DE102014223747B4

DE102014223747B4 - Apparatus and method for measuring a height profile of a surface using an elongate aperture

Info

Publication number: DE102014223747B4
Application number: DE102014223747.5A
Authority: DE
Inventors: Tobias Beckmann; Markus Fratz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2016-09-08
Anticipated expiration: 2034-11-21
Also published as: DE102014223747A1

Abstract

Vorrichtung zur Vermessung eines Höhenprofils einer Oberfläche, aufweisend: eine Lichtquelle, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Objektwelle und einer Referenzwelle aus von der Lichtquelle ausgesandtem Licht, wobei die Objektwelle auf die Oberfläche strahlbar ist, so dass mit der Objektwelle auf der Oberfläche ein streifenförmiger Bereich ausleuchtbar ist, der in einer x-Richtung auf der Oberfläche eine größere Ausdehnung hat, als in einer zur x-Richtung senkrechten y-Richtung auf der Oberfläche, einen ortsauflösenden Lichtsensor, eine Vorrichtung zum Überlagern der Objektwelle, nachdem sie von der Oberfläche reflektiert und/oder gestreut wurde, mit der Referenzwelle, so dass die Objektwelle und die Referenzwelle auf dem Lichtsensor interferieren, sowie weiter aufweisend eine zwischen der Oberfläche und dem Lichtsensor angeordnete Blende mit einer Blendenöffnung, die in einer x'-Richtung in einer Ebene der Blendenöffnung eine größere Ausdehnung hat, als in hierzu in der Ebene der Blendenöffnung senkrechter y'-Richtung, wobei die x'-Richtung jene Richtung in der Ebene der Blendenöffnung ist, in der Schnittpunkte von Lichtstrahlen mit der Ebene der Blendenöffnung nebeneinander liegen, entlang welcher Lichtstrahlen von in x-Richtung auf der Oberfläche nebeneinander liegenden Punkten ausgehende Objektwellen zum Lichtsensor verlaufen, wobei die Objektwelle und die Referenzwelle so überlagerbar sind, dass ihre Ausbreitungsrichtungen beim Auftreffen auf den Lichtsensor in einem spitzen Winkel von größer als 0° um eine x''-Richtung, die auf einer Sensoroberfläche des Lichtsensors liegt, zueinander stehen.Apparatus for measuring a height profile of a surface, comprising: a light source, a device for generating an object wave and a reference wave emitted from the light source light, wherein the object wave is radiated to the surface, so that with the object wave on the surface of a stripe-shaped region ausleuchtbar which has a larger extent in an x-direction on the surface than in a y-direction perpendicular to the x-direction on the surface, a spatially resolving light sensor, a device for superimposing the object wave after reflecting off the surface and / or scattered with the reference wave, so that the object wave and the reference wave on the light sensor interfere, and further comprising a disposed between the surface and the light sensor aperture with a diaphragm opening in a x'-direction in a plane of the aperture larger Extension has, as in this in the plane of the aperture vertical y'-direction, wherein the x'-direction is that direction in the plane of the aperture in which intersections of light rays with the plane of the aperture adjacent to each other, along which light rays from the x-direction on the surface side by side lying object points waves to the light sensor, wherein the object wave and the reference wave are superimposed so that their propagation directions when hitting the light sensor at an acute angle of greater than 0 ° about an x '' - direction, which lies on a sensor surface of the light sensor , to stand by each other.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung eines Höhenprofils einer Oberfläche durch interferierende Überlagerung einer von der Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten Objektwelle mit einer Referenzwelle.The present invention relates to an apparatus and a method for measuring a height profile of a surface by interfering superimposition of an object wave reflected and / or scattered by the surface with a reference wave.

Im Stand der Technik sind holografische Verfahren zur Vermessung des Profils von Oberflächen bekannt. Es wird hierbei normalerweise die Oberfläche flächig mit einer Objektwelle ausgeleuchtet, die von der Oberfläche reflektiert und/oder gestreut wird. Die reflektierte bzw. gestreute Objektwelle wird mit einer Referenzwelle überlagert, die zur Objektwelle kohärent ist. Auf einem Sensor wird auf diese Weise ein Interferenzmuster erzeugt, aus dem auf die Topographie der Oberfläche geschlossen werden kann. Derartige Verfahren sind als holografische Messverfahren bekannt.Holographic methods for measuring the profile of surfaces are known in the prior art. In this case, the surface is normally illuminated flat with an object wave which is reflected and / or scattered by the surface. The reflected or scattered object wave is superimposed with a reference wave, which is coherent to the object wave. On a sensor, an interference pattern is generated in this way, from which the topography of the surface can be deduced. Such methods are known as holographic measuring methods.

Mit Verfahren des Standes der Technik sind normalerweise verschiedene Freiformflächen, insbesondere wenn sie sehr groß oder stark geneigt sind, nicht vermessbar.With prior art methods, normally, various free-form surfaces, especially if they are very large or steeply inclined, can not be measured.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung eines Höhenprofils einer Oberfläche anzugeben, mit dem Oberflächen beliebiger Form vermessen werden können und das vorzugsweise die Vermessung beliebig großer Oberflächen ermöglicht.Object of the present invention is to provide an apparatus and a method for measuring a height profile of a surface, can be measured with the surfaces of any shape and preferably allows the measurement of arbitrarily large surfaces.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Vermessung eines Höhenprofils einer Oberfläche angegeben, die eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Objektwelle und einer Referenzwelle aus von einer Lichtquelle ausgesandtem Licht aufweist. Eine derartige Vorrichtung kann beispielsweise ein Strahlteiler sein, auf den eine von der Lichtquelle ausgesandte Lichtwelle auftrifft, die dann in die Objektwelle und die Referenzwelle geteilt wird.According to the invention, an apparatus is provided for measuring a height profile of a surface which has a device for generating an object wave and a reference wave from light emitted by a light source. Such a device may for example be a beam splitter, on which a light wave emitted by the light source impinges, which is then divided into the object wave and the reference wave.

Erfindungsgemäß ist die Objektwelle auf die Oberfläche strahlbar, so dass mit der Objektwelle auf der Oberfläche ein streifenförmiger Bereich ausleuchtbar ist. Unter einem streifenförmigen Bereich wird hierbei ein Bereich verstanden, der in einer Richtung auf der Oberfläche, im Folgenden als x-Richtung bezeichnet, eine größere Ausdehnung hat als in einer hierzu senkrechten Richtung auf der Oberfläche, die im Folgenden als y-Richtung bezeichnet wird. Der streifenförmige Bereich kann beispielsweise rechteckig oder oval sein.According to the invention, the object wave can be radiated onto the surface, so that a strip-shaped region can be illuminated with the object wave on the surface. In this case, a strip-shaped region is understood as meaning a region which has a greater extent in one direction on the surface, referred to below as the x-direction, than in a direction perpendicular thereto on the surface, which is referred to below as the y-direction. The strip-shaped region can be rectangular or oval, for example.

Die Lichtquelle ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass mit ihr Licht mit einer Kohärenzlänge erzeugbar ist, die so lang ist, dass in den gegebenen Abmessungen der Vorrichtung die von der zu vermessenden Oberfläche reflektierte Objektwelle mit der Referenzwelle auf einem Lichtsensor der Vorrichtung interferierend (kohärent) überlagerbar ist.The light source is preferably designed so that it can be generated with a coherence length, which is so long that in the given dimensions of the device reflected from the surface to be measured object wave with the reference wave on a light sensor of the device interfering (coherent) superimposed is.

Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung einen ortsauflösenden Lichtsensor auf. Dass der Sensor ortsauflösend ist, bedeutet dabei, dass der Helligkeitswert von auf eine Sensorfläche des Sensors eingestrahltem Licht in Abhängigkeit vom Ort auf der Sensorfläche bestimmbar ist. Ein derartiger Sensor kann beispielsweise ein CCD-Sensor oder ein CMOS-Sensor sein.According to the invention, the device has a spatially resolving light sensor. The fact that the sensor is spatially resolving means that the brightness value of light irradiated onto a sensor surface of the sensor can be determined as a function of the location on the sensor surface. Such a sensor may be for example a CCD sensor or a CMOS sensor.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist außerdem eine Vorrichtung zum Überlagern der von der zu vermessenden Oberfläche reflektierten und/oder gestreuten Objektwelle mit der Referenzwelle auf. Durch diese Vorrichtung werden dabei die reflektierte bzw. gestreute Objektwelle und die Referenzwelle so überlagert, dass sie auf dem Lichtsensor bzw. einer Sensorfläche des Lichtsensors interferieren.The device according to the invention also has a device for superposing the object wave, which is reflected and / or scattered by the surface to be measured, with the reference wave. By this device, the reflected or scattered object wave and the reference wave are superimposed so that they interfere on the light sensor or a sensor surface of the light sensor.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist außerdem eine Blende auf, die zwischen der zu vermessenden Oberfläche, vorzugsweise der Vorrichtung zum Überlagern der Objektwelle mit der Referenzwelle, einerseits und dem Lichtsensor andererseits angeordnet ist. Diese Blende weist dabei eine Blendenöffnung auf, die in einer x'-Richtung eine größere Ausdehnung hat als in einer hierzu senkrechten y'-Richtung in der Ebene der Blendenöffnung. Dabei soll als x'-Richtung jene Richtung in der Ebene der Blendenöffnung angesehen werden, die parallel oder nahezu parallel zur x-Richtung der zu vermessenden Oberfläche liegt oder bei durch Spiegelanordnungen gefalteten Strahlgängen derart liegt, dass sie ohne die Faltung durch die Spiegel im Wesentlichen oder exakt parallel zur x-Richtung läge.The device according to the invention also has a diaphragm which is arranged between the surface to be measured, preferably the device for superimposing the object wave with the reference shaft, on the one hand and the light sensor on the other hand. In this case, this diaphragm has an aperture which has a greater extent in an x'-direction than in a y'-direction perpendicular thereto in the plane of the diaphragm aperture. In this case, the direction in the plane of the diaphragm opening which is parallel or nearly parallel to the x-direction of the surface to be measured or is arranged with beam paths folded by mirror arrangements is such that it essentially does without the folding through the mirror or exactly parallel to the x-direction.

Entsprechend wird als y'-Richtung jene Richtung in der Ebene der Blendenöffnung angesehen, die senkrecht zur x'-Richtung steht.Accordingly, the direction in the plane of the aperture which is perpendicular to the x 'direction is regarded as the y' direction.

Die Blendenöffnung kann vorzugsweise eine rechteckige oder ovale Form haben.The aperture may preferably have a rectangular or oval shape.

Mit dem ortsauflösenden Lichtsensor ist dann ein Interferenzmuster vermessbar, aus dem auf das Höhenprofil der Oberfläche entlang der x-Richtung geschlossen werden kann.With the spatially resolving light sensor an interference pattern can then be measured, from which the height profile of the surface along the x-direction can be deduced.

Etwaige Linsen, die Blende und Vorrichtung zur Überlagerung können in beliebiger Reihenfolge zwischen der Oberfläche und dem Sensor stehen.Any lenses, aperture and overlay device may be in any order between the surface and the sensor.

Erfindungsgemäß ist außerdem ein entsprechendes Verfahren zur Vermessung eines Höhenprofils einer Oberfläche. Es wird hierbei Licht zumindest einer Wellenlänge in eine Objektwelle und eine Referenzwelle aufgespalten. Die Aufspaltung kann z. B. mit Hilfe eines Strahlteilerwürfels oder eines faseroptischen Strahlteilers erfolgen.According to the invention is also a corresponding method for measuring a height profile of a surface. It is this light of at least one wavelength in an object wave and a Reference wave split. The splitting can z. B. by means of a beam splitter cube or a fiber optic beam splitter.

Die Objektwelle wird dann so auf die zu vermessende Oberfläche gelenkt, dass mit der Objektwelle auf der zu vermessenden Oberfläche ein streifenförmiger Bereich ausgeleuchtet wird. Der auf der Oberfläche ausgeleuchtete streifenförmige Bereich kann dabei wie oben beschrieben ausgebildet sein. Insbesondere hat er in einer x-Richtung auf der Oberfläche eine größere Ausdehnung als in einer zu dieser x-Richtung senkrechten y-Richtung auf der Oberfläche. Auch hier kann, wie oben beschrieben, der ausgeleuchtete Bereich rechteckig oder oval sein. Die Form des streifenförmigen Bereichs kann dabei beispielsweise durch die Verwendung von einer oder mehreren Zylinderlinsen oder durch die optische Abbildung einer weiteren Blende der entsprechenden Form in die Ebene der zu vermessenden Oberfläche.The object wave is then directed onto the surface to be measured such that a strip-shaped region is illuminated with the object wave on the surface to be measured. The illuminated on the surface strip-shaped region can be formed as described above. In particular, it has a greater extent in an x-direction on the surface than in a y-direction perpendicular to this x-direction on the surface. Again, as described above, the illuminated area may be rectangular or oval. The shape of the strip-shaped region can be achieved, for example, by the use of one or more cylindrical lenses or by the optical imaging of a further diaphragm of the corresponding shape in the plane of the surface to be measured.

Es wird dann die Objektwelle, nachdem sie von der Oberfläche reflektiert und/oder gestreut wurde, mit der Referenzwelle überlagert. Die mit der Referenzwelle überlagerte Objektwelle wird dann auf einen ortsauflösenden Lichtsensor gestrahlt. Dabei interferieren die Objektwelle und die Referenzwelle auf dem Lichtsensor.It is then the object wave, after it has been reflected from the surface and / or scattered, superimposed with the reference wave. The object wave superimposed on the reference wave is then irradiated onto a spatially resolving light sensor. The object wave and the reference wave interfere on the light sensor.

Die mit der Referenzwelle überlagerte Objektwelle durchläuft eine Blende, deren Blendenöffnung in einer x'-Richtung eine größere Ausdehnung hat als in der hierzu senkrechten y'-Richtung. Wie bereits oben beschrieben, ist die x'-Richtung jene Richtung in der Ebene der Blendenöffnung, die parallel zur x-Richtung der zu vermessenden Oberfläche liegt oder bei durch Spiegelanordnungen gefalteten Strahlgängen derart liegt, dass sie ohne die Faltung durch die Spiegel im Wesentlichen oder exakt parallel zur x-Richtung länge. Die y'-Richtung steht in der Ebene der Blendenöffnung zur x'-Richtung senkrecht.The object wave superimposed on the reference wave passes through an aperture whose aperture has a greater extent in an x'-direction than in the y'-direction perpendicular thereto. As already described above, the x'-direction is that direction in the plane of the aperture which is parallel to the x-direction of the surface to be measured or in beam paths folded by mirror arrays such that it substantially or without the convolution by the mirrors exactly parallel to the x-direction length. The y'-direction is perpendicular to the x'-direction in the plane of the aperture.

Es wird erfindungsgemäß aus der mit dem Lichtsensor gemessenen Helligkeitsverteilung auf der Sensorfläche das Höhenprofil der Oberfläche entlang der x-Richtung bestimmt.According to the invention, the height profile of the surface along the x-direction is determined on the basis of the brightness distribution measured on the sensor surface by the light sensor.

Aus dem durch den Lichtsensor gemessenen Interferenzmuster kann das Höhenprofil der Oberfläche ermittelt werden, da aus dem Interferenzmuster die Phasenlage der Wellenfront, die von der Oberfläche reflektiert oder gestreut wurde, bestimmt werden kann. Vorzugsweise erfolgt dabei die Messung möglichst an vielen Messpunkten gleichzeitig.The height profile of the surface can be determined from the interference pattern measured by the light sensor, since the phase pattern of the wavefront, which was reflected or scattered by the surface, can be determined from the interference pattern. Preferably, the measurement is carried out at many measuring points at the same time as possible.

Die Phasenlage ist ein Maß für den Abstand zwischen dem Sensor und dem entsprechenden Messpunkt auf der Oberfläche. Es gilt der Zusammenhang

Δφ:: gemessener Phasenwert
d:: Abstand zwischen Sensor und Messpunkt
λ:: Wellenlänge des Lichtstrahls, mit dem gemessen wird

The phase angle is a measure of the distance between the sensor and the corresponding measuring point on the surface. The context applies

Δφ:: measured phase value
d:: Distance between sensor and measuring point
λ:: Wavelength of the light beam used to measure

Bei der Bestimmung des Höhenprofils ist Folgendes zu berücksichtigen. Das Interferenzmuster auf dem Lichtsensor kann im Allgemeinen periodisch sein, da sich für d = d₀ + n·λ/2 ein identischer Phasenmesswert ergibt wie für den Abstand d₀. Die Variable n steht hier für eine beliebige ganze Zahl. Der Wert d₀ ist dabei der scheinbar gemessene Abstand.When determining the height profile, the following must be considered. The interference pattern on the light sensor may generally be periodic, since for d = d ₀ + n * λ / 2 an identical phase measurement results as for the distance d ₀ . The variable n stands for any integer. The value d ₀ is the apparent measured distance.

Darüber hinaus ergibt sich bei der Streuung an rauen Oberflächen ein Specklemuster, da eine raue Oberfläche zufällige Phasenverschiebungen an den einzelnen Messpunkten generiert. Die Form der einzelnen Speckle wird dabei durch die Form der beschriebenen Blende bestimmt.In addition, the scattering on rough surfaces results in a speckle pattern, since a rough surface generates random phase shifts at the individual measuring points. The shape of the individual speckle is determined by the shape of the aperture described.

Zwar stellen die Speckles zunächst eine zufällige Phasenverteilung dar, es sind jedoch dennoch Schlüsse auf die Beschaffenheit der zu vermessenden Oberfläche möglich. Zum einen sind Verformungsmessungen möglich. Es wird hierbei die Differenz der für die Phase gemessenen Werte am selben Objekt und vorzugsweise an denselben Punkten auf der Oberfläche des Objekts mit derselben Wellenlänge zu unterschiedlichen Zeitpunkten vermessen. Hieraus kann eine Verformung des Objektes zwischen den Zeitpunkten bestimmt werden, zu denen die Interferenzmuster gemessen wurden.Although the speckles initially represent a random phase distribution, conclusions about the nature of the surface to be measured are still possible. On the one hand, deformation measurements are possible. In this case, the difference between the values measured for the phase at the same object and preferably at the same points on the surface of the object with the same wavelength is measured at different times. From this, a deformation of the object between the times at which the interference patterns were measured can be determined.

Darüber hinaus kann auch das Höhenprofil der zu vermessenden Oberfläche gemessen werden. Hierzu wird vorzugsweise die Phasenmessung mit Licht zumindest zweier verschiedener Wellenlängen ausgeführt.In addition, the height profile of the surface to be measured can also be measured. For this purpose, the phase measurement is preferably carried out with light of at least two different wavelengths.

Es werde der mit einer Wellenlänge λ₁ gemessene Phasenwert als Δφ₁ bezeichnet und der mit einer anderen Wellenlänge λ₂ gemessene Phasenwert mit Δφ₂. Die Differenz der auf diese Weise gemessenen Phasenwerte ist also:

Let the phase value measured with a wavelength λ _{1 be} denoted as Δφ ₁ and the phase value measured with another wavelength λ ₂ as Δφ ₂ . The difference of the phase values measured in this way is thus:

Aufgrund der Analogie zur vorangegangenen Formel kann

als synthetische Wellenlänge bezeichnet werden. Diese tritt zwar physikalisch nicht auf, kann aber als Hilfsgröße für die Rechnung verwendet werden.Due to the analogy with the previous formula can

be referred to as synthetic wavelength. Although this does not physically occur, but can be used as an auxiliary size for the calculation.

Es ist in der Gleichung der Differenz zu erkennen, dass der Abstand d zwischen dem Sensor und dem Messpunkt auf der Oberfläche die einzige Unbekannte ist. Aus der Differenz der bei verschiedenen Wellenlängen gemessenen Phase kann daher auf den Abstand d geschlossen werden. Aus der Helligkeitsverteilung des Interferenzmusters auf der Sensorebene in einer x''-Richtung kann daher das Höhenprofil in x-Richtung auf der zu vermessenden Oberfläche bestimmt werden. Dabei ist die x''-Richtung jene Richtung auf der Sensoroberfläche, in der ein Interferenzmuster sich erstreckt, das durch einen sich in x-Richtung auf der Oberfläche erstreckenden ausgeleuchteten Bereich erzeugt wird.It can be seen in the equation of the difference that the distance d between the sensor and the measuring point on the surface is the only unknown. From the difference of the measured at different wavelengths phase can therefore be closed to the distance d. The height profile in the x-direction on the surface to be measured can therefore be determined from the brightness distribution of the interference pattern on the sensor plane in an x '' direction. In this case, the x '' direction is that direction on the sensor surface in which an interference pattern which is generated by an illuminated region extending in the x-direction on the surface is formed.

Vorteilhaft können mehrere verschiedene Wellenlängen kombiniert werden, um einen großen Messbereich (mit großer synthetischer Wellenlänge) und guter Auflösung (kleinere synthetische Wellenlänge) zu kombinieren.Advantageously, several different wavelengths can be combined to combine a large measuring range (with large synthetic wavelength) and good resolution (smaller synthetic wavelength).

Der Lichtsensor misst zunächst an jedem Punkt seiner Sensorfläche lediglich einen Helligkeitswert. Zur Bestimmung der Phasenlage sind jedoch auch die Kenntnis der Helligkeit der Objektwelle und der Helligkeit der Referenzwelle erforderlich. Sind die Helligkeitsverteilung der Objektwelle und die Helligkeitsverteilung der Referenzwelle nicht bekannt, so ist es vorteilhaft, ein sogenanntes Phasenschieben auszuführen. Allgemein wird hierbei die von einem Punkt der zu vermessenden Oberfläche ausgesandten Objektwelle gegenüber der Referenzwelle bzw. die Referenzwelle gegenüber der reflektierten Objektwelle um unterschiedliche Beträge in Richtung der Ausbreitungsrichtung der Objektwelle oder der Referenzwelle in zumindest drei Stufen gegeneinander verschoben, so dass die Referenzwelle mit der Objektwelle in unterschiedlichen relativen Phasen überlagert wird. Aus den für die unterschiedlichen Verschiebungen gemessenen Helligkeitswerten auf der Sensorfläche kann dann der Einfluss unterschiedlicher heller Referenzwellen und Objektwellen herausgerechnet werden und die Phasenlage Δφ bestimmt werden.The light sensor first measures only one brightness value at each point of its sensor surface. To determine the phase position, however, the knowledge of the brightness of the object wave and the brightness of the reference wave are required. If the brightness distribution of the object wave and the brightness distribution of the reference wave are not known, then it is advantageous to carry out a so-called phase shift. In general, in this case the object wave emitted by a point of the surface to be measured relative to the reference wave or the reference wave relative to the reflected object wave by different amounts in the direction of propagation direction of the object wave or the reference wave in at least three stages against each other, so that the reference wave with the object wave is superimposed in different relative phases. From the brightness values measured on the sensor surface for the different displacements, the influence of different bright reference waves and object waves can then be eliminated and the phase angle Δφ determined.

Eine Möglichkeit des Phasenschiebens ist zeitliches Phasenschieben, bei dem mittels eines Aktors im Strahlengang der Referenzwelle oder der Objektwelle die Phasenlage der entsprechenden Welle für eine Mehrzahl nacheinander durch den Lichtsensor aufgenommener Interferenzmuster verändert wird. Es wird also das Interferenzmuster mehrmals nacheinander aufgenommen, wobei zu jeder Aufnahme die Referenzwelle gegenüber der Objektwelle um einen unterschiedlichen Betrag verschoben ist. Die Verschiebung erfolgt dabei so, dass die Phasenlage zwischen Referenz- und Objektwelle unterschiedlich ist, also vorteilhaft nicht um ein Vielfaches der halben Wellenlänge.One possibility of phase shifting is temporal phase shifting, in which the phase position of the corresponding wave for a plurality of interference patterns successively recorded by the light sensor is changed by means of an actuator in the beam path of the reference wave or the object wave. Thus, the interference pattern is recorded several times in succession, the reference wave being shifted relative to the object wave by a different amount for each recording. The shift takes place in such a way that the phase position between the reference and object waves is different, that is to say advantageously not by a multiple of half the wavelength.

Es wird jedoch räumliches Phasenschieben durchgeführt. Es wird hierzu die Objektwelle gegenüber der Referenzwelle um einen spitzen Winkel gekippt. Erfindungsgemäß werden die Objekt- und die Referenzwelle dann so überlagert, dass ihre Ausbreitungsrichtungen beim Auftreffen auf den Sensor in einem spitzen Winkel von größer als 0° um die x''-Achse zueinander stehen.However, spatial phase shifting is performed. For this purpose, the object wave is tilted with respect to the reference wave by an acute angle. According to the invention, the object and reference waves are then superimposed such that their directions of propagation upon impact with the sensor are at an acute angle greater than 0 ° about the x '' axis to one another.

Es wird hierdurch das Interferenzmuster auf dem Lichtsensor mit einem Streifenmuster moduliert. Nimmt man zur Erklärung des Effektes an, dass die zu vermessende Oberfläche perfekt eben ist, so entsteht auf dem Lichtsensor nur dieses Streifenmuster.As a result, the interference pattern on the light sensor is modulated with a stripe pattern. Assuming the explanation of the effect that the surface to be measured is perfectly flat, only this stripe pattern is formed on the light sensor.

Da der Winkel zwischen den Ausbreitungsrichtungen der Referenzwelle und der Objektwelle in einer zur x''-Richtung senkrechten Ebene liegt, entsteht in der Sensorebene ein Streifenmuster, dessen Streifen parallel zur x''-Richtung verlaufen.Since the angle between the propagation directions of the reference wave and the object wave lies in a plane perpendicular to the x '' direction, a fringe pattern is produced in the sensor plane, the fringes of which run parallel to the x '' direction.

Wie oben beschrieben, wird erfindungsgemäß auf der zu vermessenden Oberfläche ein streifenförmiger Bereich ausgeleuchtet, der in x-Richtung länglich ausgedehnt ist. Es wird also erfindungsgemäß vor allem das Höhenprofil entlang der x-Richtung vermessen. Auf dem Lichtsensor erzeugt das Höhenprofil in x-Richtung der zu vermessenden Oberfläche ein sich in x''-Richtung erstreckendes Interferenzmuster. Aus dem Helligkeitsprofil des Interferenzmusters in x''-Richtung kann daher auf das Höhenprofil in x-Richtung auf der zu vermessenden Oberfläche geschlossen werden.As described above, according to the invention, a strip-shaped region which is elongated in the x-direction is illuminated on the surface to be measured. Thus, according to the invention, above all, the height profile along the x-direction is measured. On the light sensor, the height profile in the x-direction of the surface to be measured generates an interference pattern extending in the x '' direction. From the brightness profile of the interference pattern in the x '' direction, it is therefore possible to deduce the height profile in the x direction on the surface to be measured.

Wird, wie oben beschrieben, räumliches Phasenschieben durchgeführt, indem die Referenzwelle und die Objektwelle in einem spitzen Winkel größer als 0° überlagert werden, so liegen in y''-Richtung auf der Sensorfläche die von demselben streifenförmigen Bereich auf der zu vermessenden Oberfläche erzeugten Interferenzmuster nebeneinander, die jedoch mit unterschiedlichem Versatz der Referenzwelle gegenüber der Objektwelle erzeugt wurden. Es können nun also die Helligkeitswerte von in y''-Richtung auf dem Sensor nebeneinanderliegenden Punkten miteinander verglichen werden und daraus auf das tatsächliche Höhenprofil der zu vermessenden Oberfläche im ausgeleuchteten Bereich in x-Richtung geschlossen werden.If, as described above, spatial phase shifting is performed by superimposing the reference wave and the object wave at an acute angle greater than 0 °, the interference patterns generated by the same strip-shaped region on the surface to be measured lie in the y '' direction on the sensor surface next to each other, but which were generated with different offset of the reference wave relative to the object wave. Thus, the brightness values of points adjacent to one another in the y '' direction on the sensor can now be compared with one another and used to deduce the actual height profile of the surface to be measured in the illuminated region in the x direction.

Durch das Verkippen der Objekt- und der Referenzwelle zueinander entstehen also auf dem Sensor Trägerstreifen. Im Fourier-Raum werden die Trägerstreifen durch einen Bereich mit hoher Amplitude dargestellt, der mit der eigentlichen Bildinformation der Objektwelle, also dem eigentlichen Höhenprofil, gefaltet ist. Das Signal im Fourier-Raum trägt also die Information über Amplitude und Phase der Objektwelle.By tilting the object and the reference shaft to each other so arise on the sensor carrier strip. In Fourier space, the carrier stripes are represented by a region of high amplitude, which coincides with the actual image information of the object wave, ie the actual Height profile, folded. The signal in Fourier space thus carries the information about amplitude and phase of the object wave.

Die Verkippungen, und damit die Trägerstreifen, werden üblicherweise so gewählt, dass die Bereiche hoher Amplitude im Fourierraum, die einer Wellenlänge entsprechen, nicht oder nur wenig mit den Bereichen überlappen, die anderen Wellenlängen entsprechen.The tilts, and thus the carrier strips, are usually selected such that the regions of high amplitude in the Fourier space that correspond to one wavelength do not overlap or only slightly overlap with the regions that correspond to other wavelengths.

Vorteilhafterweise wird aus dem Fourier-Spektrum, das auf dem Bildsensor entstehen kann, der relevante Teil ausgeschnitten. Dazu wird vorteilhafterweise die Amplitudenverteilung im Fourier-Raum betrachtet und der Bereich hoher Amplitude herausgefiltert, der sich um den Bereich befindet, in dem das Trägerstreifenmuster hohe Amplitudenwerte erzeugt.Advantageously, the relevant part is cut out of the Fourier spectrum that can arise on the image sensor. For this purpose, the amplitude distribution in Fourier space is advantageously considered and the high-amplitude region located around the region in which the carrier strip pattern generates high amplitude values is filtered out.

Durch inverse Fourier-Transformation des vom Bildsensor aufgenommenen und vorteilhafterweise digital gefilterten Fourier-Spektrums können Amplitude und Phase der Objektwelle, also die Modulation in jedem Interferogrammpunkt und die relative Phasenlage zwischen Objekt- und Referenzwelle, ermittelt werden und hieraus unmittelbar das Höhenprofil. Dass das Fourier-Spektrum digital gefiltert wird, bedeutet dabei, dass im diskreten Fourier-Raum ein Teil der Stützstellen ausgeschnitten wird, und nur dieser Teil rücktransformiert wird.By inverse Fourier transformation of the image sensor recorded and advantageously digitally filtered Fourier spectrum amplitude and phase of the object wave, so the modulation in each interferogram and the relative phase between the object and reference wave can be determined and from this directly the height profile. The fact that the Fourier spectrum is filtered digitally means that in the discrete Fourier space a part of the support points is cut out, and only this part is transformed back.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann, wie oben beschrieben, das erfindungsgemäße Verfahren mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen durchgeführt werden. Dabei kann das Licht der zumindest zwei Wellenlängen gleichzeitig erzeugt werden.In an advantageous embodiment, as described above, the method according to the invention can be carried out with light of different wavelengths. In this case, the light of the at least two wavelengths can be generated simultaneously.

Vorteilhafterweise werden die Referenzwellen und die Objektwellen der unterschiedlichen Wellenlängen mit unterschiedlichen Winkeln um die x'-Achse zueinander verkippt. Hierdurch liefern die mit den unterschiedlichen Wellenlängen erzeugten Interferenzmuster auf dem Bildsensor, die bei Fourier-Transformation der Bilddaten an unterschiedlichen Orten im Fourier-Raum erscheinen. Durch Filterung im Fourierraum kann für jede der gleichzeitig verwendeten Wellenlängen Phase und Amplitude bestimmt werden. Daraus wird die Differenzphase und die Höheninformation, wie oben beschrieben, bestimmt.Advantageously, the reference waves and the object waves of different wavelengths are tilted at different angles about the x'-axis to each other. As a result, the interference patterns generated at the different wavelengths on the image sensor, which appear when Fourier transform the image data at different locations in the Fourier space. By filtering in the Fourier space, phase and amplitude can be determined for each of the simultaneously used wavelengths. From this, the difference phase and the height information are determined as described above.

Vorteilhafterweise werden die Interferenzmuster für unterschiedliche Wellenlängen so erzeugt, dass sie im Fourier-Raum getrennt sind, sich also auf dem Bildsensor nicht überlagern. Vorteilhafterweise überlagern sie sich weder miteinander noch mit dem Signal in der Mitte des Fourier-Raums. Vorzugsweise wird hierzu die Öffnung der Blende in y'-Richtung hinreichend klein ausgestaltet.Advantageously, the interference patterns for different wavelengths are generated so that they are separated in Fourier space, so do not overlap on the image sensor. Advantageously, they do not interfere with each other nor with the signal in the middle of the Fourier space. Preferably, for this purpose, the opening of the aperture in the y 'direction is made sufficiently small.

Ist die zu vermessende Oberfläche rau, so entstehen durch das Vorsehen der Blende auf dem Bildsensor Speckle. Diese Speckle sind umso größer, je kleiner die Blendenöffnung ist. Wird, wie in der vorliegenden Erfindung, eine längliche Blendenöffnung vorgesehen, so haben die Speckle eine elliptische Form. Sie sind dabei auf dem Sensor in der y''-Richtung länger ausgedehnt als in der x''-Richtung.If the surface to be measured is rough, speckle is created by providing the aperture on the image sensor. These speckles are larger, the smaller the aperture. If, as in the present invention, an elongated aperture is provided, the speckles have an elliptical shape. They are extended longer on the sensor in the y '' direction than in the x '' direction.

Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren mit einem streifenförmigen Sensor ausgeführt werden, der in x''-Richtung länger ausgedehnt ist als in y''-Richtung. Vorteilhafterweise ist dabei seine Ausdehnung in x''-Richtung so gewählt, dass ein möglichst großer Bereich des sich in x''-Richtung erstreckenden Interferenzmusters vom Sensor detektiert werden kann, so dass eine hohe Auflösung in x-Richtung auf der zu vermessenden Oberfläche erzielt wird. In y''-Richtung ist der Sensor vorteilhafterweise so breit ausgestaltet, dass für jede Wellenlänge zumindest eine Ordnung, vorzugsweise genau eine Ordnung des durch die Verkippung der Objekt- gegenüber der Referenzwelle entstehenden Streifenmusters erfasst wird. Die Ordnung kann dabei auf einer Seite oder auf beiden Seite der Mitte des Streifenmusters in y''-Richtung erfasst werden.Particularly advantageously, the method according to the invention can be carried out with a strip-shaped sensor which is extended in the x '' direction for a longer time than in the y '' direction. In this case, its extent in the x '' direction is advantageously selected such that the largest possible range of the interference pattern extending in the x '' direction can be detected by the sensor so that a high resolution in the x-direction is achieved on the surface to be measured becomes. In the y '' direction, the sensor is advantageously designed so wide that at least one order, preferably exactly one order of the fringe pattern resulting from the tilting of the object relative to the reference wave is detected for each wavelength. The order can be detected on one side or on both sides of the middle of the stripe pattern in the y '' direction.

Um das Phasenschieben zu ermöglichen, ist vorteilhafterweise die Blende in x'-Richtung so bemessen und der Lichtsensor weist eine solche Matrix von Pixeln auf, dass von einem gegebenen Punkt der Oberfläche ausgehendes Licht auf dem Lichtsensor in x''-Richtung maximal ein Pixel ausleuchtet.In order to enable phase shifting, the aperture is advantageously dimensioned in the x 'direction and the light sensor has such a matrix of pixels that light emanating from a given point of the surface on the light sensor in the x' 'direction illuminates at most one pixel ,

Vorzugsweise ist die Blende in y'-Richtung so bemessen und der Lichtsensor weist eine solche Matrix von Pixeln auf, dass von einem gegebenen Punkt der Oberfläche ausgehendes Licht auf dem Lichtsensor in y''-Richtung drei Pixel, vorzugsweise vier Pixel, vorzugsweise fünf Pixel, vorzugsweise sechs Pixel ausleuchtet.Preferably, the aperture is dimensioned in the y 'direction and the light sensor has such a matrix of pixels that light emanating from a given point of the surface on the light sensor in the y' 'direction is three pixels, preferably four pixels, preferably five pixels , preferably six pixels illuminates.

Die Vorrichtung kann also vorteilhafterweise so bemessen werden, dass die durch die Abmessungen der Blendenöffnung bedingten Speckle auf dem Bildsensor in x''-Richtung einen Pixel oder weniger ausgedehnt sind und in y''-Richtung drei, vier, fünf oder sechs Pixel. Es ist jedoch auch möglich, dass die Speckle sowohl in x''-Richtung als auch in y''-Richtung um eine größere Zahl von Pixeln ausgedehnt sind. Da jedoch erfindungsgemäß eine hohe Auflösung in x-Richtung auf der Oberfläche gewünscht ist, ist es vorteilhaft, wenn die Speckle in x''-Richtung weniger Pixel breit sind als in y''-Richtung. In y''-Richtung sollten die Speckle zumindest so groß sein, dass das räumliche Phasenschieben möglich ist. Hierzu sind mindestens drei Pixel erforderlich, eine größere Zahl von Pixeln erhöht jedoch die Genauigkeit.The device can thus advantageously be dimensioned such that the speckles due to the dimensions of the aperture are extended one pixel or less on the image sensor in the x '' direction and three, four, five or six pixels in the y '' direction. However, it is also possible that the speckles are extended by a larger number of pixels both in the x '' direction and in the y '' direction. However, since a high resolution in the x-direction on the surface is desired according to the invention, it is advantageous if the speckles are less pixels in the x '' direction than in the y '' direction. In the y '' direction, the speckles should be at least large enough for spatial phase shifting to be possible. This requires at least three pixels, but a larger number of pixels increases accuracy.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Blendenöffnung in x'-Richtung zumindest (2·n) + 1 so lang wie in y'-Richtung, wobei n die Anzahl der verwendeten Laser darstellt. Die Blendenöffnung kann dabei rechteckig oder elliptisch sein. Ist die Blendenöffnung rechteckig, so betreffen die genannten Werte das Verhältnis der langen zu den kurzen Seiten, ist die Blendenöffnung elliptisch, so betreffen die genannten Werte das Verhältnis des langen Durchmessers zum kurzen Durchmesser. In an advantageous embodiment of the invention, the aperture in the x'-direction is at least (2 × n) + 1 as long as in the y'-direction, where n represents the number of lasers used. The aperture can be rectangular or elliptical. If the aperture is rectangular, the values mentioned relate to the ratio of the long sides to the short sides, and if the aperture is elliptical, the values mentioned relate to the ratio of the long diameter to the short diameter.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Sensor in x''-Richtung zumindest fünfmal so lang, vorzugsweise zumindest zehnmal so lang, vorzugsweise zumindest sechzehnmal, vorzugsweise zumindest 256 mal so lang, vorzugsweise zumindest 1024 mal so lang, vorzugsweise zumindest 2048 mal so lang, vorzugsweise zumindest 4096 mal so lang sein wie in y''-Richtung.In an advantageous embodiment of the invention, the sensor in the x '' - direction at least five times as long, preferably at least ten times as long, preferably at least sixteen times, preferably at least 256 times as long, preferably at least 1024 times as long, preferably at least 2048 times as long , preferably at least 4096 times as long as in the y '' direction.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung außerdem ein Objektiv aufweisen, das zwischen dem Objekt und dem Sensor angeordnet ist und mit dem die mit der Referenzwelle überlagerte Objektwelle auf die Sensorfläche fokussierbar ist. Die Blende kann vor oder nach dem Objektiv, aber auch im Objektiv eingebracht sein. Vorteilhafterweise befindet sich die Blende nahe am oder im Objektiv.In an advantageous embodiment, the device according to the invention may further comprise a lens which is arranged between the object and the sensor and with which the object wave superposed with the reference wave can be focused on the sensor surface. The aperture can be placed before or after the lens, but also in the lens. Advantageously, the aperture is close to or in the lens.

Erfindungsgemäß wird zunächst immer ein Höhenprofil entlang eines sich in einer x-Richtung erstreckenden Streifens bestimmt. Erfindungsgemäß kann ein flächiges Höhenprofil dadurch bestimmt werden, dass die zu vermessende Oberfläche gegenüber der Vorrichtung zur Vermessung verschoben wird, vorzugsweise in einer zur x-Richtung nicht parallelen Richtung und besonders bevorzugt in zur x-Richtung senkrechter Richtung.According to the invention, first of all a height profile is determined along a strip extending in an x-direction. According to the invention, a planar height profile can be determined by displacing the surface to be measured relative to the device for measurement, preferably in a direction not parallel to the x-direction and particularly preferably in a direction perpendicular to the x-direction.

Die Messung des Höhenprofils kann vorteilhaft mit nur einer Aufnahme des entstehenden Interferenzmusters durchgeführt werden. Das Interferenzmuster kann dabei eine Überlagerung aus 1, 2 oder mehr Interferenzmustern sein, die bei unterschiedlichen Lichtwellenlängen entstehen.The measurement of the height profile can advantageously be carried out with only one shot of the resulting interference pattern. The interference pattern can be a superimposition of 1, 2 or more interference patterns that arise at different wavelengths of light.

Ebenso kann die Messung vorteilhaft aus einer Folge von Aufnahmen zusammengesetzt werden, wobei zwischen den Aufnahmen (I) vorteilhafterweise die eine oder mehreren Wellenlängen geändert werden oder (II) vorteilhafterweise die Integrationszeit oder Verstärkung des Sensors variiert wird oder (III) vorteilhafterweise das Verhältnis der Helligkeiten von Objekt- und Referenzstrahl verändert werden. Auch eine Kombination der drei genannten Veränderungen zwischen den Aufnahmen kann vorteilhaft sein.Likewise, the measurement can advantageously be composed of a sequence of recordings, wherein between the recordings (I) advantageously the one or more wavelengths are changed or (II) advantageously the integration time or gain of the sensor is varied or (III) advantageously the ratio of the brightnesses be changed by object and reference beam. A combination of the three changes mentioned between the recordings can also be advantageous.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Die dabei beschriebenen Merkmale können auch unabhängig vom konkreten Beispiel realisiert sein und unter verschiedenen Beispielen miteinander kombiniert werden.In the following, the invention will be explained by way of example with reference to some figures. The features described here can also be realized independently of the specific example and combined with each other under different examples.

Es zeigt:It shows:

1 eine beispielhafte Vorrichtung zur Vermessung eines Höhenprofils einer Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung, 1 an exemplary device for measuring a height profile of a surface according to the present invention,

2 ein Schema zur Erklärung zeitlichen (links) und räumlichen (rechts) Phasenschiebens, 2 a scheme for explaining temporal (left) and spatial (right) phase shifts,

3 ein durch Kippen von Objekt- und Referenzwelle zueinander erzeugtes Streifenmuster, 3 a striped pattern produced by tilting the object and reference waves relative to one another,

4 ein Ausschneiden eines relevanten Teiles eines Fourier-Spektrums, 4 cutting out a relevant part of a Fourier spectrum,

5 ein Streifenmuster, das durch räumliches Phasenschieben mit einer Wellenlänge erzeugt wurde, 5 a stripe pattern created by spatial phase shifting at one wavelength,

6 ein Streifenmuster, das durch räumliches Phasenschieben mit zwei Wellenlängen erzeugt wurde, und 6 a stripe pattern created by two-wavelength spatial phase shifting, and

7 ein Streifenmuster bei hohem Aspektverhältnis des Sensors. 7 a stripe pattern with high aspect ratio of the sensor.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vermessung eines Höhenprofils einer Oberfläche. Die Vorrichtung weist eine in der Figur nicht gezeigte Lichtquelle sowie eine in der Figur nicht gezeigte Vorrichtung zur Erzeugung einer Objektwelle und einer Referenzwelle aus von der Lichtquelle ausgesandtem Licht auf. Die Objektwelle 1 und die Referenzwelle 2 entstammen dabei derselben Lichtquelle und weisen eine solche Kohärenzlänge auf, dass bei Überlagerung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einem Lichtsensor einer Kamera 3 ein Interferenzmuster erzeugt wird. 1 shows an inventive device for measuring a height profile of a surface. The device has a light source, not shown in the figure, and a device, not shown in the figure, for generating an object wave and a reference wave from light emitted by the light source. The object wave 1 and the reference wave 2 come from the same light source and have such a coherence length that when superimposed in the device according to the invention on a light sensor of a camera 3 an interference pattern is generated.

Die Objektwelle 1 wird auf eine Oberfläche 4 gestrahlt, so dass mit der Objektwelle 1 auf der Oberfläche 4 ein streifenförmiger Bereich 5 ausgeleuchtet wird. Der Streifen 5 hat in einer x-Richtung auf der Oberfläche eine größere Ausdehnung als in einer zur x-Richtung senkrechten y-Richtung auf der Oberfläche.The object wave 1 is on a surface 4 blasted, so with the object wave 1 on the surface 4 a strip-shaped area 5 is illuminated. The stripe 5 has a greater extent on the surface in an x-direction than in a y-direction perpendicular to the x-direction on the surface.

Von der Oberfläche 4 reflektiertes Licht 1a wird mit der Referenzwelle 2 durch eine Vorrichtung 6 zum Überlagern der Objektwelle 1a mit der Referenzwelle 2 so überlagert, dass die Objektwelle 1a mit der Referenzwelle 2 auf dem ortsauflösenden Lichtsensor der Kamera 3 interferieren.From the surface 4 reflected light 1a comes with the reference wave 2 through a device 6 for superimposing the object wave 1a with the reference wave 2 superimposed so that the object wave 1a with the reference wave 2 on the location-resolving light sensor of the camera 3 interfere.

Optional ist im gezeigten Beispiel die Vorrichtung zum Überlagern 6 als halbdurchlässiger Spiegel 6 ausgebildet, durch den die reflektierte oder gestreute Objektwelle 1a durchtritt und durch den die Referenzwelle 2 in dem Strahlengang der reflektierten bzw. gestreuten Objektwelle 1a reflektiert wird. Optionally, in the example shown, the device for superimposing 6 as a semi-transparent mirror 6 formed by the reflected or scattered object wave 1a passes through and through the reference wave 2 in the beam path of the reflected or scattered object wave 1a is reflected.

Die Vorrichtung zur Vermessung eines Höhenprofils der Oberfläche 4 weist außerdem eine Blende 7 mit einer Öffnung 8 auf, die zwischen der Vorrichtung zum Überlagern der Objektwelle 1a mit der Referenzwelle 2 und der Kamera 3 angeordnet ist. Die Blendenöffnung 8 ist dabei in einer x'-Richtung, in der ein Interferenzmuster in einer Ebene der Blendenöffnung 8 ausgedehnt ist, das auf der Oberfläche in x-Richtung nebeneinanderliegende Punkte erzeugen, eine größere Ausdehnung hat, als in hierzu in der Öffnungsebene senkrechter y'-Richtung. Im gezeigten Beispiel ist die Blendenöffnung elliptisch, sie kann jedoch auch beispielsweise rechteckig sein.The device for measuring a height profile of the surface 4 also has a bezel 7 with an opening 8th on, between the device for superimposing the object wave 1a with the reference wave 2 and the camera 3 is arranged. The aperture 8th is in an x'-direction, in which an interference pattern in a plane of the aperture 8th is extended, which produce on the surface in the x-direction adjacent points, a greater extent than in this in the opening plane vertical y 'direction. In the example shown, the aperture is elliptical, but it may also be rectangular, for example.

Die reflektierte bzw. gestreute Objektwelle 1a wird mit der Referenzwelle 2 in der Vorrichtung 6 zum Überlagern der Objektwelle mit der Referenzwelle so überlagert, dass die Ausbreitungsrichtung der Objektwelle 1a beim Durchlaufen der Blende 7 in einem spitzen Winkel von größer als 0° um die x'-Achse zur Ausbreitungsrichtung der Referenzwelle 2 steht. Auf diese Weise wird auf dem Lichtsensor der Kamera 3 das durch die Oberfläche 4 erzeugte Interferenzmuster mit einem Streifenmuster moduliert bzw. gefaltet.The reflected or scattered object wave 1a comes with the reference wave 2 in the device 6 for superposing the object wave with the reference wave so superimposed that the propagation direction of the object wave 1a when passing through the aperture 7 at an acute angle of greater than 0 ° about the x'-axis to the propagation direction of the reference wave 2 stands. This way, on the light sensor of the camera 3 that through the surface 4 generated interference pattern modulated with a stripe pattern or folded.

Im gezeigten Beispiel weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein optionales Objektiv 9 auf, mit dem die mit der Referenzwelle 2 überlagerte Objektwelle 1a auf eine Ebene des Sensors der Kamera 3 fokussierbar ist.In the example shown, the device according to the invention has an optional lens 9 on, with those with the reference wave 2 superimposed object wave 1a on a plane of the sensor of the camera 3 is focusable.

Erfindungsgemäß kann die zu vermessende Oberfläche 4 gegenüber der Vorrichtung zur Vermessung des Höhenprofils, d. h. beispielsweise gegenüber der Blende 7, verschoben werden, so dass nacheinander eine Vielzahl von Höhenprofilen aufnehmbar sind. Im gezeigten Beispiel liegt die Vorschubrichtung 10 parallel zur y-Achse. Es sind jedoch auch andere Vorschubrichtungen möglich. Auf diese Weise können Freiformflächen in beliebiger Größe vermessen werden.According to the invention, the surface to be measured 4 relative to the device for measuring the height profile, ie, for example, with respect to the diaphragm 7 , be moved so that successively a variety of height profiles are receivable. In the example shown, the feed direction 10 parallel to the y-axis. However, other feed directions are possible. In this way, free-form surfaces of any size can be measured.

2 zeigt in Teilfigur A schematisch, wie zeitliches Phasenschieben erfolgen kann und in Teilfigur B, wie räumliches Phasenschieben erfolgen kann. 2 shows in part A schematically how temporal phase shifting can take place and in part B, as spatial phase shifting can take place.

Es soll zunächst das zeitliche Phasenschieben anhand von 2A erläutert werden. Es treffen hierbei die Referenzwelle 2 und die von der zu vermessenden Oberfläche kommende Objektwelle 1a mit zueinander parallelen Wellenfronten auf den Lichtsensor 3. Durch einen Aktor im Strahlengang der Objektwelle 1, 1a oder der Referenzwelle 2 können die Referenzwelle 2 und die Objektwelle 1, 1a gegeneinander um eine Phasenverschiebung Δφ gegeneinander verschoben werden. Beim zeitlichen Phasenverschieben erfolgt diese Verschiebung beispielsweise für drei Werte Δφ₁, Δφ₂ und Δφ₃ zeitlich nacheinander. Durch Vergleich der vom Bildsensor 3 in den drei verschiedenen Fällen aufgenommenen Interferenzmustern kann der Einfluss der Helligkeit der Referenzwelle und der Objektwelle heraus gerechnet werden und das Höhenprofil der zu vermessenden Oberfläche 4 bestimmt werden.It is first the temporal phase shifting based on 2A be explained. It hit the reference wave here 2 and the object wave coming from the surface to be measured 1a with parallel wavefronts on the light sensor 3 , By an actuator in the beam path of the object wave 1 . 1a or the reference wave 2 can be the reference wave 2 and the object wave 1 . 1a be shifted against each other by a phase shift Δφ against each other. In temporal phase shifting, this shift takes place, for example, for three values Δφ ₁ , Δφ ₂ and Δφ _{3 in} chronological succession. By comparing the image sensor 3 In the interference patterns recorded in the three different cases, the influence of the brightness of the reference wave and the object wave can be calculated out and the height profile of the surface to be measured 4 be determined.

2B zeigt, wie räumliches Phasenschieben funktioniert. Es ist hierbei die Ausbreitungsrichtung der von der zu vermessenden Oberfläche kommenden Objektwelle 1a gegenüber der Ausbreitungsrichtung der Referenzwelle 2 um einen spitzen Winkel verkippt. Dadurch ist auf dem Bildsensor 3 das durch die zu vermessende Oberfläche 4 erzeugte Interferenzmuster mit einem Streifenmuster moduliert. In einer Richtung auf dem Sensor 3, die senkrecht zur Richtung steht, um welche Referenzwelle 2 und Objektwelle 1a gegeneinander gekippt sind, liegt also das Interferenzmuster mit unterschiedlicher räumlicher Phasenverschiebung vor. Durch Vergleich in dieser Richtung nebeneinanderliegender Punkte kann also der Einfluss der Helligkeit der Objektwelle 1, 1a und der Helligkeit der Referenzwelle 2 heraus gerechnet werden und das Höhenprofil bestimmt werden. 2 B shows how spatial phase shifting works. In this case, it is the propagation direction of the object wave coming from the surface to be measured 1a opposite to the propagation direction of the reference wave 2 tilted at an acute angle. This is on the image sensor 3 that through the surface to be measured 4 generated interference pattern modulated with a stripe pattern. In one direction on the sensor 3 , which is perpendicular to the direction, about which reference wave 2 and object wave 1a Thus, the interference pattern with different spatial phase shift is present. By comparison in this direction of adjacent points so the influence of the brightness of the object wave 1 . 1a and the brightness of the reference wave 2 be calculated out and the height profile are determined.

Streifenförmige Ausleuchtung der zu vermessenden Oberfläche ist zum Durchführen räumlichen Phasenverschiebens vorteilhaft, da auf dem Bildsensor eine Richtung x'' zur Auflösung des Höhenprofils in der Längsrichtung x des Streifens verwendet werden kann und die dazu senkrechte Richtung y'' zur Vermessung mit unterschiedlicher Phasenverschiebung.Strip-shaped illumination of the surface to be measured is advantageous for performing spatial phase shifting, since a direction x "for resolving the height profile in the longitudinal direction x of the strip can be used on the image sensor and the direction perpendicular to it can be used for measurement with a different phase shift.

3 zeigt die Entstehung eines Interferenzmusters auf dem Sensor, wie es bei räumlichem Phasenschieben an rauen Objekten entsteht entsteht. 3 shows the formation of an interference pattern on the sensor, as occurs in spatial phase shifting on rough objects.

3a) zeigt ein Streifenmuster, wie es durch Verkippung der Objektwelle gegenüber der Referenzwelle entsteht. Es entsteht auf der Sensoroberfläche eine räumliche Trägerwelle, die hier als Streifenmuster dargestellt ist. 3a) shows a fringe pattern, as it arises by tilting the object wave relative to the reference wave. The result is a spatial carrier wave on the sensor surface, which is shown here as a striped pattern.

3b) zeigt ein Specklemuster, wie es durch die Oberflächenrauigkeit der Oberfläche entsteht. 3b) shows a speckle pattern as evidenced by the surface roughness of the surface.

In 3c) ist ein Bild auf dem Sensor dargestellt, in dem zu erkennen ist, dass dem Specklemuster gemäß 3b ein Intereferenzmuster aufmoduliert ist, dessen Streifen im Bild von unten links nach oben rechts verlaufen.In 3c) an image is shown on the sensor, in which it can be seen that the speckle pattern according to 3b an interference pattern is modulated whose stripes run in the image from bottom left to top right.

4 zeigt beispielhaft ein Interferenzmuster im Fourier-Raum. Es entsteht durch Fourier-Transformation des in 3C gezeigten Bildes, aufgenommen in einem dem Stand der Technik entsprechenden Sensor mit kreisrunder Blende, deren Ausdehnung in x'- und y'-Richtung gleich ist, und nicht einer erfindungsgemäßen elliptischen Blende. Im Fourier-Raum ist fast die gesamte Amplitude auf drei Bereiche verteilt: Der Kreis in der Bildmitte enthält die Informationen über die Helligkeit des Objekts (Beschriftung des Lineals etc.). Die beiden symmetrisch angeordneten Kreise außerhalb der Bildmitte enthalten die Informationen, die durch das schräg verlaufenden Interferenzmuster getragen werden. Aus jedem dieser beiden Kreise außerhalb der Bildmitte kann die Phasenlage bestimmt werden, die zur Ermittlung der Höhenkarte verwendet wird. 4 shows an example of an interference pattern in Fourier space. It arises through Fourier transformation of the in 3C shown image taken in a corresponding to the prior art sensor with a circular aperture whose extension in the x'- and y'-direction is the same, and not an elliptical diaphragm according to the invention. In Fourier space, almost the entire amplitude is distributed over three areas: The circle in the middle of the picture contains the information about the brightness of the object (inscription of the ruler, etc.). The two symmetrically arranged circles outside the center of the image contain the information that is carried by the oblique interference pattern. From each of these two circles outside the center of the image, the phase position can be determined, which is used to determine the height map.

Aufgrund der kreisrunden Blende sind die relevanten Bereiche im Fourier-Raum ebenfalls kreisrund. Die folgenden 5 bis 7 zeigen Fouriertransformierte von Interferenzmustern, die erfindungsgemäß mittels schlitzförmiger Blende gewonnen wurden.Due to the circular aperture, the relevant areas in the Fourier space are also circular. The following 5 to 7 show Fourier transforms of interference patterns, which were obtained according to the invention by means of slit-shaped aperture.

5 zeigt beispielhaft die Fourier-Transformierte eines Interferenzmusters, wie es mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem Bildsensor 3 erzeugbar ist. Dabei wurde das Interferenzmuster mit nur einer Wellenlänge aufgenommen. Durch Kippen der Referenzwelle 2 gegenüber der reflektierten oder gestreuten Objektwelle 1a entsteht ein Streifenmuster. Durch die Blende 7 werden im gezeigten Beispiel zwei der so erzeugten Streifen zum Bildsensor 3 durchgelassen. In x''-Richtung beschreibt die Helligkeitsverteilung der gezeigten Streifen das Interferenzmuster eines in x-Richtung auf der zu vermessenden Oberfläche 4 ausgeleuchteten Streifens 5. In hierzu senkrechter y''-Richtung nebeneinanderliegende Orte entsprechen dabei unterschiedlichen Phasenverschiebungen des räumlichen Phasenverschiebens. 5 shows by way of example the Fourier transform of an interference pattern, as it by means of the inventive device or the inventive method on an image sensor 3 can be generated. The interference pattern was recorded with only one wavelength. By tilting the reference shaft 2 opposite to the reflected or scattered object wave 1a creates a striped pattern. Through the aperture 7 In the example shown, two of the strips thus produced become the image sensor 3 pass through. In the x '' direction, the brightness distribution of the strips shown describes the interference pattern of an x-direction on the surface to be measured 4 illuminated strip 5 , In this vertical y '' - side adjacent locations correspond to different phase shifts of the spatial phase shifting.

6 zeigt eine 5 entsprechende Fourier-Transformierte eines Interferenzmusters auf der Sensorebene. Es wurde dabei Licht zweier verschiedener Wellenlängen gleichzeitig auf den zu vermessenden Streifen 5 der Oberfläche 4 eingestrahlt und die jeweilige reflektierte bzw. gestreute Objektwelle 1a mit der Referenzwelle 2 der entsprechenden Wellenlänge so gelagert, dass diese auf der Sensorebene 3 interferieren. Dabei wurden zum räumlichen Phasenschieben die jeweilige Referenz- und Objektwelle der verschiedenen Wellenlängen mit unterschiedlichen Winkeln überlagert. Auf dem Bildsensor 3 liegen daher die erzeugten Streifen in y''-Richtung nebeneinander und verlaufen in x''-Richtung parallel zueinander. Aus einem Signal, wie es in 6 gezeigt ist, kann durch die Verwendung zweier Wellenlängen zum einen der Einfluss der Speckle herausgerechnet werden und durch das räumliche Phasenverschieben zum anderen das Höhenprofil eindeutig bestimmt werden. 6 shows one 5 corresponding Fourier transform of an interference pattern on the sensor plane. It was thereby light of two different wavelengths simultaneously on the strip to be measured 5 the surface 4 irradiated and the respective reflected or scattered object wave 1a with the reference wave 2 the corresponding wavelength stored so that these at the sensor level 3 interfere. In this case, the respective reference and object wave of the different wavelengths were superimposed with different angles for spatial phase shifting. On the image sensor 3 Therefore, the strips produced are juxtaposed in the y 'direction and run parallel to one another in the x''direction. From a signal, as in 6 is shown, can be calculated out by the use of two wavelengths on the one hand, the influence of Speckle and by the spatial phase shifting on the other hand, the height profile can be uniquely determined.

Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgestaltet, dass auf der zu vermessenden Oberfläche 4 ein schmaler Streifen 5 ausleuchtbar ist, der in x-Richtung deutlich weiter ausgedehnt ist als in y-Richtung. Hierdurch entsteht auf dem Bildsensor 3 ebenfalls ein schmaler Streifen, der in x''-Richtung deutlich größer ist als in y''-Richtung. Beispielsweise kann dieser Streifen, wie in 7 gezeigt, ein Aspektverhältnis von 1024 Pixeln in x''-Richtung zu 64 Pixeln in y''-Richtung haben. Vorzugsweise ist dann auch der Sensor 3 mit einer derartigen Zahl von Pixeln bemessen.Advantageously, the device according to the invention is designed so that on the surface to be measured 4 a narrow strip 5 is illuminable, which is significantly more extensive in the x-direction than in the y-direction. This results on the image sensor 3 likewise a narrow strip, which is significantly larger in the x '' direction than in the y '' direction. For example, this strip, as in 7 have an aspect ratio of 1024 pixels in the x '' direction to 64 pixels in the y '' direction. Preferably then also the sensor 3 sized with such a number of pixels.

Claims

Device for measuring a height profile of a surface, comprising: a light source, a device for generating an object wave and a reference wave from light emitted by the light source, wherein the object wave is radiatable to the surface, so that with the object wave on the surface of a strip-shaped area is illuminated, which has a greater extent in an x-direction on the surface, as in a direction perpendicular to the x-direction y-direction on the Surface, a spatially resolving light sensor, a device for superimposing and / or scattering the object wave on the surface, with the reference wave, so that the object wave and the reference wave interfere on the light sensor, and further comprising a diaphragm arranged between the surface and the light sensor and having a diaphragm opening which has a greater extent in an x'-direction in a plane of the diaphragm aperture than in the y'-direction perpendicular thereto in the plane of the diaphragm aperture, wherein the x 'direction is that direction in the plane of the aperture in which intersections of light rays are juxtaposed with the plane of the aperture along which rays of light proceed from object waves emanating in the x direction on the surface adjacent to the light sensor, wherein the object wave and the reference wave are superposable so that their propagation directions when hitting the light sensor at an acute angle greater than 0 ° about an x '' - direction, which is located on a sensor surface of the light sensor, to each other.

Device according to the preceding claim, wherein the object wave and the reference wave are superimposed so that their propagation directions when passing through the aperture in a point angle of greater than zero degrees about the x'-axis to each other.

Device according to one of the preceding claims; wherein with the light source light of at least two different wavelengths can be generated.

Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the aperture is dimensioned in the x 'direction and the light sensor comprises a matrix of pixels such that light emanating from a given point on the surface is incident on the light sensor in an x' 'direction on the light sensor , in which an interference pattern is extended on the light sensor, which generate points adjacent to one another on the surface in the x-direction, illuminates at most one pixel.

Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the aperture is dimensioned in the y 'direction and the light sensor comprises a matrix of pixels such that light emanating from a given point of the surface on the light sensor in a y' 'direction on the light sensor which is perpendicular to an x '' direction in which an interference pattern is extended on the light sensor producing dots adjacent to one another on the surface in the x direction, three pixels, preferably 4 pixels, preferably 5 pixels, preferably 6 pixels, illuminates and or at n wavelengths preferably 3 × n or 2 × n + 1 pixels illuminates.

Device according to one of the preceding claims, wherein a long axis of the aperture in the x'-direction 5 times as long, preferably 10 times as long, preferably 13 times as long, preferably 16 times as long, as a short axis of the aperture in y '-Direction.

Device according to one of the preceding claims, wherein the aperture is rectangular, oval or elliptical.

Device according to one of the preceding claims, wherein the light sensor in x '' - direction in which an interference pattern is extended on the light sensor, which generate points adjacent to each other on the surface in the x-direction, greater than or equal to 5 times as long, preferably larger or equal to 10 times as long, preferably greater than or equal to 16 times as long, preferably greater than or equal to 256 times as long, preferably greater than or equal to 1024 times as long, preferably greater than or equal to 4096 times as long as in a perpendicular y ' 'Direction in the sensor plane.

Device according to one of the preceding claims, comprising a lens arranged between the surface and the light sensor, with which the object wave superimposed on the reference wave can be focused on the light sensor.

Method for measuring a height profile of a surface, wherein Light of at least one wavelength is split into an object wave and a reference wave, the object wave is irradiated onto the surface in such a way that the object wave on the surface illuminates a strip-shaped region which has a greater extent in an x-direction on the surface than in a y-direction perpendicular to the x-direction on the surface . wherein the object wave, after being reflected and / or scattered by the surface, is superimposed on the reference wave, and the object wave superimposed on the reference wave is irradiated to a position-resolving light sensor so that the object wave and the reference wave interfere on the light sensor, wherein the object wave superimposed on the reference wave passes through an aperture which has an aperture which has a greater extent in an x'-direction in a plane of the aperture than in the y'-direction perpendicular thereto in the plane of the aperture wherein the x 'direction is that direction in the plane of the aperture in which intersections of light rays are juxtaposed with the plane of the aperture along which rays of light proceed from object waves emanating in the x direction on the surface adjacent to the light sensor, and wherein the height profile of the surface along the x-direction is determined from the brightness distribution measured with the light sensor, wherein the object wave and the reference wave are superimposed so that their directions of propagation upon hitting the light sensor are at an acute angle greater than 0 ° about an x '' direction lying on a sensor surface of the light sensor.

Method according to the preceding claim, wherein the object wave and the reference wave are superimposed such that their propagation directions when passing through the aperture are at a point angle greater than zero degrees about the x'-direction to each other.

Method according to one of the two preceding claims, wherein the method is carried out with light of at least two different wavelengths.

Method according to the preceding claim, wherein light of at least two wavelengths is generated simultaneously and the angle at which the respective direction of propagation of the object wave with the propagation direction of the corresponding reference wave of the same wavelength about the x'-axis is different for all wavelengths, so that the Fourier transforms the on the light sensor with the different wavelengths do not overlap generated interference patterns.

Method according to one of claims 10 to 13 wherein the surface is displaced relative to the diaphragm and / or relative to the sensor, preferably in the y-direction, and a plurality of preferably parallel height profiles are measured, preferably to measure the entire object shape.

Method according to one of the preceding claims, wherein the method is carried out without a lens for sharp imaging, or with a blurred image, and the height profile is calculated by numerical propagation of the wavefront measured by the sensor.

Method according to one of claims 10 to 15, wherein the method is carried out with a device according to one of claims 1 to 9.