten zweiten synthetischen Wellenlänge; Bestimmen mindestens eines zweiten Interferenzstreifenkontrasts des zweiten Interferogramms; und Ermitteln der Oberflächenrauheit auf Grundlage des ersten und des mindestens einen zweiten Interferenzstreifenkontrasts.
Messverfahren nach Anspruch 9, wobei der erste und/oder der mindestens eine zweite Interferenzstreifenkontrast bestimmt wird auf Grundlage der Differenz einer maximalen Intensität und einer minimalen Intensität des ersten und/oder zweiten Interferogramms, geteilt durch die Summe der maximalen Intensität und der minimalen Intensität.
Messverfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei eine Visibilitätsgrenze zur Bestimmung von Interferenzstreifen in dem ersten und/oder mindestens einen zweiten Interferogramm auf Grundlage des ersten und/oder mindestens einen zweiten Interferenzstreifenkontrasts ermittelt wird.
Messverfahren nach Anspruch 11, wobei die Visibilitätsgrenze einem Interferenzstreifenkontrast in einem Bereich von 1% bis 30%, in typischer Weise von 3% bis 10%, und in noch typischerer Weise einem Interferenzstreifenkontrast von ungefähr 5% entspricht.
Messverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Ermitteln der Oberflächenrauheit auf Grundlage des ersten und des mindestens einen zweiten Interferenzstreifenkontrasts ein Bestimmen mindestens eines Rauheitswerts aus der Gruppe umfasst, die besteht aus einem arithmetischen Mittenrauheitswert, einem quadratischen Mittenrauheitswert, einer gemittelten Rautiefe, einer Glättungstiefe, einer Wellentiefe, einer Profiltiefe, und jedweder Kombination davon.
Messverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das eingestrahlte Licht eine Kohärenzlänge in einem Bereich von 0,5 cm bis 500 cm, in typischer Weise von 1 cm bis 10 cm, und in noch typischerer Weise eine Kohärenzlänge von ungefähr 2 cm aufweist.
Messverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Bestimmen des Interferenzstreifenkontrasts ein Bestimmen von Größe und/oder Lage von Interferenzstreifen in dem Interferogramm umfasst.