DE102019120875A1 - Method for measuring a contour parameter of a test object which at least partially has a spherical segment shape and contour parameter measuring device - Google Patents

Method for measuring a contour parameter of a test object which at least partially has a spherical segment shape and contour parameter measuring device Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Konturparameters (R) eines Prüflings (14), der zumindest teilweise eine Sphärensegmentform hat, mit den Schritten: (a) Bewegen des Prüflings (14) relativ zu einem Präzisions-Längenmessgerät (16) und einem flächenmessenden Interferometer (18) und (b) Messen einer Roh-Abstandsänderung (droh) zwischen dem Prüfling (14) und dem Präzisions-Längenmessgerät (16) mittels des Präzisions-Längenmessgeräts (16). Erfindungsgemäß sind die Schritte: (c) Bestimmen einer Interferometer-Phasenlage, die von der Abstandsänderung abhängt, mittels des flächenmessenden Interferometers (18) und (d) Bestimmen der Abstandsänderung (d) vom Prüfling (14) zum flächenmessenden Interferometer (18) aus der Roh-Abstandsänderung (droh) und der Interferometer-Phasenlage vorgesehen.The invention relates to a method for measuring a contour parameter (R) of a test piece (14), which at least partially has a spherical segment shape, with the following steps: (a) Moving the test piece (14) relative to a precision length measuring device (16) and a surface measuring device Interferometer (18) and (b) measuring a raw change in distance (threatened) between the test object (14) and the precision length measuring device (16) by means of the precision length measuring device (16). According to the invention, the steps are: (c) determining an interferometer phase position, which depends on the change in distance, using the area-measuring interferometer (18) and (d) determining the change in distance (d) from the test object (14) to the area-measuring interferometer (18) from the Raw distance change (threatened) and the interferometer phase position provided.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Konturparameters eines Prüflings, der zumindest teilweise eine Sphärensegmentform hat, mit den Schritten:

  1. (a) Bewegen des Prüflings relativ zu einem Präzisions-Längenmessgerät und einem flächenmessenden Interferometer und (b) Messen einer Roh-Abstandsänderung zwischen dem Prüfling und dem Präzisions-Längenmessgerät mittels des Laser-Interferometers.
The invention relates to a method for measuring a contour parameter of a test object which at least partially has a spherical segment shape, with the following steps:
  1. (a) moving the test specimen relative to a precision length measuring device and an area measuring interferometer and (b) measuring a raw change in distance between the test specimen and the precision length measuring device by means of the laser interferometer.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Konturparametermessgerät zum Messen eines Konturparameters eines Prüflings, der zumindest teilweise eine Sphärensegmentform hat, mit (i) einem Präzisions-Längenmessgerät zum Bestimmen einer Roh-Abstandsänderung zwischen dem Prüfling und dem Präzisions-Längenmessgerät, (ii) einem flächenmessenden Interferometer zum Vermessen einer Oberflächenkontur des Prüflings, sodass Konturdaten erhalten werden, und (iii) einer Auswerteeinheit. Vorzugsweise besitzt das Konturparametermessgerät eine Aufnahme zum Bewegen des Prüflings.According to a second aspect, the invention relates to a contour parameter measuring device for measuring a contour parameter of a test object, which at least partially has a spherical segment shape, with (i) a precision length measuring device for determining a raw change in distance between the test object and the precision length measuring device, (ii) a area measuring interferometer for measuring a surface contour of the test object so that contour data are obtained, and (iii) an evaluation unit. The contour parameter measuring device preferably has a receptacle for moving the test object.

Um die Abweichung der Oberfläche eines Prüflings von der idealen Kugelsegmentform zu bestimmen, werden flächenmessende Interferometer verwendet. Der Prüfling wird einerseits in einer Fokusposition positioniert, bei der die Lichtstrahlen des flächenmessenden Interferometers auf einen Punkt der Oberfläche des Prüflings fokussiert sind. Der Prüfling wird zudem in eine Konturmessposition gebracht, in der die Lichtstrahlen des flächenmessenden Interferometers senkrecht auf die Oberfläche des Prüflings fallen. In dieser Stellung wird ein Interferenzbild aufgenommen und daraus ein Konturparameter des Prüflings bestimmt, beispielsweise dessen Radius, lokaler Radius oder die lokale Abweichung von der idealen Kugelsegmentgestalt. Unter dem Radius wird insbesondere der Radius eines idealen Kugelsegments verstanden, das die reale Oberfläche optimal approximiert.Area-measuring interferometers are used to determine the deviation of the surface of a test object from the ideal spherical segment shape. On the one hand, the test specimen is positioned in a focus position in which the light rays from the area measuring interferometer are focused on a point on the surface of the test specimen. The test piece is also brought into a contour measurement position in which the light beams from the area measuring interferometer fall perpendicularly onto the surface of the test piece. In this position, an interference image is recorded and a contour parameter of the test object is determined from this, for example its radius, local radius or the local deviation from the ideal spherical segment shape. The radius is understood, in particular, to be the radius of an ideal spherical segment that optimally approximates the real surface.

Für die Berechnung des Radius des Prüflings, der einen Konturparameter darstellt und sich auf den Radius, insbesondere den lokalen Radius, des Prüflings an der Stelle bezieht, an dem er Sphärensegmentform hat, muss der Abstand zwischen der Fokusposition und der Konturmessposition mit hoher Genauigkeit bekannt sein. Dazu wird typischerweise das Präzisions-Längenmessgerät verwendet, das von der nicht vom flächenmessenden Interferometer beleuchteten Rückseite des Prüflings auf den Prüfling oder die Aufnahme für den Prüfling gerichtet ist. Wird der Prüfling auf das flächenmessende Interferometer zu bewegt, so bewegt er sich folglich vom Präzisions-Längenmessgerät weg. Mit einem derartigen Konturparametermessgerät lassen sich Messgenauigkeiten bei der Bestimmung des Radius in der Größenordnung von 100 Nanometer erreichen.In order to calculate the radius of the test piece, which represents a contour parameter and relates to the radius, especially the local radius, of the test piece at the point where it has the shape of a segment of a sphere, the distance between the focus position and the contour measurement position must be known with high accuracy . For this purpose, the precision length measuring device is typically used, which is directed from the rear side of the test object that is not illuminated by the area measuring interferometer at the test object or the receptacle for the test object. If the test object is moved towards the area measuring interferometer, it consequently moves away from the precision length measuring device. With such a contour parameter measuring device, measuring accuracies of the order of 100 nanometers can be achieved when determining the radius.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Messunsicherheit zu verringern.The invention is based on the object of reducing the measurement uncertainty.

Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Verfahren mit den Schritten: (c) Bestimmen zumindest einer Interferometer-Phasenlage, die von der Abstandsänderung abhängt, mittels des flächenmessenden Interferometers und (d) Bestimmen der Abstandsänderung vom Prüfling zum flächenmessenden Interferometer aus der Roh-Abstandsänderung und der Interferometer-Phasenlage.The invention solves the problem by a generic method with the steps: (c) determining at least one interferometer phase position, which depends on the change in distance, by means of the area-measuring interferometer and (d) determining the change in distance from the test object to the area-measuring interferometer from the raw change in distance and the interferometer phase position.

Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein gattungsgemäßes Konturparametermessgerät, bei dem die Auswerteeinheit eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten (a) zeitabhängiges Erfassen von Linearinterferometer-Abstandsdaten, die eine Roh-Abstandsänderung zwischen dem Prüfling und dem Präzisions-Längenmessgerät kodieren, (b) Erfassen einer Interferometer-Phasenlage des flächenmessenden Interferometers, wobei die Interferometer-Phasenlage von der Abstandsänderung abhängt, und (c) Berechnen der Abstandsänderung des Prüflings zum flächenmessenden Interferometer aus der Interferometer-Phasenlage und den Roh-Abstandsdaten.According to a second aspect, the invention solves the problem by means of a generic contour parameter measuring device in which the evaluation unit is set up to automatically carry out a method with the steps (a) time-dependent acquisition of linear interferometer distance data, which shows a raw change in distance between the test specimen and the precision Coding the length measuring device, (b) detecting an interferometer phase position of the area measuring interferometer, the interferometer phase position depending on the change in distance, and (c) calculating the change in distance of the test object to the area measuring interferometer from the interferometer phase position and the raw distance data.

Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass die Messunsicherheit deutlich verringert werden kann. So ist eine Messunsicherheit für den Radius des Prüflings im Bereich seiner Sphärensegmentform von unter 100 Nanometern, insbesondere unter 50 Nanometern möglich. In der Regel liegt die Messunsicherheit oberhalb von 20 Nanometern. Insbesondere bedeutet dies eine Reduktion der Messunsicherheit gegenüber dem bisherigen Vorgehen auf ungefähr ein Zehntel.The advantage of the invention is that the measurement uncertainty can be significantly reduced. Thus, a measurement uncertainty for the radius of the test object in the area of its spherical segment shape of less than 100 nanometers, in particular less than 50 nanometers. As a rule, the measurement uncertainty is above 20 nanometers. In particular, this means a reduction in the measurement uncertainty compared to the previous procedure to approximately one tenth.

Vorteilhaft ist zudem, dass in der Regel keine zusätzlichen Komponenten zu einem existierenden Konturparametermessgerät hinzugefügt werden muss, da lediglich oft ohnehin zur Verfügung stehende Daten effektiver genutzt werden.It is also advantageous that, as a rule, no additional components need to be added to an existing contour parameter measuring device, since data that are already available are often used more effectively.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die wichtigste Quelle der Messunsicherheit bei dem bekannten Vorgehen daran liegt, dass sich der Abstand zwischen dem flächenmessenden Interferometer und dem Prüfling aufgrund thermischer Ausdehnung des Tischs, auf dem das flächenmessende Interferometer einerseits und die Aufnahme für den Prüfling andererseits montiert sind, ändert. Darüber hinaus misst das Präzisions-Längenmessgerät Abstandsdaten an einer weiter entfernten Stelle, und die Ausdehnung des optischen Tisches zwischen dem Prüfling und dem Linearinterferometer verfälscht diesen Wert.The invention is based on the knowledge that the most important source of measurement uncertainty in the known procedure is that the distance between the area measuring interferometer and the test object is due to the thermal expansion of the table on which the area measuring interferometer on the one hand and the receptacle for the test object are mounted on the other hand, changes. In addition, the precision linear encoder measures distance data at a more distant point, and the expansion of the optical table between the The test object and the linear interferometer falsify this value.

Es hat sich herausgestellt, dass die Helligkeitswerte, die vom flächenmessenden Interferometer erhalten werden, verwendet werden können, um die Phasenlage der entsprechenden zwei Lichtstrahlen, die zu der Phasenlage geführt haben, mit so hoher Genauigkeit zu bestimmen, dass die Messunsicherheit verringert werden kann, wenn die Messunsicherheit, die mit dem Präzisions-Längenmessgerät erreicht wird, hinreichend klein ist. Dann kann aus der Interferometer-Phasenlage die Abstandsänderung hochgenau bestimmt werden kann.It has been found that the brightness values that are obtained from the area measuring interferometer can be used to determine the phase position of the corresponding two light beams that led to the phase position with such a high degree of accuracy that the measurement uncertainty can be reduced if the measurement uncertainty that is achieved with the precision length measuring device is sufficiently small. The change in distance can then be determined with high precision from the interferometer phase position.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter der Abstandsänderung der Abstand der Position des Prüflings in der Fokusposition von der Position des Prüflings in der Konturmessposition verstanden.In the context of the present description, the change in distance is understood to mean the distance between the position of the test object in the focus position and the position of the test object in the contour measurement position.

Unter dem Konturparameter wird insbesondere ein Parameter verstanden, der die Abweichung zumindest eines Teils des Prüflings von der idealen Sphärensegmentform oder eine Eigenschaft dieser Sphärensegmentform, beispielsweise dessen Radius, kodiert.The contour parameter is understood to mean, in particular, a parameter that codes the deviation of at least part of the test object from the ideal spherical segment shape or a property of this spherical segment shape, for example its radius.

Unter dem Präzisions-Längenmessgerät wird insbesondere ein Messgerät verstanden, dessen Messunsicherheit kleiner ist als die Hälfte der Wellenlänge des flächenmessenden Interferometers. Vorzugsweise ist das Präzisions-Längenmessgerät ein Interferometer, insbesondere ein Interferometer, das genau einen Abstandswert liefert, sodass mittels des Präzisions-Längenmessgeräts die Roh-Abstandsänderung der Position des Prüflings in der Fokusposition und der Konturmessposition bestimmt werden kann. Alternativ kann das Präzisions-Längenmessgerät aber auch auf einem anderen Abstandsmessprinzip beruhen und beispielsweise ein Abstandsmesser mit einem Linearmaßstab sein.The precision length measuring device is understood to mean, in particular, a measuring device whose measurement uncertainty is less than half the wavelength of the area-measuring interferometer. The precision length measuring device is preferably an interferometer, in particular an interferometer, which delivers exactly one distance value so that the raw distance change of the position of the test object in the focus position and the contour measuring position can be determined by means of the precision length measuring device. Alternatively, the precision length measuring device can also be based on a different distance measuring principle and, for example, be a distance measuring device with a linear scale.

Der Begriff Linearinterferometer-Abstandsdaten bezeichnet ganz allgemein die Daten, die den Abstand kodieren, auch wenn kein Interferometer verwendet wird. Der Name rührt von einer bevorzugten Ausgestaltung des Präzisions-Längenmessgeräts als Linear-Interferometer her, ist aber nicht einschränkend zu verstehen.The term linear interferometer distance data generally refers to the data that encode the distance, even if no interferometer is used. The name comes from a preferred embodiment of the precision length measuring device as a linear interferometer, but is not to be understood as limiting.

Unter dem flächenmessenden Interferometer wird insbesondere ein Interferometer verstanden, bei dem ein zweidimensionales Interferenzbild erhalten wird. Beispielsweise ist das flächenmessende Interferometer ein Fizeau-Interferometer oder ein Twyman-Green-Interferometer.The area-measuring interferometer is understood to mean, in particular, an interferometer in which a two-dimensional interference image is obtained. For example, the area measuring interferometer is a Fizeau interferometer or a Twyman-Green interferometer.

Das Bestimmen der Interferometer-Phasenlage umfasst insbesondere ein Bestimmen eines Helligkeitswertes zumindest eines Lichtstrahls, der durch Interferieren von zwei Lichtstrahlen, wie bei einem Interferometer üblich, zustande gekommen ist. Insbesondere wird die Interferometer-Phasenlage bestimmt, wenn der Prüfling in seiner Fokusposition ist und wenn der Prüfling in seiner Konturmessposition ist. Auf diese Weise lassen sich zusammen mit den Abstandsdaten des Präzisions-Längenmessgeräts die Abstandsänderungen mit hoher Genauigkeit bestimmen.The determination of the interferometer phase position includes, in particular, a determination of a brightness value of at least one light beam that has come about through the interfering of two light beams, as is usual with an interferometer. In particular, the interferometer phase position is determined when the test object is in its focus position and when the test object is in its contour measurement position. In this way, together with the distance data from the precision length measuring device, the changes in distance can be determined with high accuracy.

Der Prüfling ist, wie bei derartigen Aufbauten üblich, vorzugsweise zwischen dem Präzisions-Längenmessgerät und dem flächenmessenden Interferometer angeordnet.As is usual with such structures, the test item is preferably arranged between the precision length measuring device and the area measuring interferometer.

Der Prüfling ist beispielsweise ein optisches Bauteil, beispielsweise eine Linse. Besonders wichtig ist eine geringe Messunsicherheit bei EUV (EUV = extrem ultraviolett)-Bauteilen, die insbesondere zum Belichten im Rahmen der Herstellung von Chips verwendet werden. Aufgrund der geringen Wellenlänge müssen derartige Bauteile eine besonders hohe Formtreue haben. Besonders wichtig ist eine geringe Messunsicherheit auch bei Referenzflächen für andere hochgenaue Formmessgeräte.The test item is, for example, an optical component, for example a lens. A low measurement uncertainty is particularly important in the case of EUV (EUV = extreme ultraviolet) components, which are used in particular for exposure during the production of chips. Due to the short wavelength, such components must have a particularly high degree of dimensional accuracy. A low measurement uncertainty is particularly important for reference surfaces for other high-precision form measuring devices.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Schritte (a) Bringen des Prüflings in eine Fokusposition, bei der ein Fokus der Lichtstrahlen des flächenmessenden Interferometers auf einer Oberfläche des Prüflings liegt, (b) Bewegen des Prüflings aus der Fokusposition in eine Konturmessposition, in der die Lichtstrahlen des flächenmessenden Interferometers senkrecht auf die Oberfläche des Prüflings fallen, (c) Vermessen einer Oberflächenkontur des Prüflings mittels des flächenmessenden Interferometers, wenn der Prüfling in der Konturmessposition ist, sodass Konturdaten erhalten werden und (d) Berechnen des Konturparameters aus der Roh-Abstandsänderung und den Konturdaten.The method preferably comprises the steps of (a) bringing the test specimen into a focus position in which a focus of the light beams of the area measuring interferometer is on a surface of the test specimen, (b) moving the test specimen from the focus position into a contour measuring position in which the light beams of the area measuring interferometer fall perpendicularly onto the surface of the test object, (c) measuring a surface contour of the test object by means of the area measuring interferometer when the test object is in the contour measuring position so that contour data are obtained and (d) calculating the contour parameter from the raw change in distance and the contour data .

Das flächenmessende Interferometer hat eine optische Achse. Diese optische Achse hat die Eigenschaft, dass ein auf der optischen Achse laufender Lichtstrahl vom Prüfling in sich selbst zurückreflektiert wird. Vorzugsweise wird die Interferometer-Phasenlage anhand der Helligkeit eines Differenz-Lichtstrahls gemessen, der entsteht durch Differenz eines Zentral-Lichtstrahls, der auf der optischen Achse verläuft, mit dem Ursprungs-Lichtstrahl des Zentral-Lichtstrahls. In anderen Worten entsteht der Zentral-Lichtstrahl aus dem Ursprungs-Lichtstrahl durch einen Strahlteiler.The area measuring interferometer has an optical axis. This optical axis has the property that a light beam traveling on the optical axis is reflected back into itself by the test object. The interferometer phase position is preferably measured on the basis of the brightness of a differential light beam which is produced by the difference between a central light beam, which runs on the optical axis, and the original light beam of the central light beam. In other words, the central light beam is created from the original light beam by a beam splitter.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat das flächenmessende Interferometer einen Bildsensor, der eine Vielzahl an Pixeln aufweist. Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise ausgebildet zum Erfassen der Interferometer-Phasenänderungsdaten mittels zumindest eines Pixels, insbesondere höchstens 100 Pixeln. Der Bildsensor ist beispielsweise ein CCD-Chip. Auf diese Weise können die in einem flächenmessenden Interferometer ohnehin standardmäßig vorhandenen Komponenten weiterverwendet werden, und dennoch eine geringere Messunsicherheit erreicht werden.According to a preferred embodiment, the area measuring interferometer has an image sensor which has a multiplicity of pixels. The evaluation unit is preferably designed to acquire the interferometer phase change data by means of at least one pixel, in particular a maximum of 100 pixels. The image sensor is, for example, a CCD chip. In this way, the components that are already available as standard in an area-measuring interferometer can continue to be used, and nevertheless a lower measurement uncertainty can be achieved.

Günstig ist es also, wenn das flächenmessende Interferometer einen Bildsensor hat, der insbesondere einen CCD-Chip umfasst, der eine Vielzahl an Pixeln aufweist.It is therefore advantageous if the area-measuring interferometer has an image sensor which in particular comprises a CCD chip which has a large number of pixels.

Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit dann ausgebildet zum automatischen Erfassen der Interferometer-Phasenänderungsdaten mittels zumindest eines Pixels. Es können auch mehrere Pixel zur Verwendung der Interferometer-Phasenänderungsdaten verwendet werden. Das kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die von den einzelnen Pixeln gemessenen Helligkeitswerte zu einem Gesamt-Helligkeitswert verrechnet werden. Je mehr Pixel verwendet werden, desto geringer ist die durch statistische Fehler verursachte Messunsicherheit, desto größer aber auch die systematische Unsicherheit. Es hat sich herausgestellt, dass mehr als 100 Pixel häufig zu einem vergleichsweise hohen systematischen Fehler führen.The evaluation unit is then preferably designed to automatically acquire the interferometer phase change data by means of at least one pixel. Multiple pixels can also be used to use the interferometer phase change data. This can be done, for example, by calculating the brightness values measured by the individual pixels to form a total brightness value. The more pixels are used, the lower the measurement uncertainty caused by statistical errors, but also the greater the systematic uncertainty. It has been found that more than 100 pixels often lead to a comparatively high systematic error.

Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit ausgebildet zum automatischen Berechnen des geometrischen Parameters der Oberflächenkontur aus der Abstandsänderung mit den Konturdaten. Das ist beispielsweise in P. Hariharan: Optical interferometry. Academic Press, 2003, ISBN 978-0-12-311630-7 beschrieben.The evaluation unit is preferably designed to automatically calculate the geometric parameter of the surface contour from the change in distance with the contour data. This is for example in P. Hariharan: Optical interferometry. Academic Press, 2003, ISBN 978-0-12-311630-7.

Vorzugsweise ist das Präzisions-Längenmessgerät ausgebildet zum Messen der Roh-Abstandsänderungen mit einer Präzisions-Längenmessgerät-Messunsicherheit, die kleiner ist als die Hälfte einer Interferometer-Wellenlänge der Lichtstrahlen des flächenmessenden Interferometers. Es ist dann möglich, anhand der Roh-Abstandsänderung, die vom Präzisions-Längenmessgerät erfasst wird, dem Helligkeitswert, der vom Helligkeitssensor, insbesondere von dem zumindest ein Pixel des CCD-Chips erfasst wird, die genaue Phasenlage zu bestimmen und damit die Abstandsänderungen genau zu berechnen.The precision length measuring device is preferably designed to measure the raw distance changes with a precision length measuring device measurement uncertainty which is less than half an interferometer wavelength of the light beams of the area measuring interferometer. It is then possible to use the raw distance change that is detected by the precision length measuring device, the brightness value that is detected by the brightness sensor, in particular by the at least one pixel of the CCD chip, to determine the exact phase position and thus to precisely determine the distance changes to calculate.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

  • 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Konturparametermessgeräts zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows
  • 1 a schematic view of a contour parameter measuring device according to the invention for performing a method according to the invention.

1 zeigt schematisch ein Konturparametermessgerät 10, das eine Aufnahme 12 zum Bewegen eines Prüflings 14, ein Präzisions-Längenmessgerät 16 sowie ein flächenmessenden Interferometer 18 aufweist. Das Präzisions-Längenmessgerät 16 ist ausgebildet zum Messen einer Roh-Abstandsänderung d. Das Konturparametermessgerät 10 umfasst einen Tisch 20, auf dem das flächenmessenden Interferometer 18 sowie das Präzisions-Längenmessgerät 16 angeordnet sind. Die Aufnahme 12 ist relativ zum Tisch 20 linear beweglich gelagert. 1 shows schematically a contour parameter measuring device 10 that a recording 12 for moving a test item 14th , a precision length measuring device 16 as well as an area measuring interferometer 18th having. The precision length measuring device 16 is designed to measure a raw change in distance d . The contour parameter measuring device 10 includes a table 20th , on which the area measuring interferometer 18th as well as the precision length measuring device 16 are arranged. The recording 12 is relative to the table 20th linearly moveable.

Das Präzisions-Längenmessgerät 16 ist im vorliegenden Fall ein Linear-Interferometer und erzeugt beispielsweise einen monochromatischen Lichtstrahl mit einer Linearinterferometer-Wellenläge von λ16 = 532 nm.The precision length measuring device 16 is in the present case a linear interferometer and generates, for example, a monochromatic light beam with a linear interferometer wavelength of λ 16 = 532 nm.

Der Prüfling 14 hat einen Bereich B, im vorliegenden Fall seine gesamte Vorderseite, die eine Sphärensegmentform hat. Der Bereich B kann beschrieben werden durch ein ideales Sphärensegment und der Abweichung dazu. Im vorliegenden Fall hat der Bereich B einen Radius R, der einen Konturparameter darstellt und gemessen werden soll. Unter dem Radius R wird der Radius des Ausgleichs-Sphärensegments verstanden.The examinee 14th has an area B. , in the present case its entire front, which has a spherical segment shape. The area B. can be described by an ideal spherical segment and the deviation from it. In the present case, the area B. a radius R, which represents a contour parameter and is to be measured. The radius R is understood to be the radius of the compensating spherical segment.

In 1 ist der Prüfling 14 mit durchgezogenen Linien in seiner Fokusposition gezeigt. In der Fokusposition liegt der Fokus F des vom Objektiv gebündelten Lichts des flächenmessenden Interferometers auf der Oberfläche 24. Mit dem Bezugszeichen 14' wird der Prüfling in seiner Konturmessposition gezeigt, in der die Lichtstrahlen 22.i senkrecht auf einer Oberfläche 24 stehen.In 1 is the test item 14th shown with solid lines in its focus position. The focus is in the focus position F. of the light of the area measuring interferometer bundled by the lens on the surface 24 . The test specimen is shown in its contour measurement position in which the light beams are denoted by reference numeral 14 ' 22nd .i perpendicular to a surface 24 stand.

Das flächenmessende Interferometer 18 ist im vorliegenden Fall ein Fizeau-Interferometer und besitzt eine Lichtquelle 26, von der Ursprungs-Lichtstrahlen 28.i ausgehen und auf einen Strahlteiler 30 treffen. Die Ursprungs-Lichtstrahlen 28.i haben beispielsweise eine Wellenlänge von λ28 = 632 nm. Hinter dem Strahlteiler 30 entstehen so die Lichtstrahlen 22.i (i = 1, 2, ...). Nach Reflektion der Lichtstrahlen 22.i an der Oberfläche des Prüflings 14 werden die zurücklaufenden Lichtstrahlen mit ihren jeweiligen Ursprungs-Lichtstrahlen 28.i zur Interferenz gebracht, sodass Interferenz-Lichtstrahlen 29.i entstehen.The area measuring interferometer 18th is in the present case a Fizeau interferometer and has a light source 26th , from the origin light rays 28.i go out and onto a beam splitter 30th to meet. The original rays of light 28.i for example have a wavelength of λ 28 = 632 nm. Behind the beam splitter 30th this is how the rays of light arise 22nd .i (i = 1, 2, ...). After reflection of the light rays 22nd .i on the surface of the test item 14th the returning light rays become with their respective original light rays 28.i brought to interference, so that interference light rays 29.i arise.

Die Interferenz-Lichtstrahlen 29.i fallen auf einen Bildsensor 32 in Form eines CCD-Chips. Ein zentraler Interferenz-Lichtstrahl 29.3, der aus einem Zentral-Lichtstrahl 22, der auf der optischen Achse A verläuft, durch Interferieren mit seinem Ursprungs-Lichtstrahl 28 entsteht, fällt dabei auf einen zentralen Pixel Pz, der eine Helligkeit Hz des zentralen Interferenz-Lichtstrahls 29.i erfasst diese Helligkeit Hz.The interference light beams 29.i fall on an image sensor 32 in the form of a CCD chip. A central interference light beam 29.3, which consists of a central light beam 22nd that is on the optical axis A. by interfering with its original light beam 28 occurs, falls on a central pixel Pz , the brightness H z of the central interference light beam 29.i detects this brightness H z .

Zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Prüfling 14 zunächst in seine Fokusposition gebracht. Dort wird eine erste Helligkeit H1 gemessen und daraus eine erste Interferometer-Phasenlage Δφ1 bestimmt. Das erfolgt beispielsweise dadurch, dass eine Referenzfläche des Interferometers mit einem Piezo-Antrieb verschoben wird, so dass ein Wellenberg und ein Tal abgetastet werden.To carry out a method according to the invention, the test object 14th first brought into its focus position. A first brightness H 1 is measured there and a first interferometer phase position Δφ 1 is determined from this. This is done, for example, by shifting a reference surface of the interferometer with a piezo drive so that a wave crest and a valley are scanned.

Danach wird der Prüfling 14 mittels der Aufnahme 12 von einem Antrieb 36 in die Konturmessposition gebracht. Während dieser Bewegung erfasst das Präzisions-Längenmessgerät die Roh-Abstandsänderung droh .Then the test item is 14th by means of the recording 12 from a drive 36 brought into the contour measuring position. During this movement, the precision linear encoder records the raw change in distance d raw .

In der Konturmessposition wird eine zweite Helligkeit H1 gemessen und daraus eine zweite Interferometer-Phasenlage Δφ2 berechnet. Die Interferometer-Phasenlagen Δφ1, Δφ2 sind nur auf λ28 /2 bekannt. Da die Messunsicherheit des Präzisions-Längenmessgeräts 16 kleiner ist als A28/2, lässt sich die Anzahl der ganzen Wellenlänge daraus bestimmen (Vorkommastellen) und kombiniert mit den Daten der Interferometer-Phasenlage (Nachkommastellen) die Gesamt-Phasenlage genau bestimmen.A second brightness H 1 is measured in the contour measurement position and a second interferometer phase position Δφ 2 is calculated from this. The interferometer phase positions Δ φ1 , Δφ 2 are only on λ 28 / 2 known. Since the measurement uncertainty of the precision length measuring device 16 is smaller than A 28/2 , the number of the whole wavelength can be determined from it (places before the decimal point) and, combined with the data of the interferometer phase position (places after the decimal point), the total phase position can be determined precisely.

Das Konturparametermessgerät 10 weist eine Auswerteeinheit 34 auf, die mit dem Präzisions-Längenmessgerät 16, dem flächenmessenden Interferometer 18 und dem Antrieb 36 verbunden ist. Die Auswerteeinheit 34 ist eingerichtet zum automatischen Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit den oben genannten Schritten.The contour parameter measuring device 10 has an evaluation unit 34 on that with the precision length measuring device 16 , the area measuring interferometer 18th and the drive 36 connected is. The evaluation unit 34 is set up to automatically carry out a method according to the invention with the steps mentioned above.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
KonturparametermessgerätContour parameter measuring device
1212
Aufnahmeadmission
1414th
PrüflingTest item
1616
Präzisions-LängenmessgerätPrecision length measuring device
1818th
flächenmessenden Interferometer area measuring interferometer
2020th
Tischtable
2222nd
LichtstrahlBeam of light
2424
Oberflächesurface
2626th
LichtquelleLight source
2828
Ursprungs-Lichtstrahlen Origin light rays
3030th
StrahlteilerBeam splitter
3232
BildsensorImage sensor
3434
AuswerteeinheitEvaluation unit
3636
Antrieb drive
ΔφΔφ
Interferometer-PhasenlageInterferometer phasing
λ16 λ 16
Linearinterferometer-WellenlägeLinear interferometer wave length
λ28 λ 28
Wellenlänge des flächenmessenden Interferometers Wavelength of the area measuring interferometer
AA.
optische Achseoptical axis
BB.
BereichArea
droh d raw
Roh-AbstandsänderungRaw distance change
dd
AbstandsänderungChange in distance
FF.
Fokus focus
HH
Helligkeitbrightness
ii
LaufindexRunning index
PP
Pixelpixel
PzPz
zentraler Pixelcentral pixel

Claims (10)

Verfahren zum Messen eines Konturparameters (R) eines Prüflings (14), der zumindest teilweise eine Sphärensegmentform hat, mit den Schritten: (a) Bewegen des Prüflings (14) relativ zu einem Präzisions-Längenmessgerät (16) und einem flächenmessenden Interferometer (18) und (b) Messen einer Roh-Abstandsänderung (droh) zwischen dem Prüfling (14) und dem Präzisions-Längenmessgerät (16) mittels des Präzisions-Längenmessgeräts (16), gekennzeichnet durch die Schritte: (c) Bestimmen einer Interferometer-Phasenlage, die von der Abstandsänderung abhängt, mittels des flächenmessenden Interferometers (18) und (d) Bestimmen der Abstandsänderung (d) vom Prüfling (14) zum flächenmessenden Interferometer (18) aus der Roh-Abstandsänderung (droh) und der Interferometer-P hasenlage.Method for measuring a contour parameter (R) of a test piece (14), which at least partially has a spherical segment shape, with the following steps: (a) Moving the test piece (14) relative to a precision length measuring device (16) and an area measuring interferometer (18) and (b) measuring a raw change in distance (d raw ) between the test object (14) and the precision length measuring device (16) by means of the precision length measuring device (16), characterized by the steps: (c) determining an interferometer phase position, which depends on the change in distance, using the area-measuring interferometer (18) and (d), determining the change in distance (d) from the test object (14) to the area-measuring interferometer (18) from the raw change in distance (d raw ) and the interferometer phase position. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte: (a) Bringen des Prüflings (14) in eine Fokusposition, bei der ein Fokus (F) der Lichtstrahlen (22) des flächenmessenden Interferometers (18) auf einer Oberfläche (24) des Prüflings (14) liegt, (b) Bewegen des Prüflings (14) aus der Fokusposition in eine Konturmessposition, in der die Lichtstrahlen (22) des flächenmessenden Interferometers (18) senkrecht auf die Oberfläche (24) des Prüflings (14) fallen, (c) Vermessen einer Oberflächenkontur des Prüflings (14) mittels des flächenmessenden Interferometers (18), wenn der Prüfling (14) in der Konturmessposition ist, sodass Konturdaten erhalten werden, und (d) Berechnen des Konturparameters (R) aus der Roh-Abstandsänderung (droh) und den Konturdaten.Procedure according to Claim 1 , characterized by the steps: (a) bringing the test object (14) into a focus position in which a focus (F) of the light beams (22) of the area-measuring interferometer (18) lies on a surface (24) of the test object (14), (b) moving the test specimen (14) out of the focus position into a contour measuring position in which the light beams (22) of the area measuring interferometer (18) fall perpendicularly onto the surface (24) of the test specimen (14), (c) measuring a surface contour of the Test specimen (14) by means of the area measuring interferometer (18) when the test specimen (14) is in the contour measurement position so that contour data are obtained, and (d) calculating the contour parameter (R) from the raw distance change (d raw ) and the contour data . Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (a) das flächenmessende Interferometer (18) eine optische Achse (A) hat und (b) die Interferometer-Phasenlage anhand einer Helligkeit eines Interferenz-Lichtstrahls (29.3) gemessen wird, der entsteht durch Interferenz eines Zentral-Lichtstrahls (22.3), der auf der optischen Achse verläuft (A), mit einem Ursprungs-Lichtstrahl (28.3) des Zentral-Lichtstrahls (22.3).Method according to one of the preceding claims, characterized in that (a) the area measuring interferometer (18) has an optical axis (A) and (b) the interferometer phase position is measured on the basis of a brightness of an interference light beam (29.3) that is produced by interference of a central light beam (22.3) on the optical axis runs (A), with an original light beam (28.3) of the central light beam (22.3). Konturparametermessgerät (10) zum Messen eines Konturparameters (R) eines Prüflings (14), der zumindest teilweise eine Sphärensegmentform hat, mit (i) einem Präzisions-Längenmessgerät (16) zum Bestimmen einer Roh-Abstandsänderung (d) zwischen dem Prüfling (14) und einem Präzisions-Längenmessgerät (16), (ii) einem flächenmessenden Interferometer (18) zum Vermessen einer Oberflächenkontur des Prüflings (14), sodass Konturdaten erhalten werden, und (iii) einer Auswerteeinheit (34), dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (34) ausgebildet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten (a) zeitabhängiges Erfassen von Linearinterferometer-Abstandsdaten, die eine Roh-Abstandsänderung (droh) zwischen dem Prüfling (14) und dem Präzisions-Längenmessgerät (16) kodieren, (b) Erfassen einer Interferometer-Phasenlage des flächenmessenden Interferometers (18), wobei die Interferometer-Phasenlage von der Abstandsänderung abhängt, und (c) Berechnen der Abstandsänderung des Prüflings (14) zum flächenmessenden Interferometer (18) aus der Interferometer-Phasenlage und den Roh-Abstandsdaten.Contour parameter measuring device (10) for measuring a contour parameter (R) of a test object (14), which at least partially has a spherical segment shape, with (i) a precision length measuring device (16) for determining a raw change in distance (d) between the test object (14) and a precision length measuring device (16), (ii) an area measuring interferometer (18) for measuring a surface contour of the test object (14) so that contour data are obtained, and (iii) an evaluation unit (34), characterized in that the evaluation unit ( 34) is designed to automatically carry out a method with the steps (a) time-dependent acquisition of linear interferometer distance data which encode a raw change in distance (d raw ) between the test object (14) and the precision length measuring device (16), (b) Detecting an interferometer phase position of the area-measuring interferometer (18), the interferometer phase position depending on the change in distance, and (c) calculating the change in distance the test object (14) to the area measuring interferometer (18) from the interferometer phase position and the raw distance data. Konturparametermessgerät (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass (a) das flächenmessende Interferometer (18) einen Bildsensor (32) hat, der eine Vielzahl an Pixeln (P) aufweist, und (b) die Auswerteeinheit (34) ausgebildet ist zum Erfassen der Interferometer-Phasenänderungsdaten mittels zumindest eines Pixels (P), insbesondere höchstens 100 Pixeln (P).Contour parameter measuring device (10) Claim 4 , characterized in that (a) the area measuring interferometer (18) has an image sensor (32) which has a plurality of pixels (P), and (b) the evaluation unit (34) is designed to acquire the interferometer phase change data by means of at least of a pixel (P), in particular a maximum of 100 pixels (P). Konturparametermessgerät (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (34) ausgebildet ist zum automatischen Berechnen eines geometrischen Parameters (R) der Oberflächenkontur aus der Abstandsänderung (d) und den Konturdaten.Contour parameter measuring device (10) Claim 4 or 5 , characterized in that the evaluation unit (34) is designed to automatically calculate a geometric parameter (R) of the surface contour from the change in distance (d) and the contour data. Konturparametermessgerät (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Präzisions-Längenmessgerät (16) ausgebildet ist zum Messen der Roh-Abstandsänderung (droh) mit einer Linearinterferometer-Messunsicherheit, die kleiner ist als die Hälfte einer Wellenlänge (λ28) der Lichtstrahlen (22) des flächenmessenden Interferometers (18).Contour parameter measuring device (10) according to one of the Claims 4 to 6 , characterized in that the precision length measuring device (16) is designed to measure the raw change in distance (d raw ) with a linear interferometer measurement uncertainty that is less than half a wavelength (λ 28 ) of the light beams (22) of the area measuring interferometer (18). Konturparametermessgerät (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch (a) einen Antrieb zum Bewegen der Aufnahme (12), (b) wobei die Auswerteeinheit (34) ausgebildet ist zum automatischen Ansteuern des Antriebs, sodass sich der Prüfling (14) aus der Konturmessposition in die Fokusposition oder aus der Fokusposition in die Konturmessposition bewegt.Contour parameter measuring device (10) according to one of the Claims 4 to 6 , characterized by (a) a drive for moving the receptacle (12), (b) wherein the evaluation unit (34) is designed to automatically control the drive so that the test object (14) moves from the contour measurement position into the focus position or from the focus position moved to the contour measurement position. Konturparametermessgerät (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (34) ausgebildet ist zum automatischen (a) kontinuierlichen Erfassen der Helligkeit eines Interferenz-Lichtstrahls, der entsteht durch Interferenz eines Zentral-Lichtstrahls, der auf der optischen Achse verläuft, mit einem Ursprungs-Lichtstrahl (28) des Zentral-Lichtstrahls, mittels des Bildsensors (32), sodass ein Helligkeitsverlauf erhalten wird, und (b) Berechnen der Interferometer-Phasenlage aus der aktuellen Helligkeit und dem Helligkeitsverlauf.Contour parameter measuring device (10) according to one of the Claims 4 to 8th , characterized in that the evaluation unit (34) is designed for the automatic (a) continuous detection of the brightness of an interference light beam, which is created by interference of a central light beam, which runs on the optical axis, with an original light beam (28) of the central light beam by means of the image sensor (32), so that a brightness curve is obtained, and (b) calculating the interferometer phase position from the current brightness and the brightness curve. Konturparametermessgerät (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass (a) das Präzisions-Längenmessgerät (16) ein Interferometer ist und/oder (b) das flächenmessende Interferometer (18) ein Fizeau-Interferometer.Contour parameter measuring device (10) according to one of the Claims 4 to 9 , characterized in that (a) the precision length measuring device (16) is an interferometer and / or (b) the area measuring interferometer (18) is a Fizeau interferometer.
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DE102018111466A1 (en) * 2018-05-14 2019-11-14 Carl Mahr Holding Gmbh METHOD FOR ADJUSTING A MEASURING DEVICE BY MEANS OF A JUSTAGE BODY, ADJUSTING BODY AND METHOD OF ADJUSTING A JUSTAGE BODY

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