DE2032314A1

DE2032314A1 - Verfahren zum berührungslosen optischen Prüfen und Messen von Oberflächen und Vorrichtungen zum Durchführen dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE2032314A1
Application number: DE19702032314
Authority: DE
Inventors: Günter 7034 Maichingen; Frosch Albert 7030 Böblingen Makosch
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1970-06-30
Filing date: 1970-06-30
Publication date: 1972-01-05
Also published as: FR2095594A5; GB1352940A

Description

IBM Deutschland Internationale Bäro-Masdiinen Gesellsdiaft mbH

Böblingen, 25. Juni 1970 hz-rz

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket GE 969 049; GE 869 145

Verfahren zum berührungslosen optischen Prüfen und Messen von Oberflächen und Vorrichtungen zum Durchführen dieses Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen optischen Prüfen und Messen von Oberflächen und Vorrichtungen zum Durchführen dieses Verfahrens.

Zum optischen Prüfen und Messen von Oberflächengestalten sind eine Vielzahl von Methoden bekannt. So sind beispielsweise in dem Buch "Prüfen und Messen der Oberflächengestalt" von Dr. J. Perthen, Carl Hanser Verlag, München 1949«, auf Seiten 122-125, die Dunkelfeld*- und die Hellfeldmethode beschrieben, sowohl mit Beleuchtung von der Seite zur Sichtbarmachung von Schatten als auch mit Alifeldbeleuchtung zur Erzielung eines plastischen Bildes der Oberfläche. Die Betrachtung erfolgt durch ein Mikroskop und durch den Menschen. Es kann nur jeweils eine relativ kleine Oberfläche auf einmal betrachtet werden. Hierdurch ist einmal ein ziemlicher Aufwand notwendig und zum anderen ist die Messung subjektiv und bei der Prüfung großer Oberflächen sehr zeitraubend. Darüber hinaus kann eine direkte Aussage über die Größe und Art der Unebenheiten nicht direkt gemacht werden. Erst über die genaue Auswertung einer oder sogar mehrerer photographischer Aufnahmen der vergrößerten Oberfläche ist eine Aussage über die Art und Größe der Unebenheiten möglich. Es ist einleuchtend, daß dies sehr umständlich ist.

Weitere Methoden der Oberflächenprüfung beruhen auf dem Prinzip der Interferenz von Licht-, Röntgen- und Elektronenstrahlen, wie dies beispielsweise aus dem genannten Buch Seite 165 bekannt ist.

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Mit diesen Interferenzmethoden sind zwar sehr genaue Meßergebnisse erzielbar, der notwendige Aufwand ist jedoch sehr hoch und die Auswertung bereitet Schwierigkeiten. Oft ist auch die Maßeinheit (λ/2) zu klein, so daß zu viele Informationen verarbeitet werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst einfache Prüf- und Messmethode für Oberflächenunebenheiten anzugeben und Vorrichtungen zur Durchführung dieser Methode. Insbesondere soll eine genaue qualitative und quantitative Aussage über die Lage, die Art und die Größe der Unebenheiten ermöglicht werden. Darüber hinaus sollen mit dieser Methode große Oberflächen schnell und auch möglichst automatisch prüfbar sein. Dies ist beispielsweise insbesondere bei der Prüfung der Oberflächenverformungen von Wafern in der Halbleiterfertigung und bei der Oberflächenprüfung von Magnetplatten von großer Bedeutung. Hier dürfen die Unebenheiten nur etwa in der Größenordnung von einigen Micrometern liegen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zu prüfende Oberfläche mit Parallel-Licht beleuchtet und die Bildebene punkt- oder sektionsweise abgetastet wird oder daß die Oberfläche mit einem dünnen Parallel-Licht-Bündel punkt- oder sektionsweise beleuchtet wird und daß zur Bestimmung der Steigung des abgetasteten bzw. beleuchteten Teils der Oberfläche die Information darüber aus der Frequenzebene entweder durch optisches Abtasten oder durch optische Differentiation entnommen und mittels wenigstens eines Photoempfängers hinter der Bildebene aufgenommen wird.

Mit Hilfe dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine eindeutige und direkte Aussage über die Lage, die Art und die Größe der Unebenheiten der geprüften Fläche möglich.

Eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß zur punkt- oder sektionsweisen Abtastung der Bildebene in dieser eine Blende vorgesehen ist, daß zur Abtastung der Frequenzebene eine weitere Blende in Form einer drehbaren Docket GE 969 049; GE 369 145

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Lochblende in der Frequenzebene vorgesehen ist, und daß hinter der Blendenöffnung der Blende in der Bildebene ein Photoempfänger vorgesehen ist, der bei festgehaltenem, abgetastetem Teil der Bildebene durch vollständiges Abtasten der Freguenzebene auf maximale Helligkeit abgestimmt wird, wobei die entsprechende Lage der öffnung der Blende die Steigung des zugehörigen ausgeblendeten Teils der Oberfläche nach Größe und Richtung angibt.

Eine weitere vorteilhafte Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens bedient sich der optischen Differentiation und Komponentenzerlegung und ist dadurch gekennzeichnet, daß zur punkt- oder sektionsweisen Abtastung der Bildebene in dieser eine Blende vorgesehen ist, daß zur optischen Differentiation ein optisches. Schwächungsmittel zur Bestimmung des Betrages der Steigung des abgetasteten Teils der Oberfläche in der Freguenzebene vorgesehen ist, daß die Transmission des optischen Schwächungsmittels proportional dem Abstand von der optischen Achse ist, daß zur Bestimmung des Vorzeichens der Steigung des abgetasteten Teils der Oberfläche das optische Schwächungsmittel mit zwei senkrecht zueinander polarisierenden Polarisatoren hinterlegt ist, daß ein Strahlenteiler zur Trennung der verschieden polarisierten Lichtstrahlen vorgesehen ist, und daß zwei den beiden Polarisationsrichtungen zugeordnete Photoempfanger vorgesehen sind, deren Differenz-Signal die Größe und das Vorzeichen der resultierenden Steigung des abgetasteten Teils der Oberfläche angibt.

Eine vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltung der Vorrichtung zur optischen Differentiation und Komponentenzerlegung besteht darin, daß das optische Schwächungsmittel aus zwei gleichen Schwächungskeilen, die mit ihren dichten Enden aneinandergrenzen, aufgebaut und in der Freguenzebene so angeorndet ist, daß die Grenzlinie die optische Achse schneidet und daß als Strahlenteiler ein Wollaston-Prisma vorgesehen ist.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der in den beiden vorgenannten Vorrichtungen verwendeten Blenden in der Bildebene und der Freguenzebene besteht darin, daß als Blenden Nlpkow-Scheiben ver-

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wendet werden können.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zur Gewinnung einer Profillinie der zu messenden Oberfläche besteht unter Verwendung der vorgenannten Vorrichtungen darin, daß das Bild entlang einer Linie mittels der Blende in der Bildebene mit konstanter Geschwindigkeit abgetastet wird, daß das Differenzsignal der Photoempfänger integriert und diese Integrationsspannung auf einem Schreibgerät oder einem Oszilloskopen aufgezeichnet wird.

Eine weitere vorteilhafte und zweckmäßige Vorrichtung zum. Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die elektrische Integration der Signalspannung der beiden Photoempfänger durch ein optisches Integrationsverfahren ersetzt wird, besteht darin, daß zur sektionsweisen Abtastung der Bildebene in dieser eine Spaltblende vorgesehen ist, daß zur optischen Differentiation ein optisches Schwächungsmittel zur Bestimmung des Betrages der Steigung des abgetasteten Teils der Oberfläche in der Frequenzebene vorgesehen ist, daß die Transmission des optischen Schwächungsmittels proportional dem Abstand von der optischen Achse ist, daß zur Bestimmung des Vorzeichnes der Steigung des abgetasteten Teils der Oberfläche das optische Schwächungsmittel mit zwei senkrecht zueinander polarisierenden Polarisatoren hinterlegt ist, daß eine abbildende Linse vorgesehen ist, daß ein Strahlenteiler zur Trennung der verschieden polarisierten Lichtstrahlen vorgesehn ist, der in einer Ebene zwei den Polarisationsrichtungen entsprechende getrennte Spaltbilder erzeugt, daß eine Linse in der Ebene des Spaltbildes und dahinter ein Photoempfänger vorgesehen ist, auf den durch die Linse die durch beide Spaltbilder hindurchtretenden Lichtstrahlen gelenkt werden, und daß hinter der Ebene des Spaltbildes eine Wechsel-Blende vorgesehen ist, die abwechselnd in dem Maße das eine Spaltbild abdeckt wie sie das andere freigibt und durch diese optische Integrierung im Photoempfänger eine Spannung erzeugt, die dem Profilbild des ausgeblendeten Spaltes der Oberfläche entspricht.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Vorrichtung zur optischen Inte-Docket GE 969 049; GE 869 145

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grierung besteht darin, daß anstelle des Strahlenteilers und der Wechselblende eine Blende in der Ebene des Spaltbildes vorgesehen ist/ die aus zwei Polarisationsfiltern besteht, deren Polarisations-Richtungen senkrecht aufeinanderstehen und die längs einer Geraden senkrecht zur Spaltrichtung aneinandergrenzen, wobei zur optischen Integrierung die Blende am Spaltbild vorbeibewegt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens können in vorteilhafter Weise auf die Erkennung von Unebenheiten bestimmter Form und/oder Größe angewendet werden, indem das Differenzsignal der beiden Photoempfänger und/oder das mit Hilfe eines oder beider Photoempfänger gewonnene integrierte Signal Pulshöhen-Diskriminatoren zugeführt wird.

Anhand der Figuren und einiger AusfUhrungsbeispiele soll im folgenden die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens und die erfindungsgemäßen Vorrichtungen im einzelnen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 Schnittbild und prinzipieller Strahlengang bei einer Dunkelfeldanordnung;

Fig. 2 Schnittbild und prinzipieller Strahlengang der Vorrichtung mit je einer Blende in der Frequenz- und Bildebene;

Fig. 3 Schnittbild des prinzipiellen Aufhaus und prinzipieller Strahlengang der Vorrichtung mit elektrischer Integration;

Fig. 4 perspektivische Ansicht des aus zwei Teilen zusammengesetzten optischen Schwächungsmittels;

Fig. 5 Diagramme der Oberflächengestalt und einzelner Schritte bei der Gewinnung und Darstellung des Meßergebnisses gemäß der Vorrichtung nach Fig. 3;

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Fig. 6 Schnittbild des prinzipiellen Aufbaus und prinzipieller Strahlengang der Vorrichtung mit optischer Integration;.

Fig. 7 Diagramme der Oberflächengestalt und einzelner Schritte zur Gewinnung und Darstellung des Meßergebnisses gemäß der Vorrichtung nach Fig. 6.

In Fig. 1 ist in einem Schnittbild der prinzipielle Aufbau einer Anordnung zur Beobachtung im Dunkelfeld dargestellt. Die Figur zeigt auch den prinzipiellen Strahlengang bei dieser Anordnung. Eine zu prüfende reflektierende Fläche 1 wird über einen halbdurchlässigen Spiegel 2 von einer Lichtquelle 3 mit einem Parallel-Lichtbündel beleuchtet, was durch die beiden nach links zeigenden Pfeile angedeutet ist. Mit dem von der Fläche 1 reflektierten Licht, was durch die beiden nach rechts zeigenden Pfeile angedeutet ist, erzeugt eine Objektlinse 4 ein Bild der Fläche 1 in der Bidebene 5. Ist die Fläche 1 ein ebener Spiegel, so erzeugt die Linse 4 ein Bild der Lichtquelle 3 in der Frequenz- oder Brennebene 6. Dieses Bild der Lichtquelle 3 wird mit einer genau passenden Blende 7 in der Frequenzebene 6 abgedeckt. Ist die zu prüfende unebene Fläche 1 an der Stelle des Spiegels, so gelangt Licht an der Blende 7 vorbei. In der Bildebene 5 entsteht ein sogenanntes Dunkelfeldbild, in dem diejenigen Elemente der zu prüfenden Fläche 1 hell erscheinen, die nicht senkrecht auf der optischen Achse 8 stehen.

Mit Hilfe dieser Methode ist es möglich, die Unebenheiten zu lokalisieren. Eine Aussage über die Neigung der Elemente und über die Höhenunterschiede ist jedoch nicht möglich.

Die Information über die Lage einer Unebenheit kann man wie gesagt der Bildebene 5 entnehmen. Die Information über die Steigung und die Richtung der Unebenheiten der Fläche 1 steckt jedoch in der Frequenzebene 6. Erfindungsgemäß wird diese Information aus der Frequenzebene 6 entweder durch punktweises Abtasten mit Hilfe einer Blende oder durch optische Differentiation entnommen und mittels wenigstens eines Photoempfängers 10 hinter

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der Bildebene 5 aufgenommen. Die Information über die zugehörige Lage der Unebenheit wird durch entsprechende punkt- oder sektionsweise Abtastung der Bildebene 5 entnommen.

In Fig. 2 ist ein Schnittbild durch eine Vorrichtung dargestellt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Gleichzeitig ist der prinzipielle Strahlengang dargestellt. Die Figur zeigt, daß bei Beleuchtung mit Parallel-Licht das von Flächenelementen gleicher Steigung ausgehende Licht an einem einzigen Ort der Frequenzebene 6 fokussiert wird. So werden beispielsweise alle zur optischen Achse 8 parallelen Strahlen im Punkt P der Frequenzebene 6 fokussiert, was durch die ausgezogenen Striche dargestellt ist. Die gestrichelt gezeichneten Strahlen werden in dem Punkt P₊ und die strichpunktiert dargestellten Strahlen in dem Punkt P_ in der Frequenzebene 6 fokussiert. Dabei deuten die Indizes von P an, daß Flächenelemente der Fläche 1 die Steigung O haben, daß Flächenelemente mit positiver Steigung oberhalb von P , eben bei P , fokussiert werden und Flächenelemente mit negativer Steigung am Ort P_- fokussiert werden.

Die Frequenzebene 6 enthält also die Information über die Steigung der Flächenelemente. Der Abstand der Orte, an denen Licht bestimmter Flächenelemente der Fläche 1 fokussiert wird, von der optischen Achse 8, ist ein Maß für die Steigung dieser Flächenelemente. Die Richtung, in der diese Punkte von der optischen Achse 8 liegen, entspricht der Richtung der Steigung.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist in der Bildebene 5 eine Lochblende 9 zur punktweisen Abtastung der Bildebene 5 vorgesehen. Direkt hinter der öffnung der Lochblende 9 ist ein Photoempfänger 10 angeordnet. Zur Abtastung der Frequenzebene 6 ist in dieser eine weitere Blende 11 in Form einer drehbaren Lochblende angeordnet. Zur Feststellung Irgendeiner Unebenheit der Fläche 1 wird nun so verfahren, daß mit Hilfe der Blende 9 in der Bildebene 5 ein bestimmtes Flächenelement der Fläche 1 ausgewählt wird, ein Photoempfänger 10 hinter die Blendenöffnung gebracht wird und mit Hilfe der rotierenden Blende 11 in der Frequenzebene 6 diese

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solange abgetastet wird, bis der Phötöempfanger 1Ö maximale Helligkeit anzeigt. Aus der Lage der Blende 9 in der Bildebene wird die Lage des Flächenelementes bestimmt und aus der Läge bzw» Stellung der öffnung der Blende 11 in der Frequenzebene 6 zum Punkt P₀ auf der optischen Achse 6 wird die Größe und Richtung der Steigung des Flächenelementes ermittelt.

Werden diese Messungen für alle Flächenelemente der Fläche 1 vorgenommen, so wird eine vollständige Differentiation der Fläche 1 durchgeführt. Bieraus lassen sich sämtliche Unebenheiten der Fläche 1 nach ihrer Größe und ihrer Läge bestimmen.

In Fig. 3 ist eine andere Vorrichtung dargestellt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Dabei wird die Abtastung der Frequenzebene nicht mehr wie bei der Anordnung nach Fig. 2 durch eine Lochblende in der Frequenzebene vorgenommen. Die Information über den Betrag der Steigung und die Richtung der Steigung der Flächenelemente der Fläche 1 wird durch optische Differentiation und Komponentenzerlegung der Steigung aus der Frequenzebene entnommen. Dabei werden die Beträge der Steigungen der Flächenelemente der Fläche 1 durch proportionale Helligkeiten der entsprechenden Flächenelemente wiedergegeben. Hierzu ist ein geeignetes optisches Schwächungsmittel 12 in der Frequenzebene 6 angeordnet. Dieses optische Schwächungsmittel 12 muß der Bedingung genügen, daß seine Transmission T proportional dem Abstand von P bzw. dem Abstand von der optischen Achse 8 ist. Dadurch ist man in der Lage, den Bettag der Steigung eines Flächenelementes der Fläche 1 aus der Helligkeit Seines Bildelementes mit Hilfe eines Photoempfängers zu messen.

Um eine vollständige Differentiation der Frequenzebene vornehmen zu können, müssen noch die Richtungen der Steigungen riex einzelnen Flächenelemente der Fläche 1 bestimmt werden. Die Anordnung, die in Fig. 4 in perspektivischer Ansicht dargestellt ist, zerlegt die Richtungen der Steigungen in Komponenten. Das optische Schwächungsmittel 12, das in der Frequenzebene 6 angeordnet ist, ist aus zwei Schwächungskeilen 12a und 12b aufgebaut. Die Docket GE 969 049; GE 869 145

1 Λ Ö Ö O ^ / ΛΑ Λ Λ

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dichten Enden dieser beiden Kelle 12a und 12b grenzen aneinander. Diese Grenzlinie 1st parallel zur Y-Achse angeordnet und schneidet die optische Achse 8, die der Z-Richtung des angedeuteten Polar-Koordinatensystems entspricht. Diese dargestellte Anordnung differenziert nach X, eine Differentiation nach Y erhält man durch Drehen der gesamten Anordnung um die optische Achse 8 um 90°. Um nun positive und negative Steigungen unterscheiden zu können, sind die beiden Schwächungskeile 12a und 12b mit zueinander senkrechten Polarisatoren hinterlegt. Dabei ist der Schwächungskeil 12a in Fig. 4 mit dem Polarisator 13 hinterlegt, dessen Polarisationsrichtung der Y-Richtung entspricht. Der Schwächungskeil 12b ist mit einem Polarisator 14 hinterlegt, dessen Polarisationsrichtung der X-Richtung entspricht.

In der Anordnung gemäß Fig. 3 ist im Strahlengang nach der Blende 9 in der Bildebene 5 eine Beleuchtungslinse 15 angeordnet, die die Strahlen wieder zusammenfasst und sie auf einen Strahlenteiler 16 wirft. Als Strahlenteiler kann zweckmäßigerweise ein Wollaston-Prisraa verwendet werden, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Dieses Wollaston-Prisma trennt die beiden verschieden polarisierten Lichtstrahlen voneinander und lenkt sie auf zwei Photoempfänger 10a und 10b.

Aus den beiden Photoströmen, die in den Photoempfängern 10a und 10b gewonnen werden, wird nun das Differenzsignal gebildet. Dieses Differenzsignal gibt die resultierende Steigung des ausgetasteten Flächenelementes einschließlich des Vorzeichens an. Wird das Bild der Fläche 1 in der Bildebene 5 mit Hilfe der Blende 9 mit konstanter Geschwindigkeit beispielsweise in X-Richtung abgetastet, so kann das Differenzsignal der beiden Photoempfänger 10a und 10b mit elektrischen Integratoren in direkter Weise integriert werden. Man erhält somit zu jeder abgetasteten bzw. abgefahrenen Spur ein Profilbild der zu prüfenden Oberfläche 1, das beispielsweise auf einem Schreibgerät oder auf einem Oszilloskopen dargestellt werden kann. Um Unebenheiten bestimmter

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Form und Größe erkennen zu können, kann dieses Differenzsignal und/oder das integrierte Signal Pulshöhendiskriminatoren züge- , führt werden. Auf diese Weise können beispielsweise abgetastete Oberflächen in bestimmte Güteklassen selektiert werden« Zur Abtastung der Bildebene 5 eignet sich als Blende eine Nipkowscheibe besonders gut.

In der Fig. 5 sind die wichtigsten Schritte bei der Gewinnung des Meßergebnisses dargestellt. In Fig. 5a ist eine Profillinie entlang eines Schnittes durch die zu prüfende Fläche dargestellt. Ober der Entfernung X ist die Oberflächengestalt als Funktion f(x) aufgetragen. Die Fig. 5b zeigt unter Berücksichtigung der Polarisationsrichtungen die Helligkeit in der öffnung der Blende 9 in der Bildebene beim Abtasten des Bildes auf der Schnittlinie, dargestellt als Betrag der Ableitung der Oberflächenfunktion |f'(x)|. Dabei deuten die Pfeile in den beiden Signalkuppen die verschiedenen Polarisationsrichtungen an. In Fig. 5c ist das elektrische Differenzsignal als Ableitung f'(x) der Oberflächengestalt dargestellt und in Fig. 5d das hieraus durch Integration gewonnene Profil der Fläche, das als elektrische Spannung

O=U U(x)dx " f(x) + C

dargestellt ist, wobei C eine Konstante ist.

In Fig. 6 ist eine weitere Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei der im Gegensatz zu der Vorrichtung, die in Fig. 3 dargestellt ist, nur ein Photoempfänger notwendig ist und die elektrischen Integrationselemente entfallen. Diese in Fig. 6 dargestellte Vorrichtung arbeitet mit Hilfe einer optischen Integration. Die Vorrichtung gemäß der Fig. 6 ist bis zur Frequenzebene 6 genauso aufgebaut wie die Anordnung nach Fig. 3. Anstelle der Lochblende 9 in Fig. 3 ist bei der Anordnung nach der Fig. 6 in der Bildebene 5 eine Spaltblende 17 vorgesehen. Diese blendet in der Bildebene 5 einen

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schmalen zu untersuchenden Bereich der Fläche 1 aus, was in etwa der abgefahrenen Spur einer Löchblende entspricht. Im Strahlengang gesehen nach der Bildebene 5 mit der Spaltblende 17 ist eine Feldlinse 18 und eine abbildende Linse 19 vorgesehen. Durch dieses Linsensystem wird ein Bild des Spaltes in einer Spaltbildebene 20 entworfen. Mit Hilfe eines Wollastonprismäs 16 als Strahlenteiler zwischen der abbildenden Linse 19 und der Spaltbildebene 20-erfolgt, eine Aufspaltung des Spaltbildes in zwei getrennte Bilder in der Spaltbildebene 20, entsprechend den Polarisationsrichtungen, die in der Frequenzebene 6 durch die beiden Polarisatoren 13 und 14 hervorgerufen Werden. Die Interisitatsverteilung der Heiligkeit über dem einen Bild des Spaltes gibt die positiven Steigungen wieder, was mit J₁ (x) in Fig. 7b dargestellt ist, wieder. Die Intensitätsverteilung der Helligkeit Über dem änderen Bild des Spaltes gibt die negativen Steigungen wieder und ist mit J₂ (x) ebenfalls in Fig. 7b dargestellt. Die Fig. 7a zeigt wiederum ein Diagramm einer Oberflächengestalt, wobei die Unebenheiten über der Länge des Spaltes aufgetragen ist. Mit einer Linse 21, die im Strahlengang hinter der Spaltbildebene 20 liegt, und die eine ähnliche Funktion hat wie die Linse 15 in der Fig. 3 wird das gesamte durch beide Spaltbilder hindurchtretende Licht auf einen Photoempfänger 10 gelenkt. Der Photoeropfanger 10 registriert also das Integral beider Intensitätsverteilungen. Dieses Integral lautet:

£ (J₁ (x) + J₂ (χ)) dx > A + B = const.

Zur Darstellung des Oberflächenprofils ist eine unbestimmte Integration dieses Integrals erforderlich. Dieses lautet:

J₁ (χ) dx - J J₂ (x) dx - C₀ f (X) + C₁

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wobei C undC₄ Konstanten sind,
ο ι

Um diese Integration durchführen zu können, ist bei der Anordnung gemäß der Fig. 6 in der Spaltbildebene 20 eine Wechselblende

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in QO fi 3 / ή ο ö 4 ORIGINAL INSPECTED '

22 vorgesehen, die durch aufeinanderfolgendes Abtasten beider Spaltbilder in der Ebene 20 die Integration durchführt. Zur Veranschaulichung ihrer Funktion ist die Wechseiblande 22 in Fig. 7b dargestellt und zwar dort in der Weise, daß durch die eine Hälfte der Wechselblende 22 einmal die Intensitätsverteilung J„ freigegeben wird, während gleichzeitig die Integrationsverteilung J. verdeckt wird und dann umgekehrt. Die Bewegungsrichtung der Wechselblende ist in diesem Diagramm durch den nach rechts zeigenden Pfeil ν dargestellt, was die Geschwindigkeit der umlaufenden Wechselblende 22 darstellen soll. Gemäß der in Fig. 7b dargestellten Lage der Weckselblende 22 deckt diese zunächst am Anfang der Integration das Spaltbild mit der Intensitätsverteilung J₁ (x) ab. Der Photoempfänger 10 in Fig. 6 registriert dann das Integral B. Dieses lautet:

B - J₀ J₂ (χ) dx

Befindet sich die Kante 23 der Wechselblende 22 an einer beliebigen Stelle 0 <; x. < χ , so empfängt der Photoempfänger 10 die Intensität:

^B " -6 ^J2 ^{(x) to +} ο ^Jl <*><**·

also bis auf die Konstante B das Integral (1), wie es oben bereits dargestellt wurde. Wird die Wechselblende 22 mit konstanter Geschwindigkeit ν über beide Spaltbilder hinweggeführt, so gibt die Kante 23 der Wechselblende 22 die Intensitätsverteilung J.(x) frei, während sie gleichzeitig die Verteilung J₂Cx) abdeckt. Im unteren Bild der Fig. 7c ist der zeitliche Signalverlauf am Ausgang des Photoempfängers 10 beispielsweise auf einem Oszilloskopen während des Integrationsprozesses als Spannung UCt) darge stellt.

Die eigentliche Integration-ist beendet, wenn die Kante 23 der Wechselblende 22 am Punkt χ in Fig. 7b angelangt ist, was der Länge der Profillinie gemäß Fig« 7a entspricht. Die andere Kante

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24 der Wechselblende 22 bewirkt eine Integration mit umgekehrten Vorzeichen, die die vorausgegangene Integration wieder rückgängig macht, was im rechten Teil der Fig. 7c sichtbar ist. In dieser zweiten Phase der Integration, wenn die Zeit t größer ist als es dem Zeitpunkt t in Fig. 7c entspricht, der im übrigen, da t proportional χ ist, dem Punkt χ in Fig. 7a entspricht, wird also das negative Integral (1) dargestellt. Durch Veränderung der Lage des Spaltes der Spaltblende 17 in der Bildebene 5 wird diese Integration über die gesamte zu prüfende Oberfläche 1 durchgeführt.

Anstelle der in Fig. 6 dargestellten und gezeigten Aufspaltung in zwei Spaltbilder in der Ebene 20 kann zur Integration auch eine andere Blende als die Wechselblende 22 verwendet werden. Es bedarf dann auch keiner Aufspaltung mehr in zwei Spaltbilder. Diese Blende, die in den Figuren nicht dargestellt ist, besteht aus zwei Polarisationsfiltern, deren beide Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander stehen müssen, wie auch bei dem Filter in der Frequenzebene 6 gemäß den Figuren 3 und 6, und sie müssen längs einer Geraden senkrecht zur Spaltrichtung aneinandergrenzen« Diese Grenzlinie hat beim Bewegen der Blende, wobei also auch die Blende aus den Poarisationsfiltern am Spalt vorbeibewegt wird, in der Spaltbildebene 20 die gleiche Funktion wie die Kante 23 der Wechselblende 22.

Von dem Licht, das die zu untersuchende und zu messende Fläche 1 beleuchtet, gelangt nur immer der kleine Anteil des Lichtes in den oder die Photoempfänger 10, 10a, 10b, der die augenblickliche Meßfläche trifft, die punkt- oder sektionsweise ausgeblendet ist. Um die Lichtausnutzung zu verbessern, besteht auch die Möglichkeit, die Fläche 1 nur mit einem dünnen Parallel-Lichtbündel punkt- oder sektionsweise zu beleuchten und dieses Bündel parallel zur optischen Achse 8 und synchron mit der punkt- oder ■eektionsweieen Abtastung über die Fläche 1 zu bewegen. Dabei kann sogar auf die Blende 9 in der Bildebene oder die Blende 20 verzichtet werden, wenn es gelingt, das Bündel ausreichend fein oder ausreichend exakt spaltförmig zu gestalten.

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Eine andere Möglichkeit besteht auch darin, das beleuchtende Parallel-Lichtbündel festzuhalten und die zu messende Fläche 1 an ihm vorbeizubewegen. Hierdurch gewinnt der optische Aufbau an Stabilität und darüber hinaus ist die Größe der zu messenden Fläche 1 nicht mehr durch die Optik begrenzt.

Die Erfindung kann bei geeigneter Modifikation auch auf gekrümmte Flächen angewendet werden.

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Claims

• -15 -PAT EN T A N S P R U C H E

Verfahren zum berührungslosen optischen Prüfen und Messen von Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die zu prüfende Oberfläche (1) mit Parallel-Licht beleuchtet und die Bildebene (5) punkt- oder sektionsweise abgetastet wird, oder daß die Oberfläche (1) mit einem dünnen Parallel-Licht-Bündel punkt- oder sektionsweise beleuchtet wird, und daß zur Bestimmung der Steigung des abgetasteten bzw. beleuchteten Teils der Oberfläche (1) die Information darüber aus der Frequenzebene (6) entweder durch optisches Abtasten oder durch optische Differentiation entnommen und mittels wenigstens eines Photoempfängers (10) hinter der Bildebene (5) aufgenommen wird.
2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur punktweisen oder sektionsweisen Abtastung der Bildebene (5) in dieser eine Blende (9) vorgesehen ist, daß zur Abtastung der Frequenzebene (6) eine weitere Blende (11) in Form einer drehbaren Lochblende in der Frequenzebene (6) vorgesehen ist, und daß hinter der Blendenöffnung der Blende (9) in der Bildebene (5) ein Photoempfänger

(10) vorgesehen ist, der bei festgehaltenem, abgetastetem Teil der Bildebene (5) durch vollständiges Abtasten der Frequenzebene (6) auf maximale Helligkeit abgestimmt wird, wobei die entsprechende Lage der öffnung der Blende (11) die Steigung des zugehörigen ausgeblendeten Teils der Oberfläche (1) nach Größe und Richtung angibt.
3. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur punkt- oder sektionsweisen Abtastung der Bildebene (5) in dieser eine Blende (9) vorgesehen ist, daß zur optischen Differentiation ein optisches ^uhwächungsmittel (12) zur Bestimmung des Betrages der Steigung des abgetasteten Teils der Oberfläche (1) in der Frequenzebene (6) vorgesehen ist, daß die Transmission des optischen Schwächungsmittels (12) proportional dem Abstand von der

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optischen Achse (8) 1st, daß zur Bestimmung des Vorzeichens der Steigung des abgetasteten Teils der Oberfläche (1) das optische Schwächungsmittel (12) mit zwei senkrecht zueinander polarisierenden Polarisatoren (13, 14) hinterlegt ist, daß ein Strahlenteiler (16) zur Trennung der verschieden polarisierten Lichtstrahlen vorgesehen ist, und daß zwei den beiden Polarisations-Richtungen zugeordnete Photoempfänger (10a, 10b) vorgesehen sind, deren Differenz-Signal die Größe und das Vorzeichen der resultierenden Steigung des abgetasteten Teils der Oberfläche (1) angibt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Schwächungsmittel (12) aus zwei gleichen Schwächungskeilen (12a, 12b), die mit ihren dichten Enden aneinander grenzen, aufgebaut und in der Frequenzebene (6) so angeordnet ist, daß die Grenzlinie die optische Achse (8) schneidet.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlenteiler (16) ein Wollaston-Prisma vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Blende (9) in der Bildebene (5) und als Blende (U) in der Frequenzebene (6) Nipkow-Scheiben vorgesehen sind.
7. Verfahren zur Gewinnung einer Profillinie der zu messenden Oberfläche (1) unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch Abtasten des Bildes entlang einer Linie mittels der Blende (9) mit konstanter Geschwindigkeit, Integrieren des Differenzsignals der Photoempfänger (10a, 10b) und Aufzeichnung dieser Integrations-Spannung auf einem Schreibgerät oder einem Oszllloskopen.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur sektionsweisen Abtastung der

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1 η p. ft ft ? / λ <α * i

Bildebene (5) in dieser eine Spaltblende (17) vorgesehen ist, daß zur optischen Differentiation ein optisches Schwächungsmittel (12) zur Bestimmung des Betrages der Steigung des abgetasteten Teils der Oberfläche (1) in der Frequenzebene (6) vorgesehen ist, daß die Transmission des optischen Schwächungsmittels (12) proportional dem Abstand von der optischen Achse (8) ist, daß zur Bestimmung des Vorzeichens der Steigung des abgetasteten Teils der Oberfläche (1) das optische Schwächungsmittel (12) mit zwei senkrecht zueinander polarisierenden Polarisatoren (13, 14) hinterlegt ist, daß eine , abbildende Linse (19) vorgesehen ist, daß ein Strahlenteiler (16) zur Trennung der verschieden polarisierten Lichtstrahlen vorgesehen ist, der in einer Ebene (20) zwei den Polarisations-Richtungen entsprechende getrennte Spaltbilder erzeugt, daß eine Linse (21) in der Ebene (20) des Spaltbildes und dahinter ein Photoempfänger (lo) vorgesehen ist, auf den durch die Linse (21) die durch beide Spaltbilder hindurchtretenden Lichtstrahlen gelenkt werden, und daß hinter der Ebene (20) des Spaltbildes eine Wechselblende (22) vorgesehen ist, die abwechselnd in dem Maße das eine Spaltbild abdeckt wie sie das andere freigibt und durch diese optische Integrierung im Photoempfänger (10) eine Spannung erzeugt, die dem Profilbild des ausgeblendeten Spaltes der Oberfläche (1) entspricht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Strahlenteilers (16) und der Wechselblende (22) eine Blende in der Ebene (2o) des Spaltbildes vorgesehen ist, die aus zwei Polarisationsfiltern besteht, deren Polarisations-Richtungen senkrecht aufeinander stehen und die längs einer Geraden senkrecht zur Spaltrichtung aneinandergrenzen, wobei zur optischen Integrierung die Blende am Spaltbild vorbeibewegt wird.
10.Anwendung der Verfahren und der Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1 bis 9 auf die Erkennung von Unebenheiten bestimmter Form und/oder Größe, gekennzeichnet durch die Zuführung des

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20323H

Differenz-Signals der beiden Photoempfanger ClOa, 10b) und/ oder des mit Hilfe eines oder beider Photoempfänger (10, 10a, 10b) gewonnenen integrierten Signals zu Pulshöhen-Diskriminatoren.

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