DE1267432B

DE1267432B - Optical scanning device for surface testing

Info

Publication number: DE1267432B
Application number: DEP1267A
Authority: DE
Inventors: Odette Dupuy
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1964-04-03
Filing date: 1965-04-01
Publication date: 1968-05-02

Description

Optische Abtastvorrichtung zur Oberflächenprüfung Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Abtastvorrichtung zur Oberflächenprüfung unter Verwendung einer Foucault-Einrichtung mit einem die zu untersuchende reflektierende Oberfläche abtastenden Objektiv und einer optischen Anordnung mit einem Foucault-Keil zur Bildung von zwei kleinen, symmetrisch auf einem Durchmesser der Objektivbildebene senkrecht zur Richtung der Beugungspante des Foucault-Keils gelegenen beleuchteten Vergleichsbereichen, deren Beleuchtungsstärken fotoelektrisch abgeglichen werden, indem ein rotierender, zahnradartig ausgebildeter Spiegel abwechselnd die von den beiden Bereichen kommenden Strahlenbündel - nach Zwischenumlenkung eines der Strahlenbündel an einem festen sphärischen Spiegel - auf einen Fotovervielfacher ablenkt.Optical scanning device for surface inspection The invention relates to on using an optical scanning device for surface inspection a Foucault device with a reflective surface to be examined scanning lens and an optical arrangement with a Foucault wedge for formation of two small, symmetrical, perpendicular to a diameter of the objective image plane Illuminated comparison areas located in the direction of the diffraction edge of the Foucault wedge, whose illuminance levels are adjusted photoelectrically by using a rotating, Gear-like mirror alternately coming from the two areas Beam bundle - after intermediate deflection of one of the beam bundles at a fixed one spherical mirror - distracts on a photomultiplier.

Optische Abtastvorrichtungen der genannten Art sind bereits bekannt, wobei diese die Untersuchung von Oberflächen mit sehr geringer Raubtiefe in der Größenordnung von unter 1 llm erlauben. Bei der bekannten Vorrichtung (Fig. 1) wird von einer monochromatischen Lichtquelle Q mittels eines Kondensors K ein sehr schmaler Spalt F beleuchtet. Der entstehende Beugungsfleck S wird mittels des Abtastobjektivs 0 auf die zu untersuchende Oberfläche M abgebildet, die das Licht reflektiert. Das Objektiv bildet den reflektierten Beugungsfleck in der EbeneS' ab. In dieser Ebene ist ein Foucault-Keil C angeordnet, der den Beugungsfleck mehr oder weniger abschneidet. Die Linse L bildet die Eintrittspupille bzw. das Abtastobjektiv 0 auf den Schirm I ab. Dieses Bild zeigt infolge der Anordnung des Keils C in der Ebene S' Schatten- und Hellbereiche, die die Lage von S relativ zur Oberfläche M kennzeichnen. Bekanntlich gilt für zwei kleine, symmetrisch zur optischen Achse auf einem Durchmesser in einer Bildebene des Objektivs 0 und im Idealfall senkrecht zur Beugungskante des Foucault-Keils gelegene Bereiche A und B: a) Der Lagefehler ist, unabhängig von der Keilstellung, mindestens in erster Näherung der Anderung der Beleuchtungsstärke eines Bereiches bzw. der Differenz der Beleuchtungsstärken der beiden Bereiche proportional, wobei diese Differenz verschwindet, wenn S innerhalb der Oberfläche M liegt. b) Dies gilt sogar, jedoch nur für eine ausgewählte Stellung des Keils innerhalb der Bildebene S', wenn der zu untersuchende FlächenbereichM unter einem Winkel gegenüber der optischen Achse geneigt ist, bis zu einem Grenzwinkel, der sich geometrisch aus der numerischen Objektivöffnung und dem Abstand der Bereiche bestimmen läßt. c) Die theoretische Abtastgenauigkeit (abhängig von der numerischen Apertur des Abtastobjektivs und dem Abstand der Bereiche) kann, im Fall einer ebenen Oberfläche senkrecht zur optischen Achse, 0,0022 llm bei visueller Auswertung (Kontrastempfindlichkeit) erreichen unter Annahme einer numerischen Apertur von 0,65. Optical scanning devices of the type mentioned are already known this being the investigation of surfaces with very shallow depth of predation in the Allow size of less than 1 m. In the known device (Fig. 1) from a monochromatic light source Q by means of a condenser K a very narrow one Gap F illuminated. The resulting diffraction spot S is by means of the scanning lens 0 mapped onto the surface M to be examined, which reflects the light. That Objectively images the reflected diffraction spot in the plane S '. At this level a Foucault wedge C is arranged, which more or less cuts off the diffraction spot. The lens L forms the entrance pupil or the scanning objective O on the screen I from. This picture shows due to the arrangement of the wedge C in the plane S 'shadow and bright areas, which characterize the position of S relative to the surface M. As is well known applies to two small ones, symmetrical to the optical axis on one diameter in one Image plane of objective 0 and ideally perpendicular to the diffraction edge of the Foucault wedge located areas A and B: a) The position error is, regardless of the wedge position, at least as a first approximation of the change in the illuminance of an area or proportional to the difference in the illuminance levels of the two areas, where this difference disappears when S lies within the surface M. b) This is true even, but only for a selected position of the wedge within the image plane S 'if the surface area M to be examined is at an angle with respect to the optical Axis is inclined up to a critical angle that is geometrically derived from the numerical Lens opening and the distance between the areas can be determined. c) The theoretical Scanning accuracy (depending on the numerical aperture of the scanning lens and the distance between the areas), in the case of a flat surface perpendicular to the optical Axis, 0.0022 llm with visual evaluation (contrast sensitivity) achieve below Assumption of a numerical aperture of 0.65.

Der entsprechende Wert bei Verwendung eines fotoelektrischen Empfängers erreicht bei gleichem Bereichsabstand theoretisch eine Genauigkeit von 0,0007 Fm (Empfindlichkeit gegen Beleuchtungsunterschiede). d) Wenn die Helligkeitsänderungen nur eines Bereichs ausgewertet werden, so beeinflussen örtliche Änderungen des Reflexionsfaktors der Oberfläche den Meßwert; bei Auswertung beider Bereiche bzw. des Unterschiedes der Beleuchtungsstärke beider Bereiche entfällt der Einfluß sich ändernder Reflexionsfaktoren. The corresponding value when using a photoelectric receiver theoretically achieves an accuracy of 0.0007 Fm with the same range distance (Sensitivity to differences in lighting). d) When the brightness changes only one area are evaluated, local changes affect the reflection factor the surface the measured value; when evaluating both areas or the difference the illuminance of both areas does not have the influence of changing reflection factors.

Das bekannte optische Verfahren ist nur bei sehr kleinen Lagenfehlern anwendbar und liefert eine Genauigkeit in der Größenordnung von 0,01 Fm. The well-known optical method is only available for very small layer defects applicable and provides an accuracy of the order of 0.01 Fm.

In Fig. 1 ist diagrammartig dargestellt, wie die Lichtbündel der beiden Bereiche abwechselnd auf den Fotovervielfacher PM projiziert werden: Das Bündel A' des Bereichs A wird an einem sphärischen Spiegel m reflektiert und fällt auf die Zähne eines zahnradartig ausgebildeten Spiegels m', durch dessen Lücken das LichtbündelB' des Bereichs auf den Fotovervielfacher gelangt, und zwar abwechselnd mit dem Bündel A", reflektiert von den Zähnen, wenn der Spiegel m' in Rotation versetzt wird. Am Ausgang des Fotovervielfachers erscheint mithin eine Wechselspannung, sobald die beiden Strahlenbündel unterschiedliche Lichtstärken aufweisen. In Fig. 1 is shown diagrammatically how the light bundle both areas are alternately projected onto the photomultiplier PM: That Bundle A 'of area A becomes spherical Mirror m reflected and falls on the teeth of a gear-like mirror m ', through its Gaps the light beam B 'of the area reaches the photomultiplier, namely alternating with the bundle A ", reflected from the teeth when the mirror m 'in Rotation is offset. A will appear at the output of the photo multiplier Alternating voltage as soon as the two bundles of rays have different light intensities exhibit.

Eine andere bekannte Vorrichtung zur Bestimmung der Dicke von Objekten mittels optischer Abtastung bedient sich einer anderen Nachführeinrichtung; eine hohe Genauigkeit ist aber hier schon deshalb nicht zu erwarten, weil nicht mit Beugungsbildern gearbeitet wird. Ferner ist ein Vergleichsobjekt als Lehre erforderlich. Another known device for determining the thickness of objects another tracking device uses optical scanning; one However, high accuracy is not to be expected here, if only because it is not with diffraction images is being worked on. Furthermore, a comparison object is required as a teaching.

Eine weitere bekannte Vorrichtung zur Bestimmung des Krümmungsradius reflektierender Oberflächen arbeitet nach dem Prinzip, daß das Meßobjekt eine Beugungshalo erzeugt, die mikroskopisch beobachtet wird und als Anzeige für die Scharfstellung des Mikroskopobjektivs dient, dessen Abstand von einem Bezugspunkt (einer Hilfslichtquelle) bestimmt und ausgewertet wird. Die erreichbaren Genauigkeiten liegen um mehrere Größenordnungen unter den mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielten Genauigkeiten. Eine automatische Nachführung ist bei dieser bekannten Vorrichtung nicht vorgesehen. Another known device for determining the radius of curvature reflective surfaces works on the principle that the measurement object has a diffraction halo which is observed microscopically and as an indication of the focus of the microscope objective whose distance from a reference point (an auxiliary light source) is determined and evaluated. The achievable accuracies are several Orders of magnitude below the accuracies achieved with the device according to the invention. Automatic tracking is not provided in this known device.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine optische Abtastvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der als optischer Empfänger ein Fotovervielfacher dient und bei der der Ausgangsstrom des Fotovervielfachers zur automatischen Verschiebung des Abtastobjektivs senkrecht zu der zu untersuchenden Oberfläche entsprechend dem jeweiligen Oberflächenprofil herangezogen wird, wobei gleichzeitig die Objektivverschiebung oder eine zu ihr proportionale Größe aufgezeichnet wird und sich hieraus in Abhängigkeit vom Vorschub der zu untersuchenden Oberfläche deren Profilkurve ergibt. The invention is now based on the object of an optical scanning device To create of the type mentioned, in which a photo multiplier is used as the optical receiver and in which the output current of the photomultiplier is used for automatic shifting of the scanning lens perpendicular to the surface to be examined according to the respective surface profile is used, with the lens shift at the same time or a quantity proportional to it is recorded and is dependent on this from the advance of the surface to be examined whose profile curve results.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zahnradartige Spiegel einen von einer Lichtquelle auf eine fotoelektrische Quelle fallenden Lichtstrahl periodisch unterbricht und der periodische Ausgangsstrom der einen Feldspule eines Drehfeldmotors zugeleitet wird, während dessen zweite Feldspule vom periodischen Ausgangsstrom des Fotovervielfachers gespeist wird, und daß der Drehfeldmotor in Abhängigkeit von der gegenseitigen Phasenlage der beiden zugeleiteten Feldströme eine Objektivverschiebungsvorrichtung betätigt, mit der ein Aufzeichnungsgerät für die Objektivverschiebung verbunden ist. This object is achieved in that the gear-like Mirror a light beam falling from a light source onto a photoelectric source periodically interrupts and the periodic output current of one field coil one Rotary field motor is fed, while the second field coil of the periodic Output current of the photomultiplier is fed, and that the rotary field motor in Dependence on the mutual phase position of the two supplied field currents actuates a lens shift device with which a recorder for the lens shift is connected.

Damit wird der Vorteil erzielt, daß das Abtastobjektiv automatisch und genau auf einen bestimmten Abstand zu der zu untersuchenden Oberfläche eingeteilt werden kann, wobei das mit der Objektivverschiebungsvorrichtung verbundene Aufzeichnungsgerät die Objektivverschiebung als Funktion der Zeit wiedergibt und somit den genauen Verlauf des Oberflächenprofils einer unter der optischen Abtastvorrichtung vorbeibewegten Oberfläche aufzeichnet. This has the advantage that the scanning lens is automatic and divided precisely to a certain distance from the surface to be examined the recording apparatus connected to the lens shifting device the lens shift as a function of time and thus the exact Course of the surface profile of a vehicle moved past under the optical scanning device Surface.

Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand der F i g. 2 veranschaulicht. The invention is shown in the drawing with reference to FIGS. 2 illustrates.

An einer Längenverschiebungsvorrichtung 1 sitzt das Abtastobjektiv O; in gestrichelten Linien ist der Strahlengang des von ihm kommenden Lichtbündels eingezeichnet. Ausgehend von den beiden BereichenA und B wird das Strahlenbündel wie in F i g. 1 in zwei Strahlenbündel aufgespalten unter Verwendung eines sphärischen Spiegels m und eines rotierenden, zahnradartig ausgebildeten Spiegels m', der hier als spiegelnder Belag auf einer Zahnscheibe 5 ausgeführt ist. The scanning lens sits on a length displacement device 1 O; in dashed lines is the beam path of the light beam coming from it drawn. Starting from the two areas A and B, the bundle of rays becomes as in FIG. 1 split into two beams using a spherical mirror m and a rotating, gear-like mirror m ', which is here as a reflective Coating is carried out on a toothed disk 5.

Die Zahnscheibe 5 wird mittels des Motors 4 in Rotation versetzt.The toothed disk 5 is set in rotation by means of the motor 4.

Die beiden Bündel fallen somit abwechselnd auf die Fotokatode des Fotovervielfachers 2, der an eine übliche Spannungsquelle 3 angeschlossen ist. Der Ausgangsstrom des Fotovervielfachers 2 wird mittels eines Wechselstromverstärkers 10 verstärkt. The two bundles thus fall alternately on the photocathode of the Photo multiplier 2, which is connected to a conventional voltage source 3. Of the Output current of the photomultiplier 2 is obtained by means of an AC amplifier 10 reinforced.

Wenn die beiden Bündel gleiche Helligkeit besitzen, so ist der Ausgangsstrom des Fotovervielfachers ein Gleichstrom, und am Ausgang des Wechselstromverstärkers 10 erscheint kein Signal. In diesem Fall liegt das Beugungsbild genau in der Fläche M (Fig. 1). Sobald der Abstand O-M sich ändert (also sobald eine Ungenauigkeit od. dgl. in der Oberfläche M auftritt), sind die beiden Bereiche A, B unterschiedlich hell, und am Ausgang des Fotovervielfachers erscheint ein Wechselstromsignal. Die Frequenz dieses Signals ist durch die Drehzahl und Zahnzahl des Spiegels m' bzw. der Zahnscheibe 5 bestimmt und die Höhe der Ausgangsspannung von dem Unterschied der Bereichshelligkeit, während die Phasenlage wechselt, je nachdem ob A heller ist als B, oder umgekehrt. Damit die Phasenlage für die Richtungssteuerung der Objektivverstellung ausgenutzt werden kann, muß mithin ein Phasenbezugssignal vorliegen. Dies wird mittels einer von einer Gleichstromquelle 7 gespeisten Lichtquelle 6 geschaffen, deren Licht ebenfalls mittels der Zahnscheibe 5 zerhackt wird; die Spiegelreflexschicht m' auf den Zähnen wird dabei nicht verwendet, sondern nur die Ab-bzw. Aufblendung durch den Wechsel von Zähnen und Lücken. Das zerhackte Licht fällt auf eine Fotozelle 8, an deren Ausgang also ein Wechselstrom gleicher Frequenz wie am Ausgang des Fotovervielfachers erscheint. Die Phasenlage wird so gewählt -indem der Strahlengang 6, 8 entsprechend tangential zur Zahnscheibe 5 verschoben wird, daß zwischen den beiden Spannungen an den Ausgängen des Verstärkers 10 und der Fotozelle 9 eine Phasendifferenz von plus oder minus 900 vorliegt, je nachdem, welcher Bereich heller ist. Die beiden Spannungen werden den Feldspulen 11 bzw. 12 eines Drehfeldmotors zugeführt, der die Längsverschiebung des ObjektivsO über eine mechanische Koppeleinrichtung 13 bewirkt. Die jeweilige Längsverschiebung des Objektivs 0 wird mittels einer Aufzeichnungsvorrichtung 14 registriert und ausgewertet. Die Längsverschiebungsrichtung des Objektivs wird dabei durch die Drehrichtung des Drehfeldmotors bestimmt, die ihrerseits von der Phasenlage der beiden Ströme in den Feldspulen abhängt. If the two bundles have the same brightness, the output current is of the photomultiplier a direct current, and at the output of the alternating current amplifier 10 no signal appears. In this case the diffraction pattern lies exactly in the surface M (Fig. 1). As soon as the distance O-M changes (i.e. as soon as an inaccuracy or Like. Occurs in the surface M), the two areas A, B are different bright, and an AC signal appears at the photomultiplier output. the The frequency of this signal is determined by the speed and number of teeth of the mirror m 'or of the toothed disk 5 and determines the level of the output voltage from the difference the area brightness, while the phase position changes, depending on whether A is brighter is as B, or vice versa. So that the phase position for the direction control of the lens adjustment can be used, therefore a phase reference signal must be available. This is done using a light source 6 fed by a direct current source 7, the light of which is created is also chopped by means of the toothed disk 5; the mirror reflection layer m 'on the teeth is not used, but only the ab or. Fade through the change of teeth and gaps. The chopped up light falls on a photocell 8, at the output of which an alternating current of the same frequency as at the output of the photomultiplier appears. The phase position is selected in such a way -by the beam path 6, 8 accordingly is shifted tangentially to the pulley 5 that between the two voltages at the outputs of the amplifier 10 and the photocell 9 a phase difference of plus or minus 900 is present, whichever area is lighter. The two Voltages are fed to the field coils 11 and 12 of a rotating field motor, the the longitudinal displacement of the objective O via a mechanical coupling device 13 causes. The respective longitudinal displacement of the objective 0 is recorded by means of a recording device 14 registered and evaluated. The longitudinal displacement direction of the lens becomes determined by the direction of rotation of the rotating field motor, which in turn is determined by the Phase position of the two currents in the field coils depends.

Claims

Claim: Optical scanning device for surface testing using a Foucault device with a reflective material to be examined Surface-scanning lens and an optical arrangement with a Foucault wedge for the formation of two small, symmetrical on a diameter of the lens image plane perpendicular to the direction of the diffraction edge of the Foucault Wedge illuminated comparison areas whose illuminance levels are photoelectrically compared by a rotating gear-like mirror alternately the Beams coming from the two areas - after intermediate deflection one the bundle of rays on a fixed spherical mirror - on a photomultiplier deflects, d a -characterized in that the gear-like mirror (5) one of a light source (6) on a photoelectric cell (8) falling light beam periodically interrupts and the periodic output current of a field coil (12) of a rotating field motor (11, 12) is fed, while the second field coil (11) of the periodic Output current of the photomultiplier (2) is fed, and that the rotating field motor (11, 12) in Dependence on the mutual phase position of the two supplied field currents an object shifting device (1) is actuated with which a recording device (14) is connected for lens shift.

Documents considered: German Auslegeschrift No. 1 103 050; U.S. Patent Nos. 2,466,015, 3,125,624; “Compte Rendus des Seances de 1'Academie des Sciences, Paris, February 8, 1960, pp. 1013 to 1015; from 19 February 1962, pp. 1397 to 1399.