DE102020102959B4 - Surface measuring system and method for measuring a surface of a test piece - Google Patents
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Abstract
Oberflächen-Messsystem zum Vermessen einer Oberfläche (38) eines Prüflings (40), mit(a) einem Topografie-Sensor (32) zum Messen einer Abstandsänderung (Δdj) vom Topografie-Sensor (32) zur Oberfläche (38) des Prüflings (40),(b) einer Führung (34) zum geführten Bewegen des Topografie-Sensors (32) und(c) einem Autokollimator (10), der(i) einen Spiegel (14) aufweist, der am Topografie-Sensor (32) befestigt ist,(ii) ausgebildet ist zum Abgeben eines Ausgangs-Lichtstrahls (20) und(iii) angeordnet ist zum Messen eines Kippwinkels (α) des Topografie-Sensors (32),wobei(d) der Spiegel (14) ausgebildet ist zum Reflektieren von zumindest zwei diskreten Teil-Lichtstrahlen (30.1, 30.2) unter unterschiedlichen Reflexionswinkeln (ρ1, ρ2) beim Bestrahlen mit dem Lichtstrahl (20).Surface measuring system for measuring a surface (38) of a test piece (40), with (a) a topography sensor (32) for measuring a change in distance (Δdj) from the topography sensor (32) to the surface (38) of the test piece (40 ), (b) a guide (34) for guided movement of the topography sensor (32), and (c) an autocollimator (10) having (i) a mirror (14) attached to the topography sensor (32). (ii) arranged to emit an output light beam (20) and (iii) arranged to measure a tilt angle (α) of the topography sensor (32), (d) the mirror (14) being arranged to reflect of at least two discrete partial light beams (30.1, 30.2) at different reflection angles (ρ1, ρ2) when irradiated with the light beam (20).
Description
Die Erfindung betrifft ein Oberflächen-Messsystem zum Vermessen einer Oberfläche eines Prüflings, mit (a) einem Topografie-Sensor, insbesondere einer Interferometereinheit, zum Messen einer Abstandsänderung von dem Topografie-Sensor zur Oberfläche des Prüflings, (b) einer Führung zum Bewegen des Topografie-Sensors. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche eines Prüflings und (c) einem Autokollimator, der (i) einen Spiegel aufweist, der am Topografie-Sensor befestigt ist, (ii) ausgebildet ist zum Abgeben eines Ausgangs-Lichtstrahls und (iii) angeordnet ist zum Messen eines Kippwinkels des Topografie-Sensors,.The invention relates to a surface measuring system for measuring a surface of a test piece, with (a) a topography sensor, in particular an interferometer unit, for measuring a change in distance from the topography sensor to the surface of the test piece, (b) a guide for moving the topography - Sensors. According to a second aspect, the invention relates to a method for measuring a surface of a test object and (c) an autocollimator which (i) has a mirror which is attached to the topography sensor, (ii) is designed to emit an output light beam and (iii) arranged to measure a tilt angle of the topography sensor,.
Es ist bekannt aus der
Der Artikel „CCD-area-based autocollimator for precision small-angle measurement“ von Jie Yuan et al beschreibt die Verwendung eines CCD-Sensors im Autokollimator, um die Genauigkeit der Winkelmessung zu erhöhen. Nachteilig ist auch bei diesem System der vergleichsweise kleine Messbereich.The article "CCD-area-based autocollimator for precision small-angle measurement" by Jie Yuan et al describes the use of a CCD sensor in the autocollimator to increase the accuracy of the angle measurement. The disadvantage of this system is the comparatively small measuring range.
Zur Vergrößerung des Messbereichs wird im Artikel „Cube-corner autocollimator with expanded measurement range“ von Renpu Li et al vorgeschlagen, einen Retroreflektor in Form eines Katzenauges zu verwenden. Nachteilig an einem solchen System ist, dass sehr kleine Messunsicherheiten nur schlecht erreichbar sind.In order to increase the measurement range, the article "Cube-corner autocollimator with expanded measurement range" by Renpu Li et al suggests using a retroreflector in the shape of a cat's eye. The disadvantage of such a system is that very small measurement uncertainties are difficult to achieve.
In „Error compensation for long-distance measurements with a photoelectric autocollimator“ von Renpu Li et al wird ein Algorithmus vorgeschlagen, um den Fehler zu kompensieren, der bei langen Messstrecken aus der Endlichkeit der Ausdehnung der Lichtquelle resultiert. Der Messbereich kann so nicht erweitert werden.In "Error compensation for long-distance measurements with a photoelectric autocollimator" by Renpu Li et al, an algorithm is proposed to compensate for the error that results from the finiteness of the expansion of the light source over long measurement distances. The measuring range cannot be extended in this way.
Wird im Folgenden von der Interferometereinheit gesprochen, so ist stets auch allgemein ein Topografie-Sensor gemeint, sofern es nicht um für Interferometereinheiten spezifische Eigenschaften geht.If the interferometer unit is mentioned below, a topography sensor is always meant in general, provided that properties specific to interferometer units are not involved.
Ist die Oberfläche makroskopisch gekrümmt, so muss der Topografie-Sensor gekippt werden, da anderenfalls der Messbereich des Topografie-Sensors verlassen wird und/oder es zu einem Messfehler kommt. Ist der Topografie-Sensor beispielsweise eine Interferometereinheit, werden die ausgehenden Lichtstrahlen nicht mehr so zurückreflektiert, dass sie zur Interferenz gebracht werden können. Der Kippwinkel muss mit einer geringen Messunsicherheit gemessen werden, da ansonsten die Topografie nur mit einer hohen Messunsicherheit erfasst werden kann. Es hat sich als nachteilig herausgestellt, dass derartige Oberflächen-Messsysteme solche Prüflinge nur schlecht vermessen werden können, bei denen die Normalen-Vektoren auf die Oberfläche in einem zu großen Winkelintervall liegen, das beispielsweise mehr als 5° umfasst.If the surface is macroscopically curved, the topography sensor must be tilted, otherwise the measuring range of the topography sensor will be left and/or a measurement error will occur. If the topography sensor is an interferometer unit, for example, the outgoing light rays are no longer reflected back in such a way that they can be brought to interference. The tilt angle must be measured with a low measurement uncertainty, otherwise the topography can only be recorded with a high measurement uncertainty. It has turned out to be disadvantageous that such surface measuring systems are difficult to measure such specimens in which the normal vectors on the surface lie in an angular interval that is too large, for example more than 5°.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu vermindern.The object of the invention is to reduce the disadvantages of the prior art.
Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Oberflächen-Messsystem, bei dem der Spiegel ausgebildet ist zum Reflektieren von zumindest zwei diskreten Teil-Lichtstrahlen unter unterschiedlichen Reflexionswinkeln beim Bestrahlen mit dem Ausgangs-Lichtstrahl. In anderen Worten ist der Spiegel multireflektierend. The invention solves the problem by means of a generic surface measuring system, in which the mirror is designed to reflect at least two discrete partial light beams at different reflection angles when irradiated with the output light beam. In other words, the mirror is multi-reflective.
Die Erfindung löst das Problem zudem durch ein Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche eines Prüflings mit den Schritten (a) Messen einer Abstandsänderung von einem Topografie-Sensor zur Oberfläche des Prüflings mittels des Topografie-Sensors, (b) Bewegen des Topografie-Sensors mittels einer Führung und (c) Messen eines Kippwinkels des Topografie-Sensors mittels eines Autokollimators, der einen Spiegel aufweist, der relativ zum Topografie-Sensor befestigt ist. Der Spiegel ist dabei ausgebildet zum Reflektieren von zumindest zwei diskreten Teil-Lichtstrahlen unter unterschiedlichen Reflexionswinkeln beim Bestrahlen mit genau einem Lichtstrahl.The invention also solves the problem with a method for measuring a surface of a specimen with the steps (a) measuring a change in distance from a topography sensor to the surface of the specimen using the topography sensor, (b) moving the topography sensor using a guide and (c) measuring a tilt angle of the topography sensor using an autocollimator having a mirror fixed relative to the topography sensor. The mirror is designed to reflect at least two discrete partial light beams at different reflection angles when irradiated with exactly one light beam.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass ein Autokollimator nur einen begrenzten Winkelmessbereich besitzt. Im Winkelmessbereich liegen all diejenigen zum Ausgangs-Lichtstrahl gemessenen Winkel, unter denen ein Eingangs-Lichtstrahl in den Autokollimator eintreten kann, um den Kippwinkel relativ zu einem Ausgangs-Lichtstrahl zu messen.The invention is based on the consideration that an autocollimator only has a limited angle measurement range. All those angles measured relative to the output light beam are in the angle measurement range, under which an input light beam can enter the autocollimator in order to measure the tilt angle relative to an output light beam.
Der Ausgangs-Lichtstrahl wird vom Autokollimator abgestrahlt und trifft auf den Spiegel. Der Eingangs-Lichtstrahl ist der Lichtstrahl, der vom Spiegel reflektiert wird und in den Autokollimator zurückfällt. Ist der Kippwinkel zu groß, verlässt der Eingangs-Lichtstrahl den Winkelmessbereich und der Kippwinkel kann nicht mehr gemessen werden.The output light beam is emitted from the autocollimator and hits the mirror. The input light beam is the light beam that is reflected by the mirror and falls back into the autocollimator. If the tilt angle is too large, the input light beam leaves the angle measurement range and the tilt angle can no longer be measured.
Durch den Spiegel, der als multireflektierend bezeichnet werden kann, und zumindest zwei diskrete Teil-Lichtstrahlen unter unterschiedlichen Reflexionswinkeln reflektiert, wenn er genau mit einem Lichtstrahl bestrahlt wird, wird erreicht, dass stets zumindest ein Teil-Lichtstrahl im Winkelmessbereich in den Autokollimator eintritt. Auf diese Weise wird der Kippwinkelmessbereich, in dem der Kippwinkel liegen muss, um vom Autokollimator gemessen zu werden, deutlich vergrößert werden, ohne dass der Winkelmessbereich vergrößert werden muss.The mirror, which can be described as multi-reflecting and reflects at least two discrete partial light beams at different reflection angles when it is precisely irradiated with a light beam, ensures that at least one partial light beam always enters the autocollimator in the angle measuring range. In this way, the tilt angle measurement range, in which the tilt angle must lie in order to be measured by the autocollimator, is significantly increased without the angle measurement range having to be increased.
Der zweite Teil-Lichtstrahl (und weitere Teil-Lichtstrahl) hat gegenüber dem ersten einen Winkelversatz, der entweder mit dem Autokollimator bestimmt werden kann, wenn beide Teil-Lichtstrahlen auf dessen Detektorkamera ankommen oder aus Vorwissen gekannt sein kann. Verschwenkt man den Spiegel, kann man mitzählen, der wievielte Teil-Lichtstrahl gerade auf dem Detektor sichtbar ist. Der Winkelversatz wird durch den Versatzwinkel gemessen.The second partial light beam (and further partial light beams) has an angular offset compared to the first, which can either be determined with the autocollimator if both partial light beams arrive at its detector camera or can be known from prior knowledge. If you swivel the mirror, you can count how many partial light beams are currently visible on the detector. The angular offset is measured by the offset angle.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Topografie-Sensor insbesondere ein Abstandsmessgerät verstanden, mittels dem Abstandsmessdaten aufgenommen werden können, die den jeweiligen Abstand des Topografie-Sensors oder eines Punkts auf dem Topografie-Sensor, von der zu vermessenden Oberfläche angeben.In the context of the present description, the topography sensor is understood to mean in particular a distance measuring device that can be used to record distance measurement data that indicate the respective distance of the topography sensor or a point on the topography sensor from the surface to be measured.
Der Topografie-Sensor kann beispielsweise eine Interferometereinheit, ein chromatisch-konfokaler Sensor oder ein kapazitiver Sensor sein.The topography sensor can be an interferometer unit, a chromatic-confocal sensor or a capacitive sensor, for example.
Unter der Interferometereinheit wird insbesondere eine Vorrichtung verstanden, die ausgebildet ist zum interferometrischen Messen eines Abstands zwischen der Interferometereinheit und der Oberfläche des Prüflings. Insbesondere ist die Interferometereinheit vorzugsweise so aufgebaut, dass die Oberfläche des Prüflings einen von der Interferometereinheit ausgesandten Interferometer-Messstrahl reflektiert.The interferometer unit is understood to mean, in particular, a device that is designed for interferometrically measuring a distance between the interferometer unit and the surface of the test object. In particular, the interferometer unit is preferably constructed in such a way that the surface of the specimen reflects an interferometer measuring beam emitted by the interferometer unit.
Wird ein kapazitiver Sensor verwendet, ist es günstig, wenn der Prüfling eine elektrisch leitfähige Oberfläche hat.If a capacitive sensor is used, it is advantageous if the test object has an electrically conductive surface.
Unter der Führung zum Bewegen des Topografie-Sensors wird insbesondere eine Linearführung verstanden. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass die Führung eine zweidimensionale Führung ist, das heißt, dass der Topografie-Sensor in einer Ebene, also in zwei räumlichen Freiheitsgraden positioniert werden kann. Insbesondere ist es auch möglich, dass der Topografie-Sensor eine 1D-Linearführung ist. Grundsätzlich ist es möglich, dass die Führung auch eine nicht geradlinige Führung ist, in der Regel führt das aber zu einer erhöhten Messunsicherheit.The guide for moving the topography sensor is understood to mean, in particular, a linear guide. It is possible, but not necessary, for the guide to be a two-dimensional guide, which means that the topography sensor can be positioned in one plane, ie in two spatial degrees of freedom. In particular, it is also possible for the topography sensor to be a 1D linear guide. In principle it is possible that the guidance is also not a straight guidance, but this usually leads to an increased measurement uncertainty.
Vorzugsweise ist der Spiegel ausgebildet zum Reflektieren von mindestens drei, insbesondere vier, besonders vorzugsweise zumindest fünf, Teil-Lichtstrahlen. Vorzugsweise ist der Spiegel ausgebildet zum Reflektieren von höchstens einhundert Teil-Lichtstrahlen. Die Winkelstufung kann auch in zwei zueinander senkrechte Richtungen ausgebildet sein. Der Spiegel kann wegen seiner Eigenschaft, bei einem einfallenden Laserstrahl mehrere Lichtstrahlen zurück zu reflektieren, als Multi-Spiegel bezeichnet werden.The mirror is preferably designed to reflect at least three, in particular four, particularly preferably at least five, partial light beams. The mirror is preferably designed to reflect at most one hundred partial light beams. The angular gradation can also be formed in two mutually perpendicular directions. The mirror can be referred to as a multi-mirror because of its property of reflecting back several light beams from an incident laser beam.
Jeder Teil-Lichtstrahl wird unter einem Reflexionswinkel reflektiert. Der Reflexionswinkel wird relativ zum auf den Spiegel fallenden Lichtstrahl, in der Regel also den Ausgangs-Lichtstrahl, gemessen.Each partial light beam is reflected at a reflection angle. The angle of reflection is measured relative to the light beam falling on the mirror, i.e. usually the exit light beam.
Zwei Teil-Lichtstrahlen bilden miteinander einen Versatzwinkel. Es sei darauf hingewiesen, dass der Versatzwinkel für jeden Teil-Lichtstrahl zu jeweils dem Teil-Lichtstrahl bestimmt wird, dessen Reflexionswinkel kleiner ist und für den sich der kleinste Versatzwinkel ergibt. In diesem Sinne wird der Versatzwinkel zwischen benachbarten Teil-Lichtstrahl gemessen.Two partial light beams form an offset angle with each other. It should be pointed out that the offset angle for each partial light beam is determined in relation to the partial light beam whose reflection angle is smaller and for which the smallest offset angle results. In this sense, the offset angle between adjacent partial light beams is measured.
Es sei darauf hingewiesen, dass es sinnvoll, nicht aber notwendig ist, dass die Versatzwinkel so gemessen, definiert oder angegeben werden. Maßgeblich ist lediglich, dass die im Rahmen dieser Beschreibung angegeben Beziehungen erfüllt sind, wenn die angegebene Definition verwendet wird.It should be noted that it is useful, but not necessary, for offset angles to be measured, defined, or reported in this way. All that matters is that the relationships specified in this description are fulfilled when the specified definition is used.
Unter dem Merkmal, dass die Teil-Lichtstrahlen diskret sind, wird insbesondere verstanden, dass sie vom Autokollimator als unterschiedliche Lichtstrahlen identifizierbar sind.The feature that the partial light beams are discrete means in particular that the autocollimator can identify them as different light beams.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat der Autokollimator einen Winkelmessbereich, der eine Winkelmessbereichsbreite hat. Vorzugsweise ist der Spiegel so ausgebildet, dass ein Versatzwinkel zwischen zwei Teil-Lichtstrahlen höchstens der Winkelmessbereichsbreite entspricht. Wird der Kippwinkel so groß, dass ein Winkel, unter dem ein Teil-Lichtstrahl in den Autokollimator einfällt, an den Rand des Winkelmessbereichs kommt, so tritt ein anderer Teil-Lichtstrahl in den Autokollimator ein. Der Kippwinkel kann dann anhand dieses zweiten Teil-Lichtstrahls gemessen werden.According to a preferred embodiment, the autocollimator has an angle measurement range that has an angle measurement range width. The mirror is preferably designed in such a way that an offset angle between two partial light beams corresponds at most to the width of the angle measurement range. If the tilt angle is so large that an angle at which a partial light beam enters the autocollimator comes to the edge of the angle measurement range, another partial light beam enters the autocollimator. The tilt angle can then be measured using this second partial light beam.
Es ist darauf hingewiesen, dass es möglich, nicht aber notwendig ist, dass stets genau zwei Teil-Lichtstrahlen von einem Detektor des Autokollimators erfasst werden. It is pointed out that it is possible, but not necessary, for always exactly two partial light beams to be detected by a detector of the autocollimator.
Es ist insbesondere möglich, dass - zumindest für manche Kippwinkel - drei oder sogar mehr Teil-Lichtstrahlen vom Detektor des Autokollimators erfasst werden.In particular, it is possible that—at least for some tilt angles—three or even more partial light beams are detected by the detector of the autocollimator.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Spiegel ein erstes planes Spiegelelement und zumindest ein zweites planes Spiegelelement, das gegenüber dem ersten Spiegelelement verkippt ist. Ändert sich der Kippwinkel, so ändert sich das Spiegelelement, das den einfallenden Lichtstrahl reflektiert.According to a preferred embodiment, the mirror comprises a first planar mirror element and at least one second planar mirror element which is tilted with respect to the first mirror element. If the tilt angle changes, the mirror element that reflects the incident light beam changes.
Alternativ oder zusätzlich umfasst der Spiegel zumindest zwei keilförmige Reflektorelemente, die jeweils eine erste Reflektorelementfläche und eine zweite Reflektorelementfläche haben, die einen Keilwinkel beeinflussen. Dieser Keilwinkel ist vorzugsweise kleiner als die Winkelmessbereichsbreite. Alternativ oder zusätzlich ist es günstig, wenn der Keilwinkel zwischen 0,5° und 2,5° liegt.Alternatively or additionally, the mirror comprises at least two wedge-shaped reflector elements, each having a first reflector element surface and a second reflector element surface, which influence a wedge angle. This wedge angle is preferably smaller than the angle measuring range width. Alternatively or additionally, it is favorable if the wedge angle is between 0.5° and 2.5°.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Multi-Spiegel durch ein computergeneriertes Hologramm realisiert. Dieses bildet die Funktion der klassischen Keilanordnung optisch nach. Derartige Hologramme werden beispielsweise mittels eines Lasers in ein transparentes Element, insbesondere ein Glaselement, eingebracht. Vorzugsweise weist der Spiegel ein transparentes Element, insbesondere Glaselement auf, in das eine Beugungsmaske eingebracht ist, sodass das Hologramm entsteht.According to a preferred embodiment, the multi-mirror is implemented by a computer-generated hologram. This optically reproduces the function of the classic wedge arrangement. Such holograms are introduced into a transparent element, in particular a glass element, for example by means of a laser. The mirror preferably has a transparent element, in particular a glass element, into which a diffraction mask is introduced, so that the hologram is produced.
Damit die Messunsicherheit möglichst wenig von einer Temperatur des Spiegels abhängt, ist es günstig, wenn das transparente Element aus einem Material besteht, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient einen Nulldurchgang hat. Besonders günstig ist, wenn dieser Nulldurchgang bei einer Temperatur zwischen 0° und 40° liegt.So that the measurement uncertainty depends as little as possible on the temperature of the mirror, it is favorable if the transparent element consists of a material whose coefficient of thermal expansion has a zero crossing. It is particularly favorable if this zero crossing is at a temperature between 0° and 40°.
Vorzugsweise umfasst das Oberflächen-Messsystem eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten (i) Erfassen des Reflexionswinkels des zumindest einen Teil-Lichtstrahls, der in den Autokollimator einfällt, (ii) Erfassen eines Kippwinkelmesswerts mittels des Autokollimators und (iii) Berechnen des Kippwinkels aus dem Reflexionswinkel und dem Kippwinkelmesswert.The surface measuring system preferably comprises an evaluation unit which is set up to automatically carry out a method with the steps (i) detecting the angle of reflection of the at least one partial light beam which is incident on the autocollimator, (ii) detecting a measured tilt angle value using the autocollimator and ( iii) Calculating the tilt angle from the reflection angle and the tilt angle measurement value.
Beispielsweise kann der Grob-Kippwinkel aus den zuvor gemessenen Kippwinkeln bestimmt werden. Ist nämlich der Kippwinkel zu Beginn der Messung bekannt, beispielsweise null, so ist auch bekannt, welcher der Teil-Lichtstrahlen zum Bestimmen des Kippwinkels verwendet wird. Da die Versatzwinkel der Teil-Lichtstrahlen untereinander bekannt sind, kann aus dem zuletzt gemessenen Kippwinkel bestimmt werden, welcher Teil-Lichtstrahl oder welche Teillichtstrahlen vom Autokollimator erfasst werden.For example, the rough tilt angle can be determined from the previously measured tilt angles. If the tilt angle is known at the beginning of the measurement, for example zero, then it is also known which of the partial light beams is used to determine the tilt angle. Since the offset angles of the partial light beams are known to each other, it can be determined from the last measured tilt angle which partial light beam or which partial light beams are detected by the autocollimator.
Die Versatzwinkel liegen beispielsweise zwischen 0,05°, insbesondere 0,1° und 3°, insbesondere 1°.The offset angles are, for example, between 0.05°, in particular 0.1° and 3°, in particular 1°.
Der Kippwinkelmesswert wird wie bei Autokollimatoren üblich erfasst, beispielsweise durch Ermitteln derjenigen Position, unter der der zumindest eine Teil-Lichtstrahl auf einen Detektor des Autokollimators, beispielsweise einen CCD-Chip oder einen sonstigen Positionsdetektor, fällt. Aus dem bekannten Versatzwinkel und dem Kippwinkelmesswert kann so der Kippwinkel berechnet werden. Das führt die Auswerteeinheit automatisch durch.The measured tilt angle value is recorded as is usual with autocollimators, for example by determining the position at which the at least one partial light beam falls on a detector of the autocollimator, for example a CCD chip or another position detector. The tilt angle can be calculated from the known offset angle and the tilt angle measured value. The evaluation unit does this automatically.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit eingerichtet zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten (i) Erfassen einer Topografiesensor-Position des Topografie-Sensors entlang der Führung, (ii) Erfassen von Abstandsänderungen des Topografie-Sensors in der Abhängigkeit von der Topografiesensor-Position, (iii) Erfassen des Kippwinkels in der Abhängigkeit von der Topografiesensor-Position und (iv) Berechnen einer Topografie der Oberfläche aus der Topografiesensor-Position, den Abstandsänderungen und dem Kippwinkel. Unter der Topografie wird dabei diejenige Punktwolke oder eine Beschreibung dieser Punktwolke verstanden, die den Verlauf der Oberfläche beschreibt.The evaluation unit is preferably set up to automatically carry out a method with the steps (i) detecting a topography sensor position of the topography sensor along the guide, (ii) detecting changes in the distance of the topography sensor as a function of the topography sensor position, (iii ) detecting the tilt angle as a function of the topography sensor position and (iv) calculating a topography of the surface from the topography sensor position, the changes in distance and the tilt angle. The topography is understood to be that point cloud or a description of this point cloud that describes the course of the surface.
Erfindungsgemäß ist zudem ein Autokollimator mit einer Lichtquelle zum Abgeben zumindest eines Ausgangs-Lichtstrahls, ggf. einem Strahlteiler, einem Spiegel zum Befestigen an einem Prüfling, dessen Kippwinkel zu bemessen ist, zum Reflektieren des Ausgangs-Lichtstrahls, sodass ein Eingangs-Lichtstrahl entsteht, und einem Detektor. Der Spiegel ist ausgebildet zum Reflektieren von zumindest zwei diskreten Teil-Lichtstrahlen unter unterschiedlichen Reflexionswinkeln beim Bestrahlen mit genau einem Lichtstrahl. Die oben angegebenen bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für diesen Autokollimator.According to the invention is also an autocollimator with a light source for emitting at least one output light beam, if necessary a beam splitter, a mirror for attachment to a test object whose tilt angle is to be measured, for reflecting the output light beam so that an input light beam is created, and a detector. The mirror is designed to reflect at least two discrete partial light beams at different reflection angles when irradiated with exactly one light beam. The preferred embodiments given above also apply to this autocollimator.
Im Folgenden wir die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
-
1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Autokollimators und eines erfindungsgemäßen Oberflächen-Messsystems zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens, -
2a eine schematische Detailansicht einer ersten Ausführungsform des Spiegels des erfindungsgemäßen Autokollimators aus1 und -
2b eine schematische Detailansicht einer zweiten Ausführungsform des Spiegels des erfindungsgemäßen Autokollimators aus1 .
-
1 a schematic view of an autocollimator according to the invention and a surface measuring system according to the invention for carrying out a method according to the invention, -
2a a schematic detailed view of a first embodiment of the mirror of the autocollimator according to the invention1 and -
2 B a schematic detailed view of a second embodiment of the mirror of the autocollimator according to the invention1 .
Der Spiegel 14 besteht, wie in
An jeder der Grenzschichten zwischen einer ersten Reflektorelementfläche 28a.i und einer zweiten Reflektorelementfläche 28b.i+1 kommt es zur Reflektion des Ausgangs-Lichtstrahls 20, sodass mehrere Teil-Lichtstrahlen 30.i (i = 1, 2, ...N) entstehen. Vorzugsweise ist N < 50.At each of the boundary layers between a first reflector element surface 28a.i and a second reflector element surface 28b.i+1, the
Zwei Teil-Lichtstrahlen schließen jeweils einen Versatzwinkel βi ein. So schließen der erste Teil-Lichtstrahl 30.1 und der zweite Teil-Lichtstrahl 30.2 den ersten Versatzwinkel β1 ein. Der zweite Teil-Lichtstrahl 30.2 und der dritte Teil-Lichtstrahl 30.3 schließen den Versatzwinkel β2 ein. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass alle Versatzwinkel β gleich groß sind. In der Regel unterscheiden sich die Versatzwinkel βi voneinander. Günstig ist es, wenn die einzelnen Versatzwinkel βi mit einer geringen Messunsicherheit bekannt sind. Vorzugsweise beträgt die Unsicherheit höchstens 10-6°.Two partial light beams each enclose an offset angle βi. Thus, the first partial light beam 30.1 and the second partial light beam 30.2 enclose the first offset angle β1. The second partial light beam 30.2 and the third partial light beam 30.3 enclose the offset angle β2. It is possible, but not necessary, for all offset angles β to be of the same size. As a rule, the offset angles βi differ from one another. It is favorable if the individual offset angles βi are known with a low measurement uncertainty. The uncertainty is preferably at most 10 -6 °.
Die Interferometereinheit 32 sendet zumindest einen Mess-Laserstrahl 36.j (j = 1, 2, ...) auf eine Oberfläche 38 eines Prüflings 40. Der reflektierte Laserstrahl wird mit dem Mess-Laserstrahl 36.j zur Interferenz gebracht, sodass eine Abstandsänderung Δdj des Abstands dj gemessen wird.The
Der Prüfling 40 kann auf einer Aufnahme 42 aufgenommen sein. Die Führung 34 ist in diesem Fall vorzugsweise starr mit der Aufnahme 42 verbunden.The
Zum Vermessen der Oberfläche 38 wird die Interferometereinheit 32 an der Führung 34 bewegt. Dabei werden von allen Mess-Laserstrahlen 36 die jeweiligen Abstandsänderungen Δdj erfasst und an eine Auswerteeinheit 44 gesendet. Zudem wird der jeweilige Kippwinkel α vom Autokollimator 10 gemessen und ebenfalls an die Auswerteeinheit 44 übermittelt. Mittels nicht eingezeichneter Abstandsmesser wird eine Topografiesensor-Position P32 entlang der Führung 34 gemessen und ebenfalls an die Auswerteeinheit 44 übermittelt. Die Auswerteeinheit 44 ermittelt daraus eine Topografie Δdj der Oberfläche 38.The
Die Interferometereinheit 32 besitzt einen Stellantrieb 46, mittels dem der Kippwinkel α der Interferometereinheit 32 relativ zum Prüfling 40 verändert werden kann. The
Wird der Kippwinkel α größer als der erste Versatzwinkel β1, so tritt zusätzlich zum ersten Teil-Lichtstrahl 30.1 der zweite Teil-Lichtstrahl 30.2 in den Autokollimator 10 ein. Auf dem Detektor 16 erscheinen dann zwei Lichtflecke. Der Kippwinkel α wird dann beispielsweise dadurch berechnet, dass weiterhin der Lichtfleck auf dem Detektor 16, der zum ersten Teil-Lichtstrahl 30.1 gehört, zur Berechnung des Kippwinkels α verwendet. Aus dem zweiten Lichtfleck, der zum zweiten Teil-Lichtstrahl 30.2 gehört, wird zudem der Versatzwinkel β1 berechnet. Vergrößert sich der Kippwinkel α weiter, so verlässt der entsprechende Lichtfleck den Bereich des Detektors 16. Der Kippwinkel α wird dann aus dem Lichtfleck berechnet, den der zweite Teil-Lichtstrahl 30.2 auf dem Detektor 16 bildet.If the tilt angle α becomes greater than the first offset angle β1, the second partial light beam 30.2 enters the
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Autokollimatorautocollimator
- 1212
- Lichtquellelight source
- 1414
- Spiegelmirror
- 1616
- Detektordetector
- 1818
- Strahlteiler beam splitter
- 2020
- Ausgangs-Lichtstrahloutput light beam
- 2222
- Objektivlens
- 2424
- Eingangs-Lichtstrahlinput light beam
- 2626
- Reflektorelementreflector element
- 28a28a
- erste Reflektorelementflächefirst reflector element surface
- 28b28b
- zweite Reflektorelementfläche second reflector element surface
- 3030
- Teil-Lichtstrahlpartial light beam
- 3232
- Topografie-Sensor, InterferometereinheitTopography sensor, interferometer unit
- 3434
- Führungguide
- 3636
- Mess-Laserstrahlmeasuring laser beam
- 3838
- Oberflächesurface
- 4040
- Prüflingexaminee
- 4242
- Aufnahmeadmission
- 4444
- Auswerteeinheitevaluation unit
- 4646
- Stellantriebactuator
- 4848
- transparentes Element transparent element
- αa
- Kippwinkeltilt angle
- αmessαmess
- Kippwinkeltilt angle
- ii
- Laufindexrunning index
- jj
- Laufindexrunning index
- ββ
- Versatzwinkeloffset angle
- ΔdjΔdj
- Abstandsänderungdistance change
- P32P32
- Topografiesensor-PositionTopographic sensor position
- WW
- Winkelmessbereichangle measuring range
- BB
- Winkelmessbereichangle measuring range
- κk
- Keilwinkelwedge angle
- ρ1, ρ2ρ1, ρ2
- Reflexionswinkelangle of reflection
Claims (9)
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---|---|---|---|---|
JP2000063551A (en) | 1998-08-26 | 2000-02-29 | Ube Ind Ltd | Porous film and separator for battery |
-
2020
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---|---|---|---|---|
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Title |
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Li R., Konyakhin I., Zhang Q., Cui W., Wen D., Zou X., Guo J., Liu Y., Error compensation for long-distance measurements with a photoelectric autocollimator," Opt. Eng. 58(10), 104112 (2019), doi: 10.1117/1.OE.58.10.104112. |
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